Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования Российской федерации
Владимирский государственный университет
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств
Автоматизация технологических процессов и производств
Методические указания к курсовому проекту
Составители
В.Ф. Коростелев
А.А. ГЛУШКОВ
Р.Г. МИХАЙЛОВ
С.Н. Сысоев
А.А. Назаров
Владимир 2006
УДК 62-85.002.72
Рецензент
доктор технических наук, профессор
Кобзев А.А.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Владимирского государственного университета
Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств»/Владим. гос. ун.–т; Сост.: В.Ф. Коростелев, А.А. Глушков, Р.Г. Михайлов и др. Владимир, 2006.
Содержат методические указания к выполнению курсового проекта по автоматизации технологических процессов и производств. Дано описание методики проектирования линейного электрогидравлического привода с автономным задатчиком перемещений. Приведены варианты заданий. Основные разделы указаний посвящены расчёту режимов резания лимитирующей операции металлообработки, разработке привода подач силового узла гибкой производственной системы для лимитирующей операции.
Предназначены для студентов специальностей 220301, 151001 дневной и заочной форм обучения.
Табл. 8. Ил. 26. Библиогр.: 8 назв.
УДК 62-85.002.7
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 4
Технико-экономическое обоснование разрабатываемого объекта 14
Линейный электрогидравлический привод подачи силового узла с автономным задатчиком перемещения 19
Указания к расчёту режимов резания 21
указания к разработке Функциональных схем и схем расположения приборов 44
Приложение 1. Датчики и приборы 50
Приложение 2. Конструкции исполнительных механизмов, агрегатов, рабочих органов, шпиндельных узлов 76
Список литературы 90
Содержанием курса "Автоматизация производственных процессов" являются методы и средства, обеспечивающие автоматическое выполнение отдельных производственных процессов, движений рабочих органов станков, цикла станка, работы робототехнического комплекса. После изучения курса студент должен уметь разрабатывать технологический процесс или операцию, рассчитывать основные показатели, характеризующие работу автоматизированного станочного оборудования.
Студент должен также уметь выполнять анализ производственного процесса и на этой основе определять управляемые и управляющие параметры системы, должен иметь навыки синтеза систем автоматического управления дискретными и непрерывными процессами.
Для приобретения умения и навыков разработчиков систем автоматического управления производственными процессами направлено выполнение данного курсового проекта.
Задание к курсовому проекту заключается в следующем:
Исходными данными для расчета являются параметры лимитирующей операции и тип системы стабилизации режима металлообработки.
Варианты заданий представлены в табл. 1 и табл. 2.
Исходными данными для расчета являются параметры лимитирующей операции (табл. 1) и параметры привода подачи заданного типа металлообработки (табл. 2).
Таблица 1
Параметры лимитирующей операции
|
Номер |
Тип операции |
Масса подвижной части, кг |
|
1 |
2 |
3 |
|
1 |
Точение, l=800, d=200 |
400 |
|
2 |
Сверление, l=250, d=50 |
450 |
|
3 |
Фрезерование, l=400, b=50 |
500 |
|
4 |
Шлифование, l=500, b=55 |
550 |
|
5 |
Строгание, l=450, b=50 |
600 |
|
6 |
Точение, l=650, d=55 |
650 |
|
7 |
Сверление, l=200, d=40 |
700 |
|
8 |
Фрезерование, l=350, b=30 |
450 |
|
9 |
Шлифование, l=400, b=30 |
500 |
|
Продолжение табл. 1 |
||
|
1 |
2 |
3 |
|
10 |
Строгание, l=500, b=35 |
550 |
|
11 |
Фрезерование, l=700 , b=45 |
600 |
|
12 |
Шлифование, l=350, b=50 |
650 |
|
13 |
Строгание, l=200, b=30 |
700 |
|
14 |
Точение, l=800, d=60 |
550 |
|
15 |
Сверление, l=200, d=45 |
600 |
|
16 |
Фрезерование, l=300, b=60 |
650 |
|
17 |
Шлифование, l=400, b=35 |
700 |
|
18 |
Шлифование, l=700, b=50 |
450 |
|
19 |
Строгание, l=350, b=40 |
500 |
|
20 |
Фрезерование, l=550, b=65 |
550 |
|
21 |
Шлифование, l=900, b=45 |
600 |
|
22 |
Фрезерование, l=1000, b=60 |
650 |
|
23 |
Строгание, l=1000, b=35 |
700 |
|
24 |
Точение, l=1200, d=55 |
550 |
|
25 |
Точение, l=250, d=80 |
400 |
|
26 |
Сверление, l=180, d=40 |
450 |
|
27 |
Строгание, l=230, b=45 |
500 |
|
28 |
Фрезерование, l=350, b=35 |
550 |
|
29 |
Точение, l=50, d=10 |
400 |
|
30 |
Строгание, l=20, d=8 |
200 |
Таблица 2
Параметры привода подачи
|
Номер вари-анта |
Давление в напорной линии, МПа |
Коэффициент запаса устойчивости Кзу |
Коэффи-циент запаса по нагрузке Кзн |
Коэффи-циент обратной связи, Кос |
Скоро-стная ошибка εск |
Жест-кость Н/мкм |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
1 |
0,2 |
0,5 |
0,1 |
0,65 |
0,2 |
300 |
|
2 |
2 |
0,6 |
0,6 |
0,7 |
0,3 |
400 |
|
3 |
4 |
0,7 |
0,7 |
0,75 |
0,4 |
600 |
|
4 |
6 |
0,8 |
0,8 |
0,65 |
0,5 |
500 |
|
5 |
8 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,2 |
800 |
|
6 |
10 |
1 |
1 |
0,8 |
0,3 |
700 |
|
7 |
2 |
1,2 |
1,2 |
1 |
0,4 |
1000 |
|
Продолжение табл. 2 |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
8 |
5 |
1,1 |
0,7 |
0,65 |
0,5 |
900 |
|
9 |
6 |
1,3 |
0,8 |
0,7 |
0,3 |
800 |
|
10 |
3 |
0,7 |
0,9 |
0,75 |
0,4 |
600 |
|
11 |
0,2 |
0,8 |
0,6 |
0,85 |
0,5 |
500 |
|
12 |
4 |
0,9 |
0,7 |
1,2 |
0,2 |
800 |
|
13 |
6 |
0,6 |
0,8 |
1,15 |
0,3 |
700 |
|
14 |
10 |
0,7 |
0,9 |
1,1 |
0,4 |
1000 |
|
15 |
0,2 |
0,8 |
1 |
1,05 |
0,5 |
900 |
|
16 |
3 |
0,9 |
0,7 |
1,3 |
0,2 |
300 |
|
17 |
2 |
1 |
0,8 |
1,25 |
0,3 |
400 |
|
18 |
0,5 |
0,7 |
0,9 |
0,75 |
0,5 |
600 |
|
19 |
4 |
0,8 |
1 |
0,65 |
0,2 |
500 |
|
20 |
6 |
0,9 |
1,2 |
0,9 |
0,3 |
800 |
|
21 |
8 |
1 |
1,1 |
0,8 |
0,4 |
700 |
|
22 |
10 |
1,2 |
1,3 |
1 |
0,5 |
600 |
|
23 |
4 |
1,1 |
0,6 |
0,65 |
0,4 |
500 |
|
24 |
4 |
1,3 |
0,7 |
1,15 |
0,5 |
800 |
|
25 |
6 |
0,7 |
0,8 |
1,1 |
0,2 |
700 |
|
26 |
10 |
0,9 |
0,9 |
1,05 |
0,3 |
1000 |
|
27 |
0,2 |
0,6 |
1 |
1,3 |
0,2 |
900 |
|
28 |
6 |
0,7 |
1,2 |
1,25 |
0,3 |
300 |
|
29 |
8 |
0,8 |
1,1 |
0,75 |
0,5 |
400 |
|
30 |
10 |
0,7 |
1,2 |
0,65 |
0,2 |
1000 |
Объем и содержание курсового проекта. Курсовой проект выполняется в виде пояснительной записки на 15 - 20 листах А4 формата и графической части в объеме 3 листов А1.
Пояснительная записка к курсовой работе должна давать достаточно полное представление о принципе решения задачи проектирования системы с обоснованием правильности решения задачи. Записка иллюстрируется схемами и программами, выполняемыми с соблюдением всех требований ЕСКД. Эти схемы и программы входят в общий объём пояснительной записки и нумеруются.
Пояснительная записка к курсовому проекту должна включать в указанной последовательности следующие разделы: титульный лист, бланк задания, подписанный руководителем и заведующим кафедрой; аннотацию (реферат); содержание (оглавление) с указанием страниц; введение; разделы и подразделы основной части; заключение; список литературы; приложения (при необходимости).
Содержание основных разделов пояснительной записки следующее.
Титульный лист должен соответствовать установленному образцу.
Бланк задания, полностью оформленный, должен содержать отзыв руководителя о курсовом проекте студента и ее оценку.
Аннотация в краткой форме раскрывает содержание пояснительной записки к курсовому проекту.
Содержание включает наименование всех разделов курсового проекта, а также подразделов и пунктов, если они имеют наименование, с указанием номера страниц, на которых размещается начало материала разделов, подразделов, пунктов.
Введение содержит постановку задачи, анализ актуальности и цели проектирования системы. Во введении дается краткий анализ возможных методов решения поставленной задачи, но так, чтобы он не заслонял основного содержания проекта. Указываются литературные источники, по которым делается обзор, позволяющий судить, насколько полно изучена литература. Обзор должен содержать краткую оценку изложенных материалов и принципов проектирования.
Основная часть состоит из следующих разделов.
В первой части производится разработка теоретического вопроса. Во второй - анализ технологического процесса с точки зрения особенностей построения автоматизированных производств, производиться расчет основных технологических параметров. По объему это составляет 10... 15%.
В следующем разделе, дается обоснование выбранного подхода к проектированию, моделирование системы, анализ полученных на модели результатов и выводы по их использованию для исследования и синтеза структуры систем автоматического управления. Производятся оценки статических и динамических характеристик и определение областей устойчивой работы, определяются управляемые и управляющие параметры процесса, устанавливается закон управления и функциональная схема САУ, даются исходные данные для реализации САУ на элементной базе.
Заключение должно содержать качественные и количественные оценки результатов проектирования, точности и достоверности результатов моделирования.
Следует представить краткий вывод по результатам курсового проектирования (примерно на 0,5 страницы), отметить достоинства выбранной структурной схемы АСУ. Если была выбрана не оптимальная структура системы управления, то следует указать причины, обусловившие такое решение, а также нерешенные вопросы, рекомендации по возможному в дальнейшем усовершенствовать систему управления заданного технологического процесса.
Список использованной литературы содержит перечень источников, использованных при выполнении курсового проекта. Указывают только те источники, на которые имеются ссылки в тексте пояснительной записки.
Приложение содержит вспомогательный материал (спецификация к чертежу, листинги результатов моделирования и т.п.).
Оформление курсового проекта. Пояснительная записка является основным документом, предъявляемым студентом при защите курсовой работы. Она составляется в соответствий с требованиями ГОСТ 2.105—68 и ГОСТ 2.106—68. В ней отражаются этапы работы и результаты, полученные при выполнении работы.
Пояснительная записка к курсовому проекту пишется студентом на одной стороне листа бумаги формата 210 × 297 мм. При этом необходимо оставлять поля: слева - 30 мм, справа - 20 мм, сверху - 20 мм, снизу - 20 мм. Текст может быть написан от руки аккуратно, разборчиво, без помарок, с высотой букв не менее 2,5 мм. Средняя плотность записи —30 строк и при 35 - 40 знаков в каждой строке. Предпочтительно подготовка записки с использованием текстового редактора с последующей распечаткой на принтере. Изложение текста должно быть кратким, четким и вестись от первого лица множественного числа.
Весь текст пояснительной записки делят на разделы. Каждый раздел следует начинать с новой страницы. Разделы в пределах всей пояснительной записки, а также подразделы и пункты имеют порядковые номера, обозначенные арабскими цифрами с точкой в конце, например: 1 - первый раздел; 2 - второй раздел; 2.1 - первый раздел второго подраздела; 2.1.1 - первый пункт первого подраздела второго раздела. Введение и заключение не нумеруются.
В заголовке не допускаются переносы слов. Точку в конце заголовка не ставят. Если заголовок состоит из двух предложений то их разделяют точкой. Заголовок подчеркивать нельзя.
В записке необходимо выдержать единые обозначения и размерности для используемых параметров, я характеристик.
Допускаются сокращения слов, терминов, обозначений, только общепринятых в ГОСТ 15133 - 77, 17021 - 75, 17657 - 79, 19480 - 74, 19781 - 74, 20886 - 75, 22348 - 77.
Согласно ЕСКД иллюстрации в пояснительной записке, кроме таблиц, имеют подпись «рис.». Номер рисунка состоит из номера раздела и порядкового номера иллюстрации, разделенных точкой. Например: рис. 3.2 (второй рисунок третьего раздела). Иллюстрации снабжаются кратким подрисуночным текстом. Длинные записки переносят в текст в текст пояснительной записки. Рисунок располагают после той страницы, где на него дана первая ссылка.
Иллюстрации и таблицы должны быть расположены так, чтобы их было удобно рассматривать (без поворота записи или поворачивая по часовой стрелке). Количество иллюстраций должно быть минимальным, но доступным для пояснения излагаемого материала.
Формулы в записке (если их более одной) нумеруют арабскими цифрами в пределах раздела. Номер формулы состоит из номера раздела и порядкового номера формулы в разделе, разделенных точкой. Номер ставится с правой стороны листа на уровне нижней строки формулы в круглых скобках, например: (3.1)—первая формула третьего раздела. Ссылки на формулу указывают порядковым номером формулы в круглых скобках, например «...в формуле (2.1)».
Пояснение значений символов и числовых коэффициентов следует приводить непосредственно поз формулой со слога «где» без двоеточия после него в той же последовательности, в какой они даны в формуле с новой строки.
Если уравнение не умещается в одну строчку, оно должно быть перенесено после знаков «=» или «+», «-», «×», «:». При написании формулы и выборе справочных данных необходимо делать ссылку на литературный источник, из которого они заимствованы.
Схемы алгоритмов и программы моделирования следует оформлять в пояснительной записке в соответствии с требованиями ЕСПД [8].
При ссылке в тексте на используемую литературу указывают порядковый номер, выделенный двумя квадратными скобками по списку источников, например [20]. Литературу следует располагать в списке в порядке появления ссылок в тексте. Источник описывается по следующей форме: фамилия и инициалы автора, полное название книги или статьи, место и год издания, объем (для журнала - название журнала, год издания, номер страницы).
Приложения оформляют как продолжение пояснительной записки на последующих ее страницах или в виде отдельной части, располагая их в порядке появления ссылок в тексте (см. ГОСТ 7.32-81).
Оформление графической части. При оформлении структурных, функциональных, принципиальных схем и чертежей необходимо руководствоваться ГОСТами ЕСКД 2.701—68, 2.721-74, 2.743—72, 2.747-68, 2.750-68, 2.751—73. На каждом листе работы в правом нижнем углу должна быть основная надпись по ГОСТ 2.104 — 68. Несоблюдение требований ЕСКД и ЕСПД оформлении иллюстраций говорит об их незнании, что приводит к снижению оценки за курсовой проект.
Организация защиты работы. Курсовой проект при окончательном оформлении подписывают студент и руководитель работы. В процессе защиты студент кратко излагает назначение и принцип работы системы автоматического управления и особенности принятых решений при исследовании и проектировании привода. В процессе обсуждения студент должен показать, что он овладел общими методами синтеза механизмов, получил навыки выполнения конкретных расчетов, владеет методами моделирования на ЭВМ, может обосновать целесообразность принятия конкретных решений при проектировании САУ.
Технико-экономическое обоснование разрабатываемого объекта
Разработка технических объектов различных уровней проработки, выполняемая в виде курсового проекта включает следующие этапы:
1. Область техники, к которой относится разработка. Максимально возможно четкое представление разрабатываемого объекта с описанием ограничений. Кроме широкой области применения следует указать и более конкретную область применения. Например: "Система управления относится к области машиностроения, роботостроения в частности к цикловым системам управления роботизированными технологическими комплексами".
2. Анализ актуальности и целесообразности разработки.
3. Формирование цели и задач разработки.
Разработка технического объекта начинается с информационных исследований уровня техники.
В уровень техники включаются общедоступные сведения (сведения, с которыми любое лицо может ознакомиться само независимо от его работы, жительства и т.п., либо о содержании которых ему может быть сообщено законным путем.) В уровень техники входят:
- опубликованные описания к охраняемым документам (заявки на изобретение);
- российские (советские) и иные издания;
- депонированные рукописи статей, обзоров, монографий и др. материалов;
- отчеты и научно-исследовательские работы и др. конструкторская, технологическая и проектная документация, находящаяся в органах научно-технической информации;
- материалы диссертаций и авторефераты диссертаций, изданные на правах рукописи;
- принятые на конкурс работы;
- визуально воспринимаемые источники (плакаты, проспекты, чертежи и др.);
- экспонаты, помещенные на выставке;
- устные доклады, лекции, выступления;
- сообщение посредством радио, телевидения, кино и т.п.
- сведения о техническом средстве, ставшие известными в результате его использования в производственном процессе, в изготовляемой или эксплуатируемой продукции.
Патентно-информационные исследования отражают современное развитие технологий. Владение этой информацией позволяет выявить альтернативные технические решения, имеющие преимущества экономического, экологического, социального и другого характера.
Вся международная информация о патентах классифицирована. Международное сотрудничество в этой области началось в 1956 г. под эгидой Совета Европы и Всемирной организации интеллектуальной собственности. Оно привело к заключению в 1971 г. Страсбургского соглашения относительно Международной патентной классификации (МПК), которое обеспечило всемирное признание уже применявшейся на практике системы. В настоящее время МПК применяется в 70 странах и охватывает 90% патентных документов, публикуемых в мире.
МПК охватывает все области знаний, объекты которых законодательно подлежат патентной охране. Возможность «сужения» поиска до более высокой степени детализации обеспечивают 8 разделов, 20 подразделов, 118 классов, 624 подкласса и свыше 67000 групп МПК. Раз в пять лет Всемирная организация интеллектуальной собственности (на английском и французском языках) и Российское агентство по патентам и товарным знакам (на русском языке) публикуют десятитомное издание МПК. Каждый из 8 разделов классификации помещен в отдельном томе. Том 9 называется «Введение, перечень разделов, классов, подклассов и основных групп». Том 10 «Введение» содержит описание структуры, объясняет использование индексов, принципы, правила и применение классификации.
Результаты патентно-информационного поиска представляются в виде таблиц.
Таблица 1
Регламент патентного поиска
|
Объект патентного поиска |
Классификация мки |
Страны для поиска |
Общее количество патентов |
|
Вакуумный захватный модуль |
В 25 J 15/06, 15/00 |
СССР, ФРГ |
7 |
Таблица 2
|
Название |
Обозна- чение |
Классифи- кация МКИ |
Автор |
Краткое описание |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Вакуумный захват |
SU 1703453 А1 |
В 25 J 15/06, 15/00 |
Е.П.Ожигов |
Изобретение относится к машиностроению, в частности к вакуумным захватам. Целью изобретения является повышение надежности работы и расширение технологических возможностей. |
|
Вакуумный захват |
SU 1689067 А1 |
В 25 J 15/06 15/00 |
А.Н. Дровников, С.В.Дарда |
Изобретение относится к робототехнике. Цель -расширение функцио нальных возможностей вакуумного захвата. |
Продолжение табл. 2
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Многопозиц ионный вакуумный захват |
SU 166284 А1 |
В 25 J 15/06 |
С.И.Гильденфук, Ю.Д. Жаботинский |
Изобретение относится к робототехнике. Цель - расширение функциональных возможностей вакуумных захватов. |
|
Вакуумное захватное устройство |
SU 1673436 А1 |
В 25 J 15/06 |
В.В. Никифоров, Ю.Н. Юрков |
Изобретение относится к машиностроению и может быть исполь- зовано в захватных органах манипуляторов. Цель - повышение надежности работы устройства за счет обеспечения точности позиционирования захватываемых изделий. |
|
Вакуумный захват |
SU 1684033 А1 |
В 25 J 15/06 |
М.А. Свита |
Изобретение относится к машиностроению. Цель - расширение функциональных возможностей. |
|
Захватное устройство |
SU 1689064 А1 |
в 25 J 15/06 |
Р.И. Хутский, К.В. Плюгачев, В.Е. Мозговой, Р.В. Ковичихин |
Изобретение относится к машиностроению. Цель - расширение техноло- гических возможностей. |
|
Вакуумное захватное устройство |
SU 1815217 А1 |
в 25 J 5/06 В 65 Н 5/08 |
С.Н. Сысоев, Ю.В. Черкасов |
Используется для захвата и транспортировки деталей типа пластин. |
Результатом технико-экономического обоснования является формирование цели и задач предстоящей разработки. Цель - это тот технико-экономический результат, который необходимо получить разработчику. Например, повышение быстродействия, точности, надежности, снижение энергозатрат и т. п.
Задачами являются те необходимые мероприятия, которые потребуется провести разработчику для достижения поставленной цели.
Выпускаемые в настоящее время агрегатные, шлифовальные, фрезерно-центровальные и другие гидрофицированные станки для массового автоматизированного производства имеют, как правило, гидравлический привод с путевым управлением. Это не позволяет встраивать их в ГПС и требует разработки принципиально иных схем построения приводов, которые обеспечивают, во-первых, автоматизацию переналадок циклов движения силовых узлов при смене объектов производства и, во-вторых, максимальную унификацию базовых деталей станков и силовой части приводов в обычном и новом исполнении, предназначенном для ГПС.
Указанная цель может быть реализована при использовании ЛЭГП с автономными задатчиками перемещений (АЗП) в качестве управляющих устройств. Принципиальная схема привода показана на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема ЛЭГП с АЗП
Силовой стол 1 с установленным на нем рабочим органом (РО) 2 перемещается от гидроцилиндра 3. Скорость и ход устанавливаются автономным задатчиком, выполненным в виде отдельного устройства 5, состоящего из управляющего шагового двигателя (ШД) 6, дросселирующего распределителя 8, механизмов сравнения 7 и обратной связи 4. При работе ЛЭГП с АЗП сигнал от системы ЧПУ в виде угла поворота ШД поступает в механизм сравнения, который перемещает распределитель в сторону уменьшения рассогласования между заданным положением, определяемым ШД, и фактическим положением РО.
Выбор рассмотренной схемы объясняется следующими преимуществами, которые дает ЛЭГП с АЗП:
Кроме того, выполнение задатчика в виде малогабаритного автономного устройства обеспечивает легкость встраивания в су ществующее оборудование, что позволяет унифицировать силовые узлы станков обычного исполнения предназначенных для ГПС.
Указания к расчёту режимов резания
Металлорежущие станки предназначены для обработки металла пу тем снятия стружки. Они обеспечивают изготовление деталей требуе мой формы с заданными точностью размеров и шероховатостью по верхности. Обработка может производиться при помощи одного или нескольких инструментов.
В зависимости от способа обработки существуют станки следующих основных групп: токарные, сверлильные, шлифовальные, фрезерные, строгальные.
Металлорежущий станок, на котором производится процесс реза ния, является технологическим объектом управления. Основными тех нологическими процессами металлообработки являются точение, рас точка, строгание, сверление, фрезерование и шлифование.
Точение (рис.2) осуществляется на токарных станках за счет вращения обрабатываемого изделия 1 (главное движение) и переме щения резца 2 (движение подачи).
Окружная скорость изделия в точке соприкосновения резца с об рабатываемой деталью называется скоростью резания. Скорость реза ния, м/мин, определяется по формуле
()
где dи — диаметр обработки, м; ωи — угловая скорость изделия, рад/с.
Величина подачи определяется перемещением резца, приходящим ся на один оборот изделия. Глубина резания представляет собой раз ность радиусов обрабатываемой и обработанной поверхностей. Быст рое перемещение суппорта, зажим и отжатие обрабатываемого изде лия, перемещение люнета, задней бабки и другие движения относят ся к вспомогательным.
В процессе обработки происходит износ инструмента h, который можно разбить на три периода (рис. 1,6): I - приработка, II - нор мальный и III- усиленный износ, заканчивающийся "посадкой" (затуплением) инструмента. Износ h0, при котором общий срок службы инструмента получается наибольшим, а расход наименьшим, называ ют оптимальным. Оптимальный износ обеспечивает минимальную стоимость инструмента, отнесенную на одну деталь. По достижении оптимального износа h0 инструмент перетачивают. Время работы ин струмента между двумя переточками определяет его стойкость Т.
Рис. 2. Схема токарной обработки (а) и график износа иноса инструмента (б)
Параметры обработки связаны между собой эмпирической фор мулой
()
где Су — коэффициент, характеризующий вид и условия обработки, а также материал изделия и резца; s — подача, мм/об; tр — глубина резания, мм: Т - стойкость, мин; xv, yv, т - показатели степени, за висящие от свойств обрабатываемого металла, материала резца и вида обработки.
При снятии стружки резцом возникает усилие F, приложенное к ре жущей кромке инструмента, которое может быть разложено (рис. 1, а) на три составляющие:
()
где Fz - главная касательная сила, действующая в направлении траек тории главного движения, преодолеваемая шпинделем станка и назы ваемая усилием резания; Fy - радиальная сила, действующая нормаль но к обработанной поверхности и создающая давление на суппорт; Ру - осевая сила, действующая в направлении подачи.
Расчет усилия резания производится по эмпирической формуле
()
где СF коэффициент, характеризующий материал детали, резца и вид токарной обработки; хF, уF, n показатели степени.
Коэффициенты и показатели степени в (3) и (4) принимаются по справочникам режимов резания [11].
По аналогичным формулам рассчитываются усилия Fу и Fx, кото рые можно принять равными Fx ≈ 0,4Fz и Fу ≈ 0,3Fz.
Усилие FП действующее на механизм подачи, помимо собственного усилия подачи Fx содержит также составляющие, возникающие в на правляющих за счет сил трения от действия усилий Fz и Fу :
FП=Fx+μ(Fz+Fу) ()
где μ - коэффициент трения в направляющих.
Мощность резания, кВт,
()
Мощность подачи, кВт,
()
Поскольку скорость подачи во много раз меньше скорости резания, мощность подачи намного меньше мощности резания и составляет относительно последней 1 — 0,1 %.
Расточка применяется для черновой, чистовой и алмазной обработок отверстий на токарных и расточных станках. При расточке резцы, оснащенные пластинками из быстрорежущей стали, твердых сплавов или из ограненного технического алмаза, закрепляют в оправках. Ско рость, силу и мощность резания при черновой и чистовой расточках определяют по тем же формулам (2) -- (6), что и для точения.
Строгание (рис. 3) можно рассматривать как точение участка дета ли с бесконечно большим диаметром. При этом деталь 1 перемещает ся возвратно - поступательно относительно резца 2, снятие стружки про исходит в течение рабочего хода, а обратный ход совершается вхолос тую. Скорость, с которой деталь перемещается относительно резца при рабочем ходе, называется скоростью резания v, м/мин. Продоль ное перемещение стола является главным движением.
Перемещение резца за один двойной ход стола перпендикулярно главному движению называется движением подачи х, мм/мин. Вели чина /р, на которую углубляется резец в изделие при одном проходе, называется глубиной резания. Перемещение траверсы и суппортов, подъем резца при обратном ходе, установочные медленные перемеще ния стола относятся к вспомогательным движениям.
Скорость, усилия и мощность резания при строгании определяют по тем же формулам (1) - (3), что и для точения.
Сверление (рис. 4) осуществляется за счет вращательного (глав ного) движения инструмента - сверла 1 (иногда детали) и его про дольного перемещения в детали 2 - движения подачи. Продольное и поперечное перемещения стола, перемещение шпиндельной бабки, за жим колонны являются вспомогательными движениями.
Окружную скорость на периферии сверла v, м/мин, называют ско ростью резания при сверлении. Перемещение сверла вдоль своей оси за один оборот определяет подачу. Скорость резания при сверлении нахо дят по эмпирической формуле
()
где Сv -- коэффициент, зависящий от материала детали и сверла; dc -- диаметр сверла, мм; Т - стойкость сверла, мин; s -- подача, мм/об; уv,, zv, т -- показатели степени, зависящие от материала детали и диа метра сверла.
Вращающий момент, Нм, при сверлении определяют по эмпиричес кой формуле
()
откуда, зная угловую скорость сверла, рассчитывают мощность реза ния, кВт:
()
Сила, Н, преодолеваемая механизмом подачи при сверлении, также оп ределяется по эмпирической формуле:
()
Рис. 4. Схема сверления
Все коэффициенты и показатели сте пени, входящие в эмпирические форму лы, приводятся в справочниках по ре жимам резания
Фрезерование (рис. 5) производит ся вращающейся фрезой 1, имеющей несколько режущих лезвий — зубьев, каждое из которых за счет поступатель ного перемещения фрезы относитель но детали 2 снимает стружку в преде лах определенного угла поворота фре зы, а затем вращается вхолостую. Главным движением при фрезеровании является вращение фрезы, перемещение детали относительно инструмен та представляет движение подачи. Быстрое перемещение стола, на кото ром укреплена деталь, и ускоренное перемещение шпиндельной бабки при наладке относятся к вспомогательным движениям.
Под скоростью резания, v, м/мин, понимают окружную скорость на периферии фрезы, которую определяют по эмпирической формуле
()
где Сv,q, т, п., хv, уv, k — коэффициент и показатели степени, завися щие от материала детали и фрезы, вида обработки и охлаждения; dФ -- диаметр фрезы, мм; sz -- подача на зуб фрезы, мм; В — ширина фре зерования, мм; z -- число зубьев фрезы.
Рис. 5. Схема фрезерования
Усиление резания, Н, определяют по выражению
()
Мощность резания, кВт, рассчитывают по формуле
()
где nф — частота вращения фрезы, nф = 30Ф/.
Все коэффициенты и показатели степени в (12) и (14) приводят ся в справочниках по режимам резания.
Шлифование (рис. 6) производится, как правило, абразивными кругами, при этом каждое абразивное зерно в зоне обработки рабо тает как резец, снимая стружку с детали в пределах определенного угла поворота. Главное движение при шлифовании — вращение шли фовального круга 1; поступательное перемещение круга относитель но детали 2 представляет движение подачи.
Различают плоское шлифование (рис. 6, д, б), при котором обраба тывается плоская поверхность, и круглое шлифование (рис. 6, в, г), при котором обрабатывается поверхность тела вращения. Плоское шлифование может осуществляться периферией (рис. 6, д) или тор цом (рис. 6, б) шлифовального круга 1.
Рис. 6. Схема шлифования на станках
а — плоскошлифовальном с прямоугольным столом; б — плоскошлифоваль ном с круглым столом; в — круглошлифовальном; г — внутришлифовальном; 1 - шлифовальный круг; 2 - деталь; 3 - стол (магнитная плита)
Стол 3, на котором устанав ливается магнитная плита для крепления деталей 2, может иметь прямо угольную и круглую формы. На шлифовальных станках с прямоуголь ным столом (рис. 6, а) последний совершает возвратно-поступатель ное движение (продольная подача sп), периодическое дозированное перемещение (поперечная подача sп,п) и перемещение на врезание sвр. На шлифовальных станках с круглым столом (рис. 6, б) одним из движений подачи является вращение деталей с магнитной плитой и столом со скоростью с. Другое движение подачи - перемещение sк шлифовального круга в радиальном направлении относительно стола, а также перемещение на врезание sвр.
Выбор режимов резания при шлифовании определяется по технологическим таблицам, составленным на основании эмпирических данных.
При круглом наружном (рис. 6, в) и внутреннем (рис. 6, г) шлифованиях изделие получает вращение со скоростью и как пра вило, в сторону, противоположную вращению шлифовального круга. Относительное перемещение шлифовального круга вдоль оси враще ния детали представляет продольную подачу sп.
Скорость резания при шлифовании v, м/с, определяется окружной скоростью шлифовального круга и равна примерно 20—80 м/с. При этом допускаются небольшие глубины шлифования tр, равные 0,05— 0,005 мм. Все большее применение стало находить силовое шлифо вание, обеспечивающее значительную глубину шлифования — до 10 мм.
В процессе шлифования абразивные зерна притупляются, что при постоянной подаче влечет за собой увеличение мощности шлифова ния и образование прижогов на поверхности детали. Для устранения этих явлений круг правят, срезая слой абразива и вводя в работу зер на с новыми режущими кромками. Время работы круга между двумя последовательными правками характеризует его стойкость Т, мин.
При плоском шлифовании периферией круга на станках с прямо угольным столом стойкость может быть рассчитана по формуле
(15)
где Сv — коэффициент, зависящий от скорости резания; sП — скорость движения стола (продольная подача), м/мин; sПП — попереч ная подача в долях ширины шлифовального круга; sвр -- подача на врезание на ход стола, мм/ход; k1, k2 — коэффициенты, зависящие от обрабатываемого материала и диаметра шлифовального круга.
Цель расчета — определение статических (дискрет ность, точность, тяговая сила, жесткость, добротность) и динами ческих (устойчивость, качество переходного процесса) характе ристик ЛЭГП с АЗП.
Основными элементами привода яв ляются силовая часть (рабочий орган и гидроцилиндр) и управ ляющее устройство в виде автономного задатчика перемещений. Поэтому конечной задачей расчета является получение зависи мостей, связывающих выходные характеристики привода с пара метрами указанных звеньев.
Схема ЛЭГП с АЗП, учитывающая динамику рабочего органа (инерционная нагрузка, сила трения, полезная нагрузка), гидроцилиндра (развиваемая сила, расход, сжимаемость масла), гидрораспределителя (устройство управления расходом и перепадом давления в цилиндре) и кинематических цепей АЗП (чувствительные и сравнивающие элементы), приведена на рис. 7.
Рис. 7. Расчётная схема ЛЭГП с АЗП
При составлении уравнении движения привода сделаны следующие допущения:
(16)
где М — масса рабочего органа, кг; х — перемещение стола, м; F — площадь поверхности поршня, м2; р1, р2 — давления в полостях цилиндра, Па; ∑Т — суммарная сила трения в направляющих и уплотнениях штока, Н; R — полезная нагрузка, Н.
Уравнения неразрывности потоков рабочей жидкости с учетом ее сжимаемости в полостях цилиндра имеют следующий вид:
(17)
где Q1 и Q2 — расходы рабочей мощности, идущей в полость l и сливающейся из полости 2 гидроцилиндра, м3/с; V = FL/2 — объем полости гидроцилиндра, м3 (L — длина хода, м); Е= 1,5∙109 Па—модуль упругости рабочей жидкости. Условие замыкания привода обратной связью:
у=КДφКосx (18)
где у — смещение золотника из нейтрального положения (открытие щели), м; φ — угол поворота ШД, рад; Кос — передаточные отношения цепей управления АЗП.
На основании выражений (16)-(18) запишем систему уравнений, описывающих движение привода:
(19)
Расход масла через кромки золотника определяется по формулам
(20)
где =0,7—постоянный коэффициент расхода; b—ширина щели золотника, м; рн — давление в напорной линии, Па; = 900 кг/м3 — плотность рабочей жидкости.
Движение привода при установившейся скорости описывается алгебраическими уравнениями, полученными из формул (19), (20) в результате приравнивания к нулю соответствующих производных (значения величин при установившейся скорости — с индексом «ноль»):
(21)
При отсутствии внешней нагрузки (∑Т0+R0) система уравнений (21) имеет следующий вид:
(22)
Для анализа динамических характеристик привода, в том числе для определения областей устойчивой работы, необходимо провести линеаризацию уравнений (19), (20). Смысл ее заключается в представлении нелинейных функций в виде линейных в окрестностях заданной точки [в нашем случае в окрестностях точки, характеризующей установившееся движение привода по формулам (21) и (22)].
Линеаризуя уравнения (20) для расхода рабочей жидкости, обозначив и введя коэффициенты
получим
(23)
где Ку — коэффициент усиления золотника, характеризующий возрастание расхода при увеличении рабочей щели; Кр — коэффициент податливости золотника, характеризующий уменьшение расхода при возрастании перепада давления в полостях гидроцилиндра.
Подставив уравнение (23) в систему уравнений (19) и проведя линеаризацию для других переменных, получим
(24)
Учитывая, что , и вычитая из выражения (24) формулы (21), найдем
(25)
где коэффициент вязкого трения в направляющих и уплотнениях штока (для станочных гидроприводов можно принять λ=1,5∙104кг/с).
Обозначим перепад давления в полостях гидроцилиндра через pplp2 и вычтем из второго третье уравнение системы (10), тогда получим
(26)
Составление структурной схемы и определение областей устой чивости ЛЭГП с АЗП. Структурная схема привода, соответствующая системе уравнений (26), показана на рис. 8. Схема позволяет наглядно показать взаимосвязь элементов привода с помощью следующих передаточных функций.
Рис. 8. Структурная схема ЛЭГП с АЗП
Угол поворота ШД преобразуется в смещение золотника:
Смещение золотника из нейтрального положения приводит к увеличению объема масла, поступающего в полость гидроцилиндра и вытесняемого из нее.
Часть этого объема идет на сжатие масла:
Под нагрузкой расход в гидрораспределителе уменьшается:
а возникший перепад давления, воздействуя на площадь поршня F, создает силу Р, которая затрачивается на преодоление сил инерции движущихся масс:
трения в направляющих и уплотнениях штока:
и полезной нагрузки R.
Расход масла, затрачиваемый на перемещение (х) штока, характеризуется звеном
а жесткая отрицательная обратная связь между штоком исполнительного цилиндра и золотником гидроусилителя — звеном
После преобразования структурной схемы по правилам, известным из теории автоматического регулирования, получаем передаточную функцию разомкнутой системы
(27)
где К - коэффициент усиления; Т - постоянная времени; ξ - коэффициент демпфирования, эти коэффициенты связаны с параметрами привода из уравнений (11) следующим образом:
(28)
Передаточная функция замкнутой системы, охваченной обратной связью с учетом (27):
(29)
Для анализа устойчивости ЛЭГП с АЗП применяем алгебраический критерий Рауса—Гурвица для знаменателя выражения (29), откуда находим
(30)
Подставив в формулу (15) выражения для К, Т и ξ из выражения (28) и пренебрегая величиной Крλ по сравнению с 2F2, получим следующий критерий устойчивости для линейных приводов:
(31)
В полученное неравенство входят три слагаемых, зависящих от динамических коэффициентов λ, Кр и Ку линеаризованных характеристик трения рабочего органа и расхода гидрораспределителя, а также от ряда конструктивных параметров F, L, М, Кос привода, причем первые два слагаемых повышают, а третье — снижает устойчивость.
Таким образом, неравенство (31) определяет область возможных соотношений основных параметров привода, обеспечивающих отсутствие автоколебаний, и будет использовано в дальнейшем при разработке методики расчета ЛЭГП с АЗП.
На основании приведенных выше зависимостей разработана инженерная методика расчета привода.
Исходными данными для расчета являются: масса рабочего органа (М), длина хода (L), требования к точности позиционирования (ε), диапазону скоростей (vmin - vmax), тяговой силе (R), жесткости (J), скоростной ошибке (εск).
Цель расчета — выбор площади F поршня гидроцилиндра и подведенного давления.
Расчет состоит из нескольких этапов.
Задаваясь несколькими значениями давления в напорной линии (например, рн равно 0,2; 4; 6; 8; 10 МПа) определяем требуемую площадь гидроцилиндра по следующим четырем критериям.
1 уравнение требование устойчивости согласно формуле, Кзу коэффициент запаса по устойчивости, 2 требование по полезной нагрузке согласно выражению Кзн коэффициент запаса по нагрузке, 3 уравнение требование по жесткости, 4 требование по скоростной ошибке.
Здесь где F в см2, М в кг, L в м, рн в МПа, в мм/мин, R в кН, εск в мм, J в Н/мкм.
По результатам расчета в координатах рн — F строим пересечение областей.
Далее проверяем качество переходного процесса спро ектированного привода. Если привод окажется излишне задемпфированным (время переходного процесса Т > 0,1 с, перерегули рование ≈ 1), необходимо увеличить давление или уменьшить площадь в пределах их допустимых значений, если же привод окажется излишне колебательным (Т<0,05 с, перерегулирование >1,3), необходимо уменьшить давление или увеличить площадь.
Если пересечения областей в соответствии с выражениями не существует, необходимо пересмотреть требования к жесткости и скоростной ошибке (уменьшить их).
Для справки: коэффициент вязкого трения λ=1,5∙104 кг/с, объем полости гидроцилиндра , модуль упругости рабочей жидкости E=1,5∙109 Па, передаточное отношение АЗП мм/об, ,
Для расчета и анализа системы автоматического управления ее передаточная функция должна быть представлена в MatLAB в виде ЛВИ(LTI) – модели (ЛВИ - Линейная Время-Инвариантная). MatLAB обеспечивает возможность построения 4 видов моделей: TF(ПФ - передаточной функции), ZPK(НПК - нули-полюса-коэффициент), SS(ПС- пространство состояния) и FRD(ЗЧО - значения частотного отклика). В данном примере применяются TF- модель.
Для автоматизации расчета площади цилиндра по четырем критериям можно воспользоваться средой программирования системы MatLAB.
Удобным инструментом выбора некоторой из альтернатив будущих вычислений является функция menu MatLAB, которая создает текущее окно меню пользователя. Функция menu имеет следующий формат обращения:
k = menu ('Заголовок меню', 'Альтернатива 1',
'Альтернатива 2', ... , 'Альтернатива n')
Такое обращение приводит к появлению на экране меню. Выполнение программы временно приос танавливается, и система ожидает выбора одной из кнопок с альтернативами. После правильного ответа выходному параметру k присваивается значение выбранной альтернативы.
Теперь, в зависимости от значения этого параметра, можно по строить процесс разветвления вычислений. Примерный вид меню для расчета ЛЭГП представлен на рис. 9, а текст scrit-файла на рис. 10.
Рис. 9. Вид меню для расчета ЛЭГП
Рис. 10. Текст scrit-файла
Данный скрипт в зависимости от значения переменной flag (1,2, или 3) передает управление файлу legp_1 (Ввод исходных данных), legp_2 (Построение переходной характеристики) или legp_3 (Выход).
Рис. 11. Окно построения графиков
M-Файл legp_1 запрашивает ввод исходных данных и осуществляет построение графиков (рис. 3) по четырем критериям устойчивости. Надписи на графике дополнительно редактируются средствами окна рисунка. Область устойчивой работы привода находится в границах F<F1, F>F2, F>F3, F>F4. Листинг этого файла представлен на рис. 12.
Рис. 12. Листинг M-Файл legp_1.
M-файл legp_2 по выбранному значению F=45 см2 строит график переходного процесса (рис. 13). Примерный текст файла приведен на рис. 14.
Рис. 13. График переходного процесса.
Время переходного процесса - это время, за которое управляемая величина начинает отличаться от установившегося значения менее, чем на заранее заданное значение δ, где δ - точность управления. В рассматриваемом примере время переходного процесса tпп=0,09 с., что удовлетворяет заданному качеству переходного процесса.
Рис. 14. Листинг M-Файл legp_2.
Построение переходного процесса осуществляется командой MatLAB step(w), где w заданная передаточная функция исследуемой системы.
Аналогичным образом студенту предлагается самостоятельно оценить частотные свойства системы, воспользовавшись операторами MatLAB nyquist(w) и bode(w). Первый оператор строит частотный годограф Найквиста разомкнутой системы, а второй диаграммы Боде (логарифмическую амплитудно – частотную характеристику и логарифмическую фазо – частотную характеристику). По полученным частотным характеристикам необходимо оценить запас устойчивости ЛЭГП по амплитуде и фазе.
указания к разработке Функциональных схем и схем расположения приборов
На этапе проектирования САУ, АСУ, приборов и средств автоматизации для подготовки и согласования тех или иных технических решений необходимо представить работу оборудования, ход технологического процесса или функционирование сложной системы во всем многообразии возможных ситуаций, взаимодействий составных частей и исполнительных элементов. Речь идет о практической реализации системного проектирования, который позволяет выявить источники информации, распределение информации во времени и в пространстве. Прежде чем приступить к автоматизации управления информацией необходимо создать промежуточный документ, который можно использовать как отправной (базовый) для последующей разработки проекта. В качестве такого документа может быть Функциональная схема и схема расположения приборов (ФС и СРП).
ФС и СРП дают схематическое представление об объекте управления и характере его работы. Основное внимание на ФС уделяется наличию и расположению тех или иных датчиков технологических параметров или параметров, характеризующих состояние той или иной системы. Кроме того на ФС указывают подачу воды, сжатого воздуха, электрической энергии и т. д., что позволяет выявить принципы действия, оценить технико – экономические, экологические и др. показатели.
На рис.15 приведен пример автоматизации техфазной электродуговой печи.
Рис. 15. Автоматизация дуговой печи: а – функциональная схема автоматизации; б – схема расположения приборов.
I-IV комплекс агрегатов; 1-17 линии подключения приборов приведённых на рис. б, в схему на рис. а; Е – параметры электрического режима (токи, напряжения, мощность, количество израсходованной энергии); ТФ – температура футеровки; G – положение электродов; ТМ – температура металла; О – параметры системы водяного охлаждения (температура, расход и давление воды; Q – состав отходящих газов; FР.М. – расход рафинирующих материалов.
Печь представлена в виде контура, характеризующего форму рабочего пространства для выплавки металла (поз. I).Поз. II –трансформатор, III- счетчик, IV- подстанция. Сверху подведены три графитовых электрода, между которыми гори дуга – источник энергии для нагрева металла. Корпус печи охлаждается водой, по ходу плавки в печи загружают шихту, ферросплавы, рафинирующие порошки, подают кислород или аргон; отходящие газы и печи удаляют с помолщью дымососов.
Для автоматизации управления работой печи необходимо иметь достоверную информацию о функционировании отдельных подсистем.
На ФС видно, что цифрой 1 обозначен прибор для измерения напрежения фазы (1а) (см. табл. 3), цифрой 2 обозначен прибор – трансформатор тока для измерения тока фазы (1г) и т.д.
На СРП сверху на одной линии показаны те же позиции 1,2,…,17, а ниже их полное условное обозначение (см. табл. 4, табл. 5) и расположения соотвтственно:
- прибор по месту;
- щит управления;
Внизу приведено обозначение измеряемого параметра.
Как уже отмечалось выше, ФС и СРП отражает этап в разработке проекта создания системы. Дальнейшая работа над проектом может продолжаться по следующим правилам:
(см. Приложение 1);
Таблица 3.
Характеристики средств автоматического контроля
Таблица 4.
Условное обозначение приборов
Таблица 5.
Буквенное обозначение приборов