Аннотация 3
Введение 4
1. Анализ работы бесцентрошлифовальных станков и систем электропривода ведущего круга 14
1.1 Обзор бесцентрошлифовальных станков, их назначение и конструкция 14
1.2 Анализ технических характеристик бесцентрошлифовального автоматического станка 20
1.3 Особенности частотного регулирования двигателей 25
1.4 Опции двигателей для частотного регулирования 27
1.5 Работа асинхронных двигателей с регулируемой частотой вращения 35
2. Выбор компонентов для системы вращения ведущего круга 41
2.1 Выбор асинхронного электродвигателя для системы вращения ведущего круга 41
2.2 Выбор серии преобразователя частоты 50
2.3 Преобразователи частоты серии Sinamics G120 53
2.4 Программное обеспечение преобразователей Sinamics 63
2.5 Способы управления и регулирования асинхронного двигателя 64
2.6 Выбор типа преобразователя для бесцентрошлифовального станка 66
2.7 Параметрирование преобразователя частоты и ввод параметров 67
2.8 Монтаж силовой части преобразователя на оборудовании 72
2.9 Монтаж управляющего модуля привода Sinamics G120 74
3. Узлы независимой вентиляции 77
3.1 Устройство узлов независимой вентиляции 77
3.2 Доработка узла независимой вентиляции 80
Заключение 87
Список используемых источников 88
Купить

В последнее время у нас в стране начали проявляться тенденция к росту как в промышленности в целом, так и в машиностроении в частности. Это утверждение, в полной мере, можно отнести и к автомобилестроительной отрасли, которая является одной из сложных и наукоемких машиностроительных производств. От качества ее работы напрямую зависит состояние экономики как отдельных “моногородов” и регионов, в которых сосредоточены данные промышленные кластеры, так и всей страны в общем. Развитие мировых стандартов при производстве автомобилей, таких как экологические ЕВРО 5 и стандарты безопасности, требуют улучшения показателей качества продукции, выпускаемой предприятиями нашей промышленностью до мирового уровня.
Крупнейшим автомобилестроительным заводом в России является ПАО “АВТОВАЗ”, входящий в Альянс “АВТОВАЗ - РЕНО - НИССАН”. Основные производственные площадки ПАО “АВТОВАЗ” расположены в Тольятти и Ижевске. Выпускаемые Альянсом марки и машин пользуются стабильно спросом, даже на фоне общего падения продаж автомобилей. При этом сейчас у потребителя стабильным спросом пользуются как флагманские модели двигателями увеличенной мощности из новой линейки, так и машины в низком ценовом, оснащенные давно спроектированными и выпускаемыми двигателями. Технологическое оборудование, обрабатывающее детали для двигателей предыдущего поколения очень часто модернизируются и включаются в новые технологические проекты, с возможностью производства двух деталей одновременно. В основном все технологические цепочки по производству двигателей являются бездублерными. Производство основных комплектующих как для двигателей разработки АВТОВАЗа так и двигателей РЕНО локализовано на Тольяттинской промышленной площадке, на территории бывшего Механосборочного производства ПАО “АВТОВАЗ”.
Основными структурными подразделениями АВТОВАЗа, занятые в механической обработке, являются расположенные на Тольяттинской площадке следующие производства: Производство коробки передач, Производство двигателей и Производство шасси. На их площадях данных подразделений размещается более 12.000 металлообрабатывающих станков и другого сборочного и сварочного оборудования.
Срок эксплуатации большой части этого парка оборудования превышает более 20 лет, что означает, что на них используются элементы системы управления и исполнительные механизмы, которые в массе уже выработали свой ресурс и требуют замены. Замена многих компонентов данных систем не возможна, так как они уже не выпускаются, или не отвечают современным техническим требованиям.
В современных реалиях производства производственные машины и механизмы должны отличаться большой производительностью при необходимой точности обработки, высоким уровнем автоматизации, облегчающим обслуживание, а также иметь сравнительно невысокую первоначальную стоимость и небольшие эксплуатационные расходы, быть надежными и долговечными.
Ранее, в приводах вращения металлообрабатывающих станков широко применялись двигатели постоянного тока с питанием от системы импульсно фазового управления (СИФУ) или тиристорных преобразователей. Достоинством системы привода с двигателями постоянного тока являются плавность регулирования, относительная лёгкость управления скоростью и направлением вращения. Но при этих положительных моментах данные системы обладают и существенными недостатками: наличие щёточно-коллекторного узла, большой момент инерции ротора, наличие двух обмоток: статора и ротора, которые, как правило, требуют отдельных источников питания. А в случае выхода из строя двигателя и необходимости в его перемотке временные и ценовые затраты на это сопоставимы с 50% стоимости нового двигателя.
До 90 годов основной причиной, по которой привод переменного тока не находил широкого применения, являлась сложность регулирования частоты вращения. В настоящее время существует богатый выбор разнообразных силовых полупроводниковых приборов, что позволяет строить любые схемы для управления электродвигателями.
Современный электропривод является одним из основных звеньев автоматизации всех отраслей производства, и уровень его развития определяет возможность решения задач, связанных как с повышением производительности работы оборудования, точности позиционирования. [1] Широкое применение быстродействующих систем электропривода привело к изменению и упрощению конструкций станков и механизмов, дало возможность повысить точность и плавность регулирования числа оборотов, чего нельзя было добиться с помощью гидро и пневмоприводов. Также стоит отметить, что для функционирования пневмо и гидропривода требуется установка отдельных дополнительных устройств, обеспечивающих подачу и подготовку рабочей среды для данного вида привода.
В современных реалиях электропривод постоянного тока стал использоваться в основном только в достаточно специфичных и мощных механизмах. А большинство электроприводных систем с ДПТ стали заменяться на электропривод с асинхронным электродвигателем и синхронными бесколлекторными машинами (серводвигателями), так как такие двигатели практически не имеют ограничений по максимальной скорости вращения и мощности, так как в исполнительных устройствах (двигателях), применяемых в данных системах отсутствуют вращающиеся механические устройства осуществляющие токосъем.
Основное направление применения частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) это замена электропривода с двигателями постоянного тока. В металлообрабатывающей промышленности это в основном оси подач на шлифовальных, токарных и фрезерных станках и всевозможные варианты привода главного движения. Но свои окончательные геометрические размеры деталь обычно получают после обработки их на шлифовальных станках различных типов.
На сегодняшний момент в ПАО “АВТОВАЗ” использует большой парк технологического оборудования, часть которого в силу морального и износа и повышения требований к качеству обработки требует изменения систем управления. Одной из основных групп станков, работа которых напрямую определяет качество выпускаемых деталей являются шлифовальные станки. Шлифовальные станки в основном проводят финишную обработку детали, что означает что от их нормальное функционирование в целом определяет общее качество продукции на выходе. Существует значительное количество разных видов шлифовальных станков, в общем можно разделить по виду обработки: 1) внутренняя шлифовка 2) внешняя шлифовка 3) плоская шлифовка 4) бесцентровая шлифовка [9]. Производительность данных типов станков в основном зависит от профиля обрабатываемой детали, чистоты обработки, материала заготовки и т.д. Внешний вид станков с различными вариантами шлифовального оборудования представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Внешний вид шлифовальных станков
а) Плоскошлифовальный станок б) Круглошлифовальный станок в) Бесцентрошлифовальный станок”
Обычно для первого и второго типа шлифования характерно обработка единичного изделия, которое часто характеризуется достаточно большим временем обработки. Для третьего и четвертого вариантов обработки часто характерна поточная обработка деталей с достаточно большой производительностью часто выполняемая “на проход” 2-3 станками. Это означает, что итоговое качество детали будет напрямую зависеть от того, как качественно настроены все станки, задействованные в финишной обработке. А итоговое время операции будет зависеть от времени работы самого медленного станка [9]. В случае нарушения чистоты шлифовки в основном детали возможно перешлифовать на последнем станке в цепочке, что частично избавляет от брака, но увеличивает время обработки и повышает затраты при их производстве. Так как данный вид шлифовки достаточно производительный, а выходной контроль при больших объемах возможен только или выборочный или же достаточно редкий, то подобные потери в качестве и времени на доработку значительно влияют как на качество, так и на стоимость узлов и агрегатов в целом. Чаше всего такие станки делают финишную обработку небольших деталей округлой формы, потребность в которых достаточно высока: седла, штока, втулки, толкатели и т.д.
А так как каждое обособленное подразделение (ПД, ПШ, ПКП) вынуждено учитывать подобные потери в себестоимости продукции, то проблема выпуска качественной и массовой продукции является достаточно актуальной.
Например, для бесцентрошлифовальных станков одной из причин возникновения дефектов в обработке является неравномерность вращения ведущего круга, что приводит к разной чистоте обработке одной и той же детали в разных местах, что приводит к ее повторной шлифовке уже вне потока. Одной из основных причин неравномерного вращения ведущего круга у таких станков является система регулирования оборотов ведущего круга.
Для проведения модернизации системы регулирования вращения ведущего круга было предложено использовать асинхронный электродвигатель с управлением от преобразователя частоты, так как за последние 20 лет преобразователи частоты получили широкое распространение, имеют достаточно хорошие показатели регулирования, надежны и недороги.
Электропривод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления её технологическим процессом. Он, в общем, состоит из четырёх частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, передаточного устройства, передающего механическую энергию рабочему органу оборудования, преобразователя и системы управления, обеспечивающей оптимальные режимы управление технологическим процессом.
Производство преобразователей частоты, предназначенных для управления асинхронными электродвигателями, на данный момент освоено многими компаниями, как за рубежом, так и в России. Они выполненные с использованием современных прогрессивных технологий в области цифровой электроники и обладают большим функционалом.
Однако вопрос массового применения таких преобразователей для большинства управляемых и прецизионных осей оборудования отчасти обусловлен отсутствия самого исполнительного механизма для частотного электропривода, то есть специализированного асинхронного электродвигателя.
Обычный серийный асинхронный электродвигатель общепромышленного назначения не всегда может удовлетворить условиям работы оборудования в режиме частотного управления, так как не обладает датчиками положения (энкодерами), встроенными термодатчиками, быстродействующими (усиленными) рабочими тормозами, принудительной вентиляцией и т.д.
Для создания таких двигателей часто требуется изменение конструктивной основы базового электродвигателя с необходимостью максимально унифицировать применяемые запасные части и элементы конструкции от серийных электродвигателей. Это требует конструкторских разработок и экспериментальных исследований.
Например, на данное время у нас в стране предприятиями группы компаний ВЭМЗ и НИИПТИ и ELDIN на базе стандартных серий двигателей изготавливаются электродвигатели специальных конструктивных исполнений предназначенные в качестве приводов подач и приводов главного движения металлорежущих станков. В основном это станки нормального класса точности, которые подверглись модернизации.
Точность станков, в зависимости от применяемых датчиков обратной связи и состояния механической части, составила от ±1 до ±5 мкм “по электронике” и от 0.003 до 0.20 мм по обработке.
Но подобного рода электродвигатели, несмотря на то , что они выпускаются мелкосерийно все равно остаются практически штучным товаром, изготавливаемым для каждого заказчика отдельно. Это напрямую влияет на время их поставки потребителю и их стоимость, которая может отличаться в зависимости от опций двигателя более чем на 200% по сравнению с таким же серийным двигателем.
Также стоит отметить, при модернизации промышленного оборудования для доработки стандартных асинхронных двигателей при использования их совместно с частотными преобразователями отдельные производители, как в России, так и за рубежом выпускают дополнительные опции для асинхронных двигателей: такие как установочные комплекты для крепления к двигателям датчиков положения (энкодеров), как внутри кожуха, так и снаружи, комплекты для изменения типа и системы вентиляции двигателей, что в основном необходимо при наличии датчика положения (энкодера), навесные рабочие и стояночные тормоза. Все это отчасти дает возможность самостоятельного оснащения требуемого двигателя опциями необходимыми для превращения его в АДЧР двигатель. Они в основном делаются также с применением стандартизованных деталей от серийных двигателей. Но с учетом дороговизны данных опций применение их в условиях больших предприятий, где система закупки в основном достаточно инертны и растянуты по времени и в основном ориентированы на покупку уже применяемой массовой номенклатуры, используемой в ремонтных подразделениях. А заказ подобного рода опций для двигателей в единичных количествах или крайне небольшими партиями в основном экономически не оправдан и растягивается на очень длительный срок, не менее чем 6-8 месяцев.
На ПАО “АВТОВАЗ” имеются достаточно большой оборотный фонд электрических двигателей всех типов (более 15000 единиц), из которых более 70% это стандартные асинхронные двигатели, российского и импортного производства.
Для ремонта данных двигателей в ремонтных подразделениях функционируют бригады централизованного ремонта, которые выполняют все виды ремонта двигателей и их составляющих кроме перемотки, которая функционально возложена на Энергетическое производство. В данных бригадах имеет достаточно большой фонд запасных частей как новых, и от различных списанных двигателей, который позволяет восстанавливать практически любые двигатели.
В связи с этим было предложено рассмотреть возможность самостоятельно в условиях бригады централизованного ремонта доработать конструкцию стандартного асинхронного электродвигателя с целью получения двигателя для работы с преобразователем частоты, т.е. АДЧР двигателя для модернизации системы вращения ведущего круга бесцентрошлифовального станка ф. “Lidkoping”
Целью диссертационной работы является уменьшение затрат на модернизацию системы вращения ведущего круга бесцентрошлифовального станка путем доработки серийного асинхронного двигателя под задачи частотного регулирования.
Поставлены и решены следующие задачи:
1) по существующей нагрузочной характеристике и тахограмме рассчитана мощность электродвигателя для новой системы электропривода;
2) разработана система управления на базе частотного преобразователя для бесцентрошлифовального металлообрабатывающего оборудования.
3) произведен выбор осевого вентилятора с целью внедрения узла независимой вентиляцией для двигателя.
Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлено с помощью программного пакета Mathcad 14, схема разработана в пакете Splan.
Практическая значимость работы заключается адаптации серийного асинхронного двигателя под задачи частотного управления в системе вращения ведущего круга металлообрабатывающего оборудования в условиях производства.
Структура и объем работы.
Магистерская диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 40 наименований.
Основное содержание работы изложено на 91 странице, содержит 47 рисунков и 3 таблицы. Основные тезисы, изложенные в работе, опубликованы в следующих статьях:
1) Махнев П.С. Анализ технических устройств бесцентрошлифовального автоматического станка. // Сборник статей Международной научно-практической конференции “Физико-математические и технические науки как постиндустриальный фундамент эволюции информационного общества”, Самара, 25 марта 2018, С.67-70.
2) Махнев П.С. Работа асинхронных двигателей с регулируемой частотой вращения. // Сборник статей Международной научно-практической конференции “Методы проектирования и оптимизации технологических процессов”, Новосибирск, 11 марта 2018, C. 22-25.
3) Махнев П.С. Выбор асинхронного электродвигателя для бесцентрошлифовального станка // Сборник статей Международной научно-практической конференции “Методы проектирования и оптимизации технологических процессов”, Самара, 25 марта 2018, С.63-67.
Купить