Разработка комплекса мероприятий по наладке и эксплуатации системы ЭСПУ

1. Введение

Электронные системы программного управления (ЭСПУ) стали универсальными средствами управления станками. Его применяют для всех групп и типов станков. Применение станков с ЭСПУ позволило качественно изменить металлообработку, получить больший экономический эффект. Обработка на станках с ЭСПУ, по отечественным и зарубежным данным, характеризуются: ростом производительности труда оператора-станочника благодаря сокращению основного и вспомогательного времени (переналадки); возможностью применения многостаночного обслуживания; повышенной точностью; снижением затрат на специальные приспособления; сокращением или полной ликвидацией разметочных и слесарно-подгоночных работ.

Опыт использования станков с ЭСПУ показал, что эффективность их применения возрастает при повышении точности, усложнений условий обработки (взаимное перемещение заготовки и инструмента по пяти-шести координатам), при многоинструментальной многооперационной обработке заготовок с одного установка и т. п.

Большое преимущество обработки на станках с ЭСПУ заключается также в том, что значительно уменьшается доля тяжёлого ручного труда рабочих, сокращаются потребности в квалифицированных станочниках-универсалах, изменяется состав работников металлообрабатывающих цехов.

Современное серийное производство немыслимо без оборудования с ЧПУ. Выпуск станков непрерывно растёт, быстрыми темпами развивается и видоизменяется само числовое программное управление, что позволяет расширить технологические возможности оснащенного им оборудования, повысить точность обработки, сократить время отработки управляющих программ.

Многие предприятия страны с помощью станков с ЭСПУ решили некоторые сложные производственные, технические и экономические задачи и от внедрения отдельных станков перешли к комплексному перевооружению производства на базе этих станков. Повышение производительности труда, создание гибких переналаживаемых производств и в связи с этим сокращение затрат на освоение выпуска новых изделий, уменьшение объема доделочных работ на сборке, улучшение качества, решение проблемы дефицита в станочниках, особенно при использовании промышленных роботов (безлюдная технология), сокращение производственных площадей, транспортных и контрольных операций, уменьшение расходов на проектирование, изготовление и эксплуатацию зажимных приспособлений, вспомогательной оснастки и режущих инструментов, повышение культуры производства и улучшение условий труда — вот перечень тех положительных сторон, которые приводят к достижению экономической эффективности при эксплуатации станков с программным управлением.

Широкое внедрение в машиностроение станков с программным управлением поставило задачу подготовки квалифицированного персонала, участвующего в создании, освоении и обслуживании этой сложной техники. В указанных процессах принимают участие конструкторы, технологи, программисты, наладчики станков, операторы, специалисты ремонтных служб. Следует подчеркнуть особую роль наладчиков. Освоение нового станка с программным управлением и настройка его на обработку детали требуют от наладчика широкого круга знаний в различных областях техники. Эрудиция наладчика в теоретических вопросах должна сочетаться с умением решать чисто практические задачи по настройке станка. Наладчик должен уметь выявлять недочеты в управляющих программах и корректировать их, добиваясь при минимальных затратах времени наилучших результатов по производительности, точности обработки и расходу режущих инструментов. Особая ответственность лежит на наладчике в тех случаях, когда возникают неисправности в работе станка. Наладчик должен в кратчайшие сроки отыскать причину неисправности и принять меры к ее устранению своими силами или с привлечением специалистов из соответствующих служб.

Таким образом, от наладчика в значительной степени зависит производительность и качество обработки, а также надежность работы оборудования.

Данный дипломный проект является последним этапом и завершающей ступенью по подготовки на специальность 2−53.01.31 «Техническое обслуживание станков с ЭСПУ и средств робототехники в автоматизированном производстве». Темой проекта является разработка комплекса мероприятий по наладке и эксплуатации системы ЭСПУ, согласно исходных данных. Дипломный проект включает комплекс вопросов, написание которых требует знания предметов, пройденных за весь период обучения по данной специальности. Благодаря дипломному проекту, мы получаем возможность укрепить и систематизировать те знания, которые были получены во время учебного процесса в гомельском государственном машиностроительном колледже по специальности «Техническое обслуживание станков с ЧПУ и средств робототехники в автоматизированном производстве».

2. Расчетно-техническая часть

2.1 Назначение станка, ЭСПУ и электропривода

Токарно-винторезный станок16А20Ф3С39 предназначен для токарной обработки в полуавтоматическом режиме наружных и внутренних поверхностей деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем различной сложности, а также для нарезания крепежных резьб (в зависимости от возможностей системы ЧПУ). По заказу станок может оснащаться системой ЧПУ и электроприводами, как отечественного производства, так и производства зарубежных фирм. Станок используют в единичном, мелкои среднесерийном производстве.

ЭСПУ типа «Электроника НЦ-31−01» — это система контурного управления типа CNC. ЭСПУ предназначен главным образом для токарной группы станков. Конструктивно устройство рассчитано на встройку в станок. Им оснащают токарные станки различных типоразмеров. УЧПУ «Электроника НЦ-З1−01» обеспечивает контурное управление при следящем приводе подач и импульсных датчиках обратной связи. Ввод программы может быть выполнен тремя способами: с клавиатуры УЧПУ, с кассеты электронной памяти и по каналу связи от ЭВМ верхнего ранга. Вычислительная часть УЧПУ «Электроника НЦ-31» состоит из процессора П1 (П2); ОЗУ (4К слов), адаптера магистрали и таймера. Базовое программное обеспечение заносится в ПЗУ на этапе изготовления УЧПУ. Стойка ЧПУ «Электроника НЦ-31» представлена на рисунке 1.

Рисунок 2.1.1. Стойка ЧПУ «Электроника НЦ-31»

Рисунок 2.1.2 Структурная схема ЭСПУ «Электроника НЦ-31»

Электропривод типа «Кемтор» производства НРБ предназначен для использования в приводах главного движения токарных, фрезерных и других станков и представляет собой электропривод постоянного тока с двухфазным регулированием скорости. В комплект привода входит:

— преобразователь тиристорный для питания якоря и обмотки возбуждения двигателя;

— электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением и встроенным тахогенератором и вентилятором;

— коммутационный трёхфазный дроссель;

— трансформатор для питания обмотки возбуждения;

— коммутационный блок.

2.2 Произвести логический анализ взаимодействия заданного модуля со станком

Ячейка ПРЦ с составе УЧПУ «Электроника НЦ-31» предназначена для выполнения:

· Вычислений адресов данных и команд, размещенных в памяти УЧПУ

· Обменами информацией с другими модулями в УЧПУ по магистрали МНЦ

· Обработки операндов

· Микропрограммной и программной частей процедур внешних прерываний

· Микропрограммной и программной частей процедур прерываний по некорректным кодам команд, поступившим на выполнение или по некорректным обращениям извне к процессору.

Состав модуля ПРЦ.

В процессор входят пять основных функциональных блоков, объединенных внутренней магистралью М <15…0>:

· Операционный блок (ОБ) — предназначен для вычисления адресов команд и операндов, выполнения арифметико-логических действий над операндоми.

· Блок внутреннего управления и синхронизации (БВУ) — предназначен для:

— Управления обменами во внутренней магистрали М (15…0) ПРЦ;

— Управление интерфейсным блоком при обменах между магистралями МНЦ (15…0) и М (15…0), возбуждаемых процессором;

— Участие, наряду с БНУ, управления обменами по МНЦ инициируемыми другими активными модулями УЧПУ по чтению/записи группы РСВ регистров процессора;

— Управления выполнением процедур прерывания в ПРЦ.

· Блок наружного управления (БНУ) — предназначен для управления:

— Обменами при обращениях к ПРЦ по системным адресам его регистров на МНЦ

— Смена режима работы процессора

— Структурными элементами ПРЦ при выполнении процедур прерывания

— Формировании признаков внешних прерываний.

· Интерфейсный блок (ИБ).

· ПЗУ программ.

Блоки ИБ и БНУ подключены к магистрали МНЦ <15…0>.

Процессор в составе ЭСПУ выполняет алгоритмы работ ЭСПУ. Алгоритмы выражены в виде программ, размещенных в памяти ЭСПУ. Неизменная часть программы располагается в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Изменяющаяся в процессе выполнения часть программ хранится в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ).

Рисунок 2.2.1 — Структурная схема модуля процессора.

Процессор в процессе работы ЭСПУ может быть как ведущим, так и ведомым на МНЦ. В режиме ведущего процессор представляется инициатором обмена, и такой обмен выполняется в узле интерфейса. В режиме ведомого при адресном назначении ведомого БНУ процессора выполняет функцию обмена с внешним, по отношению к процессору, ведущим. Схема БНУ постоянно опознают возникающие в МНЦ адреса и в случае наличии адреса процессора выполняют в дальнейшем обмен. Поясним понятие «адрес процессора». В процессор могут быть адресованы из МНЦ до 64 ячеек или регистров. Разрядность каждого из этих регистров различна — от одного до 16 бит.

Программа выполняется в процессоре следующим образом:

В составе АЛУ процессора имеется регистр, содержащий адрес выполняемой команды. Содержимое второго регистра выдается как адрес ячейки ПЗУ либо ячейки ОЗУ. В первом случае обращение к ПЗУ идет по внутренней магистрали процессора, и это обращение не занимает МНЦ. Во втором случае занимается магистраль МНЦ. Содержимое ячейки памяти, извлеченное по этому адресу, принимается на внутреннюю магистраль процессора и поступает на входы БИС УП. БИС УП начинает выбирать последовательно микрокоманды по микропрограмме принятой команды. Эти микрокоманды поступают на вход БИС АУ, которая выполняет предписанные в микрокомандах действия. В конце микропрограммы содержимое регистра-счетчика адреса команды увеличивается на единицу и новое содержимое этого регистра выдается как адрес следующей команды программы. Таково упрощенное представление выполнения команд в процессоре.

При выключении питания, или при кратковременном пропадании сетевого питания, процессор извлекает содержимое ячейки ПЗУ с адресом «277». Содержимое этой ячейки является адресом первой команды подпрограммы отработки исчезновения питания.

Во время выполнения программ могут возникнуть следующие две внутренние причины прерывания процесса выполнения программ:

— код команды, поступающий на исполнение, не содержится в системе команд, ситуации «ВВОД»;

— при адресном назначении ведомого процессора в МНЦ выдан адрес, который не опознан ни одним из подключенных к МНЦ модулей: ситуация «СЗБ» — системное «зависание».

В этих случаях процессор, безусловно, прерывает выполнение текущей программы и выполняет определенную (для каждой ситуации свою) процедуру прерывания.

2.3 Требования, предъявляемые к электроприводу подач и главного движения заданного станка

Требования к электроприводам определяются технологией обработки, конструктивными особенностями станка, режущим инструментом, функциональными возможностями ЭСПУ.

Основные технологические требования заключаются в обеспечении: необходимых технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента; максимальной производительности; требуемой точности обработки; высокой чистоты обрабатываемой поверхности (снижение шероховатости); повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии (стабильности).

При всем многообразии станков требования, предъявляемые к приводам станков, определяются, главным образом, не тем, к какой группе относится станок, а для какого движения предназначен привод: главного движения, подачи или вспомогательного, так как именно это определяет мощность и момент, способ регулирования скорости, диапазоны регулирования, необходимую плавность регулирования, требования к динамическим характеристикам, к жесткости механических характеристик и стабильности скорости. электронный станок электропривод модуль Расширение технологических возможностей станков обеспечило возможность проведения на одном станке различных технологических режимов: фрезерование, сверление и растачивание или точение, сверление и растачивание и т. д., а освоение нового твердосплавного и керамического инструмента существенно повысило режимы обработки.

Расширение технологических режимов обработки на одном станке с использованием современного режущего инструмента привело к усложнению установленных электроприводов, увеличению установленной мощности двигателя главного движения, вращающих моментов двигателей подач, расширению диапазонов регулирования скорости главного привода, рабочих подач и установочных перемещений, увеличению быстродействия всех приводов при управляющем и возмущающем воздействиях, ужесточению требований к стабильности и равномерности вращения электродвигателей всех приводов.

Требование повышения производительности также привело к увеличению мощности и максимальной скорости привода главного движения; к увеличению скорости быстрого хода приводов подач; увеличению максимальных рабочих подач; снижению времен разгона и торможения, позиционирования приводов подач и вспомогательных перемещений и ориентации шпинделя.

Удовлетворение требованиям снижения шероховатости и повышения точности при обработке и позиционировании ужесточило требования к электроприводам по значению погрешностей в установившихся и переходных режимах при различных возмущающих воздействиях, по расширению диапазона регулирования и увеличению чувствительности электроприводов по входному воздействию и нагрузке, по повышению равномерности движения, особенно при малых скоростях, по увеличению быстродействия при возмущении по нагрузке и при реверсе под нагрузкой на малой скорости.

Для обеспечения повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии и высокой точности позиционирования необходимо иметь высокостабильный привод с высокой равномерностью перемещения и апериодическим переходным процессом при изменении скорости.

Очень важным требованием к электроприводам станков с ЭСПУ, особенно при их работе в автоматизированном производстве, является обеспечение их высокой надежности как относительно сохранения параметров, так и безаварийности и ремонтопригодности. Повышению надежности работы электроприводов в значительной степени способствуют наличие технологических запасов по параметрам отдельных электронных элементов и схемным решениям, корректный монтаж электрооборудования, своевременное проведение профилактических мероприятий и установка необходимой системы диагностики, позволяющей быстро определять и устранять неисправности.

Появление низкоскоростных высоко моментных двигателей умеренных габаритов позволило существенно сократить механическую часть коробки подач, а в ряде случаев полностью ее исключить, установив исполнительный двигатель непосредственно на ходовой винт.

Исключение коробки подач привело к повышению мощности механической передачи, повышению КПД и снижению момента инерции электромеханического привода. В станках возросла составляющая от резания в общей нагрузке приводов подач. В большинстве современных станков нагрузка на двигатель при рабочих подачах без резания составляет не более 20—30% номинальной.

Рост составляющей от сил резания в общей нагрузке на привод подачи увеличил колебание нагрузки на электроприводе подачи при резании, что ужесточило требования к статической и динамической жесткости привода подачи.

Увеличение скорости быстрых перемещений и снижение скорости установочных перемещений привели к значительному увеличению диапазона регулирования. Максимальная рабочая подача современных многоцелевых станков составляет 30—50% скорости быстрых перемещений.

Полный диапазон регулирования подач в станках фрезерной, расточной и токарной групп составляет 100 — 10 000, а в карусельных расширяется до 30 000—40 000. Теоретически диапазон регулирования привода подачи каждой оси в станках с ЭСПУ при контурном фрезеровании бесконечен (например, при обработке окружности). Реально минимальная подача ограничена чувствительностью электропривода.

Скорость быстрых перемещений зависит от характеристик механической части привода, возможностей ЭСПУ (в частности, от максимальной частоты сигнала управления приводом от ЭСПУ), дискретности управления, максимальной угловой скорости приводного электродвигателя, коэффициента редукции передачи от двигателя к механизму и других ограничений, вносимых ЭСПУ.

Минимальная скорость привода определяется технологическими требованиями, дискретностью управления и чувствительностью электропривода. Особо высокие требования предъявляются к динамическим характеристикам привода по управляющему и возмущающему воздействиям. Неудовлетворительные динамические свойства регулируемого электропривода, особенно при возмущении по нагрузке, являются причиной повышенной шероховатости поверхности, поэтому весьма важно обеспечить высокое быстродействие привода при сбросе и наброске нагрузки, а также реверсе двигателя под нагрузкой на самых малых скоростях.

Стабильность позиционирования и обработки в значительной степени зависит от стабильности электромеханической системы приводов подач, которая определяется стабильностью ее звеньев, и в первую очередь электропривода, датчика положения и ЭСПУ. Стабильность характеристик электропривода при достаточно большом коэффициенте усиления определяется стабильностью нуля входного усилителя регулятора и стабильностью датчика скорости — тахогенератора. Наибольшая относительная нестабильность имеет место при малых скоростях, когда полезный сигнал соизмерим с дрейфом нуля усилителя и падением напряжения в щеточном контакте тахогенератора.

Другим фактором, влияющим на стабильность, а следовательно, и на идентичность параметров при обработке партии деталей, является характер переходного процесса по управляющему воздействию в замкнутых системах следящего и регулируемого электроприводов. При апериодическом переходном процессе при движении в одну сторону не происходит раскрытия люфтов в механических узлах, а также отсутствует влияние гистерезиса, что приводит к существенному повышению стабильности и точности позиционирования и обработки.

Установка во всех станках сверхточных, сверхбыстродействующих и сверхстабильных электроприводов сопряжена со значительными техническими трудностями и необоснованно высокими экономическими затратами.

В станках с контурной и контурно-позиционной ЭСПУ (классы станков ФЗ и Ф4) в механизмах подач применяются следящие электроприводы: в станках выпуска 60-х годов применялись разомкнутые электроприводы с шаговыми двигателями или электрогидравлические приводы с шаговыми двигателями.

Однако для расширения диапазона регулирования в этих и других станках в механизмах подач возможна установка так называемых автономных электроприводов с датчиками положения, установленными непосредственно на двигателях, с введением в преобразователе устройств для обработки сигналов датчиков и замыкания системы по пути.

В механизмах главного движения в большинстве станков установлены регулируемые электроприводы без обратной связи по положению, в отдельных станках применяются специальные системы ориентации шпинделя либо от мощного двигателя главного привода, либо от специального маломощного двигателя со следящим приводом, аналогичным приводам подач. Очень небольшое количество станков имеет следящий электропривод главного движения от основного электродвигателя.

Отличительной особенностью главного привода станков с ЧПУ является необходимость применения реверсивного провода даже в тех случаях, когда по технологии обработки не требуется реверс. Требование обеспечения эффективного торможения и подтормаживания при снижении частоты вращения и режимов поддержания постоянной скорости резания приводит к необходимости применения реверсивного привода с целью получения нужного качества переходных процессов.

Кроме механических характеристик важно надежное отключение привода при аварийных ситуациях, а также сигнализация штатных и аварийных режимов работы. В электроприводе главного движения «Кемтор» предусмотрен целый комплекс электронных защит и сигнализации, обеспечивающих удобство пуска и эксплуатации электропривода:

1. Защита от превышения максимальной частоты вращения (OS);

2. Защита от обрыва цепи возбуждения (FL);

3. Защита от превышения максимально допустимого тока OC;

4. Защита от обрыва обратной связи по скорости (TG);

5. Сигнализация внешнего ограничения момента (TL);

6. Индикация готовности работы привода (RD);

7. Защита от обрыва или неправильного чередования фаз (CP);

8. Сигнализация нулевой скорости (ZS);

9. Сигнализация достижения заданной частоты вращения (SA);

10. Защита от большой ошибки при отработке заданной частоты вращения (EE).

2.4 Рассчитать и выбрать эл. двигатель для электропривода главного движения заданного станка

Выбор электродвигателей для работы в системах автоматизированного электропривода представляет собой важную и сложную задачу. От того, насколько правильно она будет решена, зависят технико-экономические показатели работы системы рабочая машина—электропривод.

Основным требованием при выборе электродвигателя является соответствие его мощности условиям технологического процесса рабочей машины. Применение двигателя недостаточной мощности может привести к нарушению заданного цикла, снижению производительности рабочей машины. При недостаточной мощности двигателя будут иметь место также его повышенный нагрев, ускоренное старение изоляции и выход двигателя из строя, что вызовет прекращение работы машины и экономические потери.

Недопустимым является также использование двигателей завышенной мощности, так как при этом не только повышается первоначальная стоимость электропривода, но увеличиваются и потери энергии за счет снижения КПД двигателя, а для асинхронного электропривода, кроме того, снижается коэффициент мощности.

Выбор серийных электродвигателей производится с учетом следующих показателей:

1. Род тока. Двигатель должен иметь род и величину тока, соответствующие сетям переменного или постоянного тока данного предприятия.

2. Значение скорости. Выбор номинальной скорости двигателя при уже имеющемся (выбранном) редукторе производится по заданной скорости исполнительного органа рабочей машины и передаточному числу редуктора. Для вновь проектируемого электропривода выбор номинальной скорости двигателя и передаточного числа редуктора (механической передачи) должен производиться путем технико-экономического сравнения нескольких вариантов. Особое внимание такому выбору следует уделить для электроприводов, работающих с частыми пусками, реверсами и остановами, так как правильный выбор номинальной скорости двигателя и передаточного числа редуктора позволяет во многих случаях повысить технико-экономические показатели работы электропривода и рабочей машины.

3. Конструктивное исполнение. Конструкция выбираемого двигателя должна соответствовать условиям его компоновки с исполнительным органом. Выпускаемые двигатели имеют разнообразное конструктивное исполнение по расположению валов и способам крепления на рабочей машине.

4. Способ вентиляции и защиты от действия окружающей среды. От правильного выбора двигателя для работы в определенных условиях окружающей среды зависят его долговечность, надежность и безопасность обслуживания. По способам защиты от действия окружающей среды различают открытые, защищенные и герметичные двигатели. Для работы в особых условиях окружающей среды — тропический климат, химически активные среды, повышенная влажность, взрывоопасная среда и т. д. — выпускаются специализированные двигатели.

Выбор электродвигателя производится обычно в следующей последовательности:

1) Расчет мощности и предварительный выбор двигателя;

2) Проверка выбранного двигателя по условиям пуска и перегрузки;

3) Проверка выбранного двигателя по нагреву.

Если предварительно выбранный двигатель удовлетворяет условиям проверки по пунктам 2 и З, то на этом выбор двигателя заканчивается. Иначе производиться выбор другого двигателя (как правило, большей мощности) и проверка повторяется.

Выбор двигателя по мощности для регулируемого по скорости электропривода имеет ту особенность, что в этом случае имеет место изменение нагрузки двигателя. В то же время для полного использования двигателя его мощность должна быть выбрана так, чтобы нагрузка при работе на любой скорости не превосходила допустимой по условиям нагрева. Достигается это выбором соответствующего способа регулирования скорости, при котором соблюдается данное условие.

Расчет привода главного движения будем производить, исходя из требований по эксплуатации и техническим характеристикам станка. Максимальная частота вращения шпинделя для данного станка 2500 мин^-1, а максимальный крутящий момент 1200 Нм.

Номинальный момент вращения шпинделя составляет 72 Нм, номинальная скорость вращения шпинделя 1500 мин^-1. По формуле найдем номинальную мощность двигателя главного движения:

(1)

Исходя из рассчитанной номинальной мощности, выберем двигатель. Выбираем наиболее близкий по параметрам двигатель, а в случае отсутствия двигателя с требуемой мощностью или частотой вращения, выбираем ближайший с большими параметрами. В данном случае ближайший подходящий двигатель постоянного тока — это MP132L ().

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что для выбора минимального по габариту двигателя и обеспечения его полного использования по нагреву необходимо, чтобы способ регулирования его скорости по показателю допустимой нагрузки соответствовал зависимости нагрузки от скорости.

2.5 Проанализировать и описать элементную базу электроавтоматики станка и работу датчиков, входящих в станок

Электроавтоматика станка 16А20Ф3С39 предназначена для осуществления коммутаций электрических агрегатов и механизмов станка, контроль состояния, техническую диагностику и сигнализацию. От четкости работы электроавтоматики зависит производительность и надежность станка.

Электроавтоматика станка содержит большое количество релейно-контакторной аппаратуры. К их числу относится автоматические выключатели для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания, тепловые и температурные реле для защиты от тепловых перегрузок, контакторы и магнитные пускатели для дистанционного управления двигателями, а также контактные путевые выключатели, применяемые для контроля положения рабочих органов станка.

Рисунок 2.5.1 — Структурная схема электроавтоматики станка 16А20Ф3С39.

На рисунке приведена структурная схема электроавтоматики станка модели 16А20Ф3С39, оборудованного УЧПУ «Электроника НЦ-31». В состав электрооборудования входят электроприводы главного движения 1 и подач 2, датчики технологических параметров 4 и обратной связи 5 электропривода, преобразующие параметры электроприводов и пропорциональные им электрические сигналы. Устройства диагностики и контроля 8 служат для контроля и индикации основных рабочих режимов, а также для защиты станка в аварийном режиме.

Электроавтоматика станка может выполняться либо релейно-контакторной, либо (с целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей) с помощью бесконтактных устройств и программируемых логических контроллеров.

Коммутирующая аппаратура (контакторы, магнитные пускатели) обеспечивает автоматическое включение и отключение силовых цепей электроприводов в зависимости от программы управления.

Устройства диагностики и контроля служат для контроля и индикации основных рабочих режимов, а также для защиты станка в аварийном режиме.

Для управления станками в различных режимах и контроля состояния их механизмов служат пульт управления установленные в ЭСПУ. В зависимости от назначения, все элементы, входящие в состав электроавтоматики станка, подразделяются на:

1) командные (кнопки, путевые выключатели, датчики и др.);

2) логические (реле, логические элементы, программируемые контроллеры и др.);

3) исполнительные (контакторы, электрические магниты и муфты, исполнительные двигатели);

4) источники питания и преобразователи напряжений;

5) защитные (предохранители, автоматические выключатели, тепловые реле).

Эти электрические элементы характеризуются родом питающего тока, типом управляющих цепей, наличием или отсутствием подвижных частей.

Электроавтоматика станка оснащена бесконтактными элементами управления и содержит большое количество релейно-контакторной аппаратуры. К их числу относится автоматические выключатели (автоматы) для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания, тепловые и температурные реле для защиты от перегрузок, контакторы и магнитные пускатели для дистанционного управления двигателями, а также контактные путевые выключатели, применяемые для контроля передвижения рабочих органов станков.

В зависимости от назначения все электрические элементы, входящие в состав электроавтоматики станка, подразделяются на: командные (кнопки, путевые выключатели, датчики и др.); логические (реле, логические элементы, программируемые контроллеры и др.); исполнительные (контакторы, электрические магниты и муфты, исполнительные двигатели); источники питания и преобразователи напряжений; защитные (предохранители, автоматические выключатели, тепловые реле). Эти электрические элементы характеризуются родом питающего тока, типом управляющих цепей, наличием или отсутствием подвижных частей.

В станке 16А20Ф3 используются следующие датчики:

БТП 211−24 (Бесконтактный торцевой переключатель) Переключатель выполнен в цилиндрическом стальном хромированным корпусе. Полупроводниковые приборы, резисторы и конденсаторы схемы переключателя смонтированы на стеклотекстолитовой плате с односторонним печатным монтажом. На торце платы установлена открытая ферритовая чашка с катушкой индуктивности (чувствительный элемент переключателя). Внутренняя полость переключателя заливается эпоксидным компаундом. Для подключения переключателя к нагрузке и к источнику питания на него выведены три разноцветных провода: «+» красного (коричневого) цвета, «-» — белого, «Н» — синего (голубого) цвета. Переключатели изменяют коммутационное состояние (срабатывают) при приближении к чувствительному элементу управляющего элемента из ферримагнитного материала. Срабатывание переключателя происходит при приближении управляющего элемента как в осевом, так и в радиальном направлениях. Схема переключателя включает в себя защиту от перенапряжений при отключении индуктивной нагрузки и от неправильной полярности питающего напряжения, («+» и «-»). Попадание «-» на вывод «Н» недопустимо Оптический преобразователь угловых перемещений (угловой энкодер) Угловые системы обратной связи (рис.12) — системы, преобразовывающие такие типы движений в электронные сигнала. Эти сигналы, должным образом обработанные, являются основой для считывания смещений при измерениях и управлении оборудованием. Системы обратной связи используют два различных элемента, чтобы получить электрические сигналы обратной связи:

— градуированные стеклянные шкалы (для линейных систем обратной связи) или градуированные стеклянные диски (для угловых энкодеров).

— шкалы на градуированных стальных лентах.

Рисунок 2.5.2 Внешний вид оптическихэнкодеров.

Системы обратной связи обеспечивают выходные сигналы через оптоэлектронный процесс, основанный на чтении дисков, на которых гравированы линии хрома с определенным шагом (рис.13). Устройство чтения состоит из источника света, стеклянной сетки с градуированными окнами и нескольких фотодиодов в качестве детекторов. Системы обратной связи используют диоды инфракрасного света (IRED) в качестве источника света, которые гарантируют большую безопасность и более длинный срок службы. Угловые энкодеры работают на дифракционном свете через градуированные стеклянные диски с шагом, в зависимости от числа линий на оборот.

В данном станке 16А20Ф3 используется энкодер стандартного типа, от 50 до 5000 рисок на оборот, тип вала — обычный, погрешность измерения (±) 1/10 шага, выходной сигнал TTL 5V, модель датчика — S.

Рисунок 2.5.3 Принцип действия оптической части датчика Референтные маркеры (импульс маркера исходного).

Референтный сигнал — специальная гравировка (рис.14), которая обеспечивает импульс при её прохождении. Референтные сигналы используются для восстановления нулевого положения станка (исходного) и особенно для избежания ошибок из-за случайного движения оси, вьто время как ЧПУ или УЦИ выключены.

Угловыеэнкодеры представляют один референтный маркер наоборот. Кроме того, определенные модели имеют «плавающий» дистанционно-кодированный референтный маркер (Iо).

Рисунок 2.5.4 Стеклянная сетка с градуированными окнами.

Преобразователь линейных перемещений Системы обратной связи обеспечивают выходные сигналы через оптоэлектронный процесс, основанный на чтении шкал, на которых гравированы линии хрома с определенным шагом. Устройство чтения состоит из источника света, стеклянной сетки с градуированными окнами и нескольких фотодиодов в качестве детекторов. Системы обратной связи используют диоды инфракрасного света (IRED) в качестве источника света, которые гарантируют большую безопасность и более длинный срок службы.

Рисунок 2.5.5 Преобразователь линейных перемещений МХ-114−5.

Инфракрасный луч (IRED) проходит путь через градуированные шкалу и сетку, прежде чем достигнуть детекторов фотодиода. Относительное движение между сеткой и градуированной шкалой заставляет интенсивность света совершать колебания по синусоидальному закону, которые преобразовываются фотодиодами в первичный модулированный токовый синусоидальный электрический сигнал (11 µApp). Период этих электрических сигналов соответствует шагу градуировки (20 µm).

На шкале есть специальная гравировка, которая обеспечивает импульс (референтный сигнал) при ее прохождении. Референтные сигналы используются для восстановления нулевого положения станка (исходного) и особенно для избежания ошибок из-за случайного движения оси, в то время как ЧПУ выключено.

Преобразователи линейных перемещений серии М разработаны для стандартных станков с измеряемой длиной до 1540 мм и ограниченного пространства. С референтными маркерами через каждые 50 mm, или дистанционно — кодированными, с соединителем на считывающей головке.

Индуктивные (аналоговые) датчика построены по принципу электромагнитной индукции и подразделяются на вращающиеся трансформаторы (ВТ) (резольверы) и индуктостины. Вращающийся трансформатор имеет на статоре две обмотки, взаимно сдвинутые в пространстве на 90? (т.е. на ¼ периода). Статорные обмотки питаются двухфазным напряжением переменного тока со сдвигом фаз 90 эл. град. Обмотки статора создают в воздушном зазоре электродвигателя пульсирующее магнитное поле. В бесконтактных ВТ ротор выполняется реактивным, а вторичная (выходная) обмотка расположена на статоре. На вторичной обмотке формируется сигнал, соответствующий сдвигу оси пульсирующего магнитного поля относительно оси ротора. Этот сигнал поступает на схему фазового детектора и усилителя. Точность измерения угла, обеспечиваемая ВТ, ±5 утл. с Электрическая схема и графическое изображение сигналов датчика ВТ.

По сравнению с ВТиндуктосины характеризуются более высокой точностью. Индуктосины состоят из шкалы (линейной для линейного датчика и круговой для кругового датчика) и головки, перемещающейся относительно шкалы. На рисунке приведена конструкция линейногоиндуктосина. На шкале и головке фотохимическим способом нанесены плоские обмотки с шагом 2 мм. Индуктосин практически является развернутым в плоскости вращающимся трансформатором. На головке имеются две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на '/₄ периода.

Рисунок 2.5.6.Индуктосин.

1. Линейка.

2. Ползун .

Принцип работы индуктосина основан на явлении электромагнитной индукции. При взаимном перемещении головки (статора) и линейки (ротора) ЭДС индукции меняется с отношением, пропорциональным отношению sin/cos, с периодом, равным шагу обмотки линейки. При подаче напряжения питания на линейку с головки снимаются два сигнала со сдвигом одного относительно другого на 90″, величина которых периодически изменяется при перемещении головки относительно линейки. Индуктосин имеет защиту, исключающую попадание феромагнитной пыли.

Для станков нормальной (Н) точности рекомендуются преобразователи классов 6—8, для станков повышенной (П) точности — преобразователи классов 4, 5, для станков высокой (В) точности — преобразователи класса 3, для особовысокой (А) точности станков — преобразователи класса 2 и для сверхточных (Qстанков — преобразователи класса 1, Малогабаритные фотоэлектрические преобразователи классов 6—8 рекомендуются для применения в токарных и фрезерных станках нормальной точности. Для станков с повышенными требованиями к точности рекомендуются малогабаритные фотоэлектрические линейные преобразователи, применение которых позволяет исключить влияние погрешностей ходового винта на точность станка. При больших (до 30 м) перемещениях узлов тяжелых и уникальных станков применяют линейные индуктосиныПЛИ-У, ПЛИ-Н, ПИЛП1-У и комбинированные датчики.

Выключатель путевой.

Выключатели путевые предназначены для коммутации электрических цепей управления под воздействием управляющих упоров в определённых точках пути контролируемого объекта В станке 16А20Ф3С39 используется путевые выключатели ВП15−21−221−54У2. Они служат для:

· контроля разжима поперечины;

· контроля зажима поперечины;

· контроля ограничения перемещения поперечины вверх;

· контроля ограничения перемещения поперечины вниз.

Рисунок 2.5.7 Выключатель путевой.

Выключатель выполнен в стальном корпусе, в нутрии которого закреплены нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты. Контакты находятся на подвижном стержне, который соединен с колесиком. При нажатии на колесико пару контактом размыкается, а вторая пара замыкается, т. о. в устройство управления поступает сигнал.

2.6 Рассчитать мощность, потребляемую заданным модулем ЭСПУ

Мощность блока зависит от количества элементов, потребляющих энергию. Для наглядности расчета мощности потребляемой заданным модулем УЧПУ составим таблицу, в которую включим наименование микросхемы, их количество, потребляемый ток, питающее напряжение и рассчитанную мощность. Мощность, потребляемая микросхемами одной серии, рассчитывается путем умножения количества микросхем данной серии на мощность потребляемой одной микросхемой этой же серии. Мощность одной микросхемы определяется формулой:

P_пот = I_потU_пит(2)

I — потребляемый ток, U — напряжение питания. Потребляемый ток приводится в справочниках микросхем, а напряжение питания для всех микросхем данного модуля равно 5 В.

Мощность, выделяемая на диодах мала, так что ей можно пренебречь.

Таблица 1 — Расчёт мощности модуля ПРЦ.

Итого потребляемая мощность модуля ПРЦ составляет:

10 324,5мВт+17,125мВт=10 341,6мВт (10, 3Вт), где

17,125мВт составляет суммарная рассеиваемая мощность всех резисторов модуля (=17,125 мВт).

2.7 Разработать тест-программу для проверки заданного модуля ЭСПУ

Надежность ЭСПУ в значительной мере зависит от системы диагностирования, а также от системы контроля и исправления ошибок в памяти.

Входной контроль ЭСПУ выполняется с помощью специального теста — проверки исправности функционирования системы. Этот тест, реализуемый программно-аппаратными средствами завода-изготовителя ЭСПУ, предусматривает временную установку платы контроля. Помимо входного контроля, в процессе работы ЭСПУ предусматривается выполнение тестов самодиагностирования двух видов:

1. До начала рабочих режимов (резидентный тест);

2. Во время функционирования в фоновом режиме.

Резидентный проверяющий тест (РПТ) автоматически выполняет подробную диагностику узлов непосредственно после включения ЭСПУ. Особенностью резидентного теста является полная его автономность по отношению к контролируемым функциональным узлам устройства ЭСПУ, что позволяет обеспечить детальную проверку всех узлов устройства ЭСПУ на функционирование. Обнаруженные неисправности в функционировании узла индицируются на экране дисплея пульта управления в виде кодов ошибок или в расшифрованном тестовом виде. По окончании полного диагностического контроля устройства ЭСПУ с помощью резидентного теста оператор получает возможность выбрать соответствующий режим работы.

Диагностический контроль в рабочих режимах выполняется во время, свободное от выполнения основных операций. При этом устройство ЭСПУ автоматически переводится в фоновый режим выполнения диагностических тестов. В процессе проведения каждого теста последовательно решается ряд элементарных арифметико-логических задач. Полученные в процессе выполнения теста результаты сравниваются с константами, представляющими полученные ранее ответы и хранящиеся в памяти устройства ЭСПУ.

Несовпадение результатов выполнения тестов с соответствующими константами рассматривается диагностической системой как ошибка функционирования (сбой, отказ) узла устройства ЧПУ. При этом на экран дисплея в зону комментариев выводится информация о ходе ошибки, которая позволяет локализовать неисправный узел или место в устройстве ЧПУ.

Ниже приведен текст тест-программы на языке assembler. Данная тест-программа проверяет соответствие входных и выходных сигналов всей платы процессора. Если наПО после запуска этой тест-программы в каком-либо разряде будет несоответствие, следует проверить исправность приёмопередатчиков или сигналов, которые поступают или выходят из них. Но если во всех разрядах будет соответствие, то это не говорит о том, что плата исправна.

Тест-программа для проверки модуля процессора по прерыванию на языке ASSEMBLER.

MOV 1000, R6

MOV ADR, R4

MOV 1, R5

WAIT: TSTB 160 776

BPL WAIT1

MOV 161 000, R0

CLDL: MOV 20 040, (R0)

CMP R0,162 000

BLO CLDL

M00: MOV 20,160 776

CLR 160 776

MOV R5, R4

MOV R4, R1

MOV 161 010, R2

JSR R7, ODL

ROL R5

TST R5

BNE MO2

MOV 1, R5

M02: MOV 5, R1

CLP R0

M03: SOB R0, M03

SOB R1, MO3

BR M00

ODL: MOV 160, R3

WAIT2: TSTB 160 776

BPL WAIT2

M01: CLR R0

ASHC R0, 1

ADD 0, R0

MOV B R0, (R2)

SOB R3, M01

RTS R7

END

2.8 Рассчитать надёжность заданного блока ЭСПУ с использованием прикладной программы на ПЭВМ

Для расчета надежности модуля процессора сначала необходимо определить интенсивность отказов, которую определяет число отказов устройства в единицу времени, отнесенное к среднему числу устройств, работоспособных к моменту времени:

(3)

где — заданный отрезок времени.

Рассматриваемый блок представляет собой совокупность взаимосвязанных электронных, электрических и механических устройств, каждое из которых имеет свой показатель надежности. Надежность устройства как системы характеризуется потоком отказов Л численно равных сумме интенсивности отказов его отдельных устройств:

(4)

По данной формуле рассчитывается поток отказов устройства и отдельных узлов, состоящих, в свою очередь, из различных элементов, характеризующихся своей интенсивностью отказов. Кроме того формула справедлива для расчета потока отказов системы из n элементов в случае, когда отказ любого из них приводит к отказу всей системы в целом. Такое соединение элементов получило название логически последовательного. Кроме того, существует логически параллельное соединение элементов (узлов, блоков, устройств), когда выход из стоя одного из них не приводит к отказу системы в целом.

Средняя наработка до отказа Т₀ — это математическое ожидание наработки устройства до первого отказа (может быть определена по потоку отказов):

(5)

Данные формулы позволяют выполнить расчет надежности устройства, если известны исходные данные — состав устройства, режим и условия его работы и интенсивности отказов его компонентов. При практических расчетах надежности возникают трудности из-за отсутствия достоверных данных одля большой номенклатуры элементов, узлов и элементов устройства. Выход из этого положения дает применение так называемого коэффициентного метода, который используется при расчете надежности устройства. Сущность коэффициентного метода состоит в том, что при расчете надежности устройства используют абсолютные значения интенсивности отказов, а коэффициенты надежности, связывающие значения c интенсивностью отказов какого — либо базового элемента:

(6)

Коэффициенты надежности практически не зависят от условий эксплуатации и для данного элемента являются константой, а различие условий эксплуатации учитывается соответствующим изменением. Обычно в качестве базового элемента выбирается металлопленочный резистор.

Устройство работает в закрытом помещении при температуре окружающей среды в непродолжительном режиме.

Для расчета принимаем интенсивность отказов базового элемента равной. Учет нормальной запыленности помещения учтем коэффициентом. Таким образом, интенсивность отказов базового элемента составит:

(7)

При расчете принимаем логически последовательную (основную) схему.

Расчет показателей надежности проводим, используя все необходимые коэффициенты по надежности компонентов устройства.

Рассчитываем наработку до отказа и вероятность безотказной работы за время Т_Э = 5000 ч.

(8)

Используя приведенные выше формулы и исходные данные, подставим все значения в ранее составленную таблицу прикладной программы MicrosoftExcel^(c). Результаты вычислений приведены в таблице 1.

Таблица 2 — Реальная интенсивность отказов одиночного базового радиоэлектронного элемента

Таблица 3 — Расчет надежности модуля процессора, состоящего из 242 элементов 11 типов (с различной интенсивностью отказов).

2.9 Разработать алгоритмы поиска неисправностей в системе станок — электропривод — ЭСПУ

Под алгоритмом понимают последовательность выполнения логических операций, необходимых для совершения некоторых действий или решения задачи. Алгоритм может иметь словесное описание или формализован в виде структурной схимы (блок-схемы).

В дипломном проекте мне были даны следующие неполадки:

1. При включении станка отсутствует перемещение каретки.

2. При работе станка циклически происходит «зависание» управляющей программы.

Рисунок 2.9.1 Блок-схема алгоритма поиска неисправности № 1.

Рисунок 2.9.2 Блок-схема алгоритма поиска неисправности № 2.

3. Организационно-технологическая часть

3.1 Разработать и описать методы поиска неисправности и восстановление работоспособности системы станок — электропривод — ЭСПУ с использованием контрольно-измерительных приборов с последующим контролем работоспособности по тест программе

Поиск неисправностей — один из наиболее сложных процессов при ремонте устройства ЭСПУ и его модулей.

Процесс определения технического состояния объекта с определенной точностью называется техническим диагностированием. Задача диагностирования состоит в том, чтобы своевременно обнаружить дефекты, найти места и причины их возникновения, чтобы в конечном итоге восстановить нарушенное дефектом соответствие объекта техническим требованиям. Поиск и устранение дефекта является существенной составляющей наладки на этапе эксплуатации.

Для того чтобы быстро найти причину неисправности, необходимо чётко представлять себе принцип работы ЭСПУ в общем, и каждого из его модулей, в частности. Изучить принципиальные электрические схемы, знать факторы, от которых зависят основные параметры, и правильно установить направление поиска неисправности.

Техническое диагностирование осуществляется с помощью технических средств диагностирования.

Различают следующие системы диагностирования:

1. Тестового диагностирования (возможность подачи на объект диагностирования специальных организуемых тестовых воздействий от средств диагностирования)

2. Функционального диагностирования (на объект поступает только рабочее воздействие).

С помощью систем тестового диагностирования решают задачи проверки исправности и работоспособности объекта, а также поиска неисправности, нарушающих работоспособность. Процесс диагностирования может состоять из отдельных узлов, характеризуемых подаваемым на объект тестовым или рабочим воздействием и составом контрольных точек, в которых имеются ответы объекта на эти воздействия. Эти части процесса называются элементарными проверками объекта. В результате её получают значение ответа объекта, т. е. последовательность диагностических значений параметров в контрольных точках. Тогда формальное описание процесса диагностирования, т. е. алгоритм технического диагностирования, представляет собой безусловную или условную последовательность элементарных проверок, с правилами анализа их результатов. Диагноз — есть результат реализации алгоритма диагностирования.

Основными неисправностями в системах ЭСПУ являются: