Модернизация системы управления вертикально-фрезерным станком модели 6М610

Работа из раздела: «Производство и технологии»

/

29

Введение

Одним из путей повышения производительности металлорежущих станков является их модернизация с использованием современных средств автоматизации. А также их использование для разнообразных операций изготовления деталей в условиях серийного или массового производства.

Одним из таких примеров может служить вариант использования вертикально-фрезерного станка для плоскостного фрезерования деталей по четырем плоскостям, например, формы параллелепипеда или другой формы.

В настоящее время в машиностроении широко используются детали, содержащие сложно-профильные поверхности: формообразующие поверхности штампов, прессформ, копиры и многие другие.

К основным способам получения деталей с такими поверхностями можно отнести литье, штамповка, резание. Однако только обработка резанием, в частности фрезерование, позволяет получить параметры поверхности близкими к заданным и сократить время последующей доводки. Очень часто этот метод является единственным возможным методом, это особенно важно на данный момент, так как большинство предприятий машиностроения перешли на серийное или мелкосерийное производство. Получение деталей фрезерованием, при таком типе производства, наиболее экономически оправдано.

Типовой технологический процесс обработки сложнопрофильных поверхностей включает в себя следующие операции: заготовительная, фрезерная, доводочная. Последняя выполняется вручную, при этом трудоемкость операции определяется выходными параметрами поверхности после фрезерования. Поэтому обеспечив высокий класс шероховатости на стадии фрезерования, можно сократить время на доводку, которая является наиболее трудоемкой частью технологического процесса.

Точная обработка поверхностей металлических изделий всегда являлась важнейшей задачей тяжелого машиностроения. В связи с этим большую важность для машиностроения представляли станки, предназначенные для обработки металлических поверхностей различными инструментами, такими как фрезы, резцы, шлифовальные круги и прочие.

Вместе с развитием станкостроения возрастали требования к точностям поверхностей деталей, что привело к применению в станках новейших измерительных систем и систем управления движением. В связи с этими тенденциями приобрела большую важность такая область станкостроения как модернизация станков.

Для обработки крупногабаритных деталей используются специализированные станки, на рабочий стол которых возможно поместить деталь соответствующего размера. Однако на одном станке обычно может обрабатываться не один вид детали. Особенно это важно для крупногабаритных станков, которые имеют высокую стоимость. В связи с этим система управления подобным агрегатом должна иметь повышенную гибкость для высокоточной обработки различных видов деталей.

Высокая точность обработки деталей достигается использованием в станках различных измерительных систем. Для станков применяются различные измерительные системы: высокоточные линейки, аналоговые датчики перемещения, электронные линейки. Тенденции развития измерительных систем сводятся к максимальному использованию высокоточных электронных линеек в связи с их высокой разрешающей.

Последние тенденции развития информационных технологий сводятся к тому, чтобы максимально облегчить работу человека со станком. Все это достигается как использованием новейших программных средств, так и различных аппаратных решений, таких как эргономичный дизайн, гибкий настраиваемый интерфейс, визуализация большого количества рабочих параметров и тому подобное.

Все эти новейшие разработки и тенденции были учтены при модернизации системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610.

1. Анализ существующих систем управления

1.1 Описание объекта управления

Вертикально-фрезерный станок модели 6М610 (рисунок 1.1 (приведен в приложении)) предназначен для выполнения разнообразных фрезерных работ цилиндрическими, угловыми, торцевыми, фасонными и другими фрезами. На рисунке 1.1 показаны основные элементы вертикально-фрезерного станка модели 6М610.

На станках обрабатывают горизонтальные и вертикальные плоскости, пазы, рамки, углы, зубчатые колеса, модели штампов, пресс-форм и другие детали из стали, чугуна, цветных металлов, их сплавов и пластмасс.

Вертикально-фрезерный станок модели 6М610 имеет следующие технические характеристики.

Мощность двигателя главного привода:

- вертикальной бабки - 45, 37 кВт;

- горизонтальной бабки - 30 кВт.

Наибольшее тяговое усилие привода перемещения, Н:

• стола - 6300;

• бабки вертикальной - 4000;

• ползуна вертикальной бабки - 4000;

• ползуна горизонтальной бабки - 4000.

Пределы подач, мм/мин:

• стола - 4…10000

• бабки вертикальной - 3…10000;

• ползуна вертикальной бабки - 3…6000;

• бабки горизонтальной - 3…2500;

• ползуна горизонтальной бабки - 3…1250.

Пределы частот вращения шпинделя, об/мин:

• вертикальной бабки - 4;

• горизонтальных бабок - 40…1250.

Количество механических ступеней частот вращения шпинделя:

• вертикальной бабки - 10…2000;

• горизонтальной бабки - 16.

Предельные размеры обрабатываемых поверхностей, мм:

• длина - 4000±40;

• ширина - 1250±20;

• высота - 1150±25.

Мощность приводов и высокая жесткость станков позволяют применять твердосплавный инструмент.

В станине размещена коробка скоростей. Шпиндельная головка смонтирована в верхней части станины и может поворачиваться в вертикальной плоскости. При этом ось шпинделя можно поворачивать под углом к плоскости рабочего стола. Главным движением является вращение шпинделя. Стол, на котором закрепляют заготовку, имеет продольное перемещение по направляющим салазок. Салазки имеют поперечное перемещение по направляющим консоли, которая перемещается по вертикальным направляющим станины. Таким образом, заготовка, установленная на столе, может получать подачу в трех направлениях. В консоли смонтирована коробка подач.

На вертикально-фрезерных станках применяют следующие типы фрез: торцовые, концевые, шпоночные. Фрезы изготовляют цельными или сборными с напайными или вставными ножами.

Цельные фрезы изготовляют из инструментальных сталей, корпуса напайных фрез - из конструкционных сталей; на рабочие части зубьев фрез припаивают пластинки из быстрорежущих сталей и твердых сплавов. У сборных фрез зубья (ножи) выполняют из быстрорежущих сталей или оснащают пластинками из твердых сплавов и закрепляют в корпусе фрезы различными механическими способами.

Режущее лезвие торцовой фрезы состоит из главного режущего лезвия, переходного лезвия и вспомогательного лезвия. Зуб торцовой фрезы имеет главный угол в плане, измеряемый между проекцией главного режущего лезвия на осевую плоскость и направлением подачи. Вспомогательный угол в плане составляет 5-10°. Чем меньше этот угол, тем ниже шероховатость обработанной поверхности.

Для закрепления заготовок на фрезерных станках применяют универсальные и специальные приспособления. К универсальным приспособлениям относятся прихваты, угольники, призмы, машинные тиски.

При обработке большого числа одинаковых заготовок изготовляют специальные приспособления, пригодные только для установки и закрепления этих заготовок на данном станке. Важной принадлежностью фрезерных станков являются делительные головки. Они служат для периодического поворота заготовок на требуемый угол и для непрерывного их вращения при фрезеровании винтовых канавок.

Делительная головка состоит из корпуса, поворотного барабана и шпинделя с центром. В корпусе на шпинделе жестко закреплено червячное зубчатое колесо (обычно с числом зубьев 40), находящееся в зацеплении с однозаходным червяком. Вращение шпинделю сообщают рукояткой 6. Следовательно, при одном обороте рукоятки шпиндель сделает 1/40 оборота. На переднем конце шпинделя нарезана резьба для навинчивания кулачкового патрона или поводка. Делительный лимб с отверстиями закреплен на полом валу, внутри которого расположен вал рукоятки. Для удобства пользования лимбом имеется раздвижной сектор, состоящий из двух ножек, которые устанавливают так, чтобы между ними было необходимое число отверстий на лимбе. На шпинделе закреплен лимб для непосредственного деления заготовки на части.

Винтовые канавки фрезеруют при непрерывном вращении шпинделя делительной головки, которое он получает от винта продольной подачи стола фрезерного станка через сменные колеса. Заготовку устанавливают в центрах делительной головки и задней бабки. В процессе обработки заготовка получает два движения ? вращательное и поступательное вдоль оси. Оба движения согласованы так, что при перемещении на шаг нарезаемой винтовой канавки заготовка делает один оборот.

В качестве вспомогательного инструмента применяют фрезерные оправки для закрепления фрез и передачи крутящего момента от шпинделя

на фрезу. Базой для крепления фрезы на оправке может быть её центровое отверстие или хвостовик (конический или цилиндрический). По способу крепления в первом случае фрезы называют насадными, во втором - хвостовыми.

Коническим хвостовиком оправку закрепляют в шпинделе, а на другом конце оправки крепят насадную фрезу с помощью шпонки и винта. Фрезы с коническим хвостовиком закрепляют в коническом отверстии шпинделя непосредственно или через переходные втулки. Фрезы с цилиндрическим хвостовиком закрепляют в цанговом патроне. Конический хвостовик патрона вставляют в шпиндель станка и закрепляют болтом.

Горизонтальные плоскости фрезеруют на вертикально-фрезерных станках торцовыми фрезами. Это удобнее вследствие большой жесткости их крепления в шпинделе и более плавной работы, так как одновременно работает большое количество зубьев.

Вертикальные плоскости фрезеруют на вертикально-фрезерных станках концевыми фрезами.

Наклонные плоскости и скосы фрезеруют торцовыми и концевыми фрезами на вертикально-фрезерных станках, у которых фрезерная головка со шпинделем поворачивается в вертикальной плоскости.

Уступы фрезеруют на вертикально-фрезерных станках концевыми фрезами.

Пазы на вертикально-фрезерных станках фрезеруют за два прохода: прямоугольный паз концевой фрезой, затем скосы паза концевой одноугловой фрезой для паза типа 'ласточкин хвост' и для Т-образного паза фрезеруют паз прямоугольного профиля концевой фрезой, затем нижнюю часть паза - фрезой для Т-образных пазов.

Закрытые шпоночные пазы фрезеруют концевыми фрезами, а открытые - концевыми или шпоночными. Точность получения шпоночного паза является важным условием при фрезеровании, так как от неё завесит характер посадки на шпонку сопрягаемых с валом деталей. Фрезерование шпоночной фрезой обеспечивает получение более точного паза; при переточке по торцовым зубьям диаметр фрезы практически не изменяется.

Фрезерование цилиндрических зубчатых колес на вертикально-фрезерных станках осуществляется пальцевой фрезой.

Сложно-профильные поверхности могут включать в себя выпуклые, вогнутые и прямолинейные участки. Причем в качестве инструмента может использоваться однозубая или многозубая фреза. Кроме того, требуемый профиль можно получить поворотом или только поступательным движением фрезы, т.е. можно выделить следующие способы получения сложнопрофильных поверхностей:

- вогнутая цилиндрическая поверхность, получаемая

а) за счет поворота оси фрезы на угол;

б) за счет поступательного движения фрезы;

- выпуклая цилиндрическая поверхность, получаемая

а) за счет поворота оси фрезы на угол;

б) за счет поступательного движения фрезы.

Вертикально-фрезерный станок модели 6М610 отличается большой универсальностью и предназначен для обработки деталей весом до 20 т (наибольшая допустимая масса обрабатываемого изделия, на 1 пог. м. стола - 5000 кг.) и габаритом, допускающим их установку на съемном столе.

Переносной (съемный) стол состоит из станины, продольно-подвижных саней и встроенного поворотного стола. Поворотный стол смонтирован на санях, перемещающихся по направляющим станины. Средняя направляющая имеет форму равнобокой трапеции для повышения точности. Весь узел «переносной стол» устанавливается и крепится на неподвижной плите станка, которая в свою очередь монтируется и крепится на фундаменте. Как поворот, так и перемещение поворотного стола осуществляется от одного электродвигателя. Переключение подачи с саней на стол осуществляется вручную от механической рукоятки. Для обеспечения требований точности снизу поворотного стола нанесены деления с ценой 30 угловых минут. Зажим поворотного стола осуществляется вручную поворотом рукоятки. Снаружи саней смонтирован насос, приводимый в действие ходом саней. Так же насос снабжен рукояткой, предназначенной для подачи масла вручную перед началом работы.

Рабочие подачи и установочные перемещения стойки, бабки, шпинделя, радиального суппорта и стола производятся от отдельных электродвигателей переменного тока. Для управления этими электродвигателями применяется типовой электропривод с частотным управлением. Кинематические цепи станка короткие и простые, без коробки подач и муфт переключения. Общие габариты станка составляют 12500x6500x5800 мм, а масса всех механизмов 49500 кг.

Инструмент может двигаться в 3 направлениях (оси X,Y,Z), заготовка вдоль оси W и вокруг оси рабочего стола (ось В).

Рабочий стол с габаритами 4000x1800 мм имеет 1 двигатель, обеспечивающий как вращение, так и линейное перемещение.

Уменьшение силы сопротивления, препятствующей движению, осуществляется путем разбрызгивания масла на направляющие. Станок так же имеет вспомогательные привода зажимов осей, насосных станций и переключения передач.

Основные органы управления станком расположены на главном пульте, который расположен на специальной подвеске (см. рисунок 1.1. На этом пульте расположены: 1. органы, управляющие пуском и остановкой главного привода; 2. органы распределения, пуска и остановки подачи; 3. органы, управляющие установочными перемещениями.

Часть этих органов управления дублирована на переносном пульте. Выбор числа оборотов шпинделя и величины рабочей и установочной подачи производится только на главном пульте. При нажатии кнопки «БЫСТРО» включается наибольшая скорость перемещения независимо от положения рукоятки оператора.

Сообщений об ошибках в системе управления не предусматривалось, что увеличивало время обслуживания станка и затрудняло работу с ним.

Старая система управления обеспечивала управление станком только в ручном режиме управления. Для обеспечения точности перемещений каждая ось была обеспечена своей измерительной системой: оси X, Z, В, V -поворотные лимбы, оси W и Y - высокоточные линейки.

Отсчет перемещений каретки, левой и правой бабок, продольных перемещений переносного стола и вертикальных перемещений шпиндельной бабки производится преобразователем угловым ЛИР158 с ценой деления 1 мм.

Отсчет поворота стола при его установке через каждые 90° производится с помощью встроенных индикаторных устройств, установленных на санях. Для установки стола на любой угол по отношению к оси шпинделя имеется круговая шкала. Отсчет производится по рискам, нанесенным на указательных планках, закрепленным на санях стола. Цена деления круговой шкалы равна 0,5°.

1.2 Обзор существующего рынка и выбор УЧПУ

В настоящее время на российском рынке представлены УЧПУ различных зарубежных фирм Siemens, Heidenhein (Германия); Fagor (Испания); GE Fanuc Automation (США-Япония); Okuma, Mitsubishi (Япония) и отечественных фирм: Балт-Систем (Санкт-Петербург); Модмаш-софт (Нижний Новгород), Ижпрэст (Ижевск), Микрос (Ногинск), Альфа-Систем (Москва).

Все фирмы производители имеют УЧПУ различного класса для управления простым и сложным станочным оборудованием. В целях уменьшения себестоимости предлагаемые УЧПУ имеют минимальные аппаратные и программные средства для простого и среднего классов, а для сложного оборудования включают новые функциональные элементы.

В последние десять лет с развитием электронной промышленности появилась возможность использования надежных унифицированных промышленных модулей, таких как материнские платы, блоки питания, мониторы и другие части, позволяющие использовать их в собственных разработках. Применение этих модулей и блоков на порядок повысило надежность УЧПУ.

Наметившаяся тенденция к унификации, минимизации, увеличению быстродействия аппаратных средств при сохранении надежности будет продолжаться и в будущем. Если раньше в основном простои станков с УЧПУ были вызваны выходом из строя УЧПУ, то в последние годы таких жалоб практически нет. Уровень надежности отечественных устройств сравнялся с уровнем зарубежных. А в пользу отечественных разработок говорит их относительно цена, по сравнению с иностранными аналогами.

Остановимся подробнее на нескольких решениях отечественных и зарубежных фирм-производителей. Все рассматриваемые в дальнейшем УЧПУ будут отвечать необходимым требованиям, предъявляемым к управлению фрезерным станком.

1.2.1 УЧПУ фирмы Балт-Систем

УЧПУ NC-110 фирмы Балт-Систем применяется в металлообрабатывающих станках [7]. Устройство отличается сочетанием многофункциональности, надежности и возможности управления пятью процессами одновременно. Устройство имеет открытую архитектуру, что позволяет удовлетворять растущие требования потребителей путем встраивания дополнительных аппаратных и программных модулей. Устройство может работать с датчиками типа энкодер, резольвер и индуктосин. Это позволяет эффективно применять устройство для управления различным оборудованием: обрабатывающими центрами, высокоскоростными станками, многосуппортными станками и гибкими производственными системами. Основные технические параметры УЧПУ фирмы Балт-Систем приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Технические параметры УЧПУ фирмы Балт-Систем.

Общие технические характеристики
Число управляемых осей	до 16
Кадров УП в секунду	до 5000
Модулей в БУ	до 6/8
Входов/выходов	до 384/256
Дисплей	TFT 10,4' или CRT 14'

1.2.2 УЧПУ фирмы Siemens, модель Sinumerik 840Di si

Фирма Siemens выпускает различные по функциям УЧПУ [4], давая возможность заказчикам подобрать необходимую конфигурацию. Для проектируемой УЧПУ фрезерным станком подойдёт УЧПУ Sinumerik 840Di si. Основные технические характеристики Sinumerik 840Di si приведены в таблице 1.2.

Sinumerik 840Di si это полностью PC-интегрированная СЧПУ, работающая в комбинации с приводной системой Sinamics S120. УЧПУ Sinumerik 840Di si состоит из промышленного компьютера PCU 50.3, платы MCI Board, панели оператора и системного программного обеспечения для 6 или 20 осей (для нашего проекта подходит система с 6 осями).

Таблица 1.2. Технические характеристики Sinumerik 840Di si.

Число управляемых осей	6 или 20 осей
Объем памяти для данных и технологических программ	HDD 40 ГБ
Загрузка/выгрузка технологических программ	через канал RS 232, встроенную сеть Ethernet, USB или дисковод 3,5' (дополнительная опция)
Тип экрана	цветной с диагональю от 10,4' до 15'
Язык экранного диалога	английский или русский (дополнительная опция)
Язык программирования	ISO , языки высокого уровня
Возможность программировать сложные 2D контуры непосредственно с чертежа	имеется при заказе соответствующего программного обеспечения
Параметрическое программирование	имеется
Моделирование траектории инструмента при отключенном станке	имеется

Интерфейс Profibus DP на панели MCI обеспечивает соединение приводной системы Sinamics S120. Доступны два варианта аппаратного обеспечения Sinumerik 840Di si в зависимости от требований к производительности:

· PCU 50.3 - процессор Celeron 1.5 ГГц, с оперативной памятью 512 Mb , встроенной платой MCI Board и операционной системой Windows XP;

· PCU 50.3 - процессор Intel Pentium 2.0 ГГц, с оперативной памятью 1024 Mb, встроенной платой MCI Board и операционной системой Windows XP.

В качестве дополнительной опции может быть использована плата MCI Board Extension. Она может быть использована для соединения с маховичками, щупами и высокоскоростными входами и выходами. Приводная система Sinamics SI20 подключается через блок управления CU320. Подключение к Sinumerik 840Di si блока управления происходит через интерфейс Profibus DP. Блок CU320 может управлять максимум 6 осями, если нужно большее количество осей, то через Profibus DP можно подключить несколько блоков CU320. К Sinumerik 840Di si можно подключить следующие компоненты:

панель оператора Sinumerik, станочный пульт, кнопочную панель;

ручные пульты Sinumerik;

платы переферии РР 72/48;

плата аналогового задания на привода (ADI 4);

приводную систему Sinamics SI20 через блок управления CU320;

двигатели подачи и главного привода.

Связь с периферией и приводной системой осуществляется посредством Profibus.

1.2.3 УЧПУ фирмы Heidenhain

УЧПУ iTNC 530 фирмы Heidenhain предназначены для работы на фрезерных и сверлильных станках, а также в обрабатывающих центрах [6]. Основные технические параметры УЧПУ Heidenhain iTNC 530 приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Технические параметры УЧПУ Heidenhain iTNC 530.

Модель УЧПУ	ITNC 530
Число управляемых осей	до 8 и 1 шпиндель или 7 и 2 шпинделя
Объем памяти для данных и технологических программ	ограничена только емкостью жесткого диска (в базовом комплекте 13 ГБ)
Загрузка/выгрузка технологических программ	через каналы RS 232, RS 422 или по сети Ethernet (дополнительная опция)
Тип экрана	15' цветной TFT (плоский)
Язык программирования	диалоговое, ISO
Особенности	имеется возможность программирования
программирования	прямо у станка в режиме диалога «открытым текстом», не требующего от оператора знания языков программирования или G-функций
Возможность программировать сложные 2D контуры прямо с чертежа	имеется
Параметрическое программирование	имеется
Моделирование траектории инструмента при отключенном станке	имеется
Опциональные возможности (по заказу):	сетевая карта Ethernet, до 3 электронных штурвалов, средства дистанционного обслуживания и диагностики и т.д.

Одной из возможностей данного УЧПУ является оснащение двумя процессорами. Один из процессоров обеспечивает обработку задач в реальном времени и функционирование операционной системы Heidenhain, а второй процессор обеспечивает работу стандартной операционной системы Windows, предоставляя пользователю дополнительные возможности. При подключении в локальную сеть iTNC 530 предоставляет специалисту необходимую информацию: чертежи САПР, эскизы устройств фиксации, списки инструментов и т.д. У оператора имеется также доступ к работающим в системе Windows базам данных, в которых специалист может быстро найти специальные технологические данные, такие как скорость резания или разрешаемый угол врезания.

1.2.4 УЧПУ фирмы GE Fanuc

Фирма GE Fanuc Automation [5] выпускает следующие модели УЧПУ 16i / 160i / и 18i / 180i. Эти модели функционально очень схожи между собой. Главным отличием одной модели от другой является максимально возможное количество управляемых осей.

В УЧПУ открытого типа FANUC OPEN CNC реализовано оптимальное сочетание СЧПУ с компьютером за счет их интеграции в единую сетевую среду с высокоскоростным каналом обмена данными. Пакеты прикладных программ системы FANUC OPEN CNC предоставляет производителям станков с ЧПУ уникальные возможности по расширению их рабочих функций, что, в свою очередь, позволяет полнее удовлетворить потребности заказчиков станочного оборудования. Системой ЧПУ FANUC OPEN CNC предусмотрено оснащение станка графическим интерфейсом пользователя, обмен массивами данных через локальную сетевую среду, управление базой данных по инструментальной оснастке и т.д. Система FANUC OPEN CNC открывает широкие возможности по внедрению самых высоких современных компьютерных и информационных технологий в сферу производства и эксплуатации станков с ЧПУ. Основные технические параметры УЧПУ моделей 16i / 160i и 18i / 180i приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4. Технические параметры УЧПУ моделей 16i / 160i и 181 / 1801.

Модель УЧПУ	16i/160i	181 / 1801
Число управляемых осей	до 8 (16)	до 6(12)
Объем памяти для данных и программ	до 2 / 64 /128 МБ (дополнительная опция)	до 1 / 64 / 128 МБ (дополнительная опция)
	При установке PCMCIA-Memory Card ограничивается лишь ее объемом (с карты может осуществляться также и выполнение программ)
Загрузка/выгрузка программ	RS 232, встроенный Ethernet, PCMCIA-Memory Card (приобретается отдельно), FDD (дополнительная опция), USB
Тип экрана	7,279,5' ЖК (монохромный), 8,4710,4' ЖК (цветной), 12,1715' (дополнительная опция)
Язык программирования	диалоговое , ISO ,C (дополнительная опция)
Особенности программирования	имеется возможность программирования в реальном времени и на языке С (дополнительная опция), создания собственных циклов, макросов и пользовательских экранов.
Возможность программировать сложные 2D контуры с чертежа	имеется
Параметрическое программирование	имеется
Моделирование траектории инструмента	имеется
Опциональные возможности:	ручной пульт с ЖК-дисплеем и генератором команд, флэш-карта с АТА-интерфейсом или HDD для поддержки высокоскоростных процессов

Среди преимуществ УЧПУ Fanuc можно выделить следующие:

- ультракомпактный дизайн УЧПУ (примерно 60 мм в толщину) с уменьшенным количеством кабельных соединений (за счёт интеграции УЧПУ с жидкокристаллическим дисплеем);

- сверхвысокоскоростная последовательная передача данных обеспечивается при минимальном количестве кабельных соединений;

- высокоточная обработка поверхностей посредством наноинтерполяции;

- точная, нанометровая интерполяция без округления наименьшего инкремента в командном сигнале, позволяет достичь плавной траектории позиционирования для цифровой системы управления сервоприводом, что способствует большей гладкости обрабатываемой поверхности.

1.3 Техническое задание на разработку системы управления

При разработке технического задания на систему управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 учтены обзор и анализ новых тенденций в развитии современных средств автоматизации.

При модернизации системы управления необходимо:

1. сделать отдельный пульт оператора, совмещающий в себе функции визуализации различных параметров и управления станком.

2. систему управления необходимо сделать на базе программируемого контроллера, для уменьшения затрат и необходимости движения только по одной оси одновременно.

3. заменить электропривода и электроконтактную аппаратуру на новые.

4. в программной части решено ввести абсолютную систему отсчета в системе координат станка; дополнительные блокировки по движениям и переключениям осей, управлению приводами подач координат 'Z', 'R', 'W', управлению электроприводами левой и правой бабками; несколько режимов работы станка («ручной», «выход в точку», «работа в приращениях» и «выход в исходное») и визуализацию различных параметров (вывод сообщений об ошибках системы управления, вывод координат, вывод состояний, ввод параметров торможения и ввод параметров выхода в исходное).

5. повысить точность позиционирования с помощью установки электронных датчиков положения. Точность по перемещениям должна составлять для линейных перемещений 0,01 мм, а для поворотного стола 0,01 градуса.

С учетом всего вышесказанного далее приводятся требования к отдельным частям СУ.

1.3.1 Требования к электроприводу

Шкаф с преобразователем должен располагаться непосредственно на станке вблизи от всех устройств, поэтому должен обладать небольшими габаритными размерами, иметь достаточную степень защиты IP, обеспечивать высокую надежность при работе в номинальных режимах. Сам электропривод должен обладать достаточным быстродействием для обработки поступающих сигналов и обладать высокой динамикой, так как во время работы предусмотрено изменение скорости движения рабочего органа под нагрузкой. Так же привод и электродвигатели должны обладать достаточной мощностью и достаточным моментом для достижения необходимых усилий при резании. Привод должен обладать широким диапазоном регулирования скорости, так как для данного станка важно точное поддержание скорости как в области низких частот вращения двигателя, так и на высоких частотах. Двигатель же в свою очередь должен обладать высокой надежностью и способностью длительно работать под номинальной нагрузкой как в постоянном, так и в повторно-кратковременном режимах.

Электропривод должен оснащаться защитной коммутационной аппаратурой, которая должна отключать внешнее силовое питание в случае возникновения аварии, перегрузки и располагаться в шкафу.

1.3.2 Требования к программируемому контроллеру

Управление станком должно осуществляться при помощи ПЛК, который должен опрашивать состояние датчиков (уровня, положения и т. д.) и выдавать сигналы на исполнительные устройства: электропривод и коммутационную аппаратуру. Также контроллер должен регламентировать длительность операций на некоторых узлах, используя программные таймеры, а также обсчитывать координаты линеек и выдавать их на терминал. В целом, система управления должна обладать хорошим быстродействием, так как для точной остановки по линейкам и конечным выключателям ограничения хода необходима высокая динамика действий системы управления.

В системе управления должны быть предусмотрены защиты при срабатывании аварийных конечных выключателей ограничения хода и кнопки «Аварийный стоп», по нажатию на которую происходит немедленное отключение силовых цепей электропривода.

Сам ПЛК должен располагаться в шкафу автоматики, в котором помимо контроллера располагается привод, коммутационная аппаратура и электрические коммуникации (габариты электрического шкафа указаны выше), и, соответственно, должен обладать небольшими размерами. Так же необходимо учесть, что ПЛК располагается в непосредственной близости от электропривода и коммутационной аппаратуры, вследствие чего он должен обладать высокой помехозащищенностью и в случае необходимости стабильной работой в области повышенных температур.

2. Разработка функциональной схемы системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610

Для разработчика системы управления одним из основных вопросов на этапе разработки становится вопрос о концепции системы управления и о дальнейшем развитии системы управления для того, чтобы она не так быстро устаревала. При этом важно знать - исторически сложилось, что системы управления делались централизованными. Подобные системы имели ряд существенных недостатков, таких как необходимость передавать сигналы в их исходной форме на значительные расстояния, что создает трудности особенно при передаче аналоговых сигналов, или ограниченную производительность. Впоследствии, наряду с развитием микроэлектроники, стали появляться распределенные системы. В подобной системе управления обработкой данных занимается уже не один, а несколько процессоров. Так же появилась возможность управлять объектами на значительном расстоянии с помощью промышленных сетей. Промышленные сети позволяют наряду с передачей сигналов на одном уровне управления транслировать их на более высокий уровень управления. Поэтому современные системы управления строятся с возможностью интеграции в уже существующую сеть. При анализе данной системы было обнаружено, что все объекты управления находятся на небольшом расстоянии друг от друга (не более 6 м), и нет необходимости транслировать данные во внешнюю сеть. Однако при разработке было учтено, что данная система должна иметь возможность роста. Это значит, что при наличии главного процессора (в данном случае центральный процессор ТК) и том факте, что все данные стекаются в центральный процессор, необходима возможность оперативного изменения количества входных/выходных сигналов системы и возможность трансляции необходимого количества данных во внешнюю сеть (например, сеть цеха). Вертикально-фрезерный станок модели 6М610 является пространственно сосредоточенной системой. Так же следует учесть, что для данного проекта не нужна передача данных на более высокий уровень управления.

Вследствие всех вышеперечисленных факторов выбор делается в пользу централизованной системы управления. Функциональная схема системы управления представлена на рис. 2.1 .

Система управления станком должна обеспечивать непрерывный контроль процессов (положение осей, ошибки в системе), своевременно на них реагировать (выдавать сообщения, включать программные блокировки), а так же осуществлять работу станка во вспомогательном режиме «Наладка параметров станка».

Рисунок 2.1 - Функциональная схема системы управления: ТК - технологический контроллер; ПО - пульт оператора станка (ЧМИ - человеко-машинный интерфейс); М - электропривод подач; Датчики - различные датчики системы (линейки, концевые выключатели, датчики уровня); Исполнительные устройства -управляемые реле.

электропривод контроллер фрезерный станок

Этот режим позволяет осуществлять наладку режимов торможения, ввод параметров торможения и ввод параметров режима «Выход в исходное».

3. Расчет и выбор основного оборудования системы управления

3.1 Расчет и выбор электродвигателей

Управляемый электропривод должен обеспечивать долговременную работу как в продолжительном, так и в повторно-кратковременном режиме, динамичные разгон и торможение, поддержание достаточного момента на малых оборотах для того, чтобы обеспечивать требуемые усилия резания на всех скоростях. Так же электропривод должен обеспечивать в системе требуемое быстродействие. Дополнительно: малые установочные габариты, высокую защиту от воздействия внешней среды, точность позиционирования и легкость управления.

Так как обработка ведётся только по 1 оси (остальные на это время недоступны), то экономически целесообразно установить 1 преобразователь частоты, управляющий группой двигателей. Диапазоны регулирования линейной скорости различны:

стола - 10000 мм/мин;

бабки вертикальной - 10000 мм/мин;

ползуна вертикальной бабки - 6000 мм/мин;

бабки горизонтальной - 5000 мм/мин;

ползуна горизонтальной бабки - 2500 мм/мин.

таким образом целесообразно применить электропривод с частотным управлением, имеющий диапазон регулирования 1:10000 и обеспечивающий хорошие характеристики по моменту, скорости и точности при небольших размерах.

При решении по выбору электропривода вопрос встал между выбором электропривода Siemens, ABB, Toshiba, Omron и Российского производства, находящихся в одной ценовой категории и обладающими похожими характеристиками.

Выбираем двигатель фирмы Siemens 1PH7 т.к. они имеют: 1. минимальную характеристику шума благодаря встроенной коробке выводов; 2. полный номинальный крутящий момент, даже в состоянии покоя; 3. максимально допустимую мощность. Двигатели оснащены датчиком для определения скорости и косвенной позиции.

Таблица 3.1. Технические характеристики электродвигателя1PH7.

Общие технические данные 1PH7
Напряжение питания вентилятора	3 AC 400 В / 50 Гц/60 Гц или 3 AC 480 В / 60 Гц
Датчик двигателя, встраиваемый	Оптический датчик, инкрементальный sin/cos 1 VPP, 2048 периодов/оборот
Допускаемая температура охлаждающей среды	-15…+40 °C
Контроль температуры	Термодатчик встроен в обмотку
Уровень шума по DIN 45635 (Допуск +3 dB)	от AS по BS (для режима 50 Гц) 1PH7 10…70 dB(A) 1PH7 13… 70 dB(A)
Технические данные (базовый тип)
Исполнение по IEC 60034-7	1PH710.: IM B5 (IM V1, IM V3) 1PH713.: IM B5 (IM V1, IM V3)
Тип подключения клеммной коробки
Мотор	Клеммы в клеммной коробке
Вентилятор	Клеммы в клеммной коробке
Датчик двигателя и термодатчик	17полюсный круглая розетка (без противоштекера)
Защита по IEC 60034	Мотор IP 65, Вентилятор IP 54
Подключаемое к преобразователю частоты KEB напряжение
3 AC 400 В ± 10 % (вн. контур UZK = 600 В)
Таблица 3.2. Данные для проектирования.
Номинальная мощность мотора PN при режиме S1 (по IEC 60034-1), кВт	45	37	30
Номинальный ток мотора IN при режиме S1 (по IEC 60034-1), A	35	28	25
Макс. частота вращения nmax, мин-1	10000	10000	10000
Момент инерции J, кгм2	0.017	0.017	0.017

Выбранные двигатели проверим на пусковые условия.

Рассчитаем номинальные моменты для двигателей 37 кВт

где - потери вращения двигателя; щ_н - номинальная частота вращения; щ_н = 1500 об/мин:

рад/с;

где Р_н , з_н - номинальная мощность и КПД двигателя

, Вт

Рассчитаем номинальные моменты для двигателя 45 кВт

, Вт

Рассчитаем номинальные моменты для двигателя 30 кВт

, Вт

3.2 Выбор преобразователя

3.2.1 Анализ преобразователей частоты

Преобразователи переменного тока выпускаются современной электротехнической промышленностью в двух основных конструктивных исполнениях: в виде преобразователей частоты, предназначенных для питания от сети переменного трехфазного напряжения и в виде автономных инверторов напряжения, питающихся от сети постоянного напряжения. Преобразователи частоты включают в себя блок силового выпрямителя, звено постоянного тока и автономный инвертор напряжения. Как правило, преобразователи частоты применяются в системах однодвигательного привода. На базе автономных инверторов напряжения питающихся от общего блока выпрямления (выпрямления/рекуперации) реализуются экономически эффективные системы многодвигательного привода.

Преобразователи частоты и автономные инверторы напряжения могут использоваться для управления, как стандартными асинхронными двигателями, так и синхронными двигателями. Область применения регулируемых электроприводов переменного тока очень широка. Для удобства рассмотрения их функциональных и конструктивных особенностей целесообразно выделить характерные сегменты рынка приводной техники (табл. 3.3).

Таблица 3.3

	Приводы общего назначения (стандартные)	Высокодинамичные приводы	Высокодинамичные взаимосвязанные приводы	Сервоприводы
Тип управления	U/f - управление	Векторное	Векторное	Серво
Точность	Низкая	Средняя	Высокая	Высокая
Динамика	Низкая	Средняя	Средняя	Высокая
Двигатель	Стандартный асинхронный	Стандартный асинхронный	Стандартный асинхронный	Синхронный и асинхронный серводвигатели
Технологические функции	С предварительно заданной конфигурацией (ПИД-регулятор)	С предварительно заданной конфигурацией (ПИД-регулятор)	С предварительно заданной конфигурацией, программируемые функции управления механическими переменными (синхронизация скоростей, распределение нагрузки, управление натяжением)	С предварительно заданной конфигурацией, программируемые функции управления перемещением (синхронизация положений, угловых перемещений)
Способ обмена данными	Аналоговые и дискретные сигналы	Аналоговые и дискретные сигналы, промышленные сети	Промышленные сети	Промышленные сети, операционные системы реального времени
Способ управления и квалификация оператора	Местное управление приводом	Местное управление приводом, компьютерные средства HMI	Компьютерные средства HMI, высококвалифицированный персонал	Компьютерные средства HMI
Область применения	Насосы, вентиляторы, компрессоры и др. простые механизмы с переменным моментом нагрузки	Центрифуги, подъемно-транспортные механизмы, экструдеры, мешалки и др. механизмы с постоянным моментом нагрузки	Многодвигательные приводы бумаго- и картоноделательных производств, прокатных станов, фольгопрокатных машин, производств полимерных пленок, синтетического волокна, приводы портовых кранов и др.	Станочные приводы, в т.ч. с ЧПУ, системы позиционирования в упаковочных, печатных агрегатах, системы перемещения, ткацкие станки и др.

В зависимости от области применения приводов переменного тока фирмы-производители преобразовательной техники предлагают специализированные серии приводов. Для решения задач автоматизации простых производственных механизмов, типовых объектов городского, жилищно-коммунального хозяйства применяются так называемые ?стандартные? приводы. В связи с острой конкуренцией в секторе стандартных приводов на рынке сегодня в основном представлена продукция крупных электротехнических корпораций, которые смогли снизить стоимость своей продукции за счет больших объемов производства и организованного международного рынка сбыта. Такими производителями являются ABB, Siemens, Vacon, Danfoss, SEW Eurodrive, Yaskawa, Mitsubishi, Fuji, Rockwell, Schneider-Toshiba, Omron, Lenze.

В качестве примера стандартных электроприводов переменного тока можно привести серии Micromaster, Sinamics G110 фирмы Siemens; Altivar 11, Altivar 28, Altivar 38, Altivar 58 фирмы Schneider Electric; FR-S 500, FR-E 500 фирмы Mitsubishi Electric, CIMR-77AZ, CIMR-E7Z фирмы Yaskawa-Omron. Принципы выбора и возможности построения систем автоматизации на базе стандартных преобразователей частоты рассмотрим на примере серии Micromaster.

На сегодня фирмой Siemens выпускаются несколько моделей приводов Micromaster - Micromaster 410, Micromaster 420, Micromaster 430, Micromaster 440, Micromaster 411.

Приводы, относящиеся к классу ?высокодинамичных?, согласно табл. 3.3 могут использоваться для решения достаточно сложных задач автоматизации производственных механизмов и технологических комплексов. Как правило, такие приводы характеризуются гибко программируемой системой управления, могут оснащаться датчиками обратной связи по скорости двигателя, имеют в стандартной комплектации широкий набор дискретных и аналоговых входов/выходов, позволяют расширять функции за счет дополнительных плат (карт). Сравнительные характеристики приводов отдельных производителей представлены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

	OMRON-YASKAWA F7Z	MITSUBISHI FR-V 520/540	SCHNEIDER ALTIVAR 58	SIEMENS MICROMASTER 440
Диапазон мощностей	0.55 кВт - 110 кВт 230 В 3AC 0.55 кВт - 300 кВт 400 В 3AC	1.5 кВт - 55 кВт 230 В 3AC 1.5 кВт - 55 кВт 400 В 3AC	0,37 кВт - 5.5 кВт 230 В 1AC 1,5 кВт - 7.5 кВт 230 В 3AC 0,75 кВт - 55 кВт 400 В 3AC	0,12 кВт - 3 кВт 230 В 1AC 0,12 кВт - 45 кВт 230 В 3AC 0,37 кВт - 200 кВт 400 В 3AC 0,75 кВт - 75 кВт 600 В 3AC
Диапазон напряжений	170 - 264 В 323 - 528 В	170 - 242 В 323 - 528 В	200 - 240 В +/-10% 380 - 500 В +/- 10%	200 - 240 В +/-10% 380 - 480 В +/- 10% 500 - 600 В +/- 10%
Входная частота	47.5-63 Гц	47.5-62.5 Гц	47.5-62.5 Гц	47-63 Гц
Выходная частота	0 - 400 Гц	0 - 400 Гц	0 - 500 Гц	0,12 кВт - 75 кВт: 0 - 650 Гц 90 кВт - 200 кВт: 0 - 267 Гц в режиме векторного управления - 0-200Гц
Диапазон регулирования скорости	Без датчика 1:100 С импульсным датчиком: 1:1000	С импульсным датчиком: 1:1000	Без датчика: 1:100 С импульсным датчиком: 1:1000	Без датчика: 1:50 С импульсным датчиком: 1:1000
Способ регулирования	Вольт-частотный: (U/f), произвольная настройка. Векторный с/без датчика скорости, управление моментом	Вольт-частотный: линейный (U/f), квадратичный (U/f2), произвольная настройка, режим «мягкой» ШИМ. Векторный с/без датчика скорости, управление моментом	Вольт-частотный: линейный (U/f), квадратичный (U/f2), режим энергосбережения, Векторный с/без датчика скорости	Вольт-частотный: линейный (U/f), квадратичный (U/f2), прямое управление потоком FCC, произвольная настройка Векторный с/без датчика скорости, управление моментом
Дискретные входы	4 программируемых + 3 фиксированных	4 программируемых + 3 фиксированных	4 программируемых	6 программируемых
Аналоговый вход 1	-10 В/ +10 В	0-10 В	0-10 В	0-10 В, 0-20 мА -10 В / +10 В, разрешение 10 бит
Аналоговый вход 2	4 - 20 мА -10 В / +10 В	-10 В / +10 В	0-20 мА, разрешение 10 бит	0-10 В, 0-20 мА
Аналоговый вход 3	Отсутствует	-10 В / +10 В	отсутствует	отсутствует
Аналоговый выход 1	0-10 В, разрешение 12 бит	0-10 В, разрешение 12 бит	0/4 - 20 мA 500? макс. нагрузка разрешение 9 бит	0/4 - 20 мA 500? макс. нагрузка разрешение 10 бит
Аналоговый выход 2	0 В / +10 В, разрешение 12 бит	-10 В / +10 В, разрешение 12 бит	отсутствует	0/4 - 20 мA, 500? макс. нагрузка, разрешение 10 бит
Дискретный выход 1	30 В DC 1A, 250 В AC 1 A, (реле неисправности)	30 В DC 0.3 A, 250 В AC 0.3 A, (реле неисправности)	30 В DC 5 A, 250 В AC 5 А, (реле неисправности)	Реле 30 В DC 5 A, 250 В AC 2 A, параметрируемый
Дискретный выход 2	Релейный параметрируемый	Транзисторный параметрируемый	Реле 30 В DC 5 A, 250 В AC 5 A, параметрируемый	Реле 30 В DC 5 A, 250 В AC 2 A, параметрируемый
Дискретный выход 3	Релейный параметрируемый	Транзисторный параметрируемый	отсутствует	Реле 30 В DC 5 A, 250 В AC 2 A, параметрируемый
Дискретный выход 4	Релейный параметрируемый	Транзисторный параметрируемый	отсутствует	отсутствует
Способ торможения	На выбеге. С заданным темпом. Быстрое. Постоянным током. Динамическое (на резистор)
Функции защит от:	пониженного напряжения, перенапряжения, обрыва питающей фазы и выходной фазы, перегрузки, замыкания на землю, междуфазного КЗ, блокировки двигателя, перегрева двигателя, перегрева преобразователя и др.
Технологический регулятор	Встроенный ПИД- регулятор. Встроенный источник питания 24 В для датчика ПИД-регулятора	Встроенный ПИД- регулятор. Встроенный источник питания 24 В для датчика ПИД-регулятора	Встроенный ПИ - регулятор. Встроенный источник питания 24 В для датчика ПИ-регулятора	Встроенный ПИД- регулятор. Встроенный источник питания 24 В для датчика ПИД-регулятора
Карты расширения	Карта цифрового задания скорости 16 bit; карта аналогового задания скорости 14 bit; карта аналогового монитора 11 bit; карта цифровых выходов 6 транзисторных, 2 релейных; карта подключения датчиков положения (операционный усилитель/открытый коллектор) Сетевые карты: Profibus-DP, DeviceNet, CFN-open, LONWORKS, PLC-options with DeviceNet.	Карта входов (6 DI, AO (16bit), PTC); Карта транз. выходов (3 DO); Карта выходов (7 DO, 1AO); Карта релейных выходов (3DO); Карта позиционирования с импульсным входом; Карта цифрового задания частоты (16bit); Карта цифрового задания частоты (12bit). Сетевые карты: SSCNET, Ethernet, Profibus-DP, DeviceNet, CC-Link, карта связи с ПК	Модуль подключения импульсного датчика скорости / тахогенератора; Карта управления насосами (до 5 насосов); Карта переключения двигателей; Карта простого позиционирования. Сетевые карты: Fipio; Modbus Plus, Uni-Telway, Modbus ASCII, Modbus RTU/Jbus; Interbus-S; AS-i; Profibus-DP; Ethernet; CANopen, DeviceNet; METASYS, модуль связи с ПК	Модуль подключения импульсного датчика скорости. Сетевые карты: Profibus-DP, DeviceNet, CANopen, модуль связи с ПК

В сегменте высокодинамичных и взаимосвязанных электроприводов основными поставщиками являются компании ABB, Siemens, Vacon, Yaskawa, SEW Eurodrive, KEB, Alstom, Rockwell, Lenze. Значительную долю рынка в данном сегменте на сегодня занимает фирма Siemens.

3.2.2 Преобразователь KEB

Для двигателей выбираем преобразователи KEB. Преобразователи KEB позволяют с высокой точностью поддерживать заданную скорость двигателя, как в установившихся, так и в переходных режимах.

Основные особенности: 1. гибкая конфигурация управления благодаря модульной конструкции; 2. шесть программируемых цифровых входов; 3. два аналоговых входа (0 до 10 В, 0 до 20 мA), могут по выбору быть использованы в качестве 7-го и 8-го цифровых входа.

Механические параметры: 1. модульное исполнение; 2. компактный корпус благодаря высокой удельной мощности; 3. вставляемая панель оператора; 4. управляющая клеммная колодка без винтов.

Силовые параметры: 1. цифровое микропроцессорное управление; 2. векторное управление; 3. U/f-управление линейное и квадратичное; 4. параметрируемая кривая зависимости U/f; 5. режим низкого потребления энергии; 6. автоматический повторный запуск при пропадании сети или нарушениях режима; 7. высококачественный PID регулятор (с автонастройкой) для простого управления производственными процессами; 8. параметрируемое время разгона и торможения в пределах 0 … 650 с.; 9. сглаживание кривой пуска; 10. точный ввод заданного значения благодаря 10-битному аналоговому входу.

Технические характеристики преобразователя KEB представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5. Технические данные преобразователя KEB.

Сетевое напряжения и диапазон мощностей	AC380… 480 В ± 10 % 0.37 … 75 кВт
Частота сети	47... 63 Гц
Выходная частота	0... 650 Гц
КПД преобразователя	96… 97 %
Перегрузочная способность	1.5 х расчётный вых. ток в теч. 60 сек (300 сек), 2 х расчётный вых. ток в теч. 3 сек (300 сек)
Пусковой ток	не выше расчётного входного тока
Метод управления	Векторное управление, управление моментом, линейная зависимость U/f; квадратичная зависимость U/f, прямое управление током ( FCC ), режим энергосбережения
Частота импульсов	2 … 1 6 kHz (по 2 kHz)
Торможение	Торможение постоянным током, комбинированное торможение, динамическое торможение
Степень защиты	IP 20

3.3 Выбор технологического контроллера

При анализе системы для управления движениями было рассмотрена два варианта управляющих систем - стойка ЧПУ и технологический контроллер. Для вертикально-фрезерного станка модели 6М610 был принят вариант с ТК, так как он существенно дешевле, удобней в наладке и установке и имеет широкую номенклатуру модулей.

Использование программируемого контроллера при решении задач автоматизации имеет ряд преимуществ по сравнению с применением других технических средств. Программируемый контроллер работает путем наблюдения за входными сигналами и выдавая выходные сигналы. При обнаружении изменений во входных сигналах ТК реагирует согласно запрограммированной логике для выдачи выходных сигналов. Для осуществления управления ТК постоянно циклически сканирует программу, заложенную в памяти.

ТК не зависит от объекта управления, его можно использовать в последствии для выполнения других задач, программируемый контроллер весьма гибок при внедрении и отладке. ТК пригоден для выполнения сложных операций: вычислений, регулирования, принятия решений и т.д. ТК обеспечивает наблюдение за отработкой алгоритма управления: визуализацией состояния входов/выходов, логических операций при обработке информации; он облегчает подготовку документации о работе системы, а, следовательно, и ее обслуживание.

Сетевые возможности ТК могут представлять интерес при создании иерархических или распределенных систем.

При выборе контроллера был проведен сравнительный анализ промышленных контроллеров фирм Siemens и Omron. Оказалось, что контроллер Simatic S7-300 фирмы Siemens значительно больше по размерам и по цене аналогичных моделей контроллеров фирмы Omron, а так же уступает по характеристикам.

Для организации точных перемещений в автоматическом (цифровом) режиме необходимо было выбрать контроллер, способный выдавать последовательности импульсов. Таких контроллеров в номенклатуре Omron всего два: CQM и СJМ. Однако, в силу того, что импульсные входы сервопривода SGDH-50DE способны воспринимать импульсы частотой до 100 kHz, то выбор становится очевиден - СJМ (рисунок 3.1), так как контроллер CQM способен выдавать последовательности импульсов частотой лишь до 20 kHz, в то время как СJМ обладает способностью выдавать последовательности импульсов частотой до 100 kHz.

Рисунок 3.1. - Внешний вид контроллера СJМ.

Модуль центрального процессора (CPU 22) выбирался по критериям быстродействие-цена. Сейчас в номенклатуре Omron существует три типа центральных процессоров для контроллера СJМ, обладающих импульсными выходами: это CPU21, CPU22 и CPU23 (сравнительные характеристики этих модулей приведены в таблице 3.6. [8]).

Таблица 3.6.

Как видно из таблицы, эти модули центральных процессоров практически ни чем не отличаются друг от друга. Основное их отличие состоит в том, что CPU23 отличается наибольшим объемом памяти программ; CPU22, соответственно, меньшей, a CPU21 еще меньшей. Также один из импульсных выходов CPU21 не поддерживает функцию широтно-импульсного модулирования. Цена этих продуктов также уменьшается от CPU23 к CPU21. Быстродействие, производительность (10 Ksteps) и цена контроллера CJ1M с модулем центрального процессора CPU22 наиболее полно устраивали заказчиков. Также именно этот контроллер имеет наилучшие массогабаритные показатели. Модули системы СJ1 подключаются друг к другу сбоку. Слева располагается блок питания и модуль CPU, далее насаживаются дополнительные модули, замыкает конструкцию справа торцевая панель (end cover), которая служит для функционирования шины ввода-вывода. Крепится вся система на стандартную DIN рейку. CJ1M совместим со всеми распространенными сетями.

Для организации обратных связей от датчиков положения (контур положения замкнут внутри привода и внутри системы управления) необходимо было использовать модули быстродействующих счетчиков, способных принимать импульсы датчиков положения в формате TTL (прямоугольные импульсы, сдвинутые друг относительно друга на 90 эл. градусов) с временем отклика до 10 мкс (100 kHz) (описание датчиков смотри ниже). Для контроллера CJ1M существует только один модуль высокоскоростных счетчиков CJ1W-CT021. Возможно так же использовать для счета импульсов входы самого модуля центрального процессора, но встроенный счетчик обладает меньшим набором функций по отношению к внешнему, или с помощью модуля управления движениями CJ1W-NC233, но он существенно дороже, а также не изучен. Таким образом, выбор пал на модуль высокоскоростного счета CJ1W-CT021. На этом модуле смонтировано два счетчика, что позволяет использовать три модуля высокоскоростных счетчиков, так как датчиков положения в системе управления шесть.

Для управления электроавтоматикой станка необходимо было не только принимать сигналы с различного рода датчиков (датчики уровня масла в баках, концевые выключатели ограничения хода, кнопки управления и др.) (уровень сигнала 24 В), но и выдавать дискретные сигналы того же уровня на управляемые устройства (замыкание/размыкание реле для включения/выключения различного рода устройств, таких как насосы смазки, зажимы, электромагниты). Для этого в системе управления были предусмотрены два стандартных модуля ввода/вывода: CJ1W-ID 261 - модуль дискретных входов на 64 входа, и CJ1W-OD 231 - модуль дискретных выходов на 32 выхода. Количество входов/выходов было выбрано после анализа всей системы на количество входных и выходных сигналов, а так же для создания 10% резерва на случай непредвиденных неполадок входов/выходов.

Для управления силовыми автоматами вспомогательных электродвигателей на выходы блока CJ1W-OD 231 были поставлены четыре контактные реле Omron серии MY2.

Для точного управления скоростью (аналоговое управление) необходимо было выбрать модуль аналогового вывода для контроллера. Так как аналоговый сигнал необходим только для управления сервоприводом, то целесообразно выбрать модуль аналогового вывода CJ1W-DA021, имеющий 2 канала вывода аналогового сигнала. Сигнал может иметь несколько диапазонов: 0...10 В, -10. ..10 В, 1 ...5 В, 4...20 мА. Для управления сервоприводом необходим диапазон выходного аналогового сигнала -10...+10 В. Это достигается настройкой модуля. Так же настройкой достигается использование разрешающей способности 4000 точек на весь диапазон.

Программирование контроллера осуществлялось с помощью программного продукта фирмы Omron CX-Programmer V4.0. Этот программный пакет фирмы Omron представляет собой современную систему для разработки различных программ для контроллеров Omron, как на языке релейно-контактных схем, так и в мнемокоде. Он выпущен на замену устаревшему программному пакету SYSWIN и поддерживает программирование всех новейших контроллеров Omron.

Этот программный пакет обладает функцией анализа созданной программы, которая позволяет проверять логическую правильность созданной программы еще на стадии разработки. Это позволяет быстрее и точнее создавать программы, не отвлекаясь на поиск логических ошибок.

3.4 Выбор программируемого терминала

Для индикации различных технологических параметров, ввода и отображения данных и индикации различных событий был выбран пульт оператора на базе NT-терминала NT31С от фирмы Omron. Для большей наглядности была выбрана цветная модификация данного терминала (8 цветов). Данный терминал был выбран потому, что этот терминал обладает рядом встроенных функций, таких как встроенный лист ошибок, использование рабочей области данных в памяти контроллера и возможность отображения на экране заранее загруженных в память рисунков, недоступных на более ранних типах терминалов. Также он обладает достаточными для размещения разработанного меню размерами (рабочая область имеет диагональ 5,7').

Внешний вид программируемого терминала NT31C представлен на рисунке 3.2, а основные характеристики в таблице 3.7[11].

Рисунок 3.2. - Внешний вид терминала NT31С.

Терминал соединяется через порт RS2-232C с контроллером и обменивается с ним данными по коммуникационному интерфейсу. Программирование терминала осуществлялось с помощью специального программного пакета Omron NTST6V4.1.

Этот специальный программный пакет для программирования NT-терминалов от фирмы Omron обладает широкими возможностями программирования терминалов.

Он позволяет не только создавать требуемый человеко-машинный интерфейс, но и проверять его примерное функционирование при возникновении различных рабочих ситуаций.

Таблица 3.7

Внешний вид среды программирования NT-терминалов представлен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3. ? Внешний вид среды программирования NTST6V4.1.

3.5 Выбор датчиков перемещения

Для обеспечения требуемой в техническом задании точности для системы управления подбирались датчики положения с дискретностью по линейном перемещениям 0,01 мм, а по круговым датчикам 0,01 градуса. Для системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 были приобретены датчики линейных и круговых перемещений российской фирмы СКБ ИС (Специальное Конструкторское Бюро Измерительных Систем) ЛИР158. Их основные характеристики приведены ниже в таблице 3.8.

Таблица 3.8

Эти датчики широко применяются в продукции станкостроительных заводов, в измерительных и робототехнических комплексах, автоматизированных установках электронной промышленности, системах технологического контроля, приборах научных исследований, а также во всевозможных измерительных устройствах, работающих в жестких условиях эксплуатации и требующих высокоточной регистрации линейных или угловых параметров движения их элементов.

Особенностью оптико-растровых преобразователей заключается в использовании в качестве меры длины или угла материальной линейки или, соответственно, кольца, с нанесенными на них оптически информативными дорожками в виде линейного (радиального) регулярного растра.

Внешний вид датчика показан на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. - Внешний вид датчика ЛИР158.

Взаимное перемещение растров идентифицируется с помощью оптико-электронных методов и используется для оценки значений регистрируемых перемещений. Сами преобразователи линейных или угловых перемещений осуществляют синхронное преобразование текущего значения аналоговой величины линейного перемещения (угла поворота) в адекватные значения ортогональных электрических сигналов, имеющих периодический характер. При этом временной масштаб сигналов пропорционален текущей скорости перемещения, а количество колебаний кратно числу штрихов измерительного растра или дробной части их периода, содержащегося в измеряемом перемещении. Конструкция кругового и линейного датчика различны, однако они выполняют одну и ту же функцию.

4. Разработка алгоритмов работы станка

В рамках данного проекта производилась разработка следующих алгоритмов: 1. переключения осей с одной на другую при непосредственном контроле оператора; 2. переключение скоростей шпинделя; 3. реализация четырехступенчатого торможения с возможностью ввода параметров торможения (ступень скорости торможения и расстояние от точки торможения до начала ступени);

Алгоритм переключения осей разработан с учетом используемой техники. Так в него введена проверка наличия движения осей, что равнозначно работе преобразователя. Если предположить возможность переключения осей (сервомашин) с одной на другую при работающем преобразователе, то при открытом транзисторе силовой части схемы может произойти авария преобразователя. Также в работу алгоритма введена задержка на отключение/подключение осей, что связано с рассеиванием напряжения на шине постоянного тока преобразователя. Алгоритм переключения осей представлен на рис. 4.1.

Алгоритм торможения не представляет особой сложности и его фрагмент представлен на рис. 4.2. Остальная часть алгоритма идентична приведенной. Стоит отметить, что алгоритм разработан таким образом, что если в зоне торможения реальная скорость движения меньше соответствующей ступени торможения, то скорость движения останется неизменной.

Алгоритм переключения скоростей главного двигателя был разработан с учетом механики и возможных аварийных ситуаций на данном узле станка. В процессе ввода в зацепление механизма переключения скоростей возможна ситуация, когда зубья колес механизма не войдут в зацепление со шпинделем. Алгоритм переключения скоростей главного двигателя представлен на рис. 4.3.

Рисунок 4.1. ? Алгоритм переключения осей станка.

Рис. 4.2. Алгоритм торможения (фрагмент)

Рис. 4.3. Алгоритм переключения скоростей главного двигателя.

5. Разработка компьютерной модели системы управления

5.1 Математическая модель

Оценивается динамика управления по замкнутым контурам управления положением по оси X'. Для этого создается математическая модель системы управления. За основу принимается математическая модель векторного управления электродвигателем, представленная в [2].

Во вращающейся с синхронной скоростью системе координат уравнения, описывающие электромагнитные процессы в электродвигателе, имеют вид:

;

;

;

.

В форме пространственных векторов:

;

.

- вектор составляющей потокосцепления статора от потока постоянных магнитов. Его значение - величина постоянная, поэтому величина всегда равна нулю. Учитывая это, можно записать:

, где:

- вектор ЭДС вращения,

- постоянная времени статорной обмотки.

Представим векторы и в виде проекций на оси и , тогда:

;

.

Из полученных неравенств определим проекции вектора тока статора:

;

.

При постоянном потокосцеплении ток статора по поперечной оси однозначно определяет электромагнитный момент двигателя:

.

Уравнение механики двигателя:

.

Выражения (51), (5.2) и (5.3) составляют математическую модель синхронного двигателя. Для создания полной модели необходимо добавить к этим выражениям описание инвертора напряжения.

Инерционность инвертора с ШИМ может быть охарактеризована чистым запаздыванием на величину периода модуляции. Инвертор моделируется как линейный усилитель мощности с коэффициентом усиления и постоянной времени . Описание инвертора вместе с преобразователем координат во вращающейся системе координат имеет вид:

;

.

Полная модель системы построена на основании выражений (5.1)-(5.4). В модель включены контура скорости и положения, с соответствующими регуляторами и датчиками обратной связи.

На структурной схеме (рис. 5.1) показаны перекрестные связи по проекциям тока и проекциям вектора напряжения. Эти связи отражают физические взаимосвязи каналов управления и представляют собой возмущения, действующие на токовые контуры. Если быстродействие токовых контуров достаточно высоко, то взаимное влияние будет практически отсутствовать. Тогда, чтобы составляющая тока была равна нулю необходимо сигнал задания для этой составляющей сделать нулевым.

Рисунок 5.1. ? Структурная схема управления электродвигателем.

Настройка всех контуров производится с учетом одной составляющей тока - .

Рисунок 5.2. ? Контур регулирования тока.

Принимаются следующие упрощения: - коэффициент усиления инвертора, - коэффициент усиления датчика тока.

с - постоянная времени инвертора, рассчитывается на основании частоты выходных импульсов инвертора. Сопротивление статорной цепи - Ом и с - электромагнитная постоянная времени двигателя, (см. технические характеристики выбранного двигателя в разделе 3).

Для настройки на оптимум по модулю контура тока используется ПИ-регулятор с передаточной функцией:

,

где: , с.

- малая постоянная времени контура тока. Для расчета контура скорости в качестве ПФ замкнутого контура тока принимают: .

Рисунок 5.3. ? Контур регулирования скорости.

Число пар полюсов - , момент инерции двигателя - кг*м² указаны в технических данных выбранного двигателя. Величина потокосцепления рассчитывается по формуле: . принимается равным 1.

Для настройки на оптимум по модулю контура скорости используется П-регулятор с передаточной функцией:

, где: .

- малая постоянная времени контура скорости. По аналогии с контуром тока, для расчета контура положения в качестве ПФ замкнутого контура скорости принимают:

.

Рисунок 5.4. ? Контур регулирования положения.

Если принять , то для настройки контура положения на ОМ достаточно будет П-регулятора с ПФ: , где: .

В системе управления настройки регуляторов тока и скорости хранятся в памяти инверторов, а регуляторов положения в устройстве ТК.

Для правильной работы автоматической подстройки регуляторов необходимо определить аналитически требуемые значения, а затем скорректировать их с учетом реальных значений неизвестных ранее коэффициентов передачи. Коррекция осуществляется путем простых расчетов. Например, для контура тока в проекте необходимо коэффициент усиления регулятора разделить на коэффициенты усиления инвертора и датчика тока, и учесть, что в регуляторе скорости нужно умножить на коэффициент датчика тока.

5.2 Оценка динамики системы

Для визуального представления динамических свойств модели управления серводвигателем необходимо построить графики переходных процессов. Для этого использовался пакет MatLab версии 7.0.1 с подсистемой моделирования динамических процессов Simulink. В расчете не учитывалось влияние перекрестных связей по проекциям тока и напряжения, рассматривалась только часть модели, относящаяся к поперечной составляющей векторов. Модель системы в проекте MatLab изображена на рисунке 5.5.

Проверка рассчитанных значений регуляторов показала, что система правильно отрабатывает задание согласно настройке на оптимум по модулю. То есть обеспечивает максимальное перерегулирование не более 4.3% и время переходного процесса равное , где - малая постоянная времени контура положения.

Так как значение с, то время переходного процесса составляет около 0.01с. В реальной системе это справедливо только для небольших уровней сигналов управления. При больших сигналах управления, сигналы задания на входах подчиненных контуров будут превышать значения, которые физически может отработать выбранное оборудование. Нарастание значений тока и скорости будет ограничено их максимальными значениями, указанными в технических данных двигателя. Поэтому в модель были добавлены блоки ограничения на задание соответствующих контуров.

На рисунках 5.6 и 5.7 изображены переходные процессы при задании перемещения, равного 1500 мм.

Рисунок 5.5. ? Модель системы управления серводвигателем в пакете MatLab.

Рисунок 5.6. ? Переходные процессы в контурах скорости и положения.

Рисунок 5.7. ? Переходный процесс в контуре тока.

Для оценки точности контурной обработки на вход модели подается гармонический (синусоидальный сигнал). Точность оценивается как векторная сумма ошибок нескольких контуров при обработке гармонических сигналов. Поскольку все контура положения в проекте одинаковые, то точность системы можно оценить по ошибке отработки одного контура, а затем рассчитать векторную сумму двух таких ошибок. На рисунке 5.8 показан график переходного процесса при гармоническом воздействии. На рисунке 5.9 область того же графика в увеличенном масштабе для оценки ошибки.

Ошибка отработки гармонического сигнала составила приблизительно 0.06 мм. Векторная сумма двух таких ошибок равна 0.085 мм. Эта ошибка удовлетворяет требованию к системе по точности контурной обработки.

Рисунок 5.8. ? Переходный процесс при гармоническом воздействии.

Рисунок 5.9. ? Увеличенное изображение области переходного процесса.

6. Технико-экономическое обоснование

6.1 Концепция

В рамках проекта по модернизации системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 было произведено внедрение промышленного контроллера вместо использующейся ранее релейно-контактной системы управления. Также в рамках этого проекта была произведена замена старого электропривода постоянного тока на новый привод переменного тока. Для увеличения точности по перемещениям в систему управления были внедрены точные датчики перемещения ЛИР158. Модернизация системы управления проводилась для увеличения точности и динамики перемещений рабочих органов станка. Внедрение нового электродвигателя переменного тока позволило уменьшить габариты и вес привода и двигателей.

Новая автоматизированная система управления на базе промышленного контроллера позволяет перейти к многостаночному обслуживанию. Это значит, что созданная система управления позволяет осуществлять движения рабочих органов в автоматическом режиме без участия оператора, что позволяет облегчить работу оператора и уменьшить непроизводительное время.

Для максимального удобства работы оператора все координаты осей были выведены на терминал поста оператора. Это позволяет оператору, не отлучаясь от пульта управления, проверять положение осей станка и управлять ими.

Вследствие различной сложности обрабатываемых поверхностей проведение расчета экономической эффективности проекта представляется трудоемким. Поэтому будет проводиться только расчет экономической эффективности для исполнителя проекта. Для этого необходимо вычислить разницу между затраченными и вырученными с проекта средствами.

6.2 Трудоемкость и календарный план

Перечисляя основные этапы НИР, условимся, что в непосредственной разработке принимают участие два человека - студент в роли исполнителя и дипломный руководитель - в качестве руководителя проекта.

Основные этапы дипломного проектирования:

1. Составление и утверждение ТЗ на дипломный проект: составление и утверждение ТЗ на разработку; создание общей концепции разрабатываемой системы управления.

2. Изучение ТЗ на дипломное проектирование: первичное ознакомление исполнителя с концепцией разрабатываемой системы; знакомство с объектом управления и принципами функционирования вертикально-фрезерного станка модели 6М610.

3. Выбор направления исследования: декомпозиция задания; выбор конкретных направлений работы для исполнителя.

4. Сбор и изучение научной документации: подборка и анализ литературы по соответствующей тематике микроконтроллерной техники; первоначальный анализ существующих разработок; постановка целей и задач для системы.

5. Разработка системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610: расчет данных, необходимых для выбора основных средств автоматизации; моделирование системы; разработка сопутствующей документации (схем, чертежей).

6. Разработка алгоритмов управления СУ вертикально-фрезерного станка модели 6М610.

7. Подготовка пояснительной записки к дипломному проекту: разработка сопроводительной документации по проекту (создание дипломной записки).

8. Итоговый анализ результатов.

Календарный план проведения работ представлен в таблице 6.1.

Таблица 6.1.

№	Наименование	Трудоемкость, чел./дни
		Научный руководитель	Исполнитель (Дипломник)
1	Составление и утверждение ТЗ на дипломный проект	5	10
2	Изучение ТЗ на дипломное проект	-	7
3	Выбор направления исследования	-	5
4	Сбор и изучение научной документации	-	7
5	Разработка системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610.	5	35
6	Разработка алгоритмов управления и компьютерной модели СУ вертикально-фрезерного станка модели 6М610	5	15
7	Подготовка пояснительной записки к дипломному проекту	4	15
8	Итоговый анализ результатов	2	5
9	Сдача проекта	1	1
ИТОГО:	22	100

Итоговые трудозатраты: 1. научный руководитель ? 22 чел./ дней; 2. исполнитель (студент) ? 100 чел./ дней.

6.3 Смета затрат на модернизацию

Основные статьи расходов:

1. «Материалы». Будем считать, что стоимость всех необходимых расходных материалов (в том числе канцелярии) равно 1000 руб.

Для модернизации системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 было закуплено оборудование фирмы «OMRON», состав которого и стоимость представлена в таблице 6.2.

Таблица 6.2

Наименование	Описание	Количество	Стоимость, руб
R88D-WT50HF	Сервопривод	2	185404
R88A-RWB003N	Кабель питания	2	13414
R88A-FIW4006	Разъем управления	1	4440
CJ1M-CPU22	Модуль центрального процессора ПЛК	1	23520
CJ1W-PA202	Модуль питания CPU	1	4879
CJ1W-CT021	Модуль счета	2	39649
CJ1W-ID261	Модуль дискретного ввода	1	15510
CJ1W-OD231	Модуль дискретного вывода	1	10785
NT31C-ST141	Программируемый терминал	1	56842
S8PS-15024CD	Источник питания 24 V	1	9832
S8PS-05005CD	Источник питания 5 V	1	4496
MY2	Реле 24 V	24	4604
PYF08A-E	Разъем под реле	24	2396
Итого:	375771

Цены в таблице 6.2 взяты из прайса «НПФ РАКУРС», которые указаны для покупателей.

· «Расходы на покупку или аренду специальное оборудования»: поскольку научно-исследовательская работа происходила в основном на кафедре, с использованием учебного оборудования и программного обеспечения, а также не возникал вопрос о покупке дополнительного оборудования, то статья расхода отсутствует.

· Расходы на оплаты труда: В разработке проекта принимали участие 2 человека: научный руководитель и исполнитель (студент). Будем считать, что оклад руководителя проекта равен окладу старшего научного работника (1 000 руб за 1 рабочий день), оклад исполнителя ? окладу младшего научного работника (800 руб за 1 рабочий день). Основной фонд оплаты труда складывается из суммы заработных плат всех участников проект:

= 1 000 руб/дн. * 22 дн.+ 800 руб/дн. * 100 дн=102 000 руб,

где - трудоемкость выполнения i-й технологической операции, нормо-ч; - часовая тарифная ставка рабочего, р/нормо-ч; - число технологических операций; дополнительная оплата труда составляет 12% от фонда основной заработной платы и равна:

=*12/100=102 000 руб * 0.12 = 12 240 руб,

итого: 102 000 руб + 12 240 руб. = 114 240 руб.

Отчисления на социальные страховые взносы. Отчисления на социальные страховые взносы складываются из отчислений в различные фонды: в пенсионный фонд РФ - 22%; в фонд социального страхования РФ - 2,9%; в фонд обязательного медицинского страхования - 5.1%. Таким образом отчисления на социальные нужды составляют 30 % от фонда основной заработной платы и равны:

=114 240 руб*30/100 = 34272 руб.

· Затраты по работам и задачам, выполняемым сторонними организациями: отсутствуют.

· Командировочные расходы: отсутствуют.

· Прочие прямые расходы: основным фактором, определяющим стоимость прочих прямых расходов является аренда оборудования; на основе ленточного графика, время аренды определяется как 50 ч.; стоимость арендной платы составляет 50 руб/час; таким образом, прочие прямые расходы равны 50 ч • 50 руб/час = 2 500 руб.

· Накладные расходы: определяются как 17 % от фонда общей заработной платы, и соответственно равны 19425,9 руб.

Смета затрат на модернизацию представлена в таблица 6.3.

Таблица 6.3.

№ п/п	Наименование статьи	Сумма, руб
1.	Материалы	376771
2.	Расходы на оплату труда	114 240
3.	Отчисления на социальные страховые взносы	34272
4.	Прочие прямые расходы	2 500
5.	Накладные расходы	19425,9
Себестоимость НИР	547208,9

7. Безопасность жизнедеятельности

Система управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 содержит следующие электрические и электронные устройства: преобразователь частоты; электродвигатели (сервомоторы, асинхронный двигатель главного движения, вспомогательные асинхронные двигатели); программируемый логический контроллер; программируемый терминал; периферийные устройства (датчики, реле, пускатели и т. д.).

Управление станком осуществляется от пульта оператора, содержащего кнопки (пуск и стоп станка и шпинделя, толчок шпинделя), рукоятку переключения скоростей, штурвал, аварийный грибок, выключатель освещения зоны обработки и сенсорную панель терминала. Согласно ПУЭ 1.1.3, горизонтально-расточной станок является электроустановкой и представляет собой совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования, предназначенных для преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии. Станок относится к классу электроустановок до 1кВ.

В отношении опасности поражения людей электрическим током, согласно ПЭУ 1.1.13. помещение цеха, где расположен станок относится к классу без повышенной опасности, так как отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность: сырость или токопроводящая пыль; токопроводящие полы; высокая температура; химически активная или органическая среда; возможность прикосновения к корпусу оборудования и к заземленной конструкции.

7.1 Электробезопасность

Для организации электропитания станка необходимо 3-х фазное напряжение питания -380В с частотой 50Гц (питание преобразователя частоты -сервопривода и двигателя главного движения), однофазное напряжение питания -220В с частотой 50Гц (питание программируемого логического контроллера, источников питания и вспомогательных двигателей). Питание серводвигателя осуществляется от преобразователей частоты 3-х фазным напряжением -380В переменной частоты. Для организации электробезопасности станка предприняты следующие меры: а)электропитание осуществляется по 5 - проводной сети с глухо-заземленной нейтралью, при этом для питания преобразователя частоты используется 3 фазы (-380В), нейтраль и защитный провод (РЕ), глухо соединенный с землей; а для однофазного напряжения -220В - один фазный провод и нейтраль (N); б) согласно ГОСТ 14254-80 наличие напряжения на станке сигнализируется проблесковым маячком красного цвета; в)подача электропитания на станок осуществляется электромагнитным контактором, для включения которого используется ключ. Данная мера позволяет избежать подачи питания на станок при монтаже механизмов или преобразователя частоты; г) мощность преобразователя частоты с трехфазным питанием 380 В - 5 кВт. Для защиты от токов короткого замыкания и перегрузки электрических линий применены автоматические токовые выключатели на 20 А.

Для питания преобразователя частоты применен 4-х жильный кабель с 4 мм' сечением медных проводов. Питание сервомотора от сервопривода осуществляется специальным кабелем, поставляемым в комплекте.

Для защиты от токов короткого замыкания главного двигателя применен автоматический выключатель на 50 А.

Питание контроллера и источников питания на 5 и 24 вольта осуществляется через автомат рассчитанный на ток отключения 3А двухжильным кабелем с медными проводами сечением 1 мм². Все электрические кабели станка имеют двойную поливинилхлоридную изоляцию.

Подключение всех датчиков осуществляется при помощи специальных кабелей, входящих в комплект поставки и обеспечивающих защиту от агрессивной окружающей среды.

г) Для защиты от поражения электрическим током при прикосновении к токоведущим частям участков системы, применено устройство защитного отключения с номинальным отключающим дифференциальным током 30 мА.

д) защита от токов короткого замыкания в соединениях преобразователя частоты с электродвигателем осуществляется электронными системами самого преобразователя, а так же быстродействующими полупроводниковыми предохранителями.

е) предусмотрена защита от замыкания фазы на корпус станка защитным занулением;

ж) все кабели и провода станка имеют маркировку, что исключает неправильные подключения при монтаже. Так, входные цепи преобразователей обозначены: LI, L2, L3 - для трехфазных; LI, N - для однофазных сетей. Выходные цепи обозначены U, V, W.

з) предусмотрено аварийное отключение электропитания привода подач кнопкой красного цвета (так называемым грибком), находящимся на панели оператора. При возникновении любой аварийной ситуации система управления выдает на терминал аварийное сообщение.

Вертикально-фрезерный станок модели 6М610 относится к классу защиты человека от поражения электрическим током I, к которому относятся изделия, имеющие, по крайней мере, рабочую изоляцию и элемент для заземления.

7.2 Пожаробезопасность

При работе станка возможно возникновение пожара вследствие следующих причин:

- короткое замыкание в силовых и коммуникационных кабелях;

- искрение при работе коммутационной аппаратуры;

- наличие вблизи станка пожароопасных веществ;

- искрение при плохом контакте в клеммных колодках.

Пожарная безопасность должна обеспечиваться в соответствии с ТЕХНИЧЕСКИМ РЕГЛАМЕНТОМ О ТРЕБОВАНИЯХ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ (Федеральный закон от 22 июля 2008 г. №123-ФЗ), а также Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), ГОСТ 12.2.007.0-75, ГОСТ 12.1.004-91, ГОСТ 12.1.010-76. В соответствии с этим приняты следующие меры:

а) вблизи станка запрещено хранить и использовать пожароопасные вещества;

б) станок размещен в цеху с постоянной температурой и влажностью, воздушная среда не содержит агрессивных компонентов и пожароопасной пыли;

в) вся коммутационная аппаратура имеет герметичный корпус, что исключает возможность возникновения искрения при коммутациях;

г) сечение проводов выбрано в соответствии с ГОСТ 6323-79 в расчете 8А на 1 мм² проводника, провода уложены в защитных рукавах;

д) все клеммы и силовые устройства располагаются в шкафах, оборудованных герметичными и влагостойкими корпусами и дверцами;

е) помещение, где расположен станок (заводской цех), оборудовано звуковой пожарной сигнализацией и средствами пожаротушения (углекислотными огнетушителями ОУ5, ОУ10).

7.3 Разработка средств защиты от механического травмирования

Вертикально-фрезерный станок модели 6М610 предназначен для точной обработки крупногабаритных деталей и состоит из множества узлов. Узлы станка приводятся в движение электродвигателями. При этом надо понимать, что вспомогательные движения осуществляются с помощью нерегулируемых приводов, а точные рабочие и установочные перемещения осуществляются сервоприводом, который через редуктор приводит в движение передачу винт-гайка. Для защиты человека от механического травмирования предприняты следующие меры:

согласно ГОСТ 12.2.062-81 все вращающиеся элементы станка за исключением расточного шпинделя (валы двигателей, редукторы, механизм переключения скоростей главного двигателя) ограждены откидными кожухами. Данное ограждение не ограничивает технологических возможностей оборудования и его обслуживания;

ограждение не является источником опасности;

ограждение откидное, и в защитном положении удерживается от самопроизвольного перемещения винтами;

конструкция и крепление ограждения должны исключать возможность случайного соприкосновения человека и ограждения с ограждаемыми элементами;

ограждение, крепящееся на корпусе, должно составляет органическое целое со станком, и соответствовать требованиям технической эстетики и ГОСТ 12.2.003-74.

К тому же станок оборудован кнопками аварийной остановки, расположенными в разных местах, что обеспечивает своевременное отключение питание главного двигателя и преобразователя частоты при возникновении аварийной ситуации. При нажатии этой кнопки происходит отключение питания преобразователя частоты и двигателя, остановка всех движений, а так же на терминале появляется сообщение системы управления о возникновении аварийной ситуации.

Конструкции станка лишены острых и режущих кромок, выступающих деталей и углов.

7.4 Освещение производственного помещения

Оператор станка работает с пультом управления, содержащим жидкокристаллический экран, согласно САНПИН 2.2.2/2.4.1340-03:

помещение имеет естественное и искусственное освещение;

монитор оператора жидкокристаллический (LCD), следовательно, площадь рабочего места должна составлять не менее 4,5 кв. м;

пульт оператора размещен таким образом, чтобы терминал оператора был ориентирован боковой стороной к световым проемам, чтобы естественный свет падал преимущественно слева. Также для удобства работы терминал смонтирован на специальной штанге, что позволяет вращать его вокруг вертикальной оси;

экран имеет встроенную подсветку, поэтому светильник местного освещения не требуется, к тому же в настройках терминала можно отрегулировать яркость и контрастность экрана;

показатель ослепленности источников общего искусственного освещения не превышает 20;

в качестве источников света при искусственном освещении применены люминесцентные лампы типа ЛБ и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ);

для обеспечения нормируемых значений освещенности в помещении планируется проводить чистку стекол оконных рам и светильников не реже двух раз в год и проводить своевременную замену перегоревших ламп;

- освещенность на рабочем месте оператора соответствует санитарным нормам и правилам для работы с жидкокристаллическими экранами и составляет не менее 300 лк.

7.5 Шум

При работе вертикально-фрезерного станка модели 6М610 источниками шума являются электродвигатели и инструмент, обрабатывающий деталь. Пульт оператора находится в 2-5 метрах от источников шума.

Максимальные шумовые параметры электродвигателя в соответствии с DIN 45635 и документацией приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Уровень звукового давления, дБ	Уровень звуковой мощности, дБ
65	70

Режим работы использования электродвигателей - 8 часов в день. Шум является непостоянным - колеблющимся (разно уровневым) из-за наличия различных режимов работы. Согласно ГОСТ 12.1.003-83, для типа помещения, где эксплуатируется станок, эквивалентный уровень звука не превышает предельно допустимого в 80 дБА.

7.6 Вибрация

При работе вертикально-фрезерного станка модели 6М610 источником вибрации является электродвигатель. Интенсивность собственной вибрации серводвигателей в соответствии с ГОСТ 12.1.012-90 характеризуется их вибрационной скоростью. При разработке была выбрана машина с наименьшей вибрацией, но удовлетворяющая требованиям по моменту, скорости и мощности. Эксплуатация станка подразумевает:

исключительное соблюдение правил и условий эксплуатации электромашин и введения технологических процессов, использованием машин только в соответствии с их назначением;

поддержанием технического состояния машин, параметров технологических процессов и элементов производственной среды;

своевременным проведением планового и предупредительного ремонта машин;

совершенствованием режимов работы машин и элементов производственной среды, исключением контакта работающих людей с вибрирующими поверхностями за пределами рабочего места;

контроль качества машин должен проводиться при контрольных испытаниях в соответствии с ГОСТ 15.001, а также при сертификационных испытаниях машины на безопасность;

оператор находится на расстоянии не менее 2 м от источников вибрации на рабочем месте, располагающемся на бетонном полу, вибрация не передается на рабочее место оператора. Уровень вибрации на рабочем месте оператора соответствует САНПИН 2.2.2/2.4.1340-03. Никаких защитных мер от вибрации применять не требуется.

7.7 Программные защиты

Управляющая программа осуществляет контроль выполняемых процессов и состояния периферийного оборудования. Это осуществляется в соответствии с рабочими режимами с помощью различного рода датчиков, контролирующих взаимное положение узлов. В случае сбоя датчика или поломки механизма, участвующего в движении, контроллер выдает аварийный сигнал, отключает питание преобразователя частоты (посредством магнитного пускателя), прекращает все движения и выдает на пульт оператора (терминал) аварийное сообщение.

Так же преобразователь частоты оснащен встроенным процессором, который контролирует все параметры двигателя. В случае перегрузки, перегрева или срабатывания внутренних защит преобразователя происходит разрыв питания преобразователя магнитным пускателем. К тому же в управляющей цепи привода (питающей внутренние цепи управления) стоит контакт реле, питание катушки управления которого заведено на встроенный выход преобразователя. Этот выход выдает сигнал в 24 В постоянного напряжения в случае, если сервопривод не обнаруживает ошибок в собственной работе. В целом станок отвечает всем требованиям по безопасности работы обслуживающего персонала и оператора.

Заключение

В рамках проекта по разработке системы управления вертикально-фрезерного станка модели 6М610 производился выбор привода подачи рабочих органов по мощности и моменту, выбор датчиков положения, промышленного контроллера и его модулей, а так же разработка алгоритмов работы различных агрегатов станка внутри общей системы управления. Высокие динамические характеристики сервопривода позволили повысить глубину регулирования по скорости до величины 1:10000, а использование дублированного управления (по цифровому и аналоговому каналам) позволило повысить надежность всей системы и использовать в работе необходимые режимы (поддержание постоянной скорости резания и точное позиционирование). Использование высокопроизводительного промышленного контроллера позволит создавать алгоритмы, которые работают параллельно, а так же быстро реагировать на создавшиеся ситуации.

Использование высокоточных электронных линеек позволило повысить точность перемещений станка до 0,01 мм.

Разработанная компьютерная модель и проведенные исследования динамических характеристик системы управления электроприводом показали, что выбранные средства автоматизации обеспечивают заданные технические характеристики.

Также в разработанной системе управления оставлен резерв для дальнейшего развития. Используемый промышленный контроллер имеет широчайшую номенклатуру специальных модулей, которые позволяют организовывать связь с верхними уровнями управления, управлять движениями рабочих органов еще более точно, организовывать связь между контроллерами и многое другое. В связи с этим разработанная система управления является конкурентоспособной не только в рамках произведенной модернизации.

Список использованных источников

Технический паспорт вертикально-фрезерного станка модели 6М610.

Г. Г. Соколовский Электроприводы переменного тока с частотным регулированием .- М.: Издательский центр ?Академия?, 2006 г.

Прокопов А. А., Татаринцев Н.И., Цирлин Л.А. Применение программируемых контроллеров для управления технологическим оборудованием: Учеб. Пособие/ГЭТУ. - С-Пб., 2001. 75 с.

3. Прокопов А. А., Татаринцев Н.И., Цирлин Л.А. Компьютерные технологии автоматизации: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. 75 с.

4. ГОСТ 50369-92. Электроприводы. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1993.

5. Москаленко В. В. Электрический привод: Учеб. Пособие для студ. учреждений сред. Проф. Образования. - М.: Мастерство, Высшая школа, 2000.

6. Automation Systems - OMRON General Catalogue 2011.

7. Industrial components and sensors - General Catalogue. Omron Europe B. V. 2001. 1115c.

8. CJ1M-CPU22/23 Модули CPU CJ1M - Руководство по эксплуатации (W395-RU-1)

9. CS1 & CJ1 series Programmable Controllers - Instruction Reference Manual (W340-E1-07)

10. Motion & Drives - OMRON General Catalogue 2011

11 . NT31 and NT31С Programmable Terminals - Setup Manual (V062-E1 -1)

12. NT31, NT31С, NT631 and NT631С Programmable Terminals - Reference Manual (V064-E1-1)

13. H.Omnuc W Series - User's Manual (I531-E2-2)

14.Чиликин М. Г., Сандлер А. С. - Общий курс электропривода: учебник для ВУЗов. - 6-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоиздат, 1981.

15. Системы ЧПУ, электроприводы, двигатели, соединительная техника для станков и обрабатывающих машин. Sinumerik & Simodrive - Каталог NC60-2002.

16. Михайлов О. П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1989.

17. Серия CS/CJ - Модули аналогового ввода/вывода - Руководство по эксплуатации (W345-RU-1).

18. CJ1 W-CT021, Блоки высокоскоростных счетчиков - руководство по эксплуатации (W401-RU-1)

19. Преобразователи линейных перемещений фирмы СКБ ИС - каталог 2010.

20. Преобразователи угловых перемещений фирмы СКБ ИС - каталог 2010.

21. Электротехнический справочник: В 3 т. Т. 1 Э45 Общие вопросы. Электротехнические материалы/Под общ. ред. профессоров МЭИ В. Г. Герасимова и др. - 7-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

22. Электротехнический справочник: В 3 т. Т. 2 Э45 Электротехнические устройства/Под общ. ред. профессоров МЭИ В. Г. Герасимова, П. Г. Грудинского, Л. А. Жукова и др. - 6-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1981.