Электропривод главного движения многооперационного металлорежущего станка ИР500

Введение

История завода начинается с основания в 1885 году на окраине г.Гомеля небольшого чугунолитейного предприятия.

В годы гражданской войны завод изготавливает для фронта боеприпасы, ремонтирует суда Верхне-Днепровской флотилии.

В 1925 году на заводе было организовано арматурное производство. Через два года котельное. Начиная с 1930 завод осваивает серийное производство паровых насосов и постепенно переходит к станкостроению.

Первые станки были собраны в начале 1934 года. Это были: обдирочный станок 175 для обдирки прутков проката двумя резцами; станок 389 для последующей обкатки.

В 1936 году было положено начало производству долбежных станков 741,742,743.

В начале Великой Отечественной войны завод был эвакуирован на Урал. Во время войны завод был полностью разрушен, его восстановление началось после освобождения Гомеля в 1943 году.

В 1951-52 годах был освоен выпуск долбежных станков с гидравлическим приводом 7430 и 7450,специальных резьбонакатных автоматов ИО35Е.

В 1953 году создаются два новых специальных поперечно-строгательных станка ГД-6и ГД-7, станки для секторной прокатки сверл С-100 и С-101 идр.

В конце 60х годов завод выпускал различные станки спец назначения для Волжского автомобильного завода.

В начале 70х завод экспортирует свою продукцию в 58 стран мира.

С 1982 года начал серийный выпуск специального токарного полуавтомата МК-6026 для одновременной копирной обточки-расточки поршневых колец для автомобилей сельхозмашиностроения. В1983 году заводом изготовлен горизонтальный сверлильно-фрейзерно-расточный обрабатывающий центр 21004П7Ф4. В 1984 наряду с освоением серийного производства станков осваивается производство многоцелевых станков с ЧПУ ИР500ПМФ4 и ГДН630.

В настоящее время завод производит, а также занимается модернизацией обрабатывающих центров 2100ПФ4 и ИР-500. Завод освоил выпуск станков с системой ЧПУ фирмы Сименс.

В данном проекте разрабатывался электропривод главного лавный движения многооперационного металлорежущего станка ИР500. Производится замена электропривода постоянного тока на электропривод переменного тока с асинхронным электродвигателем, а также пересчёт мощности электродвигателя в соответствии с технологическим процессом для конкретной детали. Расчет по технологическому процессу производится для наиболее тяжелого режима работы электропривода главного движения. Необходимость произведение такого расчета вызвана тем, что номинальная мощность электродвигателя должна быть как можно ближе к мощности, необходимой для обработки детали. При завышенной мощности электропривода процесс обработки будет производиться с низким коэффициентом полезного действия, а следовательно будут увеличиваться затраты на электроэнергию. В случае превышения мощности, требуемой для обработки, над мощностью привода, электродвигатель будет перегреваться и срок его службы сократится.

Таким образом правильный расчет и настройка электроприводов главного и вспомогательных движений станка является в современных условиях, актуальной задачей.

1. Анализ технического задания на дипломное проектирование

.1 Назначение и устройство обрабатывающего центра модели ИР500ПМФ4

Общий вид сверлильно-фрезерно-расточного станка модели ИР500ПМФ4 приведен на рис.1.

Рис.1. Общий вид обрабатывающего центра ИР500ПМФ4.

Рис.1. Общий вид обрабатывающего центра ИР500ПМФ4.

Сверлильно-фрезерно-расточный станок модели ИР500ПМФ4 предназначен для особо точной обработки широкого диапазона деталей, отличающихся конфигурацией, размерами и материалами.

На станке можно осуществлять следующие технологические операции:

обработку отверстий с точным расположением осей методом растачивания (получистовое и точное чистовое);

развертывания;

контурное и прямоугольное фрезерование (получистовое и чистовое);

сверления;

зенкерования;

нарезку резьбы метчиками;

выполнение разметки;

выполнение высокоточных измерений.

Применяя поставляемые с станком поворотные столы и другие принадлежности можно производить обработку отверстий, заданных в полярной системе координат, наклонных и взаимно-перпендикулярных отверстий. Станок пригоден как для работ в инструментальных цехах, так и в производственных цехах с мелкосерийным производством.

Электрооборудование станка предназначено для обеспечения работы органов станка в заданных технологических режимах, безопасной работы, а также максимального облегчения управлением.

Станок оснащен устройством контурного программного управления, измерительными путевыми преобразователями, а также электрооборудованием отечественного производства.

Станок имеет следующие электроприводы:

вращения шпинделя (главного движения -S);

перемещения стола (X);

перемещения салазок (Y);

перемещения шпиндельной бабки (Z);

гидростанции;

станции охлаждения;

Приводы подач осуществляют подачу стола(X), салазок(Y), бабки(Z).

Регулирование скорости перемещения в ручном режиме осуществляется изменением задающего сигнала при неизменной глубине обратной связи. Величина задающего сигнала определяется положением регулятора на пульте станка. Пределы скорости перемещения в ручном режиме от 0 до 6000 мм/мин. Управление приводами подач в автоматическом режиме осуществляется от устройства управления. Желаемая скорость подачи может программироваться в мм/мин или дюймах/мин. Скорость подачи ускоренного перемещения равна 12000 мм/мин.

Контроль за величиной нагрузки на двигатели подач производиться амперметром, расположенном на двери электрошкафа. С помощью переключателя, расположенного на двери электрошкафа, осуществляется подключение амперметра к якорным цепям двигателей подач.

.2 Основные технические данные и характеристики станка

Таблица 1.2

1.3 Принцип работы оборудования станка ИР500ПМФ4

Станок имеет бесконсольную вертикально-подвижную шпиндельную бабку, перемещающуюся внутри продольно-подвижной стойки и поперечно-подвижной стол.

Главное движение резания осуществляется электродвигателем мощностью 22 кВт. Крутящий момент от электродвигателя к шпинделю передаётся через 2-х ступенчатую коробку скоростей, связанную со шпинделем зубчатой муфтой.

Широкий диапазон частот вращения шпинделя и скоростей подач позволяет обрабатывать как черные, так и цветные металлы.

Конструкция шпиндельного устройства предусматривает обдув оправки инструмента и конуса шпинделя.

Инструментальный магазин расположен в верхней части стойки. В зависимости от исполнения станка комплектуются магазин емкостью 30 или 60 инструментов. Рядом со станком расположено устройство смены столов-спутников. В зависимости от исполнения станки могут комплектоваться двух или многокомплектными устройствами смены столов-спутников.

Кинематическая схема привода подачи стола и главного движения приведены на рис 2. и рис 3. На нем под следующими номерами обозначены:

Рис.2. Кинематическя схема главного привода

1. Двигатель.

. Спецмуфта с высокой крутильной жесткостью, допускающая некотрую неточность монтажа двигателя и винта (несоосность, перекос).

. Специальная гайка.

. Специальный винт.

. Стол.

. Подшипник.

Рис.3. Кинематическая схема привода подачи стола.

Станина является основной опорной базой станка. Она выполнена в виде чугунной отливки коробчатой формы, в карманах которой имеются отверстия для крепления станины через клиновые опоры к фундаменту.

Направляющие всех неподвижных базовых узлов накладные, термообработанные до высокой твердости.

Линейные направляющие подвижных базовых узлов накладные из специального полимерного антифрикционного материала.

Боковые и нижние направляющие подвижных узлов выполнены на специальных опорах качения. Со стороны базовых граней направляющих, опоры качения закреплены жестко. С противоположных сторон и с нижней стороны опоры качения снабжены натяжным устройством, предназначенным для натяжки к базовой и лицевой граням направляющих. Регулировка натяжных устройств идет по определенной программе.

Каждый подвижной узел станка (по осям X, Y, Z) при перемещении ограничиваются в крайних положениях электрическими конечными выключателями, смонтированными в специальных отдельных блоках.

По оси X (перемещение стола) блок устанавливается на санях стола, по оси Y (перемещение бабки) и по оси Z (перемещение стойки) - на стойке.

Конечные выключатели взаимодействуют с упорами, расположенными в пластинах с прямоугольными пазами. В пазах располагаются: упоры крайних ограничений ходов подвижных узлов станка, упоры замедления, упоры "нулевых положений" и упоры для подачи специальных команд.

Отсчетные устройства - линейные оптические датчики устанавливаются по осям X, Y, Z и служат датчиками отсчета линейных перемещений. Конструктивно установка линеек оптических датчиков подобна для каждой координатной оси.

Шкала линейки оптического датчика выставлена в специальной кассете, которая жестко крепится на станине стола (по оси X), на стойке (по оси Z) и на шпиндельной бабке (по оси Y).

Ползунок выставлен относительно шкалы линейки оптического датчика и через кронштейн крепится на санях стола, на шпиндельной бабке, на стойке.

Шкала линейки оптического датчика через электрокабель соединяется с промежуточным усилителем, установленным на станине стола (по оси X), на стойке (по оси Z) и на шпиндельной бабке (по оси Y).

Оптическое отсчетное устройство снабжено специальной защитой, которая предохраняет линейки оптического датчика от механических повреждений, стружки и грязи.

Разрешение подачи механизмов осей X, Y, Z формируются в УЧПУ при соблюдении следующих условий:

все оси находятся в рабочей зоне;

нет аварии главного привода;

инструмент зажат;

поворотный стол зажат;

стол-спутник зажат;

при интерполяции включен главный привод;

выбрана ступень вращения шпинделя.

При анализе технического задания обратим внимание на два пункта, характеризующие требования к электроприводу со стороны окружающих его систем.

1.Система электропривод - рабочая машина.

Требования к системе предъявляются исходя из технологического процесса и должны быть реализованы в ходе анализа и синтеза электропривода.

–        регулируются в течение рабочего цикла следующие механические параметры: ускорения разгона и торможения механизма.

–        при регулировании не должно происходить резких бросков тока и скачков скорости, то есть регулирование должно осуществляться плавно; D=8, S=5%.

–        электропривод должен обеспечивать несколько различных режимов работы: автоматический, полуавтоматический и полностью ручной режим. Автоматический режим работы должен использоваться при нормальной работе механизмов линейки; полуавтоматический режим используется при исправлении линейкой деформированной заготовки; полностью ручной режим работы применяется либо в случае возникновения аварийной ситуации, либо в качестве настроечного.

–        точность регулирования.

2.       Система электропривод - сеть.

–        величина длительно допустимого отклонения напряжения сети от номинального ±10%×U_Н;

–        кратковременно допустимое отклонение сети от номинального значения -15%×U_Н;

–        номинальная частота питающей сети f_С=50Гц;

–        допустимые отклонения величины частоты питающей сети от номинала ±5%×f_C;

–        должна иметься в наличие система резервного электроснабжения, и разработан порядок переключения на него.

2. Расчет нагрузочной диаграммы механизма

Расчет нагрузочной диаграммы производится по параметрам наиболее энергоёмкого технологического процесса .Нагрузочная диаграмма электропривода характеризует зависимость вращаемого момента или мощности, развиваемой двигателем, от времени .Нагрузочная диаграммы используются для оценки перегрузочной способности электропривода и сопоставление ее с допустимой кратковременной нагрузкой для данного типа электродвигателя, а также для проверки мощности предварительно выбранного двигателя по нагреву . Одним из главных элементов электропривода , определяющим в значительной степени его технические и экономические показатели, является электродвигатель, то прежде всего рассматриваются вопросы расчета мощности электродвигателей.

Применение двигателей недостаточной мощности может вызвать нарушение в нормальной работе механизма, понижение его производительности, аварию и выход из строя двигателя. Использование же двигателя завышенной мощности приводит к неоправданному увеличению капитальных затрат, снижению электрических показателей электропривода, уменьшению КПД двигателя, а в установках переменного тока, кроме того, ухудшению коэффициента мощности, что в свою очередь влияет на непроизводительную загрузку преобразовательного устройства и распределительной сети. Кроме как по мощности , нужно еще правильно выбрать двигатель по исполнению. Это можно сделать, зная назначение электропривода и условия в которых ему придётся работать. Выбор электродвигателя по способу охлаждения особенно важен для регулируемых электроприводов, так как неправельный выбор в этом случае может привести к значительному завышению установленной мощности двигателя, т.е. к увеличению капитальных затрат, утяжелению конструкции и снижению коэффициента мощности (для переменного тока).

Построим и рассчитаем нагрузочную диаграмму. Определим полное время (время рабочего цикла, ), время обработки и простоя. Для первого режима обработки (фрезерование) определим рабочее время. Фрезерование разделено на три этапа (см. табл 1). Первый при подачи 670 и глубине резании 4 мм , второй и третий 924 1056 соответственно и глубине резания 4 мм, 4,5 мм. Выбираем среднию подачу и рассчитываем время, но так как фрезерование разделено на три этапа то найденное время умножаем на три. Так же поступаем при растачивании и сверлении. Расчеты сведены в таблицу 2. Пример расчета: подача=924 т.е. за одну минуту резец проходит 924мм. Нам требуется обработать 400мм, то из пропорции находим время  получений результат 0,433с умножаем на три получаем 1,3мин=78с. Время отвода шпинделя от обрабатываемого материала до участка замены инструмента  с. Полное рабочее время с.

Из кинематической схемы (рис.3) рассчитаем передаточное число редуктора , приведем все моменты и скорости к валу двигателя. Исходные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3

Если механическая часть электропривода имеет жёсткие кинематические звенья, то упрощенная модель такой системы, содержащий электродвигатель, передаточное устройство и исполнительные органы, при установившемся движении может быть заменена единой приведенной механической системой, движущейся со скоростью вала электродвигателя или одного из исполнительных элементов рабочей машины. Для получения приведенной системы движущие моменты, сопротивления и инерционные массы должны быть пересчитаны таким образом, чтобы сохранились кинематические и динамические свойства исходной системы.

 суммарный момент инерции на валу двигателя

где - момент инерции на валу двигателя

- момент инерции механизма приведенного к двигателю

 - момент инерции механизма

где m - шпинделя

r - радиус шпинделя

- передаточное число

Произведем расчет динамических моментов при пуске на каждом из этапов. Исходные данные для расчета приведены в таблице 4.

 - угловое ускорение

 - расчет времени пуска

Таблица 4

 - расчет динамического момента

 - момент при фрезеровании

 - момент при расточки

 - момент при сверлении

Метод эквивалентного момента основан на использовании пропорциональной зависимости между током и вращающим моментом электродвигателя, при постоянстве потока возбуждения.

Метод эквивалентной мощности заключается в том, что при постоянной скорости вращения двигателя, мощность пропорциональна моменту электродвигателя.

Для выбора электродвигателя главного движения станка метод эквивалентной мощности не применим, так как скорость вращения двигателя в процессе обработки изменяется.

Метод эквивалентного тока требует предварительного выбора электродвигателя и расчета токовой нагрузочной диаграммы для данного технологического цикла. Поэтому оптимальным является метод эквивалентного момента.

Произведем проверку электродвигателя методом эквивалентных моментов.

где - рабочий мамент на итом участке

- время затраченное на итом участке

- полное время работы

Предварительно был выбран асинхронный электродвигатель с коротко замкнутым ротором фирмы Siemens

Тип данного двигателя: 1PH7136-2ND03-OCAO.

Номинальный момент двигателя н∙м

=

Данный тип двигателя подходит так как выполняется условие:

3. Выбор системы электропривода

Выбор системы электропривода металлорежущих станков определяется требованием технологического процесса.

Основные требования - подержание постоянной мощности при изменении скорости во всём диапазоне. Отклонение скорости в диапазоне ±5% от заданной. Диапазон и плавность регулирования, условия нагрузки, стабильность и экономичность привода.

В качестве управления электродвигателя выбираем частотно-токовое управление.

При использовании АИТ управляющим воздействиями на АД являются частота и ток статора. Широкие перспективы развития и совершенствования асинхронного электропривода с частотным управлением позволяют спроектировать достаточно экономический выгодный электропривод.

Частотное управление является экономичнее чем использование электроприводов постоянного тока. Регулирование скорости АД в этой системе не сопровождается выделением больших потерь скольжения в роторной цепи, ухудшающих КПД двигателя и приводящих к необходимости завышения мощности АД.

Регулирование в этой системе может осуществляться плавно, в широком диапазоне, в обе стороны от естественной характеристики то есть АД может иметь скорость как больше, так и меньше номинальной. При этом регулировочные характеристики имеют высокую жёсткость, а АД сохраняет большую перегрузочную способность.

Для данного механизма (главный привод ) выбираем систему электропривод с частотно-токовым управлением

4. Выбор силового электрооборудования и расчет параметров электропривода

Одной из самых важных задач при проектировании является выбор силовой аппаратуры. Для выбора этой аппаратуры необходимо знать такие параметры как ток и напряжение. Поэтому произведем некоторые расчеты.

Преобразователь частоты фирмы "SIEMENS" германского производства типа: 6SN112-1AA0-OCA.

Данный привод имеет в наличии шести полюсной АД с входным током . Диапазон регулирования скорости

Рис.5. Функциональная схема.

AI- Задатчик интенсивности

AR- Регулятор скорости

AF- Функциональный преобразователь

AA- Регулятор тока

UZ- Управляемый выпрямитель

UF- Автономный инвертор

UA- Датчик тока

Тип электродвигателя: 1PH7136-2ND03-OCAO.

Таблица

Чтобы привести к стандартным единицам рассчитаем коэффициент приведения.

где  и  фазные напряжение и ток статора

Номинальный ток электродвигателя найдем из выражения:

 [7]

Произведем расчет параметров цепи ротора и статора.

 синхронная скорость вращения ротора

= рабочая скорость вращения ротора

Выбор типоразмера электропривода производим исходя из следующих соотношений:

Рис.6 . Характеристики электропривода.

P - Мощность

U - Напряжение

M - Момент

Ψ - Потоко сцепление

5. Синтез и анализ системы электропривода

Автоматическое управление представляет совокупность воздействий, направленных на осуществление функционирования объекта управления в соответствии с имеющейся программой или целью управления, и выполняется с помощью автоматических управляющих устройств.

Любой технологический процесс протекает при наличии определенных активных воздействий (механических, термических, химических и др.) на обрабатываемый материал. Устройства, осуществляющие активное воздействие на обрабатываемый материал, составляют основное технологическое оборудование, к которому могут быть отнесены отдельные механизмы и машины, а также целые производственные комплексы. Эти устройства являются объектом управления. Для них характерно наличие ряда возможных состояний и режимов. Целенаправленное изменение режима объекта управления достигается воздействием на органы (входы) объекта. Эти воздействия называются управляющими.

Автоматическое управление осуществляется с помощью автоматических управляющих устройств без непосредственного участия человека. Совокупность автоматических управляющих устройств и объекта управления образует систему автоматического управления САУ.

Основными видами автоматического управления являются: 1) автоматическое управление с разомкнутой цепью воздействий (жёсткое управление); 2) автоматическое регулирование; 3) автоматическая настройка.

Под синтезом понимается определение структуры и параметров регуляторов САУ в соответствии с ее целевым назначением и требуемыми показателями качества функционирования. Система автоматического управления состоит из объекта управления и управляющего устройства.

В системах управления электроприводами объект управления включает двигатели различных типов, передаточные звенья отвала вала двигателя к механизму, преобразователи одного вида энергии в другой. Основными показателями для выбора элементов оборудования объекта управления являются род тока, мощность, напряжение, частота питающего напряжения, требуемое передаточное число редуктора и д.р.

Состав объекта управления, его математическая модель и параметры должны быть определены до синтеза.

На первом этапе проектирования САУ определяется структура системы. В основу структуры ложится один из принципов управления: по отклонению, по возмущению, комбинированное управление. В практике получило наибольшее распространение управление по отклонению в связи его главным свойством - самовыравниванием, т.е. способно нормально функционировать при любых возмущениях.

Чтобы построить структуру системы управления, необходимо определить: что является выходной величиной; как воздействовать на объект , чтобы управлять этой величиной в заданных пределах; как получить информацию о значениях выходной величины; каковы задающие и возмущающие воздействия. Так, если объектом управления является электропривод, а выходной величиной - его скорость, управлять ею можно, изменяя подводимое к двигателю напряжение. Для этой цели существуют силовые полупроводниковые управляемые преобразователи, напряжение и частота которых от сигнала управления на входе. В качестве датчиков скорости используются различные тахометрические средства. Основным возмущением является момент статической нагрузки на валу двигателя, характер же задающего сигнала, в зависимости от назначения и режима работы системы управления, будет различным.

Для формирования структуры можно использовать один из методов синтеза: метод логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ), метод последовательной оптимизации контуров (подчинённое регулирование), метод распределения корней характеристического уравнения. Каждый из этих методов позволяет обеспечить необходимые показатели качества, но структуры получаются разные. Ввиду этого системы по разному реагируют на внутренние и внешние возмущения. Считается, что чем выше быстродействие системы, тем более высокую точность приобретает система управления.

Выбор метода синтеза регулятора в значительной мере определяется структурой САУ, которая может быть одноконтурной либо многоконтурной.

Одноконтурная структура имеет одну главную отрицательную обратную связь по выходной координате, охватывающую все звенья прямого канала.

Многоконтурные структуры характеризуются наличием, кроме главной отрицательной обратной связи, еще n внутренних обратных связей по переменим состояния САУ.

Данная структурная схема является однозонной двухконтурной. Внутренним контуром является контур тока, а внешний контур скорости.

Из структурной схемы выделим контур тока и контур скорости для проведения синтеза регуляторов  и  на технический оптимум "ТО".

Рис.8.Контур скорости.

Рис.9. Конур тока.

Свернём контур скорости для более удобного синтеза регулятора и рассчитаем все требуемые параметры.

Рис.10. Конур скорости.

Рис.11. Конур скорости

где

Рис.12. Контур скорости.

При синтезе контура скорости на "ТО" получили "ПИ" регулятор.

где

 [ 4]

коэффициент обратной связи контура скорости

p=3 - число пар полюсов в электродвигателе

В данной структурной схеме контура скорости находится функциональный преобразователь. Произведем расчёт функционального преобразователя в зависимости тока статора от скорости .

По выведенной формуле [4] произведем расчёт характеристики функционального преобразователя. Расчёт и построение характеристики произведём в "Mathcad" (см. приложение).

где  скорость поля статора

 рабочая скорость вращения ротора

 Гн

 постоянная времени ротора

Рис.13. Характеристика функционального преобразователя.

Теперь произведем синтез контура тока .

Рис.14. контура тока.

При синтезе контура тока также получили "ПИ" регулятор.

Для расчета переходных процессов рассчитаем остальные параметры структурной схемы.

Расчёт переходных процессов проводим по структурной схеме представленной на рисунке 15.

6. Анализ статических показателей

Оценка качества функционирования систем автоматического управления базируется на исследовании их статических и динамических характеристик. Статическими называются характеристики, отображающие связь между входными воздействиями и выходными координатами в установившемся режиме. Статическому режиму работы электропривода соответствует движение всех элементов электромеханической системы с постоянной и одинаковой приведенной скоростью. Этот режим наступает после затухания свободных составляющих переходного процесса, вызванного изменением управляющего или возмущающих воздействий. Для электродвигателя статический режим характеризуется равенством момента, развиваемого электродвигателем, суммарному моменту нагрузки. Стабильность статических характеристик зависит от возмущающих воздействий на систему. Для электропривода главного движения основным возмущающим воздействием является момент нагрузки на валу электродвигателя создаваемый от усилия резания металла. Момент нагрузки обуславливает изменение скорости электродвигателя. Поэтому в качестве статических характеристик рассматривают зависимость скорости электродвигателя от момента нагрузки на валу электродвигателя. В общем случае скорость в зависимости от статического момента нагрузки определяется согласно выражения

,

Статические характеристики можно построить аналитически с помощью структурной схемы системы автоматического управления. Анализ статических характеристик целесообразно проводить для контура скорости.

Рис.16. Анализ статических показателей.

Согласно структурной схемы передаточная функция контура скорости будет определяться выражением. Свернем данную схему.

 прямой канал

Так как система замкнута то по формуле  получаем передаточную функцию контура скорости

Для статического режима оператор  равен нулю, поэтому выражение … для статического режима можно записать в виде

Тогда из статическая ошибка по возмущению будет определяться выражением

Построим статическую характеристику.

Рис.17. Статическая характеристика.

Так как коэффициент равняется нулю, то статическая характеристика будет абсолютно жесткой.

7. Анализ динамики электропривода

Расчет переходных процессов производим по схеме приведённой на рисунке 13.

Динамическими называются характеристики, отображающие переходной процесс в системе при различных формах воздействий.

В большинстве случаев устойчивость не является достаточным условием нормального функционирования САУ. В зависимости от заданного технологического режима САУ должна обеспечивать требуемое качество работы установки в переходных режимах, вызванных изменением задающего либо возмущающего воздействия. Качество регулирования принято оценивать следующими основными показателями: величиной перерегулирования, и числом колебаний регулируемой величины за время переходного процесса.

Система обладает хорошими динамическими показателями. Все переходные характеристики аппериодический характер. При наборе возмущающих воздействий колебания скорости не превышают допустимых значений. Переходные процессы имеют малую длительность.

Переходные процессы представлены на рисунках:

Рис.18. Пуск

Рис.19. Наброс нагрузки

Рис.20. Скачёк сигнала задания

8. Выбор вспомогательных электроприводов

В электроприводах вспомогательных механизмов, как правило, используется нерегулируемый асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Электроприводы вспомогательных механизмов станков работают в основном в режимах кратковременной нагрузки и должны обладать повышенным пусковым моментом и высокой перегрузочной способностью, особенно для зажимных устройств. Мощность этих двигателей в большинстве своем следует выбирать по допустимой нагрузке на двигатель, как это принято для режимов кратковременной нагрузки.

В обрабатывающем центре ИР500ПМФ4 присутствует шесть вспомогательных электроприводов, выбор асинхронных электродвигателей для которых производился по рекомендациям соответствия требуемой мощности и частоте оборотов. Наименование электроприводов и параметры двигателей занесены в таблицу 8.1.

Наименования и параметры вспомогательных электроприводов.

Таблица 8.11.

9. Мероприятия по обеспечению техники безопасности

сверлильный станок электропривод металлорежущий

9.1 Анализ возможных опасностей при установке, эксплуатации и ремонте главного электропривода станка ИР500 ПМФ4

Задачей дипломного проекта является разработка главного электропривода станка ИР500ПМФ4 , поэтому все мероприятия по охране труда и технике безопасности будут относиться к установке, наладке, эксплуатации и ремонту электродвигателя переменного тока и преобразователя фирмы Siemens.

Можно выделить следующие основные виды опасностей возникающих при вышеописанных действиях:

-         повреждение преобразователя и опасность для персонала при перевозке и распаковке;

-         повреждение преобразователя и опасность для персонала при установке самого преобразователя;

          повреждение преобразователя и опасность для персонала при подключении;

          повреждение преобразователя и опасность для персонала при запуске;

          повреждение преобразователя и опасность для персонала при установке дополнительных плат;

          повреждение преобразователя и опасность для персонала при обслуживании;

          опасность для персонала от несоответствия электромашинного помещения, в котором установлен преобразователь требованиям правил устройства электроустановок;

          опасность для персонала при соприкосновении с вращающимися частями двигателя и передаточных устройств;

          повреждения связанные с неправильной установкой двигателя;

          повреждения при обслуживании и ремонте двигателя;

          повреждения электрическим током, связанные с неправильной установкой заземления;

          повреждения электрическим током, связанные с прикосновением к токоведущим частям;

.2 Разработка мероприятий по технике безопасности

Вначале необходимо отметить, что ко всем работам допускается только квалифицированный обслуживающий персонал, то есть специально подготовленные лица, прошедшие проверку знаний в объеме, обязательном для данной работы (должности), и имеющие квалификационную группу по технике безопасности, предусмотренную Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок.

.3 Перевозка и распаковка преобразователя

Преобразователи SIEMENS упаковываются на заводе-изготовителе согласно соответствующим данным заказа. Упаковочный ярлык изделия прикрепляется к ящику. Необходимо тщательно ознакомиться с информацией на упаковке, касающейся транспортирования, хранения и надлежащей обработки. При отгрузке и установке нужно защищать упаковку от серьезных толчков и ударов . Устройство должно быть установлено после того, как груз был распакован и проверен на комплектность и повреждения. Упаковочные материалы состоят из картона и гофрированной бумаги, и могут быть утилизированы согласно местным правилам по утилизации отходов. Если обнаружиться, что преобразователь был поврежден во время транспортировки, необходимо немедленно сообщить экспедитору.

9.4 Установка преобразователя

Подъём преобразователя без соблюдения правил безопасности может привести к травмам и повреждению имущества. Преобразователь следует поднимать с использованием подходящего оборудования и под руководством персонала, имеющего соответствующую квалификацию. Чтобы исключить риск деформации и повреждения корпусов преобразователей, подъёмные скобы, используемые для подъёма, не должны подвергаться воздействиям в горизонтальных направлениях. Пользователь несёт ответственность за монтаж преобразователя, двигателя, трансформатора, равно как и другого оборудования в соответствии с требованиями безопасности, а также со всеми другими действующими государственными или местными нормами, распространяющимися на выбор сечения кабеля и его защиту, заземление, разъединители, защиту от перегрузок по току и т.д.

Преобразователь следует устанавливать в соответствии с действующими нормами безопасности (например, DIN, VDE), а также со всеми другими действующими государственными или местными нормами. Необходимо удостовериться, что заземление, выбранное сечение кабеля и соответствующая защита от короткого замыкания были применены и обеспечивают безопасность и надёжность работы.

Под преобразователем и над ним необходимо обеспечить зазор минимум в 100 мм, чтобы обеспечить беспрепятственный приток и отток для охлаждающего воздуха. Если такой зазор не предусмотреть, преобразователь может перегреться!

.5 Подключение

Преобразователи работают при высоких напряжениях. Необходимо отключить источник питания перед производством любых подключений! Не правильные подключения могут привести к непоправимому повреждению блока. Напряжение может присутствовать на силовых клеммах и клеммах управления даже, когда двигатель остановлен. При работе с открытым преобразователем, надо помнить, что его работающие части доступны к соприкосновению. Блок должен всегда работаться с установленными стандартными передними обшивками. Специальное внимание должно быть уделено надлежащему выбору сечения проводника, плавким предохранителям, заземлению, мерам изоляции и разъединения и к защите от перегрузки по току. Эти преобразователи содержат опасные вращающиеся машины (вентиляторы) и их компоненты управления (приводы). Смерть, серьезные телесные повреждения или существенный материальный ущерб может иметь место, если не соблюдаются инструкции в соответствующих руководствах по эксплуатации.

.6 Запуск

Перед тем, как приступить к запуску преобразователя, нужно убедиться в том, что прозрачная клемная крышка установлена в правильное положение. Перед тем, как работать с одной из плат необходимо убедиться в том, что с вашего тела снят электростатический заряд, чтобы защитить электронные компоненты от высоких напряжений, вызванных электростатическими зарядами. Проще всего это сделать, коснувшись проводящего заземленного объекта (например, неизолированной детали металлического шкафа непосредственно перед работой с электронными компонентами). Нельзя допускать, чтобы печатные платы вступали в контакт с материалами, обладающими высоким удельным сопротивлением (например, с пластмассовой пленкой, изоляционным покрытием стола или одеждой, изготовленной из синтетических тканей). Печатные платы следует размещать только на токопроводящих поверхностях.

Во время работы, в данном электрическом оборудовании присутствует опасное напряжение и вращающиеся детали (вентиляторы). Невыполнение инструкций по безопасности может привести к смерти, серьезным травмам или к значительным повреждениям имущества. Опасное напряжение может присутствовать на сигнальных реле в установке пользователя. Преобразователи нельзя подключать к источнику питания через расцепитель по утечке на землю (e. l. c. b.), поскольку в случае короткого замыкания на корпус или землю, ток короткого замыкания может содержать постоянную составляющую, что либо воспрепятствует, либо затруднит размыкание e.l.c.b. приведя к более высоким порогам срабатывания. В этом случае, все нагрузки, подключенные к такому e.l.c.b., так же не имеют защиты. Только квалифицированный персонал, который надлежащим образом ознакомлен со всеми правилами по безопасности, содержащимися в рабочих инструкциях, равно как и в инструкциях по монтажу, установке, работе и техническому обслуживанию, может быть допущен к работам с этими устройствами. Успешная и безопасная работа этого оборудования зависит от бережной транспортировки, надлежащего хранения и установки, а так же от правильной эксплуатации и технического обслуживания. Преобразователь находится под высоким напряжением даже тогда, когда сетевой контактор разомкнут. Вентильная плата (плата, закрепленная непосредственно к нижней части корпуса) содержит много схем, находящихся под высоким напряжением. Перед выполнением любых работ по обслуживанию и ремонту, все источники питания преобразователя должны быть гарантированно отключены.

Использование при ремонте данного преобразователя деталей, на которые не получено разрешение, и обращение с оборудованием неквалифицированного персонала может привести к росту числа опасных ситуаций, вызывающих смерть, серьезные травмы или существенное повреждение имущества. Все замечания по безопасности, содержащиеся в руководстве по эксплуатации и на табличке, прикрепленной к самому преобразователю, должны тщательно соблюдаться.

9.7 Замена и установка новых плат

Безопасная работа зависит от правильной установки и запуска квалифицированным персоналом при соблюдении всех предупреждений, содержащихся в данных рабочих инструкциях. Замена плат всегда должна выполняться персоналом, имеющим соответствующую квалификацию. Установка и удаление плат не должны выполняться при включенном питании. Несоблюдение этих предупреждений может привести к смерти, серьезным травмам или существенному повреждению имущества.

Платы содержат элементы, чувствительные к электростатике (ESDS). Перед работой с платами убедитесь, что с Вас снят электростатический заряд. Наиболее легко можно достигнуть этого, коснувшись заземлённой проводящей поверхности (например, неизолированной металлической части шкафа) непосредственно перед установкой.

.8 Требования правил безопасности на станке

Безопасность труда на станках моделей ИР500, ГДН500, ГДН630, ГДН800 должна удовлетворять требованиям ГОСТ 12.2.007.0-75 ГОСТ 12.2.007.7-83, а также следующим, конкретизированным для указанных моделей, требованиям настоящих технических условий.

Станки должны быть оснащены ограждением зоны резания, надежно защищающим обслуживающий персонал от отлетающей стружки и СОЖ. Ограждение должно быть выполнено из листового материала со смотровыми окнами из стекла безопасного по ГОСТ 5727-83 и иметь жесткую подвижную дверь, надежно удерживающуюся в конечных положениях.

Подвижные вспомогательные органы (манипулятор, устройство смены столов-спутников), представляющие опасность травмирования должны быть закрыты кожухами и окрашены в желтый сигнальный цвет.

Конструкция устройства автоматической смены инструмента должна обеспечивать надежный захват и удержание инструмента, исключать возможность самопроизвольного выпадания инструмента из гнезда инструментального магазина и захватов манипулятора.

Конструкция станка должна обеспечивать надежное закрепление инструментов в шпинделе, столов-спутников и шпиндельной бабки в случае перерыва в энергоснабжении.

Крайние рабочие положения всех узлов, совершающих координатные перемещения, должны контролироваться математическим обеспечением системы программного управления. Дополнительно крайние положения должны контролироваться аварийными конечными выключателями и жесткими упорами.

В станке должно быть предусмотрено аварийное отключение подвижных узлов: стойки, стола, шпиндельной бабки.

В двигателе привода подачи по оси "У" имеется тормоз, предотвращающий самопроизвольное перемещение шпиндельной бабки.

Включение главного привода возможно только после окончательного закрепления инструмента в шпинделе станка.

Станок должен иметь следующие предохранительные и блокирующие устройства:

перемещения стола в поперечном, шпиндельной бабки в вертикальном, стойки в продольном направлении кроме электроупоров аварийного отключения необходимо ограничить жесткими упорами;

для запирания дверей электрошкафа с электрооборудованием следует применять специальные замки;

предусмотрена возможность программного ограничения рабочих перемещений органов станка за допустимые пределы в случае подачи ложных команд;

блокировка вращения шпинделя при разжатой оправке;

блокировка, исключающая работу станка при отсутствии давления в гидро- и пневмосистемах;

блокировка вращения шпинделя и перемещения по оси, если манипулятор находится у шпиндельной бабки;

при отжатом столе-спутнике подача по всем координатным осям исключена;

вращение инструментального магазина при извлечении инструмента из гнезда исключено;

блокировка вращения шпинделя при открытых дверях ограждения.

При аварийном останове время остановки шпинделя не должно превышать шести секунд.

Конструкция станка должна обеспечивать удобный отвод стружки и СОЖ из зоны обработки.

На станке должна быть предусмотрена автоматическая централизованная дозированная система смазки направляющих подвижных узлов, шариковых винтовых пар, подшипников.

Применяемый гидропривод должен отвечать требованиям безопасности ГОСТ 12.2.040-83, пневмопривод - ГОСТ 12.3.001-83

Безаварийная работа станка обеспечивается при изменении напряжения от 0,9 до 1,1 номинального значения и соответствующие паспорту технические характеристики - при изменении напряжения от 0,95 до 1,05 номинального значения при изменении частоты напряжения.

Электрошкаф должен быть выполнен по степени защиты IP43; пульты управления - по IP54 в соответствии с ГОСТ 14254-83.

Под каждым заземляющим зажимом должен быть нанесен символ "Заземление" по ГОСТ 21130-75.

Станок должен быть снабжен встроенными устройствами местного освещения зоны обработки. Освещенность рабочей поверхности в зоне обработки должна составлять не менее 1500 лк.

При поставке на экспорт станок должен соответствовать требованиям техники безопасности страны-покупателя (уточняется в заказ-наряде).

.9 Вибрационная характеристика

Допустимые уровни вибрации на рабочем месте оператора не должны превышать значений, установленных ГОСТ 12.1.012-83 и указанных в таблице 7.

Методы и средства контроля вибрационных характеристик, жесткость установки и типовые режимы работы станка при испытаниях проверяют в соответствии с "Программой и методикой испытаний".

Таблица 7

.10 Обслуживание

Только запасные части, определенные изготовителем, могут использоваться. Во время работы, в этом электронном оборудовании присутствует опасное напряжение. Опасное напряжение может присутствовать на сигнальных реле в установке пользователя. Несоблюдение инструкций по безопасности может привести к смерти, серьезным травмам персонала или существенному материальному ущербу.

При выполнении работ по обслуживанию на этом преобразователе, необходимо прочитать все инструкции по безопасности, включенные в соответствующий раздел руководства по эксплуатации и приложенные к изделию непосредственно. Работы по обслуживания на преобразователе могут выполняться только квалифицированным персоналом, который полностью знаком со всеми инструкциями по безопасности в этом руководстве и с инструкциями по установке, работе и обслуживанию.

Перед выполнением визуальной проверки и работ по обслуживанию, нужно убедитесь, что источник питания переменного тока отключен и заблокирован, а преобразователь заземлен. До того как питание будет отключено, на преобразователях и двигателях присутствуют опасные уровни напряжений. Даже когда контактор преобразователя отключен, на нем все еще остаются опасные напряжения. Демпфирующие конденсаторы продолжают нести опасное напряжение до 2 минут после отсоединения от питания. По этой причине, преобразователь не должен открываться, по крайней мере, две минуты после отключения. Преобразователь должен быть полностью защищен от попадания грязи, чтобы предотвратить перекрытие напряжения и необратимое повреждение. Пыль и посторонние предметы, и особенно загрязнения, втянутые с охлаждающим воздушным потоком, должны периодически тщательно удаляться, в зависимости от степени загрязнения, но по крайней мере один раз в 12 месяцев. Преобразователь должен быть очищен сухим, сжатым воздухом или пылесосом. У преобразователей с принудительным воздушным охлаждением нужно обратите внимание на следующее:

–        Подшипники вентилятора разработаны для срока обслуживания 30000 часов.

–        Вентиляторы должны заменяться с запасом по времени, чтобы поддерживать надежность наборов тиристоров.

9.11 Требования к электромашинному помещению, содержащему преобразователь и станок

Электромашинное помещение (ЭМП) должно быть оборудовано телефонной связью и пожарной сигнализацией, а также другими видами сигнализации, которые требуются по условиям работы. Вращающиеся части установленного в ЭМП оборудования (вентиляторов), расположенные на доступной высоте, должны быть ограждены от случайного прикосновения в соответствии с действующими требованиями безопасности. В ЭМП должны быть предусмотрены сети питания сварочных трансформаторов, переносных светильников и электроинструмента, а также машин для уборки помещений. ЭМП должны быть оборудованы устройствами для продувки электрооборудования сухим, чистым, сжатым воздухом давлением не более 0.2 МПа от передвижного компрессора или от сети сжатого воздуха с фильтрами и осушителями. Электромашинные помещения должны быть также оборудованы промышленным передвижным пылесосом для сбора пыли. При двухрядном расположении шкафов в ЭМП, ширина прохода между ними должна быть не менее 1.2 м, а расстояние между открытыми противоположными дверцами - не менее 0.6 м.

.12 Требования к установке электродвигателей

Электродвигатели и аппараты должны быть установлены таким образом, чтобы они были доступны для осмотра и замены, а также по возможности для ремонта на месте установки. Если установка содержит электродвигатели или аппараты массой 100 кг и более, то должны быть предусмотрены приспособления для их такелажа. Электродвигатели должны быть выбраны и установлены таким образом, чтобы была исключена возможность попадания на их обмотки и токосъёмные устройства воды, масла, эмульсии и т.п., а вибрация оборудования, фундаментов и частей здания не превышала допустимых значений. Шум создаваемый электродвигателем совместно с приводимым им механизмом не должен превышать уровня, допустимого санитарными нормами. Ширина проходов обслуживания между фундаментами или корпусами электродвигателей, между машинами и частями здания или оборудования должна быть не менее 1 м в свету, допускаются местные сужения проходов между выступающими частями машин и строительными конструкциями до 0.6 м на длине не более 0.5 м. Расстояние в свету между корпусом машины и стеной здания или между корпусами, а также торцами рядом стоящих машин должно быть не менее 0.3 м при высоте машин до 1 м от уровня пола и не менее 0.6 м при высоте машин более 1 м. Кабели и провода присоединяемые к электродвигателям, установленным на виброизолирующих основаниях, на участке между подвижной и неподвижной частями основания должны иметь гибкие медные жилы.

.13 Правила при ремонте и обслуживании двигателя

Перед допуском бригады к ремонтным работам в цепи статора двигателя постоянного тока необходимо выполнить следующее:

–        При помощи выключателя или разъединителя отключить двигатель от цепи питания;

–        вывесить запрещающие плакаты ²Не включать - работают люди!² на ключах управления выключателей и принять меры против случайного включения (закрыть кнопку ²Пуск², установить между контактами изолирующие накладки);

–        при отсоединении от зажимов статора питающего кабеля концы его заземляют и замыкают накоротко;

9.14 Требования к установке заземления

Заземление используется для защиты людей от поражения электрическим током при повреждении изоляции. К части подлежащей заземлению относится корпус электродвигателя. Он соединяется с искусственным (предназначенным исключительно для целей заземления) или естественным (находящимся в земле металлическим предметом иного назначения) заземлением. Безопасность находящегося внутри цеха персонала достигается не только контурным способом выполнения заземления, позволяющего уменьшить величину потенциала шага за счёт выравнивания потенциала по всей площади цеха, но и не проводящим электричество бетонным полом самого цеха. Внешний осмотр и измерение сопротивлений заземляющих устройств производятся при приёме в эксплуатацию, при перестановке оборудования и ремонте заземлителей и периодически в сроки, устанавливаемые Правилами устройства электроустановок. При внешнем осмотре проверяются (с предварительной раскопкой) элементы, находящиеся в грунте. Остальные элементы проверяются в пределах, доступных осмотру. Между заземляемыми объектами и заземлителями не должно быть обрывов и неудовлетворительных контактов.

.15 Защита от прикосновения к токоведущим частям

В электроустановках напряжением до 1000 В применение изолированных проводов уже обеспечивает достаточную защиту от напряжения при прикосновении к токоведущим частям, хотя прикосновение к ним всегда может быть опасно даже в сети с изолированной нейтралью, с хорошей изоляцией и малой ёмкостью. Состояние изоляции в значительной мере определяет степень безопасности эксплуатации установок, поскольку сопротивление изоляции в сетях с изолированной нейтралью определяет величину тока короткого замыкания на землю, а значит, и тока, проходящего через человека. В связи с этим периодически, в сроки, устанавливаемые Правилами устройства электроустановок необходимо проводить контроль изоляции - измерение её сопротивления для обнаружения дефектов и предупреждения замыканий на землю и коротких замыканий. Чтобы исключить возможность прикосновения или опасного приближения к изолированным токоведущим частям, необходимо обеспечить их недоступность посредством ограждения, блокировок расположения токоведущих частей на недоступной высоте. В электроустановках напряжением до 1000 В применяются сплошные ограждения в виде кожухов и крышек. Съёмные крышки, закреплённые болтами, не обеспечивают надёжной защиты, так как крышки снимаются, теряются или используются для других целей, вследствие чего токоведущие части остаются долгое время открытыми. Более надёжны крышки, укреплённые на шарнирах, запирающиеся на замок или запор, который открывается специальным ключом или инструментом. Механические блокировки, применяемые в электрических аппаратах, не позволяют открыть аппарат (снять крышку), когда он включен и, наоборот, включить аппарат при открытой (снятой) крышке. Расположение токоведущих частей в недоступном месте (например, вмонтировать их в фундамент) позволяет обеспечить безопасность без заграждений.

Заключение

После анализа технического задания на дипломное проектирование были выполнены следующие расчеты. Рассчитана нагрузочная диаграмма моментов для технологического цикла, был предварительно выбран типоразмер двигателя на основе рассчитанной нагрузочной диаграммы. Основываясь на технических показателях рабочей машины был произведен выбор системы электропривода для движения главного привода станка ИР500ПМФ4. После выбора двигателя и системы электропривода осуществлен расчет значений необходимых для дальнейших расчетов. При синтезе системы автоматического регулирования настроен регулятор контура скорости и тока (ПИ - регуляторы), были рассчитаны статические и динамические характеристики. Выбранная структура САУ была оптимизирована с целью обеспечения требуемых статических и динамических характеристик электропривода. Таким образом, исходя из полученных результатов было выяснено, что система соответствует заданным показателям.

Из анализа переходных процессов видно, что перерегулирование составляет, но при набросе 4%, при пуске быстродействие системы составляет , а при набросе нагрузки время регулирования составляет , число колебаний не превышает пяти как при пуске так и при набросе нагрузки, что является нормальным показателем. При анализе динамики видно что данная САУ являет устойчивой.

Если рассматривать экономические показатели то при модернизации увеличелось потребление электроэнергии но сократились затраты на амортизационные отчисления из-за увеличения срока службы.

Литература

1.       Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. В.А.Елисеева, А.В.Шинянского.-М.: Энергоатомиздат, 1983.-616с.

2.       Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ: Справочное пособие.-Горький:Волго-Вятское книжное издательство, 1989.-320с.

.         Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках.-М.: Энергия, 1979.-408с.

. Слежановский О.В. Системы подчиненного регулирования электропривода переменного тока вентельных преобразователей. М.:1983.

. Капунцов Ю.Д., Елесеев В.А. Электрооборудование и электропривод промышленных установок. Москва: Высшая школа 1979.

. В. Л. Анхимюк, О. Ф. Опейко, Н. Н. Михеев. Теория автоматического управления. -Мн. Дизайн ПРО. 2000 г.