Автоматизация станка ленточнопильного модели СЛП 600 ЭПС

Размещено на http://www.allbest.ru/

АННОТАЦИЯ

Сущность выполненной работы заключается в решении трех локальных задач по автоматизации станка ленточнопильного модели СЛП 600 ЭПС: автоматизация контроля натяжения пилы, автоматизация механизма подъема рабочего модуля и автоматизация процесса кантования заготовок. Кроме того была спроектирована система управления на базе микроконтроллера фирмы ATMEL.

Объем расчетно-пояснительной записки составляет 100 страниц, количество иллюстраций - 13, наименований используемых источников - 20.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обоснование автоматизации станка ленточнопильного модели СЛП-600 ЭПС

1.1 Анализ технологического процесса и характеристика оборудования станка

1.1.1 Общая характеристика технологического процесса и оборудования станка

1.1.2 Управляемость технологического процесса

1.2 Анализ тенденций развития систем управления на базе микропроцессорной техники

1.3 Актуальность и постановка локальных задач по автоматизации станка

1.3.1 Анализ конкурирующих вариантов контроля натяжения пилы

1.3.1.1 Обоснование автоматизации контроля натяжения пилы

1.3.2 Обоснование автоматизации механизма подъема рабочего модуля

1.3.3 Обоснование автоматизации процесса поворота заготовки в рабочей зоне станка

1.4 Функционально-стоимостной анализ базовой модели станка и пути ее совершенствования

1.5 Техническое задание на проект

2. Проектирование, конструирование и моделирование технических средств

2.1 Системный анализ проектируемого комплекса на основе методов декомпозиции

2.2 Декомпозиционная схема формирования структуры комплекса

2.3 Функциональная схема системы управления комплексом и выбор основных технических средств

2.4 Проектирование устройства натяжения ленточной пилы

2.4.1 Выбор способа контроля натяжения пилы

2.4.2 Конструирование механизма натяжения пилы

2.4.2.1 Анализ испытаний сжатия тарельчатых проектируемого устройства натяжения

2.4.2.1.1 Моделирование процесса сжатия тарельчатых пружин устройства натяжения

2.4.2.2 Выбор датчика контроля натяжения

2.4.2.2.1 Выбор схемотехники и расчет волоконно-оптического измерительного преобразователя

2.4.2.2.2 Проектирование печатной платы преобразователя

2.5 Автоматизация механизма подъема (опускания) рабочего модуля

2.5.1 Выбор датчика вертикального перемещения рабочего модуля

2.5.2 Разработка конструктивного решения размещения датчика вертикального перемещения рабочего модуля

2.6 Проектирование устройства кантования заготовок в рабочей зоне комплекса

2.6.1 Разработка конструкции кантователя

2.6.2. Выбор электродвигателя привода поворота заготовки

2.7 Проектирование программно-логической подсистемы управления механизмами комплекса

2.7.1 Алгоритм управления механизмами комплекса

2.7.2 Расчет элементов силовой электроавтоматики

3. Информационное и программное обеспечение системы управления

3.1 Информационная структура системы управления

3.2 Программы управления программируемого контроллера

4. Технологическое обеспечение производственного процесса

4.1 Расчет параметров технологического процесса распила пиломатериала

5. Эксплуатационная документация

5.1 Инструкция по эксплуатации комплекса

6. Функционально-стоимостной и экономический анализ проекта

6.1 Функционально-стоимостной анализ проектируемого варианта комплекса

6.2 Расчет окупаемости и экономическая оценка проекта

7. Безопасность и экологичность проекта

7.1 Безопасность труда

7.1.1 Анализ безопасности проектируемого комплекса

7.1.2 Автоматизация профессионального отбора и подготовки операторов с использованием ПЭВМ

7.2 Экологическая безопасность и охрана окружающей природной среды

7.2.1 Экологический анализ проекта

7.2.2 Расчет валового выброса вредных веществ в атмосферу

7.3 Безопасность жизнедеятельности в условиях чрезвычайных ситуаций

7.3.1 Анализ вероятных ЧС

7.3.2 Расчет эвакуационных путей и разработка плана эвакуации людей при пожаре

Заключение

Список использованных источников

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях экономического развития различных отраслей промышленности все большее внимание уделяется проблеме автоматизации технологических процессов и производств.

Автоматизация технологических процессов и производств - область науки и техники, которая включает совокупность средств, методов и способов внедрения и обеспечения оптимального функционирования систем автоматизации и управления технологическими процессами и производствами.

За последние пять лет существенно возросла роль автоматизации производственных процессов практически во всех сферах производства /1/ . Это объясняется необходимостью выживания предприятий в условиях российской рыночной системы, а следовательно повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции, обеспечения гибкости производства и улучшения условий труда.

Актуальность выбранной темы дипломного проекта состоит в необходимости повышении экономической прибыли отечественного производства в условиях жесткой конкуренции на отечественных и международных рынках продукции машиностроения, в частности повышения рентабельности базового объекта автоматизации, который имеет множество преимуществ и недостатков : технологических, функциональных, экономических, конструктивных и пр.

Цель дипломного проекта - практическая реализация фундаментальной подготовки в области автоматизации машиностроительного и других производств применительно к объектам профессиональной деятельности.

Основными задачами дипломного проектирования являются систематизация, закрепление и расширение теоретических знаний по специальности 210200 “Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)” и применении их при решении конкретных научных, технических, экономических, производственных и экологических задач.

В рамках представленного дипломного проекта решаются три локальных задачи по автоматизации станка ленточнопильного модели СЛП-600 ЭПС производства ОАО “Курганмашзавод”, а именно : эффективный контроль натяжения полотна пилы ; автоматизация процесса подъема (опускания) рабочего модуля ; автоматизация процесса поворота заготовки в рабочей зоне станка.

Актуальность этих задач состоит в необходимости повышении производительности (в частности применительно к устройству поворота заготовки), экономической эффективности.

1. ОБОСНОВАНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ СТАНКА ЛЕНТОЧНОПИЛЬНОГО МОДЕЛИ СЛП-600 ЭПС

1.1 Анализ технологического процесса и характеристика оборудования станка

Технологический процесс состоит в продольном распиливании хвойных и лиственных пород бруса, обрезной (необрезной) доски. Режущим инструментом является пила ленточная производства фирмы Woodmizer. Толщина полотна пилы - 0,9..1,1 мм, ширина полотна - 32..35 мм, длина развертки - 4020 мм. Рабочая поверхность полотна пилы снабжена зубьями, шаг которых составляет 19..22 мм.

1.1.1 Общая характеристика технологического процесса и оборудования станка

Технология процесса пиления основана на движении замкнутой пилы, установленной на шкивы. Рабочее усилие в контуре пилы создается натяжкой. Величина рабочего усилия устанавливается и контролируется по манометру.

Станок состоит из следующих основных узлов : основание, модуль рабочий, каретка, механизм подъема, механизм подачи, электрооборудование.

Несущим элементом станка является основание, состоящее из профильных и поперечных балок, соединенных между собой болтами. На балки основания установлены три упора, три прижима, пять откидных опор и направляющие. Для выверки основания предусмотрены регулирующие опоры.

На направляющие основания установлена каретка с рабочим модулем. Каретка имеет возможность перемещаться по направляющим. Для подъема и опускания рабочего модуля предусмотрен механизм подъема. Приводы перемещения каретки и привод подъема (опускания) рабочего модуля - электромеханические.

Привод перемещения каретки и привод подъема рабочего модуля имеют плавное регулирование скорости перемещения с пульта управления.

Рабочий модуль состоит из следующих основных узлов : шкив натяжной, шкив приводной, рама, рама привода (с рукояткой управления приводом), привод, каретка поддерживающего ролика, ролик, натяжка, тормоз, ограждение шкивов, пила ленточная.

Шкив натяжной перемещается в специальных направляющих под действием упорного винта натяжки, создает рабочее натяжение в контуре ленточной пилы.

Рама является несущим элементом рабочего модуля, на котором крепятся все узлы рабочего модуля.

Рама привода является основанием двигателя с механизмом управления приводом, позволяющем без отключения двигателя отключать приводной шкив.

Каретка поддерживающего ролика обеспечивает направление контура пилы, препятствует сходу пилы со шкивов при пилении, снижает вибрации и увод пилы. Каретка поддерживающего ролика перемещается вдоль полотна пилы и обеспечивает максимальное приближение ролика к бревну (заготовке).

Ограждение, выполненное в виде желоба, улавливает контур пилы на участке каретки при ее сходе или обрыве и ограждает на этом участке режущую часть пилы.

Ролик обеспечивает направление контура пилы, препятствует сходу пилы со шкивов при пилении.

Натяжка предназначена для создания рабочего усилия в контуре ленточной пилы и контроля его в процессе работы.

Тормоз предназначен для затормаживания приводного шкива при отключенной рукоятке управления приводом.

Ограждение шкивов (приводного, натяжного) обеспечивает улавливание контура ленточной пилы при ее сходе со шкивов или обрыве и ограждает оператора от соприкосновения с движущими частями станка (шкивами, пилой, ремнями).

Каретка состоит из трех направляющих, соединенных между собой в верхней части поперечной балкой. В нижней части направляющие крепятся к балкам установленными в них катками. Направляющие служат для перемещения рабочего модуля по высоте. Для придания каретке жесткости между верхней и нижними балками смонтированы два подкоса. К подкосам крепятся ручки для перемещения станка.

Механизм подъема рабочего модуля закреплен на верхней балке каретки. Состоит из двух опорных винтов, сблокированных между собо цепной передачей. На хвостовике одного винта установлена ручка для ручного перемещения рабочего модуля, на хвостовике другого винта - приводной шкив для механического перемещения рабочего модуля.

Механизм подачи состоит из блоков ведомого и ведущего шкивов, направляющих и отклоняющих роликов, каната, основания привода и мотор-редуктора. Все элементы механизма подачи крепятся на основании станка, кроме кронштейнов крепления каретки. В целях избежания спадания каната верхняя трасса около роликов и нижняя по всей длине оборудована отклоняющими роликами и направляющими ушками. Блок ведущего шкива установлен на выходном валу мотор-редуктора. Натяжение каната выполняется с помощью резьбовых муфт с гайками спецзажимов. Усилие натяжения каната после запасовки - 50 кгс. Ведущий и ведомый шкивы закрыты кожухами. Для плавности рабочего хода на тянущей ветви каната установлен пружинящий элемент.

Для восприятия горизонтальной нагрузки, действующей на пилу в момент резания древесины и уменьшения вибраций пилы в конструкции предусмотрены два ролика с ребордами (ролик, поддерживающий ролик). Поддерживающий ролик крепится на каретке и имеет возможность перемещаться вдоль полотна пилы, максимально приближаясь к обрабатываемому бревну.

Вращение шкивов ленточной пилы осуществляется электродвигателем через клиноременную передачу. Управление двигателем осуществляется от кнопок “Пуск”, “Стоп”. Наличие механизма управления приводом (управляется рукояткой) сблокированного с тормозом, обеспечивает плавный разгон (остановку) ленточной пилы.

Перемещение каретки с рабочим модулем при пилении и возврат его в исходное положение, а также подъем (опускание) рабочего модуля осуществляется приводами, а при необходимости, вручную. Принцип работы механизма подачи основан на перетягивании каната, натянутого на ведущий (2 оборота) ведомый шкивы, концы которого закреплены к кронштейнам каретки. При вращении ведущего шкива происходит перемещение каретки с рабочим модулем при рабочем ходе и при реверсировании - откатка в исходное положение.

Подъем (опускание) рабочего модуля осуществляется двумя ходовыми винтами от рукоятки.

Синхронность вращения обеспечивает цепная передача. Положение пилы относительно базовых поверхностей (направляющие основания) контролируются по линейке.

При распиливании на доски отчет можно вести по оборотам рукоятки (один оборот рукоятки - 5 мм) и рискам на лимбе (цена деления - 1 мм).

Бревно закатывается на поперечные балки основания или устанавливается грузоподъемным механизмом. При необходимости выверяется по горизонтали с целью обеспечения оптимального раскроя, и зажимается прижимами, при этом положение зажимных элементов поворотных упоров и прижимов должны минимально выступать выше базовых поверхностей бревна, обеспечивая его зажим. После установки бревна выполняется раскрой древесины (по схемам, определенным потребителем, исходя из конкретных условий. Базовый вариант раскроя приведен на рис. 1.

Техническая характеристика оборудования состоит в следующем.

Длина распиливаемых бревен, мм :

-минимальная 2000

-максимальная 6000.

Максимальный диаметр распиливаемых бревен (заготовок), мм 700.

Наибольшая ширина поперечного пиления (максимальное расстояние между ребордами поддерживающих роликов), мм 520.

Возможные варианты раскроя древесины

получение необрезной доски

получение бруса

получение обрезной доски и бруса

Рис.1.

Минимальное расстояние между ребордами поддерживающих роликов, мм 267.

Расстояние от опорной плоскости для бревен до полотна пилы, мм :

-минимальное от опор 20

-максимальное от балок 580.

Наибольшее расстояние перемещения пилы по вертикали, мм 400.

Наибольшее перемещение пилы по горизонтали, мм 6480.

Механизм подачи :

электродвигатель АИР71В4РЗУ3, N=0,75 кВт; n=1500 об/мин;

мотор-редуктор 4МЦ2С-63-63-0,75-G110-C-ЦУ3.

Частота вращения вала на выходе, об/мин 63.

Крутящий момент на выходном валу, Нм 113.

Скорость подачи, м/мин 3..20.

Скорость возврата максимальная, м/мин 20.

Механизм подъема (опускания) :

электродвигатель АИР80А6У3, N=0,75 кВт; n=1000 об/мин.

Привод рабочего модуля :

электродвигатель АИРМ112М2У3, N=7,5 кВт; n=3000 об/мин.

Максимальная линейная скорость пилы, м/с 31,5.

Потребляемая мощность, кВт 9.

Род тока питающей сети - переменный 3-х фазный.

Частота тока, Гц 50.

Напряжение, В 380.

Режущий инструмент - пила ленточная.

Толщина полотна, мм 0,9..1,1.

Ширина полотна, мм 32..35.

Шаг зубьев, мм 19..22.

Длина развертки, мм 4020.

Габаритные размеры, мм + 1% :

длина 7850;

ширина 2090;

высота 1800.

Масса, кг + 5% 800.

1.1.2 Управляемость технологического процесса

Технологические процессы служат материальной базой любого производства, поэтому для повышения таких характеристик производства, как производительность, качество, рентабельность производства, необходимо обеспечить “управляемость” процессов.

Под термином “управляемый технологический процесс” понимается такой процесс, для которого определены входные контролируемые воздействия (управляющие, управляемые), установлены детерминированные или вероятностные зависимости между входными воздействиями и выходными параметрами выпускаемого изделия (продукта), разработаны методы измерения входных воздействий и выходных параметров и методы управления процессом. В понятие “технологический процесс как процесс управления” включается технологическое оборудование в виде исполнительных органов и режимов его работы, установленных на нем информационно-измерительных устройств, элементов привода, устройств электроавтоматики и т.п.

Проведем анализ управляемости на основе системного подхода. Рассмотрим следующие задачи управления : геометрическую, логическую, диагностическую, технологическую, терминальную.

Основная цель при решении геометрической задачи - обеспечить заданное положение относительно торца заготовки.

Система координат - декартова.

Необходимое количество координат - две.

Количество одновременно работающих координат - одна -перемещение каретки или подъем (опускание) рабочего модуля.

Логическая задача состоит в управлении средствами электроавтоматики. Перечень входных и выходных сигналов представлен в табл.1.

Параметры сигналов - 24В напряжения постоянного тока.

Решение диагностической задачи подразумевает существование двух видов диагностики :

внутренняя, т.е. диагностика самого устройства управления;

внешняя, т.е. диагностика всего оборудования комплекса.

Технологическая задача состоит в задании и поддержании основных технологических параметров пиления: величины усилия натяжения ленточной пилы, скорости подачи, типа древесины и толщины обрабатываемых заготовок.

Терминальная задача состоит в организации диалога с оператором, для чего необходимы дисплей для индикации режимов работы и клавиатура для управления механизмами комплекса и задания режимов работы системы управления.

Таблица 1

Входные и выходные сигналы

Обозначение	Входные	Обозначение	Выходные
SB1	Кнопка “Пуск”	HL1	Индикация “Пуск”
SB2	Кнопка “Стоп”	HL2	Индикация “Стоп”
SB3	Кнопка “Каретка”	КМ1	Вкл./выкл двигатель главного движения
SB4	Кнопка “Реверс каретки”	КМ2	Вкл/выкл двигатель механизма подъема
SQ1	Датчик натяжения пилы	КМ3	Вкл/выкл двигатель кантователя
SQ2	Датчик вертикальных перемещений рабочего модуля	КМ4	Вкл/выкл двигатель перемещения каретки
SQ3	Датчик угла поворота заготовки	КМ5	Каретка вперед (модуль вниз)
		КМ6	Каретка назад (модуль вниз)

1.2 Анализ тенденций развития систем управления на базе микропроцессорной техники

Одна из основных тенденций в развитии систем управления на базе микропроцессорной техники - децентрализованное управление, при котором управляющий процессор находится на центральном устройстве управления, а устройство расширения с модулями входа-выхода - непосредственно вблизи от датчиков и исполнительных механизмов. В качестве пультов управления применяют так называемые панели оператора, т.е. приборы управления и регистрации данных, которые позволяют контролировать оборудование, а также при необходимости изменять процесс управления, тем самым снимая часть функциональной нагрузки с традиционных пультов управления и наладки с множеством кнопок, светодиодов и т.п. При этом центральное устройство, расширители и панели операторов соединяются высокоскоростным двухжильным каналом связи. Управление становится более надежным, менее инерционным и более удобным для обслуживания, а стоимость электромонтажных работ значительно уменьшается.

За последние десять лет ряд разнообразных программируемых логических контроллеров : начиная с микро-, заменяющих реле, и кончая мощными системными ПЛК, которые по отношению к критерию стоимость/производительность являются альтернативными традиционными распределенным системам управления.

По мнению фирмы Fild/SVP, проводившей специальные исследования, ожидается значительный рост рынка контроллеров и АСУТП вследствие расширения требований заказчиков. Предполагается, что будут сделаны крупные капитальные вложения в оборудование электростанций, перерабатывающих и химических заводов.

Современные программируемые логические контроллеры обладают широкими возможностями по сбору данных и управлению технологическими процессами (1000 слов данных сканируется менее чем за 0,1 мс); емкость запоминающих устройств может достигать нескольких миллионов байт /2/. Они способны работать с самыми разнообразными приборами : термопарами, миллиамперметрами и милливольтметрами; функционировать в режиме реального времени и многозадачном; проводить параллельные вычисления и вычисления с плавающей запятой, ПИД регулирование и регулирование с использованием нечеткой логики.

Программируемые логические контроллеры обладают огромными возможностями по программированию (которое может быть осуществлено с помощью обучающих пакетов, ПО ЭВМ, функциональных блоков, многозвенных логических схем, карманных программаторов и т.п.) и по использованию локальных сетей (таких как Ethernet, Arcnet), а также оптоволоконных и радиосетей.

В программируемых логических контроллерах предусматриваются внутренняя защита, электромагнитная совместимость, электрическая изоляция ввода/вывода и пр. Непрерывное развитие микропроцессорной техники предопределило рост ее производительности и относительное снижение стоимости, но в целом затраты на проекты увеличиваются из-за усложнения аппаратных средств и программного обеспечения, необходимых для решения все более трудоемких задач. В результате повышаются и требования к подготовке специалистов.

Разработкой программируемых логических контроллеров занимаются все ведущие фирмы - изготовители средств автоматизации и систем управления. Производители программируемых логических контроллеров и систем SCADA (диспетчерских систем управления сбором данных) чутко реагируют на все новинки, которые могут быть использованы для автоматизации производства.

Основное внимание сейчас обращается на программное обеспечение и возможность его компоновки для увеличения гибкости программируемых логических контроллеров благодаря повторному использованию программы.

Один из подходов к созданию нового программного обеспечения - развитие “естественного” языка, например такого, как АРТ фирмы Siemens. Этот язык специально спроектирован, чтобы облегчить использование программируемых логических контроллеров и обеспечить единый метод ввода данных для всей системы за один раз. Последнее очень важно, особенно при разработке технологии SCADA, которая играет большую роль в сегодняшней автоматизации (это подтверждается недавним соглашеним между изготовителями программируемых логических контроллеров и поставщиками SCADA).

Фирма Siemens подчеркивает важность наличия единой концепции использования информационной технологии у поставщиков средств автоматизации.

Другой подход к созданию нового программного обеспечения - внедрение стандарта IEC 1131 (IEC), уже принято в Европе и позволяющего сопрягать различные программируемые логические контроллеры, не являющиеся открытыми системами (в США, где такой стандарт пока не действует, инженеры по автоматизации должны иметь дело, по крайней мере, с двумя стандартами для программируемых логических контроллеров). Стандарт обеспечивает единообразные условия программирования для пользователей программируемых логических контроллеров в целях сокращения трудовых затрат и стоимости обучения.

В стандарте пять разделов: соответственно общая информация; требования к аппаратным средствам; языки программирования; справочник пользователя; требования к передаче данных.

Стандарт обеспечивает сокращение затрат на аппаратные средства и уменьшение времени на подготовку программ благодаря стандартизации синтаксиса и структуры универсальных форм программирования. Таким образом, пользователи смогут применять пакеты различных поставщиков. Но стандарт пока не позволяет программировать систему одного поставщика, используя пакет другого.

Внедрение стандарта дает возможность использовать преимущества объектно-ориентированной технологии, которая обеспечивает повторное применение функциональных блоков. Автономный код этих блоков может выполнять алгоритмы расчетов, синхронизации или ПИД регулирования. Испытание кодов проводится только однажды, что также сокращает время разработки программ и подготовки их ввода в эксплуатацию. Блоки легко могут быть переданы из одной программы в другую или из контроллера в контроллер.

Стандарт также определяет различные архитектуры для организации задач и их взаимодействия внутри программируемых логических контроллеров. IEC позволяет делить задачи на серии, которые могут выполняться периодически или запускаться экстремальными событиями (появлением ошибки, прерыванием от устройства ввода-вывода).

Одно из достоинств стандарта - предоставление возможности пользователям проводить программирование, если они сами могут описать вероятные изменения.

Большую работу по стандарту ведет организация PL Copen, которая занимается согласованием трех уровней :

1) уровня ввода (основного) - определяется обязательными элементами спецификации;

2) уровня портативности - использует расширенный набор обязательных элементов, определяет функцию экспорта-импорта, основанную на “нейтральном” формате файла, позволяющего вести обмен функциональными программными блоками разных поставщиков;

3) уровня, который должен обеспечить портативность всех прикладных систем вместо портативности функциональных блоков (только разрабатывается).

К недостаткам IEC относят трудности чтения программ, выполняемых программируемыми логическими контроллерами.

Фирма ATMEL считает, что ее серия микроконтроллеров МХ не только способна выполнять функции SCADA ,благодаря применению нового подхода “Dynamic Integration”, разработанного совместно фирмами Intellution и Boward (Великобритания), но и сокращает время программирования, по крайней мере в 10 раз /2/.

МХ - это библиотека “динамических блоков”, позволяющих вносить изменения в управление автоматизированными процессами. Фирма объединила программное обеспечение SCADA фирмы Intellution со своим программируемым логическим контроллером. Пользователи теперь могут просто соединять и разъединять на экране готовые объекты : модули ввода-вывода, центральные процессоры, программируемые логические контроллеры и т.д., присваивая им имена. Компоновка ведется автоматически. Отпадает необходимость компоновать каждый модуль индивидуально, как это делается при использовании систем SCADA. Сейчас на компоновку уходит всего несколько минут вместо часа. При этом уменьшается число ошибок, так как все объекты проходят испытания и аттестацию. Это позволяет экономить время и деньги и будет иметь огромное значение в обрабатывающих отраслях.

1.3 Актуальность и постановка локальных задач по автоматизации станка

Базовый объект автоматизации имеет множество преимуществ и недостатков: технологических, функциональных, экономических, конструктивных и пр. В рамках представленного дипломного проекта решаются три локальных задачи по автоматизации станка, а именно : эффективный контроль натяжения полотна пилы ; автоматизация процесса подъема (опускания) рабочего модуля ; автоматизация процесса поворота заготовки в рабочей зоне станка.

Актуальность этих задач состоит в необходимости повышении производительности (в частности применительно к устройству поворота заготовки), экономической эффективности. В связи с повсеместным применением в настоящее время средств микропроцессорной техники базовый вариант системы управления, построенный на устройствах цикловой электроавтоматики является морально устаревшим.

1.3.1 Анализ конкурирующих вариантов контроля натяжения пилы

В процессе поиска оптимального способа контроля натяжения пилы автором проекта было рассмотрено множество различных вариантов. Было намечено два направления измерения натяжения : измерение вибраций полотна пилы и измерение механического усилия элементов косвенно сопряженных механизмов. Измерение вибраций возможно в данном случае тремя способами :

1) анализ звуковых колебаний полотна пилы;

2) анализ электромагнитных колебаний;

3) анализ колебаний при помощи светочувствительных элементов.

Неоспоримым достоинством первого способа является высокая точность измерения, однако этот способ имеет ряд существенных недостатков - сложность определения натяга в статике, зависимость от типа древесины, скорости распила, типа пилы, размеров заготовки и т.д. Главным же недостатком этого способа является необходимость проведения испытаний, что делает невозможность применения этого способа в рамках дипломного проектирования в связи с ограниченностью временных сроков. Второй способ имеет те же преимущества и недостатки, что и первый плюс негативное влияние на результаты измерений нестабильность физических характеристик магнитной катушки (таких как температура и пр.). На результаты измерений при помощи третьего способа влияют такие отрицательные факторы, как пыль, грязь и др.

Измерение механического усилия элементов косвенно сопряженных механизмов возможно при помощи материалов, чувствительных к деформациям. Устройствами, построенными на применении таких материалов, изменяющих свои электрические характеристики (такие как емкость, сопротивление и др.) от деформации могут являться тензодатчики. Применение тензодатчиков предполагает относительную простоту конструктивного исполнения устройства натяжения, но все же этот способ контроля натяжения не обладает необходимой точностью измерения. Использование таких устройств, как тензорезисторы, неприменимо в силу однофункциональности и невосстанавливаемости этих изделий.

1.3.1.1 Обоснование автоматизации контроля натяжения пилы

Автоматизация контроля натяжения полотна пилы является узловой задачей данного проекта. В большей мере это относится к достижению необходимой точности и оптимальности способа контроля.

Производство изделий базовым вариантом станка является малорентабельным главным образом по причине недостаточной точности процесса контроля натяжения. В объекте автоматизации инструментом распила пиломатериала является пила ленточнопильная производства фирмы “Woodmizer”. Пила имеет склонность к обрыву в процессе эксплуатации при недостаточной натяженности или перетяжке. В силу высокой себестоимости применяемой пилы базовый вариант контроля натяжения при помощи жидкостного манометра является экономически малоэффективным.

1.3.2 Обоснование автоматизации механизма подъема рабочего модуля

Процесс установки величины вертикальных перемещений рабочего модуля (в частности установка необходимой толщины получаемой доски) в базовом варианте происходит вручную и контролируется по линейке, что естественно носит низкоэффективный характер с позиций оптимальности, точности (в силу относительно большой погрешности таких измерений) и производительности.

Повышение точности толщины изготавливаемых досок повысит экономическую эффективность объекта. С позиций повышения производительности применение средств микропроцессорной техники избавит оператора комплекса от необходимости всякий раз подходить к рабочему модулю, чтобы установить необходимую толщину доски, в проектируемом варианте это можно делать не отрываясь от пульта управления.

1.3.3 Обоснование автоматизации процесса поворота заготовки в рабочей зоне станка

В базовом варианте станка процесс поворота заготовки происходит при помощи подъемно-транспортных средств. Этот процесс выглядит следующим образом: бревно, находящееся в рабочей зоне станка обвязывается канатом, другой конец которого прикреплен к подъемному крану. За тем бревно поднимается и оператор станка переворачивает бревно на некоторый угол, после чего дает команду оператора крана опустить бревно. Эта операция повторяется до тех пор, пока бревно не будет повернуто на нужный угол. Весь этот процесс (очевидцем которого является автор представленного дипломного проекта) занимает около десяти-пятнадцати минут. Можно сделать вывод о том, что автоматизация этого процесса на порядок повысит производительность комплекса. К тому же не нужно будет привлекать подъемные средства, использовать дополнительные человеческие ресурсы - с этой точки зрения повысится экономическая эффективность производства. Кроме того, с позиций безопасности жизнедеятельности уменьшится риск травмирования оператора заготовкой, так как использование подъемных средств потенциально опасно.

1.4 Функционально-стоимостной анализ базовой модели станка и пути ее совершенствования

Воспользуемся функционально-стоимостным анализом для обоснования экономической целесообразности инновационных технических решений, предлагаемых в дипломном проекте. Цель анализа- обнаружить в базовом варианте функциональные и структурные элементы системы, обладающие экономической несостоятельностью или функциональной недостаточностью. Данные элементы должны быть рационализированы в проекте.

Структурная модель (СМ) - это упорядоченное представление элементов объекта и отношений между ними, их основных взаимосвязях и уровнях иерархии. Структурная модель базового варианта изображена на рис.2.

Функциональная модель (ФМ) - это логико-графическое изображение состава и взаимосвязей функций объекта, получаемое посредствам их формулировки и установления порядка подчинения. Функциональная модель базового варианта изображена на рис.3.

Функционально-стоимостная модель (ФСМ) объекта пригодна для выявления ненужных функций и элементов в объекте (бесполезных и вредных); определение функциональной достаточности и полезности материальных элементов объекта; распределения затрат по функциям; оценки качества исполнения функций; выявления дефектных функциональных зон в объекте; определения уровня функционально-структурной организации изделия.

Построение ФСМ осуществляется путем суперпозиции ФМ и СМ объекта. Функционально-стоимостная модель базового варианта представлена в табл.

На основании данных приведенной таблицы строим функционально-стоимостную диаграмму и диаграмму качества исполнения функций для базового варианта, которые приведены в графической документации проекта. После построения диаграмм легко выявляются зоны диспропорции, т.е. зоны избыточной реализации функций, а также зоны функциональной недостаточности (низкого качества исполнения функций).

Структурная модель базового варианта

Рис.2.

Функциональная модель базового варианта

Рис.3.

Таблица 2

Функционально-стоимостная модель базового варианта

Ин-декс Фу-ии	Наименование функции	Материальный носитель функции	r	R	Q	Sабс	Sотн
1	2	3	4	5	6	7	8
f1.1	ручная загрузка	человек	0,6	0,06	0,055	4000	0,04
f1.2	поворот заготовки	человек	0,4	0,04	0,04	6000	0,07
f2.1	передача давления	гидроцилиндр	0, 35	0,088	0,085	2000	0,02
f2.2	контроль давления	манометр	0,35	0,088	0,085	2000	0,02
f2.3	передача натяжения	набор тарельчатых пружин	0,3	0,075	0,06	2000	0,02
f3.1	регулирование скорости перемещения	электропри-вод	0,45	0,135	0,1	19000	0,21
f3.2	приведение в движение механизма подъема	электродвигатель	0,3	0,09	0,06	30000	0,33
f3..3	ручное вертикальное перемещение	маховик	0,25	0,075	0,07	5000	0,06
f4.1	включение, выключение устройств станка	кнопки	0,35	0,123	0,1	3000	0,03
f4.2	коммутация силовых путей	реле	0,35	0,123	0,1	16000	0,18
f4.3	индикация режимов	лампы	0,2	0,07	0,05	1000	0,01
F1	поворот заготовки	F1= f1.1+ f1.2	0,1	0,1	0,1	10000	0,11
F2	натяжение пилы	F2= f2.1+ f2.2+ f2.3	0,25	0,25	0,22	6000	0,07
F3	поднятие и опускание каретки	F3= f3.1+ f3.2+ f3..3	0,3	0,3	0,31	54000	0,4
F4	управление работой станка	F4= f4.1+ f4.2+ f4.3	0,35	0,35	0,3	20000	0,22

1.5 Техническое задание на проект

1.5.1 Наименование и область применения

Настоящее техническое задание распространяется на проект автоматизированного комплекса оптимального распила пиломатериала. Комплекс предназначен для изготовления из стволовой древесины хвойных и лиственных пород бруса, обрезной (необрезной) доски.

1.5.2 Основания для разработки

Проект разрабатывается на основании задания на выполнение дипломного проекта и учебного плана по специальности 210200 “Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)”.

1.5.3 Цель и назначение разработки

Целью данного проекта является разработка автоматизированного комплекса оптимального распила пиломатериала, который позволит улучшить качество получаемых изделий, увеличить производительность, облегчить труд оператора, повысить рентабельность производства по сравнению с базовым вариантом станка.

Решены следующие локальные задачи : автоматизация контроля натяжения ленточной пилы, автоматизация процесса вертикального перемещения рабочего модуля, автоматизация процесса поворота заготовок.

1.5.4 Источники разработки

Основными источниками разработки являются публикации по автоматизации технологических процессов, сайты глобальной сети “Интернет”, а также техническая документация НО 5300 на станок ленточнопильный модели СЛП 600 ЭПС производства ОАО “Курганмашзавод”.

1.5.5 Технические требования

Комплекс должен обеспечивать оптимальный по качеству, производительности, экономической эффективности распил пиломатериала.

1.5.6 Условия эксплуатации

Температура окружающей среды - от 5 до 40оС, относительная влажность - не более 80 %, атмосферное давление - от 650 до 800 мм ртутного столба.

1.5.7 Режимы работы объекта

Входными параметрами системы управления являются дискретные сигналы с пульта управления, сигналы с датчиков. Выходными параметрами являются сигналы управления приводами механизмов комплекса, пускатели, а также индикация на пульте оператора.

Система управления механизмами комплекса может находиться в одном из трех режимов :

режим программирования - задание параметров процесса пиления, таких как толщина доски и пр.;

автоматизированный режим - процесс распила пиломатериала по программе, заданной в режиме программирования;

ручной режим - управление механизмом подъема (опускания) рабочего модуля осуществляется вручную, при помощи клавиш “Вверх”, “Вниз”.

В определенные моменты процесса эксплуатации комплекса возможно переключение с одного режима работы на другой.

1.5.8 Стадии и этапы разработки

Выбор датчика контроля натяжения ленточной пилы.

Разработка конструкции устройства натяжения ленточной пилы.

Выбор датчика измерения вертикальных перемещений рабочего модуля.

Разработка конструктивного решения крепления датчика измерения вертикальных перемещений в механизм подъема рабочего модуля.

Разработка конструкции кантователя.

Выбор датчика измерения угла поворота заготовки.

Разработка конструктивного решения крепления датчика измерения угла поворота заготовки.

Разработка структурной схемы системы управления на основе декомпозиционного анализа объекта.

Разработка функциональной схемы системы управления механизмами комплекса.

Выбор устройства управления.

Выбор технических средств системы управления.

Разработка алгоритма управления механизмами комплекса.

Разработка информационного и программного обеспечения системы.

Технологическое обеспечение производства.

Разработка эксплуатационной документации.

Функционально-стоимостной анализ проекта.

Экономическая оценка проекта.

Анализ безопасности и экологичности проекта.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

2.1 Системный анализ проектируемого комплекса на основе методов декомпозиции

В данном подразделе ставится задача с помощью методов анализа и синтеза разработать структуру проекта автоматизированного комплекса оптимального распила пиломатериала.

Автоматизация производственных процессов с каждым годом углубляется и расширяется в народном хозяйстве, и в частности в машиностроении. Современные механообрабатывающие цеха уже немыслимы без автоматических линий, установок, станков с ЧПУ, роботов и другого автоматизированного оборудования- все это значительно облегчило труд рабочих, снизило показатели травматизма на рабочем месте и т.д.

станок ленточнопильный микропроцессорный управление

2.2 Декомпозиционная схема формирования структуры комплекса

Одним из основных методов анализа и синтеза технических объектов является метод морфологического анализа. Сущность метода в разбиении (декомпозиции) объекта на части - первый уровень декомпозиции.

На втором уровне декомпозиции каждая из частей снабжается альтернативами реализации каждого признака. В результате появляется многоуровневая декомпозиционная схема, представляющая собой N-мерное пространство:

Rn={Xj} ( 1 )

Интерпретацией Rn является его развертка на плоскость, представляемая блоками. С другой стороны пространство Rn - это структура обобщенного объекта, на базе которого при наличии определенных правил можно лианеризовать множество.

На первом уровне разделим задачу разработки новой системы управления АКОРП на 11 признаков. Разбиение представлено в таблице 3. Для каждого признака определяется несколько альтернатив реализации. Полученную декомпозиционную схему необходимо обработать таким образом, чтобы из n- блоков первого уровня декомпозиции получить единственное решение из альтернатив второго уровня и сформировать из них структуру объекта.

Данный комплекс предназначен для изготовления деталей из дерева.

Технологический процесс изготовления изделий из дерева состоит из следующих этапов:

Загрузка бруса;

Установка вертикального положения рабочего модуля;

Натяжение пилы;

Продольный пропил;

Поворот заготовки

Самой главной причиной автоматизации комплекса является экономическая нерентабельность базовой модели в условиях частого полома пил в процессе эксплуатации как следствие недостаточного натяжения или чрезмерного перетяга.

Следующим приоритетом является решение задачи автоматизации привода подъема в целях повышения производительности.

Вид загрузчика : рабочая зона комплекса находится на достаточно низком уровне, поэтому автоматизации загрузки не требуется. Перенос корзин с обрабатываемыми изделиями будем осуществлять при помощи транспортных средств, что повысит производительность и снизит вероятность травматизма при обслуживании комплекса.

Другой не менее важной причиной автоматизации элементов комплекса является совершенствование организации рабочих мест, их рациональная планировка, оснащение удобным пультом управления. Чем рациональнее организовано рабочее место, чем оно удобнее, чем лучше обеспечено всем необходимым для бесперебойной работы, тем выше производительность труда, меньше непроизводственные потери рабочего времени. Повышение квалификации занятых на производстве операторов, приводит в свою очередь, к снижению числа занятых людей работающих в непосредственной близости с опасными для здоровья объектами.

Таблица 3

Структура автоматизированного комплекса декомпозиционная схема

Функции	Альтернативы
1	2
Х1- выполняемые операции	Х11- изготовление бруса Х12- изготовление досок Х13- изготовление бруса и досок
Х2-система управления	Х21- ЧПУ Х22- цикловое Х23- на базе микропроцессорной техники
Х3-количество позиций одновре-менно обрабатывыемых деталей	Х31- одна Х32- две Х33- несколько
Х4- восстановление инструмента	Х41- со снятием инструмента Х42- без снятия инструмента
Х5- накопительная система заготовок и деталей	Х51- без накопителя Х52- при помощи подъемно-транспортных средств
Х6- поворот заготовки	Х61- неавтоматизированно, при помощи подъемных средств Х62- автоматизированно
Х7- установка толщины распила досок	Х71- вручную Х72- автоматизированная установка
Х8- контроль толщины досок	Х81- производится вручную Х82- контролируется датчиками с обратной связью
Х9- контроль натяжения пилы	Х91- неавтоматизированно Х92- автоматизированно
Х10-контроль за ходом процессов и диагностирование	Х101- отсутствует Х102-автоматическое диагностирование процесса распила
Х11- безопасность объекта	Х111- ограждение отсутствует Х112- имеется ограждение

Полученную декомпозиционную схему необходимо обработать таким образом, чтобы получить структуру объекта. Для этого выделяются те s- блоки первого уровня, которые несут целевые условия. Тогда остальные G- блоков несут условия ограничения. Структура объекта будет представлена множеством X={Xs;Xg}.

Целевые условия обычно определяются из задания:

1) Основная функция комплекса- изготовление бруса и досок .

2) Разработать АСУ на базе современных технических средств.

3) Необходимо автоматизировать процесс контроля натяжения пилы.

Эти положения позволяют принять следующие целевые условия :

Xs1 1 =0,4

Xs2 2 =0,3

Xs3 3 =0,3

После того, как сформировалась s- мерная цель и ранжированы целевые условия, определяется набор условий ограничений в виде:

Xg={Xgi}; i=1,...,g=n-s.

На этой стадии поиска ставится задача отыскать лучшее решение Xg. Чтобы определить лучшее решение необходимо:

каждой альтернативе по каждому целевому условию поставить в соответствие некоторую оценку;

2) выбрать в каждом блоке первого уровня альтернативу с наибольшим значением оценки и сформировать наилучшее ограничение. Результаты этого выбора наглядно представляются в так называемом треугольнике декомпозиции (см. графическую документацию).

На основании вышеизложенного произведем присвоение весовых оценок альтернативным характеристикам. Результаты сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Присвоение весовых оценок альтернативам

ХGj	XGj	XS1=Х13; =0,4	XS2=X23; =0,3	XS3=X92; =0,3
		Код	Значение	Код	Значение	Код	Значение
ХG1=X3	X13	2	0.13	3	0	2	0.1
	X23	2	0.13	3	0	2	0.1
	[X33]	2	0.13	1	0.3	2	0.1
ХG2=X4	X14	3	0	2	0.15	3	0
	[X24]	1	0.4	2	0.15	1	0.3
ХG3= X5	X15	2	0.2	2	0.15	2	0.15
	[X25]	2	0.2	2	0.15	2	0.15
ХG4=X6	X16	2	0.4	3	0	2	0.15
	[X26]	2	0.4	1	0.3	2	0.15
ХG5=X7	Х17	3	0	3	0	2	0.15
	[Х27]	1	0.4	1	0.3	2	0.15
ХG6=X8	Х18	2	0.2	3	0	2	0.15
	[Х28]	2	0.2	1	0.3	2	0.15
ХG7=X10	Х110	2	0.4	3	0	3	0
	[Х210]	2	0.4	1	0.3	1	0.3
ХG8=X11	X111	2	0.4	2	0.15	2	0.15
	[X211]	2	0.4	2	0.15	2	0.15

2.3 Функциональная схема системы управления комплексом и выбор основных технических средств

Функциональная схема системы управления комплексом содержится в графической части проекта. Устройство управления объектом построено на базе однокристального микроконтроллера 89с51 (89с52), выпускаемых фирмой ATMEL и полностью совместимых по архитектуре и системе команд с семейством MCS-51.

Устройство управления включает в себя следующие элементы :

1) процессорная плата контроллера;

2) клавиатура;

3) энергонезависимая память фирмы MICROCHIP (EEPROM), обеспечивающая 1 миллион циклов записи, 100 лет хранения информации (емкость 2 килобайта).

4) программируемый параллельный интерфейс КР580ВВ55.

БИС параллельного интерфейса предназначена для организации ввода/вывода параллельной информации различного формата и позволяет реализовать большинство известных протоколов обмена по параллельным каналам /3/. БИС КР580ВВ55 используется в проектируемой системе управления для сопряжения микроконтроллера с периферийным оборудованием - индикаторами и клавиатурой. Программируемый параллельный интерфейс подключается к микроконтроллеру через слот расширения, предназначенный для подключения дополнительных модулей или схемы внешнего автоматического тестирования.

Плата индикатора включает в себя восьми разрядный восьми сегментный светодиодный индикатор, собранный на матрицах CA56-21G/EWA фирмы KINGBRIGHT.

Система управления функционирует следующим образом : сигнал с датчика натяжения пилы поступает на волоконно-оптический преобразователь, оттуда на аналого-цифровой преобразователь. За тем преобразованный в цифровой код сигнал поступает в порт номер один микроконтроллера (этот порт используется в качестве буфера входных данных). Сигналы с датчиков вертикального перемещения рабочего модуля и угла поворота заготовки поступают на входы радиальных прерываний IRQ0 и IRQ1 микроконтроллера соответственно (для этих прерываний задействован порт номер 3). Запрос на прерывание появляется по положительному фронту сигналов с датчиков ВЕ-178, которые вырабатывают последовательность дискретных импульсов. За тем данные, обработанные программой поступают во входной буфер данных параллельного интерфейса и шинного формирователя. На параллельный интерфейс также поступают управляющие сигналы с микроконтроллера (сигнал выбора кристалла Chip Select - CS, сигналы выбора режима работы БИС КР580ВВ55 А0 и А1, сигналы чтения/записи WR и RD). Порт номер 2 микроконтроллера используется для формирования этих управляющих сигналов. Через этот порт также происходит управление энергонезависимой памятью (вход кристалла памяти SDA используется для приема данных, а вход SCL - для синхронизации). Через порт А параллельного интерфейса происходит управление сегментами блока индикаторов, а через порт В - управление разрядами. Порт С параллельного интерфейса предназначен для опроса клавиатуры.

Шинный формирователь используется для буферизации данных а также для усиления сигналов по току.

С выхода шинного формирователя данные поступают на цифро-аналоговый преобразователь, где преобразовываются в аналоговый сигнал и за тем этот сигнал поступает на аналоговый мультиплексор. Управление мультиплексором осуществляется через микроконтроллер.

Мультиплексор переключателя канала, по которому протекает управляющий сигнал, другими словами мы выбираем, какой магнитный пускатель нужно активизировать и далее какой привод включить. С выхода мультиплексора сигнал поступает на один из четырех магнитных пускателей, кроме того управляющие сигналы поступают на преобразователь частоты фирмы HITACHI, который используется для регулирования скорости подачи. Наконец, магнитные пускатели осуществляют управление приводами главного движения (привод вращения пилы), продольной подачи (привод перемещения каретки), поперечной подачи (привод подъема-опускания рабочего модуля) и привод поворота заготовки (привод кантователя).

2.4 Проектирование устройства натяжения ленточной пилы

Сборочный чертеж устройства натяжения ленточной пилы представлен в графической части проекта.

2.4.1 Выбор способа контроля натяжения пилы

После тщательного анализа конкурирующих вариантов контроля натяжения ленточной пилы оптимальным вариантом был признан способ, основанный на измерении механического усилия элементов косвенно сопряженных механизмов, а точнее анализ сжатия и растяжения тарельчатых пружин, через которые передается сила натяжения на кулис натяжного шкива пилы.

2.4.2 Конструирование механизма натяжения пилы

Вариант автоматизированного натяжения пилы был отвергнут по причинам экономической неэффективности (установка электропривода в узел натяжения вызвало бы неоправданное повышение себестоимость такой конструкции). К тому же это не обеспечило бы требуемой точности натяжения. По этим причинам было решено осуществлять натяжение пилы вручную. В спроектированной конструкции на выходном конце гайки, передающей силу натяжения установлен маховик. Вращение маховика, вызывает сжатия пакета тарельчатых пружин, которые передают усилие на кулис, после чего происходит перемещение натяжного шкива.

В целях повышения ходов гайки (а следовательно и точности натяжения) был увеличен набор по сравнению с базовым вариантом станка (см.п.2.4.2.1).

2.4.2.1 Анализ испытаний сжатия тарельчатых проектируемого устройства натяжения

В проектируемом устройстве натяжения пилы был увеличен набор тарельчатых пружин в целях повышения точности контроля натяжения. На предприят...