metod_15.03.04_atppp_ep_ump_2016 (Методические документы)

МИНОБРНАУКИ РОССИИФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования«Московский технологический университет»МИРЭАСОГЛАСОВАНОУТВЕРЖДАЮУчебно-методический советДиректор Института информационныхИнститута информационных технологийтехнологий____________________«____» ______________ 2016 г.____________________А.С.

Зуев«____» ______________ 2016 г.Электропривод автоматизированногопроизводстваУчебно-методическое пособиеНаправление подготовки:15.03.04«Автоматизация технологических процессов и производств»Профиль подготовки:«Автоматизация технологических процессов и производств в промышленности»Составитель:Д.т.н., профессор Лизогуб В. А.Москва 20161Учебно-методическое пособие «Выбор электроприводов для оборудованияс ЧПУ» предназначено студентам, в качестве технического руководства привыполнении курсовых и дипломных проектов, для проведения лабораторных ипрактических работ, выполнения расчётно графических работ и выпускныхквалификационных работ с целью изучения и решения задач проектированияузлов приборостроительного и машиностроительного автоматизированногооборудования с электроприводами, в том числе станков и оборудования с ЧПУ.Пособие содержит анализ техники привода, выбор и расчёт элементовприводных узлов, включая редуктор и оптимизацию его передаточныхотношений, выбор электродвигателя, комплектного преобразователя и егосопровождающих силовых компонентов.Даны примеры расчетов параметров и выбора комплектногопреобразователя по допускаемой мощности регулируемого электродвигателя,реактивных дросселей на входе преобразователя и дросселей в цепяхподключения электродвигателя.Рассчитываются параметры управляемых блоков торможения идинамические режимы при позиционировании привода в заданных циклахработы оборудования.Выбираются структурные, функциональные схемы управления иподключения электропривода от УЧПУ.2ОглавлениеВведение1.

Назначение и особенности выбора электроприводов воборудовании с ЧПУ2. Проектные параметры электропривода2.1 Независимые проектные параметры2.2 Зависимые проектные параметры2.3 Проектные критерии для выбора ЭП3. Обзор техники электроприводов в оборудовании с ЧПУ3.1 Электропривода постоянного и переменного тока3.2 Преобразователи частоты и компоненты управленияприводов КЕВ4. Примеры выбора электроприводов для станкови оборудования с ЧПУ4.1 Выбор электропривода главного движениянамоточного станка НК-1,6-84.2 Выбор электропривода координатных осей манипулятораробототехнических комплексов5.

Каталог приводной и системной техники РФ, КЕВЗаключениеСписок использованных источников33445566669181821293334ВведениеВыбор электроприводов (ЭП), и систем их управления, выполняется потехническому заданию или техническим условиям, принятым для новыхпроектов, а так же в целях модернизации эксплуатируемого оборудования.Эти задачи определяются сначала, на этапах эскизного и техническогопроектирования, а в процессе рабочего проекта ведутся конструкторскиеразработки всех узлов в комплексе, что может вносить и определенныеизменения, при выборе входящих в них компонентов и систем их управления.При этом решающее значение для точности и производительностипроектируемого оборудования имеют как, достаточно обоснованный уровеньхарактеристик выбранных электродвигателей и элементов комплектныхпреобразователей (КП), так и оптимизация параметров редукторов.1 Назначение и особенности выбора электроприводов в оборудовании сЧПУИсточниками движения в автоматизированном оборудовании с ЧПУявляются приводы, предназначенные для регулируемого преобразованияэлектрической энергии в механическое движение: вращения валов, винтов,шпинделей, подач по линейным, круговым или угловым координатным осям[2,5].Электропривода обеспечивают отработку программируемых перемещений,скоростей и ускорений, с использованием датчиков контроля, типапреобразователей измерительных (ПИ).

По этой причине, комплекс «Системауправления–регулируемый преобразователь – электродвигатель – ПИ», вбольшей степени может быть представлена, как комплектный привод (КП).Применение ЭП и КП привело к упрощению конструкции узлов механикиприводов главного движения, подач, увеличению жесткости узлов, улучшениюих динамических характеристик, повышению общей производительности иточности станков и оборудования с ЧПУ [1,5,6].Главный привод, например, работает на оправку или патрон, с частотамивращения n от nmin до nн ≥ 3000 ~ 5000 об/мин, а также и до nmax ≥ 40000 об/миндля высокоскоростной обработки в диапазоне D = nmax ∕ nmin ≥ 50 [6].Такой диапазон необходим не только в технологии обработки материалов,но и в циклах смены частот вращения и ориентации патрона в токарномоборудовании, а также в циклах смены инструмента в многоцелевых станках.В приводах подач, суппортов, столов, а также манипуляторовробототехнических комплексов (МРК), используется следящий режим длядостижения установленной точности и производительности оборудования [7].Здесь реализуются изменения повышенных рабочих скоростей подач Vj ≥0,5 м/с, при движении по каждой из осей j в диапазоне D = Vjmax ∕ Vjmin ≥ 10000 снеобходимыми ускорениями aj до 0,5 ~ 2g м/с² и более (g = 9,8 м/с²).4Для достижения необходимой точности, и с повышенными скоростямирабочих подач, например, в намоточных и гибочных станках с ЧПУ, задаетсяуровень погрешности отработки контурных движений ∆sк ≤ 0,1мм.В этом случае, каждый привод из 3 ~ 5-ти координатных осей должениметь достаточно высокие показатели добротностей dj привода по скоростнымеvj и динамическим ошибкам еaj:а) скоростной добротности dvj= Vj ∕ еvj •10³ ≥ 25~35 1/с (еvj ≤ 0,05мм);б) динамической добротности daj = aj ∕ еaj •10³ ≥ 70~ 90 1/с² (еaj ≤ 0,08мм).В пособии даны примеры эскизно–технического проектирования привыборе ЭП в следующей форме и последовательности:- анализ технических условий работы узлов с ЭП,- расчетно – техническое обеспечение выходных данных и характеристик ЭП,- применение редуктора и оптимизации его передаточных чисел,- определение необходимых характеристик комплектного электропривода дляустановленных технических условий работы узлов с ЭП: редукторов,двигателей, регулирующих преобразователей, систем управления.2 Проектные параметры электроприводаПроектными параметрами ЭП и его системы автоматизированногоуправления являются независимые и зависимые переменные параметры, которыеопределяют конструкцию и характеристики привода и позволяют осуществлятьпроцесс оптимизации по выбранным проектным критериям.При выборе ЭП, и определении его параметров, например передаточныхчисел редуктора привода, возможна их оптимизация через целевую функцию ирациональный выбор iр, так как известна его нелинейная зависимость отстатической и инерционной нагрузки, к.п.д.

ηр редуктора [1].2.1 Независимые проектные параметрыК независимым проектным или взаимосвязанным параметрам относятся:1) Принятые нормы точности S станков или оборудования с ЧПУ.2) Статические и динамические моменты рабочих нагрузок в номинальныхрежимах Мн и необходимые коэффициенты перегрузки λп=Мmax/Мнноминального момента Мн, относительно максимального Мmax в режимахизменения скоростей Vj, с предельными ускорениями amax=Vj /t привода.3) Моменты инерции нагрузок Jн, с учетом их составляющих.4) Частоты вращения ω, диапазон Dmax их изменения в рабочих режимах отωmin до ωн ~ ωmax, Dmax = ωmax ∕ ωmin.5) Суммарные составляющие к.п.д.

ηр и передаточных чисел ip в редукторах«ЭП – нагрузка».6) Параметры времени достижения позиции tп в рабочих циклах, а такжепоказатели продолжительности включения ПВ и период времени циклаработы T0.52.2 Зависимые проектные параметрыК зависимым проектным параметрам относятся:1) Дискретности σj, координатных j осей, т.е. минимальный отсчетперемещения σj = 0,01; 0,001; 0,0001, др. в mm, угловых град.2) Параметры дополнительных элементов аппаратных комплектующих,активных и реактивных составляющих в силовых цепях: входныедроссельные фильтры L1, выходные дроссельные фильтры L2, резисторыторможения Rт, с мощностью Рт, и временем Т10 тормозного режима.2.3 Проектные критерии для выбора ЭППроектными критериями являются: нормы точностей позиционирования иперемещений, достигаемых параметров статической и динамическойнагрузок, скоростей в заданных диапазонах регулирования, допускаемыеограничения на передаваемые мощности, а также показатели ресурса,надежности, и производительности в заданных условиях эксплуатации.3 Обзор техники электроприводов в оборудовании с ЧПУОбзор характеристик, параметров и условий применения и эксплуатации этойтехники выполнен на основе каталогов производственных объединений РФ«Сервотехника», объединений «Германия – Беларусь» и зарубежных фирм:«Балт Систем», «СКБ ИС» (Санкт- Петербург), ЧЭМЗ (Челябинск), СМЗ(Савелово, Кимры), КЕВ, Cubler, Pinsensorin (Германия), Samick (Южная Корея),CTS, Motorvario, Elte, AECO (Италия), Ruchservomotor (Германия – Беларусь),Gudel (Щвейцария), M-Drive, Delta Tau США) и др.

[6] (см. таблицы 1, 2, … ,12).3.1 Электропривода постоянного и переменного тока3.1.1 Электропривода постоянного токаРегулирование ω в приводах главного движения с двигателями постоянноготока (ДПТ) станков и оборудования с ЧПУ, в период до конца 90-х г.,осуществлялось в 2-х зонах: в 1-й, преобразованием напряжения якоря (ПНЯ)Uя, и во 2-й, по внешнему возбуждению (ПНВ) Uв (рис. 1а).IIIа)UcяПНЯUя М UвДПТПНВб)6UсвRртR pcКТСUзтКТТRcРСUзтRтUуРТКвоUя1R э(Тэ р+1)IяСФJприв*рRостR occДатчик токаУзелт окоо гран ичен.ТГв)Рисунок 1 - Двух зонное регулирование частоты вращения ω для ДПТ главногопривода и схемы преобразователей управления в различных режимахзависимости от момента нагрузки М и передаваемой мощности Р: а) до ωnom спостоянным моментом М=const в зоне I, от ωnom с постоянной мощностьюР=const в зоне II; б) схема преобразователей напряжения ПНЯ и ПНВ натиристорах для ДПТ, например ЭПУ2Д; в) структурная схема регулятора ωтипа ЭПУ2М для якорной цепи управления ПНЯ с пропорционально интегральными усилителями в контурах тока (ускорения) и скорости.Преобразователи ω (М, Iв) строились на двух принципах: 1) для главногодвижения, применялись 3-х фазные ПНЯ якоря Uся и преобразователи ПНВвозбуждения Uсв (рис.1.б); 2) для приводов подач, только с 3-х фазным ПНЯ, ивысоко моментными двигателями типа ПБВ, ДПМ, БИ, и др.

(рис.1.в).Параметры частот вращения n(М, Фв), моменты М, мощность P и другие,могут определяться, по уравнениям (1), (2), (3), …. , (10):n =Uя/Сe – Iя•Rя/СeКо = Uя/Сe – М •Rя/Сe •См •Ко = nхх –∆n;(1)n1= n/iр - частота вращения на выходном валу редуктора ;(2)М = См • Iя =Км • Фв • Iя - момент на валу ДПТ;(3)М1 = М• iр - момент на выходном валу редуктора;(4)P = М• n - мощность на валу ДПТ;(5)P1 = P • ηр - мощность на выходном валу редуктора;(6)P0 = P/ • ηр • ηпн - мощность на входе преобразователя;(7)ηпн – к.п.д. преобразователей напряжения ПНЯ, ПНВ;(8)ηр – к.п.д. редукторов в нагрузке ДПТ;(9)где Iя – ток в якорной обмотке (А);Rя – активное сопротивление якорной цепи (ом);Ко – коэффициент общего усиления в замкнутой системе регулирования n;nхх – частота вращения холостого хода, с изменением ∆n при нагрузке;Сe = Ке•Iв – коэффициент, учитывающий конструктивные параметры Ке ДПТи зависимость магнитного потока Фв от тока в обмотке возбуждения Iв (А);См=Км•Iв – коэффициент, учитывающий конструктивные и обмоточныепараметры Км ДПТ и зависимость момента М(Нм) от тока в обмоткевозбуждения Iв (А).Входная мощность P1 подаваемая на ДПТ, например главного движения,относительно выходной на валу редуктора Р определяется с учетом к.п.д.двигателя ДПД и редуктораP1 = Uя• Iя + Uв • Iв = Р/ηд • ηр ,(10)7где ηд – к.п.д.