Električni pogoni za CNC strojeve

Moderni višenamjenski strojevi za rezanje metala i industrijski roboti opremljeni su višemotornim električnim pogonima koji pokreću izvršna tijela duž nekoliko koordinatnih osi (slika 1).

Upravljanje radom CNC stroja provodi se standardnim sustavima koji generiraju naredbe prema programu definiranom u digitalnom obliku. Stvaranje mikrokontrolera visokih performansi i mikroračunala s jednim čipom, koji čine programabilnu CPU jezgru, omogućilo je uz njihovu pomoć automatsko izvođenje mnogih geometrijskih i tehnoloških operacija, kao i izravno digitalno upravljanje električnim pogonskim sustavom i elektro-automatizacija.

Riža. 1. Pogonski sustav CNC glodalice

Vrste elektromotornih pogona za CNC strojeve i zahtjevi za njih

Proces rezanja metala odvija se međusobnim kretanjem dijela koji se obrađuje i oštrice alata za rezanje.Električni pogoni su dio strojeva za rezanje metala, koji su namijenjeni za izvođenje i upravljanje procesima obrade metala putem CNC sustava.

U obradi je uobičajeno odvajati glavna kretanja koja osiguravaju kontrolirane procese rezanja tijekom međusobnog kretanja alata i obratka, kao i pomoćna kretanja koja olakšavaju automatski rad opreme (približavanje i povlačenje nadzornih alata, izmjena alata i itd.).

Glavni uključuju glavno kretanje rezanja, koje ima najveću brzinu i snagu, što osigurava] potrebnu silu rezanja, kao i kretanje posmaka, koje je potrebno za pomicanje radnog tijela duž prostorne putanje zadanom brzinom. Da bi se dobila površina proizvoda zadanog oblika, radna tijela stroja govore izratku i alatu da se kreću željenom putanjom zadanom brzinom i silom. Električni pogoni daju rotacijska i translacijska gibanja radnim tijelima, čije kombinacije kroz kinematičku strukturu strojeva daju potrebne međusobne pomake.

Namjena i vrsta stroja za obradu metala uvelike ovisi o obliku izrađenog dijela (tijelo, osovina, disk). Sposobnost višenamjenskog stroja da generira potrebna kretanja alata i izratka tijekom strojne obrade određena je brojem koordinatnih osi, a time i brojem međusobno povezanih električnih pogona i strukturom upravljačkog sustava.

Trenutno se pogoni uglavnom izvode na temelju pouzdanih AC motori s frekvencijskom regulacijomprovode digitalni regulatori.Različiti tipovi električnih pogona implementirani su pomoću tipičnih industrijskih modula (slika 2).

Riža. 2. Tipična funkcionalna shema elektromotornog pogona

Minimalni sastav elektromotornih blokova sastoji se od sljedećih funkcionalnih blokova:

• izvršni elektromotor (ED);

• frekvencijski pretvarač snage (HRC), koji pretvara električnu snagu industrijske mreže u napon napajanja trofaznog motora potrebne amplitude i frekvencije;

• mikrokontroler (MC) koji obavlja funkcije upravljačke jedinice (CU) i generatora zadataka (FZ).

Industrijska jedinica pretvarača frekvencije snage sadrži ispravljač i pretvarač snage koji generiraju sinusni napon s potrebnim parametrima određenim signalima upravljačkog uređaja pomoću mikroprocesorske kontrole izlazne PWM sklopke.

Algoritam za upravljanje radom električnog pogona implementira mikrokontroler generiranjem naredbi dobivenih kao rezultat usporedbe signala generatora zadataka i podataka primljenih od informacijsko-računalnog kompleksa (IVC) na temelju obrade i analize signale iz skupa senzora.

Električni glavni pogonski pogon u većini primjena sadrži indukcijski elektromotor s kaveznim namotajem rotora i mjenjač kao mehanički prijenos rotacije na vreteno stroja. Mjenjač je često izveden kao mjenjač s elektromehaničkim daljinskim mijenjanjem brzina.Električni pogon glavnog pokreta osigurava potrebnu silu rezanja pri određenoj brzini vrtnje, pa je stoga svrha regulacije brzine održavanje konstantne snage.

Potreban raspon kontrole brzine vrtnje ovisi o promjerima proizvoda koji se obrađuju, njihovim materijalima i mnogim drugim čimbenicima. U modernim automatiziranim CNC strojevima glavni pogon obavlja složene funkcije vezane uz rezanje navoja, obradu dijelova različitih promjera i još mnogo toga. To dovodi do potrebe da se osigura vrlo veliki raspon kontrole brzine, kao i korištenje reverzibilnog pogona. U višenamjenskim strojevima, potreban raspon brzine vrtnje može biti tisuće ili više.

U hranilicama su također potrebni vrlo veliki rasponi brzina. Dakle, kod konturnog glodanja teoretski biste trebali imati beskonačan raspon brzine, budući da minimalna vrijednost teži nuli u nekim točkama. Često se brzo kretanje radnih tijela u području obrade također provodi pomoću dodavača, što uvelike povećava raspon promjene brzine i komplicira sustave upravljanja pogonom.

U napojnicama se koriste sinkroni motori i beskontaktni istosmjerni motori, au nekim slučajevima i asinkroni motori. Za njih se primjenjuju sljedeći osnovni zahtjevi:

• širok raspon regulacije brzine;

• velika najveća brzina;

• visoka sposobnost preopterećenja;

• visoke performanse tijekom ubrzavanja i usporavanja u načinu pozicioniranja;

• visoka točnost pozicioniranja.

Stabilnost pogonskih karakteristika mora biti zajamčena pri varijacijama opterećenja, promjenama temperature okoline, napona napajanja i mnogih drugih razloga. To je olakšano razvojem racionalnog adaptivnog sustava automatskog upravljanja.

Mehanički dio pogona stroja

Mehanički dio pogona može biti složena kinematička struktura koja sadrži mnogo dijelova koji se okreću različitim brzinama. Obično se razlikuju sljedeći elementi:

• rotor elektromotora koji stvara moment (rotirajući ili kočioni);

• mehanički prijenos, t, s. sustav koji određuje prirodu kretanja (rotacijski, translatorni) i mijenja brzinu kretanja (reduktor);

• radno tijelo koje energiju gibanja pretvara u koristan rad.

Praćenje asinkronog pogona glavnog gibanja stroja za rezanje metala

Suvremeni podesivi električni pogon glavnog pokreta CNC strojeva za obradu metala uglavnom se temelji na asinkronim motorima s kaveznim namotom rotora, što je olakšano mnogim čimbenicima, među kojima treba istaknuti poboljšanje elementarne informacijske baze i energetska elektronika.

Regulacija načina rada motora izmjenične struje provodi se promjenom frekvencije napona napajanja pomoću pretvarača snage, koji uz regulaciju frekvencije mijenja i druge parametre.

Karakteristike električnog pogona za praćenje uvelike ovise o učinkovitosti ugrađenog ACS-a.Korištenje mikrokontrolera visokih performansi pružilo je široke mogućnosti za organiziranje sustava upravljanja električnim pogonom.

Riža. 3. Tipična struktura upravljanja asinkronog motora pomoću pretvarača frekvencije

Regulator pogona generira nizove brojeva za sklopku napajanja koja regulira rad elektromotora. Regulator automatizacije osigurava potrebne karakteristike u načinima pokretanja i zaustavljanja, kao i automatsko podešavanje i zaštitu opreme.

Hardverski dio računalnog sustava također sadrži: - analogno-digitalne i digitalno-analogne pretvarače za unos signala sa senzora i upravljanje njihovim radom;

• Ulazni i izlazni moduli za analogne i digitalne signale, opremljeni opremom za sučelje i kabelskim priključcima;

• blokovi sučelja koji obavljaju unutarnji intermodulni prijenos podataka i komunikaciju s vanjskom opremom.

Velik broj postavki pretvarača frekvencije, koje je uveo programer, uzimajući u obzir detaljne podatke o određenom elektromotoru, osigurava određene postupke upravljanja, među kojima se može primijetiti:

• višestupanjska regulacija brzine,

• gornja i donja granica frekvencije,

• ograničenje momenta,

• kočenje dovođenjem istosmjerne struje u jednu od faza motora,

• zaštita od preopterećenja, ali u slučaju preopterećenja i pregrijavanja, pružanje načina uštede energije.

Pogon temeljen na beskontaktnim istosmjernim motorima

Pogoni alatnih strojeva imaju visoke zahtjeve za raspon regulacije brzine, linearnost regulacijskih karakteristika i brzine, jer oni određuju točnost međusobnog pozicioniranja alata i dijela, kao i brzinu njihovog kretanja.

Pogoni snage implementirani su uglavnom na temelju istosmjernih motora, koji su imali potrebne upravljačke karakteristike, ali istodobno je prisutnost mehaničkog kolektora četkica bila povezana s niskom pouzdanošću, složenošću održavanja i visokom razinom elektromagnetskih smetnji.

Razvoj energetske elektronike i digitalnih računalnih tehnologija pridonio je njihovoj zamjeni u električnim pogonima beskontaktnim istosmjernim motorima, što je omogućilo poboljšanje energetskih karakteristika i povećanje pouzdanosti alatnih strojeva. Međutim, beskontaktni motori su relativno skupi zbog složenosti sustava upravljanja.

Ali princip rada motora bez četkica je električni stroj istosmjerne struje s magnetoelektričnim induktorom na rotoru i namotajima armature na statoru. Broj namota statora i broj polova magneta rotora odabiru se ovisno o potrebnim karakteristikama motora. Njihovo povećanje pomaže u poboljšanju vožnje i upravljanja, ali dovodi do složenijeg dizajna motora.

Pri pogonu strojeva za rezanje metala uglavnom se koristi konstrukcija s tri armaturna namota, izrađena u obliku nekoliko spojenih sekcija, i uzbudni sustav trajnih magneta s nekoliko pari polova (slika 4).

Riža. 4. Funkcionalna shema beskontaktnog istosmjernog motora

Zakretni moment nastaje zbog interakcije magnetskih tokova stvorenih strujama u namotima statora i trajnih magneta rotora. Konstantan smjer elektromagnetskog momenta osigurava se odgovarajućom komutacijom koja se do namota statora dovodi istosmjernom strujom. Redoslijed spajanja namota statora na izvor U provodi se pomoću energetskih poluvodičkih sklopki, koje se prebacuju pod djelovanjem signala iz razvodnika impulsa pri dovodu napona iz senzora položaja rotora.

U zadatku reguliranja načina rada električnog pogona beskontaktnih istosmjernih motora razlikuju se sljedeća međusobno povezana pitanja:

• razvoj algoritama, metoda i sredstava za upravljanje elektromehaničkim pretvaračem utjecajem na fizikalne veličine dostupne za mjerenje;

• stvaranje sustava automatskog upravljanja pogonom korištenjem teorije i metoda automatskog upravljanja.

Elektrohidraulički pogon baziran na koračnom motoru

U modernim alatnim strojevima, spojni elektrohidraulički pogoni (EGD) su polu-uobičajeni, u kojima se diskretni električni signali koji dolaze iz elektroničkog CNC sustava pretvaraju sinkronim elektromotorima u rotaciju vratila. Okretni moment razvijen pod djelovanjem signala pogonskog regulatora (CP) CNC sustava iz elektromotora (EM) je ulazna vrijednost za hidrauličko pojačalo povezano preko mehaničkog prijenosa (MP) s izvršnim tijelom (IO) alatnog stroja (slika 5).

Riža. 5. Funkcionalna shema elektrohidrauličkog pogona

Upravljano okretanje rotora elektromotora pomoću ulazne transformacije (VP) i hidrauličkog ventila (GR) uzrokuje okretanje osovine hidromotora (GM). Kako bi se stabilizirali parametri hidrauličkog pojačala, obično se koristi unutarnja povratna veza.

U električnim pogonima mehanizama sa start-stop prirodom kretanja ili kontinuiranim kretanjem, primjenu su našli koračni motori (SM), koji se svrstavaju u vrstu sinkronih elektromotora. Impulsno pobuđeni koračni motori najprikladniji su za izravno digitalno upravljanje koje se koristi u CNC upravljanju.

Isprekidano (stupnjevito) kretanje rotora pod određenim kutom rotacije za svaki impuls omogućuje postizanje dovoljno visoke točnosti pozicioniranja s vrlo velikim rasponom varijacije brzine od gotovo nule.

Kada koristite koračni motor u električnom pogonu, njime upravlja uređaj koji sadrži logički kontroler i sklopku (slika 6).

Riža. 6. Uređaj za upravljanje koračnim motorom

Pod djelovanjem upravljačke naredbe za odabir kanala, CNC upravljački sklop generira digitalne signale za upravljanje prekidačem tranzistora snage, koji u potrebnom slijedu povezuje istosmjerni napon s namotima statora. Da bi se dobile male vrijednosti kutnog pomaka u jednom koraku α = π / p, na rotor se postavlja stalni magnet s velikim brojem pari polova p.