Система управления по термоупрочнению деталей на базе МЛТ-2

1.      Патентно-информационный обзор

 

1.1    Лазерное термоупрочнение

Лазерное термоупрочнение применяется для повышения срока службы деталей, которые в процессе работы подвергаются износу. Сущность процесса лазерной закалки заключается в том, что локальный участок поверхности массивной детали нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур. Нагрев металла осуществляется передачей энергии лазерного излучения вглубь материала, используя его теплопроводность. После прекращения действия излучения этот участок охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию закалочных структур в сплавах, характерных только лазерной обработке.

Особенность термического цикла при лазерной закалке - отсутствие выдержки при постоянной температуре. Вслед за подъемом температуры следует немедленное охлаждение. Для образования мартенсита при интенсивном охлаждении необходимо понижать температуру металла со скоростью выше критической для сплава с определенным содержанием углерода. Мартенситное превращение развивается в интервале температур М_н и М_к (температура начала и конца превращения соответственно) зависит от содержания углерода и легирующих элементов.

Структура «лазерного» мартенсита более дисперсна, обладает повышенной твердостью и высоким уровнем внутренних напряжений по сравнению со структурой мартенсита, образующейся при других видах упрочняющей обработки.

Использование лазерного упрочнения позволяет обеспечить улучшение многих эксплуатационных показателей, а именно износостойкости, теплостойкости, остаточных напряжений в упрочненном слое, механических характеристик, коррозионной стойкости и др. Глубина упрочненной зоны на образцах металла после лазерной термообработки без оплавления поверхности обычно не превышает 0,2 мм, однако этого вполне достаточно, чтобы повысить стойкость изделий более чем в 2,5 раза.

Основные преимущества поверхностного упрочнения металлов лазерными комплексами:

         Широкий диапазон регулирования энергии импульсов лазерного излучения, частоты следования, их формы и длительности позволяют обеспечить необходимую структуру поверхностного слоя, его свойства, такие как твердость, износостойкость, шероховатость, а также геометрические размеры обработанных участков. Работы могут выполняться как на малогабаритных, так и крупногабаритных деталях и узлах, выполненных практически из любых металлов и сплавов.

         Отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал дает возможность обрабатывать хрупкие конструкции.

         Возможность обработки на воздухе без необходимости подачи газа, отсутствие вредных выбросов.

         Использование автоматизированных координатных столов с системой управления, позволяет точно позиционировать детали при лазерной обработке.

         Возможность плавного вертикального перемещения излучателя лазера по высоте в сочетании с трех координатным позиционированием обрабатываемых деталей расширяет инструментальную зону обработки и оперативность технологической перестройки под новые изделия.

         Специально разработанное программное обеспечение позволяет легко управлять процессом с компьютера.

         Возможность транспортировать излучение на значительные расстояния и подвода его при помощи волоконных оптических систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы, в том числе с помощью высококонцентрированных источников энергии (плазменной обработки, ТВЧ, ЭЛО и др.), применить невозможно. Гибкость системы подвода лазерного излучения позволяет легко интегрировать оборудование в технологическую линию. Важным преимуществом является также высокая степень лазерной безопасности, при доставке излучения на расстояние в несколько метров.

         Наличие в составе установок оптической контрольно-фокусирующей системы со стереоскопическим микроскопом позволяет производить контролировать выполнение технологических операций с повышенной точностью. Система наблюдения, в соответствии с медицинскими требованиями, оснащена устройством защиты глаз оператора от вспышки в момент вспышки лазера, что обеспечивает полную безопасность работ. Большое увеличение и высокое качество стереоизображения позволяют производить сложные работы в ручном режиме.

         Система видеонаблюдения позволяет с хорошим качеством отображать на мониторе обрабатываемую поверхность. Конструктивная особенность видеокамеры позволяет получать изображение на мониторе одновременно с наблюдением стереоизображения в бинокулярной головке.

         Оборудование для освещения рабочей зоны применяется для получения максимально четкого изображения обрабатываемой поверхности.

         В большинстве случаев процесс лазерного упрочнения проводится без оплавления поверхности, следовательно, для его проведения возможно использовать установки небольшой мощности, что снижает их стоимость. Многофункциональность установок позволяет при необходимости успешно выполнять операций лазерной гравировки, прошивки отверстий и сварки.

В зависимости от конкретной задачи наши специалисты проводят анализ режимов лазерного упрочнения, а также правильный учет особенностей предшествующей термообработки и геометрии рабочей части деталей машин или инструмента, на основе чего может быть сделан выбор оптимальных схем облучения.

Некоторые области применения лазерного упрочнения в производстве:

производство режущих инструментов;

автомобильная промышленность;

оборонная промышленность;

космическая промышленность;

производство пресс-форм;

производство медицинской техники.

 

1.2    Обзор литературы по системам управления

Система числового программного управления FMS-3000

Базовый вариант УЧПУ FMS3000 имеет следующую конфигурацию в соответствии с рисунком 1:

Промышленная рабочая станция с 15» CRT дисплеем: P233MMX/32Mb RAM/16Мb Flash/FDD; Средняя наработка на отказ: 50000 ч.

Технические характеристики программного обеспечения устройства ЧПУ FMS3000.

·              Количество управляемых координат, поддерживаемых программным обеспечением: 255;

·              Минимальное задание и перемещение, мм (град): 0.001;

·              Максимальное задание и перемещение, мм (град): 1*10^16;

·              Диапазон подач, мм/мин (град/мин): 2.9*10^-39..1.7*10^38;

·              Оперативная коррекция в пределах, (%%): 2.9*10^-16…1.7*10^40;

·              Максимальный радиус дуги окружности, мм: 1*10^16;

·              Минимальное время выполнения кадра управляющей программы (Р200), сек: 0.001 (1000 кадров в секунду);

·              Размер отрабатываемых управляющих программ: без ограничений по объему;

·              Линейная интерполяция: по всем осям одновременно;

·              Круговая, линейно-круговая интерполяция: в любой плоскости;

·              Кодирование управляющих программ: стандарт ISO;

·              Коррекция на радиус инструмента: в любой плоскости;

·              Коррекция на длину инструмента: по любой оси;

·              Поворот системы координат детали: в любой плоскости на любой угол;

·              Программирование в полярных координатах;

·              Масштабирование с произвольным коэффициентом по любой оси;

·              Программирования циклов пользователя (добавление дополнительных G-функций);

·              Возможность перекрытия стандартных G-функций

·              Возможность программирования и отработки процесса нарезания резьбы;

·              Наличие системы отработки подпрограмм (с неограниченным вложением);

·              Возможность отработки программы с любого кадра с автоматическим определением начальных условий (исходной точки и G-функций);

·              Возможность отработки программы до заданного кадра;

·              Выход в заданное положение (позиционированием или обратным ходом) с автоматическим запуском продолжения отработки программы;

·              Зеркальная отработка программы относительно произвольной точки;

·              Отработка программы с отключением любых осей;

·              Отработка программы с блокировкой технологии и геометрии (режим проверки);

·              Автоматическая коррекция люфтов, погрешностей ходовых винтов, дрейфа нуля приводов, позволяющая повысить точность позиционирования и отработки;

·              Наличие скоростной компенсации, обеспечивающее точное согласование движения координат, что повышает точность объемной обработки;

·              Возможность подключения электронных маховиков для перемещений по заданным координатам;

·              Многозадачная работа - возможность параллельно отрабатывать программу на станке, прорисовывать и редактировать другие, считывать или записывать файлы на дискеты;

·              Оперативная коррекция подачи и скорости вращения шпинделя;

·              Возможность работы в локальной вычислительной сети.

·              Формат файловой системы УЧПУ совместим с форматом MS-DOS и WINDOWS;

·              Графический цветной интерфейс пользователя по стандарту CUA с поддержкой манипуляторов типа «Мышь», «Трекбол»;

·              Возможность графической 3D прорисовки управляющей программы с масштабированием и разворотом в нужной проекции;

·              Наличие встроенного редактора для управляющих программ неограниченного размера;

·              Встроенный язык макропрограммирования (подмножество языка BASIC) с большим количеством операторов, вычислительных, графических функций и функций ввода-вывода (*, +,-, /, sin, cos, tan, arctan, print, input, window, line, и др.);

·              Возможность разработки диалоговых управляющих программ;

·              Наличие развитой системы параметров УЧПУ, параметров станка и параметров пользователя для учета любых особенностей станка, предпочтений технолога и оператора;

·              Наличие программного осциллографа, позволяющего отследить изменения любых переменных и сигналов, имеющихся в ЧПУ в режиме реального времени;

·              Ведение журнала работы с сохранением времени появления сообщений и ошибок;

·              Русскоязычный интерфейс.

·              Встроенный язык электроавтоматики с широкими возможностями отладки и индикации.

Система передачи информации от IBM PC

Система передачи предназначена для двустороннего обмена УП, а также другой технологической и тестовой информацией между IBM PC и станками с ЧПУ, удаленными на расстояние до 1 км. Возможно подключение к 1 компьютеру до 32 станков с различными типами устройств ЧПУ (2С42-65, 2С42-61, Н33, Н22, НЦ31, МС2109, МИКРОЛИД-62, CNC-600, CNC-700, CNC-432, Allen-Bradly, Siemens, Bosch, Fanuc и др.). В зависимости от условий эксплуатации, по выбору заказчика, Система передачи может быть реализована как на базе обычного офисного компьютера, так и IBM-совместимой рабочей станции промышленного исполнения.

Применение системы позволило:

·    существенно улучшить характеристики устройств ЧПУ без их дорогостоящей замены: - подключение к компьютеру устройств ЧПУ класса NC (например, Н22, Н33), не имеющих памяти для хранения УП, позволяет использовать для этого память компьютера;

·              подключение к компьютеру устройств класса CNC (например, 2С42-65) позволяет производить непрерывную отработку УП, объем которых превышает объем памяти ЧПУ, в режиме «подкачки» информации, без промежуточного дробления УП на части, кратные объему памяти ЧПУ;

·              увеличить производительность труда за счет увеличения в 8-10 раз скорости загрузки УП;

·              осуществить полный контроль за работой станков с выводом на печать протокола рабочего дня;

·              полностью исключить из обращения перфоленту и расходы, связанные с ее использованием;

·              интегрировать станки с ЧПУ в заводскую компьютерную сеть.

Служба технологов получила возможность:

·    унифицировать систему программирования для всей номенклатуры станков с УЧПУ 2С42;

·              устанавливать уровень доступа операторов станков к УП (полный доступ или запрет редактирования);

·              осуществить контроль за правильностью изменений в УП, которые производят операторы станков;

Операторы ЧПУ получили возможность:

·    находить и загружать с пульта ЧПУ нужную УП из памяти IBM PC;

·              работать с библиотеками программ, корректоров и нулей;

·              редактировать и сохранять УП в памяти IBM PC с пульта ЧПУ.

Служба наладки систем ЧПУ получила возможность:

·    тестировать аппаратную часть УЧПУ от компьютера;

·              исключить затраты, связанные с ремонтом ФСУ и перфораторов.

Способ подключения со стороны IBM PC.

Адаптер 8-канальный «токовая петля» в соответствии с рисунком 2

Адаптер предназначен для организации связи с внешними устройствами по 8 последовательным каналам в Системе двусторонней передачи информации от IBM PC. Адаптер выполнен в соответствии со стандартом на платы расширения для IBM РС и устанавливается внутри системного блока ПК. Обеспечивается возможность совместной работы до четырех адаптеров в одном ПК. Питание адаптера по цепи +5В осуществляется от источника питания ПК. Внешние устройства подключаются к адаптеру через 4-проводные линии связи.

Способы подключения со стороны станка:

·      эмулятор фотосчитывающего устройства DATALOAD-MS (для всех типов ЧПУ);

·              математическое обеспечение со встроенным протоколом обмена (для 2С42, НЦ31, МС2109);

·        коннектор «RS232-Current Loop» в соответствии с рисунком 3 (для УЧПУ с интерфейсом RS-232);

·      индивидуальные способы для нестандартного оборудования.

Устройство числового программного управления NC-110

Устройство числового программного управления NC-110 является дальнейшим развитием серии УЧПУ NC-100.

Устройство ЧПУ построено по модульному принципу и позволяет удовлетворять растущие требования потребителей путем встраивания дополнительных модулей.

Устройство легко адаптируется для самых сложных объектов, элементы которых могут требовать одновременного и независимого управления в реальном времени.

Мощное программное обеспечение позволяет управлять станками всех основных типов: токарными, фрезерными, обрабатывающими центрами, копировальными, шлифовальными, кузнечно-прессовым оборудованием,

термической и лазерной резки и др.

Графическая поддержка.

Графика позволяет:

·              просматривать реальное движение инструмента;

·              проверять элементы траектории инструмента при отключенном станке;

·              производить точную настройку приводов в режиме осциллоскопирования.

Пооперационный контроль.

Система изготавливается с использованием пооперационного контроля, начиная от подготовки производства и до выпуска готового изделия, включая температурный прогон с последующей функциональной проверкой работы всех модулей.

Особенности программирования.

Технологическое программирование использует:

·              привычные G-функции;

·              трехбуквенные коды, позволяющие давать осмысленные названия макрокомандам;

·              встроенный язык описания графических объектов, позволяющий программировать сложные 2D контуры непосредственно с чертежа без использования САПР. УЧПУ само вычисляет точки пересечения и касания геометрических элементов. Такое решение позволяет легко ориентироваться в выборе функций для составления управляющих программ вручную.

Простота в изучении и использовании.

Обслуживание и работа с УЧПУ не вызывает никаких трудностей у персонала. Через сообщения пользователю предоставляется полный контроль за выполняемыми операциями, а также за состоянием комплекса УЧПУ - станок.

Управление устройством ЧПУ выполнено в диалоговом режиме с использованием меню, которое позволяет легко ориентироваться в выполняемых операциях.

Программное обеспечение УЧПУ существует в русской, английской и китайской версиях; программное обеспечение преемственно и совместимо для всех серий УЧПУ.

В комплект поставки УЧПУ NC-110 входит:

·              Блок управления (БУ)

·              Пульт оператора (ПО)

·              Станочный пульт (38 свободно-программируемых кнопок, электронный штурвал)

·              Релейные модули постоянный ток 24В/3А, переменный ток 220В/1,5А, 110В/3А

·              Кабели связи между БУ и ПО -10 м

·              Кабель связи между ПО и станочным пультом -1 м

·              Кабели связи с релейными модулями -2 м

·              Разъёмы датчиков и ЦАПов

·              Программа связи с персональным компьютером

·              Комплект эксплуатационной документации

Ниже представлены технические характеристики УЧПУ NC-110.

УЧПУ NC 110 программно совместимо с УЧПУ Вектор, Контур, AB-8600 и 4СК, но построено на современной элементной базе и имеет более высокое быстродействие и более высокую надёжность.

Основные характеристики УЧПУ NC-110.

· Управляющих осей от 2 до 16 и такт управления приводами для 16-ти осей 1 мс.

·              Дискретные Вх / Вых 48/32 - 384/256.

·              Данные организованы в файлах (таблицы инструментов, коррекций инструментов, начальных чек).

·              Подготовка управляющих программ одновременно с выполнением цикла обработки детали.

·              Различные сообщения (ошибки при подготовке кадров, ошибки оператора, ошибки диагностики системы и станка)

·              Компенсация погрешности ходового винта и компенсация люфтов.

·              Программные ограничения.

·              Защищенные области и определение рабочего поля из управляющей программы.

·              Управление скоростью на профиле.

·              Управление разгоном / торможением по линейному или экспоненциальному закону.

·              Устанавливаемые при конфигурации начальные точки.

·              Электронный штурвал.

·              Диагностика при включении и во время работы.

·              Последовательный канал RS232 и параллельный порт.

·              Встроенный программируемый интерфейс логики станка.

·              Язык высокого уровня для программирования интерфейса логики станка.

·              Видеографика

· Процессорный модуль Pentium II MMX-200 (Flash-память 8 Мб, Видеоадаптер VGA и TFT, RAM от 4 Мб, Интерфейсы FDD, HDD, РС - клавиатуры, RS232, параллельный канал)

·              ЦАП 14 разрядов или 16 разрядов (по заказу)

·              АЦП 8 каналов 12 разрядов (по заказу)

·              Подключаемые датчики - фотоимпульсные с питанием +5В

·              датчик касания;

·              дискретные Вх / Вых - 48/32 (макс. 8 модуля);

·              Релейные платы.

Устройство комплектуется внешними модулями (24/16 вх/вых) NC110-41 DC-24V/3A, AC-110V/3А или AC-220V/1,5А

Пульт оператора.

·    TFT 10.4» цветной

·              герметизированная мембранная алфавитно-цифровая клавиатура с тактильным эффектом и клавиатура «МЕНЮ»;

Станочный пульт.

·    герметизированная мембранная клавиатура с тактильным эффектом и светодиодной индикацией:

·              8 клавиш выбора режима работы и 38 свободно-программируемых клавиш;

·              корректора (11 положений): подачи, ручных перемещений, корректор оборотов шпинделя; электронный штурвал;

Краткие характеристики программирования.

·    Программирование в абсолютных размерах и приращениях, в миллиметрах и дюймах.

·              Компенсация радиуса инструмента.

·              Смещение нуля.

·              Определение величины припуска.

·              Коническое и цилиндрическое резьбонарезания с постоянным и переменным шагом.

·              Циклы черновой обработки и чистовой обработки.

·              Циклы обработки пазов и снятия стружки.

·              Циклы резьбонарезания.

·              Программирование полного круга.

·              Прямое программирование при помощи углов, прямых и окружностей.

·              Параметрическое программирование.

·              Повторение частей управляющих программ.

·              Подпрограммы с параметрами.

·              Условные и безусловные переходы.

·              Масштабирование.

·              Пропуск кадров.

·              9999 инструментов и коррекций инструментов.

·              Возможность включения нескольких функций G и M в кадре.

·              Двойные оси.

·              Непрерывные оси вращения.

·              Оси вращения с заданием более 360 градусов.

·              Скоординированная ось шпинделя.

·              Виртуальные оси с преобразованием декартовые координаты / полярные координаты.

·              Проверка отработки управляющих программ на быстром ходу и при блокированных осях.

·              Определение длины инструмента на станке и цикл контроля целостности инструмента.

·              Управление расточными и обточными головками.

·              Запомненный поиск для продолжения отработки после останова.

·              Многокадровое обратное прослеживание по профилю.

·              Отвод инструмента от профиля и автоматический возврат на профиль.

·              Встроенный редактор.

Из обзора видно, что приведенные СУ не подходят под выше указанные требования или подходят но обладают избытком лишних функций и дороги. Это приводит к необходимости разработки новой системы управления.

2.      Лазерный технологический комплекс

 

2.1    Понятие ЛТК

Лазерный технологический комплекс (ЛТК) по термоупрочнению деталей представляет собой технологическую установку, снабженную манипулятором изделия и оптики, вспомогательной технологической оснасткой и оборудованием для проведения технологических операций и является одним из видов специализированных лазерных технологических комплексов (СЛТК), он предназначен для обработки одного типа деталей, что и определяет его конструкцию.

При создании ЛТК можно используются уже готовые, отработанные компоновки и конструкции, применяемые в станкостроении и робототехнике.

Основными элементами, входящими в состав любого ЛТК, являются лазер, манипулятор изделия или оптики, внешний оптический тракт и система управления. В ЛТК обязательно обеспечение функциональных связей между системой управления лазером и системой управления манипуляторами. Основная функция таких связей состоит в синхронизации движения манипулятора и лазерного луча. В качестве источника излучения в зависимости от условий применения могут быть использованы газовые, твердотельные, волоконные или диодные лазеры. Если ЛТК входит в состав технологического потока, то он включает систему автоматической загрузки и выгрузки деталей. В этом случае достигаемся максимальный эффект от использования ЛТК.

Ручной режим

В данном режиме реализуется выполнение следующих команд с пульта управления оператора:

·        перемещение приводов постоянного тока и шаговых приводов;

·        регулирование скорости и положения приводов;

·        выход приводов в начальную точку;

·        обнуление датчиков положения;

·        управление заслонкой лазера;

·        аварийная остановка системы и т.д.

Управление осуществляется непосредственно с экрана монитора, на котором выводится пульт оператора с соответствующими кнопками управления. Нажатие кнопок осуществляется либо от манипулятора типа «Мышь», либо с использованием набора клавиш. Процедура управления не отличается от общепринятой в системах программного управления, а клавиши имеют тоже мнемоническое изображение.

Автоматический режим

В данном режиме должно быть обеспечено движение по заданной траектории, которое должно соответствовать следующим требованиям:

·        поддержание заданной скорости;

·        обеспечение заданной точности.

В системе управления организовано ее тестирование, включающее:

·        автоматический тест всей системы при ее запуске (тестирование нижнего уровня выполняют микроконтроллеры);

·        автоматический тест всей системы из окна программы (тестирование нижнего уровня выполняет ПЭВМ);

·        тестирование ручного управления (проверяется работоспособность приводов, клавиатуры).

В целях безопасности и надежности функционирования всей системы организовано разделение входа в систему управления на «Режим пользователя» и «Режим администратора». «Режим пользователя»

В данном режиме выполняются задачи:

·        разработка траекторий перемещения;

·        движение по заданной траектории (автоматический режим);

·        работа в ручном режиме;

·        тестирование всего оборудования. «Режим администратора»

В данном режиме выполняются задачи:

·        ограничение прав пользователей на уровне системы, чтобы избежать непредвиденных ситуаций;

·        управление запуском программы;

·        установка и настройка связи с ЭВМ нижнего уровня. Комплекс программ выполнен в Windows-подобной среде.

Поэтому для подготовки оператора не требуется затрат, т. к. привычная среда позволяет быстро адаптироваться к работе.

3.      Разработка системы управления АЛТК

 

3.1    Распределенная система программного управления

Повышение качества изготовления пресс-форм связано с повышением износостойкости кромок работающих поверхностей. Для повышения износостойкости производят упрочнение с использованием современных лазерных комплексов. Управление этим процессом предполагает использование специализированных систем управления. Учитывая специфику технологического процесса, управление должно осуществляться с учетом быстрой переналадки на новые форм комплекты. При этом эффективность процедур управления зависит от организационной структуры системы управления. Для решения поставленной задачи был использован сетевой подход.

Управление многокоординатными распределенными системами предполагает иные подходы, нежели существующие сегодня. Тенденции взаимоотношений потребителя и производителя систем управления в большей степени связано с финансовыми вложениями во вновь проектируемое оборудование. Потребителю систем выгодно иметь дешевую и эффективную систему. Производитель понимает, что дешевая система не будет обладать той эффективностью, которую требует потребитель. Решение столь запутанной задачи можно найти, если соединить в единое целое персональную ЭВМ, как устройство управления, программную среду AutoCAD, как средство задания программы управления и традиционные привода, т.е. решать задачу в классе PCNC систем, но с более простым подходом в программировании для часто сменяемой номенклатуры изделий.

Основными признаками таких систем управления являются принадлежность к классу персональных систем управления и использование принципов открытой архитектуры. Открытая архитектура означает глобальную гибкость системы, использование клиент-серверного подхода в организации транзакций, привлечение объектно-ориентированного подхода к определению макроструктуры, а также и на уровне технологии программирования. Все это предопределяет принципиально иную, в сравнении с известными решениями, организацию системы управления, в которой даже модули решающие традиционные задачи управления имеют новое функциональное и алгоритмическое наполнение, а также и новую программную (объектно-ориентированную) реализацию. Особо важную роль приобретает подсистема с терминальной задачей управления, которая определяет пользовательские характеристики и уровень сервиса для оператора.

При разработке математического обеспечения ЧПУ производители систем управления вынуждены внедрять новую технологию, технологию объектно-ориентированного программирования, без которой создание математического обеспечения в объеме многих мегабайт попросту невозможно. При этом объектно-ориентированный подход используют не только на уровне технологии программирования (для повышения надежности и обозримости математического обеспечения), но и на уровне макропроектирования системы. Последнее означает, что основные прикладные модули системы определяют как «вложенные объекты» (embedded objects) со стандартизованным прикладным интерфейсом API (Application Interface). При этом каждый объект-модуль является, как правило, сложной объектно-ориентированной структурой и отражает глобальный объектно-ориентированный подход при проектировании системы управления. Объектно-ориентированная магистраль поддерживает программно-аппаратные коммуникационные протоколы. Это означает, что она служит единым механизмом предоставления объектам-модулям информационных услуг. Такая возможность отражена и в самих интерфейсах объектов-модулей; они могут предоставлять данные, или запрашивать данные, или делать то и другое.

Открытая архитектура кроме решения необходимых задач управления предоставляет исключительно важные новые функциональные возможности:

·   возможность конфигурирования системы у конечного пользователя;

·   возможность встраивания коммерческих программных пакетов;

·   возможность непрерывной эволюции системы в условиях максимальной независимости от изменений базовой платформы;

·   возможность доступа к информации о состояниях любого программного модуля системы, а также к диагностической информации аппаратуры, приводов и управляемого объекта в целом.

Привлекательным в такой системе является программирование траекторий движения. В любом случае существует чертеж детали, подготовленный в электронном виде. Этот чертеж и становится управляющей программой. Для этого к стандартному программному обеспечению, в нашем случае это AutoCAD, добавляется файл динамической библиотеки, все остальное содержится в структуре прикладного программного обеспечения и в операционной системе.

Естественно, что существует определенный набор ограничений, связанный например, с изображением чертежа. Рисовать чертеж, необходимо последовательно вычерчивая конфигурацию детали из одной точки и заканчивая ее в точке начала. Между точками сопряжений не должно быть разрывов. Небрежно изготовленный чертеж станет причиной неудач.

Не все операционные системы подходят для управления в реальном времени. Любая операционная система, генерирующая внутренние прерывания влияет на процесс управления отрицательно.

3.2    Определение требований к СУ технологического комплекса

Особо важное значение для эффективного внедрения комплекса в производство занимают вопросы создания надежной и современной системы управления комплексом, ее унификация на базе современных достижений в области микропроцессорной техники, организации аппаратной - технических и математических средств управления. В данном направлении отечественной наукой и промышленностью накоплен определенный опыт разработки как специализированных, так и унифицированных систем управления.

Управление комплексом и процессом обработки заключается в управлении работой стола-манипулятора с установленными на нем деталями для обработки в согласованном (по программе) режиме, обеспечивая перемещение пятна излучения по заданным траекториям обработки за счет программного манипулирования деталями (перемещения и вращения) по соответствующим координатам

От системы управления технологического комплекса зависит качество работы всего комплекса в целом. Поэтому к системе управления предъявляется ряд требований среди которых такие как:

возможность быстрой переналадки;

легкое сопряжение с технологическим оборудованием;

точность позиционирования;

простота эксплуатации;

повышенная надежность;

малая масса и габариты;

экономичность;

возможность дистанционного управления;

наличие системы индикации работы узлов, облегчающей наладку и ремонт системы управления.

 

3.3    Разработка структуры системы управления

При разработке структуры системы исходили из условия распределения задачи управления по узлам системы (контроллерами модулей). Такое решение позволит снизить требование к ПЭВМ. В такой системе ПЭВМ выполняет функции перевода траекторий заданных в системе САПР (AutoCAD) в коды. Эти коды передаются в контроллеры соответствующих устройств посредством канала связи RS-485. В контроллерах коды обрабатываются, и производится расчет текущей точки траектории интерполяции.

К контроллеру подключен датчик положения, который обеспечивает обратную связь по положению. Такое решение позволяет разгрузить канал связи. Что позволяет снизить требование к нему (скорость передачи), а значить снизить его стоимость. Структура распределенной системы имеет ряд преимуществ перед централизованной, возможен обмен информацией не только от ПЭВМ в контроллеры и обратно, но и между контроллерами системы управления минуя ПЭВМ. Это позволяет обеспечить в итоге большее быстродействие, чем аналогичные по задачам системы, но с централизованной структурой.

К преимуществам распределенной системы следует отнести возможность самодиагностики системы на наличие неисправности. В централизованной системе такая диагностика затруднена тем, что при неисправности какого либо блока система полностью теряет работоспособность и не может провести самодиагностику. Исходя из этого, можно сказать, что распределенная система обладает большими возможностями в плане управления.

Согласованной работой всего комплекса в целом занимается ЭВМ верхнего уровня, которая подает сигналы управления на микропроцессоры, те в свою очередь обрабатывают сигнал и передают обратно информацию о своем состоянии. По данным, полученным от ЭВМ верхнего уровня и значениям сигналов полученных с датчиков обратной связи привода исполнительного устройства, формируются сигнал управления исполнительным двигателем, рассчитывается положение и скорость вала исполнительного двигателя.

Стол-манипулятор работает на базе стола станка 6Т83Ш. В качестве быстродействующего регулируемого привода подач по координатам X, Y, Z ПРВП-02.

Управление перемещениями по каждой координате осуществляется от отдельной системы управления (микроконтроллера). Также в состав АЛТК входят 8 специальных вращателей, каждый из которых состоит из двух шаговых электроприводов. Каждый из приводов также имеет свой микроконтроллер.

Таким образом, структурная организация системы управления реализована в соответствии с рисунком 7, с использованием архитектуры типа «Общая шина» объединяющей управляющую ПЭВМ и группу из одиннадцати контроллеров. Два контроллера используются для управления тремя координатами станка-манипулятора, восемь - управляют шаговыми приводами, установленными на спутниках и один обслуживает релейную автоматику и лазерный комплекс.

ПЭВМ обеспечивает выполнение вычислительных функций, перевод траектории движения заданной в формате AutoCAD в управляющие коды, слежение за технологическим процессом и процедурой обмена информацией по каналу связи.

Плата перехода, выполненная на контроллере МАХ 1480, обеспечивает преобразование физического уровня протокола стандарта RS-232 в стандарт RS-485 и гальваническую развязку, с повышенной нагрузочной способностью линии связи.

3.4    Описание функциональных блоков СУ

Основные устройства и блоки и их назначение:

1. ПЭВМ

Обеспечивает выполнение вычислительных функций, перевод траектории движения заданной в формате AutoCAD в коды ЧПУ.

2. Плата перехода RS-232/RS-485.

Преобразует канал связи стандарта RS-232 в стандарт RS-485. Обеспечивает гальваническую развязку, повышает нагрузочную и емкостную способность линии связи.

3. Контроллер шагового двигателя

Всего в системе управления содержится 8 шаговых двигателей обеспечивающих угловое перемещение деталей форм комплекта. Контроллер ШД связан с ПЭВМ через последовательный порт RS-485, контроллер обрабатывает датчики положения шагового двигателя, имеет сигнал готовности.

4. Привод ШД

Содержит силовые ключи обеспечивающие коммутацию токов в обмотках ШД. Имеет схему защиты от перегрева корпуса микросхемы, защиту от короткого замыкания в обмотках.

5. Контроллер ввода-вывода

Обеспечивает связь ПЭВМ с технологическими устройствами посредством модуля ввода и модуля вывода. Через эти устройства подключаются дискретные сигналы (управление реле, чтение концевых выключателей и др.)

6. Контроллер координат

Имеет канал связи с ПЭВМ через который обеспечивается передача данных об обрабатываемой траектории движения (скорости, ускорения, положение) от ПЭВМ к контроллеру и передача информации с датчиков положения и концевых выключателей от контроллера к ПЭВМ.

7. Привода координат

Обеспечивают формирование силовых сигналов управления на двигатели УПС-6 содержат обратную связь по скорости. Имеют защиту от перегрева силовых модулей и защиту от превышения токов в обмотках двигателей. Связь с контроллером координат осуществляется по аналоговому каналу который формируется в контроллере с помощью ЦАПов.

8. Блок реле

Обеспечивает коммутацию сигналов между двумя спутниками. Управление блоком реле происходит через дискретный выход (модуль вывода) который включает реле коммутации, а контакт этого реле коммутирует весь блок реле (24 реле). Такая схема обеспечивает снижение нагрузки на дискретный выход.

9. Блок готовности

В этот блок стекается информация о готовности всех основных узлов комплекса (готовность приводов, готовность автоматики, лазера, блока питания и др.)

10.    Блок индикации

Обеспечивает наглядную индикацию готовности устройств. Облегчает отладку и ремонт комплекса.

11.    Блок питания

Обеспечивает питание электроэнергией всех узлов СУ различными напряжениями и токами. Имеет сигнал готовности блока к работе что облегчает его эксплуатацию и ремонт.

В состав АЛТК входят 8 специальных вращателей, каждый из которых состоит из 2-ух шаговых электроприводов. Каждый из приводов также имеет свой микроконтроллер. По заданию на дипломное проектирование необходимо разработать СУ шаговыми двигателями.

3.5    Способы управления шаговыми двигателями

Шаговый двигатель это двигатель, который вращается дискретными перемещениями. Достигается это за счет особой формы ротора и двух (реже четырех) обмоток, которые являются частью корпуса и не перемещаются. Ротор совершает вращение посредством последовательных импульсов напряжение постоянного тока подаваемого к одной или двум катушкам одновременно. В результате чего, путем чередования направления напряжения в обмотках можно добиться того, что ротор будет по очереди занимать фиксированные значения. В среднем, у шагового двигателя на один оборот вала, приходится около ста шагов.

Одно из преимуществ шаговых двигателей-то, что их скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза. Этот способ называют «one phase on» full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у не запитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется 50% обмоток, а для униполярного - только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют «two-phase-on» full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, «one and two-phase-on» half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две в соответствии с рисунком 8, в. В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом или micro stepping mode. При этом способе управления ток в фазах нужно менять небольшими шагами, обеспечивая таким образом дробление половинного шага на еще меньшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага. Кроме увеличения разрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества, которые будут описаны ниже. Вместе с тем, для реализации микрошагового режима

требуются значительно более сложные драйверы, позволяющие задавать ток в обмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый режим является частным случаем микрошагового режима, но он не требует формирования ступенчатого тока питания катушек, поэтому часто реализуется.

3.6    Контроллер шагового привода

Опишем поочередно структурную схему управления шаговыми электроприводами в соответствии с чертежом ДП.220301.А-409.25.13.01.Э1.

Шаговый электропривод состоящий из электронного коммутатора (распределителя импульсов), усилителя мощности и шагового двигателя, выполняется без обратной связи по положению и управляется импульсами с генератора.

Формирователь импульсов преобразует входные сигналы импульсов произвольной формы в прямоугольные импульсы требуемой длительности. Параметры сформированных импульсов определяются схемой распределителя импульсов. Он преобразует унитарный код в т-фазную систему прямоугольных импульсов напряжения, которая, через усилитель мощности подается на обмотки шагового двигателя. Ключевые элементы УМ работают в режиме переключения. РН - регулятор напряжения, управляемый через вычислительное устройство входными сигналами Vbx, формирует требуемые напряжения на фазных обмотках шагового двигателя в соответствии с определенным законом изменения напряжения на обмотках ГИД.

Распределитель импульсов предназначен для формирования управляющих импульсов на соответствующие ключи усилителя мощности и обеспечивает поочередную коммутацию обмоток при непрерывной последовательности импульсов с генератора. Коммутатор осуществляет четырехтактную парную коммутацию.

Функции вычислителя выполняет микроконтроллер МК 80С51ВН из семейства MSC-51. Преимущества этого МК для нашей системы состоят в том, что он имеет четыре восьмиразрядных порта ввода-вывода информации Р0, Р1, Р2, Р3, благодаря которым осуществляется обмен данными в ОЭВМ. Этот МК обладает рядом существенных преимуществ: включает внутренние память программ (4 Кбайт) и ОЗУ данных (128 байт); имеет четыре универсальных программируемых параллельных 8-разрядных порта ввода-вывода с возможностью реализации альтернативных функций; обладает двумя 16-разрядными программируемыми счетчиками-таймерами. Этот набор аппаратных средств и совокупность реализуемых функций делают микроконтроллеры семейства 8051 эффективным средством сбора, переработки информации и управления объектами. Структурная схема представлена на чертеже ДП.220301.А-409.25.13.02.Э1.

МК производит арифметические, логические операции, а также обмен информацией с машиной верхнего уровня. Режим обмена с машиной верхнего уровня осуществляется через интерфейс RS-485.

Контроллер шагового привода (КШП) содержит силовые ключи, обеспечивающие коммутацию токов в обмотках ШД. Имеет схему защиты от перегрева корпуса микросхемы, защиту от короткого замыкания в обмотках. КШП связан с ПЭВМ через последовательный порт RS-485 (MAX485). Контроллер обрабатывает сигналы с датчиков положения исполнительных механизмов управляемых шаговыми двигателями, формирует сигналы готовности и аварийного состояния и обеспечивающих угловое и вращательное перемещение деталей форм комплекта. По сути, на базе микропроцессора реализовано полное управление как коммутацией силовыми ключами, так и решение задачи программного управления. Это и формирование сигнала готовности, и выход на позицию с которой начинается выполнение программного движения, и обеспечение передачи информации по каналам связи и многое другое. Схема устройства представлена на рисунке 8. Она включает в себя микропроцессор 80С8252, модуль памяти с сохранением информации и набор аппаратных драйверов, для управления обмотками шагового двигателя.

3.7    Разработка принципиальной схемы блоков

При разработке принципиальной схемы исходим из максимального использования унифицированных блоков и отработанных схемотехнических решений. Это позволяет сократить время на проектирование и наладку. Большинство используемых в разработке ИМС включено по типовой схеме включения. Это позволяет не производить расчет элементов схемы, а использовать типы и номиналы элементов из типовых схем.

1. Привод координат

Используем комплектный привод ПРВП-02 который содержит в своем комплекте двигатель УПС-6 (ОМА 1615.000.000) и трансформатор питания 1615.000.000.

2. Блок питания

Используем типовые блоки питания ЧПУ

3. Блок готовности

Содержит в своем составе реле. Выбираем реле типа РМ-4. Это реле обладает следующими параметрами:

U_ВКЛ=24 В; U_КОММ.=100В;

I_ВКЛ=0,1 А; I_КОММ=6А.

4. Блок индикации

Для обеспечения индикации используется светодиод АЛ102Б

Модуль вывода в соответствии с чертежом ДП.220301.А-409.25.13.03.Э3.

Используем унифицированный модуль, содержит гальваническую развязку, реализованную на транзисторных оптронах.

5. Блок реле

Обеспечивает коммутацию двигателей й         спутников. Принимаем решение построить его РМ-4 параметры его приведены выше при

U_ДВ=12В;

I_ДВ=6А;

это реле подходит для использования

6. Блок управления шаговыми двигателями в соответствии с чертежом ДП.220301.А-409.25.13.04.Э3.

Предназначен для управления шаговыми двигателями, состоит из микроконтроллера, четырех драйверов для управления двумя шаговыми двигателями, перепрограммируемой памяти, ключа готовности устройства. Связь с вычислительным модулем осуществляется через интерфейс RS-485.

7. Модуль вычислительный в соответствии с чертежом ДП.220301.А-409.25.13.05.Э3.

Этот модуль выполняет функции координации работы всех модулей системы управления. Состоит из микроконтроллера, перепрограммируемой памяти, ключа готовности устройства. Связь с другими модулями осуществляется через интерфейс RS-485.

4.      Расчет приводов СУ

4.1    Определение необходимых величин для выбора двигателя

. Момент инерции нагрузки.

Момент инерции нагрузки будет определятся:

J=J₁+J₂,

где J₁ - момент инерции вращающейся обрабатываемой детали,

J₂ - момент инерции планшайбы и втулки.

,

где m1 - масса обрабатываемой детали, кг.

,

где m² - масса планшайбы вместе со втулкой и подшипниками, кг.

r - радиус обрабатываемой заготовки.

Массу m1 принимаем равной 5 кг;

Массу m² принимаем равной 3 кг;

 кг*м²

кг*м².

J=0.01+0.006=0.016 кг*м²

2. Угловая скорость.

Угловая скорость определится , где n - требуемая частота вращения, об/мин.

,

где V - линейная скорость обработки; V= 0,6 м/мин.

L - длина обрабатываемой зоны детали.

В нашем случае она будет определяться:

,

где Д - диаметр обрабатываемой зоны детали, Д=0,073 м.

L=3.14*0.073=0.228 м.

Но регулируемая частота должна быть больше:

рад/с.

. Ускорение нагрузки.

Принимаем время разгона равным t_раз.= 1.8 с.

Получаем

где t_разг - время разгона двигателя.

. Динамический момент

М= J*E,

где J - момент инерции нагрузки, кг*м²;

Е - ускорение, рад/с².

М = 0,016 * 0,174 = 0,003 Н * м

4.2    Анализ законов движения исполнительного устройства

Условимся, что привод работает при неизменном динамическом моменте:

М_дин. = М_ст = 0,003 Н*м

Время изменения частоты вращения для любого участка

∆t_ị = J∆n_ị/ 9,55*М_динị,

где J - момент инерции (кг * м²); ∆n_ị - принятый интервал изменения частоты вращения i - го участка, (об/мин); М_динị - среднее значение

динамического момента в пределах i - го участка, (Н * м).

Для участка разгона (0-t₁):

Dt_разг=J*Dn_разг / 9.55*М_дин =0.01*5.82*60 / 9.55*5=0.073 с.

Для участка торможения (t₂-t₃):

Dt_торм=Dt_разг=0.073 c.

Для участка движения с постоянной скоростью (t₁-t₂):

Время обработки поддона t=L/V=229/10=23 c, t_ц=23 c

Таким образом: t_пс=t_ц - t_разг-t_торм =23-1,7-1,7=19,6 с.

Ориентировочное определение мощности исполнительного двигателя в рабочем режиме.

Мощность двигателя определяем по формуле:

_дв=2*(М_днн+J_н*E_н)*ω_н / h*l_ск*l_м,

где М_ст=0,003 Н*м - динамический момент двигателя; J_н=0.016 кг*м² - момент инерции нагрузки; ω_н=0,314 рад/с - угловая скорость нагрузки; Е_н=ω_н/t_разг=0,314/1,7=0,184 рад/с²;

h=0.855 - КПД; l_с=1.3 - коэффициент форсировки по скорости; l_м=2 - коэффициент форсировки по моменту.

Р_дв=2*(0,003+0.016*0,184)*0,314 / 0.855*1.3*2=2 Вт.

Рассмотрим в качестве исполнительного электродвигателя вращения заготовки шаговые двигатели. Шаговые двигатели выбираются по значению номинального момента

Ориентировочное определение момента исполнительного двигателя

Рассчитываем требуемый номинальный момент вращения

М_тр.ном=J_нE_н/η

где η_нк - КПД подшипника качения η_нк =0,9

М_тр.ном=0,016∙0,184/0,9=0,0035 Н∙м

Выбираем шаговые двигатели с диапазоном М_ном=0,00350,0005 Н∙м

Серия ДШ

1.          ДШ 46-0,004-5

М_ном=0,004; ά=5^o; I_ном=3,9 А; f_n.ном=1000 шаг/с; f_n.max=1200 шаг/с; J_н=0,02 кг∙м² М_ном=0,022; R_ф=7 Ом

Серия ШДА

2.          ШДА-1ФК

U=28; М_ном=0,003; I_ном=0,4 А; f_n.ном=15 шаг/с; J_н=0,016 кг∙м²; М_ф=0,0) 2; t_r=1000 ч

Серия ДИР

3.          ДИР-1А

U=27; М_ном=0,004; ά=36^o; I_ном=0,27 А; f_n.ном=50 шаг/с; f_n.max=60 шаг/с J_н=0,02 кг∙м²

Определение передаточного числа

Передаточное число  определяется следующим выражением:

где J_д - момент инерции двигателя; М_ст=0,003 Н*м; J_н=0.016 кг*м²;

Е_н=0,184 рад/с².

Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Кинематическое передаточное отношение силового редуктора.

Тип двигателя	Момент инерции Jд, кг*м²	Кинематическое передаточное число i0 при Jд=var
ДШ-46-0,004-5	0,02
ШДА-1ФК	0,016
ДИР-1А	0,02

 

4.3    Проверка выбранных двигателей

Проверка по моменту.

а) определяем требуемый момент для каждого двигателя по формуле

М_тр=(J_н / i₀+J_д*i₀)*Е_н

Общие данные:

М_ст=0,003 Н*м; J_н=0.016 кг*м²; Е_н=0,184 рад/с²; h=0,8.

Таблица 2 - Требуемые моменты для электродвигателя

№	Тип двигателя	Jд, кг*м²	i0	Мтр, Н*м
1	ДШ 46-0,004-5	0,02	1,6	MTP=0,003/(1.6*0.8)+(0.016/1.6+0,02*1.6)*0,184=0,009;
2	ШДА-1ФК	0,016	1,4	MTP=0,003/(1.4*0.8)+(0.016/1.6+0,02*1.6)*0,184=0,0088
3	ДИР-1А	0,02	1,6	MTP=0,003/(1.6*0.8)+(0.016/1.6+0,02*1.6)*0,184=0,009;

 

б). проверяем двигатели по моменту, для чего определяем коэффициент форсировки двигателя по l_ном моменту и выполнение условия l<l_н, где l=М_тр / М_{ном. дв.}

Таблица 3 - Коэффициент форсировки двигателей

Тип двигателя	Мтр, Н*м	Мном дв, Н*м	Мтр/Мном дв	lном дв	Выполнение условия Мтр/Мном дв£lном дв
ДШ 46-0,004-5	0,009	0,004	2,25	5.5	да
ШДА-1ФК	0,0088	0,003	2,93	2,8	нет
ДИР-1А	0,009	0,003	2,25	5	да

Дальнейший расчет производим для двигателя ДШ 46-0,004-5.

4.4    Определение основных параметров работы привода в режиме позиционирования

Найдем ускорение разгона и торможения по формулам:

ε_р=((l_м*М_{дв ном}) - М_ст / i₀*h) / (J_д*i₀+J_н / i₀*h),

ε_m=((l_м*М_{дв ном})+М_ст*h / i₀) / (J_д*i₀+J_н*h / i₀),

где l_м=2 - коэффициент форсировки по моменту; М_ст=5 Н*м - статический момент; J_н=0.061 кг*м² - момент инерции нагрузки; h=0.8 - КПД механической передачи.

Результаты расчетов приведены в таблице 4

Таблица 4 - Ускорение разгона и торможения ЭД.

Тип двигателя	Мном дв, Н*м	i0	Jд, кг*м²	εр рад/с2 εm рад/с2
ДШ 46-0,004-5	0,004	1,6	0,02	εр=((2*0,004) - 0,003/ 1,6*0,8) / (0,02*1,6+0,016 / 1,6*0,8)=0,05 εm=((2*0,004) - 0,003*0,8/1,6)/(0,02*1,6+0,016* *0,8/1,6)=0,05

Проверка допустимого максимального ускорения.

Условию ε_m < ε_{m доп}=Е_н=0,184 рад/с² двигатель ДШ 46-0,004-5 удовлетворяет данному условию.

4.5    Тепловой расчет ЭП

Эквивалентный момент определяем по формуле:

М_экв=[(М_э1²*Dt₁+М_э2²*Dt₂+М_э3²*Dt₃) / ]^1/2,

где М_эi - эквивалентный момент на i-том участке, Н*м; Dt_i - длительность i-го участка, с.

Двигатель проходит по условиям теплового расчета если

М_эк £ М_{дв. ном}

На участке (0-t₁):

М_э1=(М_ст+J_н* ε_р)/(i₀*h)+J_д*ε_р*i₀+М_{тр дв},

Dt₁=ω_н / ε_р,

a_p=ω_н*Dt₁/2 - угол разгона.

На участке (t₂-t₃):

М_э3=(М_ст+J_н* ε_m)/(i₀*h)+J_д*ε_m*i₀+М_{тр дв},

a_т=ω_н*Dt₃ / 2 - угол торможения.

На участке (t₁-t₂):

М_э2=М_ст / (i₀*h),

Dt₂=a_пс / ω_н,

где a_пс=a-a_р-a_т - угол движения с постоянной скоростью.

a - полный угол перемещения, который находится по формуле:

a=ω_н*t_ц=36.56*0.583=21.31 рад.

Пользуясь вышеперечисленными формулами, проведем тепловой расчет для двигателя ДШ 46-0,004-5.

М_э1=(0,003+0.016*0,15)/(1.6*0.8)+0.02*0,05*1.6=0,002 Н*м;

Dt₁=0,314/0,05=6,28 c;

a_p=0,314*6,28/2=1 рад;

М_э3==(0,003+0.016*0,15)/(1.6*0.8)+0.02*0,15*1.6=0,009 Н*м;

Dt₃=0,314/0,19=2 c;

a_т=0,314*2/2=0,314 рад;

М_э2= М_ст=0,003 Н*м;

a_пс=7,2-1-0,314=5,8 рад;

Dt₂=5,8/0,0314=18,47 c.

М_экв= Н*м.

М_{дв ном}= 0,004 Н*м.

Условие двигатель М_экв ≤М_{дв ном} ДШ 46-0,004-5 удовлетворяет

4.6    Энергетический расчет электропривода

Определение необходимых величин для выбора двигателя.

. Момент инерции нагрузки

С учетом массы двигателя вращения заготовки всей конструкции момент инерции, приведенный к валу двигателя:

J=m (V/ω_дв)²=mρ²

где ρ=V/ω_дв - радиус приведения

Таким образом J=0,6 кг*м²

. Угловая скорость определяется ω=2πn/60, где n - требуемая частота вращения, об/мин

n=7 об/мин

ω=2*3? 14*7/60=0,732 рад/с

. Ускорение нагрузки

Принимаем время разгона равным t_разг=1 с

Получаем Е_n=ω/ t_разг =0,732/1=0,732 рад/с

. Динамический момент

М=J*ε

M=0,642*0,732=0,47=0,5 н*м

4.7    Анализ законов движения исполнительного устройства

Условимся что привод работает при неизменном динамическом моменте

Мдин=Мст=0,5=const

Время изменения частоты вращения для любого участка

∆t_i=J∆n_i/9,55*M_динi;

где J - мосент инерции [кг*м²]; ∆n_i - принятый интервал изменения частоты вращения для i-го участка [об/мин]; M_динi - среднее значение динамического момента в пределах i-го участка [Н*м]

Для участка разгона (0-t₁):

Dt_разг=J*Dn_разг / 9.55*М_дин =0,94 с.

Для участка торможения (t₂-t₃):

Dt_торм=Dt_разг=0.94 c.

Для участка движения с постоянной скоростью (t₁-t₂):

Время обработки поддона

t_ц=8 c

Таким образом: t_пс=t_ц - t_разг-t_торм =8-0,94-0,94=6,12 с

Ориентировочное определение момента исполнительного двигателя

Рассчитываем требуемый номинальный момент вращения

М_тр.ном=J_нE_н/η

где η_нк - КПД подшипника качения η_нк =0,9

М_тр.ном=0,732/0,94=0,8 рад/с

i=21,4

М_тр.ном=M_ср/i_редη=0,5/(21,4*0,9)=0,025 Н*м

Выбираем шаговые двигатели по значению М_ном= 0,025 Н*м

Серия ДШ

1.          ДШ - 0,25 (А)

М_ном=0,025; I_ном=3,5 А; f_n.ном=130 шаг/с; f_n.max=160 шаг/с; J_н=0,6 кг∙м²; М_ном=0,13 Н*м;

2.          ШД-300-300

U=24 В; М_ном=0,028; ά=3^o I_ном=1,3 А; f_n.ном=300 шаг/с; f_n.max=340 шаг/с; J_н=0,65 кг∙м²; М_ст.max=0,08 Н*м;

3.          ШД А-3А

U=14 В; М_ном=0,028 Н*м; I_ном=1,6 А; f_n.ном=32 шаг/с; J_н=0,7 кг∙м²

Среди представленных двигателей проверочный расчет проходит только двигатель ШД-300-300. Результаты расчета представлены далее

Проверка двигателя:

Проверка по моменту

М_тр=0,5/(21,4*0,9)+(0,6/21,4+0,65/21,4)*0,8=0,074 Н*м

λ_ном=2,9

λ=М_тр/М_{ноль дв}=0,074/0,028=2,6

λ<λ_н - условие выполняется

Определение основных параметров работы привода в режиме позиционирования

ε_р=((2*0,028) - 0,5 (21,4*0,9)/(0,6*21,4+0,6/21,4*0,9)=0,06 рад/с²

ε_m=((2*0,028) - 0,5*0,9/21,4)/(0,6*21,4+0,6*0,9/21,4)=0,5 рад/с²

Проверка допустимого максимального ускорения

ε_m < ε_{max доп} =E_н=0,8 Двигатель ШД-300-300 удовлетворяет условию.

Тепловой расчет ЭП

М_э1=(0,5+0.6*0,06)/(21,4*0.9)+0.6*0,06/21,4=0,0216 Н*м;

Dt₁=0,732/0,06=12,2 c;

a_p=0,732*12,2/2=4,4 рад;

М_э3=(0,5+0.6*0,5)/(21,4*0.9)+0.6*0,5/21,4=0,05 Н*м;

Dt₃=0,732/1,5=1,4 c;

a_т=0,732*1,4/2=0,51 рад;

М_э2= М_ст/(i*η)=0,025 Н*м;

a_пс=a-a_p-a_m

a=0,738*8=5,856 рад

a_пс=5,856-4,4-0,51=0,9 рад

Dt₂=0,9/0,732=1,2 c.

М_экв= Н*м.

М_экв <М_{дв ном}.

Условие выполняется. Двигатель ШД-300-300 подходит

5.      Расчет энергопотребления системы управления

Расчет электропотребления сведен в таблицу 5.

Таблица 5 - Расчет энергопотребления

6.      Организационно-экономический раздел

 

Переход большинства проектных организаций, предприятий страны на работу в условиях самоокупаемости требует тщательного всестороннего обоснования принимаемых научно-технических и организационных решений. Расчет экономической эффективности новой техники, т.е. эффективности проектного решения, осуществляется с позиции потребителя новой техники, часть эффекта которого должна войти в цену техники. В связи с изложенным в проекте необходимо выяснить капитальные вложения в текущие издержки изготовителя новой техники, а так же капитальные вложения и эксплуатационные издержки потребителя новой техники.

Расчет экономической эффективности разработанной системы управления производился на примере ее использования в автоматизированном лазерном технологическом комплексе (АЛТК) для лазерной термообработки чугунных деталей форм комплектов для литья стеклопосуды.

В ходе исследований и произведенных испытаний предлагаемого процесса лазерного упрочнения кромок чугунных деталей форм, где впервые получены и подтверждены результаты, дающие возможность повысить эксплуатационные ресурсы форм не менее чем не 1,7-1,9 раз при весьма высокой производительности обработки. Стоимость же форм при этом за счет услуг по дополнительному лазерному упрочнению обработки кромок возрастает не более, чем на 25-30%.

Внедрение этой технологии позволит овладеть технологией высокого уровня, повысит производительность обработки, резко сократить количество брака, снизить расходы материалов, избавиться от монотонности труда. С помощью нее можно, при определенных условиях, создать конкурентоспособные изделия мирового уровня и качества.

 

6.1    Технико-экономический расчет

Расчет производительности

Фонд времени работы оборудования взят из расчета двухсменной работы, длительность смены составляет 8 часов, коэффициент использования машинного времени принимаем 0,7. Коэффициент использования рабочего времени 0,6. Длительность обработки 1 форм комплекта составляет 15 минут. Тогда в месяц будет обрабатываться 21д*2 смены*8 часов*0,7*0,6=567 форм комплектов. А в год, следовательно, будет обрабатываться 6800 форм комплектов.

Таблица 6 - Характеристика проектируемого объекта

Показатели	Аналог	Проект
Производительность шт./мес.	320	567
Точность позиционирования (потери от брака), %	5	2
Численность работников по обслуживанию комплекса Na, чел.	2	2
Численность вспомогательного персонала, Nab чел.	2	2
Основная и дополнительная плата основных производственных рабочих, руб.	5000	5000
Основная и дополнительная плата вспомогательных рабочих, руб.	4025	4025
Годовой фонд рабочего времени работника, час	1410	1410
Количество оборудования no, шт.	1	1
Площадь занимаемая комплексом Sкомп, м²	40	40
Потребляемая мощность Nэ, кВт	55	45
Годовая программа выпуска форм комплектов, шт.	3840	6800
Коэффициент использования оборудования, %	70	70
Норма амортизации оборудования Нао, %	15	15
Норма амортизации производственных площадей На.пл., %	15	15
Норма отчисления на ремонт оборудования Нро, %	5	5
Расход газов, Нм³/ч гелий технический двуокись углерода	0,02-0,03	0,02-0,03
Прибыль от реализации продукции	1170000	2217000
Срок окупаемости, год	4	2,65

Расчет капитальных вложений по аналоговому и проектируемому варианту.

Капитальные вложения К_а и К_п определяются как сумма затрат К_общ соответственно на аналог и проект, руб.,

К_общ = К_пп + К_о + К_s + К_ф + К_е,        (1)

где К_{пп -} предпроизводственные затраты (К_пп=400 т. руб.);

К_о - инвестиции в оборудование (К_о=3720 т. руб.);

К_е - единовременные затраты в оборотные фонды, руб.

а) Инвестиции в оборудование находятся по формуле

К_о = n_o·c_o, руб., (2)

где n_o - количество единиц оборудования, шт.;_o - стоимость единицы оборудования, руб.

в аналоговом варианте

К_о.а = 1·3500=3500 т. руб.,

в проектируемом варианте

К_о.п = 1·3720=3720 т. руб.,

б) Единовременные затраты в оборотные фонды К_е:

в аналоговом варианте

 руб., (3)

где j - коэффициент, учитывающий объем работ (операций), переводимых на проектируемый объект, %;

Н_м - среднемесячный планируемый объем незавершенного производства в цехе, руб.;

- количество месяцев в году;

 т. руб.

в проектируемом варианте

 (4)

где q - сокращение длительности производственного цикла работ (во сколько раз), руб.

 т. руб.

Таблица 7 - Капитальные вложения

Показатели	Аналог	Проект
Стоимость оборудования Ко, т. руб	3500	3720
Затраты на разработку, установку и наладку Кпп, т. руб	400	400
Комплектующие, т. руб.	20	20	39,2	22,1

Расчет эксплуатационных затрат

Затраты на текущие (эксплуатационные) затраты определяются по формуле

З_общ= З_о + З_в + З_ао + З_а.пл + З_ро + З_э + З_пар + З_м + З_вод + З_сж.в. + З_к + О_сн, (5)

где З_о - затраты на оплату труда производственных рабочих, руб.

З_в - затраты на оплату труда работников других категорий, руб.

З_ао - затраты на амортизацию оборудования, руб.

З_а.пл - затраты на амортизацию производственных площадей, руб.

З_ро - затраты ремонта оборудования, руб.

З_э - затраты на электроэнергию, руб.

З_пар - затраты на пар для отопления и вентиляции, руб.

З_м - затраты на материалы, руб.

З_вод - затраты на воду для производственных целей и бытовых нужд, руб.

З_к - косвенные затраты, руб.

З_сж.в-затраты на сжатый воздух, руб.

О_сн - Отчисления на социальные нужды, руб.

Затраты на оплату труда основных производственных рабочих по цеху

З_о определяется по формуле

 (6)

где N_a - численность работников по обслуживанию лазерного комплекса, чел.; З_м - заработная плата работников, руб.

Затраты на заработную плату вспомогательного персонала определяется по формуле

 (7)

где N_ab - количество вспомогательного персонала, чел.;

З_мb - среднемесячная заработная плата вспомогательного персонала, руб.

Дополнительная заработная плата состоит из доплат до часового, дневного и месячного (годового) фонда заработной платы. Примем дополнительную заработную плату для основных производственных рабочих 25%, а для вспомогательных 15%. Тогда получим

руб.

 руб.

Общие затраты на оплату труда основных рабочих составляет

руб.

Общие затраты на оплату труда вспомогательного состава составляют

 руб.

Затраты на амортизацию оборудования определяются по выражению

 руб. (8)

где Н_ао - норма амортизационных отчислений. Закладываем Н_ао=15%.

С_о - стоимость единицы оборудования.

 руб.

Расходы на амортизацию производственных площадей определяются по формуле:

 руб. (9)

где Н_а.пл. - норма амортизационных отчислений на 1 м² производственных площадей. Закладываем Н_а.пл.=15%.

Ц_пл - стоимость 1 м² арендуемой производственной площади. Принимаем Ц_пл=70 руб./мес.=70∙12=840 руб./год

S_комп - производственная площадь занимаемая комплексом. S_комп=40 м².

Тогда

 руб.

Затраты на все виды ремонта оборудования определяются по формуле

 руб. (10)

где Н_ро - норма отчислений на ремонт оборудования. Принимаем Н_ро=3%.

С_о - стоимость единицы оборудования.

 руб.

Затраты на технологическую электроэнергию определяются по формуле

З_Э1=N_Э∙К_М∙F_Д∙Ц_Э руб. (11)

где N_Э - номинальная установочная мощность соответствующего оборудования. Принимаем N_Э=45 кВт.

К_М - коэффициент использования машинного времени. Принимаем К_М=0,7

F_Д - действительный фонд времени оборудования. Принимаем F_Д=2820 ч.

Ц_Э - стоимость 1 кВт/ч электроэнергии. Ц_Э=1,14 руб.

Рассчитываем

З_Э1=45∙0,7∙2820∙1,14=45007 руб.

Затраты на электрическую энергию за освещение определяются по формуле

З_Эосв=N_уд∙t_осв∙S_компл∙Ц_э руб. (12)

где N_уд - удельный расход электрической энергии на 1 м². Принимаем N_уд=0,015 кВтч/м².

t_осв-Продолжительность освещения при двухсменной работе. t_осв=1410∙2=2820 ч.

S_компл - площадь цеха, м²

Ц_Э - стоимость 1 кВт/ч электроэнергии. Ц_Э=1,14 руб.

З_Эосв=0,015∙2820∙40∙1,14=1893 руб.

Общие затраты на электрическую энергию составляют

З_Э= З_Э1+З_Эосв=45007+1893=46935 руб.

Затраты на пар для отопления и вентиляции рассчитываем по формуле

 (13)

где Р_зд - расход на 1 м² здания. Принимаем Р_зд=35 ккал/ч

t - количество часов в отопительном сезоне. Принимаем t=4320 ч.

V - объем здания. V=40∙4=160 м³.

Ц_п - цена пара. Принимаем Ц_п=30 руб./ккал.

Q_и - теплота испарения. Принимаем Q_и=540 ккал

 руб.

Затраты на материалы

З_м=А∙М_о∙С_м (14)

А - количество единиц оборудования, шт.

М_о - норма материала на единицу потребности

С_м - стоимость единицы материала, руб./кг

В качестве рабочего материала используются газы: CO₂, Ne, N₂

Расход газов м³/ч:        CO₂ -0,01 м³/ч -28,2 м³/год

Ne -0,01 м³/ч -28,2 м³/год

N₂ -0,03 м³/ч -84,6 м³/год

Стоимость CO₂=54,8 руб./м³

Ne=221,1 руб./м³

N₂=26 руб./м³

З_м=28,2∙54,8+221,1∙84,6+26∙28,2=1545+18705+733,2=20985 руб.

Затраты на воду для производственных целей определяются по формуле

З_воду1= Р_воды Ц_в F_д

Р_воды - средний расход воды м³/час. Р=2 м³/ч

Ц_в - стоимость 1 м³ воды. Ц_в=11,88 руб./м³

F_д - действительный фонд работы оборудования

З_воду1= 2∙11,88∙2820=67000 руб.

Затраты на воду для бытовых нужд определяются по формуле

З_воду2 = стоимость 1 м³ бытовой воды ∙ годовая потребность в бытовой воде

Годовая потребность в бытовой воде = (средний расход воды на 1 работника (70 л) явочный фонд времени ∙ списочная численность всех работающих)/1000=70∙252∙4=70,56 м

З_воду2=11,88∙70,56=840 руб.

Общие затраты на воду составляют

З_воду= З_воду1+З_воду2

З_воду= 67000+840=67840 руб.

Затраты на сжатый воздух для технологических целей

Расход сжатого воздуха на 1 станок - 2 м³/ч

Зсж.в.=2∙4032∙0,1=500 руб.

Отчисления на социальные нужды определяются по формуле

О_сн=П_ф+С_с+М_с+Ф_сс+Т_н руб. (15)

где П_ф - пенсионный фонд (28%)

С_с - социальное страхование (4%)

М_с - медицинское страхование (3,6%)

Ф_сс - фонд социальное страхование от несчастного случая (1,7%)

Т_н - транспортный налог (1%)

О_сн=28%+4%+3,6%+1,7%+1%=38,5%

Поэтому определяем затраты на социальные нужд

О_сн=0,383 (З_о+З_в) (16)

где З_о - затраты на оплату труда производственных рабочих. З_в - затраты на оплату труда работников других категорий. З_о=120000 руб.; З_в=96600 руб.

О_сн=0,383 (120000+96600)=86800 руб.

Условно округляем до 96550 руб. К косвенным расходам расходы по управлению и обслуживанию КБ. Эти расходы исчисляются в процентах от основной заработной платы рабочих. Обычно они составляют60-150%. Эта величина для каждого предприятия имеет свое значение. Примем для нашего случая 130%. Получим

З_к=130%∙120000=156000 руб.

Общие затраты составляют

З_общ= З_о + З_в + З_ао + З_а.пл + З_ро + З_э + З_пар + З_м + З_вод + З_сж.в. + З_к + О_сн = =120000+96600+55800+5040+11160+46900+20980+1350+67840+86800+500+ 156000+1670=670700 руб.

Таблица 8 - Эксплуатационные (текущие) затраты

№	Показатели	Аналог	Проект
1	Затраты на заработную плату работников Зо, т. руб.	120	120
2	Затраты на заработную плату вспомогательного персонала, Зв т. руб.	96,6	96,6
3	Затраты на амортизацию оборудования Зао, т. руб.	52,5	55,8
4	Затраты на амортизацию производственных площадей, За.пл т. руб.	5,04	5,04
5	Затраты на все виды ремонта, Зро т. руб.	10,5	11,16
6	Затраты на электроэнергию, Зэ т. руб.	183,7	46,9
7	Затраты на пар для отопления и вентиляции, руб.	Зпар	1350
8	Затраты на материалы, Зм т. руб.	20,98	20,98
9	Затраты на воду, Звод т. руб.	67,84	67,84
10	Затраты на сжатый воздух, Зсж.в. т. руб.	0,5	0,5
11	Отчисления на социальные нужды, Осн т. руб.	86,8	86,8
12	Косвенные затраты, Зк т. руб.	156	156
13	Прочие расходы, руб.	2	1,67
Итого эксплуатационные затраты, т. руб.		803,8	670,6

Показатели экономической эффективности и их расчет

Годовой экономический эффект (ежегодный доход) Э_г

Э_г = (З_а +Е_н К_а) - (З_п + Е_н К_п) = (З_а - З_п) - Е_н (К_п-К_а) = Э_уг - Е_н К_доп, (17)

где З_а,З_п-затраты текущие (эксплуатационные) соответственно аналогового и проектируемого объекта, руб.;

К_а, К_п - капитальные вложения (инвестиции) соответственно ваналоговый и проектируемый объект, руб.;

Е_н - нормативный коэффициент эффективности инвестиций (капитальных вложений) Е_н = 0,15;

Э_уг - условно-годовая экономия средств от эксплуатации проектируемого объекта, руб.;

К_доп - дополнительные капитальные вложения (инвестиции).

Срок окупаемости капитальных вложений Т_ок

.

 года

Расчет дисконтированного дохода

Расчет:

Срок окупаемости года

1. Определение дисконтированного дохода по годам срока окупаемости

Таблица 8 - Дисконтированный доход

Годы	Сумма ожидаемого дохода по годам от внедрения проектируемого объекта Эrуг, т. руб.	Коэффициент дисконтирования	Дисконтированный доход Эrугд, д.е. (гр. 2×гр. 3)
1-й	93,3		84,8
2-й	133,2	0,8264	110,1
Итого 226,6 т. руб. 194,9 т. руб.

Из таблицы находим, что дисконтированный доход за один год составил 93,3 т. руб. Для окупаемости всей суммы инвестиций не хватает ещё 109,6 т. руб. (202,9-93,3).

Теперь более точно определим, какая часть второго года необходима для покрытия недостающей инвестиционной суммы года, т.е. с учетом дисконтирования инвестиции в сумме 202,9 т. руб. окупятся не через 1,52 года, а за 2,29 года.

Этот срок окупаемости определен без учета инфляции. Инфляция может изменить значение эффективности проекта.

1. Определяем дисконтированный доход с учетом инфляции.

а) Уровень инфляции (индекс покупательной способности J_п.с)

, (18)

где J_p - индекс цен.

Принимаем J_p = 113%. Следовательно

б) Ожидаемый дисконтированный доход с учетом инфляции составит

 т. руб.

. Определяем продолжительность срока окупаемости проектируемого объекта с учетом инфляции 13% и годовой доходности 84,8 т. руб.

Длительность дополнительного периода составит

года

Срок окупаемости с учетом дисконтированного дохода и инфляции составит

года

Вывод: В результате внедрения предлагаемого проекта капитальные затраты составят 4162,1 тыс. руб. (для аналога 3959,2 тыс. руб.), эксплуатационные затраты 670,6 тыс. руб. (для аналога 803,8 тыс. руб.). Годовой экономический эффект от внедрения данного проекта 102,77 тыс. руб. Срок окупаемости с учетом дисконтирования и инфляции составит 2,65 года.

Заключение

В результате проделанной работы была разработана система управления лазерного технологического комплекса технологическим комплексом (АЛТК).

Система управления может эксплуатироваться не только в составе АЛТК, но и с другим оборудованием например автоматические станки, линии и др.

Исходя из этого можно сказать что система управления обладает универсальностью т.е. систему можно рекомендовать к серийному производству.

Список литературы

1.       Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Машиностроение, 1979 г.

2.      Жирков Л.Ф. Методические рекомендации по проведению патентных исследований при дипломном и курсовом проектировании. Владимир.: ВПИ, 1981.

.        Микропроцессорные системы автоматического управления (Под. Ред. Соловечик И.Е. - М.: Мир, 1990.).

.        МикроЭВМ (Под. Ред. А. Дирксена.-М.: Энергоиздат, 1982.)

.        Науман Г., Маёлинг В. Щербина А. Стандартные интерфейсы для измерительной техники: Пер. с нем. - М: Мир, 1982.

.        Острем К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ.: Пер. с англ.-М: Мир, 1987.

.        Практика (Экономика проекта): Метод рекомендации по организационно-экономическим расчётам дипломных проектов: Владим. Гос. Унив: Сост В.А. Ястребов, Н.Г. Рассказчиков, Владимир, 2001.

.        Промышленные роботы в машиностроении. Под. Ред. Соломенцева Ю.М. Альбом схем и чертежей.- М.: Машиностроение, 1987.

.        Станочное приспособление: Справочник. В 2-х т. / Ред.совет: Б.Н. Вордашкин и др. - М., Машиностроение, 1984 - т1. / Под. ред. Б.Н. Вардашкина, А.А. Шатилова, 1984, 592 с.

10.     Шило В.П. Цифровые микросхемы. М.: Радио и связь, 1986, - 367 с.

лазерный закалка металл термоупрочнение