МИНВУЗ УССР
ДОНБАССКИЙ ГОРНО– МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра ЭАПП
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ НАТЕМУ:
......................................................................................................................
............Электропривод иавтоматизация главного привода… .......................специального вальцетокарного станка….........................................модели IK 825 Ф2…………..........................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
Студентгруппы… МЭ-92… Луцкий А.М................
(шифр, фамилия и инициалы) ( )
Руководитель проекта: Жукевич А.Б. ( )
Консультанты:...................................... ( )
экономика Комиссаренко Л.Г. ( )
охрана труда Арсенюк С.Ю. ( )
нормоконтроль Косицкая С.С. ( )
технический контроль Зеленов А.Б. ( )
( )
( )
Заведующий кафедрой: Мотченко А.И.. ( )
1997 г.
РЕФЕРАТ
ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГОТОКА, СИСТЕМА ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, КОНТУР ТОКА, КОНТУР СКОРОСТИ, КОНТУРМОЩНОСТИ, ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ, ОПТИМАЛЬНАЯ НАСТРОЙКА РЕГУЛЯТОРОВ.
Проект содержит: 89 страниц,29 рисунков, 8 таблиц, 16 источников.
Объект исследования —главный привод вальцетокарного калибровочного станка модели IK825Ф2.
Цель работы — разработкавысокоточной системы стабилизации мощности резания вальцетокарногокалибровочного станка модели IK825 Ф2.
Методами теории оптимальногоуправления синтезирована система стабилизации мощности резания, проведеноисследование синтезированной системы на математической аналоговой модели.
В результате исследованияразработана система стабилизации мощности резания, обеспечивающая низкуючувствительность к параметрическим возмущениям.
Основные конструктивные итехнико-эксплуатационные показатели разработанной системы:
? высокая точность стабилизации мощности резания на заданном уровне;
? достаточно большое быстродействие системы;
? малая чувствительность к изменению параметров объекта управления.
Настоящая система управленияможет быть использована не только в данном вальцетокарном станке, но и втяжелых токарных и токарно-винторезных станках, где есть необходимостьограничить мощность, выделяемую с главного привода станка или мощность резанияна практически любом заданном уровне.
Эффективность разработаннойсистемы управления определяется применением оптимальных регуляторов, а такжеиспользованием современной элементной базы.
Форма № У-9. 01
Утв. Приказом Минобр. Украины
от 3 августа 1984г. № 253
…...…………….Донбасскийгорно-металлургический институт…………..….
(наименованиевуза)
Факультет………АПП……………….………… Кафедра…………………ЭАПП……………………………
Специальность……………………………….2105…………………………………………………………….…
УТВЕРЖДАЮ:
Зав.кафедрой………………………………
«……»……………………..…….…19..…г.ЗАДАНИЕНА ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ (РАБОТУ) СТУДЕНТУ
…………………………ЛуцкомуАлександру Михайловичу………………….....
(фамилия,имя, отчество)
1. Тема проекта (работы)……Электропривод и автоматизация главного привода специального…
… вальцетокарногостанка модели IK825Ф2…………………………………………………….....
……………………………………………………………………………………………………………..……………….………………………………………………………………………………………………….......................................
утверждена приказом по институту от «…..…»………………………….19…….г. №…............……………..
2. Срок сдачи студентомзаконченного проекта (работы)……………2 января 1998 г...........…………..…………..
3. Исходные данные к проекту(работе)……………………………………………………………………...…….......
… Электродвигатель2ПН300L, Рн = 110 кВт, Iн= 350 А, Uн= 220В..........................................................................
… ПреобразовательКТЭУ 400/220 — 03222, Рн = 122 кВт, Iн= 500 А, Uн= 220 В....................................................
… Системастабилизации мощности резания (трехконтурная, с внутренними контурами тока искорости).........
..............................................................................................................................................................................................
…………………………………………………………………………………………………………………..................
4. Содержаниерасчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработкевопросов)……………….....
— выбор и проверка электродвигателя, расчетдинамических параметров системы электропривода;....................
— синтез системы автоматического регулирования, анализ работы системы с использованием пакета МАСС;...
— экономическое обоснование внедрения новойсистемы электропривода;...............................................................
— проработка вопросов охраны труда при работена вальцетокарном калибровочном станке модели IК 825 Ф2.
5. Перечень графического материала(с точным указанием обязательных чертежей)………………………….........
— кинематическая схема электропривода главногодвижения вальцетокарного калибровочного станка;...............
— математическая схема системы электропривода,статическая характеристика системы;......................................
— цифровая модель системы электропривода длянабора в МАССе;...........................................................................
— графики переходных процессов;...................................................................................................................................
— конструкторские разработки;.........................................................................................................................................
— экономические показатели системы электропривода..................................................................................................
...……………………………………………………..........…………………………………………………………..………………………………………………………………………………………………………………………..................
6. Консультанты по проекту(работе), с указанием относящихся к ним разделов проекта
Раздел
Консультант
Подпись, дата
Задание выдал
Задание принял
Экономика
Комиссаренко Л.Г.
Охрана труда
Арсенюк С.Ю.
Технический контроль
Зеленов А.Б.
Нормоконтроль
Косицкая С.С.
7. Дата выдачи задания ………10…октября…1997… г.............................
Руководитель........................................................
(подпись)
Заданиепринял к исполнению...........................
(подпись)КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН
№ п-п
Наименование этапов дипломного
проекта (работы)
Срок выполнения этапов
работы (проекта)
Примечание
1
Расчет скорости и мощности резания
15 октября 1997 г
2
Выбор и проверка электродвигателя
20 октября 1997 г
3
Выбор системы электропитания станка
25 октября 1997 г
4
Расчет динамических параметров системы ЭП
30 октября 1997 г
5
Синтез систем автоматического регулирования
5 ноября 1997 г
6
Анализ работы системы автоматического
регулирования
10 ноября 1997 г
7
Экономическое обоснование внедрения
новой системы электропривода
20 ноября 1997 г
8
Охрана труда
30 ноября 1997 г
Оформление пояснительной записки
29 декабря 1997 г
Студент – дипломник …………………………….
(подпись)
Руководитель проекта …………………………….
(подпись)
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................……..5
1. Общие сведения о механизме и требования к электроприводу..............................................................................……..6
1.1. Техническая характеристика станка..............................…6
1.2. Требования к электроприводу главного движения......….9
2. Выбор и проверка электродвигателя.............................….11
3. Сведения о системе электропитания станка.................….17
4. Расчет динамических параметров системы....................…19
5. Синтез системы автоматического регулирования........….26
5.1. Расчет контура тока.........................................................…26
5.2. Расчет контура скорости................................................….31
5.3. Расчет контура мощности ипроцесса резания..............…35
5.4. Расчет статическойхарактеристики системы................…40
5.5. Разработка датчика мощности........................................….42
6. Анализ работы системы автоматического регулирования с использованиемпакета МАСС.......................................……47
7. Экономическое обоснование внедрения системы электропривода.........................................................................……....59
7.1. Выбор объекта для сравнения........................................….59
7.2. Расчет капитальных затрат.............................................….59
7.3. Расчет и сопоставление эксплуатационных расходов..…60
7.3.1. Расчет амортизационныхотчислений.........................….60
7.3.2. Расходы на потребляемуюэлектроэнергию..............…..64
7.3.3. Затраты на текущий ремонт.........................................….65
7.4. Расчет прочихрасходов...............................................……69
7.5. Расчет эффективностипроектируемой системы.....……..70
8. Охрана труда...................................................................…...72
8.1. Параметры микроклимата...............................................….73
8.2. Мероприятия по электробезопасности проектируемой установки.........................................................................…….75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................….….86
ПЕРЕЧЕНЬССЫЛОК……………….............................….….88
ВВЕДЕНИЕ
В связи с выходомотечественных производителей металлопродукции на внешний рынок и производствомпроката по стандартам ASTM, DINи другим, к его качеству игеометрическим размерам предъявляются повышенные требования, зачастуюпревышающие требования существующих ГОСТов и технических условий.
Качество металлопроката и геометрические размеры профилей, в томчисле и производимых станом 600 Алчевского металлургического комбината, зависятот многих факторов, одним из которых является качество изготовления и точностьобработки поверхности валков черновых и чистовых клетей прокатных станов.
В соответствии с рабочимикалибровками и монтажами валков в вальцетокарной мастерской сортопрокатногоцеха производится обработка и расточка валков черновых и чистовых клетей. Дляэтих целей применяется станок типа IK 825 Ф2, который предназначен дляобработки валков как сортовых, так и листовых прокатных станов.
При обработке валков,имеющих неоднородную структуру и различные физико-механические свойства,возникают броски мощности резания, которые отрицательно влияют на качествоповерхности валков и точность геометрических размеров готового проката.
В связи с этим в данномпроекте была предложена система стабилизации мощности резания на заданном уровне,что оказывает положительное влияние накачество поверхности обрабатываемых валков.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ И ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ
Станоквальцетокарный калибровочный специальный модели IК825 Ф2 с цифровой индикацией иуправлением (УЦИ) предназначен, согласно [15] для обработки икалибровки наружных поверхностей прокатных валков в специальных калибровочныхлюнетах. На станке не предусматривается обработка деталей со смещенным центромтяжести относительно оси вращения типа эксцентриковых и коленчатых валов,конусных деталей с неуравновешенными массами.
Управлениеосновными движениями станка (перемещение суппортов по осям Xи Z)осуществляется от УЦИ. Операции, связанные с переключением ступеней главногопривода, регулированием скорости вращения шпинделя и подач суппорта,перемещение и фиксация задней бабки, перемещение пиноли, установка и зажимизделия, установка люнеты, установка и зажим режущего инструмента на суппортевыполняются от органов управления, расположенных на этих сборочных единицах безучета УЦИ, то есть эти операции не программируются.
Обработкадеталей может быть произведена в «ручном» режиме (УЦИ выполняет роль индикации)и «программном» (автоматическом) режиме по программе, заданной ручным вводомзадания на пульт ввода УЦИ с управлением главным приводом и суппортами спомощью органов управления, расположенных на пульте суппортов.
Применение УЦИК 525 повышает производительность труда в режиме индикации и преднабора, а вавтоматическом режиме обработки по программе освобождает оператора отпользования универсальным мерительным инструментом, повышает точность работы иобработки деталей, а также снижает утомляемость рабочего-оператора, позволяеторганизовать бригадное и многостаночное обслуживание станка.
1.1. Техническая характеристикастанка
Класс точностисогласно нормам точности по техническому заданию. Технические характеристикивальцетокарного калибровочного специального станка модели IК825 Ф2приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1. — Техническая характеристика вальцетокарногокалибровочного станка модели IК825 Ф2
Параметры
Величина
Наибольший диаметр устанавливаемой над суппортом заготовки, мм
1000
Предельный диаметр обрабатываемой наружной поверхности, мм
600—1000
Наибольшая масса заготовки, устанавливаемой в центрах, кг
25000
Наибольшее сечение державки резцов, мм
63 x43
Количество позиций инструмента, шт.
1
Наибольшая длина изделия, мм
5000
Наибольшее поперечное перемещение суппорта, мм
345
Пределы частот вращения шпинделя, об/мин
0,46 — 25
Диапазон регулирования продольных подач суппорта, мм/об
0,02 — 139,0
Диапазон регулирования поперечных подач суппорта, мм/об
0,01 — 55,0
Пределы быстрых установочных перемещений суппортов, м/мин
2,5
Число ступеней вращения шпинделя
бесступенчатое
Число ступеней рабочих подач
бесступенчатое
Наибольшее усилие резания на один суппорт, кН
100
Наибольший крутящий момент на шпинделе, кН*м
90
Шероховатость наружной поверхности, мкм
1,65
Производительность (по отношению к заменяемой модели)
1,6
Удельная масса металла, кг на единицу производительности
0,76
Удельный расход электроэнергии, кВт*час на единицу производительности
0,77
Установленная безотказность наработки в сутки, часов не менее
16
Установленная безотказность наработки в неделю, часов не менее
80
Установленная безотказность наработки, часов не менее
500
1.2. Требования к электроприводуглавного движения
Требования кэлектроприводам и системам управления станками определяются технологиейобработки, конструктивными возможностями станка и режущего инструмента.
Основнымитехнологическими требованиями согласно [3, 4, 7]являются обеспечение:
? самого широкого круга технологических режимов обработки с использованиемсовременного режущего инструмента;
? максимальной производительности;
? наибольшей точности обработки;
? высокой чистоты обрабатываемой поверхности.
Удовлетворениевсем этим и другим требованиям зависит от характеристик станка и режущегоинструмента, мощности главного привода, и электромеханических свойств приводовподач и системы управления.
Всовременных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) функции,выполняемые электроприводом главного движения, значительно усложнены. Помимостабилизации частоты вращения, при силовых режимах резания требуютсяобеспечение режимов позиционирования шпинделя при автоматической сменеинструмента, что неизбежно ведет к увеличению требуемого диапазона регулированиячастоты вращения.
Требуемыйтехнологический диапазон регулирования скорости шпинделя с постоянной мощностьюпо [8, 9], равный 20 — 50 при двухступенчатой коробке скоростей,можно вполне обеспечить при электрическом регулировании скорости двигателя спостоянной мощностью в диапазоне 5:1 — 10:1, что вполне осуществимо при современныхдвигателях постоянного тока.
Стабильностьработы привода характеризуется перепадом частоты вращения при изменениинагрузки, напряжении питающей сети, температуры окружающего воздуха и томуподобных.
Погрешностьчастоты вращения для главного привода вальцетокарного станка модели IК 825Ф2 должна, согласно [10], составлять не более:
? суммарная погрешность — 5%;
? погрешность при изменении нагрузки — 2%;
? погрешность при изменении направления вращения — 2%.
Коэффициентнеравномерности, рассчитываемый как отношение разности максимальной иминимальной мгновенных частот к средней частоте вращения при холостом ходепривода, должен быть не более 0,1.
В современныхстанках динамические характеристики приводов главного движения по управлениюпрямым образом определяют производительность. При этом время пуска и торможенияпо [11]не должно превышать 2,0 —4,0 с. При наличии зазоровв кинематической цепи главного привода перерегулирование приводит к дополнительнымзатратам времени на позиционирование, поэтому появляется необходимостьобеспечения монотонного апериодического характера изменения скорости.
Динамическиехарактеристики электропривода по нагрузке практически определяют точность ичистоту обработки изделия, а также стойкость инструмента. Устойчивый процессрезания при необходимой точности и чистоте поверхности возможен, если параметрынастройки привода обеспечивают при набросе номинального момента нагрузкимаксимальный провал скорости не более 40% при времени восстановления, непревышающем 0,25с.
Отличительной особенностьюглавного привода станков с ЧПУ является необходимость применения реверсивногопровода даже в тех случаях, когда по технологии обработки не требуется реверс.Требование обеспечения эффективного торможения и подтормаживания при снижениичастоты вращения и режимов поддержания постоянной скорости резания приводит кнеобходимости применения реверсивного привода с целью получения нужногокачества переходных процессов.
1. ВЫБОР И ПРОВЕРКАЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Вэлектроприводах главного движения токарных станков согласно [11]мощностьэлектродвигателя определяется требуемой мощностью резания. Для определениямощности резания согласно с [1]определим скорость резания Vитангенциальную составляющую силы резания Fzдля самого тяжелоговарианта работы — для наружной черновой обработке валка диаметром 1000 мм,изготовленного из конструкционной стали марки 60ХН резцами из быстрорежущей сталимарки Т14К8:
(2.1)
где Сv= 340 — эмпирический коэффициент;
Т = 60 мин — стойкостьрезца;
t= 12 мм — глубина резания;
S= 34 мм/об — продольнаяподача;
m= 0.2; x = 0.15; y = 0.45— эмпирические коэффициенты;
Kv — поправочный коэффициент, учитывающий фактическиеусловия резания.
Kv = Kmv* Kпv* Kиv , (2.2)
где: Kпv= 1 —коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки — без корки;
Kиv = 0.8 — коэффициент, учитывающий качествоматериала инструмента, используется резец марки Т14К8;
Kmv— коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала(физико-механические свойства).
, (2.3)
где Кг= 1 — коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и материала инструмента;
?В= 1100 МПа — пределпрочности обрабатываемого материала;
nВ= 1.78 — показательстепени, зависящий от обрабатываемого материала и материала инструмента.
Тогда, подставив (2.3) в (2.2), получим:
Kv = 0.52* 1* 0.8 = 0.41, (2.4)
Тогда,с учетом (2.1)—(2.4), получим:
м/мин, (2.5)
Тогда, знаяскорость резания V, определим тангенциальную составляющую силы резанияFz:
Fz = 10 * Cp * tx * Sy* Vn * Kp, (2.6)
где Cp = 200— эмпирический коэффициент;
x = 1; y = 0.75; n = 0 — эмпирические коэффициенты.
Кp— поправочныйкоэффициент, учитывающий фактические условия резания.
Kp = Kmp* K?p* K?p* Krp * K?p; (2.7)
где K?p,K?p, Krp,K?p— поправочные коэффициенты, учитывающие влияниегеометрических параметров режущей части инструмента на составляющие силы резания(резец из быстрорежущей стали марки Т14К8);
K?p= 1.15— передний угол в плане ?= 12-15?;
K?p= 1— угол наклона главного лезвия ?= 15?;
Krp = 0.93—радиус при вершине r = 1 мм;
K?p= 1— главный угол в плане ?= 45