CC BY
80
Бочкарев А.В. Bochkarev A. V.
магистрант, кафедра «Электроснабжение
и электротехника», ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», Россия, г. Тольятти.
Бородин О.А. Borodin O.A.
аспирант, кафедра «Электроснабжение и электротехника», ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», Россия, г. Тольятти.
Петунин Ю.П. Petunin Yu.P.
кандидат технических наук, доцент, кафедра «Электроснабжение и электротехника», ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», Россия, г. Тольятти.
УДК 621.313.323
ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ МЕХАТРОННОГО ТОКАРНОГО МОДУЛЯ
Применение мехатронных модулей с линейными двигателями магнитоэлектрического типа в токарном оборудовании в качестве привода перемещения резца для обработки сложных профилей вращения является задачей весьма актуальной, так как использование в настоящее время копировальных многошпиндельных и многорезцовых станков, подача инструмента в которых осуществляется по копиру с синхронизацией относительно детали, или с помощью вращающихся дисков с резцами, имеющими сложную кинематику движения, предполагает высокую трудоемкость и стоимость изготовления копира; снижение точности обработки деталей при износе копира и механических передач.
Целью статьи является модернизация используемого на токарных станках фирмы "Cross Company" ме-хатронного модуля с линейными двигателями фирмы «Widding & Lewis» путем исследования математической модели двигателя для определения параметров магнитопровода и обмотки двигателя, необходимых для его ремонта.
В статье приведен анализ конструктивных недостатков двигателей фирмы «Widding & Lewis», определены задачи, решение которых необходимо для их устранения. Математическая модель линейного магнитоэлектрического двигателя составлена в принятых допущениях по магнитной системе и обмотке двигателя с учетом характеристик постоянного магнита марки NdFeB N42, а параметры электродвигателя определены с учетом потребного усилия резания. На основании анализа уравнений математической модели в программной среде MATLAB смоделирован двигатель с параметрами, обеспечивающими оптимальные электромеханические характеристики. Экспериментальные исследования линейного электродвигателя мехатронного токарного модуля с достаточной точностью подтверждают результаты теоретических исследований.
Ключевые слова: мехатронный токарный модуль, акустический двигатель, обработка поршня, математическая модель линейного двигателя, индуктор, якорь, обмотка.
LINEAR MOTOR OF MECHATRONIC LATHE MODULE
The use of mechatronic modules with linear motor moving coil type in lathe equipment as an actuator for moving the cutter for machining complex profiles of the rotation is a very urgent task, because the use of currently copying
machines and multi-spindle gang, feed tool is carried out by the copier with synchronization relative to the part or by using rotating discs with cutters with complex kinematics motion involves high complexity and manufacturing cost of the copier; reducing the machining accuracy while the copier and automatic transmission wear.
The aim of the article is a mechatronic module modernization used on the lathes by the company "Cross Company" together with linear motors by the company "Widding & Lewis". Modernization is done by engine mathematical model studying to determine magnetic circuit and windings parameters necessary for repair.
The analysis of design flaws of the engines by the company "Widding & Lewis" is presented in the article, tasks are defined decision of which is necessary for their elimination. A mathematical model of the linear electromagnetic motor is made of the above assumptions on the magnetic system and the coil of the motor based on the characteristics of the permanent magnet NdFeB N42 brand, and the parameters of the motor are determined taking into account the required cutting forces. Engine was simulated based on the analysis of the equations mathematical model in the software MATLAB. Engine was simulated with the parameters that ensure optimal electromechanical performance. Linear motor of mechatronic lathe module experimental researches confirm the results of theoretical studies with sufficient accuracy.
Key words: mechatronic module lathe, acoustic actuator, processing piston, mathematical model of the actuator, inductor, armature, winding
Развитие технологий высокоскоростной обработки, применяемой в металлорежущих станках, роботах и производственных машинах, предъявляет высокие требования к динамике и точности перемещения осей подач. Перспективной технологией построения таких осей в настоящее время является использование мехатронных модулей с линейными двигателями прямого действия, позволяющими исключить промежуточные кинематические звенья (редукторы, коробки передач, устройства преобразования вращательного движения в линейное). Это позволяет решать задачу максимального сочленения, сращивания источника механической энергии - электродвигателя и исполнительного механизма, а отсутствие механических передач позволяет исключить кинематические погрешности движения, а также нелинейности и упругости, входящие в канал передачи механической энергии к рабочему органу.
При токарной обработке деталей вращения сложного профиля, например, профилирующих поверхностей поршня современных двигателей внутреннего сгорания, при которой, для обеспечения требуемой формы поршня при достижении рабочей температуры в процессе эксплуатации, профилю поршня придается эллиптическая форма, а фасу - бочкообразная, применяются копировальные, многошпиндельные и многорезцовые станки, подача инструмента в которых осуществляется по копиру с синхронизацией относительно детали, или с помощью вращающихся дисков с резцами, имеющими сложную кинематику движения. Основными недостатками таких систем являются: высокая
трудоемкость и стоимость изготовления копира; снижение точности обработки деталей при износе копира и механических передач.
Для исключения описанных выше недостатков и обеспечения требуемой точности обработки, применяются системы электропривода с линейным двигателем непосредственного возвратно-поступательного движения, не имеющие дополнительного преобразующего механического элемента и позволяющие получить наиболее высокие показатели точности и производительности практически во всех видах механообработки (фрезерование, точение, сверление, шлифование и др.).
В связи с вышесказанным данная работа, рассматривающая вопросы теории моделирования, экспериментальных исследований и ремонта линейного двигателя мехатронного токарного модуля является актуальной.
Вопросам изучения линейных двигателей посвящены работы Сакае Ямамуро [1], О.Н. Весе-ловского [2], , М.Я. Хитерер и И.Е. Овчинникова [3] и др.
На токарных станках фирмы «Cross Company», для обработки сложного профиля поршня, в качестве привода перемещения резца применен меха-тронный токарный модуль, конструкция которого показана на рис. 1 с двигателями фирмы «Widding & Lewis». Токарный модуль состоит из линейного высокочастотного двигателя фирмы «Widdmg & Lewis» 1,; энкодера - оптической линейки 2; датчика скорости 3; платы преобразования сигналов датчика 4; четырехплоскостной системы механических подвесов 5.
Рис. 1. Устройство мехатронного токарного модуля
В качестве линейного двигателя применен линейный двигатель, конструкция которого показана на рис. 2. При этом устройство данного двигателя аналогично устройству магнитной системы низкочастотного динамика.
Данный модуль обеспечивает подачу резца синхронно с вращением заготовки, благодаря чему станок выполняет сразу несколько технологических
операций, обеспечивая чистовую обработку поршня по полному циклу:
- создание бочки поршня в аксиальном направлении;
- создание эллипса поршня в диаметральном направлении;
- создание каналов под установку поршневых колец.
Рис. 2. Конструкция линейного двигателя акустического типа
В процессе эксплуатации токарного модуля были выявлены следующие проблемы:
- частое выгорание обмотки двигателя (рис. 3), вследствие перегрева в процессе работы, приводящее к выходу модуля из строя;
- отсутствуют расчетные данные двигателя, необходимых для обеспечения ремонтных работ по его восстановлению.
Щ£5 V «I
Рис. 3. Поврежденная обмотка двигателя из-за перегрева
Перемотка двигателя в 90% случаев приводит к его некорректной работе: недостаточная электромагнитная сила, снижение скорости перемещения якоря, повышенный шум низкого тона, что приводит к длительным простоям оборудования.
В связи с вышесказанным, целью работы является определение параметров двигателя и его обмотки, необходимых для выполнения ремонта.
= 8гипКмрКЩ)К№Кгр =10-
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- составить уравнения математической модели двигателя;
- на основе разработанной математической модели определить параметры обмотки двигателя.
Требуемое усилие, развиваемое двигателем, при токарной обработке поршня определяется следующим образом:
) • 0,04' • 1,4075 • 1 • 1 • 1,08 • 1,25 • 0,87 = 96 Н (1)
где t=0.04 мм - глубина врезания; S=1.4 мм/ об - подача резца; Ср=40; х=1; у=0,75; п=0; Кмр=1 Кфр=1.08; Кур=1.25; Кгр =0.87 - табличные коэффициенты, зависящие от параметров резца и обрабатываемого материала.
При составлении уравнений приняты следующие допущения:
— воздушный зазор двигателя считаем равно-
насыщение магнитопровода двигателя отсутствует;
— характеристика возврата постоянного магнита марки NdFeB N42 линеаризована;
— параметры магнита не зависят от изменения температуры;
— температура нагрева обмотки не превышает температуру класса изоляции обмотки.
мерным по всей длине;
Уравнение линейного двигателя акустического типа в относительных величинах имеют вид [4,5]:
А. л
1 1 0
ь
1 0
0 к2 0
.1 о
о — о о
(2)
Входящие в уравнение (1), базовые постоянные и относительные величины определяются следующим образом:
ит
I =- - базовая величина тока подвижной части (якоря);
" К
¥\ = СШт1а - базовая величина усилия, развиваемого двигателем;
UH _
и0 = —- - базовая скорость движения якоря;
г
. /
г = — - относительная величина тока катушки (якоря);
^а
V
V = - относительная величина линейной скорости движения якоря;
Щ
Л =- - относительная величина линейного перемещения якоря;
ъм
и
и — - относительная величина напряжения якоря;
Рь-К
^ =- - относительная величина силы внешнего сопротивления;
Смят
Ь
- электрическая постоянная времени якорной цепи;
К
я
- электромеханическая постоянная времени двигателя;
- обобщенные коэффициенты.
С ТТ С1 Л
Значения коэффициентов, входящих в формулы 0 г ги т л2
г " /-1 г а С М) ™
для определения базовых и относительных величин ^мг = ^¡ш- ---5
могут быть определены следующим образом. 71к^а НСЬМ
Активное сопротивление подвижной части / ^ \
(якоря): где = 1 - а • 1п 1 + -— | - коэффициент,
2а.
Ra =Р,
1 о ' учитывающий размеры подвижной части двигателя;
°ПР ,,
Ц{) - магнитная проводимость воздушного зазора;
С т \
V Vrt
+ 28
условная длина
где р, = 1,74(1 + 0,004(Г - 20и)) х КГ - удель- 1
ная проводимость меди в нагретом состоянии, w - а = —
число витков обмотки подвижной части (якоря), Я
¡а - длина витка катушки, Sпp - диаметр провода магнита;
катушки. Нс - коэрцитивная сила магнита; Ьт - толщина
Коэффициент главной движущей силы, зави- магнита; к^- коэффициент насыщения магнита; сящей от тока рабочей обмотки, параметров магнита ^М) и координаты х:
а =
лЬ
м
Г т \
Мо м + 25
Иг,
- относительное значе-
ние длины магнита; Ьм- длина магнита; -магнитная проводимость магнита. 5 ~ величина воздушного зазора.
Индуктивность обмотки подвижной части (якоря):
Ь
су,
Г -к
м
лкмаЬм
где км = а • (2 + ^ ) • 1п
1-
1
V
1 + 4 а
ской постоянной якорной цепи. Для этого систему
уравнений (1) представили в операторной форме: *(') = - 1
тэ +1
1
(2)
где Сп = С, + + Са - эквивалентная проводимость для потока, созданного обмоткой и сцепленного с ней определяется в виде; С, - проводимость рабочего зазора, зависящего от площади сечения
4А и Длины ; А = ЬМ + 2д(Ьм + 23); -
проводимость для потоков «выпучивания» (проводимость между гранями, боковыми поверхностями и гранями магнитопровода); Са - проводимость для потоков рассеяния, не проходящих через магнитный зазор.
Эта проводимость эквивалентна проводимости окна и может быть определена следующим образом:
лО,, ■ Ъ С0= 1.5.^,^-5-,
В программной среде МАТЬАВ на основе уравнений (2) был смоделирован двигатель со следующими параметрами: напряжение питания 11пит=24В, скорость перемещения у=2 м/с, усилие, развиваемое двигателем ^=96 Н, номинальный ток якоря 1н=6А. Полученные результаты представлены на рис. 4.
Из приведенных на рис. 4. графиков видно, что оптимальные характеристики двигателя достигаются при таком соотношении параметров обмотки, которое обеспечивает значение электрической постоянной времени цепи ротора равное 0,0122 с.
где ширина магнитопровода Ьа = (1... 1,05 )ЬМ; Им - внутренний диаметр магнита.
Коэффициент реактивной силы, не зависящей от тока в рабочей обмотке, направленной встречно или согласно основной и определяемой параметрами магнита БМ и его положением в воздушном зазоре (координатах):
безразмерный коэффициент магнитной пружины.
Из представленных выше уравнений видно, что и скорость и развиваемая сила двигателя зависят от параметров обмотки, которые определяются электрической постоянной якорной цепи. Для отыскания оптимального соотношения параметров электрической части двигателя было проведено исследование зависимости тягового усилия и быстродействия двигателя от значения электриче-
Рис. 4. График зависимости тягового усилия (1) и скорости перемещения (2) от электрической постоянной двигателя
Для найденного значения электрической постоянной времени цепи ротора 0,0122 е., в соответствии с приведенными выше уравнениями, было определено количество витков обмотки двигателя \¥ = 46 и требуемый (округленный до стандартного) диаметр провода намотки катушки 8рк=0,71 мм.
Расчетные данные были использованы для ремонта одного из двигателей токарного модуля, который в последствии был установлен на оборудовании, и с которого была снята характеристика зависимости развиваемого двигателем усилия от тока в обмотке двигателя, показанная на рис. 5. Из которой видно, что экспериментальные харак-
теристики соответствуют ностью 4%.
расчетным с погреш-
100
75
50
25
1 1 1 1 1 1 _L 1__1 i i i 1 1 1 1 _L 1___L i i i i 1 L 1
1 —1 1 i i i - + -1-4-i i i i i i i + -/--- + i/i i i i -1-- 1
1 1 i i i T n i / i i i у 1 1 T i 1
_ J __L _L J / a_LJ_i _L _
1 1 1 4L/ i i i i + - ь ч -Л 1 /1
--1 1 —1— I—f \ — 1 / 1 — I-- 1
" и "Т/Г1" Т/Г1"Т "Г "
_ J 1__1__L _ 1__
1 —1 / 1 ^ /+-КЧ-/ k 1 1 1 1 1 1 + -I--- + 1 1 1 1 1 -1-- 1
- T ~ Г П ~ 1 1 1 T~l Г 1 1 1 1 1
2
4
8
Рис. 5 Экспериментальный график зависимости тягового усилия от тока в обмотке двигателя после перемотки при полном перекрытии (1) при 50% перекрытии (2)
Выводы по работе
1. Разработана математическая модель линейного двигателя мехатронного токарного модуля.
2. На основе разработанной модели определены параметры обмотки двигателя (сечение провода и количество витков), которые в настоящее время применяются при его ремонте.
3. Проведено экспериментальное исследование модуля, которое показало хорошую сходимость с расчетными параметрами в условиях принятых допущений.
Список литературы
1. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей: Пер. с англ. [Текст] / С. Ямамура. - Л.:
Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1983. - 180 с., ил.
2. Веселовский О. Н. Линейные асинхронные двигатели [Текст] / О.Н. Веселовский, А.Ю. Коняев, Ф.Н. Сарапулов. - М.: Энергоатомиздат, 1991. -256 с.: ил.
3. Хитерер М.Я. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения [Текст] / М.Я. Хитерер, И.Е. Овчинников. - СПб. КОРОНА принт, 2004. - 368 с.
4. Бочкарев А.В. Линейный электродвигатель малых перемещений [Текст] / А.В. Бочкарев, В.А. Денисов // Сб.тр. междунар. научн.-технич. конф. «Проблемы электротехники и электромеханики». -Тольятти: ТГУ, 2009. - Ч.1. - с. 270-274.
5. Денисов В. А. Бочкарев А.В. Управление линейным электроприводом малых перемещений [Текст] / А.В. Бочкарев, В.А. Денисов // ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. - 2011. - №2. -с. 16-19.
References
1. Jamamura S. Teorija linejnyh asinhronnyh dvigatelej: Per. s angl. [Tekst] / S. Jamamura. - L.: Jenergoatomizdat. Leningr. Otd-nie, 1983. - 180 s., il.
2. Veselovskij O. TV.Linejnye asinhronnye dvigateli [Tekst]/ O.N. Veselovskij, A.Ju. Konjaev, F.N. Sarapulov. - M.: Jenergoatomizdat, 1991. - 256 s.: il.
3. Hiterer M.Ja., Ovchinnikov, I.E. Sinhronnye jelektricheskie mashiny vozvratno-postupatel'nogo dvizhenija [Tekst]/ M.Ja. Hiterer, I.E. Ovchinnikov. -SPb. KORONA print, 2004. - 368 s.
4. BochkarevA.V. Linejnyj jelektrodvigatel' malyh peremeshhenij [Tekst]/ A.V. Bochkarev, V.A. Denisov // Sb.tr. mezhdunar. nauchn.-tehnich. konf. «Problemy jelektrotehniki i jelektromehaniki». - Tol'jatti: TGU, 2009. - Ch.1. - s. 270-274.
5. Denisov V.A., Bochkarev A.V. Upravlenie linejnymjelektroprivodom malyh peremeshhenij [Tekst]/ A.V. Bochkarev, V.A. Denisov // JeLEKTROTEHNIKA. - 2011. - №2. -s. 16-19.
