Расчет автоматизированного электропривода

      Техническое задание

      Разработать следящий электропривод механизма  подачи металлорежущего станка с  числовым программным управлением, удовлетворяющего заданным техническим условиям и требованиям.

      Кинематическая  схема механизма подачи.

      Рисунок 1 - Кинематическая схема механизма подачи.

      1 - электродвигатель;

      2 - муфта;

      3 - редуктор;

      4 - ходовой винт;

      5 - гайка качения;

      6 - перемещаемый груз.

      Параметры механизма подачи:

      1в  =1000 - длина ходового винта, (мм);

      dв =56 - средний диаметр резьбы винта, (мм):

      tв =10 - шаг резьбы винта на оборот, (мм);

      hм =0.85 - к.п.д. механизма;

      ip =1 - передаточное число редуктора;

      hp =0.97 - к.п.д. редуктора;

      Fпод = 905 - усилие подачи перемещаемого суппорта, (Н).

      Силовая схема: Встречно-параллельная мостовая схема выпрямления с раздельным управлением вентилями.

 

      

      Введение

      На  современном этапе технического развития возрастает роль автоматизированного электропривода, который в значительной степени стал определять прогресс в развитии техники и технологий, связанных с воспроизводством механических движений. Многообразие технологических требований к характеру и качеству механических движений обеспечило прогресс в развитии теории и практики ЭП и привело к большому разнообразию систем электропривода, одной из которых является следящий электропривод. С помощью такого привода воспроизводится перемещение исполнительного механизма в соответствии с произвольно изменяющимся задающим сигналом.

      Электроприводы  механизмов подач, а также возможно и главного движения металлорежущих станков и промышленных роботов реализуются в общем случае как следящие системы, предназначенные для воспроизведения механизмами заданного произвольно изменяющегося движения. Современный следящий электропривод представляет собой сложную многоконтурную систему автоматического регулирования, замкнутую по положению. Следящая часть приводов механизмов станков и роботов с ЧПУ реализуется аппаратными и программными способами. Аппаратными способами реализуются устройства питания и оцифровки датчиков пути, цифроаналоговые и аналогово-цифровые преобразователи. Программно, в случае применения устройств ЧПУ, выполняется регулятор положения.

      В данном курсовом проекте рассматривается  проектирование следящего электропривода по положению механизма подачи с числовым программным управлением.

 

1 Выбор и анализ  функциональной схемы  СЭП

      Функциональная  схема СЭП состоит из двух частей: РЭП и следящая часть системы.

Рисунок 2 - Схема следящей части привода. 

      Силовая часть привода состоит из следующих  частей: двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, со встроенным тахогенератором, сглаживающим цифровой датчик положения; цифро-аналоговый преобразователь; микропроцессор; память ОЗУ и ПЗУ; интерфейс связи со станком.

      Аппаратная  часть состоит из следующих блоков;

      SB - 455 - блок питания датчиков, формирующий три выходных сигнала: синусное и косинусное напряжения питания и опорные импульсы, относительно которых производится отсчет фазы измерительного сигнала датчика. Все три сигнала имеют частоту 2.5 кГц.

      SB - 453 - генератор, предназначенный для выработки двух опорных сигналов для субблока оцифровки датчиков частотой 512.5 МГц.

      SB - 449 - субблок цифро-аналоговых преобразователей, который предназначен для преобразования поступающего на него числа в двоичном коде, пропорционального или равного рассогласованию напряжения постоянного тока в диапазоне ±10В, которое является задающим напряжением для РЭП;

      SB - 457 - субблок оцифровки датчиков  обратной связи по положению.  Представляет в цифровом коде  фазовую разность записывающим  и измеряемым сигналами датчика.

 

2 Выбор структуры  САУ СЭП

      Структурная схема САУ СЭП представляет собой  замкнутую трехконтурную систему  автоматического управления подчиненного регулирования.

Рисунок 3 - Схема САУ СЭП.

      РЭП состоит из электрической ЭС и  механической Ml систем. Данная структурная схема позволяет исследовать переходные процессы при ступенчатом, линейно нарастающем и гармоническом входных воздействиях.

      Задача  синтеза САУ СЭП заключается  в задаче динамического синтеза, под которой понимается определение параметров элементов, обеспечивающих требуемые динамические свойства системы. В случаях, когда заданы структурная схема САУ и параметры СЭП, задача сводится к определению корректирующих цепей. Эта задача не является однозначной, поэтому важен выбор метода расчета, который бы обладал простотой и наглядностью, позволял бы рассмотреть несколько вариантов. Этим требованиям соответствуют методы расчета САУ, основанные на использовании ЛАЧХ системы. Один из таких методов - настройка приводов по методике Поздеева. 
 

      3 Расчет параметров  кинематической цепи  механизма подачи. Выбор электродвигателя 

      Момент  на винте от силы резания определим  по формуле

                                                (1)

где F_под - усилие подачи, Н;

      h_Р  - к.п.д. редуктора;

      h_М - к.п-д. механизма.

      Номинальный момент двигателя:

                                                    (2)

      Момент  от силы трения в направляющих определяется по формуле:

                                                (3)

     Масса перемещаемого суппорта:

,                                                 (4)

где k_ТР – коэффициент трения, k_ТР=0,05;

       g – ускорение свободного падения, м/с².

      Максимальная линейная  скорость при быстрых перемещениях:

,                                                 (5)

где - максимальная рабочая скорость двигателя, рад/с.

     Максимальная  скорость при рабочей подаче определяется по формуле:

,                                                (6)

      Максимальная  скорость вращения вала двигателя при  рабочей подаче определяется:

,                                                 (7)

      Минимальная скорость определяется по формуле:

,                                               (8)

где -диапазон регулирования скорости вращения, для станков с ЧПУ .

      Момент  сопротивления сухого трения на валу второй массы:

      - при рабочей подаче:

                                                 (9)

      - при быстрых перемещениях:

                                                             (10)

      Момент  инерции ходового винта определяется по формуле:

                                                                    (11)

где d_В – средний диаметр резьбы винта, м;

      m_В - масса ходового винта, кг

                                                    (12)

где d - средний диаметр резьбы винта, м;

      r_В - плотность материала, кг/м³.

      Момент  инерции первой массы двухмассовой механической системы:

                                                  (13)

      Момент  инерции второй массы:

                                          (14)

      Суммарный эквивалентный момент инерции:

                                                  (15)

      Эквивалентную угловую жесткость механизма находим по формуле:

                                                  (16)

где - эквивалентная осевая жесткость механизма, Н/м.

      Частота резонансных колебаний двухмассовой системы:

                                           (17)

      Коэффициент передачи механизма

                                                        (18)

      Коэффициент внутреннего вязкого трения найдем как

                                               (19)

      Полоса  пропускания СЭП равна

                                        (20)

Определим:

      - момент на винте от силы  резания по формуле (1)

      Мпод=(905·0,01)/(2·3,14·1·0,97·0,95)=1,747 Н·м,

      - номинальный момент двигателя  по формуле (2)

      Мном=Мпод/0,8=2,18 Н·м,

      По  полученному значению момента выбираем электродвигатель К7707. Параметры двигателя  приведены в таблице 1.

      - момент от силы трения в  направляющих по формуле (3)

      Мтр=(0,1-0,2)Мн=(0,1-0,2)·2,18=0,436 Н·м,

     - масса перемещаемого суппорта  по формуле (4)

     m=(0,436·1·0,97·0,85)/(9,81·0,05·0,01)=73,28 кг,

      - максимальную линейную скорость  при быстрых перемещениях по  формуле (5)

      Vмакс=1500·0,01/1=15м/с,

      - максимальную линейную скорость при рабочей подаче по формуле (6)

 м/с,

- максимальную  скорость вращения вала двигателя  по формуле (7)

wmax=3·1/0.01=300 рад/с

      - минимальную скорость по формуле  (8)

      Vmin=300/10000=0.03 v/c

      Таблица 1 – Параметры электродвигателя 2ПН90LУХЛ4

 

      - момент сопротивления сухого  трения на валу второй массы:

• при рабочей подаче по формуле (9)

Мс=Мпод+Мтр=1,747+0,436=2,183 Н·м

• при быстрых перемещениях по формуле (10)
• Мс2=Мтр=0,436 Н·м