Этапы выполнения курсовых проектов

Введение

Современное развитие микропроцессорной техники, разработка и внедрение программируемых систем выдвигают новые требования к уровню подготовки бакалавров по направлению подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника ». Разработка электропривода на современном уровне предполагает системный подход к проектированию, оптимизацию показателей с использованием принципов адаптивного и модального управления, моделирование режимов работы с учетом действия технологических факторов. Следует отметить, что повышение качества системы возможно только при комплексном подходе, когда выбор отдельных элементов, например, электродвигателя, производится с учетом особенностей построения механической части и системы управления. Естественно, особенности системы электропривода, в свою очередь, влияют на режимы работы механической части и системы управления.

Одним из направлений применения высокоточных систем электропривода с жесткими технологическими требованиями являются электроприводы металлорежущих станков с программным управлением.

Комплексный курсовой проект по курсам «Теория электропривода» и «Системы управления электроприводов» предусматривает проектирование электроприводов главного движения и подачи многоцелевого станка. Целями курсового проекта являются: приобретение навыков комплексного проектирования систем автоматизированного электропривода; использование программных пакетов для расчёта статических и динамических характеристик электропривода; закрепление и систематизацию знаний по современным системам электропривода.

ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ

 

Проектирование включает два этапа:

- расчет режимов работы, выбор элементов и принципов построения электропривода;

- разработка и настройка системы управления электроприводом, оценка показателей качества.

Курсовой проект по каждому этапу состоит из расчётно-пояснительной записки, объёмом 20–25 страниц, двух листов графического материала формата А1 и включает в себя следующий перечень разделов:

Этап 1. Выбор электродвигателя.

1. Введение.

2. Формулировка требований технического задания:

– расчет циклограмм работы электроприводов станка;

– построение нагрузочной диаграммы привода;

– формирование желаемой механической характеристики электропривода, оценка статических и динамических показателей системы.

3. Выбор электродвигателя с учетом способа регулирования.

4. Построение структурной схемы и расчет параметров электропривода.

5. Расчет статических характеристик и нагрузочных диаграмм. Проверка привода на заданную производительность, статическую точность и нагрев.

6. Заключение.

Этап 2. Выбор системы управления электропривода.

1. Введение.

2. Формулировка требований к системе управления электроприводом.

3. Выбор структуры системы управления электроприводом.

4. Выбор комплектного электропривода, элементов управления и датчиков технологической информации.

5. Разработка функциональной схемы.

6. Расчет параметров структурной схемы системы.

7. Синтез регуляторов и оценка качества статических характеристик и переходных процессов.

8. Выбор и расчет защит.

9. Разработка принципиальной электрической схемы электропривода и спецификации на электрооборудование.

10. Заключение.

Пояснительная записка должна включать следующие элементы:

- титульный лист;

- задание на курсовой проект;

- ведомость документов;

- оглавление;

- введение;

- основной текст;

- заключение;

- список литературы;

- приложения.

Пояснительная записка и графическая часть курсового проекта должны быть оформлены в соответствии с правилами Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

Законченный курсовой проект после проверки его руководителем проекта и исправления указанных недочётов защищается в комиссии из преподавателей кафедры. На защите курсового проекта студент делает доклад (4...5 мин), в котором должны быть отражены:

- тема и цель проекта;

- основные требования и ограничения на систему электропривода;

- принятые решения по выбору двигателя, способа регулирования, построению системы управления;

- методика расчета характеристик, использованное программное обеспечение;

- выводы и рекомендации.

Схемы и графики графической части должны подтверждать основные положения проекта, ссылки в докладе на них обязательны. В процессе защиты проекта оценивается не только содержание проекта, качество выполнения пояснительной записки и чертежей, но и уровень практических и теоретических знаний за прошедший период обучения, умение отстаивать принятые решения.

Варианты заданий на курсовой проект представлен в табл. 1.1

Таблица 1.1

Задание на курсовое проектирование

 

Номер варианта	Модель станка	Направление подачи	Вид обработки	Материал детали
	6902ПМФ2	Продольная	Растачивание	Сталь
	6904ВМФ2	Поперечная	Фрезерование плоскости	Чугун серый
	6906ВМФ2	Продольная	Сверление	Чугун ковкий
	2204ВМФ4	Поперечная	Фрезерование канавки	Медь
	ИР320ПМФ4	Продольная	Растачивание	Алюминий
	ИР500МФ4	Вертикальная	Фрезерование плоскости	Сталь
	ИР800МФ4	Продольная	Сверление	Чугун серый
	6902ПМФ2	Вертикальная	Фрезерование канавки	Чугун ковкий
	6904ВМФ2	Продольная	Растачивание	Медь
	6906ВМФ2	Поперечная	Фрезерование плоскости	Алюминий
	2204ВМФ4	Продольная	Сверление	Сталь
	ИР320ПМФ4	Поперечная	Фрезерование канавки	Чугун серый
	ИР500МФ4	Продольная	Растачивание	Чугун ковкий
	ИР800МФ4	Вертикальная	Фрезерование плоскости	Медь
	6902ПМФ2	Продольная	Сверление	Алюминий
	6904ВМФ2	Поперечная	Фрезерование канавки	Сталь
	6906ВМФ2	Продольная	Растачивание	Чугун серый
	2204ВМФ4	Поперечная	Фрезерование плоскости	Чугун ковкий
	ИР320ПМФ4	Продольная	Сверление	Медь
	ИР500МФ4	Поперечная	Фрезерование канавки	Алюминий
	ИР800МФ4	Продольная	Растачивание	Сталь

 

Окончание таблицы 1.1

 

Номер варианта	Модель станка	Направление подачи	Вид обработки	Материал детали
	6902ПМФ2	Вертикальная	Фрезерование плоскости	Чугун серый
	6904ВМФ2	Продольная	Сверление	Чугун ковкий
	6906ВМФ2	Поперечная	Фрезерование канавки	Медь
	2204ВМФ4	Продольная	Растачивание	Алюминий
	ИР320ПМФ4	Поперечная	Фрезерование плоскости	Сталь
	ИР500МФ4	Продольная	Сверление	Чугун серый
	ИР800МФ4	Вертикальная	Фрезерование канавки	Чугун ковкий
	6902ПМФ2	Продольная	Растачивание	Медь
	6904ВМФ2	Вертикальная	Фрезерование плоскости	Алюминий

 

 

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ СТАНКОВ

Исходными данными для проектирования служат технические характеристики многооперационных станков (см. табл. 1.1), направление подачи, метод обработки и материал детали. Результаты работы включают спецификации оборудования, перечни элементов электрических схем, расчетные статические и динамические характеристики и требования по настройке системы.

Типы металлорежущих станков

 

Металлорежущие станки являются весьма распространенной группой электрифицированных машин, предназначенных для обработки металла с помощью одного или нескольких режущих инструментов. Обработка заготовок металла производится в основном путем снятия стружки [3].

По признакам технологического процесса обработки металла, определяющим способ обработки, виду режущего инструмента и характеру его движения металлорежущие станки делятся на следующие основные группы: токарные, сверлильно-расточные, фрезерные, строгальные и шлифовальные.

Металлорежущие станки подразделяются также по признакам производственного процесса: универсальные – для различной обработки (точение, сверление, нарезание резьбы и др.) многих изделий; специализированные – для обработки деталей, сходных по конфигурации, но разных по размерам, например зубо- и резьбообрабатывающие станки; специальные – для обработки одной определенной детали.

В зависимости от требуемой точности обработки поверхности изделий станки изготавливают нормальной, высокой и особо высокой точности (прецизионные).

Станки в зависимости от размеров и массы обрабатываемых изделий бывают нормальные (до 10 т), крупные (от 10 до 30 т), тяжелые (от 30 до 100 т) и уникальные (свыше 100 т).

Для обработки изделий на металлорежущих станках необходимо обеспечить передвижение режущей кромки инструмента относительно заготовки. В станках различают главное движение, при котором происходит резание металла инструментом, и движение подачи, обеспечивающее перемещение детали или инструмента для резания слоя металла. Это так называемые основные, или рабочие, движения. Кроме них, в станках должны быть обеспечены вспомогательные движения и предусмотрены устройства, необходимые для установки, зажима и перемещения инструмента, контроля операций при обработке, закрепления и снятия заготовки, наладочных операций, охлаждения, смазки и др.

На рис. 3.1 показаны различные способы обработки металлов на металлорежущих станках. При токарной обработке (рис. 3.1, а) главное движение 1 осуществляется вращением заготовки 3, а движение подачи 2 – поступательным перемещением инструмента (резца) 4. При продольном строгании (рис. 3.1, б) главное движение 1 совершает заготовка 3, а движение подачи 2 – резец 4. При фрезеровании (рис. 3.1, в) главное движение 1 осуществляется вращением инструмента – фрезы 4, а движение подачи 2 – поступательным перемещением заготовки 3. При сверлении (рис. 3.1, г) главное движение 1 и движение подачи 2 производятся одновременно вращением и поступательным перемещением инструмента – сверла 4. Заготовка 3 при этом неподвижна. При шлифовании (рис. 3.1, д) главное движение 1 осуществляется вращением инструмента – шлифовального круга 4, а движение подачи двух видов (вращательное 2' и поступательное 2") совершает шлифовальный круг 4 или заготовка 3.

 

а) б) в) г) д)

 

Рис. 3.1. Типовые способы обработки металлов: а – токарная обработка;

б – продольное строгание; в – фрезерование; г – сверление; д – шлифование

 

Современные металлорежущие станки выпускаются в комплекте с электроприводами, осуществляющими как основные, так и вспомогательные движения в соответствии с требованиями технологического режима работы и обеспечивающими высокие технико-экономические показатели оборудования.

Металлорежущие станки в зависимости от вида обработки делят на девять групп, а каждую группу – на десять типов (подгрупп), характеризующих название станков, их компоновку, степень автоматизации или вид применяемого инструмента. Расшифровка обозначений приведена в табл. 3.1, параметры металлорежущих станков приведены в табл. 3.2. Обозначение модели станка состоит из сочетания трёх или четырёх цифр и букв. Первая цифра означает номер группы, вторая – номер подгруппы (тип станка), а последние одна или две цифры – наиболее характерные технологические параметры станка. Например, 1Е116 означает токарно-револьверный одношпиндельный автомат с наибольшим диаметром обрабатываемого прутка 16 мм. Буква, стоящая после первой цифры, указывает на различное исполнение и модернизацию основной базовой модели станка. Буква в конце цифровой части означает модификацию базовой модели, класс точности станка или его особенности. Классы точности станков обозначают: Н – нормальной; П – повышенной; В – высокой, А – особо высокой точности и С – особо точные станки. Принята следующая индексация моделей станков с программным управлением: Ц – с цикловым управлением; Ф1 – с цифровой индексацией положения, а также с предварительным набором координат; Ф2 – с позиционной системой ЧПУ, Ф3 – с контурной системой ЧПУ; Ф4 – с комбинированной системой ЧПУ. Например, 16К20Ф3 означает токарный станок с контурной системой числового программного управления.

Таблица 3.1

Расшифровка обозначений станков

 

Станок	Расшифровка обозначения	Пояснения
6902ПМФ2	Фрезерный, относящийся к разным, повышенной/высокой точности с позиционной системой ЧПУ (буква М означает, что станок имеет магазин с инструментами)	Группа фрезерных станков состоит из станков, использующих в качестве режущего инструмента многолезвийные инструменты фрезы
6904ВМФ2
6906ВМФ2
2204ВМФ4	Многоцелевой (сверлильно-фрезерно-расточной) горизонтальный высокой точности с инструментальным магазином с комбинированной системой ЧПУ	К группе сверлильных станков относятся также расточные. Объединяющим признаком является их назначение – обработка круглых отверстий. Движением резания служит вращательное движение инструмента, которому обычно сообщается также движение подачи. В горизонтально-расточных станках подачу можно осуществлять перемещением стола с деталью
ИР320ПМФ4	Горизонтальный многоцелевой повышенной точности с комбинированной системой ЧПУ (Ивановский завод расточных станков)
ИР500МФ4	Горизонтальный многоцелевой с комбинированной системой ЧПУ (Ивановский завод расточных станков)
ИР800МФ4

 

При позиционном виде ЧПУ перемещение рабочих органов станка происходит в заданной точке. Траектория перемещения не задаётся. При контурном виде ЧПУ перемещение рабочих органов станка происходит по заданной траектории и скорости для получения необходимого контура. В данном случае задаётся интерполяция, путь.

Станки подразделяют на широкоуниверсальные, универсальные (общего назначения), специализированные и специальные. Специализированные и специальные станки обозначают буквенным индексом (из одной или двух букв), присвоенным каждому заводу, с номером модели станка. Например, модель МШ-245 – рейкошлифовальный полуавтомат повышенной точности Московского завода шлифовальных станков.

Таблица 3.2

Параметры металлорежущих станков

 

Параметры	6902ПМФ2	6904ВМФ2	6906ВМФ2	2204ВМФ4	ИР320ПМФ4	ИР500МФ4	ИР800МФ4
Размеры рабочей поверхности стола	320×250	500×400	800×630	500×400	320×320	500×500	800×800
Наибольшая масса изделия, кг
Наибольшее перемещение стола: продольное; поперечное; шпиндельной бабки					–
Расстояние от оси шпинделя до рабочей поверхности стола	15 (min)	65–555	95–725	70–570	0–400	0–500	80–790
Расстояние от торца шпинделя до центра стола или до рабочей поверхности стола	170 (min)	230–730	165–795	240–740	35–435	120–620	180–980
Конус отверстия шпинделя (ГОСТ 15945-82)
Вместимость инструм. магазина, шт.
Наибольший диаметр инструмента: без пропуска гнёзд; с пропуском гнёзд		–
Число ступеней вращения шпинделя					б/с
Частота вращения шпинделя, мин^–1	5–2500	32–2000	1,5–1600	32–2000	13–5000	21,2–3000	21,2–3000
Рабочие подачи, мм/мин	2,5–400	2,5–2500	2,5–2500	2,5–2500	1–3200	1–2000	1–2000
Наибольшая сила подачи стола, кН		7,5
Ускоренное перемещение, мм/мин				10 000	10 000	8000–10 000	10 000
Мощность электродвигателя привода главного движения, кВт		4,5		6,3	7,5
Масса, кг						11 370	12 500

 

Исходными данными для проектирования служат технические характеристики многоцелевых станков, приведенные в табл. 3.2, направление подачи, метод обработки и материал детали. Все станки – с горизонтальной компоновкой, с центральным расположением шпиндельной бабки, с крестовым поворотным столом. На всех станках можно выполнять фрезерование, сверление, зенкерование, развертывание, растачивание отверстий, нарезание резьбы метчиками.

Привод главного движения осуществляет движение резания, требующее наибольших затрат мощности. На токарных станках таким движением является вращение заготовки, на фрезерных, сверлильных и расточных – вращение режущего инструмента (фрезы, сверла, расточного резца).

Привод подачи осуществляет взаимное перемещение инструмента и заготовки. На токарных станках такими движениями являются продольное и поперечное перемещения суппортов с резцами, на фрезерных – перемещение стола с заготовкой, на сверлильных – перемещение пиноли.

Внешний вид многоцелевого станка ИР500МФ4 приведен на рис. 3.2, компоновочно-кинематическая схема изображена на рис. 3.3.

 

Рис. 3.2. Внешний вид станка ИР500МФ4

 

 

Привод главного движения

 

В электроприводах главного движения металлорежущих станков полезным является усилие резания. Оно зависит от режимов резания (глубины, подачи, скорости), материала обрабатываемого изделия и режущих свойств инструмента. Поэтому, прежде всего при известном материале изделия выбирают технологические режимы резания на каждом переходе обработки. Соответственно выбирают резцы, их тип, геометрию и способ охлаждения, определяют длины обработки и по справочникам режимов резания назначают глубины резания t, подачи sдля каждого перехода, рассчитывают скорость и усилие резания по эмпирическим формулам [12].

 

Рис. 3.3. Схема компоновочно-кинематическая станка ИР500МФ4: 1 – стол; 2 – шпиндель; 3 – инструментальный магазин

 

При вращательном главном движении в станках токарной группы, расточных, фрезерных, сверлильных и шлифовальных, момент на шпинделе станка от усилия резания будет равен

М_р = F_zd/2, (3.1)

где F_z– усилие резания, Н;

d – диаметр обрабатываемого изделия или инструмента, м.

Далее определяется полезный момент на валу двигателя

М_пол = M_р/i = F_zd/2i, (3.2)

где i – передаточное отношение от вала двигателя к шпинделю станка.

Момент статического сопротивления на валу двигателя определяется с учетом потерь на трение в передачах

М_с = М_ном/η, (3.3)

где h – КПД передач от шпинделя или стола станка к двигателю, в которые входят редукторы, коробки скоростей и другие передачи.

В результате технологической проработки, выполняемой на стадии проектирования с учетом номенклатуры режущего инструмента и набора представительных деталей, предназначенных для обработки на данном станке, формируются технические характеристики станка и, в частности, зависимость эффективной мощности Р_ЭФФ главного привода от частоты вращения шпинделя.

Процесс обработки происходит при постоянной мощности резания

Р_z = F_zu, (3.4)

поскольку соблюдается соотношение

F_{z max}u_min = F_{z min}u_max. (3.5)

Расчет усилия резания для каждого типа станка имеет свои особенности, поэтому для расчета необходимо пользоваться специальной литературой [12]. Например, нагрузка на валу главного двигателя карусельного станка (вращение планшайбы) складывается из усилий, затрачиваемых на резание, и усилий трения в направляющих планшайбы и передачах коробки скоростей, которые непостоянны и зависят от скорости планшайбы. Мощность главного электропривода тяжелого карусельного станка складывается из мощностей, затрачиваемых на резание, на преодоление трения в направляющих планшайбы, на преодоление потерь в коробке скоростей от резания и от вращения планшайбы. Усилия трения, зависящие от скорости, оказывают влияние и на переходные процессы главного привода.

В металлорежущих станках при расчетах режимов резания обычно, минуя определение усилия резания и момента, по эмпирическим формулам или таблицам-картам подсчитывают мощность резания, далее с учетом потерь в передачах находят значения мощности на валу двигателя для каждого перехода обработки детали и на холостом ходу, а затем строят нагрузочные диаграммы в виде необходимой мощности двигателя за цикл.

Предварительно выбирают двигатель, исходя из среднего значения нагрузки за цикл с запасом на 20–30 % по мощности

Р_ном» (1,2…1,3)Р_ср, (3.6)

где Р_ном– номинальная мощность двигателя;

Р_ср – среднее значение необходимой мощности за цикл.

Выбранный двигатель проверяют по нагреву для полученной диаграммы нагрузки методом средних потерь для случая асинхронного двигателя и методом эквивалентных значений, если применяется ДГТТ с регулированием скорости.

Если двигатель работает в повторно-кратковременном режиме, то при расчете мощности следует учитывать длительность переходных процессов, а при методе средних потерь, кроме потерь энергии в установившемся движении, следует подсчитывать потери энергии, имеющие место при пуске и торможении двигателя.

После проверки двигателя по нагреву его следует проверить по допустимой кратковременной перегрузке

М_max < τ_д М_ном, (3.7)

где М_max – максимально возможный в рабочем цикле момент;

τ_д – коэффициент допустимой перегрузки;

М_ном – номинальный момент выбранного двигателя.

Привод подачи

 

Привод подачи обеспечивает перемещение рабочего органа станка (стола, каретки, суппорта и т. п.). Типовая кинематическая схема исполнительного механизма электромеханического привода подачи приведена на рис. 3.4.

Основным видом тягового устройства станков с ЧПУ является передача винт-гайка качения или шарико-винтовая передача. Эта передача используется в приводах подачи и позиционирования столов, суппортов и других подвижных узлов станков. Широкое применение передачи обусловлено высоким КПД, связанным с низкими потерями на трение, незначительным влиянием частоты вращения винта на силу трения, отсутствием осевого зазора и достаточно высокой жесткостью.

Рис. 3.4. Схема исполнительного механизма привода подачи

 

К недостаткам передачи винт-гайка качения относят сложность конструкции, высокую трудоемкость изготовления, отсутствие самоторможения.

Передача винт-гайка качения включает винт, гайку, шарики и устройство возврата шариков.

В передаче распространен полукруглый профиль резьбы, как наиболее технологичный.

Предварительный натяг, повышающий точность и жесткость передачи, создается и регулируется путем взаимного осевого смещения или поворота двух гаек. По конструкции механизмов передачи винт-гайка качения бывают в основном трех типов:

- передачи с двумя гайками, снабженными зубчатыми венцами;

- передачи с односторонней регулировкой натяга;

- передачи с двумя гайками по DIN 69051.

Эти конструкции различаются методами регулирования натяга и устройствами для возврата шариков. Конструкции и основные размеры этих передач приведены в литературе [12].

За номинальный размер передачи принимают диаметр d₀ условного цилиндра, на котором располагаются центры шариков; р – номинальный шаг. Предпочтительными значениями номинального шага считают 2,5; 5; 10; 20 мм.

В табл. 3.3 приведены размеры передачи по ГОСТ 25329-82.

Таблица 3.3

Размеры передачи по ГОСТ 25329-82

 

Номинальный диаметр d0, мм	Шаг резьбы р, мм	Номинальный диаметр d0, мм	Шаг резьбы р, мм
	2,5		5; 6; 8; 10; 12
	2,5		5; 6; 8; 10; 12; 16
	2,5		5; 8; 10; 12; 16; 20
	2,5; 3; 4; 5		6; 8; 10; 12; 16; 20
	2,5; 3; 4; 5; 6		8; 10; 12; 16; 20
	3; 4; 5; 6; 8		10; 12; 16; 20
	4; 5; 6; 8; 10		10; 12; 16; 20
	4; 5; 6; 8; 10; 12		10; 12; 16; 20

 

Параметры передач винт-гайка качения приводов подач многооперационных станков приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Параметры передач винт-гайка качения

 

Номинальный диаметр d0, мм	Шаг резьбы p, мм	Осевая жесткость, Н/мкм, не менее	Момент холостого хода, Н∙м	Статическая грузоподъемность С0, Н	Динамическая грузоподъемность С, Н
			0,08…0,16	15 500	6 200
			0,1…0,26	20 000	8 900
			0,2…0,5	26 700	11 000
			0,21…0,45	29 900	12 000
			0,33…0,82	35 300	12 300
			0,3…0,76	37 800	13 400
			0,25…0,63	61 100	30 400
			0,52…1,3	44 900	13 500
			0,5…1,2	52 920	15 800
			0,46…1,14	80 200	34 100
			0,45…0,98	81 900	34 500
			0,78…1,95	107 000	38 300
			1,28…3,21	141 000	42 800
			1,04…2,61	212 000	84 300
			2,08…5,2	179 000	47 000
			2,1…5,24	276 000	93 100

 

В электромеханических приводах подачи с бесступенчатым регулированием скорости применяются транзисторные или тиристорные электроприводы на базе двигателей специального исполнения: высокомоментных и малоинерционных двигателей постоянного тока, вентильных и шаговых. Разработаны и частотно-регулируемые асинхронные приводы на базе короткозамкнутых двигателей.

Электроприводы на базе двигателей постоянного тока с постоянными магнитами – коллекторных и вентильных – предусматривают регулирование напряжения на якоре, в двигателях с независимым электромагнитным возбуждением дополнительно изменяется напряжение возбуждения.

В состав исполнительного механизма перемещения входят: электродвигатель М, соединительная муфта 1, тяговое устройство 5 (обычно шарико-винтовая передача) и его опоры 3. В приводе подачи иногда используют редуктор 2. В некоторых станках для реализации быстрых перемещений применяется коробка передач, переключаемая электромагнитными муфтами.

Система управления приводом подачи, как правило, строится по принципу подчиненного регулирования (рис. 3.5), и представляет собой многоконтурную схему, в которой внутренние контуры обеспечивают ограничение промежуточных координат и служат дополнительным средством коррекции для основного контура регулирования положения исполнительного механизма.

 

УЧПУ

 

Рис. 3.5. Схема функциональная следящего привода подачи: 1 – блок задания устройства УЧПУ; 2 – регулятор положения; 3 – комплектный электропривод;

4 – двигатель подачи; 5 – тахогенератор; 6 – суппорт станка; 7 – круговой

измерительный преобразователь обратной связи по положению вала двигателя; 8 – линейный измерительный преобразователь обратной связи по положению

стола; 9 – блок задания коррекции перемещения; 10 – блок сравнения;

11 – регулятор ошибки перемещения; 12 – блок суммирования

 

В качестве внутренних связей применяются отрицательные обратные связи по напряжению и току якоря, частоте вращения и положению вала двигателя. Роль регуляторов внешних контуров регулирования положения играет система ЧПУ. В прецизионных станках большое влияние на точность оказывают зазоры и упругие деформации в кинематической цепи. Линейный измерительный преобразователь контролирует положение суппорта и совместно с ЧПУ обеспечивает автоматическую коррекцию погрешностей кинематики. Дополнительно может применяться адаптивное регулирование, например, стабилизация мощности, усилия, упругих деформаций или температуры резания, оптимизация режима обработки.

С идеально жесткими связями

 

Расчёт нагрузочных диаграмм при пуске, торможении, сбросе и набросе нагрузки сводится к решению уравнения движения (при постоянном моменте инерции J) и уравнения механической характеристики двигателя:

, (4.22)

M = β [ω₀(t) − ω]. (4.23)

При питании от тиристорных преобразователей, когда переходные процессы формируются задатчиком интенсивности,

, (4.24)

где ω_0нач – скорость холостого хода в начале переходного процесса при t = 0;

ξ₀ – угловое ускорение вала двигателя, определяемое по заданной величине допустимого ускорения и рассчитанным значениям динамического момента М_дин и суммарного момента инерции системы:

ξ₀ = М_дин /J. (4.25)

При постоянном статическом моменте М_с и прямолинейной механической характеристике, что справедливо для двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения и для асинхронных двигателей на участке механической характеристики с моментом

М < 0,8М_к, (4.26)

где М_к – критический момент, возможно построение нагрузочных диаграмм по аналитическим выражениям:

(4.27)

(4.28)

J – суммарный момент инерции электропривода и движущихся частей рабочей машины, приведенный к валу двигателя;

М_нач – значение момента двигателя при t = 0;

Т_м – электромеханическая постоянная времени электропривода;

Т_м = J / β; (4.29)

β – жесткость механической характеристики электропривода;

ω_нач – скорость на характеристике ω_0нач, соответствующая статическому моменту М_с

. (4.30)

Следует отметить, что при рассмотрении механического переходного процесса в любой момент времени t в электроприводе с линейной механической характеристикой значения координат ω₀, М и ω связаны соотношениями:

, (4.31)

. (4.32)

Рассматривая t как параметр, получаем уравнение динамической механической характеристики ω(М) исследуемого переходного процесса в параметрической форме при значениях М_с, J_д, ξ₀ и заданных начальных условиях.

Переходный процесс обычно состоит из нескольких этапов, каждый этап соответствует своим значениям М и ξ₀. Каждый этап рассчитывают, полагая в начале этапа

t = 0, ω₀ = ω_нач, М = М_нач, ω = ω_нач.

Значения ω_нач и М_нач определяются из расчёта предыдущего этапа.

При пуске электропривода с реактивным М_с в условиях, когда М_нач < М_с (например, при ω_0нач = 0 и М_нач = 0), двигатель остаётся неподвижным до тех пор, пока момент М(t) не достигнет значения М = М_с. На этом этапе ω = 0, момент изменяется по следующему закону:

М(t) = ξ₀·β·t. (4.33)

Следовательно, время запаздывания

. (4.34)

При питании двигателя от цеховой сети (в схеме магнитного контроллера ω₀(t) = ω_0н = const, ξ₀ = 0), уравнения принимают вид:

(4.35)

. (4.36)

Эти уравнения используются для расчёта переходных процессов пуска, наброса нагрузки, торможения, реверса.

Для двигателей постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения и для асинхронных двигателей при работе их в зоне, близкой к критическому моменту, т.е. при нелинейных механических характеристиках, расчёт нагрузочных диаграмм производится приближенными графическими или графоаналитическими методами [5].

Универсальным методом расчёта переходных режимов является метод кусочно-линейной аппроксимации. Он пригоден для электропривода, питающегося от сети и обладающего механической характеристикой любого вида. При этом пусковые и тормозные механические характеристики разбиваются на участки, позволяющие заменить их прямыми линиями. Каждый участок характеризуется начальной скоростью ω_начi, начальным моментом М_начi, конечной скоростью ω_конi и конечным моментом М_конi.

Электромеханическую постоянную времени электропривода на рассматриваемом участке механической характеристики рассчитывают по формуле

, (4.37)

Время работы (разгона или торможения) электропривода на данном участке характеристики может быть рассчитано по формуле

. (4.38)

Время разгона электропривода от скорости ω_начi = 0 до скорости ω