Электропривод станка с ЧПУ

Электропривод – это техническая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов станка и целенаправленного управления рабочими процессами. К основным элементам электропривода станка с ЧПУ относят электродвигательное и преобразовательное устройства.

Электродвигательное устройство – это электрический двига­тель, преобразующий электрическую энергию в механическую, т.е. являющийся электромеханическим преобразователем энергии. Двигатели могут различаться по виду создаваемого ими движе­ния: вращательного, линейного, шагового, вибрационного и др. Большинство используемых электродвигателей составляют маши­ны вращательного движения. Для передачи движения от электро­двигателя к рабочему органу станка служит механическое переда­точное устройство:редуктор, трансмиссия, ремен­ная передача, канатная передача, кривошипно-шатунный меха­низм, передача винт-гайка и др.

Преобразовательное устройство — устройство, преобразующее электрическую энергию. Эти устройства применяются в регулиру­емом электроприводе для целенаправленного и экономичного изменения параметров движения электропривода: скорости, раз­виваемого момента и др. Поскольку электроприводы получают электрическую энергию от промышленной электрической сети трехфазного переменного тока напряжением 380 В и частотой 50 Гц, для питания двигателей (например, для двигателей постоянного тока) и для их регулирования необходимо преобразование элект­рической энергии, поступающей из сети, в электрическую энер­гию того вида, который необходим данному электродвигателю. К электрическим преобразовательным устройствам относятся уп­равляемые выпрямители, преобразователи частоты и др.

Электрическое преобразовательное устройство обычно пред­ставляет собой преобразователь, выполненный на силовых полу­проводниковых приборах: неуправляемых (диоды) и управляемых (тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным входом — IGBT и др.).

Электродвигательное, передаточное и преобразовательное уст­ройства образуют силовой канал электропривода, содержащий электрическую (сеть, преобразователь электрической энергии, электродвигатель) и механическую (подвижный элемент, напри­мер ротор и вал электродвигателя, механическая передача, рабо­чий орган машины) части.

Важнейшей функцией электропривода является управление преобразованной механической энергией, т. е. управление техно­логическим процессом. Его реализует входящее в состав электро­привода информационно-управляющее устройство. Общая струк­тура автоматизированной электромеханической системы показа­на на рис. 1.Штриховой линией выделены элементы систе­мы, входящие в состав электропривода и образующие силовой и информационный каналы электропривода.

Рисунок 1 – Структурная схема автоматизированного электропривода станка с ЧПУ

Информационно-управляющее устройство состоит из аппаратов управления и защиты, осуществляющих включение, пуск, останов электропривода и защиту от аварийных и аномальных режимов ра­боты, а также из электронных и микропроцессорных устройств управления и датчиков технологических, механических и электри­ческих параметров, характеризующих работу электропривода. Со­вокупность информационных и управляющих устройств образует информационный канал электропривода,предназначенный для уп­равления параметрами (координатами) электропривода в соответст­вии с требованиями технологического процесса. Важной функцией системы управления является также осуществление технологиче­ского процесса с минимальными затратами электрической энергии.

СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД

Являясь одним из основ­ных узлов, электроприводы подачи определяют точность и произ­водительность станков с ЧПУ. В связи с тем, что устройство ЧПУ практически безынерционно формирует сигналы управления при­водом как в режиме движения по заданной траектории, так и в режиме позиционирования (остановки в заданной координате), решающее значение для обеспечения точности имеют характери­стики и параметры привода подачи с учетом особенностей кине­матической цепи привода.

По мере совершенствования устройств ЧПУ, повышения точ­ности датчиков положения, увеличения жесткости и точности механических узлов станка повышаются требования к быстродей­ствию и точности приводов подачи. Следует выделить три типа электроприводов, разработанных специально для механизмов по­дачи станков с ЧПУ:

• электроприводы постоянного тока с высокомоментными дви­гателями, имеющими возбуждение от постоянных магнитов;

• электроприводы переменного тока с синхронными (вентиль­ными) двигателями, имеющими ротор с постоянными магнитами;

• электроприводы переменного тока с асинхронными двигате­лями, имеющими короткозамкнутую обмотку ротора.

Использование данных электроприводов позволяет значитель­но упростить конструкцию механизма подачи и исключить при­менение редуктора в кинематической цепи. В современных меха­низмах подачи станков с ЧПУ вал двигателя через муфту присоединяется к валу винта шариковинтовой пары (ШВП), а гайка ШВП жестко соединена с исполнительным органом станка (координат­ный стол, суппорт, револьверная головка и т.п.). Привод подачи имеет два датчика обратной связи – по скорости (тахогенератор) и по пути (круговой или линейный). В перспективных цифровых электроприводах подачи датчик скорости отсутствует, так как ско­рость вычисляется как отношение пути ко времени (вычисление осуществляется непосредственно в цифровой системе управления). Техогенератор всегда устанавливается на вал двигателя (некото­рые двигатели подачи изготовляют со встроенным тахогенератором, и/или круговым датчиком положения, и/или электромаг­нитным тормозом для механической фиксации неподвижной координаты). Существуют три варианта реализации обратной связи по пути в зависимости от установки датчика (датчиков) пути в кинематической цепи привода. На рис. 1 приведены следящие приводы с полузамкнутым, замкнутым и гибридным контурами обратной связи по пути. В станках нормальной точности, обеспе­чивающих точность позиционирования ±10 мкм, возможно при­менение полузамкнутого контура обратной связи по пути. В этом случае круговой датчик пути устанавливается на вал двигателя, а ШВП не охвачена обратной связью.

Это приводит к тому, что погрешность ШВП переносится на изделие. Систематическую составляющую этой погрешности, по­вторяющуюся стабильно, можно компенсировать с помощью за­ранее программируемых компенсирующих сигналов.

В прецизионных станках непосредственно на исполнительном механизме подачи (координатный стол) станка устанавливается высокоточный линейный датчик. Такая структура является замк­нутой по пути. При данной схеме зазоры в кинематической цепи и упругие деформации влияют на колебания привода. В ряде слу­чаев, особенно в тяжелых станках с длинными кинематическими цепями, применяют схему с гибридным контуром обратной свя­зи по пути, в которой используют два датчика: круговой, уста­новленный на валу двигателя, и линейный, размещенный на сто­ле станка. При этом круговой датчик служит для позиционирова­ния, а линейный – для автоматической коррекции погрешнос­тей кинематической цепи.

Рисунок 1 – Структурные схемы следящих электроприводов:   а, б, в – с полузамкнутым, замкнутым и гибридным контурами обратной связи по пути; 1 – основной блок устройства ЧПУ; 2 – узел управления приводом; 3 – блок привода; 4 – двигатель подачи; 5 — тахогенератор Т; 6 – стол станка; 7 – круговой датчик R обратной связи по пути; 8 – линейный датчик обратной связи по пути; 9 – задание перемещения; 10 – блок программного или аппарат­ного сравнения; 11 – задание дополнительного перемещения; 12 – блок сумми­рования.