Электропривод и автоматизация главного привода специального калибровочного станка

1.2.    Требования к электроприводу главного движения

Требования к электроприводам и системам управления станками определяются технологией обработки, конструктивными возможностями станка и режущего инструмента.

Основными технологическими требованиями согласно [3, 4, 7] являются обеспечение:

?                          самого широкого круга технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента;

?       максимальной производительности;

?       наибольшей точности обработки;

?       высокой чистоты обрабатываемой поверхности.

Удовлетворение всем этим и другим требованиям зависит от характеристик станка и режущего инструмента, мощности главного привода, и электромеханических свойств приводов подач и системы управления.

В современных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) функции, выполняемые электроприводом главного движения, значительно усложнены. Помимо стабилизации частоты вращения, при силовых режимах резания требуются обеспечение режимов позиционирования шпинделя при автоматической смене инструмента, что неизбежно ведет к увеличению требуемого диапазона регулирования частоты вращения.

Требуемый технологический диапазон регулирования скорости шпинделя с постоянной мощностью по [8, 9], равный 20 — 50 при двухступенчатой коробке скоростей, можно вполне обеспечить при электрическом регулировании скорости двигателя с постоянной мощностью в диапазоне 5:1 — 10:1, что вполне осуществимо при современных двигателях постоянного тока.

Стабильность работы привода характеризуется перепадом частоты вращения при изменении нагрузки, напряжении питающей сети, температуры окружающего воздуха и тому подобных.

Погрешность частоты вращения для главного привода вальцетокарного станка модели IК 825 Ф2 должна, согласно [10], составлять не более:

?       суммарная погрешность — 5%;

?       погрешность при изменении нагрузки — 2%;

?       погрешность при изменении направления вращения — 2%.

Коэффициент неравномерности, рассчитываемый как отношение разности максимальной и минимальной мгновенных частот к средней частоте вращения при холостом ходе привода, должен быть не более 0,1.

В современных станках динамические характеристики приводов главного движения по управлению прямым образом определяют производительность. При этом время пуска и торможения по [11] не должно превышать 2,0 —4,0 с. При наличии зазоров в кинематической цепи главного привода перерегулирование приводит к дополнительным затратам времени на позиционирование, поэтому появляется необходимость обеспечения монотонного апериодического характера изменения скорости.

Динамические характеристики электропривода по нагрузке практически определяют точность и чистоту обработки изделия, а также стойкость инструмента. Устойчивый процесс резания при необходимой точности и чистоте поверхности возможен, если параметры настройки привода обеспечивают при набросе номинального момента нагрузки максимальный провал скорости не более 40% при времени восстановления, не превышающем 0,25с.

Отличительной особенностью главного привода станков с ЧПУ является необходимость применения реверсивного провода даже в тех случаях, когда по технологии обработки не требуется реверс. Требование обеспечения эффективного торможения и подтормаживания при снижении частоты вращения и режимов поддержания постоянной скорости резания приводит к необходимости применения реверсивного привода с целью получения нужного качества переходных процессов.

1.       ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

В электроприводах главного движения токарных станков согласно [11] мощность электродвигателя определяется требуемой мощностью резания. Для определения мощности резания согласно с [1] определим скорость резания V и тангенциальную составляющую силы резания Fz для самого тяжелого варианта работы — для наружной черновой обработке валка диаметром 1000 мм, изготовленного из конструкционной стали марки 60ХН резцами из быстрорежущей стали марки Т14К8:

,                                                    (2.1)

где    Сv = 340 — эмпирический коэффициент;

         Т = 60 мин — стойкость резца;

         t = 12 мм — глубина резания;

         S = 34 мм/об — продольная подача;

         m = 0.2; x = 0.15; y = 0.45 — эмпирические коэффициенты;

         Kv — поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия резания.

Kv = Kmv* Kпv* Kиv ,                                                                 (2.2)

где:  Kпv = 1 — коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки — без корки;

         Kиv  = 0.8 — коэффициент, учитывающий качество материала 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 — предел прочности обрабатываемого материала;

         nВ = 1.78 — показатель степени, 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, зная скорость резания V, определим тангенциальную составляющую силы резания Fz:

Fz = 10 * Cp * tx * Sy * Vn * Kp,                            (2.6)

где  Cp = 200 — эмпирический коэффициент;

         x = 1; y = 0.75; n = 0 — эмпирические коэффициенты.

         Кp — поправочный коэффициент, 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 влияние геометрических 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?;

         Kmp — поправочный коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости.

,                         (2.8)

где    ?В = 1100 МПа — предел прочности обрабатываемого материала;

         n = 0.75 — показатель степени, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости.

Тогда, подставив (2.8) в (2.7), получим:

Kp = 1.33 * 1.15 * 1 * 0.93 * 1 = 1.425.                           (2.9)

Подставив (2.1) — (2.5), (2.7) — (2.9) в (2.6), получим:

Fz = 10 * 200 * 121 * 340.75 * 8.660 * 1.425 = 481670 кН.  (2.10)

Тогда, зная скорость резания V и тангенциальную составляющую силы резания Fz, определим требуемую мощность резания (с учетом коэффициента полезного действия системы равного 0.9):

 кВт.            (2.11)

Поскольку расчет велся для самого тяжелого варианта, то можно выбирать двигатель, который проходит по мощности для этого варианта.

Выбираем двигатель [6] серии 4ПН 400 - 22 МУ3 со следующими параметрами:

?       номинальная мощность двигателя Рн = 70 кВт;

?       номинальный ток двигателя Iн = 350 А;

?       номинальное напряжение питания Uн = 220 В;

?       момент инерции двигателя Jдв = 8.25 кг*м2;

?       минимальная скорость вращения nmin = 250 об/мин;

?       номинальная скорость вращения nн = 750 об/мин;

?       максимальная скорость вращения nmax = 1500 об/мин;

?       пусковая перегрузочная способность ?п = 2;

?       номинальный коэффициент полезного действия ?н = 93%.

Произведем проверку выбранного двигателя по нагреву согласно тахограммы и нагрузочной диаграммы, приведенных на Рис. 2.1, где:

?       t1 = 1 с — время разгона электродвигателя;

?       t2 = t4 = 2 с — время работы электродвигателя на холостом ходу;

?         t3 = 3000 с — время работы электродвигателя с номинальной          нагрузкой;

?       t5 = 1 с — время торможения электродвигателя;

?       I1 = 2Iн = 700 А — пусковой ток двигателя

?       I2 = 0.1Iн = 35 А — ток холостого хода электродвигателя;

?       I3 = 0.95Iн = 332 А — номинальный рабочий ток двигателя;

?       I4 = 0.1Iн = 35 А — ток холостого хода электродвигателя;

?       I5 = 1.9Iн = 665 А — тормозной ток электродвигателя.

Тогда:

   (2.12)

Поскольку полученный эквивалентный ток меньше номинального тока двигателя, следовательно по нагреву данный двигатель подходит и выбран верно.

Для питания двигателя выбираем комплектный тиристорный преобразователь [2] серии ЭПУ1-2-4347 DУХЛ4 со следующими параметрами:

?       Рн = 92 кВт — номинальная мощность преобразователя;

?       Uн = 230 В — номинальное выходное напряжение ТП;

?       Iн = 400 А — номинальный выходной ток преобразователя.

Для питания тиристорного преобразователя выбираем вводной трансформатор [2] ТСЗП - 160 / 0.743 со следующими параметрами:

?         Рн = 143 кВА — номинальная потребляемая мощность              трансформатора;

?         U1 = 380 В — напряжение первичной обмотки трансформатора;

?         U2ф = 230 В — напряжение вторичной обмотки трансформатора;

?         I2ф = 500 А — ток вторичной обмотки трансформатора;

?         ?Рхх = 795 Вт — потери холостого хода в трансформаторе;

?         ?Ркз = 2400 Вт — потери при коротком замыкании в                   трансформаторе;

?         Uкз = 4.5% — напряжение короткого замыкания трансформатора;

?         Iхх = 5.2% — ток холостого хода трансформатора.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения выбираем сглаживающий реактор [5] ФРОС - 125 / 0.5 У3 со следующими параметрами:

?       Iн = 500 — номинальный ток сглаживающего реактора;

?       Lн = 0.75 мГн — номинальная индуктивность сглаживающего         реактора;

?         Rн = 3 мОм — номинальное сопротивление реактора.

3.       СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СТАНКА

Характеристика системы электропитания вальцетокарного калибровочного станка модели IК 825 Ф2 приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1 — Характеристика системы электропитания станка вальцетокарного калибровочного модели IК 825 Ф2.

1	2	3	4	5	6	7	8	9