Elektrické pohony pre CNC stroje

Moderné multifunkčné kovoobrábacie stroje a priemyselné roboty sú vybavené viacmotorovými elektrickými pohonmi, ktoré pohybujú výkonné orgány pozdĺž niekoľkých súradnicových osí (obr. 1).

Riadenie prevádzky CNC stroja sa vykonáva pomocou štandardných systémov, ktoré generujú príkazy v súlade s programom definovaným v digitálnej forme. Vytvorenie vysokovýkonných mikrokontrolérov a jednočipových mikropočítačov, ktoré tvoria programovateľné jadro CPU, umožnilo s ich pomocou automaticky vykonávať mnohé geometrické a technologické operácie, ako aj priame digitálne riadenie systému elektrického pohonu a elektro-automatizácia.

Ryža. 1. Systém pohonu CNC frézy

Typy elektrických pohonov pre CNC stroje a požiadavky na ne

Proces rezania kovu sa uskutočňuje vzájomným pohybom spracovávanej časti a čepele rezného nástroja.Elektrické pohony sú súčasťou obrábacích strojov, ktoré sú určené na vykonávanie a reguláciu kovoobrábacích procesov prostredníctvom CNC systému.

Pri spracovaní je zvykom oddeľovať hlavné pohyby, ktoré zabezpečujú riadené rezné procesy pri vzájomnom pohybe nástroja a obrobku, ako aj pomocné pohyby, ktoré uľahčujú automatickú prevádzku zariadenia (približovanie a vysúvanie monitorovacích nástrojov, výmena nástrojov a atď.).

Medzi hlavné patrí hlavný rezný pohyb, ktorý má najvyššiu rýchlosť a výkon, ktorý poskytuje] potrebnú reznú silu, ako aj posuvný pohyb, ktorý je potrebný na pohyb pracovného telesa po priestorovej trajektórii pri danej rýchlosti. Aby sa získal povrch výrobku s daným tvarom, pracovné telesá stroja povedia obrobku a nástroju, aby sa pohybovali po požadovanej trajektórii s nastavenou rýchlosťou a silou. Elektrické pohony dávajú pracovným telesám rotačné a translačné pohyby, ktorých kombinácie prostredníctvom kinematickej štruktúry strojov zabezpečujú potrebné vzájomné posuny.

Účel a typ kovoobrábacieho stroja do značnej miery závisí od tvaru vyrábaného dielu (telo, hriadeľ, kotúč). Schopnosť multifunkčného stroja generovať pohyby nástroja a obrobku potrebné pri obrábaní je daná počtom súradnicových osí a teda počtom vzájomne prepojených elektrických pohonov a štruktúrou riadiaceho systému.

V súčasnosti sa pohony vykonávajú hlavne na základe spoľahlivosti AC motory s reguláciou frekvencierealizované digitálnymi regulátormi.Rôzne typy elektrických pohonov sú realizované pomocou typických priemyselných modulov (obr. 2).

Ryža. 2. Typická funkčná schéma elektrického pohonu

Minimálne zloženie blokov elektrického pohonu pozostáva z nasledujúcich funkčných blokov:

• výkonný elektromotor (ED);

• frekvenčný menič výkonu (HRC), ktorý premieňa elektrický výkon priemyselnej siete na napájacie napätie trojfázového motora s požadovanou amplitúdou a frekvenciou;

• mikrokontrolér (MC), ktorý vykonáva funkcie riadiacej jednotky (CU) a generátora úloh (FZ).

Priemyselná jednotka výkonového frekvenčného meniča obsahuje usmerňovač a výkonový menič, ktoré generujú sínusové napätie s potrebnými parametrami určenými signálmi riadiaceho zariadenia pomocou mikroprocesorového riadenia výstupného PWM spínača.

Algoritmus na riadenie činnosti elektrického pohonu implementuje mikrokontrolér generovaním príkazov získaných ako výsledok porovnania signálov generátora úloh a dát prijatých z informačno-výpočtového komplexu (IVC) na základe spracovania a analýzy signály zo súpravy zo snímačov.

Elektrický pohon hlavného ťahača vo väčšine aplikácií obsahuje indukčný elektromotor s vinutím rotora nakrátko a prevodovku ako mechanický prenos otáčania na vreteno stroja. Prevodovka je často riešená ako prevodovka s elektromechanickým diaľkovým radením prevodových stupňov.Elektrický pohon hlavného pohybu poskytuje potrebnú reznú silu pri určitej rýchlosti otáčania, a preto je účelom regulácie rýchlosti udržiavať konštantný výkon.

Potrebný rozsah regulácie rýchlosti otáčania závisí od priemerov spracovávaných produktov, ich materiálov a mnohých ďalších faktorov. V moderných automatizovaných CNC strojoch hlavný pohon vykonáva komplexné funkcie súvisiace s rezaním závitov, obrábaním dielov rôznych priemerov a oveľa viac. To vedie k potrebe poskytnúť veľmi veľký rozsah regulácie rýchlosti, ako aj použitie reverzibilného pohonu. V multifunkčných strojoch môže byť požadovaný rozsah rýchlosti otáčania tisíce alebo viac.

V podávačoch sú potrebné aj veľmi veľké rozsahy otáčok. Takže pri frézovaní obrysov by ste teoreticky mali mať nekonečný rozsah otáčok, pretože minimálna hodnota má v niektorých bodoch tendenciu k nule. Rýchly pohyb pracovných telies v oblasti spracovania často vykonáva aj podávač, čo značne zvyšuje rozsah zmeny rýchlosti a komplikuje systémy riadenia pohonu.

V podávačoch sa používajú synchrónne motory a bezkontaktné jednosmerné motory, v niektorých prípadoch aj asynchrónne motory. Vzťahujú sa na ne tieto základné požiadavky:

• široký rozsah regulácie rýchlosti;

• vysoká maximálna rýchlosť;

• vysoká kapacita preťaženia;

• vysoký výkon pri zrýchľovaní a spomaľovaní v režime polohovania;

• vysoká presnosť polohovania.

Stabilita charakteristík pohonu musí byť zaručená pri zmenách zaťaženia, zmenách teploty okolia, napájacieho napätia a mnohých iných dôvodov. To je uľahčené vývojom racionálneho adaptívneho automatického riadiaceho systému.

Mechanická časť pohonu stroja

Mechanická časť pohonu môže byť zložitá kinematická štruktúra obsahujúca veľa častí rotujúcich rôznymi rýchlosťami. Zvyčajne sa rozlišujú tieto prvky:

• rotor elektrického motora, ktorý vytvára krútiaci moment (rotačný alebo brzdný);

• mechanická prevodovka, t, s. systém, ktorý určuje charakter pohybu (rotačný, translačný) a mení rýchlosť pohybu (reduktor);

• pracovné telo, ktoré premieňa energiu pohybu na užitočnú prácu.

Asynchrónne sledovanie pohybu hlavného pohybu obrábacieho stroja

Moderný nastaviteľný elektrický pohon hlavného stroja CNC kovoobrábacích strojov je založený najmä na asynchrónnych motoroch s klietkovým rotorovým vinutím, čo bolo uľahčené mnohými faktormi, medzi ktoré treba poznamenať zlepšenie základnej informačnej základne a výkonovej elektroniky.

Regulácia režimov striedavých motorov sa uskutočňuje zmenou frekvencie napájacieho napätia pomocou výkonového meniča, ktorý spolu s reguláciou frekvencie mení ďalšie parametre.

Charakteristiky sledovacieho elektrického pohonu do značnej miery závisia od účinnosti zabudovaného ACS.Použitie vysokovýkonných mikrokontrolérov poskytlo široké možnosti organizácie riadiacich systémov elektrického pohonu.

Ryža. 3. Typická riadiaca štruktúra indukčného motora pomocou frekvenčného meniča

Regulátor pohonu generuje sekvencie čísel pre vypínač, ktorý reguluje činnosť elektromotora. Regulátor automatizácie poskytuje potrebné charakteristiky v režime štart a stop, ako aj automatické nastavenie a ochranu zariadenia.

Hardvérová časť výpočtového systému ďalej obsahuje: - analógovo-digitálne a digitálno-analógové prevodníky pre vstup signálov zo snímačov a riadenie ich činnosti;

• vstupné a výstupné moduly pre analógové a digitálne signály vybavené rozhraním a káblovými konektormi;

• bloky rozhrania, ktoré vykonávajú interný medzimodulový prenos dát a komunikáciu s externým zariadením.

Veľké množstvo nastavení frekvenčného meniča, ktoré zaviedol vývojár, berúc do úvahy podrobné údaje konkrétneho elektromotora, poskytuje určité riadiace postupy, medzi ktorými je možné uviesť:

• viacstupňová regulácia rýchlosti,

• horná a dolná hranica frekvencie,

• limit krútiaceho momentu,

• brzdenie dodávaním jednosmerného prúdu do jednej z fáz motora,

• ochrana proti preťaženiu, ale v prípade preťaženia a prehriatia poskytuje režim úspory energie.

Pohon založený na bezkontaktných jednosmerných motoroch

Pohony obrábacích strojov majú vysoké požiadavky na rozsah regulácie otáčok, lineárnosť riadiacich charakteristík a otáčok, nakoľko určujú presnosť vzájomného polohovania nástroja a súčiastky, ako aj rýchlosť ich pohybu.

Výkonové pohony boli realizované prevažne na báze jednosmerných motorov, ktoré mali potrebné riadiace charakteristiky, no zároveň prítomnosť mechanického kefového zberača súvisela s nízkou spoľahlivosťou, náročnosťou údržby a vysokou úrovňou elektromagnetického rušenia.

Rozvoj výkonovej elektroniky a digitálnych výpočtových technológií prispel k ich nahradeniu v elektrických pohonoch bezkontaktnými jednosmernými motormi, čo umožnilo zlepšiť energetické charakteristiky a zvýšiť spoľahlivosť obrábacích strojov. Bezkontaktné motory sú však vzhľadom na zložitosť riadiaceho systému pomerne drahé.

Princíp činnosti bezkomutátorového motora je však jednosmerný elektrický stroj s magnetoelektrickým induktorom na rotore a vinutím kotvy na statore. Počet statorových vinutí a počet pólov magnetov rotora sa volí v závislosti od požadovaných charakteristík motora. Ich zvýšenie pomáha zlepšiť jazdné vlastnosti a ovládateľnosť, ale vedie k zložitejšej konštrukcii motora.

Pri pohone kovoobrábacích strojov sa používa najmä konštrukcia s tromi vinutiami kotvy, vyhotovená vo forme niekoľkých spojených sekcií, a budiaci systém permanentných magnetov s niekoľkými pármi pólov (obr. 4).

Ryža. 4. Funkčná schéma bezkontaktného jednosmerného motora

Krútiaci moment sa vytvára v dôsledku interakcie magnetických tokov vytvorených prúdmi vo vinutí statora a permanentnými magnetmi rotora. Konštantný smer elektromagnetického momentu je zabezpečený vhodnou komutáciou privádzanou do vinutí statora jednosmerným prúdom. Postupnosť pripojenia vinutí statora k zdroju U sa vykonáva pomocou výkonových polovodičových spínačov, ktoré sa spínajú pôsobením signálov z rozdeľovača impulzov pri napájaní napätia zo snímačov polohy rotora.

V úlohe regulácie prevádzkových režimov elektrického pohonu bezkontaktných jednosmerných motorov sa rozlišujú tieto vzájomne súvisiace problémy:

• vývoj algoritmov, metód a prostriedkov na riadenie elektromechanického meniča ovplyvňovaním fyzikálnych veličín dostupných na meranie;

• vytvorenie systému automatického riadenia pohonu s využitím teórie a metód automatického riadenia.

Elektrohydraulický pohon na báze krokového motora

V moderných obrábacích strojoch sú polobežné spoločné elektrohydraulické pohony (EGD), v ktorých sú diskrétne elektrické signály prichádzajúce z elektronického CNC systému prevedené synchrónnymi elektromotormi na rotáciu hriadeľa. Krútiaci moment vyvinutý pôsobením signálov ovládača pohonu (CP) CNC systému z elektromotora (EM) je vstupnou hodnotou pre hydraulický zosilňovač pripojený cez mechanický prevod (MP) k výkonnému orgánu (IO) obrábacieho stroja (obr. 5).

Ryža. 5. Funkčná schéma elektrohydraulického pohonu

Riadené otáčanie rotora elektromotora pomocou vstupnej transformácie (VP) a hydraulického ventilu (GR) spôsobuje otáčanie hriadeľa hydromotora (GM). Na stabilizáciu parametrov hydraulického zosilňovača sa zvyčajne používa vnútorná spätná väzba.

V elektrických pohonoch mechanizmov so štart-stop charakterom pohybu alebo kontinuálneho pohybu našli uplatnenie krokové motory (SM), ktoré sa zaraďujú medzi typy synchrónnych elektromotorov. Impulzne budené krokové motory sú najvhodnejšie pre priame digitálne riadenie používané v CNC riadení.

Prerušovaný (krokový) pohyb rotora pri určitom uhle otáčania pre každý impulz umožňuje získať dostatočne vysokú presnosť polohovania s veľmi veľkým rozsahom kolísania rýchlosti od takmer nuly.

Keď použijete krokový motor v elektrickom pohone, je riadený zariadením obsahujúcim logický ovládač a spínač (obr. 6).

Ryža. 6. Ovládacie zariadenie krokového motora

Pod pôsobením riadiaceho príkazu nchannel selection generuje riadiaca jednotka CNC pohonu digitálne signály na ovládanie spínača výkonového tranzistora, ktorý v požadovanom poradí pripája jednosmerné napätie k vinutiu statora. Na získanie malých hodnôt uhlového posunu v jednom kroku α = π / p je na rotor umiestnený permanentný magnet s veľkým počtom pólových párov p.