Введение

Задачи по управлению тем или иным явлением или процессом, возникающие в повседневной практической деятельности человека обширны и многообразны.

Управление можно определить как совокупность действий, обеспечивающих проведение любого процесса в целях достижения определенных результатов.

Все процессы в управлении носят общие закономерности, не зависящие от конкретных целей и объектов управления. Элементы САУ связаны друг с другом посредством передаваемых сигналов. Состояние объекта в каждый момент времени характеризуется его выходными параметрами. Управлять объектом – значит управлять его выходными параметрами. Характер преобразования сигналов в объекте и сами эти сигналы предопределены назначением объекта в технологическом процессе и не могут быть изменены. Это следует учитывать при проектировании САУ, хотя для рассмотрения ее свойств и качества природа сигналов не принципиальна.

Системы автоматического управления создаются для того, чтобы автоматически, без непосредственного участия человека поддерживать необходимый режим работы различных обслуживаемых этими автоматами объектов. Системы автоматического управления самостоятельно, без вмешательства извне либо поддерживают постоянной, либо изменяют по заранее заданному закону одну или несколько физических величин, характеризующих процессы, происходящие в обслуживаемых объектах, или же сами определяют в зависимости от ряда условий нужный или оптимальный закон управления объектом.

Целью данной курсовой работы является проектирование САУ деревообрабатывающего станка.

Для раскроя плитных и листовых материалов в деревообрабатывающей промышленности применяются различные станки. На малых предприятиях используют однопильные круглопильные станки для продольного раскроя, в которых подача плит осуществляется вручную, такой раскрой является трудоемкой и малопроизводительной операцией и не обеспечивает высокой точности заготовок. На крупных мебельных предприятиях используют высокопроизводительные станки марки ЦТМФ-1, который вместе с загрузчиком и укладчиком входят в состав линии раскроя МРП-1. Раскрой материала, загрузка и выгрузка автоматизированы. При этом скорость резания, зависящая от частоты вращения режущего инструмента, должна определяться исходя из условия обеспечения оптимальной величины подачи на резец, которая зависит от скорости подачи – скорости движения обрабатываемого материала [1].

Таким образом, требуется спроектировать САУ деревообрабатывающего станка, которая будет изменять частоту вращения режущего инструмента в зависимости от скорости движения обрабатываемого материала.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Спроектировать САУ деревообрабатывающего станка со следующими параметрами:

1. Скорость резания υ_рез = 50 – 80 м/с;

2. Диаметр пилы D = 360 – 400 мм;

3. Момент инерции пилы J_н = 0.2 кг*м²;

4. Мощность двигателя P_тр = 14 – 16 кВт;

5. Перерегулирование σ < 30 %;

6. Время регулирования t_p = 0.04 c;

7. Запас по усилению ∆L > 20 дБ;

8. Запас по фазе ψ > 30^o.

Рисунок 1 - Структурная схема САУ

З – задатчик;

OУ_1 – операционный усилитель (сумматор главного контура);

OУ_2 – операционный усилитель (сумматор подчиненного контура);

ТП – тиристорный преобразователь (усилитель);

ЭД – электродвигатель (исполнительный механизм);

ДП – диск пилы (рабочий орган);

ДВ – датчик вибрации (местная ООС);

ТГ_1 – тахогенератор (главная ООС).

Рассмотрим структурную схему САУ – рисунок 1, она представляет собой схему с подчиненным регулированием координат, в ней регулирование каждой координаты осуществляется своими регуляторами – вибрации и скорости, которые вместе с соответствующими обратными связями образуют замкнутые контуры. Они располагаются таким образом, что входным, задающим сигналом для внутреннего контура вибрации, является выходной сигнал внешнего по отношению к нему контура скорости ∆U₁=Uз-Uс. Таким образом, внутренний контур вибрации подчинен внешнему контуру скорости – основной регулируемой координаты ЭП .

Задающий сигнал для контура скорости Uз поступает с задатчика, который может представлять собой датчик скорости движения обрабатываемого материала или же сигнал задания электропривод может получать от внешней по отношению к нему системы управления, например автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) [8].

В качестве сумматоров главного и подчиненного контуров используются операционные усилители ОУ_1 и ОУ_2.

Усилитель, представляющий собой тиристорный преобразователь (ТП) – усиливает мощность сигнала рассогласования с сумматора внутреннего контура ∆U₂= ∆U₁-Uв для использования его в качестве управляющего сигнала U.

Электродвигатель (ЭД), преобразующий входной электрический управляющий сигнал U, в выходную механическую величину – угловую скорость ω диска пилы (ДП), который является рабочим органом. При этом передача вращения выходного вала электродвигателя к валу пилы происходит через клиноременную передачу с передаточным отношением равным 1.

Датчик вибрации (ДВ) преобразует величину вибрации диска пилы (зависящую от угловой скорости ω диска пилы) в пропорциональный электрический сигнал Uв.

Тахогенератор (ТГ_1) преобразует угловую скорость ω диска пилы в пропорциональный электрический сигнал Uс.

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ ВЫБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1 Двигатель постоянного тока 2ПН180МГ

По заданному значению скорости резания найдем требуемую частоту вращения диска пилы и соответственно выходного вала двигателя:

, (1)

где υ_рез – скорость резания, м/с;

D – диаметр диска пилы, мм;

n – частота вращения режущего инструмента, об/мин.

Подставим исходные данные и получим

об/мин. (2)

Выбираем двигатель постоянного тока 2ПН180МГ, выполненный со встроенным тахогенератором типа ТС1, так как двигатель отвечает требованиям по мощности и частоте вращения [9]. Двигатели защищенного исполнения с самовентиляцией 2ПН допускают работу с номинальным током якоря при снижении частоты вращения до 0.85*n_ном в течении 1 часа. Кроме того, допускаются кратковременные перегрузки 2*I_ном в течении 60 с.

Технические характеристики двигателя 2ПН180МГ:

1. Мощность 15 кВт;

2. Номинальная частота вращения 1500 об/мин;

3. Максимальная частота вращения 4000 об/мин;

3. Напряжение питания 230 В;

5. Коэффициент полезного действия 85.5 %;

6. Момент инерции 0.2 кг*м²;

7. Масса 219 кг;

8. Габариты 925х360х354 мм.

Передаточная функция двигателя по скорости вращения

, (3)

где k_xx= 0.1087 =(1500/60)об*c/230В - коэффициент управления по скорости вращения, T_m=0.07 c - электромеханическая постоянная времени ЭД при моменте инерции нагрузки J_н=0.2 кг*м² .

Передаточная функция двигателя по скорости вращения примет вид:

. (4)

2.2 Тахогенератор ТС1

Тахогенератор ТС1 имеет закрытое встроенное исполнение (якорь генератора жестко закреплен на валу якоря ДПТ). Возбуждение тахогенератора – от постоянных магнитов.

Технические характеристики тахогенератора ТС1:

1. Крутизна напряжения тахогенератора 0.033 В/(об/мин);

2. Нагрузочное сопротивление не менее 2 кОм.

Передаточная функция тахогенератора:

Wtg1=k, (5)

где k=0.033 В/(об/мин)*60 =1.98 об/с – крутизна характеристики тахогенератора, но с выхода ТГ_1 максимальный сигнал составляет 1.98 В/(Об/c)*(4000/60) Об/c =132 В, а напряжение питания ОУ составляет 12 В, т.е. необходимо ослабить сигнал в 132/12=11 раз и передаточная функция тахогенератора будет:

Wtg1=k/11=0.18. (6)

2.3 Мостовой тиристорный преобразователь БТУ 3601-36

Для обеспечения питания двигателя постоянного тока (выпрямления переменного тока), а также управления напряжением на якоре служит управляемый тиристорный преобразователь БТУ 3601-36 [9], в его состав входит система импульсно-фазового управления тиристорами и сглаживающий реактор для уменьшения пульсаций выходного напряжения.

Технические характеристики тиристорного преобразователя БТУ 3601-36:

1. Напряжение питания сети 220 В;

2. Номинальное постоянное напряжение 230 В;

3. Номинальный постоянный ток 40 А;

4. Постоянная времени 0.01 с;

5. Масса 18.5 кг;

6. Габариты 400х250х260 мм.

Передаточная функция тиристорного преобразователя

, (7)

где k_тп= 19.1 - коэффициент усиления тиристорного преобразователя, так как максимальный сигнал рассогласования в цепи местной ООС составим 12 В, а U_ном(ТП)=230 В, тогда коэффициент усиления ТП составит 230 В/12 B=19.1,

T_тп - постоянная времени тиристорного преобразователя.

Передаточная функция тиристорного преобразователя примет вид:

. (8)

2.4 Операционный усилитель K153УД5

В качестве операционного усилителя будем использовать микросхему K153УД5 средней точности, общего применения [5]. Технические характеристики операционного усилителя K153УД5:

1. Напряжение питания +5 В…+16.5 В;

2. Входной ток 125 нА.

Передаточная функция операционного усилителя:

W_ou1=W_ou2=1, (9)

так как операционные усилители выполняют только вычисление сигнала рассогласования.

2.5 Датчик вибрации МВ-43-5В

Для преобразования виброускорения в пропорциональный ему электрический сигнал используется датчик вибрации МВ-43-5В.

Технические характеристики датчика вибрации МВ-43-5В:

1. Верхнее значение амплитудного диапазона виброускорения 1960 м/с²;

2. Диапазон рабочих частот виброускорения от 10 до 5000 Гц;

3. Коэффициент преобразования 8 мВ на 1 g.

В качестве датчика вибрации будем использовать пьезодатчик, который преобразует величину виброускорения в пропорциональное выходное напряжение [6]. На рисунке 2 показан пьезоэлектри­ческий датчик ускорения, используе­мый в виброизмерительной аппарату­ре.

1

2

3

Рисунок 2 – Пьезоэлектри­ческий датчик ускорения

Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 меж­ду инерционной массой 3 и подпят­ником 4. Для увеличения силы, действующей на пьезоэлемент при ускоре­ниях, инерционная масса имеет относительно большие размеры и изго­товлена из вольфрама. Пакет из инерционной массы 3, пьезоэлемента 1 и тодпятника 4 прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту изоляционную прокладку, пружин­ную шайбу и контактную пластину. Вы­вод сигнала выполнен с помощью спе­циального антивибрационного кабеля. Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g.

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору. Количество электричества q, появившееся под воздействием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соединенные с ним проводники до напряжения U, определяемого как U= q/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность датчика определяется как приращение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллель­ном соединении п пластин их емкость складывается. Чувствитель­ность пьезодатчика в этом случае:

, (10)

где п — количество пластин;

К_о — пьезоэлектрический модуль мате­риала пластины, Кл/Н;

С_вх — емкость измерительной цепи, Ф;

С_о — емкость одной пластины, Ф.

В данном случае примем n=1, и пренебрежем значение емкости измерительной цепи.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить как емкость плоскопараллельного конденсатора:

, (11)

где ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума,

ε₀ = 8.85*10^-12 Ф/м;

ε - диэлектрическая проницаемость материала пьезодатчика;

s – площадь пластины пьезодатчика, м²;

d – расстояние между пластинами,м.

Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ = 10^-12 Ф).

Выходной сигнал пьезодатчика

U= S_aF, (12)

где F— измеряемая сила, но

F=m*a, (13)

где m – инерционная масса пьезодатчика, кг;

a – виброускорение, измеряемое пьезодатчиком, причем

а = N*g,, (14)

g = 9.8 м/с² – ускорение свободного падения;

N – коэффициент пропорциональности.

Решая совместно уравнения (10) - (14) получим:

, (15)

Так как коэффициент преобразования пьезодатчика составляет 8 мВ на 1 g, а материалом пьезоэлемента является титанат бария, для которого k_o=0.255 Кл/Н, ε = 10⁴, тогда (15) примет вид: (16)

Или (17)

То есть получили зависимость геометрических параметров пьезодатчика от инерционной массы, зададим m = 0.00001 кг, тогда d/s=2.77*10^-4, если расстояние между пластинами d=0.00001 м, тогда s=0.036 м².

Передаточная функция пьезодатчика:

Wdv=S_d*p, (18)

так как S_d=0.008, то

Wdv=0.008*p. (19)