Помощь студентам в учебе
Разработка мехатронной системы позиционирования и контроль соосности валов «компрессор - электродвигатель»
|
АННОТАЦИЯ 2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ОСНОВНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ 7
1.1 Характеристика цеха, описания технологического процесса работы
механизма 7
1.2 Характеристика и кинематическая схема проектируемого механизма . .. 11
1.3 Требования к приводам и системе автоматизации 12
1.4 Выбор системы привода 13
1.5 Расчёт и построение нагрузочной диаграммы и тахограммы 17
1.6 Выбор основного силового оборудования 26
1.7 Описание защиты привода, расчёт уставок защитных устройств 34
2 РАЗРАБОТКА САУ 38
2.1 Разработка архитектуры систем автоматизации 38
2.2 Выбор контроллеров и датчиков технологических координат 40
2.3 Выбор и разработка функциональной схемы САР привода
проектируемого агрегата 44
2.4 Разработка контура регулирования технологических координат 45
2.5 Разработка структурной схемы САУ и моделирование типовых
режимов работы привода 45
3 РАСЧЁТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 60
3.1 Расчёт сметы капитальных затрат 60
3.2 Расчёт РСЭО до внедрения проектируемых мероприятий 61
3.3 Расчет РСЭО после внедрения проектируемых мероприятий 63
3.4 Расчет срока окупаемости проекта 65
3.5 Сводная таблица технико-экономических показателей 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 70
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ОСНОВНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ 7
1.1 Характеристика цеха, описания технологического процесса работы
механизма 7
1.2 Характеристика и кинематическая схема проектируемого механизма . .. 11
1.3 Требования к приводам и системе автоматизации 12
1.4 Выбор системы привода 13
1.5 Расчёт и построение нагрузочной диаграммы и тахограммы 17
1.6 Выбор основного силового оборудования 26
1.7 Описание защиты привода, расчёт уставок защитных устройств 34
2 РАЗРАБОТКА САУ 38
2.1 Разработка архитектуры систем автоматизации 38
2.2 Выбор контроллеров и датчиков технологических координат 40
2.3 Выбор и разработка функциональной схемы САР привода
проектируемого агрегата 44
2.4 Разработка контура регулирования технологических координат 45
2.5 Разработка структурной схемы САУ и моделирование типовых
режимов работы привода 45
3 РАСЧЁТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 60
3.1 Расчёт сметы капитальных затрат 60
3.2 Расчёт РСЭО до внедрения проектируемых мероприятий 61
3.3 Расчет РСЭО после внедрения проектируемых мероприятий 63
3.4 Расчет срока окупаемости проекта 65
3.5 Сводная таблица технико-экономических показателей 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 70
В последнее время, с ростом требований к качеству продукции и технологических показателей, одной из главных тенденций на современном производстве является внедрение мехатронных и роботизированных систем в технологический процесс производства.
Последним этапом технологического процесса производства являются различные виды испытаний. Они проводятся для проверки соответствия требуемым техническим характеристикам, установления отсутствия дефектов, получения исходных данных для последующих профилактических испытаний, а также изучения работы оборудования.
В ООО «ЧКЗ» на производственном участке приемно-сдаточных испытаний возникает потребность в особо точном позиционировании вала электродвигателя с валом компрессора. Поэтому целью данной выпускной квалификационной работы стала разработка мехатронной системы позиционирования электродвигателя и контроля соосности валов системы «электродвигатель - компрессор». В качестве агрегата, способный удовлетворить возникшую потребность, является гексапод.
Платформа Стюарта или гексапод, является механизмом параллельной кинематики с шестью степенями свободы и состоит из двух платформ - неподвижное основание и подвижная платформа соединенная шестью неподвижными штангами, длины которых определяет положение подвижной платформы.
Важнейшей частью гексапода составляет его привод, которые управляются по заданной программе. К приводам гексапода предъявляются высокие требования по точности и быстродействию работы.
После выбора и проверки основного оборудования необходимо разработать систему автоматического управления технологических процессом, которая будет приводить в исполнение процесс работы механизма. Основной проблемой при проектировании системы автоматического регулирования являются высокие требования к точности позиционирования, для качественной центровки вала электродвигателя.
Система управления должна выдавать четкие команды на привод и в случае неточной работы возможны аварийные ситуации, такие как заклинивания и поломка штанг.
Далее необходимо обосновать экономическую эффективность предлагаемой разработанной мехатронной системы. Произвести расчет сметы капитальных вложений, в которые входят затраты на покупку оборудования, запасные части, монтаж и установку, а также транспортные перевозки. Определить фонд оплаты труда, РСЭО до и после введения оборудования, рассчитать срок окупаемости, разрабатываемой мехатронной системы.
Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи:
• Анализ технологического процесса участка приемно - сдаточных испытаний;
• Выбор основного силового оборудования;
• Разработка системы автоматического регулирования технологической координатой;
• Моделирование основных режимов работы системы;
• Расчёт технико-экономических показателей.
Последним этапом технологического процесса производства являются различные виды испытаний. Они проводятся для проверки соответствия требуемым техническим характеристикам, установления отсутствия дефектов, получения исходных данных для последующих профилактических испытаний, а также изучения работы оборудования.
В ООО «ЧКЗ» на производственном участке приемно-сдаточных испытаний возникает потребность в особо точном позиционировании вала электродвигателя с валом компрессора. Поэтому целью данной выпускной квалификационной работы стала разработка мехатронной системы позиционирования электродвигателя и контроля соосности валов системы «электродвигатель - компрессор». В качестве агрегата, способный удовлетворить возникшую потребность, является гексапод.
Платформа Стюарта или гексапод, является механизмом параллельной кинематики с шестью степенями свободы и состоит из двух платформ - неподвижное основание и подвижная платформа соединенная шестью неподвижными штангами, длины которых определяет положение подвижной платформы.
Важнейшей частью гексапода составляет его привод, которые управляются по заданной программе. К приводам гексапода предъявляются высокие требования по точности и быстродействию работы.
После выбора и проверки основного оборудования необходимо разработать систему автоматического управления технологических процессом, которая будет приводить в исполнение процесс работы механизма. Основной проблемой при проектировании системы автоматического регулирования являются высокие требования к точности позиционирования, для качественной центровки вала электродвигателя.
Система управления должна выдавать четкие команды на привод и в случае неточной работы возможны аварийные ситуации, такие как заклинивания и поломка штанг.
Далее необходимо обосновать экономическую эффективность предлагаемой разработанной мехатронной системы. Произвести расчет сметы капитальных вложений, в которые входят затраты на покупку оборудования, запасные части, монтаж и установку, а также транспортные перевозки. Определить фонд оплаты труда, РСЭО до и после введения оборудования, рассчитать срок окупаемости, разрабатываемой мехатронной системы.
Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи:
• Анализ технологического процесса участка приемно - сдаточных испытаний;
• Выбор основного силового оборудования;
• Разработка системы автоматического регулирования технологической координатой;
• Моделирование основных режимов работы системы;
• Расчёт технико-экономических показателей.
В данной выпускной квалификационной работе было проведено исследование и расчёт электрической и механической составляющей мехатронной системы автоматического позиционирования вала электродвигателя на основе платформы Гью - Стюарта.
При проведении анализа технологического процесса испытаний компрессоров в цехе центра испытаний и исследований ООО «Челябинский компрессорный завод». На основе желаемого автоматизированного технологического процесса сформулированы основные требования, предъявляемые к электроприводу механизма автоматического позиционирования, а также к системе автоматизации, составлено описание системы привода и разработана кинематическая схема, проведены расчёты статических и динамических моментов, построены нагрузочная диаграмма и тахограмма.
Согласно требованиям, был выбран шаговый двигатель NEMA 34 ST57 - 76, который прошел проверку по моменту, а также линейный привод ATL - 02 необходимый для приведения в движение платформу Гью - Стьюарта.
С учётом данных электродвигателя был выбран драйвер шагового двигателя YAKO YKD 3722M, который был проверен на резонансную частоту.
Рассмотрены основные защиты электропривода такие, как защита от тока короткого замыкания и тока перегрузки, а также были рассчитаны их уставки. Спроектирована упрощенная электрическая принципиальная схема.
Согласно предъявляемым требованиям, был выбран контроллер верхнего уровня SIEMENS S7-1200 CPU 1212C, а также коммуникационный модуль SIEMENS CM 1241 для обеспечения подключения исполнительных механизмов с контроллером.
В качестве обратной связи, в разрабатываемой автоматической системе, было выбрано лазерное измерительное устройство BALTECH SA-4300.
В спроектированной системе автоматического управления контроллер устанавливается на уровне L1 вместе с коммуникационным модулем, который связывается с лазерной измерительной системой и драйверами шагового электропривода, которые расположены на уровне L0 архитектуры АСУ ТП. Контроллер осуществляет полное управление всеми шестью электродвигателя, решая прямую и обратную задачу кинематики подавая сигналы на вход драйвера. Также отслеживает положение штока линейного электроцилиндра, при помощи лазерной измерительной системы, которая является в спроектированной системе обратной связью. Тем самым описанный контроллер является контроллером верхнего уровня.
Также контроллер помимо своей первоочередной функции - управления, выполняет функции защиты драйвера, шагового электропривода и всей системы в целом.
Была разработана функциональная схема управления шаговым электроприводом, построена математическая модель рассматриваемого двигателя. Произведено полное и достаточное описание всех блоков, используемых в схеме, в особенности блоков составляющие шаговый электропривод, а именно блоки FEM, mechanical и windings.
Важнейшей координатой, которую необходимо регулировать - координата положения. От данной координаты зависит работоспособность всей системы автоматического позиционирования, к которой предъявлялись высокие технологические требования, которые удалось достичь. Смоделированы и представлены осциллограммы положения, скорости вращения электродвигателя, крутящего момента и угла поворота вала двигателя.
В третей главе выпускной квалификационной работы были рассчитаны сумма капитальных издержек для интеграции оборудования в ООО «Челябинский компрессорный завод», которые составили 249857.35 рублей, включающие в себя затраты на покупку оборудования, транспортировку, монтаж и на непредвиденные расходы.
Общая сумма годовых издержек идущие на фонд заработной платы, отчисления на социальные нужды, материальные затраты, амортизационные отчисления и прочие расходы составила 2388365.4 рублей до введения оборудования и 2064861.7 рублей после. Годовая экономия составила 323503.7 рублей.
Срок окупаемости оборудования в ходе расчёта составил 9.5 месяцев, а значит можно сделать вывод о том, что вводимое оборудование является экономически выгодным.
Таким образом, поставленные задачи и цели выпускной квалификационной работы считаются выполненными.
При проведении анализа технологического процесса испытаний компрессоров в цехе центра испытаний и исследований ООО «Челябинский компрессорный завод». На основе желаемого автоматизированного технологического процесса сформулированы основные требования, предъявляемые к электроприводу механизма автоматического позиционирования, а также к системе автоматизации, составлено описание системы привода и разработана кинематическая схема, проведены расчёты статических и динамических моментов, построены нагрузочная диаграмма и тахограмма.
Согласно требованиям, был выбран шаговый двигатель NEMA 34 ST57 - 76, который прошел проверку по моменту, а также линейный привод ATL - 02 необходимый для приведения в движение платформу Гью - Стьюарта.
С учётом данных электродвигателя был выбран драйвер шагового двигателя YAKO YKD 3722M, который был проверен на резонансную частоту.
Рассмотрены основные защиты электропривода такие, как защита от тока короткого замыкания и тока перегрузки, а также были рассчитаны их уставки. Спроектирована упрощенная электрическая принципиальная схема.
Согласно предъявляемым требованиям, был выбран контроллер верхнего уровня SIEMENS S7-1200 CPU 1212C, а также коммуникационный модуль SIEMENS CM 1241 для обеспечения подключения исполнительных механизмов с контроллером.
В качестве обратной связи, в разрабатываемой автоматической системе, было выбрано лазерное измерительное устройство BALTECH SA-4300.
В спроектированной системе автоматического управления контроллер устанавливается на уровне L1 вместе с коммуникационным модулем, который связывается с лазерной измерительной системой и драйверами шагового электропривода, которые расположены на уровне L0 архитектуры АСУ ТП. Контроллер осуществляет полное управление всеми шестью электродвигателя, решая прямую и обратную задачу кинематики подавая сигналы на вход драйвера. Также отслеживает положение штока линейного электроцилиндра, при помощи лазерной измерительной системы, которая является в спроектированной системе обратной связью. Тем самым описанный контроллер является контроллером верхнего уровня.
Также контроллер помимо своей первоочередной функции - управления, выполняет функции защиты драйвера, шагового электропривода и всей системы в целом.
Была разработана функциональная схема управления шаговым электроприводом, построена математическая модель рассматриваемого двигателя. Произведено полное и достаточное описание всех блоков, используемых в схеме, в особенности блоков составляющие шаговый электропривод, а именно блоки FEM, mechanical и windings.
Важнейшей координатой, которую необходимо регулировать - координата положения. От данной координаты зависит работоспособность всей системы автоматического позиционирования, к которой предъявлялись высокие технологические требования, которые удалось достичь. Смоделированы и представлены осциллограммы положения, скорости вращения электродвигателя, крутящего момента и угла поворота вала двигателя.
В третей главе выпускной квалификационной работы были рассчитаны сумма капитальных издержек для интеграции оборудования в ООО «Челябинский компрессорный завод», которые составили 249857.35 рублей, включающие в себя затраты на покупку оборудования, транспортировку, монтаж и на непредвиденные расходы.
Общая сумма годовых издержек идущие на фонд заработной платы, отчисления на социальные нужды, материальные затраты, амортизационные отчисления и прочие расходы составила 2388365.4 рублей до введения оборудования и 2064861.7 рублей после. Годовая экономия составила 323503.7 рублей.
Срок окупаемости оборудования в ходе расчёта составил 9.5 месяцев, а значит можно сделать вывод о том, что вводимое оборудование является экономически выгодным.
Таким образом, поставленные задачи и цели выпускной квалификационной работы считаются выполненными.