Электропривод механизма подачи металлорежущего станка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Ивановский государственный энергетический университет

им. В.И. Ленина”

Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

Курсовая работа

на тему: Электропривод механизма подачи металлорежущего станка

Выполнил:

студент факультета заочного обучения ИГЭУ

Черемухин Д.А.

Шифр 413011 курс 5 группа 74

Проверил: доцент к.т.н.

Захаров А.М.

Иваново 2018



Содержание

Введение

1. Общая характеристика токарно - карусельного одно - сеточного станка с ЧПУ 1А516МФ3

2. Обоснование и формулирование требований к ЭП подачи

3. Выбор мощности двигателя механизма подачи

3.1 Определение скоростей двигателя

3.2 Определение моментов двигателя

3.3 Проверка двигателя по максимальному моменту

4. Выбор комплектного электропривода

5. Функциональная и электрические схемы электропривода



Введение

Создание металлорежущих станков, автоматических станочных линий и цехов, отличающихся большой производительностью и высокой точностью обработки изделий, основывается на широком использовании разнообразного электрооборудования. электропривод станок скорость мошность

Все прогрессивные мероприятия по созданию современных металлорежущих станков в той или иной степени связаны с развитием автоматизированного электропривода.

В приводах подач, где требуется регулирование скорости вращения до 2000:1 и выше, весьма перспективными являются статические преобразователи, выполненные на базе управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) в качестве регулирующих устройств для двигателей постоянного тока.

Особое значение отводится модернизации находящихся в эксплуатации станков. В связи с этим автоматизация на существующих станках отдельных переходов, операций или наиболее часто встречающихся циклов может дать существенный эффект в отношении повышения производительности и облегчения обслуживания станка.

Наряду с дальнейшим развитием комплексной автоматизации, модернизации существующих станочных линий, созданием новых автоматизированных участков и заводов возникает необходимость в станках, сочетающих высокую производительность и точность специализированного автомата с «гибкостью» и приспосабливаемостью универсального станка. Такими станками являются станки с программным числовым управлением; их применение дает значительные выгоды в отношении простоты переналадки, сокращения количества высококвалифицированного ручного труда и повышения точности. Исходя из написанного выше, данную тему выпускной работы бакалавра следует считать актуальной.



1. Общая характеристика токарно - карусельного одностоечного станка с ЧПУ 1А516МФ3

Токарно - карусельный одностоечный станок с ЧПУ 1А516МФ3 предназначен для токарной обработки различных деталей, имеющих прямолинейные и криволинейные поверхности, прорезания канавок, нарезания различных резьб, , зенкерования и развертывания центральных отверстий. Технические параметры станка 1А516МФ3, необходимые для расчета электродвигателя продольной передачи приведены в таблице.

Таблица. Технические параметры станка

Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
Наибольшее усилие резания	Fрез	Н	50000
Скорость быстрых перемещений	Vб.п.	мм/мин	6000
Максимальная скорость рабочей подачи	Vмакс. раб.	мм/мин	1000
Минимальная скорость рабочей подачи	Vмин. раб.	мм/мин	0,1
Масса перемещаемого узла	M	кг	2580
Коэффициент трения в направляющих		-	0.1
Шарико-винтовая пара
КПД шарико-винтовой пары		%	90
Шаг винта	tв	мм	10
Длина винта	Lв	мм	2450
Диаметр винта	dв	мм	80
Подшипники
Средний диаметр подшипника	dср.	мм	80
Количество подшипников в опорах подачи	Kп.	шт.	6
Условный коэффициент трения в подшипнике	fтр.п.	-	2.21* 10-7
Масса станка	mобщ.	Кг	21500

Привод подач имеет предохранительную муфту, исключающую возможность поломки станка от перегрузки и возникновения препятствия перемещению стола. Крайние положения стола при перемещении ограничиваются упорами.



2. Обоснование и формулирование требований к электроприводу подачи

Требования к электроприводам определяются технологией обработки, конструктивными особенностями станка, режущим инструментом, функциональными возможностями системы ЧПУ. Электропривод призван обеспечивать выполнение технологических требований, предъявляемых к станку. Основными такими требованиями являются:

- обеспечение необходимых технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента;

- обеспечение максимальной производительности;

- обеспечение требуемой точности обработки;

- обеспечение высокой чистоты обрабатываемой поверхности (снижение шероховатости);

- обеспечение повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии (стабильности).

Необходимые свойства электропривода подачи определяются особенностями движения подачи. Именно эти особенности определяют мощность, момент, способ регулирования, необходимую плавность регулирования, требования к динамическим характеристикам, к жесткости механических характеристик и стабильности скорости.

Исходя из всего вышесказанного можно сформулировать следующие основные качественные требования к станочным электроприводам подач:

- минимальные габариты двигателя при высоких значениях вращающего момента и мощности;

- высокая максимальная скорость;

- значительные перегрузки привода в кратковременном и повторно кратковременном режимах работы;

- широкий диапазон регулирования;

- высокая стабильность характеристик, и в первую очередь усилителей и тахогенераторов;

- высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения;

- высокое быстродействие при набросе и сбросе нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых скоростях;

- высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях, вплоть до самых малых;

- высокая надежность и ремонтопригодность;

- удобство конструктивной установки двигателей на станке и встройки преобразователей в шкафы и ниши станков;

- малые габаритные размеры и расход активных материалов;

- простота наладки и эксплуатации;

- малая энергоемкость;

- высокая унификация узлов и отдельных элементов;

- высокая экономичность и малая стоимость.



3. Выбор мощности двигателя механизма подачи

Необходимые исходные данные берутся в соответствии с заданием из вариантов (1-22), представленные в данном методическом пособии, они указаны выше в таблице.

Произведем расчет скоростей и моментов, необходимых для выбора электродвигателя продольной подачи по методике, представленной ниже.

3.1 Определение скоростей двигателя

Скорость двигателя определяется скоростями перемещения рабочих органов станка и передаточным отношением механической передачи.

Для передачи винт - гайка:

где - скорость двигателя, об/мин; -скорость перемещения рабочего органа, мм/мин; i - передаточное отношение редуктора; - шаг винта.

Частота вращения, двигателя соответствующая максимальной скорости быстрых перемещений рассчитывается как:

Максимальная и минимальная рабочие частоты вращения двигателя рассчитываются как:



Подставляя численные значения, получаем:

3.2 Определение моментов двигателя

Рассмотрим три режима работы:

а) установившийся режим при резании, когда двигатель преодолевает составляющую усилия резания вдоль соответствующей оси станка и силы трения, в этом случае момент двигателя определим, как:

• б) установившийся режим при ускоренных перемещениях, когда статический момент равен моменту холостого хода и двигатель развивает момент по преодолению сил трения:

в) переходные процессы пуска и торможения, когда двигатель развивает момент, который необходим для преодоления момента от сил трения и динамического момента:



Найдем последовательно все составляющие формул.

где - составляющая от силы резания по данной оси. Вместо в формулу подставим усилие подачи, которое необходимо для преодоления максимальной составляющей от силы резания (из технических параметров станка своего варианта).

Найдем момент от сил трения по формуле:

где

момент от сил трения в направляющих станка, Н*м;

момент от сил трения в шарико - винтовой паре при наличии предварительного натяга, Н*м;

момент от сил трения в подшипниках при наличии предварительного натяга, Н*м.

сила трения в направляющих, Н.



g = 9,81 ;

m = 2580 кг - масса перемещаемого узла;

составляющая от силы резания;

коэффициент трения в направляющих.

Подставим численные значения.

условный коэффициент трения в шариковом подшипнике;

число подшипников в опорах винта;

средний диаметр подшипника.

Определяем момент от сил трения.

Определим момент двигателя при трех режимах работы.



Условия выбора электродвигателя можно сформулировать следующим образом:

• Кроме того должно выполняться соотношение:
• Используя вышеприведенные условия, а также кривые для высокомоментных двигателей серии ПБВ предварительно выбираем электродвигатель ПБВ 160L. Его технические характеристики, а также характеристики встроенного тахогенератора приведены в таблице.

Таблица. Технические данные двигателя ПБВ 160L.

Наименование
1	2
Номинальный момент, Н м	105
Номинальная частота вращения, об./мин.	500
Номинальное напряжение, В.	78,5
Номинальный ток, А	90
Длительный момент в заторможенном состоянии, Н м.	110
Максимальный момент при пуске, Н м.	510
Момент при максимальной частоте вращения, Н м.	82
Максимальный момент при максимальной частоте вращения, Н м.	290
Максимальная частота вращения в длительном режиме, об./мин.	1000
Момент инерции якоря, кг м2	0,298
Сопротивление обмотки якоря при 15° С, Ом.	0,034
Индуктивность обмотки якоря, мГн.	0,405
Электромеханическая постоянная времени, м с.	7,9
Электромагнитная постоянная времени, м с.	11,8
Постоянная ЭДС, В /(об./мин.)	0,141
Тепловая постоянная времени, мин.
Масса двигателя с тахогенератором, кг.	182

• Данные взяты: Справочник по электрическим машинам. В двух томах. Под редакцией И. П. Копылова, Б. К. Клюкова.

Теперь необходимо осуществить проверку выбранного двигателя на обеспечение требуемых динамических свойств электропривода, т.е. проверку двигателя по максимальному моменту:

где

момент инерции двигателя, кг*м² ;

момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя, кг*м² ;

угловое ускорение привода, рад/с .

Определим как:

где

момент инерции линейно - перемещающихся масс, приведенный к валу двигателя, кг*м² ;

момент инерции ходового винта, приведенный к валу двигателя, кг*м² ; момент инерции соединительных муфт, кг*м² (примемздесь =0).



масса перемещаемого узла станка;

шаг винта;

передаточное отношение редуктора.

Подставив численные значения, получим:

длина винта, м;

средний радиус винта, м.

Подставив численные значения, получим:

Ускорение двигателя определяется по времени переходного процесса, заданному закону и диапазону изменения скорости. Если при скачкообразном изменении сигнала задания скорость изменится на ДЩ за время , и при этом, если двигатель разгоняется по экспоненциальной зависимости Щ(t), то ускорение можно определить по следующей формуле:

постоянная времениэкспоненциальной желаемой кривой изменения скорости.

Задаемся временем t_пп = 0,2 сек. , тогда при разгоне за время t_пп до скорости н_р.max привод развивает ускорение:

.

По формуле определим динамический момент:

М_дин = (+0,298)·989,1 = 377,18 (Н·м).

По формуле определяем М₃:

М_max.дв.= 510 Н·м ? М₃.

Условие выполняется, двигатель выбран верно и удовлетворяет всем заданным требованиям .



4. Выбор типа комплектного электропривода

Выберем комплектный электропривод серии ЭПУ1-М.

Номинальный ток блока управления этого электропривода должен быть больше или равен номинального тока двигателя:

Кроме того преобразователь должен выдавать максимальное выпрямленное напряжение не ниже максимального напряжения двигателя U_max.дв = 220 В.

Исходя из этого выбираем электропривод ЭПУ1-2-3727 М П УХЛ4, в состав которого входит блок управления БС 3203-3727 П УХЛ4. Данный блок управления имеет следующие технические данные:

Преобразователь реверсивный, однозонный;

Напряжение трехфазной питающей сети 380 В, 50 Гц;

Номинальный ток 90 А;

Номинальное выпрямленное напряжение 230 В;

Напряжение управления ±10В;

Климатическое исполнение и категория размещения УХЛ4;

Габаритные размеры блока 250Ч240Ч266 мм;

Масса не более 14 кг.

Преобразователи унифицированные трехфазные тиристорные серии ЭПУ1М.

Электроприводы серии ЭПУ1М предназначены для создания реверсивных и нереверсивных систем управления электродвигателями постоянного тока с одно- и двухзонным регулированием скорости.

Область применения: в станкостроении - в механизмах подачи (исполнение П) и главного движения (исполнение Д, Е, М), в том числе в станках с ЧПУ, роботах и других механизмах различных отраслей промышленности.

Электроприводы унифицированные трёхфазные серии ЭПУ1М-1 и ЭПУ1М-2 заменяют электроприводы БТУ3601, ЭТУ2, БУВ, ШУВ, КЕМРОН, КЕМЕК, КЕМТОК, КЕМРОС и др. аналогичные им.

ЭПУ1М являются модернизированным исполнением электропривода серии ЭПУ1 и полностью их заменяют.

Структура условного обозначения

ЭПУ1М-Х₁-ХХ₂ Х₃ Х₄ Х₅ УХЛ4

ЭПУ - Электропривод постоянного тока унифицированный;

1М - Номер разработки, Модернизированный вариант;

X₁ - Исполнение по реверсу: 1 - нереверсивный, 2 - реверсивный;

XX₂ - Номинальный выпрямленный (выходной) ток преобразователя: 34 - 25 А; 37 - 50 А; 39 - 80 А; 40 - 100 А; 43 - 200 А; 46 - 400 А; 48 - 630 А;

X₃ - Номинальное выходное напряжение: 1 -115 В, 2 - 230 В, 4 - 460 В (115, 230, 460 В - для исп. П; 230, 460 В - для исп. Д, Е, М);

X₄ - Напряжение питающей сети: 4 - 220 В, 50 Гц; 7 - 380 В, 50 Гц; 8 - 400 В, 50 Гц; 9 - 415 В, 50 Гц;

X₅ - Функциональная характеристика: П - подачи (диапазон регулирования 1 : 10000). Главного движения: Е - однозонный с обратной связью по напряжению (диапазон регулирования 1 : 20), М - однозонный с обратной связью по скорости (диапазон регулирования 1 : 1000), Д - двухзонный с обратной связью по скорости (диапазон регулирования 1 : 1000);

УХЛ4 - Климатическое исполнение и категория размещения УХЛ4, возможно и изготовление О4 по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89.

Технические данные.

Электроприводы изготавливаются в двух исполнениях:

1. Электроприводы подачи (ЭПУ1М-2-…П).

Электроприводы подачи - реверсивные, для высокомоментных двигателей, обеспечивают перегрузку по моменту до 6 для электроприводов на 25, 50, 200 А и не более 4 для электроприводов на 100 А, имеют диапазон регулирования до 10000 и предназначены для реверсивных быстродействующих широкорегулируемых приводов с однозонным регулированием скорости, в том числе для механизмов подач станков с ЧПУ, промышленных манипуляторов и других механизмов.

2. Электроприводы главного движения (ЭПУ1М-2/1-…Д/М/Е).

Электроприводы главного движения предназначены для реверсивных и нереверсивных широко регулируемых приводов с двухзонным и однозонным регулированием скорости; в том числе для механизмов главного движения станков с ЧПУ и других механизмов.

Электроприводы главного движения обеспечивают перегрузку по току до 2, и в зависимости от вида управления (по якорю, по полю двигателя, обратной связи и диапазона регулирования скорости двигателя) подразделяются на:

ЭПУ1М…Д- двухзонный, с обратной связью по скорости двигателя и диапазоном регулирования скорости двигателя до 1000;

ЭПУ1М…Е - однозонный (управление по якорю двигателя), с обратной связью по ЭДС, диапазоном регулирования скорости двигателя до 20;

ЭПУ1М…М - однозонный, с обратной связью по скорости двигателя, диапазоном регулирования скорости двигателя до 1000

Электроприводы серии ЭПУ1М обеспечивают работу с электродвигателями постоянного тока серий ПБВ, 2ПБВ, 2ПКВ, ДПУ, ДР, 4П, 2П, ПБ2П, ПО2П и др., питаются от трехфазной сети напряжением 220, 380, 400, 415 В частоты 50 Гц, силовая часть преобразователя подключается к сети через силовой трансформатор или сетевой (токоограничивающий или коммутационный) реактор. ЭПУ1М имеют бесподстроечную систему импульсно-фазового управления СИФУ, расширенную диагностику, регулятор тока в структуре электропривода, упрощенную линеаризацию в прерывистом режиме и т.д.

Основу силовой схемы ЭПУ1М составляет 3-фазная мостовая схема, выполненная:

· на силовых тиристорных модулях с применением блоков импульсных трансформаторов - для блоков управления на номинальные токи 25, 50, 100 А;

· на таблеточных тиристорах с применением блоков импульсных трансформаторов - для блоков управления на токи 80, 200, 400 и 630 А.

Преобразователи ЭПУ1М с выпрямленным напряжением 115 и 230В подключаются к сети 380В через согласующий трансформатор ТС или ТСП.

Габаритные размеры и масса блоков управления БСМ.

Комплектность поставки ЭПУ1М:

- блок управления БСМ3Х03 (блок станочный модернизированный);

- аппаратура защиты при коротких замыканиях;

- сглаживающий дроссель или коммутационный реактор (при необходимости для привода подачи);

- блок ввода для подключения возбудителя к сети (для привода главного движения);

- комплект ЗИП;

- техдокументация.

По согласованию с заказчиком в комплект поставки дополнительно могут быть включены:

- электродвигатель постоянного тока;

- сетевой реактор или трансформатор;

- источник питания обмотки возбуждения (для двигателя с электромагнитным возбуждением);

- задатчик скорости технологический.



5. Описание функциональной схемы привода

Реверсивный быстродействующий электропривод ЭПУ 1-2-3727 П УХЛ4.

Электропривод состоит из блока управления БС 3203-3727 П УХЛ4 (преобразователя ТПЯ), электродвигателя постоянного тока М1 со встроенным тахогенератором BR1, согласующего трансформатора Т1, блока предохранителей U1,задатчика скорости R1,пусковой аппаратуры (контакты «Работа» , «Сброс защит»). При необходимости в цепь якоря двигателя М1 включается сглаживающий дроссель L1. В случае использования электродвигателя с электромагнитным возбуждением для питания обмотки возбуждения используется блок возбудителя U2.

Система регулирования электропривода выполнена одноконтурной с ПИ-регулятором скорости РС и обратной связью по току на вход управляющего органа УО.

Управление тиристорами ТПЯ производится от трехканальной СИФУ, содержащей формирователи импульсов ФИ1чФИ3. Ввод управляющего сигнала в ФИ1чФИ3, а также его смещение ( и ограничение ( осуществляется с помощью переменных резисторов R26, R39, R40 соответственно управляющим органом УО.

Переключение импульсов управления с комплекта тиристоров «В» на комплект «Н» преобразователя ТПЯ производится блоком логического устройства ЛУ, которое работает в функции сигнала заданного направления тока и выходного сигнала датчика проводимости вентилей ДП. Сигнал заданного направления тока на вход ЛУ поступает с выхода нелинейного звена НЗ. Звенья НЗ и ФПЕ с резистором R47 образуют устройства линеаризации характеристик электропривода в режиме прерывистого тока (РПТ). С помощью устройства линеаризации осуществляется поддержание примерно одинакового коэффициента усиления линеаризованного таким образом преобразователя. Для согласования реверсивного сигнала НЗ с нереверсивной регулировочной характеристикой УО служит переключатель характеристик ПХ, управляемый ЛУ (ключи «В» и «Н»).

На входе регулятора скорости суммируются сигналы задания скорости с задатчика скорости через резисторы R4, R10 и обратной связи с тахогенератора через резисторы R1, R6, R12. Вместо задатчика скорости регулятор РС может подключаться к аналоговому выходу системы с ЧПУ. Сигнал подается на РС через фильтр R4, R10, C38. Реле КЗ служит для снятия задающего напряжения со входа РС при размыкании контакта «Р» - «Работа», т.е. реле КЗ размыкает контакт «Р».



Электродвигатели серии ПБВ предназначены для тиристоры электроприводов подач металлообрабатывающих станков. Технические данные двигателей представлены в табл. 1.

• Таблица 1. Технические данные двигателей серии ПБВ.

Наименование	ПБВ 100	ПБВ 112	ПБВ 132	ПБВ 160
	Условная длина якоря.
	М	L	S	М	L	М	L	М	L
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Номинальный момент, Н м	7.16	10.5	14	17.5	21	35	47.7	76.4	105
Номинальная частота вращения, об./мин.	1000	1000	750	600	500	600	600	500	1. 500
Номинальное напряжение, В.	52	56	44	47	50	53	70	66	78.5
Номинальный ток, А	18	24	31.5	29	28	50	50	78.5	90
Длительный момент в заторможенном состоянии, Н м.	8.2	12	17.5	22	29	47	62	84	110
Максимальный момент при пуске, Н м.	70	100	130	170	210	350	470	490	510
Момент при максимальной частоте вращения, Н м.	6.8	8.6	12	15	14	16	21	60	82
Максимальный момент при максимальной частоте вращения, Н м.	21	21	36	34	38	98	98	280	290
Максимальная частота вращения в длительном режиме, об./мин.	2000	2000	2000	2000	2000	2000	2000	1000	1000
Момент инерции якоря, кг м2	0.01	0.013	0.035	0.042	0.049	0.188	0.238	0.242	0.298
Сопротивление обмотки якоря при 15° С, Ом.	0.222	0.139	0.109	0.123	0.144	0.057	0.071	0.032	0.034
Индуктивность обмотки якоря, мГн.	1.18	0.8	0.732	0.898	1.102	0.422	0.554	0.337	0.405
Электромеханическая постоянная времени, м с.	10.3	7.6	13.2	10.1	8.6	14.2	12.3	8.5	7.9
Электромагнитная постоянная времени,
мс.	6.3	6.74	6.75	7.3	7.65	7.35	7ю85	10.63	11.8
Постоянная ЭДС, В /(об./мин.)	0.045	0.044	0.051	0.069	0.085	0.077	0.105	0.118	0.141
Тепловая постоянная времени, мин.	60	70	60	70	80	90	100
Масса двигателя с тахогенератором, кг.	27	33	41	45	52	83	100	168	182

• Данные взяты: Справочник по электрическим машинам. В двух томах Под редакцией И. П. Копылова, Б. К. Клюкова


Список литературы

1. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов / Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н.. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 576 с.

2. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных установок (Учебник); М.: Энергия, 1980, - 360 с.

3. Сандлер А.С. Электрооборудование и автоматизация металлорежущих станков. - М.: Энергия, 1972. - 440 с.

Размещено на Allbest.ru

...