Чёсов Ю.С. Птицын С.В. Автоматизированный привод металлообрабатывающего оборудования - файл n1.rtf

Чёсов Ю.С. Птицын С.В. Автоматизированный привод металлообрабатывающего оборудования
скачать (27483.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.rtf27484kb.21.10.2012 18:30скачать

n1.rtf

  1   2   3
Министерство образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




621.9 № 2439

А 224

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ

ПРИВОД МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩЕГО

ОБОРУДОВАНИЯ


Справочно-методическое пособие

для студентов МТФ специальностей


120100, 120200 и 210200

всех форм обучения

НОВОСИБИРСК

2003

УДК 621.9.06-59

А 224

Составили: канд. техн. наук, доц. Ю.С. Чёсов,

доц. С.В. Птицын

Рецензент канд. техн. наук, доц. В.В. Иванцивский


Работа подготовлена кафедрой


проектирования технологических машин


Новосибирский государственный

технический университет, 2003


ОГЛАВЛЕНИЕ



Стр.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 4

2. ПРИВОД ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ 15

3. ПРИВОД ПОДАЧИ 35

ЛИТЕРАТУРА 43
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Анализ технической литературы, информации рекламных проспектов и каталогов ведущих отечественных и зарубежных фирм показывает, что наряду с такими генеральными и неизменными в течение многих лет тенденциями развития мирового станкостроения, как повышение производительности, точности и расширение функциональных возможностей металлообрабатывающего оборудования, на первые роли по значимости в настоящее время выходят две наиболее актуальные и важные проблемы:

Основным видом технологического оборудования при реализации задач первого направления развития остаются, как и прежде, станки с числовым программным управлением (ЧПУ) и построенные на их базе многоцелевые станки, гибкие производственные системы и автоматизированные заводы. Естественно, что эффективность всех перечисленных систем зависит в первую очередь от технического уровня встроенного оборудования, т. е. собственно металлорежущих станков. С учетом смещения акцента в приоритетах развития в станках нового поколения наблюдается также тенденция повышения частоты вращения шпинделя от 5000...6000 мин –1 до 30000 и даже 60000 мин –1 с увеличением скорости резания для оборудования среднего типоразмера до 10000 м/мин.

Это подтверждается и демонстрацией новейших образцов металлообрабатывающего оборудования, представленных на международных машино- и станкостроительных выставках последних лет. Причем неизбежный рост требований к качеству выпускаемой продукции настоятельно диктует потребность в дальнейшем совершенствовании и внедрении высокоскоростных процессов резания и ставит на повестку дня проектирование шпиндельных узлов (ШУ) с частотой вращения до 100000 мин –1 и более, а также приводов подач, обеспечивающих скорость перемещения исполнительных органов до 60 м/мин.

В свою очередь реализация указанных требований при создании перспективного и конкурентоспособного металлообрабатывающего оборудования практически невозможна без применения автоматизированного электропривода (АЭП) – основного на данный момент средства при преобразовании электрической энергии в механическую работу различных узлов станка. В настоящее время ими оснащают не только привод главного движения, но и приводы подач и вспомогательных перемещений исполнительных органов.

В общем случае АЭП строятся на базе регулируемых электродвигателей постоянного либо переменного тока (как правило, асинхронных). Не касаясь пока специфики физических основ регулирования, архитектуры, функционального назначения и технических характеристик конкретных типов АЭП и их модификаций, отметим, что они по сравнению с обычными (нерегулируемыми) электроприводами обладают следующими неоспоримыми достоинствами:

Несмотря на то, что эти электроприводы, конечно же, имеют более высокую стоимость по сравнению с традиционными приводами, их применение, и не только в станкостроении, экономически оправдано. Эффект достигается благодаря повышению, и в некоторых случаях достаточно значительному, производительности процесса обработки за счет обеспечения наиболее рационального режима резания, настройки и переключения скоростей движения исполнительных органов на ходу станка, осуществления холостых перемещений узлов (блоков) на более высоком уровне скоростей, оптимальности условий обработки ступенчатых поверхностей валов (поддержание постоянства скорости резания при изменении диаметра детали).

Следует отметить, что в электродвигателях постоянного и переменного тока чаще всего используется так называемое двухзонное регулирование скорости (рис. 1). Отличительной особенностью таких двигателей является способность поддержания постоянства крутящего момента при изменении частоты вращения вала от некоторого минимума – до номинального значения – (первая зона) и постоянства уровня мощности при дальнейшем повышении частоты вплоть до максимальной – (вторая зона). А общий диапазон регулирования скорости равен

(1)

где и – соответственно диапазоны регулирования с постоянным моментом и мощностью.

У электродвигателей постоянного тока двухзонное регулирование реализуется в большинстве случаев двумя способами: от до – путем варьирования подводимого напряжения к цепи якоря, а от номинальной до – за счет изменения поля возбуждения (магнитного потока).

В асинхронных электродвигателях частота вращения определяется известной зависимостью [10]

(2)

где n – асинхронная частота вращения (фактическая частота вращения вала), мин –1; f – частота тока сети, Гц; P – число пар полюсов двигателя; – скольжение (для современных двигателей составляет примерно 0,02...0,05 – меньшие значения для электродвигателей большой мощности); n0 – синхронная частота (частота магнитного поля), мин-1.

Из выражения (2) следует, что скорость асинхронных двигателей можно регулировать в общем случае тремя разными способами: путем изменения числа пар полюсов, скольжения и частоты тока.

Регулирование за счет подключения пар полюсов давно и достаточно широко распространено в станкостроении. Однако оно априори является ступенчатым. На этой основе созданы так называемые многоскоростные электродвигатели (чаще всего двух- или трехскоростные), позволяющие получить дискретный ряд частот. В частности, при частоте промышленного тока 50 Гц стандартные значения синхронных частот (без учета скольжения) составляют последовательно 3000/1500/750 мин-1 и т.д.

А вот плавное регулирование скорости путем варьирования скольжения в принципе возможно. Его осуществляют посредством изменения сопротивления реостата, включенного в цепь фазного ротора двигателя: увеличивается наклон механической характеристики, и при постоянстве момента нагрузки возрастает скольжение. Однако весьма серьезный недостаток этого вида регулирования – низкая экономическая эффективность.

Наиболее прогрессивным, совершенным и в то же время перспективным способом реализации плавного регулирования скорости асинхронных электродвигателей, получившим на данный момент широчайшее распространение в самых различных отраслях промышленности, является последний – путем изменения частоты питающего тока, для чего они оснащаются специальной преобразовательной аппаратурой. Это так называемые асинхронные электродвигатели с частотным регулированием скорости. У большинства моделей этих двигателей, например с двумя парами полюсов, устойчивая работа начинается с частоты тока порядка 0,5...1,0 Гц (мин –1). В интервале до
50 Гц (мин –1) обеспечивается режим с а при последующем росте частоты (в некоторых случаях до 400 Гц и более, соответственно мин –1) – зона регулирования с

Необходимо подчеркнуть, что наличие двух зон регулирования скорости у двигателей современных моделей придает им весьма ценное качество: универсальность в плане практического использования. Поэтому они применяются не только для актуальных нужд станкостроения, но и для решения многообразных задач промышленного производства в целом.

Обращаем особое внимание на еще одно важное обстоятельство. Выбор электродвигателя (или АЭП) для конкретного типа привода технологического оборудования, а также определение целесообразности использования одной из двух или же обеих зон регулирования в обязательном порядке должен базироваться, помимо прочего, на учете специфики функционального назначения и условий эксплуатации механизма.

Так, например, главным требованием, которое предъявляется к электродвигателю привода подач металлорежущего оборудования, есть прежде всего его способность изменения частот вращения в широком диапазоне с обеспечением постоянства предельно допустимого крутящего момента. Очевидно, что по данному критерию несомненный приоритет в нагрузочной характеристике двигателя должен быть отдан зоне работы с У современных электроприводов разных типов, моделей и серий ведущих отечественных и зарубежных фирм диапазон колеблется в интервале от десятков до нескольких тысяч (высокомоментные двигатели постоянного тока). Это позволяет существенно упростить кинематику, а следовательно, и конструкцию привода подач станков с ЧПУ. В тех случаях, когда соизмерим или перекрывает необходимый диапазон регулирования скорости движения исполнительного органа, появляется возможность исключить из кинематической цепи не только коробку передач, но даже простейший редуктор и связать непосредственно вал двигателя с ходовым винтом тягового устройства привода. Аналогичный по сути режим нагружения характерен и для многих типовых приводов технологического оборудования других отраслей промышленности, в частности пищевой.

Что касается привода главного движения, то при использовании АЭП возможны несколько вариантов его структуры. Но прежде всего отметим, что здесь при выборе двигателя АЭП в отличие от привода подач основной акцент смещается на зону его нагрузочной характеристики с , т. е. на интервал частот вращения с поддержанием постоянной максимально допустимой мощности. Для современных электродвигателей постоянного и переменного тока диапазон с составляет в среднем 4...6, хотя есть модели и с большим значением .

Если при проектировании станка закладывается жесткая необходимость в выполнении всех технологических операций с использованием полной мощности привода, то все зависит от соотношения диапазонов регулирования скорости привода и принятого двигателя .

При можно получить идеально простую кинематическую структуру привода, кода вал электродвигателя (посредством муфты или ременной передачи) соединяется напрямую со шпинделем: так называемый мотор-шпиндель.

В противном случае возникает потребность в двух-, трех- или четырехступенчатой коробке скоростей

(3)

где – диапазон регулирования коробки скоростей (передач).

В таком конструктивном варианте двигатель является, по существу, основной группой, а остальные группы передач коробки скоростей – переборными, расширяющими диапазон регулирования привода в целом. Причем промышленность для этой цели выпускает специальные унифицированные автоматические коробки передач (АКП или АКС) на базе электромагнитных муфт [1, 8, 9]. Они имеют от четырех до восемнадцати ступеней скорости со знаменателями ряда 1,25…3,2.

Между тем, как показала многолетняя практика эксплуатации металлорежущих станков с универсальным характером выполняемых технологических операций, в нижней части диапазона регулирования фактически не реализуются режимы обработки, которые бы требовали полной мощности привода. К таким процессам, как правило, относятся развертывание, нарезание резьбы, зенкерование и т. п. Поэтому в станкостроении, достаточно искусственно, была применена так называемая расчетная частота вращения приводаnР.

Подобный методологический прием был впервые использован по отношению к станкам общего назначения со ступенчатым регулированием скорости шпинделя [5]

(4)

где nmin – минимальная частота вращения привода, мин –1; – общий диапазон регулирования привода; – показатель степени (меньшие значения соответствуют широко универсальному оборудованию).

Это позволяет без ущерба для надежности универсальных станков с широким диапазоном регулирования скорости снизить габариты и массу привода главного движения за счет сознательного ограничения при осуществлении расчетов значения предельного (номинального) крутящего момента на шпинделе. Причем его конструктивное исполнение не меняется, но общий диапазон регулирования условно разбивается на два: диапазон с поддержанием постоянства крутящего момента на шпинделе – (от одной четвертой до одной третьей части всего диапазона) и диапазон с передачей полной мощности привода – . Интервал значений показателя степени в выражении (4) был установлен на основе многочисленных статистических исследований условий эксплуатации металлообрабатывающих станков.

Однако наиболее объективным критерием определения значения nР может служить результат моделирования режимных условий обработки при реализации заданных технологических операций на стадии прогнозирования технических характеристик станка [4, 11]. В этом случае

(5)

где и – максимальные значения соответственно мощности (кВт) и крутящего момента (Н·м) на шпинделе, полученные при моделировании условий эксплуатации станка.

Следует отметить, что применение расчетной частоты вращения привода тогда вполне оправдано и очень успешно применяется при проектировании привода главного движения станков с ЧПУ на этапе кинематического расчета, учитывая, что в нем используются как раз электродвигатели с двухзонным регулированием. Причем здесь достигается весьма серьезный экономический эффект: не только за счет ограничения крутящего момента с соответствующим уменьшением габаритов и массы, но и в результате упрощения конструкции привода, что сопровождается еще более значительным снижением его металлоемкости.

Так, на рис. 2 показан один из вариантов привода главного движения с трехступенчатой коробкой скоростей.

Без применения при конструировании данного привода расчетной частоты, и это очевидно, коробка скоростей должна быть четырехступенчатой. В приведенном же варианте привода в поддиапазонах и наблюдается перекрытие скоростей. Что касается определения конкретного значения минимальной частоты вращения электродвигателя, практически используемого при эксплуатации станка, то следует иметь в виду, что оно должно обеспечить соответствующее значение минимальной частоты вращения привода с учетом принятой редукции кинематической цепи от двигателя до шпинделя: . Аналогично и в плане выбора конкретного значения максимальной частоты вращения двигателя: при функционировании станка можно использовать на практике не всю, а лишь часть нагрузочной характеристики с . Однако тут возможны различные варианты, поскольку многое зависит не только от соотношения значений максимальной частоты вращения двигателя и привода (требуемая редукция), но и соотношения величины их диапазонов с поддержанием постоянства уровня мощности (конструктивная сложность).

К электродвигателям приводов главного движения и подачи, помимо необходимых точности и диапазона регулирования, предъявляются также требования по обеспечению наиболее целесообразных динамических и статических режимов работы без перегрева двигателя.



б
Рис. 2. Привод главного движения станка с ЧПУ:

а – картина частот вращения;

б – нагрузочная характеристика привода

Эти требования достаточно легко реализуются в двигателях постоянного тока благодаря разработке специальных конструкций, удовлетворяющих задачам станкостроения. В настоящее время промышленность выпускает целую гамму двигателей этого типа различных моделей и серий, которые обладают спецификой принципа действия и технологическими возможностями.

В частности, среди хорошо адаптированных к особенностям режима нагружения привода главного движения станков с ЧПУ можно выделить, например, электродвигатель постоянного тока серии 4ПФ. В приводах же подач современных станков все более широкое распространение находят так называемые высокомоментные двигатели (серий 2ПБВ, ДПУ и других) со встроенными электромагнитным тормозным устройством, тахогенератором и измерительным преобразователем для контроля углового пути ротора. В двигателях этого типа магнитный поток создается специальными постоянными магнитами. К весьма ценным их достоинствам следует отнести то, что, во-первых, из-за отсутствия обмотки возбуждения и связанного с ней выделения теплоты можно резко уменьшить радиальные размеры машины и, во-вторых, им свойствен очень широкий диапазон регулирования скорости с постоянством крутящего момента на валу.

Однако нужно иметь в виду следующее. С появлением и развитием асинхронных электродвигателей с частотным регулированием скорости двигатели постоянного тока "проигрывают" в сравнении с первыми вследствие того, что они более тяжелые и дорогостоящие, обладают меньшим коэффициентом полезного действия и худшей перегрузочной способностью. Но основной их недостаток – наличие коллектора, который усложняет конструкцию, понижает его надежность и требует дополнительного обслуживания.

Поэтому применение двигателей постоянного тока в приводах главного движения станков с ЧПУ в последнее время существенно ограничено, но их достоинства (особенно высокомоментных) используются в приводах подач разнообразного технологического оборудования. При выборе электродвигателей постоянного тока рекомендуется литература [2, 3, 7].

АЭП переменного тока имеют более сложную структуру. Но перевод системы управления на микропроцессорную базу с реализацией цифрового и цифроаналогового управления и развитой системой диагностирования позволяет ведущим электротехническим фирмам создавать надежные АЭП с высокими энергетическими показателями, долговечностью работы (ресурс определяется сроком службы подшипников и обмотки) и степенью защиты от внешней среды, которые практически не требуют технического обслуживания.

Переход от использования АЭП постоянного тока к АЭП переменного тока обусловлен, в первую очередь, разработкой специальных электродвигателей (глубокорегулируемых, малоинерционных и высокоскоростных): синхронных и асинхронных – для механизмов подачи и асинхронных – для механизмов главного движения.

Причем в последнее время наметилась и получает все большее развитие вторая основная тенденция в серийном производстве АЭП главного движения: на базе не только специальных, но и стандартных асинхронных двигателей с диапазоном регулирования частоты вращения, равным обычно порядка 0,2...2,0 от ее номинального значения, и принудительным охлаждением.

И, наконец, коснемся еще одного важного вопроса. Кроме перегрузки, вторым основным фактором, во многом ограничивающим технологические возможности асинхронных машин, является их перегрев. Наименее теплостойкий материал конструкции двигателя – изоляция его обмотки. Очевидно, что по мере работы с номинальной (паспортной) мощностью на валу двигатель может нагреваться лишь до некоторой температуры, которую допускает принятый в нем вид изоляции (хлопчатобумажная, пропитанная изолирующими составами; органические синтетические пленки; стекловолокно, слюда, асбест, с органическими связующими и пропитывающими составами и т. д.). Разность температур двигателя и окружающей среды и есть перегрев.

Естественно, что степень перегрева электродвигателя очень сильно зависит от режима нагружения, который, в свою очередь, должен соответствовать условиям эксплуатации приводов металлообрабатывающего оборудования. Среди возможных вариантов режима работы двигателей можно выделить следующие, чаще всего реализуемые на практике:

продолжительный (непрерывный, длительный), когда время работы двигателя при неизменной внешней нагрузке вполне достаточно для достижения практически постоянной температуры всех его частей (режим стационарного теплообмена двигателя);

кратковременный, для которого короткие периоды нагрузки, когда температура еще не достигает установившегося значения, чередуются с периодами отключения такой длительности, что двигатель полностью остывает до температуры окружающей среды;

повторно-кратковременный, при котором чередование пуска и останова практически не оказывает влияния на повышение температуры отдельных частей двигателя;

перемежающийся, когда работа двигателя с нагрузкой чередуется с холостым ходом.

Понятно, что создание любых условий для протекания процессов охлаждения за счет пауз разной длительности на останов или холостой ход электродвигателя позволяет, пусть и в течение меньшего отрезка времени работы под нагрузкой, развивать на последних трех режимах более высокий (но неодинаковый для каждого из них) уровень мощности, нежели при непрерывном. Однако его можно еще повысить, если активизировать процесс теплоотвода путем дополнительного оснащения двигателя независимой вентиляцией для принудительного обдува воздухом.

Ниже приведена справочная информация о технических характеристиках, габаритных и присоединительных размерах элементов АЭП переменного тока отечественных и зарубежных фирм, применяемых в приводах главного движения и подачи станков с ЧПУ.

2. ПРИВОД ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ
В последнее время новосибирскими фирмами ИРБИС и ЭРАСИБ налажен выпуск электроприводов, которые предназначены для общепромышленного использования. Они обеспечивают двухзонное регулирование частоты вращения стандартных асинхронных электродвигателей серий 4А, АИР и других мощностью до 315 кВт. Несмотря на специфику конструктивного исполнения и технологические возможности преобразователей частоты (соответственно ИРБИ-8 и ЭРАТОН-М4), первая зона механической (нагрузочной) характеристики электроприводов (от 1,0 до 50 Гц) формируется с постоянством крутящего момента, а вторая (от 50 до 100 Гц) – с постоянством уровня мощности.
В частности, электроприводы ИРБИ-8 позволяют производить:

– функционирование в двух режимах нагружения: длительном и повторно-кратковременном;

– подключение двигателей или группы однотипных двигателей суммарной мощностью, равной 0,5...1,5 от рекомендуемой, при этом суммарный рабочий ток не должен превышать номинальный для данного типа электропривода;

– использование электроприводов с тахогенератором на валу двигателя или механизма для улучшения точности и динамических свойств;

– работу в режиме стабилизации частоты вращения при изменении нагрузки или стабилизации нагрузки путем изменения частоты;

– помимо естественной конвекции предусмотрен вариант с принудительным (независимым) охлаждением.

Технические характеристики системы управления ИРБИ-8 приведены в табл. 1, а габаритные и присоединительные размеры – на рис. 3.

Таблица 1


Тип электропривода

Номинальная мощность

двигателя,

кВт

Номинальный

ток, А

Габаритные размеры СУ (ширина, высота, глубина),

тип охлаждения

Масса,

кг

ИРБИ 81 – 1,5

1,5

5,0

390х292х215,

естественная

15

ИРБИ 81 – 2,2

2,2

6,1

– –

18

ИРБИ 81 – 3,0

3,0

8,0

390х350х240,

естественная

22

ИРБИ 81 – 4,0

4,0

11,0

– –

25

ИРБИ 81 – 5,5

5,5

14,0

390х390х240,

с вентиляц.


25

ИРБИ 81 – 7,5

7,5

18,0

– –

25

ИРБИ 81– 11,0

11,0

26,0

390х480х320,

с вентиляц.

35

ИРБИ 81 – 15,0

15,0

32,0

– –

35

ИРБИ 81 – 18,5

18,5

38,0

– –

35

ИРБИ 81 – 22,0

22,0

50,0

– –

60



Кроме уже отмеченного выше, к отличительным особенностям электроприводов ЭРАТОН-М4 можно отнести следующее:

– работа с электродвигателями специального назначения без какой-либо конструктивной доработки;


Рис. 3. Габаритные и присоединительные размеры для СУ ИРБИ-81:

аNДн = 1,5 и 2,2 кВт; бNДн = 3,0…22 кВт

– управление может осуществляться как с пульта управления, так и дистанционно.

Типовые механические характеристики электропривода ЭРАТОН-М4 для двигателя с самовентиляцией и с независимым (принудительным) охлаждением показаны на рис. 4, паспортные данные приведены в табл. 2, а внешний вид преобразователя – на рис. 5.




М/Мн

Мmax


1.0

0.5

0
2 n/nн

1

0.5


Рис. 4. Механические характеристики электропривода ЭРАТОН-М4

Таблица 2



Исполнение

Мощность электродвигателя, кВт

Габаритные размеры преобразователя, мм

Масса преобразователя, кг

Н

А

В

ЭРАТОН М4-2,2

2,2

405

340

285

15

ЭРАТОН М4-5,5

5,5

460

400

335

25

ЭРАТОН М4-7,5

7,5



850



500



450



75

ЭРАТОН М4-15

15

ЭРАТОН М4-18,5

18,5

ЭРАТОН М4-22

22
  1   2   3


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации