. Підсистема приводів

Підсистема приводів включає різноманітні двигуни та гвинтові передачі. Вони виконують команди підсистеми керування для переміщення виконавчих органів верстата. В конструкціях верстатів з ЧПК використовують крокові двигуни та сервоприводи. Кроковий двигун – це електромеханічний пристрій, що перетворює електричний сигнал керування в дискретне механічне переміщення. Розрізняють кілька основних видів крокових двигунів, що відрізняються конструктивним виконанням: - крокові двигуни із змінним магнітним опором; - крокові двигуни із постійним магнітним опором; - гібридні двигуни. 3.1. Кроковий двигун із змінним магнітним опором Кроковий двигун із змінним магнітним опором (рис. 3.1) має кілька полюсів на статорі та ротор з магнітно-м’якого матеріалу (реактивний ротор). Рис. 3.1. Схема крокового двигуна зі змінним магнітним опором В двигуні зі змінним магнітним опором (рис.3.1) статор має шість полюсіва ротор чотири виступи. В статорі є три незалежні обмотки, кожна з яких охоплює протилежні полюси. При подачі електричного струму в одну із обмоток, ротор прагне зайняти положення, при якому магнітний потік повинен бути замкненим, Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 31 тобто виступи ротора будуть знаходитись навпроти тих полюсів статора, на обмотки яких подається струм. Якщо в цій обмотці струм вимкнути, а подати на наступну, то ротор знову повернеться, щоб замкнути магнітний потік своїми виступами. Для безперервного обертання ротора необхідно послідовно подавати струм на першу, другу та третю обмотки. При цьому крок обертання для даного двигуна буде 30°. 3.2. Кроковий двигун із постійним магнітним опором Кроковий двигун з постійними магнітами (рис. 3.2) складається із статора з обмотками та ротора з постійними магнітами. Рис. 3.2. Схема крокового двигуна із постійними магнітами При подачі електричного струму на одну з обмоток, ротор займе положення, при якому різнойменні полюси статора та ротора будуть співпадати. Для безперервного обертання ротора необхідно послідовно подавати електричний струм на першу та другу обмотки. При цьому крок обертання ротора складає 30°. Більшість сучасних крокових двигунів є гібридними, тобто об’єднують переваги двигунів із змінним магнітним полем та двигунів з постійними магнітами, мають велике число полюсів статора та виступів ротора, що забезпечує малу дискретність обертання. Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 32 Коли підсистема керування посилає кроковому двигуну електричний імпульс, то ротор повертається на кут, який залежить від конструкції двигуна (наприклад, 0,72°). Якщо ходовий гвинт має крок 2мм, то один електричний імпульс заставить виконавчий орган верстата лінійно переміститись на величину: ∆= 0,72° 360° × 2 = 0,004 мм Ця величина називається розпізнаванням системи, або ціною імпульсу. Неможливо перемістити виконавчий орган на величину, що менша ціни імпульсу. Простота конструкції та легкість керування забезпечили високу популярність кроковим двигунам. Основним недоліком цих двигунів є дискретність роботи, що може погіршити якість остаточної обробки та викликати ефект «ступінчастості» при обробці похилих та криволінійних поверхонь. Але вони можуть працювати без використання складного та дорогого зворотного зв’язку, що дозволяє створювати недорогі верстати. 3.3. Сервоприводи в сучасних високоточних верстатах з ЧПК Сучасні високоточні верстати з ЧПК використовують сервоприводи, що призначені для відпрацювання швидкості, моменту, позиції із заданою точністю та динамікою. До складу сервоприводу входить двигун, позиційний датчик та система керування, де присутнє трьохконтурне регулювання: позиція, швидкість, струм. Сервопривод, отримуючи на вході величину параметра, що управляється, створює і підтримує цю величину на виході виконавчого органу, виходячи з показань датчика зворотного зв'язку. Серводвигун – це двигун, що отримує команду від перетворювача частоти (конвертора). Сучасні серводвигуни – це компактні пристрої, що забезпечують оптимальний розгін та гальмування та створюють великі прискорення і крутний момент. До переваг сервоприводів та серводвигунів можна віднести: -плавні та точні переміщення при низьких швидкостях; -висока потужність при мінімальних розмірах; Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 33 -безшумність роботи; -надійність та безвідмовність, що дозволяє використовувати їх у відповідальних вузлах; -підвищена швидкість переміщення елементів в порівнянні з іншими приводами; -можливість вибору розпізнавання системи для виконання конкретної задачі. До недоліків можна віднести більш високу складність системи забезпечення роботи системи ніж у крокових двигунах та високу вартість. Якщо необхідно забезпечити плавний розгін або плавне гальмування, то з метою зменшення динамічних навантажень електродвигуна реалізують схеми керування на мікропроцесорах з використанням контролерів ЧПК. Сервоприводи на таких контролерах досягають потужності 15Квт та можуть розвивати крутний момент до 50Нм. Серводвигуни обертального руху бувають синхронними з можливістю високоточного задавання швидкості обертання, кута повороту та прискорення і асинхронні, в яких швидкість дуже точно підтримується також і на низьких обертах. 3.4. Синхронні серводвигуни Синхронні серводвигуни – це трьохфазні двигуни із збудженням від магнітів та датчиком обертання ротора. Основною перевагою синхронного серводвигуна є низький інерційний момент ротора відносно моменту обертання. Це дає можливість реалізації високої швидкодії, часу розгону до номінальної частоти обертання за мілісекунди та реверсування з повної швидкості в межах одного оберту ротора двигуна. Головні переваги асинхронного серводвигуна від звичайного загальнопромислового – це мала вага, низький інерційний момент та високі максимальні швидкості, що дозволяє використовувати їх в високо динамічних системах. Термін експлуатації асинхронного серводвигуна суттєво подовжує примусова вентиляція, яка дозволяє використовувати його при високих швидкостях. Малу контурну похибку дозволяють отримати високі динамічні характеристики, що досягаються за рахунок зниження динамічного та Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 34 статичного розбалансування при використанні асинхронного сервоприводу в системі ЧПК. Ціна також прийнятна, завдяки чому асинхронний привод є наймасовішим двигуном в промисловості. Ринок пропонує велику кількість конструкцій серводвигунів для різних областей використання. Так, фірмою NCT Kft розроблені та виготовляються синхронні (рис.3.3) та асинхронні (рис. 3.4) серводвигуни, що в першу чергу призначені для використання у верстатах з ЧПК. Завдяки спеціальному виконанню вони мають відмінні динамічні характеристики, які відповідають найвищим вимогам до сучасних верстатів і не вимагають обслуговування протягом довготривалого періоду експлуатації. Синхронні серводвигуни серії А – це трьохфазні двигуни із збудженням від постійних магнітів з восьмиполюсною обмоткою статора, з'єднаною за схемою «зірка» та восьмиполюсним ротором. Двигун також оснащується інкрементальним або абсолютним датчиком положення ротора відносно статора. Виконання повністю закрите з герметично вбудованими підшипниками вала та електричними роз'ємами. Відведення тепла виконується за рахунок звичайної конвенції тому немає необхідності в примусовій вентиляції. Збудження обмоток статора а також магнітна індукція в повітряному зазорі є практично синусоїдальними величинами, що дозволяє дуже точно регулювати величину крутного моменту незалежно від положення ротора і таким чином забезпечувати надзвичайно точне регулювання швидкості. Номінальна потужність таких двигунів складає 310…5230Вт в залежності від виконання а частота обертання 2000об/хв або 3000об/хв. Рис. 3.3 . Синхронні серводвигуни фірми NCT Kft Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 35 Синхронні серводвигуни серії Аі ідентичні за конструкцією двигунам серії А але для постійних магнітів ротора використовують рідкоземельний метал (неодимій або самарій-кобальт), що дозволило підвищити потужність та частоту обертання. 3.5. Асинхронні серводвигуни Асинхронні двигуни NCT були спеціально розроблені для верстатів з ЧПК і за своїми характеристиками відповідають високим динамічним навантаженням в сучасних верстатах. Це забезпечує довготривалу експлуатацію без додаткового технічного обслуговування. Ці серводвигуни мають наскрізний отвір у валу ротора, що дозволяє подачу змащувально-охолоджувальної рідини через інструмент при прямому підведенні. Асинхронні серводвигуни серії АіS мають фланцеве кріплення та забезпечують частоту обертання від 1500об/хв до 15000об/хв при потужності від 10,5Квт до 22Квт. Асинхронні серводвигуни серії DA можуть мати фланцеве кріплення або встановлюватись на лапах. Забезпечують частоту обертання від 1000об/хв до 5000об/хв при потужності від 11Квт до 29Квт. Асинхронні серводвигуни серії AМS – це компактні моторшпинделі, оскільки вони інтегровані в шпинделі токарних верстатів. Завдяки високій динамічній жорсткості та низькому рівні вібрацій вони забезпечують високу точність оброблювання. Переваги мотор-шпинделя перед традиційною пасовою передачею наступні: - високі динамічні характеристики завдяки малій інерційній масі а також менші втрати енергії та менші витрати електричного струму; - менші похибки форми обробленої деталі завдяки відсутності деформацій, що виникають при натягуванні пасової передачі; - завдяки низькому рівню вібрацій при оброблюванні досягається висока якість обробленої поверхні та збільшується стійкість різального інструменту. - підвищується точність геометричних параметрів обробленої деталі та повторюваність розмірів завдяки інтенсивному рідинному охолодженню, що також збільшує і термін служби підшипників. Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 36 Рис. 3.4 . Асинхронні серводвигуни та мотор-шпинделі фірми NCT Kft 3.6. Ходовий гвинт Другою складовою підсистеми є ходовий гвинт. Виконавчий орган при зрушенні з місця починає рух не одночасно з дією керуючого сигналу, а після того, як будуть вибрані зазори в передачах, виникне пружна деформація елементів і зусилля, що діє на виконавчий орган, перевищить опір сил тертя та сил різання. При конструюванні ходових гвинтів, що є найважливішими ланками при передачі команди на переміщення виконавчим органам, дуже важливо враховувати дію цих факторів. Тому у верстатах з ЧПК використовують передачі «гвинт-гайка кочення», що характеризуються високою точністю, зносостійкістю та жорсткістю і збільшеним діаметром ходового гвинта. а) б) Рис. 3.5. Передача гвинт – гайка кочення ( а-кулькова; б – роликова) Ходовий гвинт жорстко кріпиться в осьовому напрямку з використанням упорних підшипників з попереднім натягом. Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 37 Удосконалений ходовий гвинт верстата з числовим програмним керуванням дозволяє виконувати переміщення виконавчого органу з мінімальним тертям і практично без зазорів. Беззазорні гвинтові передачі необхідні для високоточного позиціонування. Попутне фрезерування також неможливе при наявності в приводі подач зазорів. Для підвищення коефіцієнту корисної дії передачі гвинт-гайка застосовують кулькові передачі з циркулюючими кульками (рис. 3.6). Рис.3.6. Кульково-гвинтова передача Гвинт 1 виготовлений з канавкою дугової форми. Аналогічну форму канавки мають обидві частини 2 та 6 гайки. В простір, створений витками гвинта та гайки, закладені кульки 5. Кульки розташовані на довжині одного витка, кінці якого з’єднуються вкладишами 3 та 4, що врізані в тіло гайки. При обертанні гвинта кульки рухаються по канавці гвинта, входять в канавку вкладиша і по ній повертаються знову в канавку гвинта. Таким чином реалізується безперервна циркуляція кульок. Кожна з частин гайки має по два замкнутих витки. На кресленні два вкладиші показані в перерізі, а два – умовно в плані. Обидві частини гайки направляються шпонкою, а для усунення зазорів притискаються тарільчастими пружинами 7. Така схема жорсткого вибирання зазорів потребує високої точності виготовлення профілю та кроку гвинтової канавки. Тому кульково-гвинтові пари трудомісткі у виготовленні, але широко використовуються у приводах подач верстатів з ЧПК завдяки низькому коефіцієнту тертя та відсутності зазорів. Найчастіше при їх виготовленні використовують для гвинта – сталь ХВГ (HRCe 60), а гайки – сталь 9ХС. Конструктивні особливості та основи програмування верстатів з числовим програмним керуванням Ковальов В.А., Гаврушкевич А.Ю., Гаврушкевич Н.В. 38 Крім жорсткої схеми широко застосовують також пружинне або силове вибирання зазору, що охоплює як кульковий так і весь кінематичний ланцюг від двигуна до гвинта. Рис.3.7. Силовий кінематичний ланцюг Силовий кінематичний ланцюг (рис. 3.7) слугує для переміщення робочого органу-столу 1 за допомогою ходового гвинта 3.Після другого проміжного валу 9 кінематичний ланцюг розгалужується. Два зубчасті блоки на валу 10 одночасно обертають дві половини кулькової гайки 4. За допомогою косозубих коліс на валу 9 і можливості їх зміщення під дією пружини 2, що створює постійне зусилля, обидві половини кулькової гайки можуть не тільки одночасно обертатися, але і повертатись одна щодо іншої на невеликий кут. Цей кут достатній для вибирання зазору і забезпечення деякого натягу, що задається зусиллям пружини 2. Від першого робочого валу 8, що обертається двигуном 5 через зубчасту передачу, обертається тахогенератор 6 та датчик зворотного зв’язку