Електропривод і автоматизація роботів і маніпуляторів

Міністерство освіти і науки України Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Кафедра автоматики та електропривода

Курсовий проект

На тему: Розрахунок системи регулювання ПР

із дисципліни:

Електропривод і автоматизація роботів і маніпуляторів

Виконав студент

групи 502-МЕ:

Овчаренко В.В.

Перевірив:

Шульга О.В.

ПолтНТУ 2010

1. Технічні вимоги

Всі електроприводи металорізальних верстатів підрозділяються на приводи головного руху, подачі і допоміжного руху. ПР більш близькі електроприводи подачі. До них ставлять такі вимоги:

— електропривод повинен бути розрахований для роботи в тривалому режимі відповідно до вимог технічних умов на застосування електродвигунів (ЕД);

— вал ЕД повинен бути пов’язаний із валом тахогенератора за допомогою жорсткою безлюфтової передачі з коефіцієнтом редукції 1;

— датчики положення, пов’язані з ЕД вимірювальними безлюфтовими передачами, повинні бути використанні на повний робочий кут по всіх координатах верстату;

— у режимі регулювання частоти обертання електропривод повинен забезпечити роботу у всіх 4-х квадрантах механічної характеристики при зміні напруги керування в межах +/- 10 В, мінімальну частоту обертання вала ЕД n = 1 об/хв.;

— відхилення миттєвої частоти обертання при зміні моменту навантаження в діапазоні (0,25…0,5) не повинно перевищувати від установленої частоти обертання при 0,5Jдв;

— у діапазоні 1…10 об/хв. — +/- 10%;

— у діапазоні 10… n об/хв. — +/- 0,5%;

— смуга пропускання електропривода зі ЗЗ по швидкості повинна бути менше (20−200) Гц при амплітуді вхідного сигналу 0,1В;

— при частоті обертання n = 1 об/хв., момент навантаження Мст = 0,2Мном, зовнішньому моменті інерції J = 0,5Jдв електропривод повинний забезпечувати зупинку валу після зняття керуючої напруги за 0,5 кута повороту вала ЕД;

— лінійність статичної характеристики електропривода, вхідна напруга керування, частота обертання ЕД у режимі регулювання не більше 5%;

— у системах ЧП ПР головні ЕП і приводи подач повинні забезпечувати режими позиціювання, точність позиціювання повинна досягати 1…2 мкм;

— відносна нерівномірність руху при мінімальній швидкості Кн< 0,3;

— ЕП ПР повинні бути реверсивними;

— необхідний діапазон регулювання швидкості ЕП подачі верстатів складає 10 000;

— для зниження динамічних ударів, кінематика ЕП повинна забезпечувати повільність процесів пуску і реверса;

— для високої надійності обладнання ЕП повинний мати необхідні види захисту, блокування, сигналізації і діагностики.

2. Енергетичний розрахунок

2.1 Розрахунок потужності навантаження

Контурно-позиційне керування використовується в приводах подач верстатів і ланок роботів. Відмінною рисою роботи виконавчих двигунів у верстатних приводах є переважне використання тривалого режиму роботи, особливо для верстатів з ЧП, що входять до складу ГПМ.

Розрахунок необхідної потужності для тривалого режиму роботи проводиться наступним чином.

Зусилля подачі по керованій осі дорівнює:

;

де Fр — зусилля різання уздовж осі;

kр — 1,0−1,5 — коефіцієнт запасу;

— коефіцієнт тертя;

FН — сила від попереднього натягу, неврахована в FN;

FN — сума нормальних сил, що діють на направляючі:

FN = (m1 + m2) g;

де m1, m2 — маса ВМ та деталі;

FN = (700 +275)9.81 = 9564.75 Н;

тоді:

Н;

Потужність, прикладена до ВМ у режимі різання:

РМХ = Fnvраб;

де vраб — робоча швидкість подачі;

РМХ1 = 27.0847· 103· 0.07 = 1895.9 Вт;

Потужність в режимі холостого ходу:

РМХ2 = (FN+ FН) vmax;

де vmax — швидкість швидкого ходу;

РМХ2 = (0,159 564.75 +12 000)0,15 = 2015.2 Вт;

2.2 Вибір двигуна і його перевірка

За довідником по найбільшій потужності (2015.2Вт) вибираємо двигун ПБВ 132-L з такими даними:

— потужність, Р =3 кВт;

— максимальна швидкість, =60 с-1;

— момент інерції, J = 0,238 кгм2;

— номінальний момент, Мн = 47,7 Нм;

— напруга живлення, U = 70 В;

— струм живлення, І = 50 А;

— кратність моментів, ;

— опір якоря двигун, rяд = 0.07 Ом;

— стала часу якоря двигуна, Тяд =7.9 мс;

— електромеханічна стала часу, Тем = 12.3 мс.

Визначимо передаточне число між РО ВМ і двигуном:

;

Момент на валу двигуна від сили різання:

;

де — ККД передачі гвинт-гайка (= 0,85…0,9);

Нм;

Момент на валу двигуна від сили тертя:

Мтр = FNіа + 0,032FнSв/3;

де Sв — крок різьби пари гвинт-гайка;

Мтр = 0,159 564.75 2.242· 10−3 + 0,32 120 000,007/3 = 4.11 Нм;

Момент опору на валу двигуна при робочій подачі:

М1 = Мп + Мтр = 34.289 +4.11 =38.4 Нм;

Це значення не перевищує номінального моменту;

М1 Мном; 38.4 47.7;

Статичний момент на валу на швидкому ходу:

М2 = Мтр = 4.11 Нм;

М2 Мтр (4.11 47.7).

Прискорення на валу двигуна:

;

с-2.

Приведений момент інерції механізму:

Jмх = (m1 + m2) ia2;

Jмх = (700 + 275)(2.242· 10−3)2=4.910−3 кг· м2;

Необхідний динамічний момент двигуна:

Мдин = (1,2Jд + Jмх) д;

Мдин = (1,20,238 + 0,0049)240? 70 Нм.

Момент опору на валу двигуна, необхідний для прискорення ВМ складає:

М3 = Мдин + Мтр;

М3 = 70 + 4,11 = 74,11 Нм;

Максимальний момент, що розвиває двигун складає:

Мmax = kMном = 1047,7 = 470 Нм;

М3 Мmax (74,11 470);

Двигун обраний правильно, так, як виконуються умови:

М1 Мном, М2 Мтр, М3 Мmax.

3. Вибір інформаційних електромеханічних елементів виконавчих систем верстату

Вибір типу датчика визначається вимогами по точності системи ЕП, конструктивними особливостями механічної системи верстата, умовами експлуатації.

3.1 Обертові трансформатори

В якості датчиків положення використовуємо обертовий трансформатор. Схеми ОТ забезпечують більш точне перетворення кута розузгодження.

Вибираємо обертовий трансформатор типу ВТ-7:

— режим роботи СКВТ;

— частота, f = 400 Гц;

— коефіцієнт трансформації, kт = 0,53;

— напруга U = 110 В;

— зсув фази -50.

Статична характеристика може бути визначена за допомогою співвідношення:

;

де Uп = напруга живлення;

; В.

3.2 Датчики кутової швидкості

Для вимірювання кутової швидкості обертання в системах ЕППС застосовуються тахогенератори постійного струму.

При виборі тахогенератора необхідно щоб виконувалась умова:

nдв.ном. < nтг.max.

де nдв. ном =об/хв.;

Таким чином вибираємо тахогенератор ТД-201:

— напруга збудження, Uзб = 110 В;

— струм збудження, Ізб = 0,1 А;

— крутизна характеристики, kтг = 0,13 В/(об/хв);

— опір якоря, Rя = 780 Ом;

— nmax = 1000 об/хв.;

— маса, m = 0,49 кг;

— момент інерції, Jя = 23 510−7.

— струм максимальний Іmax = 0,2 А;

Визначаємо максимальну вихідну напругу:

Uвих.max = kтгnтгmax;

Uвих.max = 0,131 000 = 130 В.

Ом

Для подальших розрахунків Rззш приймаємо рівним 500 Ом.

3.3 Датчики струму

У системах керування ЕП верстата сигнали, пропорційні струму, знімаються із шунтів, трансформаторів струму. Останнім часом у якості датчиків струму ширше використовуються прилади, засновані на ефекті Холу. Якщо в якості датчика обрано шунт, то в подальших розрахунках варто використовувати його коефіцієнт передачі, рівний 1,5 мВ/А, тобто шунт розрахований на номінальний струм 50А, має падіння напруги на опорі 75мВ. робот керування верстат електромеханічний

В якості датчика струму використовуємо шунт з такими характеристиками:

— коефіцієнт передачі - 1,5мВ/А;

— номінальний струм — 50 А;

— падіння напруги на опорі - 75мВ.

4. Розрахунок параметрів системи регулювання положення

4.1 Визначення параметрів структурної схеми ДПС

Для обраного двигуна складаємо структурну схему на основі рівнянь:

Uя = Rя (1+рТя);

;

М = kФія.

Значення kФн у структурній схемі визначається наступним чином:

;

1.1083.

Структурна схема наведена в додатку 1.

4.2 Визначення параметрів контуру регулювання струму в системі ТП-Д

Функціональна схема контуру регулювання струму наведена в додатку 4. В структурній схемі Се = kФн = 1.1083.

Електромеханічна стала часу:

де J — сумарний приведений момент інерції ВМ маніпулятора і двигуна:

RяУ=Rя-активний опір ланцюга якоря

J = 1,2 Jдв + Jмх;

J = 1,20.238 + 4.910−3 = 0.2905 кгм2;

с.

Для визначення параметрів схеми необхідно задатися максимальним значенням Uзт = Uзт max = 10 В, що відповідає максимально-допустимому струму якоря Ія max = 2…2,5Ія.ном. і визначити коефіцієнт зворотного зв’язку по струму:

;

;

Задавши, значення опору Rзс = 15 кОм розрахуємо Rос;

;

Ом.

Швидкодія контуру визначається співвідношенням постійних часу:

і рівнем некомпенсованої постійної часу Т. при настроюванні на технічний оптимум Т = 0,01 с., Тос = 0,02 с., ат = 2.

Передавальна функція об'єкту регулювання з врахуванням постійної запізнення тиристорного перетворювача тп і інерційного фільтру в системі СІФК має вид:

;

де kтп = .

;

Враховуючи реальні співвідношення тп < ф у результаті послідовної корекції отримаємо передавальну функцію розімкнутого контуру виду:

;

.

При цьому передавальна функція регулятора струму розраховується по формулі:

;

де Тис — постійна інтегрування:

с.

.

Значення пасивних елементів ЗЗ підсилювача постійного струму знаходяться по формулі:

;

= 13,33 мкФ;

Ом.

4.3 Розрахунок параметрів контуру регулювання швидкості в системі з підпорядкованим контуром струму

Функціональна схема регулятора швидкості з підпорядкованим контуром струму зображено в додатку 4.

Передавальна функція замкненого контуру має бути представлена з врахуванням розрахованих параметрів у вигляді:

;

.

В даній структурній схемі струмів контур і виконавчий механізм представляють собою об'єкт регулювання. В якості регулятора швидкості застосовуємо ПІ-регулятор. Передавальна функція регулятора швидкості має вигляд:

;

При стандартній настройці на симетричний оптимум регулятора швидкості:

Трш = 8 Т = 80,01 = 0,08 с.

kрш = ;

kрш = ;

.

Значення пасивних елементів зворотного зв’язку знаходимо, задаючи Rош:

;

Rзш=;

Rзш=Ом;

мкФ;

Ом.

Із-за малого перерегулювання (4,3%) перехідні процеси оптимізованого контуру струму близькі до аперіодичного і тому передавальна функція має вигляд більш простої передавальної функції аперіодичної ланки:

У цьому випадку передавальна функція розімкненого контуру швидкості має вигляд:

Регулятор швидкості компенсував велику сталу часу Тм і динамічні властивості контуру швидкості визначаються більш малою сталою часу Т. Передавальна функція замкненого контуру швидкості:

4.4 Визначення параметрів контуру регулювання положення в системі з підпорядкованими контурами швидкості і струму

В якості об'єкту регулювання положення приймається однократно-інтегруюча система регулювання швидкості в системі КП-Д із підпорядкованим контуром регулювання струму. необхідно доповнити її інтегруванням швидкості для одержання переміщення, ввести ЗЗ по положенню з коефіцієнтом коп і включити на вхід регулятора положення. Утвориться трьох контурна система регулювання положення.

Передавальна функція об'єкта регулювання має вигляд:

;

Для отримання передавальної функції розімкнутого контуру регулювання положення необхідно розрахувати регулятор положення:

kоп = 1;

ап = 4;

=64;

Тоді передавальна функція розімкненого контуру регулювання положення матиме вигляд:

;

.

Параметри регулятора положення визначаються із співвідношення:

;

Rззп = Rзп Wрп = 150 006.5· 10−2 = 975 Ом;

Rоп = kд. п Rззп = 0,53 975 = 516.75 Ом

;

Uзпmax = 10 В.

В.

В результаті проведених розрахунків було отримана структурна схема, в блоках якої записані числові значення коефіцієнтів і постійних часу.

Висновок

В даному курсовому проекті, який є розширенням і закріпленням знань по системам програмного керування промисловими установками, електромеханічними елементами приводів метало ріжучих верстатів і промислових роботів, був вибраний двигун з послідуючою його перевіркою, проведено вибір інформаційних засобів: датчик кутової швидкості, положення і струму, розраховані параметри систем регулювання електроприводів подачі верстатів і промислових роботів.

Результатом є складання структурних схем:

— двигуна;

— контуру регулювання струму

— контуру регулювання положення;

— контуру регулювання швидкості в системі з підпорядкованими контурами швидкості і струму.

Література

1. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни «Електропривод і автоматизація роботів і маніпуляторів» для студентів спеціальності 7.92 203 «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод» всіх форм навчання. Полтава, Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка, 1999 р.

2. Гусев И. Т. и др. Устройства числового программного управления: Ечеб. пособие для техн. вузов. — М.: Высш. шк., 1980.

3. Ильин О. П. и др. Системы программного управления производственными установками и роботехническими комплексами: Учеб. пособие для вузов. — Минск.: Высш. шк., 1988. — 258 с.