Проектирование и расчет системы стабилизации частоты вращения электропривода

Введение.

В своем курсовом проекте  я выбрала для рассмотрения фрезерный  станок с числовым программным управлением (ЧПУ), который  предназначен для  обработки плоских и пространственных деталей сложной формы.

Свойство устройства ЧПУ  осуществлять и многократно повторять  точное позиционирование подвижного органа станка в заданной координате позволяет  кроме фрезерования производить  сверление, зенкерование, развертывание  и растачивание отверстий, а также  нарезание резьбы в отверстиях, что  значительно расширяет технологические  возможности фрезерных станков  с ЧПУ.

Конструкции фрезерных  станков с ЧПУ различаются  по расположению шпинделя (горизонтальное или вертикальное), по числу координатных перемещений стола или фрезерной бабки, по числу используемых инструментов и способу их установки на станке (вручную или автоматически).

Фрезерные станки с ЧПУ (по сравнению с традиционными  фрезерными станками) обладают следующими преимуществами: более чем в 3 раза повышается производительность обработки; сокращается производственный цикл обработки и время на подготовку производства, так как отпадает необходимость  в изготовлении специальной дорогостоящей  оснастки (шаблонов, копиров, специальных  приспособлений и инструментов); отпадает необходимость в трудоемкой ручной доработке деталей, а в отдельных  случаях и в их доводке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Техническое задание

Задача  курсового проекта:

Проектирование  и расчет системы стабилизации частоты  вращения электропривода (ЭП) производственного  механизма, работающего в заданном диапазоне регулирования с допустимой статической ошибкой.

Рис. 1- Кинематическая схема  механизма продольной подачи стола  станка

На рис.1 приняты следующие условные обозначения: М – двигатель, СМ – муфта, Р – редуктор, i=6 , РО – рабочий орган(непосредственно сам стол).

 

1.2  Расчет  параметров стола

Рис. 2- Общая схема стола  станка

N – номер варианта

h-высота=150мм

 

 

 

 

 

Таблица 1 - Исходные данные

Диаметр ходового винта:
Шаг ходового винта за минуту:
Коэффициент передачи редуктора:
Диапазон регулирования скоростей:
Максимальная частота вращения:
Статическая точность:
Плотность стали:

 

Найдем  ширину и длину стола из соотношений

Отсюда объем стола

А масса стола

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Выбор станка.

 

Рис.3 - Общий вид трехкоординатного вертикально-фрезерного станка с ЧПУ

На рис.3 представлен вертикально-фрезерный консольный станок с ЧПУ модели 6М13ГН-1. Станок имеет три координаты перемещения рабочих органов по числовой программе: X – продольное перемещение стола, Y – поперечное перемещение салазок со столом и Z – вертикальное перемещение пиноли. Особенностью этого станка, как и других станков с ЧПУ, является наличие устройства ЧПУ (7), соединенного кабельными связями (6) со станком и шкафов силовой электроаппаратуры (1). Стол станка (8) и ползун (2) перемещаются во взаимно перпендикулярных направлениях X и Y ходовыми винтами от двигателей подач. На вертикальных направляющих ползуна (2) смонтирована фрезерная головка (3), в шпинделе (9) которой закрепляется фреза (4). Фрезерная головка (3) перемещается вертикально по направлению оси Z ходовым винтом от соответствующего двигателя. Пульт управления (5) станком служит для выполнения пусковых операций и работы в наладочном режиме.

 

Основные технические  данные станка модели 6М13ГН-1.

Размеры рабочей поверхности  стола, мм

длина 3200

ширина 1600

Пределы частоты вращения шпинделя, об/мин 1,5 – 1800

Величины программируемых  перемещений

по координатам

продольное X, мм 900

поперечное Y, мм 320

вертикальное Z, мм 80

Скорости подач по координатам

X,Y, мм/мин 0 – 1330

Z, мм/мин 0 – 640

Масса стола, кг 6782,4

Масса обрабатываемой детали, кг до 75

Подача за импульс, мм 0,01

Мощность ЭД главного привода, кВт 7,5

Тип устройства ЧПУ ПФСТЭ–12–500

Программоноситель-с магнитная лента

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Выбор функциональной схемы проектируемой системы

 

Необходимо реализовать следующую  функциональную схему:

 

1. Рис 4. – Функциональная схема

Здесь:

УСП – управляемый силовой преобразователь;

ДПТ –  двигатель постоянного  тока(Wэм,Wмех);

ДС – датчик обратной связи по скорости(тахогенератор);

ДТ– датчик обратной связи по току;

РС – регулятор скорости (ПИ регулятор);

РТ – регулятор тока.

В нашей работе применена система  подчиненного регулирования, так как  разбили задачу регулирования на ряд частных задач: управление током, управление скоростью.

Сущность данной системы в том, что каждый внутренний контур подчинен внешнему. В нашем случае, мы имеем 2 контурную систему. С помощью датчика скорости (тахогенератора) создается обратная связь по скорости (внешний контур). А также мы имеем обратную связь по току (внутренний контур).

Для начала нам необходимо выбрать  элементы данной системы и рассчитать передаточные функции всех элементов  электропривода.

 

 

 

 

 

3. Выбор двигателя и расчет его параметров

1. Выбор двигателя подачи

Механическая часть  электропривода (ЭП) состоит из движущейся части электродвигателя, редуктора  и рабочего органа. Приведенная схема  наглядно отражает то положение, что  механическая часть ЭП представляет собой систему связанных масс, движущихся с различными скоростями вращательно и поступательно. При  нагружении элементы системы деформируются, так как механические связи не являются абсолютно жесткими. При  изменениях нагрузки массы имеют  возможность взаимного перемещения, которое при данном приращении нагрузки определяется жесткостью связи.

Для анализа движения механической части ЭП осуществляется переход  от реальной кинематической схемы к  расчетной, с которой массы и  моменты инерции движущихся элементов  и их жесткости, а так же силы и  моменты, действующие на эти элементы, заменены эквивалентными величинами, приведенными к одной и той  же скорости.

Большинство реальных кинематических схем механической части ЭП в результате выполнения операций приведения сводятся к одной из трех расчетных систем: одномассовой, двухмассовой, трехмассовой. Одномассовая система или жесткое  приведенное механическое звено  соответствует механической части  без зазора содержащей абсолютно  жесткие недеформируемые элементы. Расчетная схема одномассовой системы  изображена на рис.1.3, а ее движение описывается выражением

        ,

где J=Jдв+Jпр – суммарный момент инерции,

J – момент инерции двигателя,

J – момент инерции привода.

При J=const уравнении движения имеет вид

           ,

Для наиболее характерного режима работы ЭП, когда двигатель  создает движущийся момент, а исполнительный орган – тормозящий, уравнение  движения принимает вид

            .

Процесс перехода к расчетным  схемам обычно называют приведением, а  сами величины приведенными. Обычно оказывается  удобным и целесообразным осуществлять приведение к скорости электродвигателя. Это бывает в тех случаях, когда  параметры системы таковы, что  влияние упругих связей незначительно, или при решении задач, в некоторых  с этим влиянием можно не считаться, механическая часть представляется простейшей расчетной схемой, не учитывающей  влияние упругих связей, – жестким  приведенным звеном. В этих случаях многомассовая механическая часть ЭП заменяется одной эквивалентной массой с моментом инерции JΣ, на которую воздействуют электромагнитный момент двигателя м и суммарный приведенный к валу двигателя момент нагрузки Мс.. Момент нагрузки Мс включает в себя все внешние силы, приложенные к механической системе, кроме момента двигателя М.

В случае приведения к  валу двигателя суммарный приведенный  момент инерции ЭП JΣ может быть выражен общей формулой

         JΣ = Jдв + Jмуф + Jред + mΣρ2          (1)

где Jдв – момент инерции ротора двигателя,

Jмуф – момент инерции муфты,

Jред – момент инерции редуктора,

mΣ – суммарная масса стола станка и обрабатываемой детали,

ρ – радиус приведения.

Фрезерованию присуща  та особенность, что вращающийся  относительно неподвижной оси инструмент – фреза – имеет несколько  режущих лезвий зубьев, каждое из которых  снимает стружку лишь в течении небольшой доли оборота фрезы, а затем вращается вхолостую.

Рассчитаем  силу, с какой фреза действует на заготовку

                                                                               (2)

Выберем любую фрезу из быстрорежущей стали с параметрами

В = 15 мм –  ширина фрезерования,

z = 24 – число зубьев фрезы,

d = 200 мм – диаметр фрезы,

S = 0,6 мм – подача на зуб фрезы,

t = 15 мм – глубина фрезерования,

CF = 80 – коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, охлаждения фрезы и вида обработки

XF = 0,83; YF = 0,65; i = -1 – коэффициенты, зависящие от обрабатываемого материала, охлаждения фрезы и вида обработки.

Обрабатываемый  материал – серый чугун. Фреза  охлаждается концентратом жидкости смазочно – охлаждающей ЭК3.

Тогда получим

= 9,81 * 80 * 150,83 * 0,6*0,65 * 15 * 24 * 200-1 = 9598 Н

 найдем из следующего выражения

= 0,4                                                                                                                  (3)  = 0,4 * 9,598 = 3840 Н

При определении  нагрузки двигателя подачи рассматривают  отдельно два характерных режима: трогания с места и рабочую  подачу.

При трогании с места усилие подачи рассчитывается по формуле

                                                                                         (4)

где – коэффициент трения,

g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения,

mΣ = mСТ + mД = 6857,4 кг – масса стола и детали,

β = 0,5 Н/см2 – удельное усилие прилипания,

 = – площадь поверхности прилегания направляющих стола, взаимотрущихся с направляющими салазок.

Тогда

= 0,25 * 9,81 * 6857,4 + 0,5 * 8640 = 21137 Н

При движении с установившейся скоростью

         = k * + Mg (g * mΣ + + ),         (5)

где Mg = 0,1 – коэффициент трения,

k = 1,2 ÷ 1,5 – коэффициент запаса,

= 0,4 = – составляющая усилия резания в направлении подачи.

Подставим эти  значения в формулу

               = 1,4 * 3840 + 0,1 (9,81 *6857,4 + 3840 + 9598) = 13446,9 Н

 Момент на валу ходового винта стола

          = tg(α + φ)         (6)

где dср = 34 мм – средний диаметр ходового винта,

α – угол наклона резьбы ходового винта,

α = arctg  

где t = 18,4 мм – шаг нарезки ходового винта,

φ = 0,5° –  угол трения резьбы, град.

Найдем α:

          α = arctg = 2,92

Вычислим  момент на валу ходового винта стола  при трогании с места

          = tg(0,5 + 2,92) = 13,42 Н·м

А теперь момент при движении с установившейся скоростью

= tg3,42= 20,07 Н·м

Рассчитаем  статический момент на валу двигателя  подачи при трогании с места

         =        (7)

где j = 1 – передаточное число редуктора,

= 0,88 – КПД передачи.

         = = 15,25 Н·м

Найдем статический  момент на валу двигателя при движении с установившейся скоростью

        = = 22,8 Н·м

При выборе двигателя ориентируются на наибольший статический момент из двух режимов.

Для фрезерного станка характерны 4 участка:

• движение и обработка с пониженной скоростью,
• обработка детали с рабочей скоростью,
• движение и обработка с пониженной скоростью,
• обработка детали с рабочей скоростью в обратном направлении.

В установившемся режиме при прямом ходе стола в процессе резания статический момент на валу двигателя

              =22,8 Н·м

Усилие трения при обратном ходе стола из формулы (4)

         =21137 Н

Коэффициент загрузки при обратном ходе стола

         =          (8)

         = = 1,6

КПД передачи при обратном ходе стола:

                  = -1                   (9)

 

где α = 0,07÷0,1 – коэффициент, принимаем α = 0,07.

             = -1=0,109

В установившемся движении при обратном ходе стола статический  момент на валу двигателя

           = = 139,9 Н·м

Для стола фрезерного станка статическая мощность двигателя  рассчитывается по следующей формуле

       =           (10)

где – максимальная скорость прямого хода, м/с,

 – тяговое усилие, Н.

Тяговое усилие на столе  рассчитывается по следующей формуле

         = + =27374Н.          (11)

Теперь рассчитаем статическую мощность

         = = 414 Вт

Мощность  электродвигателя предварительно рассчитывается исходя из статической нагрузки и  режима работы электропривода.

Для электроприводов, работающих в длительном режиме с неизменной нагрузкой мощность двигателя принимается равной

       =                                                                                                                 (12)