Elektrische aandrijvingen voor CNC-machines

Moderne multifunctionele metaalsnijmachines en industriële robots zijn uitgerust met elektrische aandrijvingen met meerdere motoren die uitvoerende lichamen langs verschillende coördinatenassen verplaatsen (afb. 1).

De besturing van de werking van een CNC-machine wordt uitgevoerd met behulp van standaardsystemen die opdrachten genereren in overeenstemming met een programma dat in digitale vorm is gedefinieerd. De creatie van krachtige microcontrollers en single-chip microcomputers, die de programmeerbare CPU-kern vormen, maakte het met hun hulp mogelijk om automatisch veel geometrische en technologische bewerkingen uit te voeren, evenals om directe digitale besturing van het elektrische aandrijfsysteem uit te voeren en elektro-automatisering.

Rijst. 1. Aandrijfsysteem van CNC-freesmachine

Soorten elektrische aandrijvingen voor CNC-machines en vereisten daarvoor

Het proces van het snijden van metaal wordt uitgevoerd door wederzijdse beweging van het te bewerken onderdeel en het mes van het snijgereedschap.Elektrische aandrijvingen maken deel uit van metaalsnijmachines, die zijn ontworpen om metaalbewerkingsprocessen uit te voeren en te regelen via een CNC-systeem.

Bij de verwerking is het gebruikelijk om de hoofdbewegingen te scheiden die zorgen voor gecontroleerde snijprocessen tijdens de onderlinge beweging van het gereedschap en het werkstuk, evenals hulpbewegingen die de automatische werking van de apparatuur vergemakkelijken (bewakingsgereedschap naderen en terugtrekken, gereedschap wisselen en enz.).

De belangrijkste zijn de hoofdsnijbeweging, die de hoogste snelheid en kracht heeft, die] de nodige snijkracht levert, evenals de toevoerbeweging, die nodig is om het werklichaam met een bepaalde snelheid langs een ruimtelijk traject te verplaatsen. Om het oppervlak van het product met een bepaalde vorm te verkrijgen, vertellen de werkende lichamen van de machine het werkstuk en het gereedschap om het gewenste traject met een ingestelde snelheid en kracht te verplaatsen. Elektrische aandrijvingen geven roterende en translatiebewegingen aan de werkende lichamen, waarvan de combinaties, door de kinematische structuur van de machines, zorgen voor de nodige onderlinge verplaatsingen.

Het doel en type metaalbewerkingsmachine hangt grotendeels af van de vorm van het vervaardigde onderdeel (lichaam, as, schijf). Het vermogen van een multifunctionele machine om de gereedschaps- en werkstukbewegingen te genereren die nodig zijn tijdens de bewerking, wordt bepaald door het aantal coördinaatassen en dus door het aantal onderling verbonden elektrische aandrijvingen en de structuur van het besturingssysteem.

Op dit moment worden ritten voornamelijk uitgevoerd op basis van betrouwbaar AC-motoren met frequentieregelinguitgevoerd door digitale toezichthouders.Verschillende soorten elektrische aandrijvingen worden geïmplementeerd met behulp van typische industriële modules (Fig. 2).

Rijst. 2. Typisch functioneel diagram van een elektrische aandrijving

De minimale samenstelling van de elektrische aandrijfblokken bestaat uit de volgende functionele blokken:

• uitvoerende elektromotor (ED);

• frequentievermogensomvormer (HRC), die het elektrische vermogen van het industriële netwerk omzet in een driefasige motorvoedingsspanning met de vereiste amplitude en frequentie;

• een microcontroller (MC) die de functies vervult van een besturingseenheid (CU) en een taakgenerator (FZ).

De industriële eenheid van de vermogensfrequentieomvormer bevat een gelijkrichter en een vermogensomvormer die een sinusvormige spanning genereren met de noodzakelijke parameters die worden bepaald door de signalen van het besturingsapparaat met behulp van microprocessorbesturing van de PWM-uitgangsschakelaar.

Het algoritme voor het besturen van de werking van de elektrische aandrijving wordt geïmplementeerd door de microcontroller door commando's te genereren die zijn verkregen als resultaat van het vergelijken van de signalen van de taakgenerator en de gegevens die zijn ontvangen van het informatiecomputingcomplex (IVC) op basis van de verwerking en analyse van signalen van een set van sensoren.

De aandrijving van de elektrische krachtbron bevat in de meeste toepassingen een inductie-elektrische motor met een rotorwikkeling met kooianker en een tandwielkast als mechanische overbrenging van de rotatie naar de machinespindel. De versnellingsbak is vaak uitgevoerd als versnellingsbak met elektromechanisch schakelen op afstand.De elektrische aandrijving van de hoofdbeweging zorgt voor de nodige snijkracht bij een bepaald toerental en daarom is het doel van snelheidsregeling het handhaven van een constant vermogen.

Het noodzakelijke bereik van de rotatiesnelheidsregeling hangt af van de diameters van de verwerkte producten, hun materialen en vele andere factoren. In moderne geautomatiseerde CNC-machines voert de hoofdaandrijving complexe functies uit met betrekking tot draadsnijden, het bewerken van onderdelen met verschillende diameters en nog veel meer. Dit leidt tot de noodzaak om een ​​zeer groot bereik van snelheidsregeling te bieden, evenals het gebruik van een omkeerbare aandrijving. Bij multifunctionele machines kan het vereiste toerentalbereik duizenden of meer bedragen.

Ook bij feeders zijn zeer grote snelheidsbereiken vereist. Dus bij contourfrezen zou je theoretisch een oneindig snelheidsbereik moeten hebben, aangezien de minimumwaarde op sommige punten naar nul neigt. Vaak wordt de snelle beweging van de werklichamen in het verwerkingsgebied ook uitgevoerd door een feeder, wat het bereik van snelheidsverandering aanzienlijk vergroot en de aandrijfbesturingssystemen bemoeilijkt.

In feeders worden synchrone motoren en contactloze gelijkstroommotoren gebruikt, evenals in sommige gevallen asynchrone motoren. Voor hen gelden de volgende basiseisen:

• breed scala aan snelheidsregeling;

• hoge topsnelheid;

• hoge overbelastingscapaciteit;

• hoge prestaties tijdens versnelling en vertraging in positioneringsmodus;

• hoge positioneringsnauwkeurigheid.

De stabiliteit van de aandrijfkarakteristieken moet worden gegarandeerd onder belastingvariaties, veranderingen in de omgevingstemperatuur, voedingsspanning en vele andere redenen. Dit wordt mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van een rationeel adaptief automatisch besturingssysteem.

Mechanisch deel van de aandrijving van de machine

Het mechanische deel van de aandrijving kan een complexe kinematische structuur zijn met veel onderdelen die met verschillende snelheden draaien. Meestal worden de volgende elementen onderscheiden:

• rotor van een elektromotor die koppel creëert (draaien of remmen);

• mechanische overbrenging, t, s. een systeem dat de aard van beweging bepaalt (rotatie, translatie) en de bewegingssnelheid verandert (reducer);

• een werkend lichaam dat de energie van beweging omzet in nuttig werk.

Asynchrone aandrijfvolging van de hoofdbeweging van de metaalsnijmachine

De moderne instelbare elektrische aandrijving van de hoofdbeweging van CNC-metaalbewerkingsmachines is voornamelijk gebaseerd op asynchrone motoren met een kooirotorwikkeling, die door vele factoren is vergemakkelijkt, waaronder de verbetering van de elementaire informatiebasis en vermogenselektronica.

De regeling van de modi van wisselstroommotoren wordt uitgevoerd door de frequentie van de voedingsspanning te wijzigen met behulp van een vermogensomvormer, die samen met frequentieregeling andere parameters verandert.

De eigenschappen van de tracking elektrische aandrijving hangen grotendeels af van de efficiëntie van de ingebouwde ACS.Het gebruik van krachtige microcontrollers heeft uitgebreide mogelijkheden geboden voor het organiseren van besturingssystemen voor elektrische aandrijvingen.

Rijst. 3. Typische besturingsstructuur van de inductiemotor met behulp van een frequentieomvormer

De aandrijfcontroller genereert cijferreeksen voor de aan/uit-schakelaar die de werking van de elektromotor regelt. De automatiseringscontroller biedt de nodige kenmerken in de start- en stopmodi, evenals automatische aanpassing en bescherming van de apparatuur.

Het hardwaregedeelte van het computersysteem bevat verder: - analoog-digitaal- en digitaal-analoogomzetters voor het invoeren van signalen van sensoren en het regelen van hun werking;

• in- en uitgangsmodules voor analoge en digitale signalen, voorzien van interfaceapparatuur en kabelconnectoren;

• interfaceblokken die interne gegevensoverdracht tussen modules en communicatie met externe apparatuur uitvoeren.

Een groot aantal instellingen van de frequentieomvormer, geïntroduceerd door de ontwikkelaar, rekening houdend met de gedetailleerde gegevens van een bepaalde elektromotor, bieden bepaalde besturingsprocedures, waaronder kan worden opgemerkt:

• snelheidsregeling op meerdere niveaus,

• boven- en onderfrequentiegrens,

• koppel limiet,

• remmen door gelijkstroom te leveren aan een van de motorfasen,

• bescherming tegen overbelasting, maar in geval van overbelasting en oververhitting, met energiebesparende modus.

Aandrijving op basis van contactloze gelijkstroommotoren

Aandrijvingen van werktuigmachines stellen hoge eisen aan het bereik van snelheidsregeling, lineariteit van besturingskarakteristieken en snelheid, aangezien ze de nauwkeurigheid van de relatieve positionering van het gereedschap en het onderdeel bepalen, evenals de snelheid van hun beweging.

Krachtaandrijvingen werden voornamelijk geïmplementeerd op basis van gelijkstroommotoren, die de nodige besturingskenmerken hadden, maar tegelijkertijd ging de aanwezigheid van een mechanische borstelcollector gepaard met een lage betrouwbaarheid, complexiteit van onderhoud en een hoog niveau van elektromagnetische interferentie.

De ontwikkeling van vermogenselektronica en digitale computertechnologieën hebben bijgedragen aan hun vervanging in elektrische aandrijvingen door contactloze gelijkstroommotoren, waardoor de energiekarakteristieken konden worden verbeterd en de betrouwbaarheid van werktuigmachines kon worden vergroot. Contactloze motoren zijn echter relatief duur vanwege de complexiteit van het besturingssysteem.

Maar het werkingsprincipe van een borstelloze motor is een gelijkstroom elektrische machine met een magneto-elektrische inductor op de rotor en ankerwikkelingen op de stator. Het aantal statorwikkelingen en het aantal polen van de rotormagneten worden gekozen afhankelijk van de vereiste eigenschappen van de motor. Door ze te verhogen, verbetert u het rijgedrag en de handling, maar leidt dit tot een complexer motorontwerp.

Bij het aandrijven van metaalsnijmachines wordt voornamelijk een structuur met drie ankerwikkelingen, gemaakt in de vorm van verschillende verbonden secties, en een excitatiesysteem van permanente magneten met meerdere paren polen gebruikt (fig. 4).

Rijst. 4. Functieschema van een contactloze gelijkstroommotor

Het koppel wordt gevormd door de interactie van de magnetische fluxen die worden gecreëerd door de stromen in de statorwikkelingen en de permanente magneten van de rotor. De constante richting van het elektromagnetische moment wordt verzekerd door een geschikte commutatie die met gelijkstroom aan de statorwikkelingen wordt geleverd. De volgorde van aansluiting van de statorwikkelingen op de bron U wordt uitgevoerd door middel van vermogenshalfgeleiderschakelaars, die worden geschakeld onder invloed van signalen van de pulsverdeler bij het leveren van spanning van de rotorpositiesensoren.

Bij het regelen van de bedrijfsmodi van de elektrische aandrijving van contactloze gelijkstroommotoren worden de volgende onderling gerelateerde zaken onderscheiden:

• ontwikkeling van algoritmen, methoden en middelen voor het besturen van een elektromechanische omzetter door fysieke grootheden die beschikbaar zijn voor metingen te beïnvloeden;

• het creëren van een automatisch aandrijfbesturingssysteem met behulp van de theorie en methoden van automatische besturing.

Elektro-hydraulische aandrijving op basis van een stappenmotor

In moderne werktuigmachines zijn gezamenlijke elektrohydraulische aandrijvingen (EGD) semi-gebruikelijk, waarbij discrete elektrische signalen afkomstig van een elektronisch CNC-systeem door synchrone elektromotoren worden omgezet in asrotatie. Het koppel dat wordt ontwikkeld onder invloed van de signalen van de aandrijfcontroller (CP) van het CNC-systeem van de elektromotor (EM) is de invoerwaarde voor de hydraulische versterker die via de mechanische overbrenging (MP) is verbonden met het uitvoerende orgaan (IO) van de werktuigmachine (afb. 5).

Rijst. 5. Functioneel schema van de elektrohydraulische aandrijving

De gecontroleerde rotatie van de rotor van de elektromotor door middel van de ingangstransformatie (VP) en de hydraulische klep (GR) veroorzaakt de rotatie van de hydraulische motoras (GM). Om de parameters van de hydraulische versterker te stabiliseren, wordt meestal interne feedback gebruikt.

In de elektrische aandrijvingen van mechanismen met een start-stop-aard van beweging of continue beweging, hebben stappenmotoren (SM) toepassing gevonden, die zijn geclassificeerd als een type synchrone elektromotoren. Pulsgestuurde stappenmotoren zijn het meest geschikt voor directe digitale besturing die wordt gebruikt in CNC-besturing.

Intermitterende (stapsgewijze) beweging van de rotor onder een bepaalde rotatiehoek voor elke puls maakt het mogelijk om een ​​voldoende hoge positioneringsnauwkeurigheid te verkrijgen met een zeer groot bereik van snelheidsvariatie van bijna nul.

Wanneer u een stappenmotor gebruikt in een elektrische aandrijving, wordt deze bestuurd door een apparaat dat een logische controller en een schakelaar bevat (Fig. 6).

Rijst. 6. Stappenmotorbesturingsapparaat

Onder invloed van het nchannel-selectiebesturingscommando genereert de CNC-aandrijfcontroller digitale signalen om de vermogenstransistorschakelaar te besturen, die in de vereiste volgorde de gelijkspanning verbindt met de statorwikkelingen. Om kleine waarden van hoekverplaatsing in één stap α = π / p te verkrijgen, wordt een permanente magneet met een groot aantal poolparen p op de rotor geplaatst.