Автоматизация процесса нагрева металла в печах сопротивления

метки: Нагревательный, Автоматизация, Нагрев, Температура, Деталь, Поворот, Процесс, Технологический

Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развития технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления.

Развития технологических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств-потребителей, с одной стороны и экономические возможности предприятий — изготовителей средств с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств — потребителей, за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств, должен быть суммарный экономический эффект, с учетом всех затрат на разработку, производство и внедрение. Соответственно к разработке, изготовлению следует принимать прежде всего те варианты технических средств, которые обеспечиваю максимум суммарного эффекта.

При строгом выполнении такого принципа разработки и внедрения новых средств, процесс их развития является бы строго оптимальным и как следствие этого, объективных. Однако достаточно строгое обоснование оптимальности средств на стадии их разработки и внедрения практически невозможно из-за сложности и ограниченной точности оценок суммарного ожидаемого эффекта. Поэтому единственным объективным критерием оптимальности средств может быть только широкий их практической эксплуатации, который позволяет отобразить неудачные решения и развития и развить те принципы, схем и конструкции, которые в целом соответствуют требованиям максимальной экономичности.

Наличие такого критерия позволяет рассматривать развитие технических средств автоматизации как в целом объективный процесс. Соответственно постоянно обновляющиеся составы технических средств автоматизации и их технические характеристики могут расцениваться как приближающиеся в среднем к оптимальным на данной ступени развития материального производства.

В соответствии с решениями Правительства России в настоящее время необходимо обеспечение дальнейшего экономического прогресса общества, ускорение научно-технического прогресса, повышение эффективности общественного производства для скорейшего выхода страны из кризиса. В настоящее время особое внимание уделяется необходимости оперативного развития машиностроительной области промышленности. Для этого необходимо разрабатывать и внедрять высокоэффективные методы повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости, тепло и хладостойкости применяемых металлов и сплавов. Использование автоматизированных линий и машин, автоматических манипуляторов с программным управлением позволит исключить ручной малоквалифицированный труд, особенно в тяжелых и вредных условиях для человека.

Обзор средств для автоматизации геодезических вычислений

... результатов геодезических измерений встречается крайне редко. 1. Предпосылки к автоматизации геодезических вычислений В последние пятнадцать лет развитие ... средств автоматизации геодезических вычислений либо геодезист должен был обладать программистскими навыками, либо (что встречалось куда реже) программист - геодезическими, либо программист и геодезист должны были работать в паре, что позволяло ...

Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности на данный этап.

Особое внимание уделяется вопросам промышленной экологии и безопасности труда производства. При проектировании современной технологии, оборудования и конструкций необходимо научно обосновано подходить к разработке безопасности и безвредности работ.

В связи с развитием промышленности усилилось загрязнение окружающей среды, поэтому рациональное использование природных ресурсов — дело государственного значения.

1. Анализ объекта автоматизации

1.1 Существующая технология нагрева металла в печах сопротивления

В данном дипломном проекте рассмотрено существующее оборудование и базовая технология нагрева металла выявлены недостатки существующей системы и внесены предложения по её совершенствования.

1.2 Описание существующего оборудования

В настоящее время в термических цехах завода ,(в частности КумАПП), для дальнейшей обработки металла наиболее применяемым является предварительный нагрев заготовок в печах сопротивления. Печь для нагрева металла состоит из следующих основных конструктивных элементов: каркаса, футеровки, механизмов перемещения заготовок через печь, механизмов загрузки и выгрузки нагревательных элементов, системы подачи защитного газа.

При изготовлении печей применяют различные материалы. Отдельные узлы печей работают при температуре не превышающих 100єС, поэтому для их изготовления используют обычные углеродистые стали и чугуны, применяемые в машиностроении.

Некоторые узлы печей работают при температуре, близких к 1000єС поэтому их изготавливают из специальных сталей или огнеупорных материалов. Печь имеет рабочее пространство, где происходит нагрев заготовок. Рабочее пространство печи устроено так, чтобы обеспечить равномерный прогрев нагреваемых заготовок.

1.3 Технологический процесс нагрева металла в печах (термическая обработка)

Процесс нагрева металлических заготовок в электрических печах условно можно разделить на следующие периоды: загрузка заготовок в печь, их нагрев и выпуск.

Загрузка заготовок в печь осуществляется через загрузочное окно.

Заготовки в печи перемещаются по двум направляющим, уложенным на поперечные опоры.

Время нагрева под объемную закалку детали из стали марки 45занимает 35-40 мин.

Температура электрической печи КS 800 установлена 850±10єС.

Контроль температуры осуществляется потенциометром ГОСТ 7164-78. Закалка производится при температуре масла 20-70єС.

Расчет трехзонной методической печи с шагающим подом

... нагрева заготовки примерно до 1250ъС создает большие трудности при эксплуатации печи, так как при столь значительной ширине печи крайне затруднено удаление окалины. Применение в этих случаях методических печей с участками монолитного пода ... свойств, т.е. до 500 С. Этим и вызвано использование методического температурного режима работы печей. Для нагрева металла, который по своим размерам ...

Контроль температуры масла осуществляется термометром 0-150єС ГОСТ 28498-90.

Отпуск производится при температуре 300°С в течение 2 часов.

Деталь имеет форму в виде кольца с сечением 10 мм; Ш наружный 40 мм; высота 28мм. Масса детали 0,19.

Твердость детали 39,5…50,5 НRС. Контроль производится пр. Бринель тш-2 м ГОСТ23677-79 шар Ш2,5мм.

Рисунок 1.1-Вал

1.4 Основные недостатки техпроцесса нагрева металла в печах

1. Время нагрева стальных заготовок в нагревательных печах до заданной температуры (или скорости нагрева) зависит, от способа легированности стали, способа укладки заготовок; физических свойств металла (теплопроводности, теплоёмкости и температуропроводимости) и ряда других факторов, но даже при оптимальном сочетании выше перечисленных параметров период нагрева заготовок в печах является большим и одним из главных недостатком нагрева металла в печах.

2. Отсутствие системы контроля температуры на момент выдачи заготовок и печи создаёт определенные сложности в обработки металла после его нагрева.

Необходимость создания такой системы обусловлена тем, что при её отсутствии создаётся возможность получения перегретого или не догретого металла, что, в свою очередь, негативно отражается на протекании дальнейшего технологического процесса.

3. При нагреве в пламенных или электрических печах поверхность деталей соприкасается с печными газами. В результате металла окисляется и на деталях образуется окалина. С повышением температуры и времени выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины вызывает угар (потерю) металла и искажает геометрическую форму деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет обработку металла режущим инструментом. Окалину с поверхности деталей удаляют травлением в серной кислоте или очисткой в дробеструйных установках. За счет образовавшего угара металла, копоти и дыма при эксплуатации печей, они неблагоприятно воздействуют на экологию в целом.

В частности, содержащиеся вредные вещества в дыме оказывают вредное влияние на здоровье рабочего персонала. Необходимость применения системы дымоудаления из-за негативного воздействия дыма является экономическим минусом, а также недостатком с точки зрения занимаемой производственной площади. Также невозможность экономии площади из-за больших габаритов самих печей создает существенные сложности в их эксплуатации и рациональном использовании площади на производстве.

Таким образом, недостатками нагревательных печей является довольно продолжительное время нагрева, и большая потеря металла, уходящего в окалину, неблагоприятное воздействие на экологию, отсутствие системы контроля температуры на момент выдачи заготовок из печи, большие габариты печей, а также требование большого расхода электроэнергии, меньшая экономичность и удобство в работе.

В процессе работы печи для нагрева металла должны обеспечить получение нагрева соответствующей температуры, минимальный угар металла, низкий расход электроэнергии и максимальная производительность, т.е. главными факторами эксплуатации должна быть экономичность и выполнение требований экологического характера, а также сокращение трудовых ресурсов человека.

1.5 Основные направления повышения эффективности техпроцесса нагрева металла

Чтобы обеспечить такие требование, предполагается заменить печи сопротивления на установки индукционного нагрева (рис 1.2).

Индукционный нагрев металлов

... и др. Наименование параметра Величина высота 1902 длина 500 Длина индуктора, мм 4200 Максимальная температура нагрева, єС 550 Производительность печи, кг/ч 2500 Расход воды, охлаждающей ... большие расстояния. Традиционные методы электротехнологии, основанные на тепловом и химическом действиях тока, широко применявшиеся ранее, оказались сейчас недостаточными для обеспечения требований современной ...

Под индукционным нагревом понимается нагрев при бесконтактной передаче энергии в нагреваемое тело с помощью электромагнитных волн. Индукционные установки в своей основе имеют индуктор-проводник специальной формы, питаемый переменным электрическим током. При протекании на индуктор тока возникает переменное электромагнитное поле. При возникновении переменного поля на металлические тела последние нагреваются.

Индукционный нагрев получил широкое распространение в промышленности и научных исследованиях. Развиваются новые технологические процессы, такие как высокотемпературный нагрев, нагрев металла под пластическую деформацию на промышленной и повышенных частотах.

Рисунок. 1.2-Установка для индукционного нагрева.

Заменив печи на установки индукционного нагрева, предполагается установить систему контроля температуры, включающую в себя три пирометра, а также две оптические пары, контролирующие загрузку и выгрузку. Работу питания и управления нагрузки (индуктора) осуществляется тиристорным преобразователем частоты (ТПЧ).

В качестве управляющей машины, получающей сигналы с пирометров о текущей температуры и с датчиков о процессе загрузки-выгрузки, предполагается использовать ПК.

Применение индукционного нагрева и перспективы его развития в условиях интенсификации производства обусловлены рядом постоянно действующих причин:

• Малая тепловая инерция установки и её постоянная готовность к работе. Разогрев газовой печи или печи сопротивления с их массивной футеровкой занимает часы, и на него затрачивается до 40% энергии, расходуется за смену.
• Простота обслуживания и особенно ремонта установки, который обычно сводится к замене индуктора , что занимает несколько десятков минут.
• Высокая надёжность из-за невысокой температуры футеровки.
• Малый угар металла, который в 2-4 раза меньше, чем в пламенных печах и печах сопротивления, благодаря высокой скорости нагрева и наличию застойной газовой среды в малом воздушном промежутке между футеровкой и нагревательным объектом.
• Увеличение сроков службы штампов на 20-30% в следствии уменьшения слоя окалины и повышения пластичности материала из-за быстрого нагрева, что составляет одну из существенных статей экономии.
• Легкость автоматизации и механизации процесса.
• Высокая производительность и хорошее использование производственных площадей.
• Коренное улучшение условий труда благодаря резкому уменьшению выделения тепла, газов и твердых частиц по сравнению с пламенными печами и печей сопротивления.

Установления системы контроля температуры на момент выдачи заготовок поможет контролировать процесс нагрева исключить возможность получения недогретого или перегретого металла, что положительно отразится на процессе дальнейшей обработки металла. Оптические датчики будут осуществлять контроль за нахождением заготовки внутри индуктора или вне его и посылать сигнал на управляющую машину, которая обработает информацию и дает команду на выключение-включение индуктора. Блок датчиков расположенных в ТПЧ предназначены для формирования сигналов синхронизации обратной связи, защиты и сигнализации и для электрической развязки ПК от силовой схемы.

Благодаря подключению компьютера возрастет скорость обработки информации, поступающей с датчиков и пирометров всего технологического процесса, существенно уменьшит время протекания всего технологического процесса, существенно уменьшит трудовые ресурсы и сведет к минимуму роль человека.

Ряд выше перечисленных преимуществ создаёт благоприятную почву для автоматизированных применения установок индукционного нагрева на производстве вместо габаритных газопламенных печей и печей сопротивления.

2. Конструкторская часть

2.1 Техническое проектирование системы управления

В данной части курсового проекта произведен выбор элементов оборудования, разработаны алгоритм работы системы и структурная схема, а также осуществлен тепловой и электрический расчет индуктора.

2.2 Физическая сущность индукционного нагрева

Метод индукционного нагрева основан на использовании следующих законов и явлений:

• Закон электромагнитной индукции;
• Поверхностный эффект;
• Эффект близости;
• Изменение свойств стали в процессе нагрева.

При использовании метода индукционного нагрева приходится также считаться с наличием и других явлений, вызывающих своеобразие распределения токов в индукторе и нагреваемой заготовке. Кратко охарактеризуем эти явления.

Для метода индукционного нагрева значение электромагнитной индукции состоит прежде всего в возможности передать электромагнитную энергию в нагреваемый объект, не прибегая контактам.

Поверхностный эффект является основой индукционного нагрева. Он выражается в неравномерном распределении тока по сечению проводника, при котором наибольшая плотность тока наблюдается у одной из поверхности проводника.

Плотность тока для различных точек сечения проводника будет неодинаковой. Чем выше частота тока, тем больше в центре проводника индуктивное сопротивление и меньше плотность тока.

Эффект близости представляет собой разновидность поверхности проводников в результате суммарного взаимодействия электромагнитных полей всех проводников с током, входящим в рассматриваемую систему. Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте близости показана на рис. 2.1

Рисунок.2.1-Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте близости: а) одинаково направленные токи, б) встречно направленные токи.

Используя эффект близости, можно подобрать соответствующей формы индуктора концентрировать нагрев в определенных частях поверхности обрабатываемого тела.

Эффект близости проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между проводниками и чем сильнее проявляется поверхностный эффект, то есть чем больше отношение толщины проводника к глубине проникновения тока.

На рис. 2.2 приведена картина магнитного поля индуктора, внутрь которого помещен металлический цилиндр. Ток в индукторе вследствие кольцевого эффекта и эффекта близости сосредоточен на его внутренней поверхности, в большей её части с почти равномерной плотностью, которая несколько увеличивается к углам привода. Это объясняется тем, что нити тока, лежащие на углах провода, охвачены меньшим магнитном потоком, чем находящиеся в средней части, и в нитях индуктируется меньшая противо э.д.с, чем в нитях, расположения в средней части провода.

Рисунок 2.2-Магнитное поле индуктора, внутрь которого помещена нагреваемая деталь.

Наоборот в цилиндре ток протекает именно под воздействием э.д.с, наведенной в цилиндре. Эта э.д.с тем больше, чем больше магнитный поток, связанный с рассматриваемой кольцевой нитью тока. Из картины поля видно, что с наибольшим магнитным потоком связаны нити тока, расположенные в средней плоскости индуктора, где и наблюдается максимальный накал (поверхностная плотность) тока. За пределами индуктирующего провода индуктированный ток быстро спадает. Таким образом, ток, индуктированный в цилиндре, сосредоточен в полосе, ширина которой мало отличается от ширины индуктора. Будем считать, что ширина этой полосы, называемой активной, приблизительно равна ширине индуктора.

С ростом температуры нагрева стальных деталей удельное сопротивление с возрастает и выше 1000?С достигает своего максимального значения.

Магнитная проницаемость в интервале 600-700?С почти не зависит от температуры, но при дальнейшем её повышении резко падает и достигает минимального значения, равного магнитной проницаемости вакуума (м=1).

Для практических расчетов глубину проникновения д тока в металл вычисляют по упрощенным формулам: для стальных деталей при температуре 15?С

(2.1)

и при температуре 760єС

(2.2)

для меди при температуре 15єС

(2.3)

где д- глубина проникновения тока, мм; f- частота тока, Гц.

Из приведенных в табл.2.1 данных следует, что с повышением температуры нагрева металла глубина проникновения тока растет и достигает наибольшего значения при температуре потери магнитных свойств — точки Кюри.

Для большинства сталей магнитные превращения протекают в интервале критических температур 765-780?С, при которых магнитная проницаемость резко падает и становится равной единицы. После потери сталью магнитных свойств с образованием аустенита глубина проникновения тока резко возрастает.

Таблица 2.1 Глубина проникновения тока в металл при различных частотах

Частота тока, Гц	Глубина проникновения тока, см
	Сталь 45	Электрическая медь
	При t=15єС, P=2·10-5Ом·см, М=40Гс/Э	При t=800?С, P=10-4Ом·см, М=1 Гс/Э	При t=15?С, P=1,8·10-6Ом·см, М=1 Гс/Э
50 2500 10000 100000 1000000	0,5 0,067 0,034 0,011 0,0034	7,0 1,0 0,5 0,16 0,05	1,0 0,13 0,07 0,022 0,007

Наибольшее значение глубины проникновения тока называют горячей глубиной проникновения и обозначают д _гор .

Приближенно она может быть определена по упрощенной формуле

(2.4)

Зная зависимость глубины проникновения тока от температуры, процесс индукционного нагрева стали можно представить по следующей схеме.

В первый момент начинается нагрев стали в тонком поверхностном слое, равном глубине проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных свойств глубина проникновения тока возрастает и нагревается слой, расположенный глубже, повышение температуры в первом нагретом слое замедляется.

После потери магнитных свойств вторым слоем начинается быстро нагреваться третий слой и т.д. Пределом роста глубины проникновения тока является горячая глубина проникновения.

Повышение температуры в слое горячей глубиной проникновения происходит за счет индуктированных токов, а в более глубоких слоях -в основном за счет теплопроводности.

Выбор и назначение элементов оборудования. Устройство для индукционного нагрева включает в себя комплекс соединенных в определенной последовательности функциональных элементов: источник электрической энергии; преобразователь электрической энергии одного род тока в другой; нагрузочный элемент (потребитель электрической энергии) блок преобразования электрической энергии в тепловую; технологическая приставка; блок управления и контроль электрическим режимом технологического процесса; блок управления и контроль достигает технологическим режимом управления процесса; сооружения и вспомогательное оборудование.

В качестве источника питания индукционных установок применяет тиристорные преобразователи тока промышленной частоты 50 Гц в переменный ток повышенной частоты 0,5-1 кгц. Преобразователь частоты осуществляется за счет коммутации постоянного тока управляемыми кремниевыми вентилями — тиристорами.

Преимущества полупроводников тиристорных преобразователей частоты: коэффициент полезного действия на 7-15% выше, чем машинных; мгновенная готовность к работе; возможность регулировать рабочую частоту, что позволяет создавать оптимальные режимы нагрева; малое время простоев, связанных с ремонтом; малые весовые нагрузки; меньшая потребность охлаждающей воды.

Блок управления и контроля энергического режима устройства для индукционного нагрева содержит систему датчика, исполнительных органов и контрольно-измерительных приборов. В качестве контрольно-измерительных приборов выбираем пирометры, которые измеряют текущую температуру нагреваемого тела и посылают информацию об этой температуре на управляющую машину. Пирометры устанавливаем внутри индуктора. Система датчиков, установленных на входе нагревательного элемента, производит контроль протекания процедур загрузки и выгрузки заготовок.

2.3 Разработка структурной схемы

Проанализируем работу систему и составим её структурную схему рисунок 2.3

Главную роль системы управления индукционным нагревом металла занимает промышленный компьютер. Он осуществляет управление всеми элементами системы, а также производит расчеты, необходимые для достижения оптимальных условий работы оборудования и получения оптимально возможных конечных результатов, таких как быстрота процесса и высокая производительность.

Управление тиристорным преобразователем частоты ТПЧ сводится к возможности изменения мощности, подводимого к индуктору. По сигналу, поступающему с ПК на ТПЧ напряжение изменяется и регулируется до той величины, которая необходима для работы индуктора с целью достижения определенных результатов.

Тиристорный преобразователя ТПЧ обеспечивает работу индуктора в соответствующем режиме напряжения. Индуктор и в свою очередь, непосредственно воздействует на заготовку 3, нагревая её под действием переменного электромагнитного поля. Данные о температуре, до которой нагрелась заготовка 3, поступает на оптические пирометры П, которых в данной системе три.

Пирометры П измеряют температуру в разных частях нагреваемой заготовки 3, и информация с них поступает на ПК. Промышленный компьютер, помимо восприятия текущих температур, сопоставляет показания трех пирометров с целью избежания отклонений в нагреве в ту или иную сторону. Температурой нагрева будет температура, являющаяся средним арифметическим значением показаний трех пирометров. Таким образом, ПК не только получает данные о температуре, но и производит расчет среднего значения температуры нагрева. ПК осуществляет управление работой приводов, находящихся непосредственно в близости от рольганта.

Рольгант разделен на три участка: ПП — подводящий привод, ОП- отводящий привод, ПрП — промежуточный привод. Информация о необходимости начала загрузки поступает на подводящий провод ПП через буферный каскад БК . Подводящий привод ПП, получив сигнал, включается. Привод начинает работу и информация о характере выполнения команды и требуемой частоте вращения поступает ПК, который получает информацию о характере работы привода. За включением подводящего привода ПП следует вкл. подводящего ролика ПР. Подобным образом команда на выгрузку, поступающая через БК, приводит к включению отводящего привода ОП и отводящего ролика ОР. Информация о правильности выполнения команды и частоте вращения, идёт в ПК.

ПК получает информацию о том, что началась процедура загрузки с оптического датчика ОД1.

Прерывание сигнала с оптопары ОД1свидетельствует о том, что заготовка начинает поступать в индуктор. С поступлением сигнала с датчиком ОД1 на ПК поступает информация оконце загрузки. Параллельное поступление сигнала с оптической пары ОД 2 свидетельствует о том, что заготовка загружена полностью и её конец не выходит за пределы установки индукционного нагрева. Аналогичным образом поступает и обрабатывается информация о выгрузки. Отсутствие сигнала с оптических датчиков ОД2 дает информацию о начале выгрузки, которая, проходя через БК, идет на ПК. Информация о конце выгрузки поступает на ПК с поступлением сигнала с оптопары ОД2. Заготовка, проходя между элементами оптической пары: приемником и излучателем, прерывает сигнал и дает информацию о ходе технологического процесса.

Таким образом, с помощью оптических пар можно не только контролировать процедуру загрузки — выгрузки, но и корректировать положение заготовки во время загрузки, а также передавать информацию на ПК о перемещении заготовки внутри установки.

Итак, промышленный компьютер, осуществляя и контролируя работу всех элементов, а также проводя необходимые расчеты и подвод величин, оптимально влияющих на работу всей системы, посредством быстрой обработки информации дает возможность получать конечные результаты, положительно влияющие на протекание технологического процесса обработки металла после нагрева. Кроме этого осуществляя работу элементов системы, ПК исключает или сводит к минимуму роль человека в проведении необходимых расчетов и в управлении системой в целом.

2.4 Разработка РТК

Роботизированный технологический комплекс представляет собой совокупность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения автономно функционирующую и осуществляющие многократный цикл.

Общую структуру РТК можно представить в виде пяти основных систем: основного технологического оборудования; межоперационного (оборудования) транспортирования и складирования; манипулирования измерения и контроля; удаление вредных газов.

Среди большого цикла требований, предъявляемых к РТК, можно выделить ряд основных, выполнение которых является обязательным при построении комплексов. К ним относятся:

• планирование комплекса должна обеспечивать свободным, удобным и безопасный доступ обслуживающего персонала, к основному и вспомогательному оборудованию, а также к органам управления;

• планировка должна, по возможности, исключать пересечения трасс следования оператора и ПР в процессе его работы;
• комплекс должен быть обеспечен средствами защиты от возможного проникновения человека в зону действия ПР.

размещение средств защиты не должно ограничивать технологические возможности оборудования, затруднять их обслуживание, а также препятствовать визуальному наблюдению за ходом технологического процесса;

• размещение средств управления должна обеспечивать свободный и быстрый доступ к органам аварийного отключения.

Компоновка РТК в зависимости от размещения технологического оборудования и ПР может быть линейной, круговой и линейно — круговой.

По степени участие человека в РТК могут быть двух видов:

• в первом человек выполняет некоторые технологические операции (основные или вспомогательные);
• во втором человек участвуют в управления комплексом. В первом случаи РТК будет не автоматическим, а автоматизированным.

Создание РТК в механообработке в условиях серийного производства целесообразно на основе групповой обработке деталей, типизации технологических процессов и подбора номенклатуры.

2.4.1 Выбор промышленного робота типа «Универсал-5»

Многоцелевые ПР типа «Универсал-5» применяются для автоматизации погрузочно-разгрузочных работ, обслуживания различного технологического оборудования, межоперационного и меж станочного транспортирования объектов обработки и выполнения других вспомогательных операций.

Общий вид и техническая характеристика ПР «Универсал-5» приведены на листе приложении А листе 1,2.

Исполнительным механизмом ПР является манипулятор, который обеспечивает установку в пределах рабочей зоны захватного механизма-схвата. Манипулятор имеет четыре степени подвижности руки 1 в сферической системе координат, которые реализуются механизмами: поворота 2 относительно оси П-П, выдвижения 3, руки 1 вдоль оси 1-1, подъема 5 руки вдоль оси 1-1. Две ориентирующие степени подвижности рабочего органа-схвата 7 создают механизмы 6 вращения кисти руки относительно ее продольной оси 3-3 и поперечной оси 4-4. Подвижные механизмы манипулятора защищены от попадания пыли, грязи и масла ограничением 8.

Установочные перемещение руки осуществляется с помощью электромеханических следящих приводов, а ориентирующие движение кисти руки и зажим-разжим схвата-пневмоцилиндрами.

Пневмоблок 9, которым комплектуется ПР , предназначен для подготовки, регулирования подачи сжатого воздуха из заводской сети и блокирования работы манипулятора при падении давления ниже допустимого.

Блок 10 теристорных электроприводов формирует управляющие напряжение в якорной цепи электродвигателей постоянного тока.

Устройство программного управления 11 позиционного типа имеет возможность записи программы в режиме обучения (по первому циклу) и формирует управляющие сигналы на блок 10, а также технологические команды управления циклом работы манипулятора и обслуживаемого оборудования.

Принципиальные кинематическая, пневматическая и электрическая схемы ПР «Универсал-5» приведены на листе приложении Б лист №2.

Блоки тиристорного электропривода ЭПТ6-У5.02 обеспечивают управление в следящем режиме электродвигателями постоянного тока типа СЛ-569 и СЛ-661, установленными в механизмах четырех программируемых степеней подвижности манипулятора.

Механизмы электроприводов включают в себя зубчатые или червячные редукторы, параметры которых даны в кинематической схеме. Обратная связь исполнительных механизмов манипулятора по положению и скорости осуществляется потенциометрическими датчиками типа ППМЛ, приводящимися с помощью зубчатых редукторов и тахогенераторов типа СЛ-121, которые приводятся в движение специальными зубчатыми или ременными механизмами.

Пневмоблок, которым комплектуется ПР, предназначен для подготовки сжатого воздуха, подаваемого из заводской сети к манипулятору, а также для циклового управления двумя ориентирующего движения кисти руки и захватным устройством. Приводы этих движений осуществляются от пневмоцилиндров. Для преобразования поступательного перемещения во вращательное движение кисти руки используется винтовой копир (в приводе поворота кисти руки относительно ее продольной оси) и передача рейка-шестерня (в приводе качания кисти относительно поперечной оси).

Привод зажима и разжима губок схвата осуществляется рычажным механизмом, присоединенным к штоку пневмоцилиндра. Соединение механизмов манипулятора между собой и устройством аналогового позиционного программного управления типа АПС-1 производится в соответствии с принципиальной электрической схемой.

Базовым узлом манипулятора является механизм поворота, конструкция которого показана на рисунке приложении Б лист №2. В неподвижном корпусе 1 на радиально-упорных подшипниках 2 установлена подвижная планшайба 3, получающая вращение от механизма привода 4, который установлен в корпусе 1. Механизм привода поворота состоит из электродвигателя 5 постоянного тока, червячного редуктора 6 и жестко связанного с валом червяка 7 тахогенератора 8. Крутящий момент на планшайбу 3 передается через цилиндрическую зубчатую передачу, колесо 9, которое находится в зацепление с выходной шестерней 10 редуктора.

На специальном кронштейне 11, закрепленном на корпусе 1, установлен потенциометрический датчик положения 12, валик которого получает вращение через зубчатую передачу. Разрезная шестерня 13 привода находится в зацепление с зубчатым колесом 9. На крышке 14, предохраняющей от попадания в радиально-упорные подшипники 2 пыли и грязи, установлено ограждение 15, внутри которого укладывается два витка электрокабеля. В крышке 14 закреплен угольник 16, в который ввернута труба 17 воздуховода. Через трубу 17, на переднем конце которой установлен обратный клапан 18, сжатый воздух проходит к угольнику 19, а от него по шлангу подается к пневмацилиндрам механизма руки.

На подвижном корпусе 1 установлен дополнительный кронштейн 20 с автоматизирующими резиновыми пластинами, которые являются ограничителями поворота подвижной планшайбы 3.

С целью выбора люфта в механизме привода червячное колесо 21 выполнено разрезным: нижняя половина колеса надета на шлицевый вал 22, а верхняя- на ступицу его нижней половины. Выбор люфта производится эксцентриком 23 путем поворота верхней половины червячного колеса относительно нижней. После установления требуемого бокового зазора (0,02…0,006 мм) обе половины червячного колеса 22 закрепляются вентами 24.

На планшайбе механизма поворота установлен механизм подъема манипулятора, конструкция которого показана на листе приложении Б. Механизм подъема манипулятора выполнен в виде пространственного рычажного устройства (типа пантографа), неподвижные нижние шарниры которого закреплены в кронштейне 1 на основании 2. Подвижные нижние шарниры пантографа установлены на каретке 3, которая перемещается на роликах 4 по направляющим 5. При горизонтальном движение каретки 3 пантограф перемещается вертикально вместе с верхней платформой 6. К платформе крепится механизм поворота руки и скалка 7, являющаяся направляющей для конических роликов 8 каретки 9, в которой установлены верхние подвижные шарниры 10 пантографа.

Механизм привода подъема манипулятора состоит из двух электродвигателей 11 постоянного тока, установленных соосно относительно друг друга на основании 2, редуктора 12 и винтовой передачи 13. Контроль перемещения выполняется с помощью зубчатой передачи 15 с ходовым винтом. Обратная связь по скорости осуществляется тахогенератором 16, который соединен зубчато-ременной передачей 17 с выходным валом редуктора 12.

Винтовая передача 13 конструктивно представляет собой винт 18 с трапецеидальной резьбой, установленный в опорах на подшипниках качения. В корпусе 20 каретки 3 установлены две полугайки 19. Для компенсации погрешности расположения опор винта относительно направляющих 6 корпус 20 имеет осевой люфт (0,01…0,03 мм) и радиальный зазор (0,5 мм) относительно каретки 3.

Для выбора бокового зазора в зацеплении цилиндрических колес редуктора 12 и передачи 15 привода датчика положения (потенциометра) 14 ведомые зубчатые колеса 21 и 22 выполнены разрезными с разводящими пружинными кольцами.

Для уравновешивания нагрузки в конструкции механизма подъема применены две пружины 23 в опоре и две пружины 24 в верхней части пантографа.

Механизм поворота руки относительно вертикальной оси 1-1, установленный на верхней платформе механизма подъема, представляет собой редуктор с цилиндрическими зубчатыми и червячными передачами. Механизм выдвижения руки относительно ее продольной оси выполнен в виде двухступенчатого редуктора с цилиндрическими зубчатыми колесами и зубчато-реечной передачи.

В состав руки манипулятора входят механизмы качания и поворота кисти со схватом. Корпус 1 руки выполнен в виде полной гильзы, внутри которой размещены пневмоцилиндры качания и поворота кисти 2. На корпусе руки крепится зубчатая рейка 3 и три стальные направляющий 4 для опорных роликов, установленных в корпусе каретки 5, которая монтируется на механизме поворота руки.

Привод качения кисти 2 состоит из пневмоцилиндра 6 , шток 7 которого с помощью тяги 8 жестко связан с зубчатой рейкой 9, зацепляющейся с вал-шестерней 10. Подача воздуха в цилиндр 6 (в левую или правую полость) осуществляется через штуцеры 11 и 12. Ограничение вала-шестерни 10 проходит посредством упора, регулируя который можно получить разные углы качания кисти или полностью заблокировать это движение.

Для обеспечения движения предусмотрено демпфирующее устройство, состоящие из поршня 13, который перемещается вместе со штоком 7 в цилиндре 14, заполненном маслом. В поршне 13 имеется калиброванное отверстие, через которое масло выжимается из одной полости в другую при перемещениях поршня 13.

Механизм вращения кисти 2 включает в себя правую часть общего с механизмом качения пневмоцилиндра 6, шток 15 который жестко связан при помощи соединительной втулки и дополнительного полого штока 16 с ползуном 17. Ползун представляет собой полый толстостенный цилиндр, в котором прорезан двухзаходный винтовой паз с шагом 130 мм. В паз входят два шарикоподшипника 18, сидящие на осях водила 19.

При поступательном движении ползуна 17 подшипники 18, копируя винтовой паз, поворачивают водило 19 и шарнирно связанною с ним кисть 2, которая установлена на подшипниках 20 в корпусе 1руки. Ползун 17 удерживается от поворота роликами 21, катящимися по дополнительным пазам на стенках гильзы 1. Ролики 21 установлены консольно на осях, одним концом запрессованных в тело ползуна 17.

Угол вращения кисти 2 руки можно регулировать, закладывая шарики диаметром 8мм в кольцевой канал круглого сечения, в стыке между фланцами гильзы 1 и крышки 22. Внутрь этого канала, запертого двумя упорными винтами 23, через кольцевой паз входит палец 24, жестко запрессованный одним концом в хвостовой части кисти 2.

Плавность движений кисти руки обеспечивается демпфирующим устройством в виде поршня с калибрующем отверстием, выполненным за одно со штоком 14. Поршень демпфера перемещается в замкнутой полости, внутрь которой залито масло.

С целью расширения технологических возможностей ПР предусмотрена возможность закрепления захватного механизма на кисти в четырех различных положениях, которые точно фиксируются штифтом в корпусе 25 схвата по отверстиям в крышке 22 кисти 2.

Привод губок 26 схвата осуществляется от пневмоцилиндра 27, закрепленного на корпусе 25. Для зажима схвата воздух подается в рабочую полость цилиндра 27, шток которого посредством проушены 28 и оси 29, запрессованной в нее, поворачивает фигурные рычаги 30, шарнирно связанные с корпусом 25, и губки 26. Разжим губок 26 схвата осуществляется пружинами 31, после сброса давления воздуха в цилиндре 27.

2.5 Выбор способа индукционной закалки

Существует три основных способа поверхностной индукционной закалки в зависимости от размера, формы детали и некоторых специальных требований нагрева: одновременный, непрерывно-последовательный и последовательный (поочередный).

Одновременный способ. Он применяется для закалки небольших деталей и осуществляется следующим образом. Закаливаемая деталь помещается в индуктор, высота которого должна быть равна или больше размера обрабатываемого участка детали.

На заданное время включается ток, затем деталь подвергается охлаждению в устройстве (спрейер).

Для того чтобы получить твердость, равномерную по всей поверхности, деталь в индукторе — при нагреве и при охлаждении — должна непрерывно вращаться, так как в месте присоединения токопроводящих шин к кольцу индуктора нагрев получается более слабым и равномерность распределения твердости может нарушиться. Одновременный способ успешно применяют в новом методе поверхностной закалки при глубинном нагреве деталей, изготовленных из сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости.

Закалка при глубинном нагреве повышает твердость и прочность зоны, находящейся под закаленным слоем, уменьшает удельные мощности при нагреве, позволяет закаливать детали сложной формы (зубчатые колеса, полуоси с фланцем и др.).

Непрерывно-последовательный способ. Деталь, установленная в неподвижном индукторе, совершает сложное движение: вращается около собственной оси и движется поступательно, сверху вниз, а затем поступает в охлаждающее устройство. Таким образом, вся поверхность детали непрерывно-последовательно нагревается и охлаждается.

Иногда закалка этим способом осуществляется при последовательном движении индуктора с вращением детали во время нагрева. Непрерывно-последовательный способ закалки применяется для упрочнения валов, осей, шпилек и других длинных деталей.

Последовательный способ.

Этот способ закалки состоит в том, что обрабатываемая поверхность детали нагревается и охлаждается по частям, например последовательная закалка каждой шейки коленчатого вала или каждого зуба крупно модульного зубчатого колеса.

Для того чтобы точно установить деталь в индукторе и получить равномерный нагрев и охлаждение, применяют различные приспособления: турбинки для вращения деталей, специальные центры, станки-автоматы и полуавтоматы.

2.6 Выбор схемы нагревателя

Для нагрева цилиндрических заготовок по всей длине оптимальными с энергетической точки зрения является методические нагреватели с цилиндрическими индукторами, в которых одновременно нагревается несколько заготовок. Заготовки подаются в такие индукторы с наклонных лотков при помощи толкателей. Пневматические толкатели отличаются простотой в изготовлении и не требуют специального привода, так как магистрали сжатого воздуха обычно имеются на заводах, поэтому используются чаще других.

Однако, если столб заготовок имеет значительную массу, то в случае заедания какой — либо из них (например, вследствие больших заусенцев или повреждения теплоизоляции) возможно резкое выбрасывание части заготовок из индуктора. Поэтому иногда для тяжелых заготовок используют гидравлические толкатели. Механические толкатели с реечным или кривошипном приводами работают спокойно как при тяжелых, так и при легких заготовках. Особенно надежно работают толкатели с кривошипным приводом. Для управления ими не требуется устанавливать реле времени, так как темп толкания может быть задан изменением числа оборотов электродвигателя, приводящего во вращение кривошипный механизм.

2.7 Автоматическое управление электрическим режимом индукционной установки

Индукционный нагрев характеризуется энергетическими и термическими параметрами. Энергетические параметры — удельная мощность и время нагрева — определяют количество тепловой энергии, переданной детали, и достигнутую температуру.

Величина удельной мощности определяет скорость нагрева. Термические параметры — скорость нагрева в области фазовых превращений и конечная температура — определяют характер и интенсивность фазовых превращений.

Стабилизация индукционного нагрева в установках ТПЧ производится стабилизация напряжения на инверторе. В этом случае для питания цепи возбуждения инвертора используют схемы имеющие обратную связь от напряжения на выходе ТПЧ с тиристорными возбудителями.

При этом стабильность форм кривых изменения мощности и температуры нагрева гарантируется при полном сохранении параметров установки и настройки.

Контролёры для дозирования индукционного нагрева позволяют управлять режимом нагрева в соответствии с заданной технологами термической кривой и получат стабильные результаты закалки (глубину закаленного слоя, микрструктуру и твердость на любой установке с необходимыми для нагрева частотой мощностью.

Индукционные установки с автоматическим управлением работают с обратной связью от сигнала термопары или напряжения (или тока) индуктора.

Блок согласования осуществляет генерирование сигналов управления, для тиристорных ключей в каждом такте работы. ФСУ (формирователи сигналов управления), в соответствии с требованиями циклического чередования фаз сети во время равенства интервалов коммутации тиристоров или другими особенностями управления, направленными на получение ожидаемых параметров ТП.

2.8 Расчет параметров индуктора

Для расчёта задано внутренний диаметр индуктора Dэ=44мм;диаметр изделия D2=40мм, толщина индуктирующего провода dэ=12мм; ширина индуктора и активного слоя а1 =а2 =а =2,8см; глубина закаленного х _к =10мм; размеры b?=2,8см; b2=18,5см; l₁ =100мм; l2=50мм; d_ш =0,2см.

h _ш =0,2см; частота f=2000Гц; удельная мощность в нагреваемом изделии pо=0,814 кВт/смІ.

Требуется определить напряжение на индукторе U _и ; ток в индукторе Й_и , коэффициент на индукторе cos ц_и , КПД инд.зи мощность, подводимую к индуктору Р_и . Время нагрева tк.

1. Расчетный диаметр детали;

(2.5)

;принимаем (2.6)

м2=16(m=-0,6) Из таблицы 3-4 [1] находим,

что М=0,902; тогда о=М?к=0,0101м. При этом

D?2= D2-ж=0,04-0,01=0,03м.

2. Приведенное значение удельной мощности

р о? =р оD2 /D2?=8,14·10 ⁶ ·0,04:0,03=10,8·10⁶ вт/мІ (2.7)

3. Относительная магнитная проницаемость.

Задаваясь несколькими значениями m,находим по таблице 3-1, 3-2, 3-3, [1] соответствующие значения K, N,cosц и определяем Н _me , Н_mk пользуясь формулой (3-26) [1].

По усредненной кривой намагничивая на рис 2.5 [1] находим м2?, как показано в примере 3-1 [1].

Построив графики м 2= f(m) и м2?= f(m), подобные приведенным на рис.3-7 получим м2=15,4; m=-0,594, k=1,433, cosц=0,923,sinц=0,386.

4. Активное и внутреннее реактивное сопротивления нагреваемого слоя.

(2.8)

х _м2 =r ₂ ·sinц/cosц= 5,6·10^-4 ·0,386/0,923=2,3·10 ^-4 ом

5. Реактивное сопротивление хе. Так как а 1=а2=а

то х е=х 10k1/(1-k1); х10=щм0S1/а=2р·2000·4·10 — ⁷ (4·0,028)=16,45·10 ^-4 ом. (2.9)

k1=f(D1/а )=f(0,044/0,028)=0,61(по рис 6-2) [1]

xе=16,45·10 ^{— 4} ·061/0,39=25,7·10 ^-4 ом.

6. Реактивное сопротивления рассеяния.

Xs=щм0( S1- S2)/а=2р·2000·4р·10 ^-7 р(0,044І-0,040І) / (4·0,028)=1,48·10^-4 ом. (2.10)

7. Коэффициент приведения активного сопротивления детали

[=(г2/хе)І+[1+(хs+х _м2 )/хe]І=(5,6/25,7)І+[1+(1,48+2,3)/25,7]І=0,73 (2.11)

8. Приведенное активное сопротивление.

r2?=сr2=0,73·0,56=4,08·10 ^-4 ом (2.12)

9. Приведенное реактивное сопротивление.

х2?=с(хs+х _м2 +[(хs+хм2)І+r2І]/хe)=

=0,73(1,48+2,3+[(1,48+2,3)І+5,6І]/25,7)=5,5·10 ^-4 ом (2.13)

10. Активное и внутреннее реактивное сопротивление индуктирующего провода:

r _1п =с1рD1/(аd1q)=0,02·3,14·44/28·1,2·0,9?0,09•10^-4 ом (2.14)

(2.15)

d ₁ /Д ₁ =7,5; k г? kх ? d1/?₁ =7,5 (2.16)

r1=r 1 _п k_r =х _м 1=г_1п k_х =0,09·7,5=0,67·10ом (2.17)

11. Активное сопротивление шин.

r _{ш k} =2p1l_k k_r (d ш bk?) (2.18)

D 1/Д ₁ =0,002/0,0016=1,25 k _r =1,2(по таб 4-1[1] (2.19)

в2?=(0,028+0,185)/г=0,106м (2.20)

r _ш1 =2·2·10 ^-8 ·0,1·1,2/(0,002·0,028)=0,8571·10 ^-4 ом (2.21)

r _ш 2=2·2·10 ^-8 ·0,05·1,2/(0,002·0,106)=0,11·10 ^-4 ом (2.22)

r _ш =r_ш1 +r _ш2 =0,96·10 ^-4 ом (2.22)

12. Реактивное сопротивление шин.

Х _{ш k} =2p₁ l _k k_x /(d _ш b_k ?)+7,9·10 ^-6 fh_ш l_k /bґ_k (2.23)

X _ш1= 2·2·10⁸ ·0,1·1,2/(0,002·0,028)=0,85·10⁴ oм+7,9·10⁶ ·2000·0,002·0,1/0,0

Х _ш2 =0,163·10 ^-4 ом х_ш =2,133·10^-4 ом. (2.25)

13. Активное, реактивное и полное сопротивления индуктора.

r _и =r ш+r 1+r 2?=0,96+0,67+4,08=5,71·10^-4 ом (2.26)

Х _и =х ш+х м1+х2?=2,133+0,67+0,55=8,3·10^-4 ом (2.27)

(2.28)

14. КПД индуктор

з _и =r ґ₂ /r _и =4,08/5,71=0,71 (2.29)

15. Коэффициент мощности индуктора

cosц=r _и /z_и =5,71/10,1=0,565 (2.30)

16. Мощность, передаваемая в нагреваемую деталь.

Р2=рD ₂ ap₀ =3,14·40·28·0,814=2,8·10⁴ ом. (2.31)

17. Ток в индукторе.

кА (2.32)

18. Напряжение на индукторе.

U _и =Uґ_и =I _и Z_и =8284·10,1·10^-4 =8,3в (2.33)

19. Мощность, подводимая к индуктору.

P _и =P2/з_и ?=2,8·10⁴ /0,71=39,4квт. (2.34)

20. Задаваемая ч=0,1 Из таблицы П-2 с помощью интерполирования определяем

S(0,246;0,01)=0,1040; S(0,246; 0,2; 0,1)=0,067 (2.35)

по формуле (7-29)

Т 0=(0,1+0,1040) / (0,1+0,067)=1,2 (2.36)

21. По графику (7-5) [1] определяем требуемое время .

Из графика находим tk=10c p0=4.78·10 ⁶ вm/мІ

2.9 Выбор способа и среды охлаждения

Для охлаждения стальных деталей при закалке в качестве закалочных сред применяют воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла таблица. 1.

Таблица 2.2 Масла, применяемые для закалки сталей

Название масла	Температура, ?С	Охлаждающая способность по отношению к воде
	вспышки	застывания	применения
Индустриальное 12 (веретенное 2)…. Индустриальное 20 (веретенное3)…. Индустриальное 30 (веретенное)…. Индустриальное 45 (машинное С)…. Индустриальное 50 (машинное СУ)…. Трансформаторное… Авиационное МС-20 (светлокалящее)… Цилиндровое тяжелое 52 (вапор)*…	165 170 180 190 200 135 225 310	-30 -20 -15 -10 -20 -45 -18 -5	120-150 120-150 120-160 120-170 120-180 80-110 130-200 200-280	0,21-0,22 0,21-0,22 0,21-0,22 0,21-0,22 0,21-0,22 0,17 021-0,22 0,21-0,22

*Применяется исключительно для отпуска.

Закалочные среды с разной интенсивностью отводят тепло от нагретых под закалку деталей. При выборе закалочной среды учитывают химический состав стали и степень допустимой деформации. Единой универсальной среды для закалки стали не имеется, поэтому пользуются различными средами (табл. 2.2).

При 10% -ом водном растворе едкого натра или поваренной соли скорость охлаждения стали в области трооститных превращений (600-500?С) больше скорости охлаждения в пресной воде в 2 раза.

В области мартенситных превращений (300-200?С) соленная и пресная вода охлаждает одинаково. Это преимущество водных растворов солей используется в практике термической обработки . Чтобы уменьшить коробление при закалке инструмента из стали У10, У12, водные растворы обычно подогревают до 30?С.

2.9.1 Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред

В отличие от воды охлаждающая способность масла мало зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле во много раз меньше, чем в воде. Поэтому, чтобы снизить напряжения и избежать образования закалочных трещин, для закалки легированных сталей с более низкой темплопроводностью, чем у углеродистых сталей, используют минеральное масло. При отсутствии масла применяют горячую воду (80єС).

Таблица 2.3 Скорость охлаждения стали.

Закалочная среда	Скорость охлаждения,град/с, в интервале температур, єС
	600-500	300-200
Вода: При 20єС(спокойная) 20єС (циркулирующая) 40єС Дистиллированная при 20єС…80єС… 10%-ные водные растворы: поваренной соли едкого натра соды(Nа2СО3) Минеральное масло при 20єС… Эмульсия(смесь масла и воды).. Керосин………………………….	600 350 100 250 30 1100 1200 800 120 70 170	270 700 270 200 200 300 300 270 25 200 50

Основные способы закалки стали — закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая.

Закалка в одном охладителе. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, где она находится до полного охлаждения. Этот способ используют при закалке несложных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей.

Детали из углеродистых сталей охлаждают в воде, а детали из легированных сталей — в масле этот способ используют и при механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из агрегата в закалочную жидкость.