Курсовая работа: Розрахунок електроприводу головного руху вертикального сверлійно-фрезерно-росточного напівавтомата 243ВМФ

В курсовому проекті розробляється електропривод головного руху вертикального сверлійно-фрезерно-розточувального напівавтомата 243ВМФ. Верстат призначений для комплексної обробки заготовок невеликих і середніх розмірів при підході інструменту з одного боку . На верстаті можна проводити свердлення, зенкерування, цекування, чорнове і чистове розточування, напівчистове і чистове фрезерування і нарізування різьблення мітчиками . Верстат побудований на базі координатний - розточувального верстата і має клас точності В : забезпечує відхилення відстаней між осями оброблених отворів 0,016 мм, відхилення діаметру отворів 0,01 мм. Найбільший діаметр свердлення 25 мм, найбільший діаметр розточування 160 мм; розміри робочої поверхні столу (ширина Х довжина) 320Х560 мм; число інструментів в магазині 30; число частот обертання шпинделя 21; межі частот обертання шпинделя 40-2500 ; число ступенів подач 30; межі подач по координатах Х’,Y’,Z 3,15-2500 мм/мін; швидкість швидкого переміщення по осях координат X’,Y’,Z 3000мм/хв.; габаритні розміри верстата 1590 Х 1640 Х 2620 мм. Компоновка, основні механізми і рухи у верстаті. Верстат має вертикальну компоновку і показаний на листі графічної частини. На станині 1 закріплена стойка 2. У верхній частині стійки розміщений привід головного руху - обертання шпинделя і редуктор подач по координаті Z гільзи шпинделя. По тих, що вертикальним направляють в стійці переміщається головка, шпинделя, 4(настановне переміщення). На стійці укріплений магазин3,з якого автооператор переносить інструмент в шпиндель. Верстат оснащений хрестовим координатним столом 5.По що горизонтальним направляє станини переміщаються в поперечному напрямі санчата (подача по координаті Y’), а в подовжньому напрямі по тих, що направляють санчат - стіл (подача по координаті X’)[3].

Кінематика верстата показана на (рис.1). Головний рух шпиндель VII одержує від асинхронного електродвигуна М1 (Р=2.2 кВт; n=1430 ) через двох ремінної варіатор var, триступінчату коробку швидкостей і зубчато- ремінну передачу z=31-31.При відхиленні швидкості при заданою програмою тахогенератор BR дасть команду на включення асинхронного електродвигуна (Р=0.08 кВт; n=1390 ), який через зубчаті пари z=17-49,25-49 і гвинт XIII з кроком Р=5 мм змістить вісь рухомих дисків варіатора, що і зрадить його передавальне відношення. Варіатор забезпечує регулювання швидкості (1:4) усередині кожного з трьох діапазонів одержуваних перемиканням блоку Б1 і у муфти . При включенні муфти від електромагніту постійного струму Э1 одержують верхній діапазон обертання, оскільки рух з валу III на вал V передається через зубчато- ремінну передачу z=30-30, минувши знижуючи передачі. Два нижні діапазони шпиндель одержує при перемиканні блоку Б1 (муфта відключена ) двома електромагнітами постійного струму (на схемі не показано). Шпиндель верстата 8 (рис.2) розміщений в гільзі 7 на спеціальних високо точних підшипниках затиск інструменту походить від пакету тарілчастих пружин 3 що діють на інструмент за допомогою шомполу 2, сполученого з байонетним замком 1. Зусилля пружин регулюється гайкою 4.Зуб планки 5, взаємодіючи із зубчатим колесом 6, закріпленим на шомполі 2, перешкоджає випадковому повороту байонета. Що крутить момент від шпинделя до інструменту передається повідцями розташованого на торці шпинделя .

Привід обертання шомполу призначений для розтиснення і затискання байонетного замку шомполу з інструментом в крайньому верхньому положенні гільзи, а також для обертання інструменту у разі неспівпадання провідних шпонок інструменту і шпинделя під час автоматичної зміни інструменту. Привід шомполу здійснюється від асинхронного електродвигуна М3 (Р=0.25 кВт; n=2700 ) через черв'ячний редуктор z=1-30 при включеній муфті . Двигун включається по команді мікроперемикача, розташованого на магазині, тільки в положенні автооператора під шпинделем. Муфта - запобіжна .

Привід подач гільзи шпинделя і переміщення головки, шпинделя, здійснюється від електродвигуна постійного струму М4 (Р=0.37 кВт; n=3000 ).Гильза одержує переміщення через двоступінчатий редуктор z=20-40,z=16-48-40-48 і гвинт кочення XVIII з кроком Р=6 мм, який сполучений з повзуном переміщення гільзи . Для забезпечення самогальмування пари гвинт-гайка кочення при віджиманні інструменту служить гальмо.

Переміщення головки, шпинделя, здійснюється від шліцьового валу XVI через втулку XIX і при включеній муфті через черв'ячну пару z=1-34 (муфта запобіжна ) і рейкову передачу. Муфта включається від механізму затиску головки гільза і шпиндель синхронно . При відключенні головка, шпинделя, зупиняється, а шпиндель продовжує перемішатися здійснюючи робочу подачу . На валу XVII встановлений круговий фотоелектричний датчик з дискретністю 0,01мм, який здійснює контроль переміщень гільзи і головки, шпинделя .

Швидкість швидкого переміщення головки, шпинделя, визначиться з виразу

Головка і гільза зрівнянні противагами.

Позиціонування за заданою програмою здійснюється подовжнім переміщенням столу і поперечним переміщенням солазак від електродвигунів постійного струму відповідно М5 і М6 (Р=0,37 кВт; n=3000 ). Рух передається через зубчаті ремені z=23-49, дві зубчаті пари на червячно- рейкові передачі з модулем m=10 мм. Подовжня подача столу в загальному вигляді визначається з виразу

Вимірювальні гвинти відліково-вимірювальних систем кінематично зв’язаними з приводними черв'яками через колесо z=22 на приводному волу ХХХ подовжнього переміщення і z=30 на валу ХХIV . Відлікова вимірювальна система верстата замкнута з індуктивними і фотоелектричними датчиками . Розглянемо принцип її дії на прикладі відлікової системи столу. Точний гвинт-якір з прямокутним різьбленням ХХХIII індуктивного датчика ІД пов'язаний з переміщенням робочого органу через черв'ячно-рейкову передачу, вал ХХХ, конічні пари z=22-22, z=22-22, колеса диференціала z=40, z=50,z=108 і колесо z=106. Виникаючий при переміщенні сигнал роз узгодження сприймається блоком управління БУ, що дає команди електродвигуну М7 типу РД-09 (Р=0,01 кВт; n=1200 ). Двигун, зменшуючи сигнал розузгодження довертає гвинт-якір ХХХIII через передачу z=34-68, диференціал і колесо z=106 відлікового гвинта. Унаслідок зворотнього зв'язку гвинт-якір обертається синхронно руху робочого органу. Відлік кута повороту кута якоря проводиться круговим фотоелектричним датчиком ФД. Виникаючий у фотодіодах електричний струм перетвориться електронним пристроєм ВУ в імпульси сприймані лічильником імпульсів СІ. Шах імпульсів фотоелектричного датчика відповідає 0,001 мм переміщення робочого органу ( дискретність відліку). Лічильник імпульсів формує в числовому вигляді повну інформацію про величину переміщення робочого органу і управляє відповідно електродвигуном М5 приводу подач столу. Затиск головки, шпинделя, столу, санчат і гільзи здійснюється автоматично за програмою від асинхронних електродвигунів через ряд зубчатих передач (на схемі не показані).

Механізм автоматичної зміни інструменту складається з інструментального магазина і автооператора з приводом. Механізм зручно розташований для обслуговування, час зміни інструменту складає близько 5 с. Цикл зміни інструменту. Магазин під час обробки подає інструмент в позицію завантаження-вивантаження. Автооператор повертається, захоплює інструмент, виносить його з магазина і перекидає до положення, коли осі шпинделя і інструменту паралельні. Гільза і головка, шпинделя, переміщаються у верхнє положення контрольоване мікроперемикачами; шомпол віджимає інструмент, але він залишається поки в байонетном замку. Автооператор захоплює відпрацьований інструмент, у цей момент починає обертатися шомпол і інструмент звільняється із замку, автооператор рухом вниз витягує інструмент з шпинделя. Потім автооператор повертається на 180 і вставляє черговий інструмент в шпиндель. Далі автооператор здійснює всі рухи в зворотній послідовності, вставляючи відпрацьований інструмент в своє кубло. Одночасно відбувається затиск нового інструменту в шпинделі. Оскільки шомпол обертається, то зуб інструменту западає в байонет, а що ведуть виступи шпинделя - в пази інструментального облямовування. Інструмент фіксується в шпинделі, а шомпол замикає байонетний замок і зупиняється. Спеціальна схема контролю перевіряє положення інструменту в шпинделі. Магазин виконаний у вигляді барабана з втулками, в які встановлюють інструмент. Втулки оберігають хвостовики облямовувань від пилу і грязі. Облямовування кріпляться в магазині за допомогою пружин. З барабаном кінематично пов'язані три кодові диски, пелюстки яких проходять крізь прорізи безконтактних кінцевих вимикачів, закріплених на корпусі. Вихідні сигнали вимикачів, закодовані двійково-десятковому коді, забезпечують вибір позиції барабана, тобто кодується кубло магазина. Обертання магазина здійснюється від електродвигуна М8 (Р=0,18 кВт; n=2800 ) через черв'ячну передачу z=1-24, гвинт-вал XXX VII, зубчату пару z=51-34, передачі z=2-30, z=50-165, і вал XL, на якому розташований магазин. Рівняння кінематичного балансу запишемо з умови, що за один оборот гвинта-валу XXXVII магазин обернеться на 1 крок (1/30 обороту), оскільки в магазині 30 позицій: 51/34 2/30 50/165=1/30

При отриманні команди на пошук інструменту починає обертатися черв'ячне колесо z=24 з внутрішнім різьбленням. При цьому вал XXXVII переміщається уздовж своєї осі вліво або управо залежно від напряму обертання до тих пір, поки фіксатор 1 не вийде з подовжнього паза куркулька К1. При цьому гвинт-вал почне переміщатися в осьовому напрямі до тих пір, поки не спрацює мікроперемикач, що дає команду на зупинку електродвигуна. Автооператор за цикл зміни інструменту повинен виконати наступні рухи: поворот, осьове переміщення і перекидання. Від електродвигуна М9 (Р=0,12 кВт; n=2760 через черв'ячну пару z=-60, зубчаті пари z=20-30-157 одержує обертання вал XLIV з сидячими на ньому куркульками К2, К3, К4. На кожному кулачку дискового типа є замкнуті криві, що визначають переміщення автооператора. Від кулачка К2 за допомогою штовхача через вал-рейку XLV, рейкове колесо z=28 і зубчату пару z=59-36 автооператор повертається навколо центральної осі LII. Про т куркулька К3 через рейку і рейкове колесо z=27, вал XLVII, колеса z=67-67-46 одержує обертання порожнистий вал L, який за допомогою рейкового колеса z=46 переміщає рейку модулем m=1,5 і відповідно автооператор уздовж осі LII. Кулачок К4 через штовхач, рейку і рейкове колесо z=27, вал XLVIII і колеса z=31-43-43-58 здійснює поворот автооператора на 900 (перекидання).

1.2 Вимоги, що призначені до електроприводу механізму головного руху

Вимоги до електроприводів і систем управління верстатами визначаються технологією обробки конструктивними можливостями верстата і ріжучого інструменту. Основними технологічними вимогами є забезпечення: найширшого кола технологічних режимів обробки з використанням сучасного ріжучого інструменту; максимальної продуктивності; найбільшої точності обробки; високої чистоти оброблюваної поверхні; високого ступеня повторюваності розмірів деталей в оброблюваній партії (стабільності). [4]

Задоволення всім цим і іншим вимогам залежать від характеристик верстата і ріжучого інструменту, потужності головного приводу і електромеханічних властивостей приводів подач і систем управління. Потужність що розвивається при різанні, визначається швидкістю різання і зусиллям різання.

Для приводів головного руху найбільш раціональним є спосіб регулювання швидкості з постійною потужністю, оскільки великим швидкостям різання відповідають менші зусилля різання, а меншим швидкостям - великі зусилля.

Діапазон регулювання частоти обертання визначається межами швидкостей різання і діаметрів оброблюваних виробів. Це визначаться тим що на універсальних верстатах можуть оброблятися деталі з різних матеріалів і різних розмірів, зокрема різних діаметрів. Для обробки виробів однакових діаметрів з різних матеріалів необхідно забезпечити визначений діапазон регулювання швидкості різання.

У високо автоматизованих верстатах з числовим програмним управлінням (ЧПУ) функції, що виконуються електроприводом головного руху, значно ускладнені. Крім стабілізації частоти обертання, при силових режимах різання потрібний забезпечення режимів позиціонування шпінделя при автоматичній зміні інструменту і виробництві легких довбальних і стругальних робіт, а також можливість нарізування різьблення як мітчиками так і різцями. Це обов’язково веде до збільшення потрібного діапазону регулювання частоти обертання. Так, при необхідній точності позиціонування шпинделя 0,1 і максимальній частоті обертання двигуна 3000-5000 об./хв. Сумарний діапазон частоти обертання повинен бути не менше 10000.Електромеханічний спосіб регулювання швидкості (частоти обертання) для приводів головного руху є найбільш перспективним. Необхідний технологічний діапазон регулювання швидкості шпинделя з постійною швидкістю, рівний 20-50 при двох ступеневою коробкою швидкостей. На швидкостях нижче за номінальних регулювання здійснюється з постійним моментом. Таким чином, виходить двозначне регулювання швидкості. При невеликій потужності головного приводу застосовують однозначне регулювання швидкості з постійним моментом. Стабільність роботи приводу характеризується перепадом частоти обертання при зміні навантаження, напруги живлячої мережі, температури навколишнього повітря і т.п.[5]

Відмітною особливістю головного приводу для високо автоматизованих верстатів з ЧПУ є необхідність застосування реверсивного приводу навіть в тих випадках, коли за технологією обробки не потрібен реверс. Вимога забезпечення ефективного гальмування і під гальмування при знижені частоти обертання і режимом підтримки постійної швидкості різання приводить до необхідності застосування реверсивного приводу з метою отримання потрібної якості перехідних процесів.

У ряді свердлильний верстатів потрібний отримання високих частот обертання двигунів. У багатошпиндельних свердлильних верстатах, призначених для свердлення друкарської платні також потрібне отримання високих частот обертання 6-60000 об/хв. Отримання таких високих частот обертання можливо шляхом застосування ремінної передачі, що підвищує, від двигуна з частотою обертання 3000 об/хв. або високо швидкісних двигунів. У першому випадку використовуються короткозамкнуті АД з частотою живлення мережі 50 Гц. Таке рішення застосовується при потужності до 2-3 кВт і частоті обертання кола до 18 тис. об/хв. При застосуванні вказаного типа приводу на частоти обертання більше 20000 об/хв. виходить не сприятливе співвідношення діаметрів шківів на двигуні і шпинделі. Кут обхвату ременем шківа на шпинделі виявляється не достатнім для передачі необхідної потужності. Використання другого типа приводу з високо швидкісним двигуном - електрошпинделем, на валу якого крепеться ріжучий інструмент, дозволяє одержати найбільш раціональну конструкцію механізму головного руху. Проте тільки спрощення конструкції головного приводу не вирішує задачі істотного підвищення продуктивності праці і якості обробки на верстатах. До теперішнього часу в більшості верстатів для зміни частоти обертання кола мінявся електрошпиндель. На одному верстаті використовувалися до чотирьох змінних електрошпинделів з різними номінальними частотами обертання.

Застосування регульованого приводу з електрошпинделем дозволяє зберегти незмінною швидкість. забезпечується отримання оптимальних режимів шляхом регулювання швидкості різання.

1.3 Опис схеми електроприводу механізму головного руху верстата 243ВМФ2

Функціональна схема електропривода головного механізму верстата 243ВМФ2 показана на аркуші графічної частини.

Силова частина містить головний елемент «тиристорний перетворювач» (ТП). ТП підключається до живлячої мережі за допомогою трансформатора. Трансформатор називається таким, що «узгоджує» оскільки служить для узгодження змінної напруги мережі і постійної напруги двигуна . Окрім цього трансформатор обмежує струм короткого замикання і знижує швидкість зміни струму в тиристорах. Зменшує вплив мережі і інших джерел на роботу приводу.

ТП зібраний по схемі «трифазна нульова». При сумісному управлінні перша група тиристорів працює випрямлячами,а друга інвертором. У схемах з сумісним управлінням в групах тиристорів і трансформатора можливі зрівняльні струми які минувши навантаження можуть досягати небезпечних для тиристора значень,для їх обмеження включений зрівняльний дросель між груп тиристорів. Для захисту тиристорів використовуємо «запобіжник» - захист від струму і «RC-ланцюг»- від перенапруження. Запобіжники повинні бути швидкодіючі, плавкі, володіючі струмообмежувальною дією. Струмогодинна захисна характеристика швидкодіючого запобіжника повинна бути узгоджена з перевантажувальною характеристикою тиристора, таким чином щоб час плавлення і відключення запобіжника були менші за той час в перебігу якого наступає руйнування тиристора. Захист за допомогою RC-ланцюжків застосовується як від внутрішніх так і від зовнішніх перенапружень . Також є захист в котушці збудження двигуна в якій може відбутися обрив поля. Для усунення обриву поля використовується датчик струму RS2, який відстежує струм що протікає по котушці збудження і відправляє сигнал через аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) на пристрій числового і програмного управління (ПЧПУ). Обмотка збудження підключена за схемою «однофазна мостова» зібраної на діодах. Послідовно з якорем включений згладжуючий дросель, який згладжує пульсацію випрямленої напруги і тим самим покращує роботу двигуна.

Схема регулювання виконана за принципом підлеглого регулювання. Система управління складається з регулятора швидкості, регулятора струму і система імпульсно-фазового управління (СІФУ). Регулятор швидкості виконується за допомогою операційного підсилювача і резистора включеного в ланцюг зворотнього зв'язку. Датчиком швидкості є тахогенератор (BR) вбудований в двигун . Сигнал на виході регулятора швидкості порівнюється з сигналом зворотнього зв'язку по струму і поступає на регулятор струму. Регулятор струму складається з операційного підсилювача з резистором і конденсатором увімкненим у ланцюг зворотного зв'язку. З силової частини за допомогою (RS) датчика струму подається сигнал на регулятор струму який.

СІФУ виконує 3 функції:

формує імпульс;

визначає кут відхилення тиристора (чим більше кут тим напруга, що випрямляється, менше; чим менше кут тим напруга, що випрямляється, більше);

подає даний імпульс на відповідний тиристор;