Ηλεκτρικοί κινητήρες για μηχανές CNC

Τα σύγχρονα πολυλειτουργικά μηχανήματα κοπής μετάλλων και τα βιομηχανικά ρομπότ είναι εξοπλισμένα με ηλεκτρικούς μηχανισμούς κίνησης πολλαπλών κινητήρων που κινούν εκτελεστικά όργανα κατά μήκος πολλών αξόνων συντεταγμένων (Εικ. 1).

Ο έλεγχος της λειτουργίας μιας μηχανής CNC πραγματοποιείται με τη χρήση τυπικών συστημάτων που παράγουν εντολές σύμφωνα με ένα πρόγραμμα που ορίζεται σε ψηφιακή μορφή. Η δημιουργία μικροελεγκτών υψηλής απόδοσης και μικροϋπολογιστών ενός τσιπ, που συνθέτουν τον προγραμματιζόμενο πυρήνα της CPU, κατέστησε δυνατή με τη βοήθειά τους την αυτόματη εκτέλεση πολλών γεωμετρικών και τεχνολογικών λειτουργιών, καθώς και τον άμεσο ψηφιακό έλεγχο του συστήματος ηλεκτρικής κίνησης και ηλεκτροαυτοματισμός.

Ρύζι. 1. Σύστημα κίνησης φρέζας CNC

Τύποι ηλεκτροκινητήρων για μηχανές CNC και απαιτήσεις για αυτούς

Η διαδικασία κοπής μετάλλου πραγματοποιείται με αμοιβαία κίνηση του προς επεξεργασία εξαρτήματος και της λεπίδας του κοπτικού εργαλείου.Οι ηλεκτρικοί κινητήρες αποτελούν μέρος μηχανών κοπής μετάλλων, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί για να εκτελούν και να ρυθμίζουν τις διαδικασίες επεξεργασίας μετάλλων μέσω ενός συστήματος CNC.

Κατά την επεξεργασία, συνηθίζεται να διαχωρίζονται οι κύριες κινήσεις που παρέχουν ελεγχόμενες διαδικασίες κοπής κατά την αμοιβαία κίνηση του εργαλείου και του τεμαχίου εργασίας, καθώς και οι βοηθητικές κινήσεις που διευκολύνουν την αυτόματη λειτουργία του εξοπλισμού (προσέγγιση και απόσυρση εργαλείων παρακολούθησης, αλλαγή εργαλείων και και τα λοιπά.).

Οι κύριες περιλαμβάνουν την κύρια κίνηση κοπής, η οποία έχει την υψηλότερη ταχύτητα και ισχύ, η οποία παρέχει] την απαραίτητη δύναμη κοπής, καθώς και την κίνηση τροφοδοσίας, η οποία είναι απαραίτητη για να κινηθεί το σώμα εργασίας κατά μήκος μιας χωρικής τροχιάς με δεδομένη ταχύτητα. Για να αποκτήσετε την επιφάνεια του προϊόντος με ένα δεδομένο σχήμα, τα σώματα εργασίας της μηχανής λένε στο τεμάχιο εργασίας και στο εργαλείο να κινήσουν την επιθυμητή τροχιά με καθορισμένη ταχύτητα και δύναμη. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες δίνουν περιστροφικές και μεταφορικές κινήσεις στα σώματα εργασίας, οι συνδυασμοί των οποίων, μέσω της κινηματικής δομής των μηχανών, παρέχουν τις απαραίτητες αμοιβαίες μετατοπίσεις.

Ο σκοπός και ο τύπος της μεταλλουργικής μηχανής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το σχήμα του κατασκευασμένου εξαρτήματος (σώμα, άξονας, δίσκος). Η ικανότητα μιας μηχανής πολλαπλών λειτουργιών να παράγει τις κινήσεις του εργαλείου και του τεμαχίου εργασίας που απαιτούνται κατά τη μηχανική κατεργασία καθορίζεται από τον αριθμό των αξόνων συντεταγμένων και επομένως από τον αριθμό των διασυνδεδεμένων ηλεκτροκινητήρων και τη δομή του συστήματος ελέγχου.

Επί του παρόντος, οι μονάδες δίσκου εκτελούνται κυρίως βάσει αξιόπιστων Κινητήρες AC με έλεγχο συχνότηταςπραγματοποιούνται από ψηφιακές ρυθμιστικές αρχές.Διαφορετικοί τύποι ηλεκτροκινητήρων υλοποιούνται χρησιμοποιώντας τυπικές βιομηχανικές μονάδες (Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Τυπικό λειτουργικό διάγραμμα μιας ηλεκτρικής κίνησης

Η ελάχιστη σύνθεση των μπλοκ ηλεκτρικής κίνησης αποτελείται από τα ακόλουθα λειτουργικά μπλοκ:

• εκτελεστικός ηλεκτροκινητήρας (ED);

• μετατροπέας ισχύος συχνότητας (HRC), ο οποίος μετατρέπει την ηλεκτρική ισχύ του βιομηχανικού δικτύου σε τριφασική τάση τροφοδοσίας κινητήρα του απαιτούμενου πλάτους και συχνότητας.

• ένας μικροελεγκτής (MC) που εκτελεί τις λειτουργίες μιας μονάδας ελέγχου (CU) και μιας γεννήτριας εργασιών (FZ).

Η βιομηχανική μονάδα του μετατροπέα συχνότητας ισχύος περιέχει έναν ανορθωτή και έναν μετατροπέα ισχύος που παράγουν μια ημιτονοειδή τάση με τις απαραίτητες παραμέτρους που καθορίζονται από τα σήματα της συσκευής ελέγχου χρησιμοποιώντας τον έλεγχο μικροεπεξεργαστή του διακόπτη PWM εξόδου.

Ο αλγόριθμος για τον έλεγχο της λειτουργίας της ηλεκτρικής κίνησης υλοποιείται από τον μικροελεγκτή δημιουργώντας εντολές που λαμβάνονται ως αποτέλεσμα της σύγκρισης των σημάτων της γεννήτριας εργασιών και των δεδομένων που λαμβάνονται από το συγκρότημα πληροφορικής-υπολογιστικής (IVC) με βάση την επεξεργασία και την ανάλυση του σήματα από ένα σύνολο από αισθητήρες.

Ο ηλεκτρικός κινητήρας κινητήρα στις περισσότερες εφαρμογές περιέχει έναν επαγωγικό ηλεκτρικό κινητήρα με περιέλιξη ρότορα με κλωβό σκίουρου και κιβώτιο ταχυτήτων ως μηχανική μετάδοση της περιστροφής στον άξονα του μηχανήματος. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι συχνά σχεδιασμένο ως κιβώτιο ταχυτήτων με ηλεκτρομηχανική απομακρυσμένη αλλαγή ταχυτήτων.Η ηλεκτρική κίνηση της κύριας κίνησης παρέχει την απαραίτητη δύναμη κοπής σε μια ορισμένη ταχύτητα περιστροφής, και επομένως ο σκοπός της ρύθμισης της ταχύτητας είναι η διατήρηση σταθερής ισχύος.

Το απαραίτητο εύρος ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής εξαρτάται από τις διαμέτρους των επεξεργασμένων προϊόντων, τα υλικά τους και πολλούς άλλους παράγοντες. Στις σύγχρονες αυτοματοποιημένες μηχανές CNC, η κύρια μονάδα δίσκου εκτελεί πολύπλοκες λειτουργίες που σχετίζονται με την κοπή νήματος, την κατεργασία εξαρτημάτων διαφορετικών διαμέτρων και πολλά άλλα. Αυτό οδηγεί στην ανάγκη παροχής ενός πολύ μεγάλου εύρους ελέγχου ταχύτητας καθώς και στη χρήση μιας αναστρέψιμης μονάδας. Σε πολυλειτουργικές μηχανές, το απαιτούμενο εύρος ταχύτητας περιστροφής μπορεί να είναι χιλιάδες ή και περισσότερο.

Απαιτούνται επίσης πολύ μεγάλα εύρη στροφών στους τροφοδότες. Άρα, στο φρεζάρισμα περιγράμματος θα πρέπει θεωρητικά να έχετε άπειρο εύρος στροφών, καθώς η ελάχιστη τιμή τείνει στο μηδέν σε ορισμένα σημεία. Συχνά, η ταχεία κίνηση των σωμάτων εργασίας στην περιοχή επεξεργασίας πραγματοποιείται επίσης από έναν τροφοδότη, ο οποίος αυξάνει σημαντικά το εύρος αλλαγής ταχύτητας και περιπλέκει τα συστήματα ελέγχου μετάδοσης κίνησης.

Στους τροφοδότες χρησιμοποιούνται σύγχρονοι κινητήρες και κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς επαφή, καθώς και σε ορισμένες περιπτώσεις ασύγχρονοι κινητήρες. Για αυτούς ισχύουν οι ακόλουθες βασικές απαιτήσεις:

• ευρύ φάσμα ρύθμισης ταχύτητας.

• υψηλή τελική ταχύτητα?

• Υψηλή ικανότητα υπερφόρτωσης.

• υψηλή απόδοση κατά την επιτάχυνση και την επιβράδυνση στη λειτουργία εντοπισμού θέσης.

• υψηλή ακρίβεια τοποθέτησης.

Η σταθερότητα των χαρακτηριστικών μετάδοσης κίνησης πρέπει να είναι εγγυημένη υπό διακυμάνσεις φορτίου, αλλαγές στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, την τάση τροφοδοσίας και πολλούς άλλους λόγους. Αυτό διευκολύνεται από την ανάπτυξη ενός ορθολογικού προσαρμοστικού συστήματος αυτόματου ελέγχου.

Μηχανικό μέρος της κίνησης του μηχανήματος

Το μηχανικό μέρος της μετάδοσης κίνησης μπορεί να είναι μια πολύπλοκη κινηματική δομή που περιέχει πολλά μέρη που περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες. Συνήθως διακρίνονται τα ακόλουθα στοιχεία:

• ρότορας ηλεκτροκινητήρα που δημιουργεί ροπή (περιστρεφόμενη ή πέδηση).

• μηχανική μετάδοση, t, s. ένα σύστημα που καθορίζει τη φύση της κίνησης (περιστροφική, μεταφορική) και αλλάζει την ταχύτητα κίνησης (μειωτής).

• ένα σώμα εργασίας που μετατρέπει την ενέργεια της κίνησης σε χρήσιμο έργο.

Ασύγχρονη παρακολούθηση κίνησης της κύριας κίνησης της μηχανής κοπής μετάλλων

Η σύγχρονη ρυθμιζόμενη ηλεκτρική κίνηση της κύριας κίνησης των μηχανών επεξεργασίας μετάλλων CNC βασίζεται κυρίως σε ασύγχρονους κινητήρες με περιέλιξη ρότορα κλωβού, η οποία έχει διευκολυνθεί από πολλούς παράγοντες, μεταξύ των οποίων πρέπει να σημειωθεί η βελτίωση της στοιχειώδους βάσης πληροφοριών και ηλεκτρονικά ισχύος.

Η ρύθμιση των τρόπων λειτουργίας των κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος πραγματοποιείται αλλάζοντας τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα ισχύος, ο οποίος, μαζί με τη ρύθμιση συχνότητας, αλλάζει άλλες παραμέτρους.

Τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής κίνησης παρακολούθησης εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την απόδοση του ενσωματωμένου ACS.Η χρήση μικροελεγκτών υψηλής απόδοσης έχει προσφέρει ευρείες ευκαιρίες για την οργάνωση συστημάτων ελέγχου ηλεκτρικής κίνησης.

Ρύζι. 3. Τυπική δομή ελέγχου του κινητήρα επαγωγής με χρήση μετατροπέα συχνότητας

Ο ελεγκτής μετάδοσης κίνησης δημιουργεί ακολουθίες αριθμών για το διακόπτη ισχύος που ρυθμίζει τη λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα. Ο ελεγκτής αυτοματισμού παρέχει τα απαραίτητα χαρακτηριστικά στις λειτουργίες εκκίνησης και διακοπής, καθώς και αυτόματη ρύθμιση και προστασία του εξοπλισμού.

Το τμήμα υλικού του υπολογιστικού συστήματος περιλαμβάνει επίσης: - αναλογικούς-ψηφιακούς και ψηφιακούς-αναλογικούς μετατροπείς για την εισαγωγή σημάτων από αισθητήρες και τον έλεγχο της λειτουργίας τους.

• Μονάδες εισόδου και εξόδου για αναλογικά και ψηφιακά σήματα, εξοπλισμένα με εξοπλισμό διασύνδεσης και βύσματα καλωδίων.

• μπλοκ διασύνδεσης που εκτελούν εσωτερική μετάδοση δεδομένων μεταξύ ενοτήτων και επικοινωνία με εξωτερικό εξοπλισμό.

Ένας μεγάλος αριθμός ρυθμίσεων του μετατροπέα συχνότητας, που εισάγονται από τον προγραμματιστή, λαμβάνοντας υπόψη τα λεπτομερή δεδομένα ενός συγκεκριμένου ηλεκτροκινητήρα, παρέχουν ορισμένες διαδικασίες ελέγχου, μεταξύ των οποίων μπορεί να σημειωθεί:

• ρύθμιση ταχύτητας πολλαπλών επιπέδων,

• ανώτερο και κατώτερο όριο συχνότητας,

• όριο ροπής,

• πέδηση με παροχή συνεχούς ρεύματος σε μία από τις φάσεις του κινητήρα,

• προστασία υπερφόρτωσης, αλλά σε περίπτωση υπερφόρτωσης και υπερθέρμανσης, παρέχοντας λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας.

Κίνηση βασισμένη σε κινητήρες DC χωρίς επαφή

Οι μηχανισμοί μετάδοσης κίνησης έχουν υψηλές απαιτήσεις για το εύρος ελέγχου ταχύτητας, τη γραμμικότητα των χαρακτηριστικών ελέγχου και την ταχύτητα, καθώς καθορίζουν την ακρίβεια της σχετικής τοποθέτησης του εργαλείου και του εξαρτήματος, καθώς και την ταχύτητα της κίνησής τους.

Οι ηλεκτροκινητήρες υλοποιήθηκαν κυρίως με βάση κινητήρες συνεχούς ρεύματος, οι οποίοι είχαν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά ελέγχου, αλλά ταυτόχρονα, η παρουσία ενός συλλέκτη μηχανικής βούρτσας συνδέθηκε με χαμηλή αξιοπιστία, πολυπλοκότητα συντήρησης και υψηλό επίπεδο ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών.

Η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος και των τεχνολογιών ψηφιακών υπολογιστών συνέβαλε στην αντικατάστασή τους σε ηλεκτροκινητήρες με κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς επαφή, γεγονός που κατέστησε δυνατή τη βελτίωση των ενεργειακών χαρακτηριστικών και την αύξηση της αξιοπιστίας των εργαλειομηχανών. Ωστόσο, οι ανέπαφες κινητήρες είναι σχετικά ακριβοί λόγω της πολυπλοκότητας του συστήματος ελέγχου.

Αλλά η αρχή της λειτουργίας ενός κινητήρα χωρίς ψήκτρες είναι μια ηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος με μαγνητοηλεκτρικό επαγωγέα στον ρότορα και περιελίξεις οπλισμού στον στάτορα. Ο αριθμός των περιελίξεων του στάτορα και ο αριθμός των πόλων των μαγνητών του ρότορα επιλέγονται ανάλογα με τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά του κινητήρα. Η αύξησή τους βοηθά στη βελτίωση της οδήγησης και του χειρισμού, αλλά οδηγεί σε πιο περίπλοκο σχεδιασμό κινητήρα.

Κατά την οδήγηση μηχανών κοπής μετάλλων, χρησιμοποιείται κυρίως μια κατασκευή με τρεις περιελίξεις οπλισμού, κατασκευασμένες με τη μορφή πολλών συνδεδεμένων τμημάτων και ένα σύστημα διέγερσης μόνιμων μαγνητών με πολλά ζεύγη πόλων (Εικ. 4).

Ρύζι. 4. Λειτουργικό διάγραμμα κινητήρα συνεχούς ρεύματος χωρίς επαφή

Η ροπή σχηματίζεται λόγω της αλληλεπίδρασης των μαγνητικών ροών που δημιουργούνται από τα ρεύματα στις περιελίξεις του στάτη και τους μόνιμους μαγνήτες του ρότορα. Η σταθερή κατεύθυνση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής εξασφαλίζεται με την κατάλληλη μεταγωγή που παρέχεται στις περιελίξεις του στάτη με συνεχές ρεύμα. Η ακολουθία σύνδεσης των περιελίξεων του στάτορα στην πηγή U πραγματοποιείται μέσω διακοπτών ημιαγωγών ισχύος, οι οποίοι ενεργοποιούνται υπό τη δράση σημάτων από τον διανομέα παλμών κατά την παροχή τάσης από τους αισθητήρες θέσης του δρομέα.

Στο έργο της ρύθμισης των τρόπων λειτουργίας της ηλεκτρικής κίνησης κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς επαφή, διακρίνονται τα ακόλουθα αλληλένδετα ζητήματα:

• ανάπτυξη αλγορίθμων, μεθόδων και μέσων ελέγχου ενός ηλεκτρομηχανικού μετατροπέα επηρεάζοντας τα φυσικά μεγέθη που είναι διαθέσιμα για μέτρηση·

• δημιουργώντας ένα αυτόματο σύστημα ελέγχου μετάδοσης κίνησης χρησιμοποιώντας τη θεωρία και τις μεθόδους αυτόματου ελέγχου.

Ηλεκτροϋδραυλική κίνηση βασισμένη σε βηματικό κινητήρα

Στις σύγχρονες εργαλειομηχανές, οι κοινές ηλεκτροϋδραυλικές κινήσεις (EGD) είναι ημι-κοινές, στις οποίες τα διακριτά ηλεκτρικά σήματα που προέρχονται από ένα ηλεκτρονικό σύστημα CNC μετατρέπονται από σύγχρονους ηλεκτρικούς κινητήρες σε περιστροφή άξονα. Η ροπή που αναπτύσσεται υπό τη δράση των σημάτων του ελεγκτή μετάδοσης κίνησης (CP) του συστήματος CNC από τον ηλεκτροκινητήρα (EM) είναι η τιμή εισόδου για τον υδραυλικό ενισχυτή που συνδέεται μέσω της μηχανικής μετάδοσης (MP) στο εκτελεστικό σώμα (IO) της εργαλειομηχανής (Εικ. 5).

Ρύζι. 5. Λειτουργικό σχήμα της ηλεκτροϋδραυλικής μετάδοσης κίνησης

Η ελεγχόμενη περιστροφή του ρότορα του ηλεκτροκινητήρα μέσω του μετασχηματισμού εισόδου (VP) και της υδραυλικής βαλβίδας (GR) προκαλεί την περιστροφή του άξονα του υδραυλικού κινητήρα (GM). Για να σταθεροποιηθούν οι παράμετροι του υδραυλικού ενισχυτή, συνήθως χρησιμοποιείται εσωτερική ανάδραση.

Στους ηλεκτρικούς κινητήρες μηχανισμών με χαρακτήρα start-stop κίνησης ή συνεχούς κίνησης έχουν βρει εφαρμογή οι βηματικοί κινητήρες (SM), οι οποίοι ταξινομούνται ως τύπος σύγχρονων ηλεκτροκινητήρων. Οι βηματικοί κινητήρες με παλμική διέγερση είναι οι πλέον κατάλληλοι για άμεσο ψηφιακό έλεγχο που χρησιμοποιείται στον έλεγχο CNC.

Η διακοπτόμενη (βηματική) κίνηση του ρότορα σε μια ορισμένη γωνία περιστροφής για κάθε παλμό καθιστά δυνατή την επίτευξη επαρκώς υψηλής ακρίβειας τοποθέτησης με πολύ μεγάλο εύρος διακύμανσης ταχύτητας από σχεδόν μηδέν.

Όταν χρησιμοποιείτε έναν βηματικό κινητήρα σε μια ηλεκτρική κίνηση, ελέγχεται από μια συσκευή που περιέχει έναν λογικό ελεγκτή και έναν διακόπτη (Εικ. 6).

Ρύζι. 6. Συσκευή ελέγχου βηματικού κινητήρα

Κάτω από τη δράση της εντολής ελέγχου επιλογής καναλιού, ο ελεγκτής μονάδας CNC παράγει ψηφιακά σήματα για τον έλεγχο του διακόπτη τρανζίστορ ισχύος, ο οποίος με την απαιτούμενη σειρά συνδέει την τάση DC με τις περιελίξεις του στάτορα. Για να ληφθούν μικρές τιμές γωνιακής μετατόπισης σε ένα βήμα α = π / p, ένας μόνιμος μαγνήτης με μεγάλο αριθμό ζευγών πόλων p τοποθετείται στον ρότορα.