Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Кафедра автоматики та електропривода

Курсовий проект

з дисципліни

“Електропривод і автоматизація промислових роботів

і маніпуляторів”

на тему:

Визначення параметрів електропривода верстата з ЧПК

з підпорядкованим регулюванням координат

ЕАРМ 502.001.000 КП

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Кафедра автоматики та електропривода

Пояснювальна записка

до курсового проекту

з дисципліни

“Електропривод і автоматизація промислових роботів

і маніпуляторів”

на тему:

Визначення параметрів електропривода верстата з ЧПК

з підпорядкованим регулюванням координат

ЕАРМ 502.001.000 ПЗ

Завдання

До виконання курсового проекту з дисципліни

“Електропривод і автоматизація роботів-маніпуляторів”

на тему:

“Визначення параметрів електропривода верстата з ЧПК з підпорядкованим регулюванням координат”

Варіант №1.
Склад курсової роботи

Найменування розділу	Термін виконання
1. Попередній вибір двигуна і його перевірка	25%
2. Вибір інформаційних елементів системи	40%
3. Розрахунок контуру регулювання струму	50%
4. Розрахунок контуру регулювання швидкості і положення	70%
5. Оформлення пояснювальної записки і креслень	100%

Завдання видав:

Завдання прийняв:




Вихідні дані

Розрахувати параметри електропривода верстата з ЧПК з підпорядкованим регулюванням координат:
Зусилля різання F
_р
= 5000 Н;

Маса виконуючого механізму m
₁
= 300
кг;

Маса деталі m
₂
= 80
кг;

Коефіцієнт тертя m
= 0,05;

Зусилля попереднього натягу F_H
= 500
H
;


Швидкість швидкого ходу J_шв.х
= 0,13 м/с;

Швидкість подачі J_п
= 0,06 м/с;

Прискорення а = 1,3 м/с²;

Крок гвинта S
= 8 мм.




Зміст
Вступ

1. Технічні вимоги

2. Розрахунок потужності і вибір двигунів при контурно-позиційному керуванні

2.1 Розрахунок потужності навантаження

2.2. Вибір електродвигуна і його перевірка

3. Вибір інформаційних електромеханічних елементів виконавчих систем верстата

3.1 Сельсини і обертові трансформатори

3.2 Вибір датчиків кутової швидкості

3.3. Вибір датчика струму

4. Розрахунок параметрів системи регулювання положення електроприводів подачі

4.1 Визначення параметрів структурної схеми двигуна постійного струму

4.2 Визначення і структурна схема контуру регулювання струму в системі керований перетворювач – двигун

4.3. Розрахунок параметрів контуру регулювання швидкості в системі з підпорядкованим контуром струму

4.4. Визначення параметрів контуру регулювання положення системі з підпорядкованими контурами швидкості і струму

Висновки

Література

Додатки




Вступ

Промислові роботи і маніпулятори – одна із головних частин комплексної програми автоматизації виробництва. Вони вирішують задачу скорочення традиційно ручних операцій у виробництві шляхом автоматизації технологічного процесу.

Сучасні наукові розробки акцентують увагу на автоматизації виробничих процесів і електроприводів, створенні і застосуванні сучасних засобів керування і регулювання, розробці складних промислових роботів , маніпуляторів і систем комплексної механізації, що сприяє значному підвищенню продуктивності праці, допомагає працювати у складних умовах.

У відповідності з вимогами сучасної промисловості розвиток електроприводів іде як у напрямку збільшення потужності, так і в напрямку створення мікроелектроприводів. Широкий діапазон потужностей електродвигунів дозволяє проектувати технічно досконалі і економічно доцільні типи приводів в відповідності з вимогами різноманітних галузей промисловості.

Створення нових апаратів для управління електричними машинами, нових типів автоматичних регуляторів, а також впровадження мікро ЭОМ і різноманітних контролерів наводить до розширення галузей автоматизації, і, як окремий випадок, автоматизації електроприводів роботів і маніпуляторів. Отже доцільність розробки промислових роботів обумовлюється як з економічної, так і з технічної точок зору.




1. Технічні вимоги

Електроприводи промислових роботів подібні до електроприводів металорізальних верстатів, а саме до приводів подачі, тому до них висуваються такі вимоги:

1.   Електропривод повинний бути розрахований для роботи в тривалому режимі відповідно до вимог технічних умов;

2.   Вал електродвигуна повинний бути пов’язаний з валом тахогенератора за допомогою жорсткої безлюфтової передачі з коефіцієнтом редукції, що дорівнює одиниці;

3.   У режимі регулювання частоти обертання електропривод повинний забезпечити роботу у всіх чотирьох квадрантах механічної характеристики при зміні напруги керування у межах ±10 В, мінімальну частоту обертання вала 1 об/хв.

4.   Датчики положення, пов’язані з двигуном вимірювальними безлюфтовими передачами, повинні бути використані на повний робочий кут по всіх координатах механізму;

5.   Відхилення миттєвої частоти обертання при зміні моменту навантаження в діапазоні 0,25..0,5 не повинно перевищувати від установленої частоти обертання при 0,5×J_дв;

6.   Смуга пропускання електропривода зі зворотнім зв’язком по швидкості повинна бути на менше 20-200 Гц при амплітуді вхідного сигналу 0,1 В;

7.   При частоті обертання 1 об/хв., моменті навантаження 0,2×М_ном, зовнішньому моменті інерції 0,5×J_дв електропривод повинний забезпечувати зупинку вала після зняття керуючої напруги за 0,5 кута повороту вала двигуна;

8.   Лінійність статичної характеристики електропривода, вхідна напруга керування, частота обертання двигуна у режимі регулювання не більш 5%

9.   У системах ЧП ПР головні електроприводи і проводи подач повинні забезпечувати режими позиціювання, точність позиціювання повинна досягати 1..2 мкм;

10.    Відносна нерівномірність руху при мінімальній швидкості К_н < 0,3;

11.    Електроприводи промислових роботів повинні бути реверсивними;

12.    Необхідний діапазон регулювання швидкості електроприводів подачі складає 1:10 000;

13.    Для зниження динамічних ударів кінематика електроприводу повинна забезпечувати повільність процесів пуску і реверсу

14.    Для високої надійності обладнання електропривод повинний мати необхідні види захисту, блокування, сигналізації і діагностики.




2. Розрахунок потужності і вибір двигунів при контурно-позиційному керуванні

2.1 Розрахунок потужності навантаження

Контурно-позиційне керування використовується в приводах подач верстатів і ланок роботів. Відмінною рисою роботи виконавчих двигунів у таких приводах є переважне використання тривалого режиму роботи. У приводах роботів переважає повторно-короткочасний режим роботи, особливо для верстатів із ЧПК. У приводах роботів, які використовуються на виробництві, переважає повторно-короткочасний режим роботи. Оскільки переважним видом приводу виконуючого механізму з контурно-позиційним керуванням є електропривод, то ми обмежимося розрахунком необхідної потужності і вибором електродвигуна для цих пристроїв.

Знайдемо зусилля подачі по керованій осі:

Де:

k_p – коефіцієнт запасу, приймаємо рівним 1,4;

F_p – зусилля різання вздовж осі, за умовою дорівнює 5000 Н;

m – коефіцієнт тертя, що за умовою дорівнює 0,05 ;

F_н – зусилля попереднього натягу, що за умовою дорівнює 500 Н;

m₁, m₂ – маса деталі і виконавчого органу.

Потужність, яка прикладена до вала виконуючого органу в режимі різання:





Потужність у режимі швидкого ходу:

Таким чином потужність в режимі різання складає 461,2 Вт, а режимі швидкого ходу 97,5 кВт.

2.2 Вибір електродвигуна і його перевірка

Двигун попередньо вибирається за найбільшому значенню потужності в режимі різання чи в режимі швидкого ходу. В нашому випадку це потужність в режимі різання Р_різ = 461,2 Вт.

Потужність вибраного двигуна повинна бут більшою за отриману потужність різання, але не набагато. Виконання цієї рекомендації для високомоментних двигунів постійного струму забезпечує краще узгодження двигуна з виконуючим механізмом у динамічних режимах роботи і зменшуючи число ступеней проміжного редуктору або навіть дозволяє відмовитися від його застосування. Вибираємо двигун, дані якого приведені у таблиці 2.2.1.
Таблиця 2.2.1

4. Розрахунок параметрів системи регулювання положення електроприводів подачі
Розрахунок параметрів системи регулювання положення електропривода верстата з підпорядкованими контурами швидкості, струму і положення проводяться на основі методу послідовної корекції. Розрахунок починаємо з визначення параметрів структурної схеми ДПС.
4.1 Визначення параметрів структурної схеми

двигуна постійного струму

Для обраного двигуна складемо структурну схему на основі рівнянь:

Де :Т_а – стала часу якоря;

Т_з – стала часу ланцюга збудження

кФ – коефіцієнт зв’язку між потоком і струмом збудження;

R_aS – активний сумарний опір якоря.

Де :R_дж.жив – опір джерела живлення (трансформатора)

R_тр – опір обмоток трансформатора, приведений до ланцюга

випрямленого струму, Ом;

R_а – опір, за рахунок перекриття анодних струмів, Ом;

U_2л – вторинна лінійна напруга трансформатора.

U_ном – номінальна напруга двигуна. U_ном = 52 В.

k_a – коефіцієнт запасу, що враховує неповне відкриття вентилів при максимальному сигналі. Приймаємо рівним 1,2.

k_е – відношення напруги вторинної обмотки силового трансформатора до середнього значення випрямленої напруги. Приймаємо рівним 0,857.

k_мережі – коефіцієнт запасу по напрузі, який враховує можливе зниження напруги. Приймаємо рівним 1,15.

k_R – коефіцієнт запасу, що враховує падіння напруги в вентилях і обмотках трансформатора, а також наявності кутів комутації. Приймаємо рівним 1,06.

І₂ – струм вторинної обмотки трансформатора.
І₂ = К_і × К₂ × І_яном
К_і – коефіцієнт прямокутності струму, що враховує відхилення форму струму від прямокутної. Приймаємо рівним 1,1.

К₂ – коефіцієнт, рівний відношенню діючого значення лінійного струму вторинної обмотки силового трансформатора до середнього значення випрямленого струму. Приймаємо рівним 0,578.

Таким чином:
 В



 Ом

 Ом
R_зS – активний сумарний опір обмотки збудження.

Е – ЕРС двигуна, яка знаходиться як добуток кутової швидкості двигуна на коефіцієнт зв’язку між потоком і струмом збудження.

Індуктивність якірного кола може бути визначена з виразу:

Де: k – коефіцієнт компенсації, який лежить у межах 8..12.

Приймаємо k=10; 2р – число полюсів, керуючись [1] ця величина рівна 2. Отже:
 Гн
Загальна індуктивність якірного кола має вигляд

Де L_дж.жив – індуктивність джерела живлення (трансформатора).

Значення електромеханічної сталої двигуна Т_а наведено у таблиці параметрів вибраного двигуна – таблиця 2.2.2

Т_а = 0,063 с.

Знайдемо кФ, виходячи із рівняння:



Отже ЕРС двигуна дорівнює:
В
Статична електромеханічна характеристика двигуна будується на основі виразу:

Характеристика наведена на рисунку 2.


Рис 2. Статична електромеханічна характеристика двигуна.
Структурна схема двигуна приведена в додатках

Дані про ланцюг збудження розраховуємо наближено із рівнянь паралельного збудження :
Ом.U_з.ном = U_дв.ном = 52 В.

 А.
Відповідно до параметрів двигуна :к_ф » 280 Вб/А;
Т_з = 0,9 с.

4.2 Визначення і структурна схема контуру регулювання струму в системі керований перетворювач – двигун

Визначимо параметри структурної схеми контуру регулювання струму. Для цього спочатку визначимо електромеханічну сталу часу регулювання:

J_S – сумарний момент інерції двигуна, тахогенератора і виконуючого механізму маніпулятора.
кг×м²

с
Передавальна функція об’єкта регулювання з урахуванням сталої часу тиристорного перетворювача t_тп і сталої часу інерційного фільтру t_ф у системі СІФК, які є некомпенсованими і складають:

має вигляд:

Де К_тп– коефіцієнт підсилення тиристорного перетворювача, який визначається:

Де U_к.мах – максимальне значення напруги керування тиристорним перетворювачем. Приймаємо U_к.мах = 10 В.

Таким чином передавальна функція об'єкта регулювання має вигляд :

В даному випадку об'єктом регулювання виступає лише контур регулювання струму, а не вся система.

З огляду на реальні співвідношення Т_m і Т_а в результаті послідовної корекції отримуємо передавальну функцію розімкнутого контуру:





Коефіцієнт зворотного зв’язку визначається так:

Де U_зс.мах – максимальне значення напруги задання струму, приймаємо 10 В.

В даному випадку нам важливо, щоб контур регулювання струму мав підвищену точність і виключав статичну похибку за збурюванням. Відповідно цим властивостям відповідають настройки технічного оптимуму. Швидкодія контуру визначається постійною а_с, яка дорівнює 2, при настроюванні на технічний оптимум. Таким чином передавальна функція розімкнутого контуру запишеться так:

Передавальна функція регулятора струму визначається так :


,




Де Т_іс – стала часу контуру регулювання струму :



Таким чином ми отримали ПІ-регулятор струму, налагоджений на технічний оптимум.

Визначимо параметри регулятора струму.

Приймемо С_ззс = 8,2 мкФ. Тоді:
;

;
Де R_пззс – опір у ланцюзі зворотного зв'язку ПІ-регулятора струму.

R_ззс = R_зс×К_дс /К_ззс = 4,634×3,5/0,222 = 73,059 кОм.

К_дс – коефіцієнт передачі датчика струму.

Схема регулятора струму наведена в додатках.

4.3 Розрахунок параметрів контуру регулювання швидкості в системі з підпорядкованим контуром струму
Функціональна і структурна схеми контуру регулювання швидкості наведені в додатках.

Передавальна функція замкнутого контуру, з урахуванням вище розрахованих параметрів, визначається так :





У структурній схемі струмів контур і виконавчий механізм складають об'єкт регулювання для контуру швидкості

Для досягнення підвищеної швидкодії контуру регулювання швидкості, налагоджуємо його на симетричний оптимум.

При цьому в якості регулятора швидкості застосовуємо ПІ-регулятор, передавальна функція якого має вигляд
;
При стандартній настройці на симетричний оптимум регулятора швидкості приймаємо :
Т_р.ш = 8×Т_m = 8×0,01 = 0,08 с.



К_р.ш = .
Деа_ш – швидкодія контуру регулювання швидкості (значна).

К_ззш – коефіцієнт зворотного зв'язку за швидкістю :

(Приймаємо U_зш.ном=10 В.)
;

;

К_р.ш = ;

.
Значення пасивних елементів зворотного зв’язку знаходимо із співвідношень :
Т_рш = R_зш×С_ззш;Т_М = R_пззш×С_ззш;
Де R_пззш – опір у ланцюзі зворотного зв'язку ПІ-регулятора швидкості.

Приймаємо С_ззш = 8,2 мкФ, тоді
 кОм;

кОм;

 кОм.
Через мале перерегулювання (4,3%) перехідні процеси оптимізованого контуру струму близькі до аперіодичного і тому передавальна функція має вигляд більш простої передавальної функції аперіодичної ланки:





У цьому випадку передавальна функція розімкненого контуру швидкості має вигляд:





Регулятор швидкості компенсував велику сталу часу Т_М і динамічні властивості контуру швидкості визначаються лише меншою сталою часу Т_m. Передавальна функція замкненого контуру швидкості має вигляд :



Наявність форсуючої ланки в передавальній функції приводить до великого пере регулювання, яке може досягати 43%. Пере регулювання можна зменшити до 8%, якщо на вхід оптимізованого контуру швидкості додати аперіодичний фільтр зі сталою часу Т_ф = 8Т_m, що здатний компенсувати форсуючу ланку в передавальній функції. Тоді передавальна функція замкненого контуру швидкості отримає вигляд :





Механічна характеристика синтезованого приводу зображена на рис. 3:



Рис. 3. Електромеханічна характеристика синтезованого електроприводу
Структурна схема контуру регулювання швидкості наведена в додатках
4.4 Визначення параметрів контуру регулювання положення системі з підпорядкованими контурами швидкості і струму
В якості об’єкта регулювання положення приймається двократно інтегруюча система регулювання швидкості в системі керований перетворювач – двигун. Необхідно доповнити її інтегруванням швидкості для одержання переміщення і ввести зворотній зв¢язок за положенням. Утворюється трьох контурна система регулювання положення. Передавальна функція об’єкта регулювання положення має вигляд:







Необхідна передавальна функція розімкнутого контуру регулювання положення визначається за формулою:

Де : а_п – коефіцієнт швидкодії контуру, який приймається рівним 4.

К_ззп – коефіцієнт підсилення каналу зворотного зв¢язку за положенням.
м/рад.
Де і_п – передавальне число між виконуючим механізмом і двигуном на

робочій подачі.
.
Ми бачимо, що для досягнення бажаної передавальної функції контуру положення необхідно знехтувати доданками  у виразі для передавальної функції об'єкта регулювання положенням. Тоді ми отримаємо П-регулятор положення такого вигляду :










Розрахуємо параметри регулятора положення. Для цього задамо необхідні опори. Значення опору R_зп повинно бути не менше 10-15 кОм. Усі інші опори розраховані нижче:
R_зп = 20 кОм


Де К_дп – коефіцієнт передачі датчика положення. (Див. вище розділ 3.1.)

Напругу пробою стабілітронів, увімкнених у зворотні зв'язки регуляторів для обмеження вихідної напруги, приймаємо рівним максимальній вхідній напрузі приведених в схемах підсилювачів постійного струму, тобто U_cт= 10 В.

Структурна схема контуру регулювання положення знаходиться в додатках.


Висновки
Таким чином при розрахунку електропривода верстата з ЧПК необхідно виходити із основних вимог проектування електроприводів подачі верстатів, які перераховані у першому розділі.

Застосована методика проектування трьохконтурної системи з підпорядкованим керуванням координат станка є

·     точною, завдяки ПІ-регулятору струму, налагодженому на технічний оптимум (похибка не перевищує 8%);

·     швидкодіючою, завдяки ПІ-регулятору швидкості, нала-годженому на симетричний оптимум (швидкодія контуру а_ш=8);

·     високопозиційною, завдяки П-регулятору положення (коефіцієнт передачі К_ззп = 0,00057 м/рад.)

При цьому досягнуті найкращі показники керування: забезпечений діапазон регулювання швидкості обертання двигуна, лінійність статичної характеристики електропривода, стійкість системи автоматичного керування.

Виконання вказаних розрахунків грунтується на використанні нормативної технічної документації, початкових, довідникових, нормативних, літературних та інших даних, результати яких відображені у курсовій роботі.




Література

1. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни “Електропривод і автоматизація промислових роботів і маніпуляторів” для студентів спеціальності 7.092203 “Електропривод та автоматизація промислових установок”/ Шульга О. В. – ПДТУ, 1996 р. – 28 с.

2. Гусев И.Г. Устройства числового программного управления: Учебное пособие для энергетических ВУЗов, – М.: Высшая школа, 1986 г.

3. Ильин О.П. Системы программного управления производственными установками и робототехническими комплексами: Учебное пособие для ВУЗов, – М.: Высшая школа, 1988 г.




Додатки

Форм.

Позначення

Найменування

Кільк.

Прим.

Відомість курсового проекту

А4

ЕАРМ 502.001.000 ТЗ

Технічне завдання

1

А4

ЕАРМ 502.001.000 ПЗ

Пояснювальна записка

23

А4

ЕАРМ 502.001.001 Е1

Схема структурна ДПС

1

А4

ЕАРМ 502.001.002 Е1

Схема структурна ДПС з постійним

1

магнітним потоком

А4

ЕАРМ 502.001.003 Е2

Схема функціональна контуру

1

регулювання струму

А4

ЕАРМ 502.001.004 Е2

Схема функціональна контуру

1

регулювання швидкості

А4

ЕАРМ 502.001.005 Е2

Схема функціональна контуру

1

регулювання положення

А4

ЕАРМ 502.001.006 Е1

Схема структурна контуру

1

регулювання струму в системі ТП-Д

А4

ЕАРМ 502.001.007 Е1

Схема структурна контуру

1

регулювання швидкості

А4

ЕАРМ 502.001.008 Е1

Схема структурна контуру

1

регулювання положення

Зм

Лист

№ докум.

Підпис

Дата

Виконав

Відомість курсового проекту

Літ.

Лист

Листів

Перевір

н

1

1

Н.контр

Затв.

Форм

Позначення

Найменування

Кільк

Прим.

М

ПБВ 100-М

1

0,75 кВт

ТП

ТП ТС 1,0

1

1,0 кВт

СІФК

ТСА 160А

1

160 А

ДС

ДХГ-2

1

кт = 3,5

BR

ТД-101

1

ктг = 0,021

ДП

ВТ-5

1

кт = 0,96

РС

К153УД5А

1

Umax = 20 B

РШ

К153УД5А

1

Umax = 20 B

РП

К140УД8

1

Umax = 20 B

Rзс

МЛТ-50

1

4,7 кОм

Rззс

МЛТ-100

1

73 кОм

Rпззс

МЛТ-50

1

7,8 кОм

Rзш

МЛТ-50

1

10 кОм

Rззш

МЛТ-5

1

2,2 кОм

Rпззш

МЛТ-50

1

6 кОм

Rзп

МЛТ-50

1

20 кОм

Rззп

МЛТ-200

1

136 кОм

Rпззп

МЛТ-5

1

2 Ом

Сззс

0,01 мк

1

8,2 мкФ

Сззш

0,01 мк

1

8,2 мкФ

VS1,2

КД 522Б

2

Umax = 40 B

ЕАРМ 502.001.000 СП

Зм.

Лист

№ докум.

Підпис

Дата

Виконав

Специфікація

Літ.

Лист

Листів

Перевір.

н

1

1

Н. контр.

Затв.