Введение 4
1 Анализ работы мехатронного модуля подачи инструмента токарного станка 10
1.1 Устройство токарного станка фирмы «Cross» 10
1.2 Режимы работы прецизионного токарного модуля 15
1.3 Динамика работы токарного модуля 20
1.3.1 Требуемое усилие резания при токарной обработке 20
1.3.2 Тахограмма работы токарного модуля 22
1.4 Постановка задачи синтеза системы управления токарного модуля 23
2 Анализ и синтез процессов в линейном двигателе мехатронного токарного модуля 27
2.1 Разработка математической модели линейного электропривода 27
2.1.1 Общие подходы к построению математических моделей 27
2.1.2 Уравнения механической части линейного двигателя 33
2.1.3 Уравнение электрической части линейного двигателя 35
2.1.4 Система уравнений и структурная схема линейного двигателя мехатронного токарного модуля 37
2.1.5 Представление уравнений двигателя в относительных единицах 38
2.2 Разработка новой конструкции двигателя 42
2.3 Разработка инженерной методики расчета параметров двигателя 45
2.3.1 Определение параметров обмотки двигателя 46
2.3.2 Определение пускового тока и максимального пускового усилия 49
2.3.3 Расчет массы якоря двигателя 50
2.4 Сравнение значений развиваемой силы и магнитной индукции в рабочем зазоре двигателей 51
3 Расчет параметров двигателя и разработка системы управления мехатронного токарного модуля 58
3.1 Расчет параметров разработанного линейного двигателя мехатронного токарного модуля 58
3.1.1 Определение параметров обмотки двигателя 59
3.1.2 Определение пускового тока и максимального пускового усилия 62
3.1.3 Расчет массы якоря двигателя 63
3.2 Сравнение параметров двигателей и проверка расчетных данных на модели 64
3.2.1 Проверка расчетных данных на моделях в относительных единицах 73
3.3 Синтез системы управления мехатронного токарного модуля 80
3.4 Оценка температурного режима разработанного двигателя 99
3.5 Картина магнитостатического поля разработанного двигателя 100
3.6 Испытания линейного двигателя 102
Основные выводы и результаты работы 117
Список использованной литературы 118
Приложение 122
Купить

Техническое перевооружение промышленности и выход на новые высокие технологии обеспечивающие увеличение производительности оборудования за счет увеличения скоростей перемещения и снижения времени вспомогательных операций предполагает обновление используемой базы оборудования и автоматизированных технологических комплексов.
Функции и задачи, возлагаемые на общепромышленные механизмы, обуславливают большое многообразие их электроприводов, от технического совершенства которых в значительной степени зависят производительность, надежность работы, простота обслуживания и возможности автоматизации общепромышленных механизмов. В настоящее время без применения автоматизированного электропривода не обходится не одно из таких систем и производств как пассажирские и грузовые подъемники различной конструкции, канатные дороги, эскалаторы, различные конвейеры, осуществляющие транспортировку людей, промышленная робототехника, медицинская промышленность, системы тепло-, газо - и водоснабжения.
Основным элементом электропривода, непосредственно преобразующим электрическую энергию в механическую, является двигатель, который обеспечивает соответствующие динамические характеристики электропривода, отвечающие требованиям того, или иного производственного механизма. Речь идет не только о сообщении машине вращательного или поступательного движения, но главным образом, об обеспечении с помощью автоматизированного управления оптимального режима работы машины, при котором достигается наибольшая производительность при высокой точности.
По некоторым данным, более 50% серийных электроприводов используется в производственных механизмах с поступательным или возвратно-поступательным движением рабочего органа. В качестве приводов подачи для преобразования вращательного движения электродвигателя в прямолинейное поступательное движение рабочего органа в станках применяют реечные передачи, винтовые пары (скольжения и качения), кулисные, кулачковые механизмы и др.
Реечная передача служит для преобразования вращательного движения реечного колеса в поступательное перемещение рейки и наоборот. Реечная передача может быть выполнена с прямозубым или косозубым зацеплением колеса с рейкой и используется в металлорежущих токарных станках, имеющих относительно небольшие массы перемещаемых механизмов, для осуществления продольного движения суппорта с резцом относительно обрабатываемой заготовки.
Основным недостатком реечной передачи является снижение точности в результате износа зубчатого зацепления, в связи с чем, в приводах подач тяжелых станков для продления срока службы применяют червячно-реечную передачу, между профилями которой, для уменьшения трения червяк-рейка, подается под давлением тонкий слой масла.
Винтовая передача применяется в тех случаях, когда нужно получить движение с малыми скоростями. Вращение сообщается винту, а гайка и связанные с нею стол или салазки перемещаются по прямолинейной траектории поступательно.
В передачах винт—гайка скольжения станков с ручным управлением используют резьбу треугольного и прямоугольного трапецеидального профиля. Треугольную резьбу применяют для точных перемещений в микрометрических винтах, в винтах делительных и измерительных машин. Прямоугольную и трапецеидальную резьбу используют для ходовых винтов.
Прецизионные металлорежущие станки оснащают безлюфтовой передачей винт—гайка скольжения, в которой применяют сдвоенные гайки, расположенные в одном корпусе. При вращении ходового винта в одном направлении суппорт будет перемещаться от левой гайки, а при смене направления вращения правая гайка сразу передаст движение суппорту в противоположном направлении. В такой конструкции люфт не выбирается, так как гайки работают каждая на свое направление.
Недостатками передачи винт—гайка скольжения являются большие потери на трение, низкий КПД, невозможность применения при быстрых перемещениях, поскольку скорость скольжения профиля резьбы винта относительно профиля гайки в 10...40 раз превышает скорость осевого перемещения жестко скрепленного с гайкой узла.
В приводах подачи станков с ЧПУ применяется передача винт—гайка качения (ВГК) представляющая собой шариковую винтовую пару (ТТТВП) с полукруглым профилем. При использовании ТТТВП для точных перемещений где недопустим осевой зазор, ВГК выполняют по аналогии с передачей винт— гайка скольжения. В едином корпусе размещают две гайки, смещенные одна относительно другой по винтовой линии, что создает безлюфтовую передачу. Путем затягивания резьбовых соединений создаются предварительные осевые усилия, и тела качения вместо точечного контакта с дорожкой качения имеют контакт по небольшой поверхности, повышая таким образом осевую жесткость ШВП.
Преимуществами ТВП являются высокая жесткость и отсутствие зазора в соединении; возможность передачи больших усилий; низкие потери на трение, КПД 0,9...0,95; малые крутящие моменты на ходовом винте при холостом ходе; весьма малое трение покоя, что способствует обеспечению устойчивости движения; высокая точность (за счет предварительного натяга); высокая чувствительность к малым перемещениям; длительное сохранение точности, малое тепловыделение, снижающее температурные деформации винта и повышающее точность обработки.
К недостаткам ТВП относятся отсутствие самоторможения, сложность изготовления, высокая стоимость, необходимость надежной защиты от стружки и других отходов металлообработки.
Кулисные механизмы с вращающейся кулисой обеспечивают большую скорость при обратном холостом ходе и плавность движения. Кулисное колесо получает вращение от коробки передач через зубчатое колесо, а сама кулиса совершает вращательное движение, которое с помощью серьги преобразуется в поступательное прямолинейное движение ползуна станка.
Недостатками кулисного механизма является сложность механической передачи из-за профиля, описываемого в пространстве механизмом передачи движения между кулисным колесом и кулисой, а также неравномерность скорости рабочего.
Кулачковые механизмы применяются чаще всего на одношпиндельных и многошпиндельных токарных автоматах с дисковыми и цилиндрическими кулачками. Поступательное движение в таких станках создается за счет взаимодействия профиля кулачка и исполнительного механизма.
Основным недостатком кулачковых механизмов передачи является снижение точности перемещения при износе кулачка.
Актуальность темы. В последнее время активно развивается направление науки — мехатроника, базирующееся на достижениях механики, электроники, автоматики и информатики. Именно интеграция знаний в этих областях науки и техники позволила совершить качественный скачок в создании принципиально новых узлов-модулей станочного оборудования — мехатронных модулей.
На базе мехатронных модулей разрабатываются станки нового поколения, оснащенные электроприводами прямого действия (Direct Drive), в конструкциях которых отсутствуют промежуточные кинематические звенья (редукторы, коробки передач, устройства преобразования вращательного движения в линейное и др.). Преимущества двигателей прямого действия наиболее ярко проявляются в высокоточных (прецизионных) и динамичных электроприводах. Отсутствие механических передач позволяет исключить кинематические погрешности движения, связанные с геометрией зубчатого зацепления, люфтами и пр. Для приводов прямого действия используются высоко моментные двигатели вращательного движения или линейные двигатели с большим тяговым усилием.
Для механизмов, в которых рабочий орган совершает линейные движения (механизмы подачи металлорежущих станков, манипуляторов и др.), а также для механизмов возвратно-поступательного движения, например, поршневых насосов, весьма перспективным стало использование приводов прямого действия на базе асинхронных, синхронных и шаговых линейных электродвигателей, непосредственно осуществляющих прямолинейное движение, что позволяет исключить передаточный механизм в виде преобразователя движения. Это позволяет решать задачу максимального сочленения, сращивания источника механической энергии - электродвигателя и исполнительного механизма, вследствие чего в некоторых видах линейного автоматизированного электропривода становится невозможным различить границы между источником питания, системой управления, собственно электродвигателем и исполнительным механизмом.
Существенно более высокие технические характеристики электроприводов подачи с линейными двигателями (максимальная скорость до 200 м/мин, ускорение до 5 g, отсутствие ограничения по длине перемещения), позволяют создать принципиально новые компоновки станков и реализовать концепции высоких технологий: высокоскоростную обработку, субмикронную обработку и др.
Немаловажной проблемой использования линейных двигателей является необходимость разработки простых инженерных методов наладки и тестирования систем при вводе в эксплуатацию и последующем обслуживании, в связи с чем, тема диссертации и рассматриваемые вопросы очень актуальны в настоящее время.
Объектом исследования в настоящей работе является мехатронный токарный модуль с линейным двигателем малого перемещения.
Предметом исследования является совершенствование конструкции модуля и системы управления, а также разработка инженерной методики определения параметров двигателя, расчета режимов его работы и настроек системы управления.
Целью диссертационной работы является разработка инженерной методики расчета параметров и оптимизации системы управления линейного прецизионного электропривода малого перемещения, позволяющего обеспечить высокие скорости и ускорения линейных перемещений основных операций технологических процессов.
Поставлены и решены следующие задачи:
• Разработать конструкцию двигателя, повышающую его надежность;
• Разработать инженерную методику определения параметров двигателя и расчета режимов его работы.
• Разработать систему управления мехатронного модуля, обеспечивающую работу с требуемыми показателями и методику ее настройки;
Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлено методами натурных исследований мехатронного токарного модуля, а также моделированием в программных пакетах Elcut и MATLAB.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке новой конструкции двигателя, инженерной методики его расчета и системы управления линейного прецизионного электропривода малых перемещений.
Практическая значимость работы заключается в определении оптимальных параметров обмотки электродвигателя линейного прецизионного электропривода малых перемещений, обеспечивающих работу мехатронного модуля с заданными показателями при первичном вводе в эксплуатацию и последующем обслуживании.
Структура и объем работы. Магистерская диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 32 наименований и одного приложения. Основное содержание работы изложено на 121 странице, содержит 58 рисунков и 4 таблицы.
Купить