Расчет автоматизированного электропривода металлорежущих станков

Курсовая работа.

" Расчет автоматизированного электропривода металлорежущих станков" .

автоматизированный электропривод металлорежущий станок.

Аннотация.

Выполнен расчет автоматизированного электропривода металлорежущего станка, обеспечивающего обработку деталей с широким диапазоном типогабаритов инструментов на тяжелых универсальных фрезерно-сверлильно-расточных станках. Выбраны главный электродвигатель и двигатель подачи, а также источники питания для них. Рассчитаны основные параметры механической части главного привода.

Выбор мощности главного электродвигателя фрезерно-сверлильно-расточного станка. Исходные данные для расчета.

Таблица 1. Исходные данные.

Технология обработки детали.

Чертеж обрабатываемой детали представлен на рис. 1.

Рис. 1. Чертеж обрабатываемой детали Технология обработки детали включает в себя следующие этапы:

1) Установка детали на опорную поверхность F. Установка торцевой фрезы D₁ — торцевое фрезерование поверхности G, направляющих. Перестановка детали на опорную поверхность G — торцевое фрезерование поверхности F.

2) Установка концевой фрезы D₂ — фрезерование пазов и полостей до поверхности N в 10 проходов.

3) Установка концевой фрезы D₃ — фрезерование низа пазов до размера 1,5с = D₃ — в 6 проходов.

4) Установка сверла D₄ — сверление 4-х отверстий D₄ глубиной Н_..

5) Установка расточки D₅ — расточка 4-х отверстий диаметром D₅ глубиной Н/2.

6) Установка сверла D₆ — сверление 10 отверстий диаметром D₆ глубиной H.

Расчет параметров различных режимов. Торцевое фрезерование поверхности (операция 1).

Оптимальная скорость резания при фрезеровании:

где = 2· 10¹³ — торцевое фрезерование стали твердым сплавом;

yd = yz = yh = 0,25; ys = 1; yv = 5.

Обороты шпинделя:

Минутная подача:

Мощность резания при фрезеровании:

где C_p = 5· 10^-3 — торцевое фрезерование стали твердым сплавом;

xh = 0,9; xs = 0,75.

Момент резания при фрезеровании:

Концевое фрезерование поверхности (операции 2,3).

Оптимальная скорость резания при фрезеровании пазов и полостей до поверхности N:

где = 2· 10⁷ — концевое фрезерование стали быстрорезом;

yd = yz = yh = 0,25; ys = 1; yv = 5.

Обороты шпинделя:

Минутная подача:

Мощность резания при фрезеровании:

где C_p = 4· 10^-3 — концевое фрезерование стали быстрорезом;

xh = 0,9; xs = 0,75.

Момент резания при фрезеровании:

Аналогично ведется расчет при фрезеровании низа пазов. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Сверление (операция 4,6).

Оптимальная скорость резания при сверлении:

где C_v = 7; yd = 0,5; yv = 0,125; ys = 0,5.

Обороты шпинделя:

Минутная подача:

Момент резания при сверлении:

Усилие подачи при сверлении:

где C_F = 400; xd = 0,4; xs = 0,75.

Мощность резания при сверлении:

Для операции сверления 10-ти отверстий диаметром D₆=6 мм расчеты ведутся аналогично. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Точение (операция 5).

Оптимальная скорость резания при точении:

где C_v = 100; yv = 0,15; yh = 0,2; ys = 0,5.

Обороты шпинделя:

Окружное усилие при точении (расточке):

где xh = 0,2; xs = 0,75; xv = 0,1 — твердый сплав.

Момент резания при точении:

Мощность резания при точении:

Минутная подача:

Результаты расчета параметров резания для различных режимов отображены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры резания при различных режимах.

Построение технологических диаграмм.

Диапазон регулирования при Р = const:

D_p = n_max /n₀ = 1334,2/195,3 = 6,83.

где n_max = n₆ = 1334,2 об/мин;

n₀ = n₁ = 331,8об/мин.

Минимальная скорость n_min = 0,1· n₀ = 33,18об/мин. При этом Р_min = 0,1· Р₁ = 2,94 кВт. Технологические диаграммы нагрузки P_i = f (n_i) и M_i = f (n_i) представлены соответственно на рис. 2 и рис. 3.

Рис. 2. Технологическая диаграмма нагрузки P_i = f (n_i).

Рис. 3. Технологическая диаграмма нагрузки M_i = f (n_i).

Построение нагрузочных диаграмм.

Для построения нагрузочных диаграмм рассчитаем время всех технологических операций.

Торцевое фрезерование (операция 1).

Время прохода при фрезеровании:

Число проходов:

Суммарное время первой операции:

Время перехода:

где S_бх = 12 м/мин — скорость быстрого хода.

Концевое фрезерование (операция 2).

Время прохода при фрезеровании:

где L_п21 = L — 4•a = 2 — 4· 0,064 = 1,744 м;

L_п22 = В — 2•a = 1,4 — 2· 0,064 = 1,272 м.

Число проходов m₂₁ = 6; m₂₂ = 4; m₂ = m₂₁ + m₂₂ = 10 .

Суммарное время второй операции:

Время перехода:

Концевое фрезерование (операция 3).

Время прохода при фрезеровании:

Число проходов m₃ = 6.

Суммарное время третьей операции:

Время перехода:

Сверление (операция 4).

Время прохода при сверлении:

Число отверстий m₄ = 4.

Суммарное время четвертой операции:

Суммарное время перехода:

где УL_пер4 = 2•(L-a)+2· (B-2•a) = 2•(2−0,064)+2· (1,4−2•0,064) = 6,41 м.

Точение (операция 5).

Время прохода при точении:

Число отверстий m₅ = 4.

Суммарное время пятой операции:

Суммарное время перехода:

Сверление (операция 6).

Время прохода при сверлении:

Число отверстий m₆ = 10.

Суммарное время шестой операции:

Суммарное время перехода:

где УL_пер6 = 2•(L-4· a)+2·(B-a) = 2•(2−4· 0,064)+2·(1,4−0,064) =6,16 м.

Примем, что время смены инструмента одинаково для всех операций:

Время смены детали:

Время производственного цикла изготовления одной детали:

;

Нагрузочные диаграммы представлены на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Нагрузочная диаграмма первой операции Рис. 5. Нагрузочная диаграмма производственного цикла изготовления детали.

Выбор мощности главного электродвигателя и проверка его по нагреву.

Так как, то номинальная мощность электродвигателя выбирается для продолжительного режима:

.

Выбираем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 4А200L6У3 с номинальной мощностью Р_н = 30 кВт, синхронной частотой вращения n₀=1000 об/мин, номинальной частотой вращения n_н = 979 об/мин и моментом инерции ротора J_д = 0,45 кг· м². Циклограмма M (t) изображена на рис. 6. Проверим двигатель по нагреву методом эквивалентного момента:

;

Рис. 6. Циклограммы M (t) и n (t).

Номинальный момент:

Так как, то необходимо использовать понижающий редуктор. Передаточное число редуктора:

Принимаем ближайшее из стандартного ряда значение i = 3,55.

Выбираем в качестве источника питания для главного двигателя преобразователь частоты MITSUBISHI FR-F740−620-EC с номинальной мощностью P_нпр = 30 кВт, так как данный преобразователь обеспечивает широкие регулировочные возможности, что необходимо для главного электропривода универсального фрезерно-сверлильно-расточного станка, имеющего различные скорости вращения обрабатывающего инструмента.

Расчет параметров механики главного привода. Расчет ведущего и ведомого вала редуктора.

Чертеж одноступенчатого редуктора шпиндельного узла изображен на рис. 7.

Рис. 7. Чертеж одноступенчатого редуктора шпиндельного узла:

I, II — валы; III, IV — шестерни; V — соединительная муфта Согласно варианту задания принимаем диаметр шестерни D₄ = 100 мм, жесткость соединительной муфты C_м = 6· 10⁷ Н· м.

Диаметр ведомой шестерни:

D₃ = D₄· i = 100· 3,55 = 355 мм = 0,355 м, где i = 3,55 — передаточное число редуктора.

Диаметр ведущего вала:

где — требуемая жесткость ведущего вала;

G = 810¹⁰ Н/м² — модуль упругости.

Диаметр ведомого вала:

где — требуемая жесткость ведомого вала.

Рассчитаем длины валов:

L₁ = 0,4· D₁ = 0,4· 0,2 = 0,08 м;

L₂ = 2,5· D₃ = 2,5· 0,355 = 0,89 м;

L₃ = 0,4· D₄ = 0,4· 0,01 = 0,04 м;

L₄ = L₅ = 2· D₃ = 2· 0,36 = 0,72 м.

Расчет моментов инерции элементов, приведенных к ведущему и ведомому валам.

Момент инерции элемента:

где = 7800 кг/м³ — удельная плотность стали.

Рассчитаем суммарную жесткость передачи:

Определение резонансной частоты редуктора.

Во время выполнения операций сверления, точения и фрезерования резонансная частота редуктора не достигается:

где — максимальная скорость, достигаемая при выполнении операции сверления.

Следовательно, при работе главного привода данного станка не возникают колебания, способные привести к порче оборудования.

Выбор электродвигателя подачи фрезерно-сверлильно-расточного станка. Исходные данные.

Исходные данные для расчета представлены в таблице 3.

Таблица 3. Исходные данные.

Расчет основных параметров.

Главная сила резания при фрезеровании определяется по формуле:

где С_р = 825, x = 1; y = 0,75; q = 1,3; w = 0,2.

Наибольшее тяговое усилие ЭДП при резании:

где — наибольшие усилия по координатам x, y, z станка;

— вес стола с деталью, Н;

g = 9,81 м/с — ускорение свободного падения;

b = 10⁴ Н· с/м — коэффициент вязкого трения;

Масса детали m_дет приближенно рассчитывается по данным чертежа детали (рис.1):

Массу стола m_ст определяем в соответствии с выбранными шириной В_ст и длиной L_ст стола:

В_ст = 1,5 м; L_ст = 2 м; 2В_напр = 0,3 м; m_ст = 6,6 т.

Усиление подачи на быстром ходу:

Мощность ЭДП:

Мощность ЭДП выбираем из условия:

Выбираем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 4А90L4У3 с номинальной мощностью Р_н = 2,2 кВт, синхронной частотой вращения n₀ = 1500 об/мин. Выбираем в качестве источника питания для электропривода подачи преобразователь частоты MITSUBISHI FR-F740−52-EC с номинальной мощностью P_нпр = 2,2 кВт.

Номинальная скорость двигателя:

Угловая скорость винта:

В соответствии с выбранной номинальной скоростью двигателя щ_Н, заданным шагом винта t_в и полученной угловой скоростью винта щ_2max определим передаточное число редуктора:

Принимаем ближайшее из стандартного ряда значение i_п = 2,24.

1.1. Проверка на трогание с места Усилие трогания:

где — коэффициент сухого трения при подаче S=0;

S_Н =2В_напр· L_ст = 7200 см² — площадь направляющих.

Момент трогания на винте:

Момент трогания на ЭДП:

.

где л? 1,5 — коэффициент перегрузки ЭДП.

.

следовательно, электродвигатель обеспечивает момент трогания.

Библиографический список.

1.Сандлер А. С. Электропривод и автоматизация металлорежущих станков. — М.: Высшая школа, 1972.

2.Елисеев В. А., Шинянский А. В. Справочник по автоматизированному электроприводу. — М.: Энергоатомиздат, 1983.

3.Зайцев В. С. Стандарты Липецкого государственного технического университета по оформлению и нормоконтролю учебных отчетов, работ, проектов. — Липецк: ЛГТУ, 2002. С. 32.