Вопросы для самоподготовки:

1. Что понимают под приводом кузнечно-штамповочной машины?

2. Какими особенностями обладал общезаводской привод?

3. В чем преимущество индивидуального привода?

4. Приведите классификацию и опишите конструктивные особенности асинхронных электродвигателей?

Лекция 2. Исполнительные механизмы и сервопривод кузнечно-штамповочных машин

Теоретические вопросы:

2.1. Классификация исполнительных механизмов

2.2. Задачи, выполняемые системой управления в составе сервопривода

2.3. Информационные технологии и технические средства управления кузнечно-штамповочными машинами

2.1. Классификация исполнительных механизмов

Современные кузнечно-штамповочные машины (КШМ) оснащаются преимущественно индивидуальным электроприводом. Это относится в равной степени как к механическим КШМ, так и к гидравлическим прессам с насосным приводом и молотам с пневматическим компрессорным приводом. Исключение составляют некоторые гидравлические прессы, использующие рабочую жидкость насосно-аккумуляторных станций, и паровоздушные молоты, питающиеся централизованно от заводских станций, причем в ряде случаев индивидуальный электропривод КШМ может быть и многодвигательным.

Электропривод КШМ можно классифицировать следующим образом.

1. главный привод механических машин, снабженных маховиками;

2. главный безмаховиковый привод механических и гидравлических машин;

3. привод насосов и компрессоров, используемый в насосных станциях и установках группового питания прессов;

4. привод вспомогательных механизмов механических и гидравлических КШМ.

При всем имеющимся многообразии существующих на сегодняшний день приводов кузнечно-штамповочных машин (КШМ) следует отметить, что общим для большинства классов и типов кузнечно-штамповочных машин элементом исполнительных механизмов с точки зрения системы управления, может служить пневмо- или гидроцилиндр поршневого или плунжерного типа, который управляется электромагнитными пневмо- или гидроклапанами (см. Таблица 2.1).

Таблица 1

Типы исполнительных механизмов систем управления современных КШМ

Класс и тип КШМ	Тип исполнительного механизма системы управления
1	2
1. Гидропрессы	Поршневые или плунжерные гидроцилиндры главных рабочих механизмов и дроссельных устройств
2. Кривошипные прессы	Поршневые пневмоцилиндры механизма включения муфты, выключения тормоза
3. Винтовые прессы 3.1 Фрикционные	Поршневые гидро/пневмоцилиндры механизма нажатия диском на маховик
3.2 Электровинтовые	Электромагнитные переключатели
3.3 Гидровинтовые	Поршневые и плунжерные гидроцилиндры главного рабочего механизма и дроссельных устройств
3.4 Муфтовые	Электромагнитные, пьезо- или механические клапаны включения/отключения муфты
4 Молоты

Окончание Таблица 1

1	2
4.1 Паровоздушные ковочные и штамповочные	Поршневые гидро/пневмо сервоцилиндры механизма перемещения золотника
4.2 Приводные пневматические ковочные	Поршневые пневматические сервоцилиндры механизма поворота кранов управления
4.3 Гидромолоты	Поршневые гидроцилиндры главных рабочих механизмов и дроссельных устройств
4.4 Газогидравлические	Плунжерные гидроцилиндры механизма возврата рабочих частей
4.5 Высокоскоростные	Плунжерные гидроцилиндры механизма возврата рабочих частей
4.6 Импакторы	Поршневые пневмоцилиндры главных рабочих механизмов и дроссельных устройств
4.7 Бесшаботные	Поршневые или плунжерные гидроцилиндры главных и возвратных рабочих механизмов и дроссельных устройств

Однако исполнительный механизм любой из производственных машин следует проектировать одновременно с его электроприводом, под которым подразумевается электромеханическое устройство, при помощи которого приводится в движение исполнительный механизм и обеспечивается электрическое управление этим механизмом.

Обычно двигатель приводит в действие исполнительный механизм через систему передач. Применительно к кривошипному прессу это представлено на (рис. 6).

При решении практических задач по расчету электропривода упругостью валов, деформациями и зазорами в зубчатом зацеплении обычно пренебрегают, то есть механические связи принимают абсолютно жесткими. Для клиноременной передачи упругую деформацию учитывают коэффициентом упругого скольжения для клиноременных передач (обычно S_кл = 0,01).

Характер движения электропривода описывается уравнением моментов:

, (2.1)

где - момент, развиваемый двигателем;

Y - момент инерции всех движущихся частей, приведенный к валу двигателя;

- ускорение или замедление угловой скорости вращения ротора двигателя.

Рис. 6. Схема привода кривошипного пресса

Момент двигателя считается положительным, если он направлен в сторону движения привода при выполнении производственного цикла. Если он направлен в обратную сторону, то считается отрицательным. Электродвигатель при этом работает в тормозном режиме.

Знаки моментов сопротивления также определяются в зависимости от того, какое направление эти моменты имеют по отношению к скорости движения частей привода и рабочего инструмента. Моменты, направленные против скорости, то есть препятствующие движению считаются отрицательными. Моменты, совпадающие с движением, то есть способствующие движению считаются положительными.

Моменты сопротивления бывают активные и реактивные. К активным относятся моменты от сил тяжести, действия упругих сил. К реактивным относятся моменты от сил трения, сопротивления деформации, сопротивление перемещению.

Инерционный или динамический момент проявляется только во время переходных режимов, когда изменяется скорость привода. При ускорении этот момент направлен против движения, а при торможении он поддерживает движение. Инерционный момент, как по значению, так и по знаку определяется алгебраической суммой моментов двигателя и момента сопротивления.

С учетом сказанного в общем, виде уравнение движения привода будет:

(2.2)

Основными элементами электропривода являются: электродвигатель (или электромагнит), устройство, связывающее его с производственным механизмом и аппаратура управления и защиты.

Основной задачей конструктора при проектировании электропривода кузнечно-штамповочной машины будет являться достижение высокой производительности и надежности работы главного исполнительного механизма при обеспечении низкой себестоимости продукции, для чего необходимо уметь выбирать электродвигатель, передаточное устройство от двигателя к исполнительному механизму и пускорегулирующую и защитную аппаратуру.

Перечисленная электроаппаратура выбирается по каталогам фирм-производителей, при этом необходимо знать следующее:

1) величина номинального напряжения сети, а также его снижение или превышение в процентах;

2) временные характеристики;

3) коэффициент возврата для контакторов и реле;

4) мощность катушек и токи при замыкании и размыкании контакторов;

5) количество включений в час;

6) температуру и относительную влажность окружающего воздуха:

7) высоту работающего объекта над уровнем моря;

8) агрессивность среды (токопроводящая, с химически активными газами, с испарениями и осадками), действующей на металл и изоляцию;

9) наличие солнечной радиации;

10) возможные удары и вибрации;

11) нормальные или тропические условия работы;

12) расположение аппарата в пространстве и т.д.

2.2 Задачи, выполняемые системой управления в составе сервопривода

Управление электроприводами заключается в осуществлении пуска, регулировании скорости, торможении, реверсировании и поддержании режима работы в соответствии с технологическими требованиями.

Различают ручное, дистанционное и автоматическое управления. Выбор типа устройств для построения систем управления определяется требованиями к электроприводу и теми функциями, которые он должен выполнять.

Ручное управление - рубильниками, переключателями, реостатами используется в электроприводе малой мощности (насосы, вентиляторы) и в современном электроприводе на КПМ почти не встречается.

Дистанционное управление - управление на расстоянии основано на том, что переключения в цепях электродвигателей производится аппаратами, контакты которых приводятся в движение силой тяги электромагнитов и роль оператора сводится к воздействию на кнопки управления.

Автоматическое управление - все переключения обеспечиваются цепями управления, включающего различные реле и контакторы. В настоящее время в автоматических системах начинают широко применяться логические элементы на базе полупроводниковых микросхем, обеспечивающих необходимую последовательность выполнения операций управления и выполняющих также этапы запоминания.

Системы управления различаются на разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых - возмущающее действие (например, нагрузки на валу) приводит к изменению ранее заданного режима работы двигателя. В замкнутых системах независимо от состояния возмущающего воздействия поддерживается режим работы привода.

В настоящее время для прессов проектируются индивидуальные системы управления с различной аппаратурой, предназначенные для решения задач управления кузнечно-штамповочными машинами, которые можно классифицировать следующим образом, выделив четыре основных категории:

1. замена человека и управление технологическими параметрами;

2. контроль и регистрация различных необходимых в последствии данных в ходе технологического процесса;

3. диагностика и прогнозирование неполадок в целях уменьшения времени, а также более рационального планирования как планово-предупредительного ремонта, так и незапланированного необходимого ремонта из-за поломки оборудования;

4. уменьшение времени переналадок на другой технологический цикл на выпуск новой продукции.

В ряде случаев при разработке систем управления процессами обработки давлением возникает альтернатива выбора технических средств автоматизации.

Например, задача управления может быть решена с помощью локальных регуляторов с связанной структурой. Если объект не слишком сложный, такое решение будет более эффективным с точки зрения сокращения сроков проектирования, упрощения системы управления и надежности. В настоящее время, учитывая поставленные задачи, в основу систем автоматического управления предлагаются различные по мощности, возможностям, стоимости контроллеры и промышленные компьютеры (IPC – Industrial PC).

Промышленный персональный компьютер (рис. 7) — компьютер с архитектурой x86, совместимый с большинством программного и аппаратного обеспечения обычных ПК, предназначенный для работы промышленных приложений. Промышленные ПК отличаются от обычных конструкцией, которая учитывает требования к оборудованию работающему в неблагоприятных условиях — повышенная вибрация, загрязненная атмосфера, повышенная влажность, повышенные или пониженные температуры. Промышленные ПК являются готовыми, серийными, коммерчески-доступными изделиями.

Применяется в составе управляющих, контролирующих и измерительных комплексов в промышленности; для создания систем на базе программных ПЛК. Между архитектурой современных настольных PCI-компьютеров и большинством сопоставимых промышленных ПК можно с уверенностью поставить знак равенства. Для этого достаточно просто взглянуть на архитектуру несложного одноплатного промышленного компьютера компании (рис. 8).

Рис. 7. Промышленный компьютер

Рис. 8. Блок-схема промышленного компьютера

2.3 Информационные технологии и технические средства управления кузнечно-штамповочными машинами

Развитие информационных технологий определяет новые требования к выпускаемой кузнечно-штамповочной продукции. Конкурентоспособные прессы и комплексы должны иметь различные информационные системы, решающие задачи программного управления, улучшения диагностики, облегчение эксплуатации и сопровождения, выполнения различных функций учета параметров работы КШМ и времени работы персонала.

Сервопривод, применяемый в современных кузнечно-штамповочных машинах, представляет собой специальный электродвигатель с электронным блоком, который позволяет точно управлять параметрами движения. Является разновидностью частотно-регулируемого электропривода (ЧРП). Для управления сервоприводами или группами сервоприводов используются специальные CNC-контроллеры являющиеся разновидностью Программируемых Логических Контроллеров (ПЛК) важной характеристикой которых является количество осей которые они способны синхронизировать (обычно до 32-х). Структура сервопривода кузнечно-штамповочных машин показана на рис. 9. В состав серводпривода входят следующие элементы:

1) сервомотор (servomotor) (рис. 10),

2) встроенный датчик угла поворота вала двигателя (энкодер),

3) блок питания и управления (он же преобразователь частоты\ сервоусилитель\ инвертор\ servodrive).

По виду сервоприводы можно классифицировать следующим образом:

1. Сервопривод вращательного движения

- синхронный;

- асинхронный;

Рис. 9. Структура сервопривода кузнечно-штамповочной машины

Рис. 10. Сервомоторы

2. Сервопривод линейного движения

- плоский;

- круглый.

Синхронный сервопривод – позволяет точно задавать угол поворота (с точностью до угловых минут), скорость вращения, ускорение. Разгоняется быстрее асинхронного, но в разы дороже.

Асинхронный сервопривод – позволяет точно задавать скорость, даже на низких оборотах.

Линейные двигатели – могут развивать огромные ускорения.

Исходя из вышерассмотренных задач управления, системы управления кузнечно-штамповочным оборудованием можно классифицировать следующим образом, разделив их на два основных класса:

1. с постоянной жесткой структурой NC;

2. с гибкой программируемой структурой, которая в свою очередь делиться по сложности системы на:

а) CNC (Computerized Numeric Control). Такая система программируется отдельно и управляет каким-то отдельным комплексом устройств. В этом случае необходима одна микро-ЭВМ, которая вследствие наличия хорошо разработанных стандартов практически без изменения остального оборудования, что позволяет выбрать необходимую мощность для различных технологических задач. В этой структуре нет микроконтроллеров, анализ данных происходит в одном месте и слабым звеном является сама микро-ЭВМ;

б) DNC (Direct Numeric Control). Представляет собой более сложную систему, которая включает в себя несколько устройств управления, возможно несколько контроллеров, и является более высоким уровнем, когда центральная микро- или мини- ЭВМ управляет уже отдельными устройствами управления комплексов технологическим оборудованием.

Сочетанием устройства выработки сглаженных команд системой ЧПУ и сервосистемы с высоким коэффициентом усиления, управляемой системой достигается высокоскоростное и высокоточное управление нанометрового уровня точности. Эффект механического резонанса может автоматически подавляться следящим фильтром, также в случае изменения частоты (рис. 10).

Блок-схема системы управления сервоприводом показана на рис. 11. Высокие быстродействие и точность управления шпинделем достигаются за счет более высокой скорости выборки мгновенных значений сигналов в контуре управления и использования схемы обнаружения с высокой разрешающей способностью.

Рис. 11. Блок-схема системы управления серводвигателем