Električni pogoni za CNC stroje

Sodobni večnamenski stroji za rezanje kovin in industrijski roboti so opremljeni z večmotornimi električnimi pogoni, ki premikajo izvršna telesa vzdolž več koordinatnih osi (slika 1).

Krmiljenje delovanja CNC stroja se izvaja s standardnimi sistemi, ki generirajo ukaze v skladu s programom, definiranim v digitalni obliki. Ustvarjanje visoko zmogljivih mikrokrmilnikov in mikroračunalnikov z enim čipom, ki sestavljajo programabilno CPU jedro, je z njihovo pomočjo omogočilo samodejno izvajanje številnih geometrijskih in tehnoloških operacij ter neposredno digitalno krmiljenje električnega pogonskega sistema in elektro-avtomatizacija.

riž. 1. Pogonski sistem CNC rezkalnega stroja

Vrste električnih pogonov za CNC stroje in zahteve zanje

Postopek rezanja kovine poteka z medsebojnim premikanjem dela, ki ga je treba obdelati, in rezila rezalnega orodja.Električni pogoni so del kovinsko rezalnih strojev, ki so namenjeni izvajanju in reguliranju procesov obdelave kovin preko CNC sistema.

Pri obdelavi je običajno ločiti glavna gibanja, ki zagotavljajo nadzorovane rezalne procese med medsebojnim gibanjem orodja in obdelovanca, ter pomožna gibanja, ki olajšajo avtomatsko delovanje opreme (približevanje in odmik nadzornih orodij, menjava orodij in itd.).

Glavni vključujejo glavno rezalno gibanje, ki ima največjo hitrost in moč, ki zagotavlja] potrebno rezalno silo, pa tudi podajalno gibanje, ki je potrebno za premikanje delovnega telesa vzdolž prostorske poti z določeno hitrostjo. Za pridobitev površine izdelka z dano obliko delovna telesa stroja povedo obdelovancu in orodju, da se premakneta po želeni poti z nastavljeno hitrostjo in silo. Električni pogoni dajejo rotacijska in translacijska gibanja delovnim telesom, katerih kombinacije preko kinematične strukture strojev zagotavljajo potrebne medsebojne premike.

Namen in vrsta stroja za obdelavo kovin sta v veliki meri odvisna od oblike izdelanega dela (telo, gred, disk). Sposobnost večfunkcijskega stroja, da ustvari potrebna gibanja orodja in obdelovanca med obdelavo, je določena s številom koordinatnih osi in s tem s številom medsebojno povezanih električnih pogonov ter strukturo krmilnega sistema.

Trenutno se pogoni v glavnem izvajajo na podlagi zanesljivih AC motorji s frekvenčno regulacijoizvajajo digitalni regulatorji.Različne vrste električnih pogonov se izvajajo s tipičnimi industrijskimi moduli (slika 2).

riž. 2. Tipična funkcionalna shema električnega pogona

Minimalno sestavo električnih pogonskih blokov sestavljajo naslednji funkcionalni bloki:

• izvršni elektromotor (ED);

• frekvenčni pretvornik moči (HRC), ki pretvori električno moč industrijskega omrežja v trifazno napajalno napetost motorja zahtevane amplitude in frekvence;

• mikrokrmilnik (MC), ki opravlja funkcije krmilne enote (CU) in generatorja nalog (FZ).

Industrijska enota močnostnega frekvenčnega pretvornika vsebuje usmernik in močnostni pretvornik, ki ustvarjata sinusno napetost s potrebnimi parametri, določenimi s signali krmilne naprave z uporabo mikroprocesorskega krmiljenja izhodnega stikala PWM.

Algoritem za nadzor delovanja električnega pogona izvaja mikrokrmilnik z generiranjem ukazov, pridobljenih kot rezultat primerjave signalov generatorja nalog in podatkov, prejetih iz informacijsko-računalniškega kompleksa (IVC) na podlagi obdelave in analize signale iz nabora senzorjev.

Električni glavni pogon v večini aplikacij vsebuje indukcijski elektromotor z navitjem rotorja s kletko in menjalnikom kot mehanskim prenosom vrtenja na vreteno stroja. Menjalnik je pogosto zasnovan kot menjalnik z elektromehanskim daljinskim prestavljanjem.Električni pogon glavnega giba zagotavlja potrebno rezalno silo pri določeni hitrosti vrtenja, zato je namen regulacije hitrosti vzdrževanje konstantne moči.

Potreben obseg regulacije hitrosti vrtenja je odvisen od premerov predelanih izdelkov, njihovih materialov in številnih drugih dejavnikov. V sodobnih avtomatiziranih CNC strojih glavni pogon opravlja kompleksne funkcije, povezane z rezanjem navojev, obdelavo delov različnih premerov in še veliko več. To vodi do potrebe po zagotavljanju zelo velikega obsega nadzora hitrosti kot tudi uporabe reverzibilnega pogona. Pri večfunkcijskih strojih je zahtevano območje vrtilne frekvence lahko na tisoče ali več.

Zelo veliki razponi hitrosti so potrebni tudi v podajalnikih. Torej, pri konturnem rezkanju bi teoretično morali imeti neskončno območje hitrosti, saj se minimalna vrednost na nekaterih točkah nagiba k ničli. Pogosto se hitro premikanje delovnih teles v obdelovalnem območju izvaja tudi s podajalnikom, kar močno poveča obseg spremembe hitrosti in zaplete sisteme za krmiljenje pogona.

V hranilnikih se uporabljajo sinhroni motorji in brezkontaktni enosmerni motorji, v nekaterih primerih pa tudi asinhroni motorji. Zanje veljajo naslednje osnovne zahteve:

• širok razpon regulacije hitrosti;

• visoka končna hitrost;

• visoka zmogljivost preobremenitve;

• visoka zmogljivost med pospeševanjem in zaviranjem v načinu pozicioniranja;

• visoka natančnost pozicioniranja.

Stabilnost pogonskih karakteristik mora biti zagotovljena pri spremembah obremenitve, spremembah temperature okolja, napajalne napetosti in številnih drugih razlogov. To je olajšano z razvojem racionalnega prilagodljivega avtomatskega krmilnega sistema.

Mehanski del pogona stroja

Mehanski del pogona je lahko kompleksna kinematična struktura, ki vsebuje veliko delov, ki se vrtijo z različnimi hitrostmi. Običajno se razlikujejo naslednji elementi:

• rotor elektromotorja, ki ustvarja navor (vrtenje ali zaviranje);

• mehanski menjalnik, t, s. sistem, ki določa naravo gibanja (rotacijski, translacijski) in spreminja hitrost gibanja (reduktor);

• delovno telo, ki pretvarja energijo gibanja v koristno delo.

Asinhrono sledenje pogona glavnemu gibanju stroja za rezanje kovin

Sodobni nastavljivi električni pogon glavnega gibanja CNC obdelovalnih strojev temelji predvsem na asinhronih motorjih z navitjem kletkastega rotorja, čemur so pripomogli številni dejavniki, med katerimi je treba omeniti izboljšanje osnovne informacijske baze in močnostna elektronika.

Regulacija načinov motorjev z izmeničnim tokom se izvaja s spreminjanjem frekvence napajalne napetosti s pretvornikom moči, ki skupaj s frekvenčno regulacijo spreminja druge parametre.

Lastnosti sledilnega električnega pogona so v veliki meri odvisne od učinkovitosti vgrajenega ACS.Uporaba visoko zmogljivih mikrokrmilnikov je zagotovila široke možnosti za organizacijo sistemov za krmiljenje električnih pogonov.

riž. 3. Tipična krmilna struktura indukcijskega motorja z uporabo frekvenčnega pretvornika

Krmilnik pogona generira zaporedje številk za vklopno stikalo, ki uravnava delovanje elektromotorja. Krmilnik za avtomatizacijo zagotavlja potrebne lastnosti v načinih zagona in zaustavitve ter samodejno prilagajanje in zaščito opreme.

Strojni del računalniškega sistema vsebuje še: - analogno-digitalne in digitalno-analogne pretvornike za vnos signalov iz senzorjev in krmiljenje njihovega delovanja;

• Vhodni in izhodni moduli za analogne in digitalne signale, opremljeni z vmesniško opremo in kabelskimi priključki;

• vmesniški bloki, ki izvajajo notranji intermodulni prenos podatkov in komunikacijo z zunanjo opremo.

Veliko število nastavitev frekvenčnega pretvornika, ki jih je uvedel razvijalec, ob upoštevanju podrobnih podatkov določenega elektromotorja, zagotavlja določene postopke nadzora, med katerimi je mogoče opozoriti:

• večstopenjska regulacija hitrosti,

• zgornja in spodnja frekvenčna meja,

• omejitev navora,

• zaviranje z dovajanjem enosmernega toka v eno od faz motorja,

• zaščita pred preobremenitvijo, v primeru preobremenitve in pregretja pa zagotavlja način varčevanja z energijo.

Pogon na osnovi brezkontaktnih enosmernih motorjev

Pogoni strojnih orodij imajo visoke zahteve glede obsega krmiljenja hitrosti, linearnosti krmilnih karakteristik in hitrosti, saj določajo natančnost relativnega pozicioniranja orodja in dela ter hitrost njihovega gibanja.

Napajalni pogoni so bili izvedeni predvsem na podlagi enosmernih motorjev, ki so imeli potrebne krmilne lastnosti, hkrati pa je bila prisotnost mehanskega zbiralnika ščetk povezana z nizko zanesljivostjo, zahtevnostjo vzdrževanja in visoko stopnjo elektromagnetnih motenj.

Razvoj močnostne elektronike in digitalnih računalniških tehnologij je prispeval k njihovi zamenjavi v električnih pogonih z brezkontaktnimi enosmernimi motorji, kar je omogočilo izboljšanje energetskih lastnosti in povečanje zanesljivosti obdelovalnih strojev. Brezkontaktni motorji pa so relativno dragi zaradi zapletenosti krmilnega sistema.

Toda načelo delovanja brezkrtačnega motorja je enosmerni električni stroj z magnetoelektričnim induktorjem na rotorju in navitji armature na statorju. Število navitij statorja in število polov magnetov rotorja se izbere glede na zahtevane lastnosti motorja. Njihovo povečanje pomaga izboljšati vožnjo in vodljivost, vendar vodi do bolj zapletene zasnove motorja.

Pri pogonu strojev za rezanje kovin se uporablja predvsem struktura s tremi armaturnimi navitji, izdelanimi v obliki več povezanih odsekov, in vzbujevalni sistem trajnih magnetov z več pari polov (slika 4).

riž. 4. Funkcionalna shema brezkontaktnega enosmernega motorja

Navor nastane zaradi interakcije magnetnih tokov, ki jih ustvarjajo tokovi v navitjih statorja in trajni magneti rotorja. Stalna smer elektromagnetnega momenta je zagotovljena z ustrezno komutacijo, ki se na navitja statorja napaja z enosmernim tokom. Zaporedje priključitve navitij statorja na vir U se izvede s pomočjo močnostnih polprevodniških stikal, ki se preklopijo pod vplivom signalov iz razdelilnika impulzov pri dovajanju napetosti iz senzorjev položaja rotorja.

Pri nalogi regulacije načinov delovanja električnega pogona brezkontaktnih enosmernih motorjev se razlikujejo naslednja med seboj povezana vprašanja:

• razvoj algoritmov, metod in sredstev za krmiljenje elektromehanskega pretvornika z vplivanjem na fizikalne količine, ki so na voljo za merjenje;

• izdelava avtomatskega krmilnega sistema pogona z uporabo teorije in metod avtomatskega krmiljenja.

Elektrohidravlični pogon na osnovi koračnega motorja

V sodobnih obdelovalnih strojih so delno pogosti skupni elektrohidravlični pogoni (EGD), pri katerih se diskretni električni signali, ki prihajajo iz elektronskega CNC sistema, pretvorijo s sinhronimi elektromotorji v vrtenje gredi. Navor, ki se razvije pod delovanjem signalov krmilnika pogona (CP) CNC sistema iz elektromotorja (EM), je vhodna vrednost za hidravlični ojačevalnik, povezan z mehanskim prenosom (MP) na izvršni organ (IO) obdelovalnega stroja (slika 5).

riž. 5. Funkcijska shema elektrohidravličnega pogona

Uravnavano vrtenje rotorja elektromotorja s pomočjo vhodne transformacije (VP) in hidravličnega ventila (GR) povzroči vrtenje gredi hidravličnega motorja (GM). Za stabilizacijo parametrov hidravličnega ojačevalnika se običajno uporablja notranja povratna informacija.

V električnih pogonih mehanizmov s start-stop naravo gibanja ali neprekinjenega gibanja so našli uporabo koračni motorji (SM), ki so razvrščeni kot vrsta sinhronih elektromotorjev. Impulzno vzbujeni koračni motorji so najprimernejši za neposredno digitalno krmiljenje, ki se uporablja pri krmiljenju CNC.

Intermitentno (stopenjsko) gibanje rotorja pod določenim kotom vrtenja za vsak impulz omogoča pridobitev dovolj visoke natančnosti pozicioniranja z zelo velikim razponom variacije hitrosti od skoraj nič.

Ko v električnem pogonu uporabljate koračni motor, ga krmili naprava, ki vsebuje logični krmilnik in stikalo (slika 6).

riž. 6. Naprava za krmiljenje koračnega motorja

Pod delovanjem krmilnega ukaza za izbiro kanala CNC pogonski krmilnik generira digitalne signale za krmiljenje močnostnega tranzistorskega stikala, ki v zahtevanem zaporedju poveže enosmerno napetost z navitji statorja. Za pridobitev majhnih vrednosti kotnega premika v enem koraku α = π / p je na rotor nameščen trajni magnet z velikim številom parov polov p.