САУ поперечным суппортом токарного станка с ЧПУ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Оборудование и технологии машиностроительного производства»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Теория автоматического управления технологическими процессами»

на тему: «САУ поперечным суппортом токарного станка с ЧПУ»

 

 

 

 

 

 

Студент:
Группа:
Вариант:	37
Преподаватель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тольятти 2013

Содержание

 

 

1. Конструктивная схема САУ 2. Функциональная схема САУ 3. Вывод передаточных функций 4. Структурная схема САУ 5. Анализ устойчивости САУ 6. Заключение 7. Список литературы

3 5 6 10 11 14 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Совершенствование технологии и повышение производительности труда относится к важнейшим задачам технологического процесса. Эффективное решение этих задач возможно при внедрении систем автоматического управления и регулирования как отдельными объектами и процессами, так и производством в целом. Поэтому изучение основ автоматического регулирования и управления предусматривается в настоящее время при подготовке студентов практически всех инженерных специальностей.

В изучении курса нам были представлены автоматические системы, которые в течение достаточно длительного времени нужным образом изменяют (или поддерживают неизменными) какие – либо физические величины (координаты движущегося объекта, скорость движения, электрическое напряжение, частоту, температуру, давление и пр.) в том или ином управляемом процессе.

Характерным для незамкнутой системы является то, что процесс работы системы не зависит непосредственно от результата ее воздействия на управляемый объект. Естественным дальнейшим усовершенствованием АС является замыкание ее входа (контрольные приборы) со входом (источник воздействия) таким образом, чтобы контрольные приборы, измерив некоторые величины, характеризующие определенный процесс в управляемом объекте, сами служили бы одновременно и источником воздействия на систему, причем величина этого воздействия на управляемый объект от требуемых значений. Таким  образом  возникает замкнутая система.

В замкнутой АС имеется полная взаимозависимость работы всех звеньев друг от друга, изменение внутренних параметров системы и внешних возмущений сказывается значительно меньше  на регулируемом объекте, чем в разомкнутой АС.

Принципиальная особенность: автоматически сравнивается действительное значение регулируемого параметра с заданным. Разность этих значений приводит в действие данную систему так, чтобы в процессе ее работы рассогласование автоматически сводилось к нулю или к достаточно малой величине.

Современная сложная автоматическая система должна выполнять две задачи:

1. Обеспечить требуемой  точностью изменение выходной  величины системы в соответствии  с поступающей извне входной  величиной, играющей роль программы. При этом необходимо преодолеть инерцию объекта управления и других элементов системы, а также компенсировать искажение, возникающее вследствие неточного знания характеристик отдельных элементов и нестабильности их параметров. Иногда это называется управлением в узком смысле или слежением.

2. При заданном значении  входной величины система должна, по возможности, нейтрализовать  действие внешних возмущений, стремящихся  отклонить выходную величину  системы от предписываемого ей  в данный момент значения. В этом смысле говорят о задаче регулирования или стабилизации.

В этой курсовой работе наглядно прослеживается решение этих двух  задач на примере САУ для управления токарным станком.

В данной работе проанализирована САУ подачей при фрезеровании.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Конструктивная схема САУ

Точность фрезерования и качество обработанной поверхности (шероховатость, глубина дефектного слоя и т.п.), как правило, определяются силой резания. Сила резания при фрезеровании зависит как от режимов обработки, геометрии инструмента, материала заготовки и т.п., так и от случайных факторов: колебания припуска, твердости и т.п. Следовательно, при постоянных режимах фрезерования нельзя обеспечить стабильность важнейшего параметра процесса – силы резания.

САУ подачей при фрезеровании предназначена для стабилизации силы резания или ее изменения по заранее заданному закону в соответствии с сигналом управления за счет регулирования подачи. В результате повышается точность и качество обработки.

Таким образом, САУ осуществляет управление процессом резания, который происходит в технологической системе станка, состоящей из детали 1, инструмента 2 и стола 3 (рис. 15). Главное движение резания сообщается двигателем 4, в цепь питания которого включен преобразователь тока (токовый трансформатор) 5. Привод подачи состоит из сравнивающего устройства 6, усилителя-преобразователя 7 комплектного электропривода, двигателя постоянного тока 8 и коробки подач 9.

Момент двигателя 4 главного движения пропорционален моменту резания и определяет ток в цепи питания от сети ~ 380 V. Поэтому преобразователь тока 5, включенный в цепь питания двигателя 4, вырабатывает сигнал, пропорциональный моменту, а, следовательно, и силе резания. Этот сигнал Uo поступает на вход сравнивающего устройства 6, где сравнивается с задающим сигналом Uз, пропорциональным в определенном масштабе заданной силе резания.

Рис.1. САУ фрезерного станка

Сигнал в виде напряжения dU, которое образовалось в результате сравнения, поступает на вход усилителя-преобразователя 7 комплектного электропривода и вызовет изменение напряжения питания электродвигателя постоянного тока 8, а, следовательно, и подачи стола 3. Подача изменяется (увеличивается или уменьшается) в сторону уменьшения сигнала ошибки. Таким образом, САУ стабилизирует силу резания на заданном уровне. В САУ как управляемый объект входит процесс резания в замкнутой технологической системе.

 

Таблица 1. Исходные данные

Первая цифра

Параметры элементов САУ

Параметры процесса резания

ЭУС

Двигатель главного движ.

Двигатель подачи

Усилит.-преобр.

kэд , А/Нм

Tэд , с

kд , рад/cВ

Tя , с

Tм , с

kуп

Tуп , с

Tр , с

Фреза

wo , рад/с

x

с , Н/м

D, мм

Z

3

0.6

0.06

3.8

0.08

0.43

12

0

0.005

150

24

350

0.2

1E7

 

1. Коэффициент и показатель степени в зависимости для расчета силы резания: Cp=1000, k=0.25. Ширина фрезерования B=50гг.
2. Режимы резания для линеаризации: Ho=6 мм, Szo=0.035 мм/зуб.
3. Коэффициент передачи редуктора подачи kрп=0.012, шаг винтовой пары 6 мм, передаточное отношение коробки главного движения i=4.
4. Коэффициент передачи токового преобразователя kтп=0.55 В/А.

 Найти переходную характеристику  по возмущению Hз.

 

 

2. Описание функциональной схемы САУ

 

Соединяя выделенные в ходе анализа элементы САУ между собой в соответствии с их функциональным назначением и принципиальной схемой САУ, строим ее функциональную схему (рис.2).

Рис.2. Функциональная схема САУ

где:  УП – усилитель-преобразователь комплектного регулируемого электропривода; Д – электродвигатель постоянного тока;КП-коробка подач; ВП – винтовая пара (ходовой винт); ПТ – преобразователь тока; ЭУС – эквивалентная упругая система станка.

 

3. Разработка структурной схемы САУ

 

При определении передаточных функций элементов САУ в качестве исходных уравнений можно принять следующие уравнения процессов и элементов, которые входят в систему.

Процесс резания:

Сила резания (любая ее составляющая) связана с параметрами, которые определяют элементы срезаемого слоя, дифференциальным уравнением:

где Tр – постоянная времени стружкообразования; P – силовой параметр процесса резания (составляющая силы резания); A – регулируемый параметр процесса резания – глубина, подача, скорость; k=(¶P/¶A)0 – коэффициент пропорциональности (коэффициент линеаризованной зависимости).

Таким образом, правая часть уравнения представляет собой линеаризованную зависимость силового параметра от регулируемого параметра в окрестности установившегося режима обработки.

При равномерном фрезеровании цилиндрической фрезой:

(3)

где Cp, k – эмпирические коэффициент и показатель степени; Sz – подача на зуб фрезы; H, B – соответственно глубина и ширина фрезерования; D, z – соответственно диаметр и количество зубьев фрезы.

Как видно из функциональной схемы, процесс резания имеет два входа: по управляющему воздействию S и по возмущению Hф. Поэтому процесс резания может быть представлен линеаризованным уравнением:

где коэффициенты линеаризованного уравнения:

 

Усилитель-преобразователь комплектного регулируемого электропривода

Усилитель-преобразователь комплектного электропривода состоит из преобразователя переменного тока большой мощности на базе тиристорных или транзисторных элементов и потому, в простейшем представлении, описывается уравнением:

где Tуп, kуп – постоянная времени и коэффициент передачи усилителя-преобразователя; Uвых, Uвх – выходное и входное напряжения соответственно.

Передаточная функция усилителя-преобразователя комплектного регулируемого электропривода:

Подставляя значения, получим:

 

 

Электродвигатель постоянного тока

Электрический двигатель постоянного тока, с учетом электромагнитных процессов, описывается дифференциальным уравнением 2-го порядка:

(2)

где Tя, Tм – электромагнитная и электромеханическая постоянные времени; kд - коэффициент передачи двигателя; U – напряжение питания якоря; w - угловая скорость.

Передаточная функция электродвигателя постоянного тока:

 

 

Коробка подач

Редуктор коробки подач, скоростей и т.п., без учета зазоров, моментов инерции, крутильных жесткостей и трения, описывается уравнением:

 

wвых =kр wвх,  или aвых=kр aвх,                               (6)

 

где kp – коэффициент передачи редуктора; wвых , aвых – угловая скорость и угол поворота выходного вала; wвх , aвх - – угловая скорость и угол поворота входного вала редуктора.

Передаточная функция механического редуктора:

wвых =kр wвх

Эквивалентная упругая система (ЭУС) станка

Упругая система станка описывается, в предположении одномассовой динамической модели, следующим уравнением (при силовом возмущении):

где w0 - собственная частота колебаний; x - коэффициент затухания колебаний; c – жесткость упругой системы станка; y – деформация упругой системы станка; P – силовой параметр.

Передаточная функция эквивалентной упругой системы станка: