Автоматизация станка с ЧПУ

     Особенностью  работы шагового двигателя является широкий диапазон

регулирования скорости вращения путем изменения  частоты подачи управляющих импульсов  тока на соответствующие обмотки  управления. Таким же образом осуществляют фиксированную остановку, пуск и  изменение направления вращения. В зависимости от частоты управляющих импульсов различают следующие режимы работы шаговых двигателей: статический, квазистационарный, установившийся и переходный [2].

     Статический режим – это наличие в обмотке управления постоянного

тока, создающего неподвижное поле. Ротор при этом занимает фиксированное положение.

     Квазистационарный режим – это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы от предыдущего такта коммутации полностью затухли и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю. Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

     Он  используется в стартстопных, лентопротяжных и других механизмах, в которых  требуется фиксация ротора после  каждого шага.

     Установившийся  режим – это режим, соответствующий постоянной

частоте управляющих импульсов. Ротор имеет  постоянную скорость вращения.

     Переходные  режимы – основные эксплуатационные режимы шаговых

двигателей, включающие в себя пуск, торможение, реверс, переход с одной

частоты на другую. Пуск шагового двигателя осуществляется из неподвижного положения ротора, которое он занимает при установившихся значениях токов в обмотках, путем скачкообразного увеличения частоты управляющих импульсов от нуля до рабочей. Торможение шагового двигателя осуществляется скачкообразным снижением частоты управляющих импульсов от рабочего значения до нуля. Реверс шагового двигателя производится путем изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего к изменению направления вращения магнитного поля на обратное. Основным требованием, предъявляемым к шаговым двигателям в переходных режимах, является сохранение синхронизма при изменении частоты управляющих импульсов – отсутствие потери шага.

     Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при  подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага.

     Основными характеристиками шагового двигателя  являются: шаг, предельная механическая характеристика и частота приемистости.

     Предельная  механическая характеристика – это  зависимость допустимого момента  сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы (рисунок 1.4). С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю.

     

Рисунок 1.4 Предельная механическая характеристика шагового двигателя

     Для каждого шагового двигателя существует некоторая предельная

частота подачи управляющих импульсов fпр , при которой ротор еще следует

за скачкообразным, изменяющимся полем статора. Эту  частоту называют

частотой приемистости. Этот параметр характеризует пусковые свойства

двигателя - максимальную частоту управляющих  импульсов, при которой

возможен  пуск без выпадения из синхронизма. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления (рисунок 1.5).

     

Рисунок 1.5 Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

4. Описание  объекта управления

     В качестве объекта управления задан бесконтактный двигатель постоянного тока ДБН-100.

Технические данные двигателя сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

5. Анализ  целей управления

     Разрабатываемое устройство должно обеспечивать синхронное вращение заготовки и резца.

     Для того чтобы обеспечить синхронное вращение двигателей, необходимо управлять временем подачи управляющих импульсов на транзисторные ключи для регулирования частоты вращения БДПТ. Чем больше частота управляющих импульсов, тем выше скорость вращения. Т.е. чтобы синхронизировать скорости вращения заготовки и фрезы, необходимо отслеживать угол поворота заготовки и поворачивать БДПТ на тот же угол. 
 
 

2. Обзорный  анализ существующих аналогов СУ

     На  сегодняшний день благодаря выдающимся достижениям в области техники  и технологии повышаются требования к качеству продукции. Каждое предприятие металлообрабатывающей отрасли должно иметь высокопроизводительное металлообрабатывающее оборудование, отвечающее современным требованиям.

     В металлообработке фрезерные станки предназначаются для выполнения различного вида фрезерных работ: сверления, развертывания, растачивания отверстий в деталях из черных, цветных, высокопрочных металлов и сплавов. Как правило, фрезерные станки используются для фрезерования горизонтальных, вертикальных, наклонных плоскостей, обработки пазов. Новейшие фрезерные станки отличаются высокой точностью, и с большим успехом используются для работ любой сложности.

     Фрезерные станки с ЧПУ представляют собой такое оборудование, на котором стол с заготовкой перемещается автоматически. На этих станках также автоматически изменяется и поддерживается скорость шпинделя. Станки с ЧПУ необходимы для обработки деталей, имеющих трёхмерные поверхности. К примеру, на таких станках изготавливаются лопасти воздушных винтов или турбинные лопатки. Металлообработка, осуществляемая данным металлообрабатывающим оборудованием, отличается высокой точностью. На станках с ЧПУ можно организовать серийный выпуск различных деталей.

Фрезерный станок с ЧПУ XK7130

     Вертикально-фрезерные  станки серии XK предназначены для  выполнения всех видов фрезерных работ, сверления, зенкерования и растачивания отверстий деталей из черных, цветных и высокопрочных металлов и сплавов в условиях единичного и мелкосерийного производства. Оснащен системой ЧПУ FANUC, автоматической системой смазки, имеет возможность плавного изменения частоты вращения шпинделя. По техническим характеристикам данные станки имеют лучшее соотношение цена-качество среди оборудования подобного класса.

     Применяется на машиностроительных и станкостроительных предприятиях, а также, благодаря небольшим размерам и универсальности на любых участках механообработки.

Токарно-фрезерный  станок с программным управлением  мод.  «ТФП-1000»

      Станок предназначен для изготовления из древесины тел вращения типа балясин, содержащих винтовые и другие сложные поверхности, нанесение на них высокохудожественной резьбы.

      Станок эффективен в условиях предприятий с гибкой номенклатурой продукции для производства элементов интерьера, лестниц, индивидуального дома, коттеджа.

      Станок основан на принципе фрезерования древесины. Этот принцип широко применяется и вытесняет традиционную схему токарной обработки резцом. В отличие от данной схемы, где вращается только заготовка, обработка фрезой увеличивает производительность и дает новые технологические возможности.

      Формообразование заготовки производится по программе обработкой концевой фрезой при непрерывном вращении заготовки. Обработка винтовых и других сложных поверхностей производится концевой фрезой при программном вращении заготовки.

     ^{Фрезерные станки с ЧПУ очень удобны в эксплуатации, благодаря своей огромной многофункциональности они завоевали очень хорошие отзывы потребителей. Фрезерные станки очень сильно помогают различным производителям, во всех уголках планеты добиваться очень хороших результатов в различных областях металлообрабатывающей промышленности.}

3. Построение  структурной схемы  СУ

     Принцип действия системы автоматического  управления приводом резца лабораторного  фрезерного станка основан на обеспечении синхронности вращения заготовки и резца, который приводится в движение бесконтактным двигателем постоянного тока. Структурная схема проектируемой системы представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Структурная схема проектируемой СУ

      В структурной схеме приняты следующие обозначения:

МкК - микроконтроллер;

Э – оптический энкодер;

УС – устройство сопряжения с силовой частью;

ТК – транзисторный ключ;

УВ – устройство ввода;

ДБН – бесконтактный  двигатель постоянного тока;

ДПР – датчик положения ротора;

ЖКИ – устройство вывода (жидкокристаллический индикатор).                                                                                     

      Основным  функциональным блоком  является блок микроконтроллера, который обрабатывает поступающую информацию с блока  энкодера и датчиков положения ротора, и формирует импульсы управления в соответствии с заданным алгоритмом, которые через устройство сопряжения поступают на транзисторные ключи.

      Оптический  энкодер предназначен для определения  угла поворота и частоты вращения заготовки, он передают соответствующую информацию на блок микроконтроллера для дальнейшей её обработки.

      Датчики положения ротора предназначены  для определения положения ротора двигателя, вращающего фрезу.

      Устройство  сопряжения с силовой частью  предназначено для гальванической развязки цифровой и силовой части схемы.

      Транзисторные ключи предназначены для усиления проходящего через них сигнала  и  подачи этого сигнала на обмотки  двигателя.

      Устройство  ввода предназначено для сброса микроконтроллера.

      Устройство  вывода представляет собой жидкокристаллический модуль, предназначенный для отображения информации о частоте вращения заготовки и фрезы.

       Работа  устройства вывода, а также всей системы в целом координируется микроконтроллером. 
 
 
 
 
 
 

4. Проектирование  принципиальной схемы СУ

     Основываясь на структурной схеме микропроцессорного устройства, а также исходя из выбранных  компонентов, была разработана принципиальная схема системы управления приводом резца лабораторного фрезерного станка. Принципиальная схема представлена в приложении А.

1. Выбор управляющего микроконтроллера

1. Основные  требования к микроконтроллеру

     Как было сказано выше, микроконтроллер  является основой разрабатываемого устройства.

     Для подключения основных элементов схемы требуется 14 выводов микроконтроллера, то есть для подключения оптического энкодера требуется 2 вывода, для жидкокристаллического дисплея – 6 выводов,3 вывода – для датчиков положения ротора и по одному выводу ШИМ для каждого силового ключа. Таким образом, микроконтроллер должен обладать как минимум 14 портами ввода/вывода, иметь 3 зависимых встроенных блока ШИМ, и содержать один или несколько блоков энкодера.