«Проектирование шагового двигателя в системах с числовым программном управлении» - Дипломная работа

Содержание

1 Введение 5

1.1 Обзор литературы 7

1.2 Актуальность 12

1.3 Постановка задачи 15

2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИТСИКА СТАНКА С МОДЕЛЬЮ СПУ 16

2.1 Классификация и структура систем управления станками 16

2.2 Функциональные особенности моделей УЧПУ разных поколений. УЧПУ различают по поколениям в зависимости от использованной элементной базы 31

2.3 Классификация систем ЧПУ 33

2.4 Принцип работы станков с ЧПУ 37

2.5 Состав системы ЧПУ 38

2.6 Виды применяемых электродвигателей 43

2. Асинхронные электродвигатели: 44

3 ПРИВОДЫ СИСТЕМ С ЧПУ 48

3.1 Конструктивные особенности станков с ЧПУ 48

3.2 Классификация приводов 52

2.3 Приводы главного движения 55

3.4 Следящий привод подачи 60

3.5 Дискретный (шаговый) привод подачи 65

3.10 Привод вспомогательных механизмов 68

4 РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА 70

4.1 Основные этапы разработки 70

4.2 Разработка и расчет силовой части привода 73

4.3 Разработка и отладка программного обеспечения 76

4.4 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации 77

4.5 Аппаратные средства микроконтроллеров 79

4.6 Разработка функциональной схемы устройства 83

4.7 Разработка программного обеспечения микроконтроллера 83

4.8 Выбор элементной базы 89

4.9 Расчёт установившегося режима 92

4.10 Определение взаимных и собственных проводимостей при различных системах возбуждения 96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 101

Введение

Велико разнообразие машин и устройств, которые создаются и используются человеком. Современные машины – это сложные технические системы, состоящие из большого числа технических аппаратов, приводов различного типа, приспособлений, измерительных и решающих устройств. Все эти машины и устройства представляют собой оборудование, являющееся основой функционирования самых различных систем: машиностроительных заводов, транспорта, электростанций и т.д.

Таким образом, под оборудованием можно понимать всю сумму технологий, на которую опирается человечество в своем развитии. Появление развитой вычислительной техники, персональных компьютеров, информационных сетей открывает реальные возможности для дальнейшей автоматизации оборудования – от автоматизации его проектирования до создания высокоадаптивных машин и систем различного назначения.

В машиностроительной и металлургической промышленности более половины всех станков работают в условиях массового, серийного и мелкосерийного производства, при этом удельный вес основного времени относительно не велик.

Применение систем числового программного управления в станках является наиболее эффективным средством повышения машинного времени и автоматизации мелкосерийного производства, что обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность и позволяет организовать централизованную подготовку программ обработки даже вне предприятия, которые легко могут быть размножены.

При использовании станков с ЧПУ, наряду с повышением производительности, сроки подготовки производства сокращаются почти вдвое. Вместе с тем резко сокращаются слесарно-доводочные и другие работы, требующие больших трудозатрат и допускающие ошибки. Также можно получить значительную экономию средств на проектирование и изготовление технологической оснастки.

Появление промышленных роботов и других средств автоматизации производства значительно снижает объем ручного труда и выставляет высокие требования к уровню квалификации персонала. В значительной степени увеличивается доля инженерного труда, появляются потребности в новых знаниях и развитии новых технологий.

Автоматизация технологических процессов требует внесения серьезных изменений в технологию механической обработки, технологию создания технологических процессов, заставляет разрабатывать и вводить новые правила и стандарты для более эффективной работы всей системы.

Разработка программного обеспечения для автоматизации производства выходит на совершенно новый уровень с появлением современных средств проектирования, разработки и ведения документации. Разработка специального программного обеспечения особенно важна в условиях инструментального производства, где изготавливаются уникальные по сложности и точности изделия, большинство из которых просто невозможно изготовить универсальным путем [1].

Выдержка из текста работы

Основная программа (показать плакат Блок схема программы) выполняет вычисление мгновенных значений скорости и периода следования шагов, обеспечивая необходимую кривую разгона. В данном случае разгон и торможение осуществляются с постоянным ускорением, поэтому скорость меняется линейно.

В процессе выполнения была составлена схема замещения и определены параметры схемы в именованных и в относительных единицах . Проведен расчет установившихся режимов электрической системы по значению коэффициента запаса статической устойчивости можно сказать, что в целом система статически устойчива. Расчёт коэффициента запаса статической устойчивости для режима максимальных нагрузок для всех видов возбуждения показал, что коэффициент запаса статической больше допустимого предельного значения 20 %. Таким образом систему в данных случаях можно считать устойчивой, Анализируя системы возбуждения шагового двигателя можно заметить, что с увеличением скорости регулирования возбуждения, растёт предел передаваемой мощности, а значит и коэффициент запаса статической устойчивости.

Заключение

Применение станков с ЧПУ позволяет получать значительный экономический эффект и высвобождать большое число оборудования с ручным управлением. Эффективность станков с ЧПУ, по отечественным и зарубежным данным, характеризуется ростом производительности; числом заменяемых универсальных станков с ручным управлением; сокращением сроков подготовки производства и технологической оснастки; уменьшением брака; обеспечением взаимозаменяемости деталей; сокращением или полной ликвидацией разметочных и слесарно-подгоночных работ; обеспечением существенного уменьшения трудоемкости изготовления и повышения производительности труда.

Опыт использования станков с ЧПУ показал, что эффективность их применения особо возрастает при требуемом повышении точности, усложнении условий обработки, при необходимости в процессе обработки взаимного перемещения детали и инструмента в пяти-шести координатах, при многоинструментальной многооперационной обработке деталей с одного установа и т. п.

Во второй главе дипломной работы приведены конструктивные особенности станков с ЧПУ и рассмотрены приводы главных движений и вспомогательных механизмов этих станков. Современные быстродействующие шаговые двигатели являются модифицированными синхронными электрическими машинами, обмотки которых возбуждаются несинусоидальными сигналами, т. е. прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся в широких пределах частотой. Шаговые приводы позволяют существенно снизить общую стоимость станка и поэтому их устанавливают в самых простых, маленьких станках.

В данной дипломной работе проведен литературный обзор функциональных особенностей моделей УЧПУ различных поколений, приведена классификация и принципы работы систем УЧПУ. Рассмотрены основные типы электродвигателей и приведен анализ шагового двигателя, как привода системы ЧПУ.

Проведена разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера для шагового двигателя. AT90S2313 является 8-ми разрядным CMOS микроконтроллером с низким энергопотреблением, основанным на усовершенствованной AVR RISC архитектуре.

По результатам выполнения разработана структурная и функциональная схемы устройства. Проведена разработка программного обеспечения микроконтроллера и отладка программного обеспечения. Главной задачей программы является формирование импульсных последовательностей для 4-х обмоток двигателя. Основная программа выполняет вычисление мгновенных значений скорости и периода следования шагов по результатам расчета длительность выполнения функции примерно 3 мкс, что соответствует 12%-й загрузке процессора. Это означает, что имеются значительные резервы вычислительных ресурсов.

Разработка аппаратных средств включает в себя разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтаж макета и его автономную отладку. На этапе ввода принципиальной схемы и разработки топологии используются распространенные системы проектирования типа «ACCEL EDA».

В процессе выполнения была составлена схема замещения и определены параметры схемы в именованных и в относительных единицах . Проведен расчет трёх установившихся режимов электрической системы : без АРВ , с АРВ ПД , и для ремонтной схемы при АРВ ПД, в относительных единицах, построены три угловые характеристики, соответствующие указанным режимам. По характеристикам определены пределы передаваемой мощности при различных типах системы возбуждения генератора и запас статической устойчивости. По значению коэффициента запаса статической устойчивости можно сказать, что в целом система статически устойчива. Значение коэффициента запаса статической устойчивости для режима « без АРВ » не превышает нормативного коэффициента запаса, что говорит о неустойчивости системы при использовании генераторов без системы АРВ. Зато в остальных режимах коэффициенты запаса превышают минимально-необходимые значения, на основании чего можно сказать, что при использовании генераторов снабженными АРВ система является статически устойчивой.

Расчёт коэффициента запаса статической устойчивости для режима максимальных нагрузок для всех видов АРВ показал, что коэффициент запаса статической больше допустимого предельного значения 20 %. Таким образом систему в данных случаях можно считать устойчивой, Анализируя системы возбуждения шагового двигателя можно заметить, что с увеличением скорости регулирования возбуждения , растёт предел передаваемой мощности, а значит и коэффициент запаса статической устойчивости.

Список литературы

1. Шарин Ю.С. Обработка деталей на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1983.

2. Шарин Ю.С. Подготовка программ для станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1980.

3. Шарин Ю.С. Станки с числовым управлением. М.: Машиностроение, 1976.

4. Тишенина Т.И. Токарные станки и работа на них. М.: Машиностроение, 1990.

5. Колка И.А. Многооперационные станки. М.: Машиностроение, 1983.

6. Батов В.П. Токарные станки. М.: Машиностроение, 1978.

7. Л.В. Сергиевский, В.В. Русланов. Пособие наладчика станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1991 – 177 стр.

8. Маслов А.Р. Инструментальная оснастка станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 2006 – 544 стр.

9. Тепинкичиев В.К. Металлорежущие станки. М.: Машиностроение, 1973 – 472 стр.

10. Ярута С.П., Усачев П.А. Принципы создания систем адаптивного контроля технологических процессов для станков с ЧПУ. // Современные научные исследования и инновации. – Апрель, 2012

11. Гжиров, Р.И. Программирование обработки на станках с ЧПУ / Р.И. Гжиров, П.П. Серебреницкий. – Л.: Машиностроение, 1990. − 350 с.

12. Серебреницкий, П.П. Программирование для автоматизированного оборудования / П.П. Серебреницкий, А.Г. Схиртладзе. – М.: Высш. шк., 2003. –

592 с.

13. Станки с числовым программным управлением (специализированные) / под ред. В.А. Лещенко. – М.: Машиностроение, 1988. – 568 с.

14. Сосонкин, В.Л. Системы числового программного управления: учеб. пособие / В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. – М.: Логос, 2005. – 296 с.

15. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: справочник-учебник. В 3-х т. Т. 1: Проектирование станков / А.С. Проников, О.И. Аверьянов, Ю.С. Аполлонов и др.; под общ. ред. А.С. Проникова. – М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана: Машиностроение, 1994. – 444 с.

16. Кенио Т. «Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления». Издательство «Мир»,

17. Ратмиров В.А., Ивоботенко Б.А. Шаговые двигатнли для систем автоматического управления , М. – Л., Госэнергоиздат, 1962, 128с.

18. Серебреницкий, П.П. Программирование для автоматизированного оборудования / П.П. Серебреницкий, А.Г. Схиртладзе. – М.: Высш. шк., 2003. –

592 с.

19. Станки с числовым программным управлением (специализированные) / под ред. В.А. Лещенко. – М.: Машиностроение, 1988. – 568 с.

20. Сосонкин, В.Л. Системы числового программного управления: учеб. пособие / В.Л. Сосонкин, Г.М. Мартинов. – М.: Логос, 2005. – 296 с.

21. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: справочник-учебник. В 3-х т. Т. 1: Проектирование станков / А.С. Проников,

О.И. Аверьянов, Ю.С. Аполлонов и др.; под общ. ред. А.С. Проникова. – М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана: Машиностроение, 1994. – 444 с.

22. Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов – М.: 1986. – 370с.

23. Андреев В.П. Сабинин Ю.А. Основы электропривода. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 772 с.

24. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Учебник для вузов. Л.: Энергия, 1973. – 648 с.

25. Москаленко В.В. Электрический привод. – М.: ИНФРА, 2000. – 461 с.

26. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат, 1982. – 520 с.

27. Антонов М.В., Герасимова Л.С. Технология производства электрических машин. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 512 с.

Примечания

Плакаты

Блок схема программы

Структурная схема разрабатываемого устройства

Схема реализации УЧПУ

Управление ШД

Упрощенная схема станка ЧПУ

Функциональная схема контроллера ШД

Функциональная схема системы ЧПУ

Шаговый двигатель