Elektrické pohony pro CNC stroje

Moderní multifunkční kovoobráběcí stroje a průmyslové roboty jsou vybaveny vícemotorovými elektrickými pohony, které pohybují výkonnými orgány podél několika souřadnicových os (obr. 1).

Řízení provozu CNC stroje se provádí pomocí standardních systémů, které generují příkazy v souladu s programem definovaným v digitální podobě. Vytvoření vysoce výkonných mikrokontrolérů a jednočipových mikropočítačů, které tvoří programovatelné jádro CPU, umožnilo s jejich pomocí automaticky provádět mnoho geometrických a technologických operací a také provádět přímé digitální řízení systému elektrického pohonu a elektro-automatizace.

Rýže. 1. Systém pohonu CNC frézky

Typy elektrických pohonů pro CNC stroje a požadavky na ně

Proces řezání kovu se provádí vzájemným pohybem opracovávaného dílu a ostří řezného nástroje.Elektrické pohony jsou součástí obráběcích strojů, které jsou určeny k provádění a regulaci kovoobráběcích procesů prostřednictvím CNC systému.

Při zpracování je zvykem oddělovat hlavní pohyby, které zajišťují řízené řezné procesy při vzájemném pohybu nástroje a obrobku, a také pomocné pohyby, které usnadňují automatický provoz zařízení (přibližování a vytahování monitorovacích nástrojů, výměna nástrojů a atd.).

Mezi hlavní patří hlavní řezný pohyb, který má nejvyšší rychlost a výkon, který poskytuje] potřebnou řeznou sílu, a dále posuvový pohyb, který je nutný pro pohyb pracovního tělesa po prostorové trajektorii při dané rychlosti. Aby se získal povrch výrobku s daným tvarem, pracovní tělesa stroje sdělí obrobku a nástroji, aby se pohyboval po požadované trajektorii s nastavenou rychlostí a silou. Elektrické pohony udělují pracovním tělesům rotační a translační pohyby, jejichž kombinace prostřednictvím kinematické struktury strojů zajišťují potřebné vzájemné posuvy.

Účel a typ kovoobráběcího stroje do značné míry závisí na tvaru vyráběného dílu (tělo, hřídel, kotouč). Schopnost multifunkčního stroje generovat pohyby nástroje a obrobku potřebné při obrábění je dána počtem souřadnicových os a tedy počtem propojených elektrických pohonů a strukturou řídicího systému.

V současné době se pohony provádějí především na základě spolehlivosti Střídavé motory s frekvenčním řízenímprovádějí digitální regulátory.Různé typy elektrických pohonů jsou realizovány pomocí typických průmyslových modulů (obr. 2).

Rýže. 2. Typické funkční schéma elektrického pohonu

Minimální složení bloků elektrického pohonu se skládá z následujících funkčních bloků:

• výkonný elektromotor (ED);

• frekvenční měnič výkonu (HRC), který převádí elektrický výkon průmyslové sítě na napájecí napětí třífázového motoru o požadované amplitudě a frekvenci;

• mikrokontrolér (MC), který plní funkce řídicí jednotky (CU) a generátoru úloh (FZ).

Průmyslová jednotka výkonového frekvenčního měniče obsahuje usměrňovač a výkonový měnič, které generují sinusové napětí s potřebnými parametry určenými signály řídicího zařízení pomocí mikroprocesorového řízení výstupního PWM spínače.

Algoritmus pro řízení provozu elektrického pohonu je implementován mikrokontrolérem generováním příkazů získaných jako výsledek porovnání signálů generátoru úloh a dat přijatých z informačního výpočetního komplexu (IVC) na základě zpracování a analýzy signály ze sady ze senzorů.

Elektrický pohon hlavního tahače ve většině aplikací obsahuje indukční elektromotor s vinutím rotoru nakrátko a převodovku jako mechanický přenos otáčení na vřeteno stroje. Převodovka je často řešena jako převodovka s elektromechanickým dálkovým řazením převodů.Elektrický pohon hlavního pohybu poskytuje potřebnou řeznou sílu při určité rychlosti otáčení, a proto je účelem regulace rychlosti udržení konstantního výkonu.

Potřebný rozsah regulace rychlosti otáčení závisí na průměrech zpracovávaných produktů, jejich materiálech a mnoha dalších faktorech. V moderních automatizovaných CNC strojích vykonává hlavní pohon komplexní funkce související s řezáním závitů, obráběním dílů různých průměrů a mnoho dalšího. To vede k potřebě zajistit velmi velký rozsah regulace rychlosti a také použití reverzibilního pohonu. U multifunkčních strojů může být požadovaný rozsah otáček tisíce i více.

U podavačů jsou také vyžadovány velmi velké rozsahy otáček. Takže při frézování kontur byste teoreticky měli mít nekonečný rozsah otáček, protože minimální hodnota má v některých bodech tendenci k nule. Rychlý pohyb pracovních orgánů v oblasti zpracování je často prováděn také podavačem, což značně zvyšuje rozsah změny rychlosti a komplikuje systémy řízení pohonu.

V podavačích se používají synchronní motory a bezkontaktní stejnosměrné motory, v některých případech také asynchronní motory. Platí pro ně následující základní požadavky:

• široký rozsah regulace rychlosti;

• vysoká maximální rychlost;

• vysoká přetížitelnost;

• vysoký výkon při zrychlování a zpomalování v polohovacím režimu;

• vysoká přesnost polohování.

Stabilita charakteristiky měniče musí být zaručena při změnách zatížení, změnách okolní teploty, napájecího napětí a mnoha dalších důvodů. To je usnadněno vývojem racionálního adaptivního automatického řídicího systému.

Mechanická část pohonu stroje

Mechanická část pohonu může být složitá kinematická struktura obsahující mnoho částí rotujících různými rychlostmi. Obvykle se rozlišují tyto prvky:

• rotor elektromotoru, který vytváří točivý moment (rotující nebo brzdící);

• mechanická převodovka, t, s. systém, který určuje povahu pohybu (rotační, translační) a mění rychlost pohybu (reduktor);

• pracovní tělo, které přeměňuje energii pohybu v užitečnou práci.

Sledování asynchronního pohonu hlavního pohybu obráběcího stroje

Moderní nastavitelný elektrický pohon hlavního pohybu CNC kovoobráběcích strojů je založen především na asynchronních motorech s klecovým rotorovým vinutím, k čemuž přispělo mnoho faktorů, z nichž je třeba poznamenat zlepšení základní informační základny a výkonová elektronika.

Regulace režimů střídavých motorů se provádí změnou frekvence napájecího napětí pomocí výkonového měniče, který spolu s regulací frekvence mění další parametry.

Charakteristiky sledovacího elektrického pohonu do značné míry závisí na účinnosti vestavěného ACS.Použití vysoce výkonných mikrokontrolérů poskytlo široké možnosti pro organizaci řídicích systémů elektrických pohonů.

Rýže. 3. Typická řídicí struktura asynchronního motoru pomocí frekvenčního měniče

Ovladač pohonu generuje sekvence čísel pro spínač napájení, který reguluje činnost elektromotoru. Regulátor automatizace poskytuje potřebné vlastnosti v režimech start a stop, stejně jako automatické nastavení a ochranu zařízení.

Hardwarová část výpočetního systému dále obsahuje: - analogově-digitální a digitálně-analogové převodníky pro vstup signálů ze snímačů a řízení jejich činnosti;

• vstupní a výstupní moduly pro analogové a digitální signály, vybavené zařízením rozhraní a kabelovými konektory;

• bloky rozhraní, které provádějí interní mezimodulový přenos dat a komunikaci s externím zařízením.

Velké množství nastavení frekvenčního měniče, které zavedl vývojář, s přihlédnutím k podrobným údajům konkrétního elektromotoru, poskytuje určité řídicí postupy, mezi nimiž lze zaznamenat:

• vícestupňová regulace rychlosti,

• horní a dolní frekvenční limit,

• omezení točivého momentu,

• brzdění přivedením stejnosměrného proudu do jedné z fází motoru,

• ochrana proti přetížení, ale v případě přetížení a přehřátí poskytuje režim úspory energie.

Pohon založený na bezkontaktních stejnosměrných motorech

Pohony obráběcích strojů mají vysoké požadavky na rozsah regulace otáček, linearitu regulačních charakteristik a otáčky, neboť určují přesnost vzájemného polohování nástroje a součásti a také rychlost jejich pohybu.

Výkonové pohony byly realizovány převážně na bázi stejnosměrných motorů, které měly potřebné regulační charakteristiky, ale zároveň byla přítomnost mechanického kartáčového sběrače spojena s nízkou spolehlivostí, složitostí údržby a vysokou úrovní elektromagnetického rušení.

Rozvoj výkonové elektroniky a digitálních výpočetních technologií přispěl k jejich nahrazení u elektrických pohonů bezkontaktními stejnosměrnými motory, což umožnilo zlepšit energetické charakteristiky a zvýšit spolehlivost obráběcích strojů. Bezkontaktní motory jsou však vzhledem ke složitosti řídicího systému poměrně drahé.

Principem činnosti bezkomutátorového motoru je však stejnosměrný elektrický stroj s magnetoelektrickým induktorem na rotoru a vinutím kotvy na statoru. Počet statorových vinutí a počet pólů magnetů rotoru se volí v závislosti na požadovaných charakteristikách motoru. Jejich zvýšení pomáhá zlepšit jízdu a ovladatelnost, ale vede ke složitější konstrukci motoru.

Při pohonu obráběcích strojů se používá především konstrukce se třemi vinutími kotvy, provedená ve formě několika spojených sekcí, a budicí systém permanentních magnetů s několika páry pólů (obr. 4).

Rýže. 4. Funkční schéma bezkontaktního stejnosměrného motoru

Točivý moment se tvoří v důsledku interakce magnetických toků vytvářených proudy ve vinutí statoru a permanentními magnety rotoru. Konstantní směr elektromagnetického momentu je zajištěn vhodnou komutací přiváděnou do vinutí statoru stejnosměrným proudem. Sekvence připojení statorových vinutí ke zdroji U se provádí pomocí výkonových polovodičových spínačů, které se spínají působením signálů z rozdělovače impulsů při napájení napětím ze snímačů polohy rotoru.

V úloze regulace provozních režimů elektrického pohonu bezkontaktních stejnosměrných motorů se rozlišují následující vzájemně související problémy:

• vývoj algoritmů, metod a prostředků pro řízení elektromechanického měniče ovlivňováním fyzikálních veličin dostupných pro měření;

• vytvoření systému automatického řízení pohonu s využitím teorie a metod automatického řízení.

Elektrohydraulický pohon na bázi krokového motoru

U moderních obráběcích strojů jsou poloběžné kloubové elektrohydraulické pohony (EGD), u kterých jsou diskrétní elektrické signály přicházející z elektronického CNC systému převedeny synchronními elektromotory na rotaci hřídele. Točivý moment vyvinutý působením signálů ovladače pohonu (CP) CNC systému z elektromotoru (EM) je vstupní hodnotou pro hydraulický zesilovač připojený přes mechanický převod (MP) k výkonnému orgánu (IO) obráběcího stroje (obr. 5).

Rýže. 5. Funkční schéma elektrohydraulického pohonu

Řízené otáčení rotoru elektromotoru pomocí vstupní transformace (VP) a hydraulického ventilu (GR) způsobuje otáčení hřídele hydromotoru (GM). Pro stabilizaci parametrů hydraulického zesilovače se obvykle používá vnitřní zpětná vazba.

V elektrických pohonech mechanismů se start-stop charakterem pohybu nebo kontinuálního pohybu našly uplatnění krokové motory (SM), které se řadí mezi typy synchronních elektromotorů. Impulsně buzené krokové motory jsou nejvhodnější pro přímé digitální řízení používané v CNC řízení.

Přerušovaný (krokový) pohyb rotoru pod určitým úhlem natočení pro každý impuls umožňuje získat dostatečně vysokou přesnost polohování s velmi velkým rozsahem kolísání rychlosti od téměř nuly.

Když použijete krokový motor v elektropohonu, je řízen zařízením obsahujícím logický regulátor a spínač (obr. 6).

Rýže. 6. Ovládací zařízení krokového motoru

Působením řídicího příkazu nchannel selection generuje řídicí jednotka CNC pohonu digitální signály pro ovládání spínače výkonového tranzistoru, který v požadovaném pořadí připojí stejnosměrné napětí k vinutí statoru. Pro získání malých hodnot úhlového posunutí v jednom kroku α = π / p je na rotor umístěn permanentní magnet s velkým počtem pólových párů p.