Інструментальний широкоуніверсальний фрезерний верстат

Час розгону до Vб,х

2.1.4 Розрахунок параметрів трансформатора і ТП

Повний опір фази трансформатора приведений до вторинної обмотки:

де: - номінальна лінійна напруга та фазний струм вторинної (вентильної) обмотки трансформатору, В; А;

- напруга короткого замикання, %.

Активний приведений опір фази трансформатора:

де: - потужність короткого замикання, Вт.

Індуктивний приведений опір фази трансформатора:

Приведена індуктивність фази трансформатора;

де: - частота напруги живлячої мережі, Гц.

Комутаційний опір вентилів, Ом:

де: - число пульсів в мостовій схемі випрямляння напруги.

Індуктивність фаз трансформатора, яку приведено до якірного кола системи ТП - Д із врахуванням мостової схеми КВ:

Активний опір фаз трансформатора, який приведено до якірного кола системи ТП - Д із врахуванням мостової схеми КВ

Сумарний опір ТП:

2.1.5 Розрахунок параметрів і вибір якірного дроселя

Повна індуктивність ланцюга якоря:

Де: - індуктивність ланцюга якоря двигуна, Гн;

- приведена індуктивність фази трансформатора, Гн;

- індуктивність згладжуючого реактора (якірного дроселя), Гн;

Основне призначення якірного дроселя - збільшити повну індуктивність контура протікання випрямленого струму до значення, необхідного за умовою обмеження зони існування переривчастого струму та за умовою обмеження амплітуди пульсації струму.

Значення індуктивності по умові необхідного граничного струму, яка забезпечить і необхідний рівень пульсацій струму:

Де: - відносна величина що діє ЕДС першої гармоніки перетворювача для мостової схемі випрямлення.

- відносна величина струму першої гармоніки, що діє

Індуктивність згладжуючого реактора (якірного дроселя), Гн:

Якірний дросель вибирають за умовами забезпечення потрібних значень індуктивності і номінального струму:

Обирається згладжуючий дросель типу ДС-404. Параметри дроселя наведені в таблиці.

Таблиця 2.5 Параметри згладжуючого дроселя типу ДС-404

Повний активний опір ланцюгу якоря двигуна, Ом:

Так як нам не дано , тоді приймаємо що

Повна індуктивність ланцюгу якоря двигуна, Гн:

Електромагнітна постійна часу контура протікання випрямленого струму в системі ТП-Д, c:

Визначаємо мінімальні (граничне) значення безперервного струму:

2.1.6 Розрахунок параметрів регулятору швидкості

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.1 Структурна схема электроприводу с ПІ - реулятором швидкості та з жорсткими зворотним зв'язком за струмом.

Коефіцієнт підсилення ТП:

Коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку за струмом

де: - масштаб часу;

рад/с - резонансна частота трифазного реверсивного електроприводу;

показник коливальності характерний для електропривода з однозонним регулюванням швидкості;

Коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку за швидкістю

Коефіцієнт передачі ланцюга позитивного зворотного зв'язку за ЕДС двигуна

За допомогою літератури [_] по заданим технічним завданням для даного електроприводу подачі були визначені наступні коефіцієнти

Електромеханічна постійна часу електроприводу

Коефіцієнт підсилення регулятору швидкості

Постійна часу регулятору швидкості

Постійні часу оптимізованого фільтра

3. вибір структури системи управління технологічним процесом металообробного верстата

Один із варіантів функціональної схеми системи, що забезпечує стабілізацію потужності різання на фрезерному верстаті, подано на рис. 3.1.

Рис 3.1 Функціональна схема системи стабілізації потужності різання

Тут зображені два приводи. Перший, з двигуном М1, побудований за системою ТП-Д, забезпечує подачу стола С верстата з заготівкою З. Другий, з асинхронним двигуном М2, обертає фрезу Ф. Потужність різання залежить від багатьох факторів і змінюється головним чином під впливом зміни глибини та ширини фрезерування. Для компенсації впливу цієї збурювальної дії на потужність фрезерування потрібно автоматично змінювати швидкість подачі стола. Для контролю потужності фрезерування застосовано датчик ДП активної потужності асинхронного двигуна М2 головного руху верстата.

Напруга Uдп датчика ДП разом з напругою Uк корегуючого пристрою КП надходить на функціональний перетворювач НЛ (нелінійна ланка), який формує напругу Uтз від'ємного технологічного зворотного зв'язку. Сигнал Uу завдання швидкості подачі є підсумковим сигналом різниці між напругою Uз завдання найбільшої швидкості подачі та напругою Uтз.

Електричні принципові схеми елементів систем необхідно розробити на основі визначених вимог до кожного елемента. При цьому потрібно використовувати сучасну елементну базу.

4. Розрахунок та побудова статичних характеристик системи управління технологічним процесом

Основою розрахунку статичних характеристик системи має бути структурна схема для усталеного режиму роботи системи. Ця схема складається на основі розробленої функціональної схеми.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.1 - Структурна схема системи стабілізації потужності для усталеного режиму роботи

На структурній схемі електропривод подачі представлено ланкою з коефіцієнтом

де Uзmax = 10В - максимальне значення напруги завдання швидкості електропривода подачі;

max - максимальне значення кутової швидкості двигуна подачі.

Коефіцієнт механічної передачі електропривода подачі

де Smax - максимальна швидкість подачі стола, мм/хв.

Коефіцієнт передачі датчика потужності

де Uдп max - максимальна напруга на виході датчика потужності, В;

= 2•3 = 6 кВт - максимальна потужність різання.

Функціональний перетворювач, що реалізує типову нелінійність типу "зoнa нечутливості", поданий на структурній схемі рис. 4,1 напругою порівняння Uср та пропорційною ланкою з коефіцієнтом Кнл. Напруга порівняння:

Для визначення коефіцієнтів передачі процесу обробки Кп та функціонального перетворювача Кнл потрібно провести розрахунок статичних характеристик розімкнутої системи у вигляді залежності потужності Рz від швидкості подачі S.

Я вибрав фрезу з швидкоріжучої стали Р6М5 діаметром Dф=50 мм, зубів z=6. Будемо обробляти цією фрезою чавунну заготовку, при глибині tp = 3 мм. За довідником [7] виписую потрібні коефіцієнти для різання сірого чавуну НВ=190.

При торцевому фрезеруванні для досягання продуктивних режимів різання ширина різання повинна бути на 1,25 менше діаметру фрези

Таблиця 4.1 Коефіцієнти і показники степені в формулі швидкості різання для обраної фрези

Таблиця 4.2. Коефіцієнти і показники степені в формулі сили різання для обраної фрези

Імперична формула швидкості різання

де: - коефіцієнт, який враховує якість оброблювального матеріалу

- коефіцієнт, який враховує стан поверхні заготівки

- коефіцієнт, який враховує матеріал інструменту

Частота обертання фрези:

Швидкість подачі

Головна складова сили різання

де: tp - глибина фрезерування, мм;

В - ширина фрезерування, мм;

Dф - діаметр фрези, мм;

n - частота обертання фрези, об/хв;

z - кількість зубів фрези;

Sz =0,35 - подача на зуб (рекомендована за літературою [7]), мм/зуб;

Cp, q, x, y, u, w -- коефіцієнти і показники степеня, які залежать від оброблюваного матеріалу і інструмента;

Kp=1 -- коефіцієнт, що враховує умови обробки.

Потужність обробки в усталеному режимі роботи

Розрахуємо графіки залежності (потужність різання від величини подачі) величини для глибин фрезерування tр = 1, tр = 3, tр = 5, tр = 10 мм з постійною швидкістю різання.

Рисунок 5.2 ? Статичні характеристики:

За графіком, що відповідає максимальній збурювальній дії (глибині обробки tр =7 мм), визначається при максимальній величині швидкості подачі Smax=1120 мм/хв максимальну потужність різання у розімкнутій системі Рz max.

Коефіцієнт передачі процесу обробки

Cтатична похибка потужності у розімкнутій системі

Задаємося потрібною величиною статичної похибки ?=5% у замкнутій системі. Розраховуємо величину коефіцієнта підсилення розімкнутої системи

Визначити потрібний коефіцієнт передачі функціонального перетворювача, що забезпечить потрібну величину похибки ? у замкнутій системі

На основі структурної схеми (рис. 4.1) може бути одержане рівняння статичної характеристики замкнутої системи

де: ;

kп - коефіцієнт передачі процесу обробки.

Задаючи величини Kп < Kпmax розрахувати цю характеристику при Рz > Pzз. При Рz < Pzз система є розімкнутою, і її статична характеристика описується формулою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.3 ? Статичні характеристики:

Напруга завдання швидкості подачі для даного технологічного процесу:

Розрахунок перехідних процесів у системі управління технологічним процесом металообробки

Рисунок 5.4 Структурна схема системи стабілізації потужності різання

Електропривод подачі виконано за системою ТП-Д з підпорядкованим регулюванням координат, він представлений на структурній схемі передаточною функцією НЕП(р). Передавальний механізм являє собою редуктор і передачу гвинт-гайка.

Промоделюємо потужності для 3глибин різання tp= 3, 5, 7 мм.

Рисунок 5.5 ? Модель системи стабілізації потужності фрезерного верстата

Рисунок 5.6 ? Модель електропривода подачі фрезерного верстата

Рисунок 5.7 ? Модель задатчика глибини різання фрезерного верстата

Рисунок 5.8 ? Модель процесу різання

Рисунок 5.9 ? Схема регулятора потужності різання

На операційному підсилювачі OP1 реализована аперіодична ланка

На операційному підсилювачі OP4 реализована аперіодична ланка

На операційному підсилювачі OP2 реализовані чотири сумматора в каналі зворотного зв'язку та підсилюючі ланки з коефіцієнтами Кк і Кнз (R4 и R7).

На операційному підсилювачі OP3 реалізований сумматор на вході прямого каналу системи

На операційному підсилювачі OP2 реализовані чотири сумматора в каналі зворотного зв'язку та підсилюючі ланки з коефіцієнтами Кк і Кнз (R4 и R7).

На операційному підсилювачі OP3 реалізований сумматор на вході прямого каналу системи

Рисунок 5.10 ? Функціональна схема електроприводу ЕТУ2-2-3427 П УХЛ4

Причини удосконалення робочої схеми.

Для підвищення продуктивності обробки на металообробних верстатах застосовуються електромеханічні системи автоматизації, що керують швидкостями електроприводів подачі [1]. Оскільки у системах стабілізації потужності в умовах зміни глибини і ширини обробки, стану інструменту відбувається зміна в широких межах коефіцієнта підсилення ланки системи, що представляє об'єкт керування, то для забезпечення стійкості систем і потрібної якості перехідних процесів застосовуються достатньо складні за технічною реалізацією адаптивні, нейронні і нечіткі регулятори [1, 2, 3]. У сучасних ринкових умовах на підприємствах часто використовуються металообробні верстати з невисоким рівнем автоматизації і відповідно невисокою ціною, яку не доцільно збільшувати за рахунок застосування складних регуляторів. Для цих верстатів актуальною є розробка достатньо простого і не коштовного регулятора для стабілізації потужності обробки, що забезпечить підвищення продуктивності верстата при задовільних статичних і динамічних характеристиках системи керування.

Постановка задач дослідження. Мета роботи - удосконалення електромеханічної системи стабілізації потужності обробки фрезерного верстата шляхом розробки простого з точки зору технічної реалізації регулятора, що забезпечує високу точність регулювання в усталених режимах і добру якість перехідних процесів в умовах зміни коефіцієнта передачі об'єкта керування.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Матеріали дослідження. До складу автоматизованої електромеханічної системи стабілізації потужності обробки фрезерного верстата (рис.) входять регулятор Р, електропривод подачі ЕПП, процес обробки ПО, двигун головного руху і датчик його активної потужності ДД. ЕПП виконано за системою перетворювач - двигун постійного струму з передаточним механізмом, що містить редуктор і передачу гвинт-гайка, з коефіцієнтом Кпм. ПО подано блоком ділення і нелінійною ланкою, що відтворюють залежність потужності обробки від швидкості подачі S, частоти обертання фрези n, кількості її зубів z і глибини обробки tp відповідно до емпіричних формул [4]. Динамічні ланки в враховують передаточні функції процесу обробки, асинхронного двигуна головного руху і датчика його активної потужності зі сталими часу Тп, Тд, Тдп відповідно.

Якщо регулятор містить ланцюг класичного нелінійного зворотного зв'язку за потужністю обробки [1], у якому сигнал uпз визначає задане значення потужності, а сигнал uшз - максимальне значення швидкості подачі при поточному значенні потужності, меншому за задане, то при одиничному коефіцієнті підсилення зворотного зв'язку статична характеристика лінеаризованої замкнутої системи описується рівнянням

де Кеп, Кп, Кдп - коефіцієнти передачі електропривода подачі, процесу обробки, датчика потужності відповідно.

Система, яка містить тільки вказані ланки є статичною. Додатна статична похибка, яка виникає при збільшенні припуску, що знімається, є великою. Її можна зменшити збільшенням коефіцієнта підсилення зворотного зв'язку. Забезпечення високої точності стабілізації потужності обробки потребує суттєвого збільшення значення цього коефіцієнта, що призводить до погіршення якості перехідних процесів і при певних значеннях припуску система втрачає стійкість. Застосування достатньо складних корегувальних пристроїв забезпечує стійкість системи, проте, вона залишається статичною. Систему можна зробити астатичною, що видно з наведеного вище виразу. Для цього при збільшенні збурень у вигляді зміни глибини і ширини обробки і відповідно - зміни коефіцієнта Кп, потрібно зменшити значення потужності відповідним зменшенням сигналу uпз.

Суть удосконалення системи, що пропонується, полягає у відмові від застосування корегувальних пристроїв при одиничному значенні коефіцієнта підсилення зворотного зв'язку, за якого система є стійкою при всіх припусках, що знімаються. Для забезпечення в цих умовах високої точності стабілізації потужності різання до складу системи введено ланцюг з інтегруючою ланкою зі сталою часу Ті і суматором. який при зміні основного сигналу зворотного зв'язку забезпечує зміну значення сигналу uпз, що визначає задану потужність обробки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження роботи розглянутої електромеханічної системи автоматизації легкого фрезерного верстата 6Б75В виконано на моделі, що складена в середовищі Simulink, відповідно структурній схемі (рис.). Модель електропривода подачі верстата відповідає комплектному електроприводу постійного струму типу ЕШІМ1. Розглянуто керування процесом фрезерування кінцевою фрезою з швидкоріжучої сталі заготівки зі сталі, що має три щаблі з різною глибиною різання. Задане значення потужності обробки складає 1,5 кВт. Результати моделювання подані у вигляді графіків залежностей швидкості подачі S, потужності різання Pz, глибини різання tp від часу t. З графіків видно, що при врізанні інструменту в заготівку перерегулювання потужності різання не перевищує 5% від усталеного значення, а в умовах зміни припуску, що знімається, - 17 %. В усталеному режимі потужність підтримується на заданому рівні без похибки.

Функціональна схема системи стабілізації потужності різання наведена на малий.

Pис. 5.13 - Функціональна схема системи стабілізації потужності різання

Схема стабілізації потужності різання деталі на фрезерному верстаті може бути реалізована за функціональною схемою, що зображена на малюнку 4. Верстат має два приводь. Перший із двигуном М1, побудований по системі ТП-Д забезпечує подачу стола з деталлю. Другий з асинхронним двигуном М2, обертає фрезу. Потужність різання залежить від глибини різання й ширини різання. Для компенсації цього впливу, на потужність фрезерування потрібно автоматично змінювати швидкість подачі стола. Для контролю потужності фрезерування застосовують датчик ДМ активної потужності асинхронного двигуна М2 головні рухи верстата. Напруга U з датчика ДМ разом з напругою коригувального прибудую КУ надходити на вхід функціонального перетворювача ФП, що формує напруга негативного зворотного зв'язка U . Сигнал U завдання швидкості подачі є результуючим сигналом різниці між напругою завдання найбільшої швидкості подачі U і напругою U

Розрахунок і побудова статичних характеристик системи керування технологічним процесом

Структурна схема для усталеного режиму роботи

Рис. 5.14 Структурна схема системи стабiлiзацii потужності для усталеного режиму роботи

Коефіцієнт передачі електропривода подачі стола.

Коефіцієнт механічної передачі

Коефіцієнт передачі датчика потужності

Напруга порівняння

Для визначення коефіцієнту передачі процесу обробки КП i функціонального перетворювача КФП необхідно виконати розрахунок статичних характеристик розімкнутої системи у вигляді залежності потужності РZ від швидкості подачі S. Розглянемо залежність потужності різання від величини подачі в розiмкнутiй системі. Розрахунок цих характеристик виконуємо для концевоi фрези діаметром 70 мм, обробляючий матеріал - чавун сірий.

Швидкість різання розрахавуемо для найбільшої глибини різання tp=8 мм, прiподачi на зуб Sz=0.09 мм/ зуб

tp-глибина фрезерування ,мм

В- ширина фрезерування ,мм

Т- період стiйкостi фрези, хв

Для розрахунку швидкості різання

Частота обертання фрези

Потужність різання розраховуємо для трех значень глибини фрезерування tp=2, 6, 8 мм при змiнi подачі на зуб за формулою

Для розрахунку потужності

Швидкість подачі знаходимо за формулою

Зробивши усі підрахунки отримали залежності потужності різання від швидкості подачі PZ=f(S) для трьох значень глибини різання.

Статична похибка потужності у розімкнутій системі

Коефiцiент підсилення розiмкнутоi системи

де величина статичної похибки

Коефiцiент передачі функціонального перетворювача

На основі структурної схеми можемо одержати рівняння статичної характеристики замкнутої системи Рz(Кп):

Задаючись величиною Кп < Кпмах робимо розрахунок і побудову статичної характеристики, залежності Рz(Kп),при побудові враховуємо що при Рz>Рzзад система замкнута, при Рz<Pzзад є розімкнутої й описуется рівнянням:

Вид залежності Рz(Кп) представлений на рис , для замкнутої й розімкнутої системи.

Розрахунок перехiдних процесiв у системi керуванням технологiчним процессом металообробки.

Структурна схема системи для розрахунку перехідних процесів представлена на рис.5.15.

Рис 5.15 Модель дослiдження стабiлiзацii потужностi рiзання фрейзерноi верстати

6. Вибір системи керування

Функціональна схема системи стабілізації потужності різання наведена на рисунку 6.1

Pис. 6.1- Функціональна схема системи стабілізації потужності різання

Схема стабілізації потужності різання деталі на фрезерному верстаті може бути реалізована за функціональною схемою, що зображена на малюнку 6.1. Верстат має два привода. Перший із двигуном М1, побудований по системі ТП-Д забезпечує подачу стола з деталлю. Другий з асинхронним двигуном М2, обертає фрезу. Потужність різання залежить від глибини різання й ширини різання. Для компенсації цього впливу, на потужність фрезерування потрібно автоматично змінювати швидкість подачі стола. Для контролю потужності фрезерування застосовують датчик ДМ активної потужності асинхронного двигуна М2 головні рухи верстата. Напруга U з датчика ДМ разом з напругою коригувального прибудую КУ надходити на вхід функціонального перетворювача ФП, що формує напруга негативного зворотного зв'язка U . Сигнал U завдання швидкості подачі є результуючим сигналом різниці між напругою завдання найбільшої швидкості подачі U і напругою U

6.1 Розрахунок статичної характеристики

Об'єктом управління у таких системах є технологічний процес металообробки, керуючою дією - швидкість подачі виконавчого органу верстата, а основними збурюючими діями - зміна глибини та ширини обробки. Деталь яку оброблюють складеться с ковкого чугуна НВ 150

Математична модель процесу обробки містить рівняння, що зв'язують керовану координату з керуючою та збурюючою діями. Наприклад для процесу фрезерування ці рівняння є такими.

Подача на зуб фрези

де S - швидкість подачі стола верстата, мм/хв;

n - частота обертання фрези ,об/хв;

z - кількість зубів фрези.

Частота обертання фрези

де V - швидкість різання, що розрахована за емпіричною формулою [3], м/хв;

D - діаметр фрези, мм.

V=

Cv=57.4,q=0.25,x=0.1,y=0.4,u=0.15,p=0.1,m=0.25,Z=10,df=120,t=5,Sz=0.1,T=180,Kv=1,B=df -коефіціенти різання

Визначаемо потужність різання

Головна складова сили різання - окружна сила

де tp, B - глибина і ширина фрезерування, мм;

коефіцієнти потужності різання-Cp=54.5,xF=0.9,yF=0.74,qF=1,w=0 максимальна подача

Максимальна глибина різання для 2Рзад

Подача для 2Рзад

Подача для 1.1Рзад m=1.1

коефіціенти

коефіціент підсилення

розрахунок характеристик замкнена система

Рисунок 6.2- Статична характеристика потужності різання