Модернизация электропривода подачи вертикально-фрезерного станка модели ВМ127
|
АННОТАЦИЯ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СРАВНЕНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ПЕРЕДОВЫХ
ЗАРУБЕЖНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ 10
1.1 Общее сопоставление возможностей преобразователей
частоты 10
1.2 Особенности преобразователя частоты HITACHI j 150-055HFE4 11
1.3 Особенности преобразователя частоты Сапфир АП-140 13
1.4 Особенности преобразователя частоты Триол АТ04 14
1.5 Особенности преобразователя частоты ВЕСПЕР Е1-8000 15
1.6 Особенности преобразователя частоты LG JS5-RUS 16
Выводы по части один 16
2 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВЕРТИКАЛЬНО-ФРЕЗЕРНОГО
СТАНКА МОДЕЛИ ВМ127 16
2.1 Назначение и область применения 16
2.2 Описание конструкции станка 16
2.3 Электрооборудование станка 19
2.4 Сведения о блокировках, системе сигнализации и защите 21
2.5 Гидравлическая аппаратура 22
2.6 Основные технические данные и характеристики 22
2.7 Обоснование модернизации привода подачи 24
Выводы по части два 24
3 РАСЧЁТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ 25
3.1 Расчет нагрузок на валу двигателя 25
3.2 Выбор двигателя 26
3.3 Формулирование требований к электроприводу 27
3.4 Выбор преобразователя частоты 27
Выводы по части три 29
4 СТАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ПРИВОДА 30
4.1 Статический расчёт привода 30
4.2 Расчёт динамических характеристик привода 33
Выводы по части четыре 46
5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 47
5.1 Общие положения 47
5.2 Оценка годовой производительности станка 47
5.3 Определение капитальных затрат 47
5.4 Определение эксплуатационных расходов 49
5.5 Определение приведенных затрат по вариантам систем
электроприводов и экономического эффекта от использования нового оборудования 51
5.6 Определение экономической эффективности использования предварительно выбранной системы 51
электропривода
Выводы по части пять 54
6 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 55
6.1 Социальное значение безопасности жизнедеятельности 55
6.2 Опасные и вредные производственные факторы при
фрезеровании изделий 55
6.3 Разработка технических и организационных мер по уменьшению
влияния опасностей и вредностей на организм человека 59
6.4 Пожарная безопасность 62
6.5 Процесс механической обработки металлов как источник
загрязнения окружающей среды 63
Выводы по части шесть 65
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СРАВНЕНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ПЕРЕДОВЫХ
ЗАРУБЕЖНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ 10
1.1 Общее сопоставление возможностей преобразователей
частоты 10
1.2 Особенности преобразователя частоты HITACHI j 150-055HFE4 11
1.3 Особенности преобразователя частоты Сапфир АП-140 13
1.4 Особенности преобразователя частоты Триол АТ04 14
1.5 Особенности преобразователя частоты ВЕСПЕР Е1-8000 15
1.6 Особенности преобразователя частоты LG JS5-RUS 16
Выводы по части один 16
2 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВЕРТИКАЛЬНО-ФРЕЗЕРНОГО
СТАНКА МОДЕЛИ ВМ127 16
2.1 Назначение и область применения 16
2.2 Описание конструкции станка 16
2.3 Электрооборудование станка 19
2.4 Сведения о блокировках, системе сигнализации и защите 21
2.5 Гидравлическая аппаратура 22
2.6 Основные технические данные и характеристики 22
2.7 Обоснование модернизации привода подачи 24
Выводы по части два 24
3 РАСЧЁТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ 25
3.1 Расчет нагрузок на валу двигателя 25
3.2 Выбор двигателя 26
3.3 Формулирование требований к электроприводу 27
3.4 Выбор преобразователя частоты 27
Выводы по части три 29
4 СТАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ПРИВОДА 30
4.1 Статический расчёт привода 30
4.2 Расчёт динамических характеристик привода 33
Выводы по части четыре 46
5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 47
5.1 Общие положения 47
5.2 Оценка годовой производительности станка 47
5.3 Определение капитальных затрат 47
5.4 Определение эксплуатационных расходов 49
5.5 Определение приведенных затрат по вариантам систем
электроприводов и экономического эффекта от использования нового оборудования 51
5.6 Определение экономической эффективности использования предварительно выбранной системы 51
электропривода
Выводы по части пять 54
6 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 55
6.1 Социальное значение безопасности жизнедеятельности 55
6.2 Опасные и вредные производственные факторы при
фрезеровании изделий 55
6.3 Разработка технических и организационных мер по уменьшению
влияния опасностей и вредностей на организм человека 59
6.4 Пожарная безопасность 62
6.5 Процесс механической обработки металлов как источник
загрязнения окружающей среды 63
Выводы по части шесть 65
Технический уровень машиностроительного оборудования определяется следующими основными показателями: гибкостью, производительностью, точностью, надежностью, удельной металлоемкостью и удельным энергопотреблением.
Развитие в машиностроении прогрессивных технических средств, обеспечивающих значительное сокращение вмешательства обслуживающего персонала в процесс функционирования оборудования, требует создания и внедрения принципиально новых систем автоматизированного электропривода.
Современные электроприводы базируются на широком применении специализированных электрических машин, силовой полупроводниковой техники, средств микроэлектроники.
За последние годы произошли качественные изменения в номенклатуре и техническом уровне электроприводов, применяемых в станкостроении. Создаются и внедряются в машиностроительном оборудовании качественно новые электроприводы, построенные на базе двигателей постоянного и переменного тока. Принципиально новые решения в области автоматизированного электропривода позволяют существенно повысить эксплуатационные характеристики станков и машин. Разрабатываются и внедряются в ГПМ бесколлекторные электроприводы переменного тока с асинхронными двигателями для механизмов главного движения и вентильными (синхронными) двигателями для механизмов подачи станков и промышленных роботов с цифровыми и цифроаналоговыми регуляторами, с микропроцессорным управлением и развитой диагностикой, с энергонезависимой памятью. Это позволяет увеличить скорость резания в 2 - 3раза; уменьшить время вспомогательных перемещений в 1,5 - 2 раза; сократить время поиска и устранения неисправностей в электроприводах в 3 - 5 раз; уменьшить время технического обслуживания приводов в 2 - 4 раза; повысить точность обработки в 1,5 - 2 раза; уменьшить массогабаритные показатели приводов в 1,5 - 2 раза.
Новым подходом в области станочного электропривода является создание локально - распределительных электромеханических систем, представляющих собой унифицированные узлы ГПМ (поворотные и координатные столы, инструментальные головки, шпиндели и т.д.) со встроенными элементами двигателя и системы управления.
Основные тенденции в развитии электромашиностроения:
- переход от двигателей постоянного тока в регулируемых электроприводах к бесколлекторным специальным двигателям переменного тока асинхронным и синхронным (вентильным) двигателям;
- понижение удельных массогабаритных показателей двигателей путем применения новых электротехнических и магнитных материалов и специальной системы охлаждения;
- увеличение максимальной скорости двигателя, в том числе создание высокоскоростных электромеханизмов;
- оснащение двигателя особо точными датчиками положения и другими компонентами, обеспечивающими работу механизмов станков с ЧПУ и ГПМ;
- повышение эксплуатационных свойств двигателя в части снижения уровня вибрации, снижения уровня шума, повышения степени защиты двигателя от условий окружающей среды.
В механизмах подачи станков и роботов наряду с традиционными высокомоментными двигателями постоянного тока разработаны и внедряются бесколлекторные вентильные (синхронные) двигатели. На базе вентильных электродвигателей разработаны электроприводы с моментами 0,035 - 100 Н х м и максимальными скоростями вращения до 3000 - 9000 мин-1. Вентильные двигатели имеют наиболее технологичную конструкцию без стальных полюсных наконечников в роторе. Возбуждение машин осуществляется от ферритовых или редкоземельных (самарий, кобальт) магнитов. Вентильные электроприводы характеризуются: отсутствием ограничений по коммутации и перегрузочной способности двигателя; постоянным моментом ускорения, определяемым в основном, механической прочностью; малым моментом инерции и высоким быстродействием (ускорение до 36000 рад/с2, полоса пропускания 200 с-1); отсутствием потерь в роторе, широким диапазоном регулирования (до 1 / 30000) и равномерностью вращения. Вентильные двигатели практически не требуют обслуживания, в виду отсутствия щеточно-коллекторного узла. Степень защиты двигателей от внешней среды - IP65 (пылевлагозакрытое). Наиболее отличительной особенностью вентильных двигателей являются малые габариты и масса. Так, например, двигатель, в котором используются самарий - кобальтовые магниты, фирмы SIEMENS (Германия) мод. 1РТ5108 с моментом 54,8 Н х м имеет массу 51 кг. Вентильные двигатели характеризуются меньшим моментом инерции ротора, который составляет по отношению к коллекторным электродвигателям постоянного тока величину 0,2 - 0,5.
В вентильных двигателях обеспечиваются лучшие условия охлаждения обмоток. Так в двигателе постоянного тока фирмы FANUC (Япония) температура перегрева обмоток модели 20М (22,5 Н х м) составляет через 3 ч - 120 °С, через 6 ч - 145 °С, а в вентильном двигателе модели S20 через 3 ч - 80 °С, через 6 ч - 100 °С.
Особенностью преобразователей практически всех электроприводов является применение силовых блоков (тиристорных или транзисторных), смонтированных в теплопроводящем изолирующем (не токопроводящем) корпусе, что позволяет монтировать их на едином охладителе (радиаторе). В системах управления широко применяются микросхемы средней и высокой степени интеграции, а также термостабильные элементы. С целью экономии производственных площадей, занимаемых электрооборудованием, наметились тенденции выполнения конструктивов преобразователей, вертикального исполнения с уменьшенной шириной преобразователя.
Конструкция большинства преобразователей унифицирована по конструктивному исполнению.
Преобразователи выпускаются открытого исполнения (степень защиты IP00) и предназначены для встройки в электрошкаф. В ряде электроприводов предусмотрены встраиваемые устройства диагностики.
Современной тенденцией является применение микропроцессорной системы управления. В электроприводе подачи фирмы FANUC вся информация по положению, скорости и току обрабатывается в быстродействующем процессоре, что обеспечивает высокую точность обработки на станке (до 0,1 мкм), и минимальную шероховатость обработанной поверхности. В электроприводе главного движения той же фирмы микропроцессорный регулятор реализует нелинейное управление, обеспечивая оптимальные характеристики разгона и торможения. В конструкции преобразователей фирмы FANUC используются силовые транзисторные модули и транзисторные сборки. На базе указанных модулей возможно создание инверторов с переключающей частотой до 20 КГц. Фирма использует транзисторный модуль с номинальным током 300 А и обратным напряжением 1200 В и транзисторную сборку (6 ключей) 75 А, 600 В.
Большинство преобразователей имеют развитую систему диагностики, возможность подключения к дисплейным устройствам с цифровым отображением информации по скорости, току, текущей координате положения механизма и другим параметрам. Преобразователи имеют интерфейсные устройства, обеспечивающие возможность стыковки с цифровыми управляющими машинами, персональными компьютерами.
В настоящее время ведётся модернизация машиностроительного завода г. Трехгорный, т.к. новое время и новые машины предъявляют всё боле высокие требования к металлообработке изделий.
На заводе в настоящее время используются различные типы и модели станков, в частности используются вертикально-фрезерные станки типа ВМ127. Данный станок используется в технологическом процессе изготовления различных изделий.
Данный тип станков морально очень устарел, т.к. электрооборудование было выпущено примерно в 1980 г. Поэтому на сегодняшний день актуальным вопросом является модернизация привода станка. От данной модернизации ожидают повышения качества металлообработки, увеличение производительности, снижение энергопотребления, снижения затрат на техническое обслуживание и ремонт.
Развитие в машиностроении прогрессивных технических средств, обеспечивающих значительное сокращение вмешательства обслуживающего персонала в процесс функционирования оборудования, требует создания и внедрения принципиально новых систем автоматизированного электропривода.
Современные электроприводы базируются на широком применении специализированных электрических машин, силовой полупроводниковой техники, средств микроэлектроники.
За последние годы произошли качественные изменения в номенклатуре и техническом уровне электроприводов, применяемых в станкостроении. Создаются и внедряются в машиностроительном оборудовании качественно новые электроприводы, построенные на базе двигателей постоянного и переменного тока. Принципиально новые решения в области автоматизированного электропривода позволяют существенно повысить эксплуатационные характеристики станков и машин. Разрабатываются и внедряются в ГПМ бесколлекторные электроприводы переменного тока с асинхронными двигателями для механизмов главного движения и вентильными (синхронными) двигателями для механизмов подачи станков и промышленных роботов с цифровыми и цифроаналоговыми регуляторами, с микропроцессорным управлением и развитой диагностикой, с энергонезависимой памятью. Это позволяет увеличить скорость резания в 2 - 3раза; уменьшить время вспомогательных перемещений в 1,5 - 2 раза; сократить время поиска и устранения неисправностей в электроприводах в 3 - 5 раз; уменьшить время технического обслуживания приводов в 2 - 4 раза; повысить точность обработки в 1,5 - 2 раза; уменьшить массогабаритные показатели приводов в 1,5 - 2 раза.
Новым подходом в области станочного электропривода является создание локально - распределительных электромеханических систем, представляющих собой унифицированные узлы ГПМ (поворотные и координатные столы, инструментальные головки, шпиндели и т.д.) со встроенными элементами двигателя и системы управления.
Основные тенденции в развитии электромашиностроения:
- переход от двигателей постоянного тока в регулируемых электроприводах к бесколлекторным специальным двигателям переменного тока асинхронным и синхронным (вентильным) двигателям;
- понижение удельных массогабаритных показателей двигателей путем применения новых электротехнических и магнитных материалов и специальной системы охлаждения;
- увеличение максимальной скорости двигателя, в том числе создание высокоскоростных электромеханизмов;
- оснащение двигателя особо точными датчиками положения и другими компонентами, обеспечивающими работу механизмов станков с ЧПУ и ГПМ;
- повышение эксплуатационных свойств двигателя в части снижения уровня вибрации, снижения уровня шума, повышения степени защиты двигателя от условий окружающей среды.
В механизмах подачи станков и роботов наряду с традиционными высокомоментными двигателями постоянного тока разработаны и внедряются бесколлекторные вентильные (синхронные) двигатели. На базе вентильных электродвигателей разработаны электроприводы с моментами 0,035 - 100 Н х м и максимальными скоростями вращения до 3000 - 9000 мин-1. Вентильные двигатели имеют наиболее технологичную конструкцию без стальных полюсных наконечников в роторе. Возбуждение машин осуществляется от ферритовых или редкоземельных (самарий, кобальт) магнитов. Вентильные электроприводы характеризуются: отсутствием ограничений по коммутации и перегрузочной способности двигателя; постоянным моментом ускорения, определяемым в основном, механической прочностью; малым моментом инерции и высоким быстродействием (ускорение до 36000 рад/с2, полоса пропускания 200 с-1); отсутствием потерь в роторе, широким диапазоном регулирования (до 1 / 30000) и равномерностью вращения. Вентильные двигатели практически не требуют обслуживания, в виду отсутствия щеточно-коллекторного узла. Степень защиты двигателей от внешней среды - IP65 (пылевлагозакрытое). Наиболее отличительной особенностью вентильных двигателей являются малые габариты и масса. Так, например, двигатель, в котором используются самарий - кобальтовые магниты, фирмы SIEMENS (Германия) мод. 1РТ5108 с моментом 54,8 Н х м имеет массу 51 кг. Вентильные двигатели характеризуются меньшим моментом инерции ротора, который составляет по отношению к коллекторным электродвигателям постоянного тока величину 0,2 - 0,5.
В вентильных двигателях обеспечиваются лучшие условия охлаждения обмоток. Так в двигателе постоянного тока фирмы FANUC (Япония) температура перегрева обмоток модели 20М (22,5 Н х м) составляет через 3 ч - 120 °С, через 6 ч - 145 °С, а в вентильном двигателе модели S20 через 3 ч - 80 °С, через 6 ч - 100 °С.
Особенностью преобразователей практически всех электроприводов является применение силовых блоков (тиристорных или транзисторных), смонтированных в теплопроводящем изолирующем (не токопроводящем) корпусе, что позволяет монтировать их на едином охладителе (радиаторе). В системах управления широко применяются микросхемы средней и высокой степени интеграции, а также термостабильные элементы. С целью экономии производственных площадей, занимаемых электрооборудованием, наметились тенденции выполнения конструктивов преобразователей, вертикального исполнения с уменьшенной шириной преобразователя.
Конструкция большинства преобразователей унифицирована по конструктивному исполнению.
Преобразователи выпускаются открытого исполнения (степень защиты IP00) и предназначены для встройки в электрошкаф. В ряде электроприводов предусмотрены встраиваемые устройства диагностики.
Современной тенденцией является применение микропроцессорной системы управления. В электроприводе подачи фирмы FANUC вся информация по положению, скорости и току обрабатывается в быстродействующем процессоре, что обеспечивает высокую точность обработки на станке (до 0,1 мкм), и минимальную шероховатость обработанной поверхности. В электроприводе главного движения той же фирмы микропроцессорный регулятор реализует нелинейное управление, обеспечивая оптимальные характеристики разгона и торможения. В конструкции преобразователей фирмы FANUC используются силовые транзисторные модули и транзисторные сборки. На базе указанных модулей возможно создание инверторов с переключающей частотой до 20 КГц. Фирма использует транзисторный модуль с номинальным током 300 А и обратным напряжением 1200 В и транзисторную сборку (6 ключей) 75 А, 600 В.
Большинство преобразователей имеют развитую систему диагностики, возможность подключения к дисплейным устройствам с цифровым отображением информации по скорости, току, текущей координате положения механизма и другим параметрам. Преобразователи имеют интерфейсные устройства, обеспечивающие возможность стыковки с цифровыми управляющими машинами, персональными компьютерами.
В настоящее время ведётся модернизация машиностроительного завода г. Трехгорный, т.к. новое время и новые машины предъявляют всё боле высокие требования к металлообработке изделий.
На заводе в настоящее время используются различные типы и модели станков, в частности используются вертикально-фрезерные станки типа ВМ127. Данный станок используется в технологическом процессе изготовления различных изделий.
Данный тип станков морально очень устарел, т.к. электрооборудование было выпущено примерно в 1980 г. Поэтому на сегодняшний день актуальным вопросом является модернизация привода станка. От данной модернизации ожидают повышения качества металлообработки, увеличение производительности, снижение энергопотребления, снижения затрат на техническое обслуживание и ремонт.
В данной части проанализированы опасные и вредные производственные факторы при фрезеровании изделий, выбраны средства и мероприятия для их уменьшения или устранения, произведен расчет зануления электрооборудования станка, а также вопросы защиты окружающей среды при механической обработке изделий из металла.
