Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Целью данной курсовой работы является:

1) ознакомление с функциональным назначением, принципом действия и конструкцией исполнительных и преобразовательных устройств;

2) получение знаний о принципах подбора и проектирования технических средств автоматизации для электрических и пневматических локальных систем;

3) обучение методам формализации узлов металлорежущих станков в виде расчетных схем и параметризации последних;

4) обучение пользованию информационными базами данных по стандартным изделиям;

5) развитие навыков по проведению инженерных расчетов на работоспособность конструкций узлов станков и оформлению конструкторской документации.

1. Разработка электромеханики привода станка 1720ПФ30

1.1 Уточнение чертежа общего вида

Шпиндель приводится во вращение электродвигателем постоянного тока через коробку скоростей и две ременные передачи. Вращающий момент от вала двигателя передаётся через ременную передачу на вал-шестерню с числом зубьев 20. Эта шестерня находится в зацеплении с зубчатой муфтой с числом зубьев 20. Также вал-шестерня находится в зацеплении с зубчатым колесом второго вала коробки скоростей с числом зубьев 56. Через зубчатую муфту вращающий момент посредством ременной передачи подается на шпиндель.

Рисунок 1 - Упрощённая кинематическая схема коробки передач станка

Общее передаточное число равно:

Общий КПД привода равен:

, (1)

где - КПД подшипников,; - КПД зубчатой передачи, ; - КПД ремённй передачи, ;

k - количество подшипников;

m - количество зубчатых передач;

l - количество ремённых передач.

1.2 Выбор исполнительного электродвигателя для привода

Определяем необходимую скорость вращения двигателя постоянного тока:

(2)

Частота вращения шпинделя дана по условию

Момент силы резания равен:

(3)

Номинальный момент двигателя:

 (4)

Номинальная мощность двигателя:

(5)

Исполнительный двигатель выбирается из условия, что:

Двигатели выбираются из типа Siemens 1GL5.

Итак, выбираем по каталогу двигатель 1GL5 164-OW40-6HU1.

Таблица 1 - Характеристики электродвигателя

Параметр
Значение	42	2000	120	89	2.41	0,28	0,144

Проверим двигатель по нагрузке:

200,63>169,33, значит, у данного двигателя мощности достаточно.

Рассчитаем недостающие параметры электродвигателя:

- коэффициент момента С:

 (6)

- номинальное напряжение Uном:

(7)

где Рэл - электрическая мощность двигателя.

- электромагнитная постоянная якоря Тя:

(8)

.

- номинальная угловая скорость вращения ротора :

(9)

1.3 Построение расчётной схемы механической части привода

Для дальнейшего моделирования рассматриваемого привода необходимо произвести построение расчетной схемы его механической части для каждого вала.



Рисунок 2 - Расчётная схема механики привода

Соединив вместе расчетные схемы всех валов привода, получим единую схему, приведенную на первом листе графической части работы. Число узловых точек расчетной схемы меньше двадцати, что позволяет, не упрощая схемы, воспользоваться программой DYNAR.

1.4 Параметризация расчётной схемы привода

Расчёт моментов инерции элементов привода.

Детали привода (валы, шестерни, зубчатые колеса) имеют цилиндрическую форму с некоторым количеством уступов. Для вычисления момента инерции j - й детали ее условно разбивают на i-ые участки постоянного диаметра и определяют момент инерции каждого участка по формуле:

(10)

где - плотность стали, ; - длина i-го участка j-ой детали, м;

- наружный и внутренний диаметры i-го участка, м.

Полученные моменты инерции участков складывают:

 (11)

Для упрощенных расчетов допускается представлять сложные многоступенчатые детали в виде простых цилиндрических деталей.

Суммарные моменты инерции приводятся к валу двигателя по формуле:

(12)

где i - передаточное отношение между валами.

Таблица 2 - Расчет моментов инерции частей привода

Обозначение	Параметры	Момент инерции цилиндра J, кг*м2	Общий момент инерции Jсум, кг*м2
	Длина L,мм	Внешний диаметр D, мм	Внутренний диаметр D, мм
Шкив1 Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3	50 32 37	180 180 72	143 36 36	0,0248 0,0263 0,0007	0,0518
Шкив 2 Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3	55 29 58	226 226 94	182 45 45	0,0653 0,0593 0,0033	0,1279
Вал 1 Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3 Цилиндр 4	161 35 34 70	45 35 45 63	0 0 0 0	0,00052 0,000039 0,00011 0,00087	0,00153
Колесо1 Цилиндр 1 Цилиндр 2	40 38	164 72	50 50	0,0225 0,0006	0,0231
Вал 3 Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3 Цилиндр 4 Цилиндр 5	27 10 173 7 15	25 16 50 16 25	0 0 0 0 0	8е-6 е-6 0,00085 3е-7 3е-6	0,000858
Колесо2 Цилиндр 1 Цилиндр 2	38 25	72 93	50 50	0,00062 0,00134	0,00193
Колесо3 Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3	25 12 25	92 92 135	70 58 58	0,00094 0,00056 0,0063	0,0078
Вал 2' Цилиндр 1 Цилиндр 2	98 156,5	58 50	0 0	0,00087 0,00077	0,00164
Вал 2'' Цилиндр 1	254,5	50	0	0,00125	0,00125
Шкив 3 Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3	150 52 46	187 187 123	148 50 50	0,0875 0,0495 0,008	0,1452
Шкив 4 Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3	154 53 37	236 236 146	208 95 95	0,1488 0,1262 0,0108	0,2854
Шпиндель' Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3	119 75 248	95 100 109	55 69 80	0,0068 0,0045 0,01953	0,03083
Шпиндель'' Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3 Цилиндр 4	296 27 33 21	109 126 210 140	80 85 89 91	0,02329 0,00424 0,00488 0,0052	0,0815



Расчёт податливостей элементов привода.

В данной работе необходимо произвести расчет следующих типов податливостей: крутильной податливости участков валов, шлицевых и шпоночных соединений, податливости зубчатых и ременных передач.

Крутильные податливости участков валов рассчитываются по формуле:

(13)

где G - модуль упругости второго рода, G=8*1010 Па;

D - наружный диаметр вала, м;

lэк - эквивалентная длина вала, м;

Кс - коэффициент, зависящий от формы вала.

Эквивалентная длина вала определяется по формуле:

(14)

где l0 - расстояние между ступицами, м;

l1, l2 - ширина ступиц, м.

Коэффициент Kc для гладкого сплошного вала равен 1. Для полого вала Kc рассчитывают по формуле:

 (15)

Крутильная податливость шлицевых и шпоночных соединений определяется по формуле:

(16)

где d - диаметр сопряжения (для шлицевого соединения d=dcp), м;

l - длина сопряжения, м;

h - активная высота шпонки или шлица, м;

z - число шпонок или шлицев;

призматической шпонки 6,4·10-12рад/(Н·м), для сегментной шпонки 13,6·10-12рад/(Н·м).

Податливость зубчатых передач, приведенную к ведущему валу, определим по упрощенной формуле (без крутильной податливости, учитывающей деформацию валов и опор):

(17)

где ез - крутильная податливость, учитывающая деформацию зубьев;

Кз - постоянный коэффициент, равный для прямозубых колёс 6,0·10-11 м2/Н, для косозубых 3,6·10-11 м2/Н;

b - ширина венца зубчатого колеса, м;

R - радиус начальной окружности зубчатого колеса, расположенного на валу, к которому приводится податливость передачи, м;

б - угол, для эвольвентного зацепления равный 20?.

Таблица 3 - Расчет податливостей участков валов

Таблица 4 - Расчет податливостей шлицевых и шпоночных соединений

Таблица 5 - Расчет податливостей зубчатых передач

Таблица 6 - Расчет податливостей ременных передач

1.5 Ввод данных в прикладной пакет DYNAR

Расчетная схема привода моделируется на ПЭВМ в интерактивном режиме с помощью пакета прикладных программ DYNAR.

На рисунке 3 показана таблица ввода основных сведений о системе для расчетов в программе DYNAR.

Рисунок 3 - Общие сведения

На рисунке 4 показана таблица ввода податливостей элементов привода. Податливость магнитного поля двигателя принимаем равной 10-3 рад/(Н?м).

Рисунок 4 - Таблица ввода податливостей

На рисунке 5 представлена таблица для ввода значений моментов инерции элементов привода.

Таблица ввода передаточных отношений между валами привода представлена на рисунке 6.



Рисунок 5 - Таблица ввода моментов инерции

Рисунок 6 - Таблица ввода передаточных отношений

1.6 Результаты моделирования динамики привода

В интерактивном режиме работы с помощью пакета прикладных программ DYNAR получаем таблицу модальных параметров системы, представленную на рисунке 7.

Далее получаем таблицу динамических податливостей по углу, представленную на рисунке 8.

Получаем график амплитудно-частотных характеристик по углу, представленный на рисунке 9 и на первом листе графической части работы.



Рисунок 7 - Таблица модальных параметров

Рисунок 8 - Таблица динамических податливостей



Рисунок 9 - АЧХ по углу

По виду АЧХ по углу видно, что рассматриваемая система является двумассовой, так как присутствует две собственных частоты ,.

1.7 Структурная схема математической модели механической части привода

Математическая модель двумассовой системы представлена на рисунке 10 в виде структурной схемы.

Рисунок 10 - Структурная схема модели двумассовой системы

Собственная частота w рассчитывается по формуле:

(18)

.

Коэффициент рассчитывается по формуле:

(19)

.

Окончательно математическая модель механики привода имеет вид:

Рисунок 11 - структурная модель механики привода

2. Разработка математической модели пневмопривода

Во второй части курсовой работы необходимо:

1) рассчитать коэффициент расхода пневмораспределителя;

2) разработать математическую модель механики пневмопривода;

3) разработать математическую модель состояния воздуха в полостях пневмоцилиндра;

4) разработать математическую модель аэромеханики пневмопривода;

5) на основе полученных моделей получить общую модель пневмопривода.

2.1 Уточнение чертежа общего вида

В качестве управляющей аппаратуры для пневмоцилиндра принимаем пневмораспределитель. Принципиальная схема системы изображена на рисунке 12, на котором обозначены: 1 - компрессор, питающий систему, 2 - пневмоцилиндер, 3 - пневмораспределитель.



Рисунок 12 - Принципиальная схема управления пневмоцилиндром

При расчете системы принимается движение из крайнего левого положения в крайнее правое. Для выбора управляющей аппаратуры необходимо рассчитать площади условного прохода преобразовательного устройства. Для этого воспользуемся уравнением гидродинамики движения воздуха по трубопроводам:

(20)

где Q - требуемый объемный расход воздуха в м3/с;

с - коэффициент расхода пневмораспределителя, м3/(Па*с)

рвх, рвых - входное и выходное давление для полости, Па.

Входное давление Р1 для левой полости является абсолютным давлением питания системы:

Р1= Рпит=0,4 МПа.

Примем установившееся значение скорости движения поршня Vп равным 0,4 м/с.

Составив уравнения расхода для правой и левой полости, подставив в нее и выразив с, получим систему из двух уравнений:

(21)

где Sп - площадь поршня, м2

Ра - атмосферное давление, равное 100000 Па,

- сумма сил, действующих на поршень;

Ратм - атмосферное давление, равное 0,1 МПа.

Площадь поршня Sп определяется по формуле(площадь сечения штока принимаем равной нулю):

(22)

.

Суммарная сила равна сумме сил технологической и сухого трения:

(23)

Для нахождения неизвестного коэффициента расхода, Составим модель системы уравнений (26) в Simulink. Диапазон изменения Р2 примем равным 120000-360000 Па.



Рисунок 13 - S-модель системы уравнений (26)

Рисунок 14 - Графическое решение системы уравнений (26)

Графически решив систему уравнений, получаем:

с = 4,22*10-8 м3/(Па*с)

2.2 Разработка математической модели механики пневмопривода

Механика пневмопривода описывается дифференциальным уравнением, составленным по принципу Даламбера:

 (24)

шпоночный станок кинематический

где Кж.тр.- коэффициент жидкостного трения поршня о цилиндр, (Н?м)/(м?с-1), равный:

(25)

где dц - диаметр штока пневмоцилиндра; Кс - коэффициент трения стали о стальную поверхность, равный 0,1; Sп - площадь сечения поршня, м2; m - масса подвижной части, кг.

. Примем .

Так как мы рассматриваем только движение поршня слева направо, принимаем sign(x')=-.

Рисунок 15 - Структурная схема модели механики пневмопривода

2.3 Разработка математической модели состояния воздуха в полостях пневмоцилиндра

Состояние воздуха в полости пневмоцилиндра описывается адиабатическим законом:

 (26)

Если масса непостоянная, то этот закон примет вид:

(27)

где ч - показатель адиабаты, равный 1,42; V - объём полости, м3; Р - давление в полости, МПа.

Найдём коэффициент k. При нормальном атмосферном давлении (0,1 МПа) 1 м3 воздуха весит 1,29 кг. Тогда:

Рассмотрим состояние воздуха в левой полости.

(28)

где V01- начальный объём левой полости, м3; - плотность воздуха, 1.29 кг/м3. Начальный объем полости рассчитываем из чертежа пневмоцилиндра:

Отсюда получим давление воздуха:

(29)

Аналогично для правой полости:

 (30)

Начальный объём полости равен:

Давление воздуха:

(31)

Структурные схемы моделей состояния воздуха в левой и правой полостях приведены на рисунках 16 и 17 соответственно.

Рисунок 16 - Структурная схема модели состояния воздуха в левой полости

Рисунок 17 - Структурная схема модели состояния воздуха в правой полости

2.4 Разработка модели аэромеханики пневмопривода

Аэромеханика пневмопривода описывается уравнениями гидродинамики пневмопривода для двух полостей.

Для левой полости массовый расход равен:

(32)

Для правой полости:

(33)

Входной величиной данных моделей являются соответствующие давления, а выходной - соответствующие массовые расходы.

Структурные схемы моделей аэромеханики левой и правой полостей приведены на рисунках 18 и 19 соответственно.

Рисунок 18 - Структурная схема модели аэромеханики левой полости

Рисунок 19 - Структурная схема модели аэромеханики правой полости

2.5 Разработка схемы модели пневмопривода в приложении Simulink

Чтобы собрать общую модель пневмопривода, необходимо объединить ранее разработанные модель механики, модель состояния воздуха в полостях и модель аэромеханики в одну общую схему.

Рисунок 20 - Общая схема S-модели пневмопривода

2.6 Результаты моделирования и идентификация математической модели пневмопривода для САУ

На рисунке 21 представлен график зависимости перемещения поршня пневмопривода от времени до достижения им крайнего правого положения.

На рисунке 22 представлен график зависимости скорости поршня пневмопривода от времени.

На рисунке 23 представлен график зависимости изменения давления в полостях пневмопривода от времени.

На рисунке 24 представлен график зависимости изменения расхода воздуха в полостях пневмопривода от времени.



Рисунок 21 - График перемещения поршня

Рисунок 22 - График изменения скорости поршня



Рисунок 23 - График изменения давления в полостях

Рисунок 24 - График изменения расхода воздуха в полостях

Проведём идентификацию пневмопривода как объекта регулирования, при этом неизвестным является координата. Представим передаточную функцию объекта как последовательное соединение И-звена и А-звена 1-го порядка:

(34)

Методом инженерного поиска находим : b0 = 6, а1= 0.2, а0 = 1, Tu =1.

Рисунок 25 - Идентификация пневмопривода

Итак, мы получили модель пневмопривода в виде следующей передаточной функции:

На следующем рисунке представлен график, на котором изображены две модели: исходная модель и модель идентификации. Так модель является достаточно точной, поэтому остановимся на ней и не будем далее применять более точные методы идентификации.



Рисунок 26 - Результат идентификации пневмопривода

Заключение

В курсовой работе был разработан автоматизированный электропривод главного движения станка 1720ПФ30, а также разработан пневматический привод передаточного устройства транспортной системы ТС500, получены математические модели приводов как объектов САУ.

Литература

1. Металлорежущие станки /Под ред. В.Э. Пуша. --М.: Машиностроение, 1985.-468с.

2. Коловский М.З. Динамика машин .- Л.: Машиностроение, 1989.- 288с.

3. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков.-М.: Машиностроение, 1986.-386с.

4. Ривин Е.И. Динамика приводов станков. - М.: Машиностроение, 1966.- 203 с.

5. Программа дисциплины и методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине “Технические средства автоматизации” для студентов специальности 2102 - Автоматизация технологических процессов и производств для студентов очной и заочной формы обучения/Кубан. гос. технол. ун-т. Сост.: Ю.Е. Кичкарь, Краснодар, 2005. - 47 с.

Размещено на Allbest.ru

...