Електрически задвижвания за машини с ЦПУ

Съвременните многофункционални металорежещи машини и промишлени роботи са оборудвани с многомоторни електрически задвижвания, които преместват изпълнителните органи по няколко координатни оси (фиг. 1).

Контролът на работата на машина с ЦПУ се осъществява с помощта на стандартни системи, които генерират команди в съответствие с програма, определена в цифров вид. Създаването на високопроизводителни микроконтролери и едночипови микрокомпютри, които съставляват програмируемото ядро ​​с ЦПУ, направи възможно с тяхна помощ автоматично да изпълнява много геометрични и технологични операции, както и да извършва директно цифрово управление на системата за електрическо задвижване и електроавтоматика.

Ориз. 1. Задвижваща система на фреза с ЦПУ

Разновидности на електрически задвижвания за машини с ЦПУ и изисквания към тях

Процесът на рязане на метал се осъществява чрез взаимно движение на детайла, който ще се обработва, и острието на режещия инструмент. Електрическите задвижвания са част от металорежещи машини, които са предназначени за извършване и регулиране на металообработващите процеси чрез система с ЦПУ.

При обработката е обичайно да се отделят основните движения, които осигуряват контролирани процеси на рязане по време на взаимното движение на инструмента и детайла, както и спомагателни движения, които улесняват автоматичната работа на оборудването (приближаване и изтегляне на инструменти за наблюдение, подмяна на инструменти и др.).

Основните включват основното движение на рязане, което има най -висока скорост и мощност, което осигурява] необходимата сила на рязане, както и движението на подаване, необходимо за придвижване на работното тяло по пространствена траектория с дадена скорост. За да получат повърхността на продукта с дадена форма, работните органи на машината казват на детайла и инструмента да преместват желаната траектория със зададена скорост и сила. Електрическите задвижвания придават ротационни и транслационни движения на работните органи, чиито комбинации чрез кинематичната структура на машините осигуряват необходимите взаимни премествания.

Целта и видът на металообработващата машина до голяма степен зависи от формата на произвежданата част (тяло, вал, диск). Способността на многофункционалната машина да генерира движенията на инструмента и детайла, необходими по време на обработката, се определя от броя на координатните оси и следователно от броя на взаимосвързаните електрически задвижвания и структурата на системата за управление.

В момента задвижванията се изпълняват главно на базата на надеждни променливотокови двигатели с честотно управлениеосъществявано от цифрови регулатори. Различни видове електрически задвижвания се реализират с помощта на типични индустриални модули (фиг. 2).

Ориз. 2. Типична функционална схема на електрическо задвижване

Минималният състав на блоковете на електрическото задвижване се състои от следните функционални блокове:

• изпълнителен електродвигател (ED);

• честотен преобразувател на мощност (HRC), който преобразува електрическата мощност на промишлената мрежа в трифазно захранващо напрежение на двигателя с необходимата амплитуда и честота;

• микроконтролер (MC), който изпълнява функциите на контролно устройство (CU) и генератор на задачи (FZ).

Индустриалната единица на честотния преобразувател на мощност съдържа токоизправител и преобразувател на мощност, които генерират синусоидално напрежение с необходимите параметри, определени от сигналите на управляващото устройство, използвайки микропроцесорно управление на изходния ШИМ ключ.

Алгоритъмът за управление на работата на електрическото задвижване се осъществява от микроконтролера чрез генериране на команди, получени в резултат на сравняване на сигналите на генератора на задачи и данните, получени от информационно-изчислителния комплекс (IVC) въз основа на обработката и анализа на сигнали от набор от сензори.

Електрическото задвижване на основното движение в повечето приложения съдържа асинхронен електродвигател с намотка на ротора в клетка на катерица и скоростна кутия като механично предаване на въртене към шпиндела на машината. Скоростната кутия често е проектирана като скоростна кутия с електромеханично дистанционно превключване на предавките. Електрическото задвижване на основното движение осигурява необходимата сила на рязане при определена скорост на въртене и следователно целта на регулирането на скоростта е да се поддържа постоянна мощност.

Необходимият диапазон за контрол на скоростта на въртене зависи от диаметрите на преработените продукти, техните материали и много други фактори. В съвременните автоматизирани машини с ЦПУ главното задвижване изпълнява сложни функции, свързани с рязане на резба, обработка на части с различни диаметри и много други. Това води до необходимостта да се осигури много голям диапазон на контрол на скоростта, както и използването на реверсивно задвижване. При многофункционални машини необходимия диапазон на скоростта на въртене може да бъде хиляди или повече.

При захранващите устройства също са необходими много големи диапазони на скоростта. Така че, при контурно фрезоване теоретично трябва да имате безкраен диапазон на скоростта, тъй като минималната стойност в някои точки се стреми към нула. Често бързото придвижване на работните органи в зоната за обработка се осъществява и чрез захранващо устройство, което значително увеличава обхвата на промяна на скоростта и усложнява системите за управление на задвижването.

В захранващите устройства се използват синхронни двигатели и безконтактни DC двигатели, както и в някои случаи асинхронни двигатели. Към тях се налагат следните основни изисквания:

• широк диапазон на регулиране на скоростта;

• висока максимална скорост;

• висок капацитет на претоварване;

• висока производителност по време на ускорение и забавяне в режим на позициониране;

• голяма точност на позициониране.

Стабилността на характеристиките на задвижването трябва да бъде гарантирана при вариации на натоварване, промени в околната температура, захранващо напрежение и много други причини. Това се улеснява от разработването на рационална адаптивна система за автоматично управление.

Механична част на задвижването на машината

Механичната част на задвижването може да бъде сложна кинематична структура, съдържаща много части, въртящи се с различни скорости. Обикновено се разграничават следните елементи:

• ротор на електродвигател, който създава въртящ момент (въртящ се или спирачен);

• механична трансмисия, t, s. система, която определя естеството на движението (ротационно, транслационно) и променя скоростта на движение (редуктор);

• работно тяло, което превръща енергията на движението в полезна работа.

Проследяване на асинхронно задвижване на основното движение на металорежещата машина

Съвременното регулируемо електрическо задвижване на основното движение на металообработващите машини с ЦПУ се основава главно на асинхронни двигатели с намотка на ротора в клетка, което беше улеснено от много фактори, сред които трябва да се отбележи подобряването на елементарната база на информацията и силова електроника.

Регулирането на режимите на променливотокови двигатели се извършва чрез промяна на честотата на захранващото напрежение с помощта на преобразувател на мощност, който наред с регулирането на честотата променя други параметри.

Характеристиките на проследяващото електрическо задвижване до голяма степен зависят от ефективността на вградената ACS. Използването на високопроизводителни микроконтролери е предоставило широки възможности за организиране на системи за управление на електрическо задвижване.

Ориз. 3. Типична структура на управление на асинхронния двигател с помощта на честотен преобразувател

Задвижващият контролер генерира последователности от числа за превключвателя на захранването, който регулира работата на електродвигателя. Контролерът за автоматизация осигурява необходимите характеристики в режимите на стартиране и спиране, както и автоматично настройване и защита на оборудването.

Хардуерната част на изчислителната система съдържа също:-аналогово-цифрови и цифрово-аналогови преобразуватели за въвеждане на сигнали от сензори и контрол на тяхната работа;

• входни и изходни модули за аналогови и цифрови сигнали, оборудвани с интерфейсно оборудване и кабелни конектори;

• интерфейсни блокове, които осъществяват вътрешно интермодулно предаване на данни и комуникация с външно оборудване.

Голям брой настройки на честотния преобразувател, въведени от разработчика, като се вземат предвид подробните данни за конкретен електродвигател, предоставят определени процедури за управление, сред които може да се отбележи:

• многостепенна регулация на скоростта,

• горна и долна граница на честотата,

• ограничение на въртящия момент,

• спиране чрез подаване на постоянен ток към една от фазите на двигателя,

• защита срещу претоварване, но при претоварване и прегряване, осигурявайки режим на пестене на енергия.

Задвижвайте на базата на безконтактни DC двигатели

Задвижващите задвижвания на металорежещи машини имат високи изисквания за обхвата на контрол на скоростта, линейност на характеристиките на управление и скоростта, тъй като те определят точността на взаимното позициониране на инструмента и частта, както и скоростта на тяхното движение.

Захранващите задвижвания бяха реализирани главно на базата на DC двигатели, които имаха необходимите контролни характеристики, но в същото време наличието на механичен четков колектор беше свързан с ниска надеждност, сложност на поддръжката и високо ниво на електромагнитни смущения.

Развитието на силовата електроника и цифровите изчислителни технологии допринесе за замяната им в електрически задвижвания с безконтактни двигатели с постоянен ток, което направи възможно подобряването на енергийните характеристики и повишаването на надеждността на машинните инструменти. Безконтактните двигатели обаче са сравнително скъпи поради сложността на системата за управление.

Но принципът на работа на безчетков двигател е електрическа машина с постоянен ток с магнитоелектричен индуктор върху ротора и намотки на котвата на статора. Броят на намотките на статора и броят на полюсите на магнитите на ротора се избират в зависимост от необходимите характеристики на двигателя. Тяхното увеличаване спомага за подобряване на карането и управлението, но води до по -сложен дизайн на двигателя.

При задвижване на металорежещи машини се използват предимно конструкция с три арматурни намотки, направени под формата на няколко свързани секции, и система за възбуждане от постоянни магнити с няколко двойки полюси (фиг. 4).

Ориз. 4. Функционална схема на безконтактен DC двигател

Въртящият момент се образува поради взаимодействието на магнитните потоци, създадени от токове в намотките на статора и постоянните магнити на ротора. Постоянната посока на електромагнитния момент се осигурява чрез подходяща комутация, подадена към намотките на статора с постоянен ток. Последователността на свързване на намотките на статора към източника Uтя се осъществява чрез силови полупроводникови превключватели, които се превключват под действието на сигнали от разпределителя на импулси при подаване на напрежение от сензорите за положение на ротора.

В задачата за регулиране на режимите на работа на електрическо задвижване на безконтактни двигатели с постоянен ток се разграничават следните взаимосвързани въпроси:

• разработване на алгоритми, методи и средства за управление на електромеханичен преобразувател чрез въздействие върху наличните за измерване физически величини;

• създаване на система за автоматично управление на задвижването, използвайки теорията и методите за автоматично управление.

Електрохидравлично задвижване на базата на стъпков двигател

В съвременните металорежещи машини съвместните електрохидравлични задвижвания (EGD) са полуразпространени, при които дискретни електрически сигнали, идващи от електронна система с ЦПУ, се преобразуват чрез синхронни електродвигатели във въртене на вала. Въртящият момент, развит под действието на сигналите на задвижващия контролер (КП) на системата с ЦПУ от електродвигателя (ЕМ), е входната стойност за хидравличния усилвател, свързан чрез механичната трансмисия (МП) с изпълнителния орган (IO ) на машинния инструмент (фиг. 5).

Ориз. 5. Функционална схема на електрохидравличното задвижване

Контролираното въртене на ротора на електродвигателя посредством входната трансформация (VP) и хидравличния клапан (GR) води до въртене на вала на хидравличния двигател (GM). За да се стабилизират параметрите на хидравличния усилвател, обикновено се използва вътрешна обратна връзка.

В електрическите задвижвания на механизми със старт-стоп характер на движение или непрекъснато движение, стъпкови двигатели (SM) са намерили приложение, които са класифицирани като вид синхронни електродвигатели. Стъпковите двигатели с импулсно възбуждане са най-подходящи за директно цифрово управление, използвано при управление с ЦПУ.

Прекъсващото (поетапно) движение на ротора под определен ъгъл на въртене за всеки импулс дава възможност да се получи достатъчно висока точност на позициониране с много голям диапазон на изменение на скоростта от почти нула.

Когато използвате стъпков двигател в електрическо задвижване, той се управлява от устройство, съдържащо логически контролер и комутатор (фиг. 6).

Ориз. 6. Устройство за управление на стъпков двигател

Под действието на командата за контрол на избора нканал, контролерът на задвижването с ЦПУ генерира цифрови сигнали за управление на захранващия транзисторен превключвател, който в необходимата последователност свързва постоянното напрежение към намотките на статора. За получаване на малки стойности на ъглово изместване в една стъпка α = π / p върху ротора е поставен постоянен магнит с голям брой двойки полюси p.