Автоматизация шлифовального процесса путем разработки автоматической системы управления регулируемым натягом

Трехфазная нагрузка Zа, Zв, Zс (обмотки статора АД) соединена на коротко, а тиристоры VS1--VS6 (рис.3.12), на которых выполнен инвертор, соединены по мостовой схеме и по сигналам от блока управления системы ЧПУ открываются в требуемой последовательности.

Рис.3.12 инвертор управления коротко замкнутого статора.

Продолжительность открытого состояния каждого тиристора , составляет половину или треть периода Тper=l/fper а сдвиг моментов открытия тиристоров VS1 -- VS6 составляет шестую часть этого периода.

Анализируя работу схемы рис. 3.11 оказывается, что при =Трег/2, форма напряжения на фазах нагрузки соответствует кривым на рис. 3.13 с амплитудой напряжения, равной Е0

Рис. 3.13. Диаграмма работы тиристоров и график изменения напряжения на нагрузке, при- =Трег/2

В течении интервала I открыты тиристоры 1 и 6. Напряжение идет с фазы А на фазу В и равно U0 -оно положительно так как идет с плюсового вывода. На интервале II открыты тиристоры 1 и 2, фазы А и С при этом приложенное напряжение меньше в двое и направление токов на обмотке отрицательно.

Таким же образом можно описать схемы соединения фаз обмоток стартера для оставшихся интервалов. Напряжения на фазах нагрузки имеет ступенчатую форму.

Изменения значений фазных токов с помощью регулятора тока позволит менять этот параметр по ширине и скважности сигнала на вход тиристорного инвертора. Сигналы обратной связи по току, приходящие с датчиков, контролирующих этот параметр от двух фаз, приходит на регулятор, где сравнивается с заданными (сформированными) значениями, полученными с управляющей ЧПУ которая и управляет процессом.

Параметры значения величины и амплитуды напряжения на обмотках стартера преобразуется из величины снятого с тахогенератора-вращающегося трансформатора и также регулируются, в зависимости от заданных УЧПУ значений, управляя величиной мощности на управляемом выпрямителе. При поступлении положительных сигналов на вход широтно- импульсного модулятора Uу=Uз-Uос он начинает генерировать импульсы управления. А эти сигналы распределяются регулятором по тиристорам выпрямителя. Пусть при процессе обработки произошло увеличение момента нагрузки двигателя (увеличилась глубина шлифовки) в результате начнется снижение скорости вращения круга. В соответствии с:

Uвых=Up-*,

где

Uвых- напряжение идущее с регулятора.

- коэффициент обратной связи по скорости регулируемый за счет изменения тока с датчиков

Величина сигнала Uу, величина рассогласования в регуляторе влияющая на работу ШИМ, начнет повышаться, что вызовет увеличение амплитуды напряжения обмоток и уменьшения скважности их токов- увеличение тока стартера и момента АД, что приведет к прекращению снижения скорости.

3.10 Регулятор тока

Он включает в себя аналоговую (датчики тока, фазовращатели) и цифровую (схема выбора режимов, дешифратор кодов и формирователи). Датчики тока (ТТ1 и ТТ2) включены только в обмотках фаз А и В

Фазоврашатель представляет собой фильтр второго порядка, настроенный на частоту. ФВ осуществляет формирование синусоидальной формы сигнала ТА', подавляя высокочастотные пульсации. При этом он вносит фазовый сдвиг сигнала ТА' на 60 эл. градусов в сторону отставания по сравнению с сигналом ТА, поступающим непосредственно с датчика тока. Датчик тока построен по принципу магнитного компаратора и конструктивно выполнен на ферритовом кольце.

Рис.3.14 Зависимость индуктивности обмотки lk датчика тока от намагниченности

Магнитное поле, создаваемое фазным током двигателя компенсируется полем тока, протекающего по компенсационной обмотке wk трансформатора тока ТТ1 и ТТ2. Поскольку число витков обмоток Wн и Wk разное, то обеспечивается масштабирование по отношению к измеряемому току. Компенсационный ток Iк формируется импульсным усилителем ИУ, управляемым компаратором D1. Переключение D1 осуществляется производной от ЭДС самоиндукции на обмотке wk. ЭДС зависит от тока в обмотке wk и от индуктивности обмотки (рис. 3.14).

Знак тока Iк зависит от полярности напряжения Е NА на выходе ИУ.

Длительность полу периодов устанавливается автоматически такой, что постоянная составляющая тока Iк в обмотке wk будет пропорциональна измеряемому току Iа.

На выходе ИУ включены индуктивности L1 и L2, исключающие резкое нарастание тока Iк.

В случае, если по какой-либо причине не произойдет переключение D1, нарастание сигнала ТА вызовет пробои стабилитронов VI и V2, что повлечет переключение D1 и возврат к рабочему циклу намагничивания кольца.

Рис. 3.15. Формирователь импульсов управления инвертором.

Схема формирователя сигналов управления инвертором формирует сигналы КА1 и КА4 (фазы А). КB6 и КB3 (фазы B), КC2 и К25 (фазы C). Схема формирователя представлена на рис. 3.15

Изменение уровня напряжения обеспечивается элементами V46, V47, V40,V41, R77, R78.

3.11 Регулятор скорости

И используется в приводе подачи. Он предназначен для формирования сигналов задания фазных токов фаз А и В, для контроля функционирования контура регулирования скорости и выработки сигналов “перегрев двигателя” и “превышение момента” на валу двигателя.

Функциональная схема блока приведена в приложении.

Усилитель регулятора скорости (ОУ Dl, D2) выполнен по схеме ПИ-регулятора, вырабатывающего сигнал задания момента Uq.. Уровень сигнала U определяет задание момента на валу двигателя. Ограничение выполняется диодным ограничителем V6...V9. Повторитель на ОУ D2 служит для согласования ПИ-регулятора с последующими схемами.

Рис. 3.16. Временные диаграммы работы регулятора тока РТ

При превышении уровня на выходе ПИ-регулятора (Dl) срабатывает компаратор D3, расположенный в схеме ФБЛ. Выдается сигнал блокировки ФБ в блок автоматики АП5.

Сигнал задания тока статора Tзс формируется в виде суммы двух векторов, модули которых пропорциональны сигналам Ud и Uq. Векторное суммирование эквивалентно суммированию двух синусоидальных сигналов, смещенных на 60°, амплитуды которых соответственно пропорциональны Ud и Uq. Фаза полученного сигнала зависит от полярности и отношения (Uq/Ud). Суммирование выполняет ОУ D14.

Сигнал задания тока ротора Гзр, пропорциональный Uq, формируется в формирователе ФТР. Этот сигнал определяет (совместно с частотой скольжения) величину и направление момента на валу двигателя.

3.12 Математическое описание асинхронного двигателя

Асинхронная машина представляет собой систему, как минимум двух обмоток, одна из которых расположена на неподвижной части (статоре), другая на вращающейся части (роторе) машины. Момент машины образуется в результате взаимодействия токов в этих обмотках. Трехфазная обмотка статора подключается к питающей сети, трехфазная обмотка ротора замкнутая. Обмотки статора и ротора магнитосвязаны, поэтому потокосцепление обмотки статора определяется как токами, протекающими по трем фазам обмотки статора, так и токами фаз ротора. Это же относится и к обмотке ротора. Таким образом, имеются две трехфазные обмотки, вращающиеся одна относительно другой. Если к обмотке статора приложено трехфазное напряжение, а обмотка ротора замкнута, то мгновенные значения фазных напряжений статора и ротора задаются следующими уравнениями:

 (3.1)

Исходя из теории результирующего вектора, описанной в системе уравнений 3.1, умножим первое и четвертое уравнения системы (1) на , второе и пятое на , третье и шестое на . Суммируя полученные произведения, получим:

,

или

(3.2)

где потокосцепления Y1 и Y2 зависят от токов ротора и статора, а также от индуктивностей обмоток машины.

Определим величины потокосцеплений статора и ротора. Предположим, что статор и ротор трехфазного асинхронного двигателя имеют симметричные обмотки, воздушный зазор по всей окружности ротора одинаков, магнитное поле в воздушном зазоре распределено синусоидально, оси обмоток статора и ротора не совпадают, образуя произвольный угол j (рис. 3.17). Устанавливаем величину полного магнитного потока, сцепленного со статорной обмоткой фазы A. Для этого учитываем магнитные поля, созданные фазными токами I1A, I1B, I1C. Принимаем, что индуктивности фазных обмоток статора одинаковы и равны l1, взаимные индуктивности фаз A-B, A-C и B-C также одинаковы и равны l0 (по условиям симметрии асинхронной машины).

Тогда общий магнитный поток, сцепленный со статорной обмоткой фазы A выразится следующим образом:

.

Подставив вместо I1C величину (-I1A-I1B) (так как сумма фазных токов асинхронного двигателя равна нулю), получим:

.

Проделав аналогичные операции с фазами B и C, запишем следующую систему уравнений:

(3.3)

Заметим, что индуктивность фазной обмотки статора включает в себя индуктивности от полей рассеяния и от главного потока, то есть

l1=l1l+l10 (3.4).

Так как, в общем случае, взаимная индуктивность двух обмоток со сдвинутыми на некоторый угол осями равна произведению взаимной индуктивности, которая имела бы место при совпадении осей обмоток, на косинус угла между осями, то взаимную индуктивность можно выразить соотношением:

(3.5).

Учитывая выражения (4) и (5), преобразуем систему уравнений (3) к следующему виду:

(3.6)

где

L1 = l1l + 1,5l10 = l1l + L0 - полная индуктивность фазы статора.

Рассуждая аналогичным образом относительно обмотки ротора, получим следующие выражения для фазных потокосцеплений роторной обмотки с собственным потоком:

(3.7)

где

L2 = l2l + L0 - полная индуктивность фазы ротора.

Определяем величину общего потокосцепления фазы A статора, созданного намагничивающими силами статора и ротора:

или, учитывая, что I2a + I2b + I2c = 0 и :

Выразив аналогичным образом потокосцепления для фаз статора B и C, запишем следующую систему уравнений:

Учитывая, что и , умножим первое уравнение системы (8) на , второе на , третье на и просуммируем полученные произведения:

или

(3.9).

Таким же образом получим формулу потокосцепления ротора:

. (3.10)

Объединив уравнения (2), (10) и (11), получим систему уравнений обобщенного асинхронного двигателя:

(3.7)

где

L0 - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора,

L1 - индуктивность статора от потоков рассеяния,

L2 - индуктивность ротора от потоков рассеяния.

3.13 Регулирование осевого перемещения ротора

Величина ЭДС в статорной обмотке Е1 двигателя определяется частотой тока 1, магнитным потоком Фм и параметрами статорной обмотки (R об., W).

E1=и1и2и31W1RобФм. (3.12)

Приближенно для напряжения на стартере U1E1

При этом

Фм=***0, (3.13)

где

, -геометрические параметры стартера

- коэфициент полюсного перекрытия (=0.60.8)

0- магнитная индукция в зазоре.

Из уравнений следует, что:

U1 =и1и2и31W1Rоб***0, (3.14)

Откуда

0=U/KU*1, (3.15)

где

КU= и1и2и3W1Rоб**

Примем в качестве допущения, что 0=соnst внутри статора (на участке L), а за его пределами уменьшается по экспотенциальному закону.

0=0е-Кх

Элементарная сила dFа приложенная к участку ротора шириной dx

dFa=kFB2dx= kFB20 e-2Kx dx

после интегрирования получаем:

Fa= (3.16)

Для малых смещений может быть использованна линейная модель зависимости силы от величины смещения.

Fa=KF*B20x=

Момент, развиваемый двигателем:

M=, (3.17)

где

S-скольжение ротора

Ri -параметры сопротивления обмоток

=21 - круговая частота

То есть

MCm

и значит:

Fa==

Регулирование происходит путем управления на входе в преобразователь на выпрямителе. Здесь задается от ЧПУ мощность привода так как система ШИМ позволяет производить регулирование на мощностях меньше наминала. Далее тиристорный инвертор увеличивая и уменьшая U в обмотках статора компенсирует силу Fa смещением ротора магнитным полем, также производя регулирование скорости вращения о момента на валу.

Определим величины потокосцеплений статора и ротора. Предположим, что статор и ротор трехфазного асинхронного двигателя имеют симметричные обмотки, воздушный зазор по всей окружности ротора одинаков, магнитное поле в воздушном зазоре распределено синусоидально, оси обмоток статора и ротора не совпадают, образуя произвольный угол j (рис. 3.17).

4. Бжд

4.1 Анализ опасных и вредных факторов, возможных чрезвычайных ситуаций технического процесса

При механической обработке металлов, пластмасс и других материалов на металлорежущих станках (токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных, заточных и др.) возникает ряд физических, химических, психофизиологических и опасных биологических и вредных производственных факторов.

Движущиеся части производственного оборудования, передвигающиеся изделия и заготовки; стружка обрабатываемых материалов, осколки инструментов, высокая температура поверхности обрабатываемых деталей и инструмента; повышенное напряжение в электроцепи или статического электричества, при котором может произойти замыкание через тело человека - относятся к категории опасных физических факторов.

Так, при обработке хрупких материалов (чугуна, латуни, бронзы, графита, карболита, текстолита и др.) на высоких скоростях резания стружка от станка разлетается на значительное расстояние (3--5 м). Металлическая стружка, особенно при точении вязких металлов (сталей), имеющая высокую температуру (400--600 °С) и большую кинетическую энергию, представляет серьезную опасность не только для работающего на станке, но и для лиц, находящихся вблизи станка. Наиболее распространенными у станочников являются травмы глаз. Так, при токарной обработке от общего числа производственных травм повреждение глаз превысило 50%, при фрезеровании 10% и около 8% при заточке инструмента и шлифовании; Глаза повреждались отлетающей стружкой, пылевыми частицами обрабатываемого материала, осколками режущего инструмента и частицами абразива.

Вредными физическими производственными факторами, характерными для процесса резания, являются повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны; высокий уровень шума и вибрации; недостаточная освещенность рабочей зоны; наличие прямой и отраженной блескости; повышенная пульсация светового потока. При отсутствии средств защиты запыленность воздушной среды в зоне дыхания станочников при точении, фрезеровании и сверлении хрупких материалов может превышать предельно допустимые концентрации. При точении латуни и бронзы количество пыли в воздухе помещения относительно невелико (14,5-20 мг/м3). Однако некоторые сплавы (латунь ЛЦ40С и бронза Бр ОЦС 6-6-3) содержат свинец, поэтому токсичность пыли.

Продукты термоокислительной деструкции (предельные и непредельные углеводороды, а также ароматические углеводороды) могут вызывать наркотическое действие, изменения со стороны центральной нервной системы, сосудистой системы, кроветворных органов, внутренних органов, а также кожно-трофические нарушения. Аэрозоль нефтяных масел, входящих в состав смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ), может вызывать раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей, способствовать снижению иммунобиологической реактивности.

К вредным психофизиологическим производственным факторам процессов обработки материалов резанием можно отнести физические перегрузки при установке, закреплении и съеме крупногабаритных деталей, перенапряжение зрения, монотонность труда.

К биологическим факторам относятся болезнетворные микроорганизмы и бактерии, проявляющиеся при работе с СОЖ.

При работе на станке также нельзя не учесть тяжесть работа персонала во время технологического процесса в производственном помещении. Данные об этом параметре документированы в ГОСТ 12.1.005- 88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. См. Рис.4.1.

Где категория работы “средняя тяжесть 2б” - работы связанные с ходьбой и переноской тяжестей до 10 кг

Допустимые и оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений.

Таблица 4.1

Период года.	Категория работы.	Температура С0	Относительная влажность %	Скорость воздуха м/с.
		оптимальная	допустимая	оптимальная	допустимая	оптимальная	допустимая
холодный	Ср.тяж.2б	17-19	15-21	40-60	Не более75	Не более 0.2	Не более 0.4
Теплый	Ср.тяж.2б	20-22	16-21	40-60	Не более 55 при 28 60 при 27 65 при 26 70 при 25 75 при 24	Не более 0.3	0.2-0.5

К станку подводится напряжение величиной в 380 В и частотой 50 Гц. Прикосновение к токоведущим частям электрооборудования может вызвать серьезные электрические травмы. Допустимые значения силы тока для переменного тока - до 60 мА, для постоянного - 50…60 мА.

Причиной пожара может стать перегрев двигателей или других узлов в результате перегрузок, а также неисправностей, самовозгорания проводки, короткого замыкания силовых цепей. Самовозгорание также может возникнуть из-за используемых в процессе обработки СОЖ поэтому пожароопасность имеет категорию “В”.

4.2 Разработка мер безопасности

В процессе металлообработки основные меры безопасности направлены на предотвращение попадания продуктов резания за зону обработки. В связи с этим на проектируемый шлифовальный станок устанавливают защитный кожух. Также в связи с высокой степенью автоматизации привода допускается и отсутствие оператора во время тех. процесса. Станок имеет повышенную точность изготовления и его конструкция, не имеющая механических приводов для органа главного движения, не дает опасной вибрации и шума.

Оценка уровня шума станка может быть проведена приближенно.

Основным источником шума являются электродвигатели и зона резания.

Уровень шума двигателя оценивается согласно ГОСТ 16372-77

При мощности двигателя в 20 кВт.

Вид станка - шлифовальный.

С учетом номинальной мощности (20кВт) и частотой вращения шпинделя (свыше 3150 мин-1) выбираем уровень шума равный 95дБА. Вносим поправку с учетом вида станка и влияние этого параметра на шум от зоны резания.

ДL=10 дБА.

Lобщ=L + ДL=95+10=105 дБА.

При допустимом уровне шума Lобщ=80 дБА. При этих значениях необходимо использовать звукозащитный кожух, что соответствует КЛАССУ 4 - уменьшение шума на 15 дБА.

Lобщ=105-15=90 дБА.

Рабочее место оператора при станке должно быть удобным и не стеснять действий. Работа по наладке и смене заготовок должна вестись в хорошо оборудованном и освещенном месте. Расчеты освещения и средств по поддержанию микроклимата рабочего места необходимы, так как операция обработки связана с большой точностью и объемом производства, где сбои в программе выпуска недопустимы.

4.2.1 Меры безопасности при работе в производственных помещениях

Производственные помещения, в которых осуществляются процессы обработки резанием, могут соответствовать требованиям СНиП 11-2--80, СНиП 11-89--80, санитарных норм проектирования промышленных предприятий СИ 245--71. Бытовые помещения соответствуют требованиям СНиП II-92--76. Все помещения оборудованы средствами пожаротушения по ГОСТ 12.4.009-83.

Полировальные и шлифовальные отделения помещений относятся соответственно к помещениям взрывопожарных производств категории Б и к классу В.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9