Электроприводы станков с ЧПУ

Электроприводы станков с ЧПУ

Классификация электроприводов станков с ЧПУ. Электроприводы станков с числовым программным управлением классифицируются следующим образом [15]:

  • 1. Электроприводы подачи, предназначенные для решения функции формообразования обрабатываемой детали, т.е. для перемещения режущего инструмента относительно детали (или, наоборот, детали относительно инструмента) по траектории, заданной в управляющей технологической программе.
  • 2. Электроприводы главного движения, предназначенные для выполнения основной функции станка — технологической обработки детали путем съема металла и приведения заготовки к виду, определенному рабочим чертежом. Привод главного движения приводит во вращение:
    • • шпиндель фрезерного станка;
    • • патрон токарного станка;
    • • планшайбу карусельного станка;
    • • шлифовальный круг шлифовального станка и т.д.
  • 3. Вспомогательные приводы, предназначенные для обеспечения нормального функционирования остальных механизмов станка (гидростанция, охлаждение, смазка направляющих и коробки скоростей, транспортер уборки стружки, механизмы зажима инструмента и детали, перемещение поперечины, управление инструментальными магазинами и др.).

В качестве электроприводов подачи и главного движения применяются комплектные промышленные регулируемые электроприводы как постоянного, так и переменного тока. В настоящее время преимущественно применяются электроприводы переменного тока, так как современное состояние теории управления и элементной базы позволило создать высоконадежные электроприводы переменного тока, регулировочные свойства которых не уступают, а подчас и превосходят характеристики приводов постоянного тока.

В качестве вспомогательного электропривода в основном используется нерегулируемый асинхронный электропривод.

Для того чтобы правильно выбрать и наладить станочный электропривод, необходимо изучить:

  • • кинематическую схему соответствующего механизма стайка и требования к электроприводу;
  • • регулировочные свойства и технические характеристики электродвигателей;
  • • принципы построения, технические характеристики, схему подключения и систему параметров электропривода.

Также необходимо уметь проектировать схемы управления электроприводами на различной элементной базе. Ниже приводятся краткие сведения, касающиеся работы с электроприводами подачи металлорежущих станков с числовым программным управлением.

Электроприводы подачи металлорежущих станков с ЧПУ выполняют функцию формообразования но программе, заданной системой управления. Перемещение обрабатываемой детали и обрабатывающего инструмента осуществляется в заданной системе координат. В станках с ЧПУ оси координат обозначаются согласно международному стандарту следующими буквами латинского алфавита:

  • • X, Y, Z — первичные линейные оси (см. рис. 9.4);
  • • А, В, С — круговые оси вращения вокруг линейных осей X, Y, Z;
  • • U, V, W — вторичные линейные оси, параллельные первичным осям, но с другим (смещенным) началом координат.

Электроприводы подачи можно классифицировать по следующим критериям 1151:

  • по роду тока:
    • а) постоянного тока;
    • б) переменного тока;
  • по принципу работы и регулировочной способности:
    • а) нерегулируемые;
    • б) регулируемые;
    • в) следящие;
    • г) шаговые;
  • по элементной базе силовой цепи:
    • а) тиристорные;
    • б) транзисторные;
  • по принципу управления:
    • а) с фазовым управлением;
    • б) широтно-импульсным управлением;
    • в) частотным управлением;
    • г) частотно-токовым управлением;
    • д) векторным управлением;
  • по типу управления:
    • а) с аналоговым управлением;
    • б) цифровым управлением.

Основными требованиями к приводам подачи являются:

  • • технологическое регулирование при постоянстве предельного момента’,
  • • широкий диапазон регулирования;
  • • высокая равномерность работы на низких скоростях;
  • • высокая надежность работы.

Структура электроприводов подачи. Современный регулируемый или следящий электропривод представляет собой сложную автоматическую систему [15]. Функциональная схема следящего привода подачи на примере привода постоянного тока, включающая в себя электромеханическую часть (электродвигатель и исполнительный механизм), силовую часть и систему управления, показана на рис. 9.11.

Здесь приняты следующие обозначения:

ТР — преобразовательный трансформатор;

ТП — тиристорный преобразователь;

СИФУ — система импульсно-фазового управления;

РП, PC и РТ — регуляторы положения, скорости и тока;

УР — уравнительные реакторы;

ИМ — исполнительный механизм;

ДТ — датчик тока;

ТГ — тахогенератор (датчик скорости ДС);

ДП — датчик положения;

ФП, ФС, ФТ — формирователи сигналов обратной связи по положению, скорости и току.

Нагрузкой преобразователя здесь является высокомоментный электродвигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Уравнительные однофазные реакторы УР ограничивают уравнительные токи, протекающие в силовой части преобразователя, минуя цепь электродвигателя. Система импульсно-фазового управления предназначена для формирования импульсов управления силовыми тиристорами преобразователя ТП. Изменяя момент открытия тиристоров, можно регулировать значение выходного напряжения ТП от нуля до номинального.

Каждый электрик должен знать:  Управление наружным освещением промышленных предприятий

Рис. 9.11. Классическая функциональная схема следящего электропривода

Система управления электроприводом выполнена по классической структуре подчиненного регулирования, включающей три замкнутых контура — три регулятора:

  • • первый — внутренний пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор тока (РТ);
  • • второй — ПИ-регулятор скорости (PC);
  • • третий — внешний пропорциональный (П) регулятор положения (РП).

Таким образом, в схеме контролируются три параметра электропривода,

или три координаты системы регулирования: положение объекта, частота вращения и ток электродвигателя.

Промышленный регулируемый комплектный электропривод, предназначенный для регулирования и поддержания на заданном уровне частоты вращения двигателя, в его классической структуре имеет только два контура регулирования — тока и скорости. Пропорционально-интегральный регулятор тока в системе регулирования компенсирует электромагнитную постоянную времени, а ПИ-регулятор скорости — электромеханическую постоянную времени, для того чтобы получить минимальное время реакции на ступенчатое управляющее воздействие.

В станках с числовым программным управлением используются следящие электроприводы, имеющие три контура регулирования: тока, скорости и положения. Контур регулирования положения организуется в системе числового программного управления и замыкает обратную связь по положению, обеспечивая тем самым отработку с требуемой точностью заданной в программе траектории движения.

Следящие приводы и автоматические регуляторы работают одинаковым образом: их действие основано на принципе уменьшения рассогласования — разности между величинами входного и выходного сигналов, выраженными в одинаковых единицах измерения. Для вычисления этой разности, называемой ошибкой, на входе регуляторов каждого из контуров служит сравнивающее устройство, на один вход которого подается задающий сигнал, а на другой вход — сигнал обратной связи, характеризующий физическое значение выходного параметра. Выходное напряжение регулятора служит задающим сигналом для последующего контура регулирования. Достоинством данной структуры является возможность простыми средствами ограничивать любую из координат системы. Для этого достаточно ограничить предельное выходное напряжение регулятора, вырабатывающего задание для данной координаты на соответствующем уровне. Пределы ограничения могут быть неизменными либо изменяться по заданному закону.

Подчеркнем, что разница между регулятором и следящим приводом заключается лишь в том, что автоматический регулятор поддерживает заданный параметр неизменным независимо от изменения нагрузки или каких-либо воздействий внешней среды. Входной сигнал у автоматического регулятора является величиной постоянной. У следящего привода технологического оборудования, в том числе у приводов станков с программным управлением, входной сигнал регулятора положения РП изменяется по определенному заранее известному и заданному программой закону. Задачей следящего привода является точная отработка этого изменяющегося сигнала. Именно система ЧПУ, включенная в третий контур, делает регулируемый привод следящим приводом.

Оптимизацию системы регулирования производят путем последовательной настройки отдельных контуров, начиная с первого внутреннего контура и кончая последним внешним контуром, исходя из условия достижения минимального времени реакции на ступенчатое управляющее воздействие и минимальной статической ошибки.

Важное значение в электромеханической структуре следящего электропривода имеет место установки датчика положения ДП: оно определяет тип структуры электропривода (замкнутый или полузамкнутый).

По принципу работы, способу измерения и преобразования измерительной информации в устройстве ЧПУ датчики положения ДП можно разделить на две группы:

1. Циклические аналоговые.

К ним относятся:

  • • вращающиеся трансформаторы;
  • • резольверы;
  • • сельсины;
  • • линейные и круговые индуктосины;
  • 2. Импульсные линейные и круговые фотоэлектрические.

К ним относятся:

  • • относительные, определяющие относительное перемещение в заданной системе координат;
  • • абсолютные, определяющие реальные координаты перемещаемого объекта.

В замкнутой структуре датчик положения ДП (линейный датчик для линейных осей и круговой — для поворотных осей) устанавливают непосредственно на конечном звене управляемого механизма, т.е. обратной связью охватывается вся механическая передача привода (рис. 9.12, в). При этом теоретически достигается максимальная точность работы следящего электропривода, однако усложняется его наладка и обеспечение устойчивой работы.

В полузамкнутой структуре датчик положения (импульсный цифровой, вращающийся трансформатор или резольвер) устанавливают на одном из промежуточных звеньев, поэтому какая-то часть механической передачи оказывается вне контура следящего привода (рис. 9.12, а, б, г). При этом ухудшается точность работы следящего электропривода, однако упрощается его наладка.

Каждый электрик должен знать:  Схемы подключения УЗО и дифференциальных автоматов

В связи с тем что современные системы ЧПУ позволяют компенсировать погрешности изготовления шариковых винтовых пар, а также механический люфт в передачах, такая структура, в силу ее простоты, находит широкое применение. При этом, как правило, используется датчик, уже встроенный в электродвигатель.

Рис. 9.12. Возможные места установки датчиков положения ДП в полузамкнутой (я, б, г) и замкнутой (в) системах электропривода:

ДС — датчик скорости; Д — электродвигатель; ТП — тиристорный преобразователь;

У — усилитель; V — скорость перемещения стола

Следует отметить, что современные комплектные системы ЧПУ имеют более сложную организационную структуру. Это может быть вариант, когда сохраняется классическая трехконтурная структура регулирования, однако она составляет единое целое с системой ЧПУ (рис. 9.13, а) и в нее добавляются упреждающие сигналы компенсации по скорости КС и ускорению КУ.

Другой, наиболее перспективный, вариант системы ЧПУ таков: формируется реконфигурируемая структура (рис. 9.13, б) на базе контроллера движения с возможностью динамического изменения набора регуляторов, со встроенным набором систем компенсации скорости КС, ускорения КУ, трения КТ, а также цифровых фильтров для компенсации резонансных частот.

На рис. 9.13 обозначены: РП — регулятор положения; РМ — регулятор момента; PC — регулятор скорости; РТ — регулятор тока; ИД — измерительный датчик; ДТ —датчик тока; Unurn питающее напряжение. Такая структура составляет единый комплекс устройства ЧПУ и электропривода.

Рис. 9.13. Современные структуры построения станочных электроприводов:

а — подчиненное регулирование с полным управлением от устройства ЧПУ;

6 — реконфигурируемая структура

Промышленностью выпускается большое число различных типов регулируемых электроприводов, различающихся по структуре, элементной базе, принципам управления, однако все они имеют похожую типовую схему стыковки, приведенную на рис. 9.14, где РЕ — нулевой (нейтральный, или заземляющий) провод.

Рис. 9.14. Типовая схема подключения (стыковки) электропривода

В схеме стыковки (подключения) необходимо выделить следующие направления потоков электрической энергии и информации:

  • • цепь подключения силового питания;
  • • цепь подключения силового электродвигателя;
  • • входные управляющие сигналы:
    • а) сигнал деблокировки;
    • б) задающее напряжение;
    • в) обратная связь по скорости;
    • г) цени вспомогательных сигналов (термодатчик, сброс и др.);
  • • выходные сигналы привода:
    • а) готовность к работе;
    • б) прочие информационные сигналы.

Указанные направления потоков электрической энергии и информации нс зависят от типа привода. В этом можно убедиться, если изучить схемы подключения приводов, выпускаемых различными отечественными и зарубежными производителями, например цифровых электроприводов переменного тока производства OMRON (Япония), КЕВ (Германия), Lenze (Германия) или аналоговых электроприводов постоянного тока марок «Мезоматик», «Кемрон», ЭПУ.

Основными техническими характеристиками (показателями качества) приводов подачи являются:

  • • диапазон регулирования скорости;
  • • жесткость механической характеристики;
  • • точность регулирования;
  • • неравномерность вращения;
  • • быстродействие;
  • • надежность работы;
  • • массо-габаритные показатели.

В настоящее время в электроприводах подачи в основном применяются синхронные или асинхронные электроприводы переменного тока, сравнительная характеристика которых приведена в табл. 9.3.

Сравнительные характеристики электроприводов переменного тока

Большой диапазон регулирования. Высокая стабильность скорости. Высокая точность позиционирования.

Высокая перегрузочная способность.

11ебольшой нагрев на малых скоростях.

Удержание вала на нулевой скорости.

Не требуют обслуживания. Высокий КПД.

Наличие специализированного датчика.

Ограничение максимальной скорости.

Большой диапазон регулирования. Высокая стабильность скорости. Высокая точность позиционирования.

Большая максимальная скорость. Удержание вала на нулевой скорости.

Может работать без датчика ОС. Не требуют обслуживания. Высокий КПД

Нагрев на малых скоростях. Пониженная перегрузочная способность.

Подключение и ввод в эксплуатацию регулируемого электропривода

рассмотрим на примере цифрового электропривода Servopack SGDH японской фирмы OMRON (рис. 9.15).

Приведенные ниже сведения предназначены для изучения общих подходов к выбору, подключению и наладке промышленных электроприводов. Данный материал изложен с использованием конкретной технической документации завода-изго- товителя и не может быть автоматически перенесен на электропривод другой фирмы. Однако на его примере легко освоить использование какого-либо другого привода, так как перечень и принцип решаемых вопросов аналогичны.

Как правило, в технической документации на привод приводятся исходные материалы (рис. 9.15—9.17), на основании которых проектируется рабочая схема подключения электропривода.

Каждый электрик должен знать:  Что такое саморазряд аккумулятора

В качестве примера на рис. 9.18 показана принципиальная схема электропривода подачи токарного станка с ЧПУ модели 1740ФЗ

Правила монтажа электроприводов с ЧПУ. Для подавления различного рода помех и обеспечения стабильной работы электроприводов необходимо предусмотреть следующие защитные меры:

  • • для передачи сигналов управления и датчиков обратной связи используются экранированные кабели с внутренними витыми парами, экран кабелей заземляется;
  • • силовые провода перевиваются и экранируются;
  • • силовые и информационные кабели прокладываются в коробах и по станку отдельно друг от друга;
  • • асинхронные двигатели вспомогательных приводов шунтируются защитными RC-цепочками, включаемыми в треугольник или звезду;
  • • катушки силовых пускателей и реле постоянного тока шунтируются защитными обратными диодами, а катушки пускателей и реле переменного тока — RC-цепочками;
  • • металлические корпуса различных электрических приборов и аппаратов заземляются на шину заземления отдельными проводами.

Витая пара (Twistedpair) — это два изолированных проводника, скрученных между собой с небольшим числом витков на единицу длины. Свивание проводников производится с целью уменьшения вредного влияния на проводники электромагнитных помех от внешних источников. Экранирование кабеля также снижает уровень электромагнитных наводок.

Электроприводы подачи типа Servopack SGDII японской фирмы ОМ RON, как и приводы других производителей, являются сложными цифровыми устройствами, позволяющими программировать их на самые разнообразные режимы работы при автоматизации различных отраслей промышленности.

Рис. 9.15. Монтажная схема электропривода SERVOPACK фирмы OMRON

Рис. 9.16. Структура и подключение силовой части привода:

  • 1QF — выключатель; FIL — сетевой фильтр; 1КМ — магнитный пускатель; lRy — реле; 1PL — индикаторная лампа; 1SUP — ограничитель перенапряжения;
  • 1D — защитный диод; М — электродвигатель; PG — встроенный датчик скорости; ALM — сигнал неисправности; CN1 — первый разъем сигнала неисправности; LI, L2, L3 — фазы питающего напряжения; В2, ВЗ и 1,2 — технологические перемычки

В состав комплектного привода в общем случае входят:

  • • преобразователь;
  • • входной сетевой дроссель (при заказе);
  • • асинхронный или синхронный электродвигатель со встроенным датчиком скорости (он же датчик пути), тормозом, терморезистором;
  • • выходной фильтр (при заказе);
  • • тормозной резистор;
  • • внешний программатор;
  • • источник питания дискретных входов/выходов ( = 24 В );
  • • кабели связи.

Производится широкая гамма комплектных электроприводов мощностью диапазоном от 30 Вт до 15 кВт с питанием как от сети однофазного переменного тока напряжением 100, 200 и 220 В, гак и от сети трехфазного переменного тока напряжением 200 и 400 В.

Электроприводы комплектуются синхронными электродвигателями с номинальной частотой вращения 1000, 1500, 2000, 3000 и 6000 об/мин. Управление приводом может осуществляться:

  • • от встроенной в преобразователь панели управления;
  • • выносного цифрового пульта управления;
  • • внешнего задатчика скорости;
  • • персонального компьютера, при установке на него специальной программы;
  • • системы ЧПУ, системы цифровой индикации, автономного ПЛК.

Рис. 9.17. Назначение сигналов управления

Рис. 9.18. Принципиальная схема электропривода подачи токарного станка с ЧПУ модели 1740ФЗ

Некоторые типы комплектных промышленных электроприводов имеют встроенный PLC (программируемый логический контроллер), позволяющий автономно решать многие задачи позиционирования различных механизмов. В приводе OMRON также есть небольшой PLC, но он закрыт для широкого пользователя.

Привод фирмы OMRON имеет цифровую внутреннюю структуру системы регулирования, однако во внешней цепи управления приводом предусмотрено два способа управления: цифровой по последовательному каналу и аналоговый напряжением +/- 10 В, что позволяет подключать его к широкой гамме различных систем ЧПУ.

Привод имеет разветвленную структуру параметров, позволяющую организовывать различные способы управления, перепрограммировать по желанию пользователя назначение дискретных входов и выходов, осуществлять эффективную диагностику и поиск неисправностей, имеет встроенный нормирующий преобразователь, позволяющий организовать транзитный выход сигналов датчика путевого канала следящего привода и др.

Предусмотрены три группы параметров различного назначения:

  • 1. Параметры режима проверки Fn000. Fn013.
  • 2. Параметры режима установок Рп000. Рп600.
  • 3. Параметры режима монитора UnOOCL.UnOOd.

Число параметров установок достаточно большое, поэтому они разбиты на группы по функциональному назначению (см., например, табл. 9.4).

Добавить комментарий