Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Исследование перспективных электродвигателей станков с ЧПУ

# 08, август 2009

Семенов Александр Сергеевич

лицей ╧ 1550, 11 класс

 

Научный руководитель:

Никулин Юрий Васильевич

кандидат технических наук,

доцент кафедры «Металлорежущие станки»

МГТУ им. Н.Э.Баумана

 

Введение

Повышение технического уровня современного металлообрабатывающего оборудования выдвигает все возрастающие требования к приводам станков. Раньше создание регулируемых приводов постоянного тока с тиристорными преобразователями позволило упростить кинематику станков за счет исключения коробок скоростей, повысить производительность и качество обработки путем выбора рациональных режимов резания при бесступенчатом регулировании. В тоже время создание регулируемых приводов переменного тока принципиально хотя и было возможно, однако по экономическим, массогабаритным и ряду технических показателей этот вид привода существенно уступал аналогичным системам на постоянном токе. Этим объясняется тот факт, что регулируемые асинхронные приводы со статическими преобразователями использовались лишь в высокоскоростных механизмах, где применение машин постоянного тока не представлялось возможным.

Дальнейшее развитие полупроводниковой техники: появление быстродействующих тиристоров, силовых транзисторов, являющихся элементами с полным управлением, микросхем средней степени интеграции и гибридных модулей - позволило по-новому подойти к проблеме создания электропривода переменного тока металлообрабатывающих станков. Современные приводы переменного тока, хотя в принципе и остались более сложными, но во многих случаях они не только конкурентоспособны, но и более предпочтительны в сравнении с системами постоянного тока. Это связано с тем, что по техническим характеристикам приводы переменного тока не только не уступают, но даже превосходят приводы постоянного тока.

Возможность изготовления различных приводов, в том числе и приводов главного движения, меньшие габариты у синхронных двигателей (даже в сравнении с высокомоментными двигателями постоянного тока) делают приводы переменного тока наиболее рациональными.

Современный этап развития металлообрабатывающих станков характеризуется началом внедрения приводов переменного тока в механизмы главного движения и подачи, в том числе и станков с ЧПУ. Опыт их эксплуатации позволяет нам, по-новому рассмотреть рациональную компоновку, технологию обработки на станках, и, соответственно, выявить дополнительные преимущества, появляющиеся в случаях применения приводов переменного тока.

 

1. Электроприводы металлорежущих станков с ЧПУ

1.1. Требования инженеров- технологов к электроприводам станка с ЧПУ

Основные функции электроприводов металлообрабатывающих станков заключаются в следующем:

·         регулировании частоты вращения двигателей в длительном режиме для обеспечения режимов резания;

·         обеспечении рационального режима пуска двигателя по определенному закону;

·         обеспечении рационального торможения с заданными параметрами (время, путь или момент);

·         реверсировании двигателя с рациональными торможением и разгоном;

·         слежении за данным углом поворота вала двигателя;

·         позиционировании или повороте на определенный угол рабочего органа станка.

Как правило, в механизмах станков, в которых использованы электроприводы, обеспечивающие режимы плавного регулирования частоты вращения или положения, одновременно решены задачи рациональных пуска, торможения и в случае необходимости - реверса. Это объясняется широкими возможностями регулируемых приводов. Особый класс составляют электроприводы, в которых не требуется регулирование частоты вращения или положения в длительном режиме и имеется одно либо несколько ограничений из числа перечисленных выше. В таких случаях возможно применение сравнительно простых систем электроприводов, в которых, как правило, используются асинхронные двигатели и схемы  преобразователей частоты. Приводы главного движения (рис. 1а, б) большинства станков в настоящее время выполняются регулируемыми с применением двигателей постоянного и переменного тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 
 

 

 


а)

       
   

 

 
 
 

б)

Рис. 1.

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Наибольший диапазон регулирования для обеспечения всех режимов резания обычно не превышает 1 : 10000.

Причем в части диапазона (до 1:5), соответствующем большим значениям частот вращения, как правило, регулирование выполняется в режиме с сохранением неизменной номинальной мощности Р двигателя. В остальной части диапазона регулирование числа оборотов n осуществляется с сохранением предельного длительного момента двигателя Т. Мощность при этом соответственно снижается по мере уменьшения частоты вращения. Для расширения диапазона регулирования с неизменной мощностью на станке делается коробка с одним - двумя переборами.

В большинстве станков на такое ограничение мощности приходится идти для того, чтобы как-то ограничить величину номинального момента и, следовательно, габарит двигателя. Отвлекаясь от различных второстепенных факторов, можно принять, что габарит любого электрического двигателя определяется только моментом на нижней частоте вращения. Поэтому чем меньше диапазон регулирования с Р=const (независимо от того, что регулирование ведется за счет ослабления электромагнитного поля), тем меньше должен быть габарит двигателя. Традиционно принятое регулирование с Р=const в механических узлах станков может быть реализовано в ограниченном диапазоне, зависящем от конкретной конструкции.

Максимальная частота вращения двигателей общепромышленного исполнения составляет 2000-30000 об/мин, а диапазон номинальных мощностей применяемых приводов достаточно широк: от 0,5 до 300 кВт.           Требования по допустимой нестабильности частоты вращения приводов главного движения в принципе должны быть самыми высокими в сравнении с другими механизмами станка. Действительно, при врезании инструмента в деталь «провал» частоты вращения шпинделя приводит к существенному увеличению силы резания и, следовательно, к еще большему, снижению частоты вращения.

Этот процесс может развиваться до тел пор, пока момент не достигнет предельного значения, после чего двигатель начнет останавливаться. Наиболее жесткие требования к динамике привода главного движения по возмущающему воздействию предъявляются при обработке на низкой частоте вращения шпинделя. Существенно облегчаются условия процесса врезания, если регулируемые приводы подачи и главного движения электрически связаны.

 

 
Привод подачи (рис. 2) работает в режиме слежения за положением шпинделя, или по заданной программе в системе с ЧПУ.

 

 
Рис. 2.

 

Допускаемая величина нестабильности частоты вращения двигателя во всем диапазоне не превышает 5% от установленного значения. Требования по быстродействию к динамическим  изменениям    момента   нагрузки  достаточно  высоки  и  должна  составлять 0,1 с-0,3 с. Предъявляются определенные требования по минимальному среднему ускорению винта ШВП: например, при моменте до 1,7 Нм и дополнительном моменте инерции 0,002 Нм2 ускорение равно 4000 рад/с2, а при моменте до 170 Нм и дополнительном моменте инерции 2,5 Нм2 ускорение должно быть 1500 рад/с2.

В ряде станков, например, расточной группы, после останова необходима ориентация двигателя в определенном положении для вывода инструмента из детали. Обычно это обеспечивается за счет торможения с нижней скорости диапазона после поступления соответствующей команды путевых выключателей. В случаях выполнения операций резьбонарезания требуется еще в реверсирование двигателя.

Особую группу составляют высокоскоростные электроприводы шлифовальных, сверлильных и фрезерных станков. Диапазон частот вращения этих приводов составляет до D=1:1000, однако наибольшие значения частот вращения достигают 150 000 об/мин. В этих приводах применяются только асинхронные или синхронные двигатели. Требования по стабильности частоты вращения в этих приводах очень высоки. Разгон двигателей осуществляется за 0,1-0,2 с. Наибольшие мощности таких приводов в настоящее время довольно велики, например 25 кВт при nmax = 48000 об/мин.

Раньше приводы подачи выполнялись ступенчато-регулируемыми за счет коробки подач либо с плавным регулированием частоты вращения двигателя. В механизмах подачи очень важным является требование сохранения неизменным момента электродвигателя при снижении частоты вращения.

Дополнительного механического перебора в механизмах подачи, в настоящий момент, не требуется. Весь диапазон регулирования 1:20000 перекрывается только за счет электрического регулирования. Диапазон мощностей приводов подачи станков - 0,1-20 КВт. Как правило, реверс направления подачи S осуществляется тоже посредством привода. Перегрузочная способность двигателя осуществляется при частотах вращения, соответствующих режимам резания и должна в два-четыре раза превосходить величину номинального значения.

При больших частотах вращения, как правило, резания не происходит. Эта зона необходима для обеспечения быстрых перемещений механизмов, и наибольший момент определяется только необходимостью обеспечения заданного числа оборотов n. Особенностью электроприводов для станков с ЧПУ является значительное расширение выполняемых ими функций. Например, приводы главного движения наряду с регулированием и стабилизацией частоты вращения при силовых режимах резания должны обеспечивать возможность резьбонарезания и позиционирования для автоматической смены инструмента. Параметры работы электропривода подачи и главного движения используют для получения информации о текущих значениях технологических режимов при контроле нагрузки и построения адаптивных систем управления.

В связи с этим диапазоны регулирования приводов подачи и главного движения увеличиваются до 1:10000, а максимальный момент составляет четырех - шести кратную величину от номинального момента Мн. Хотя некоторые типы машин постоянного тока позволяют получить динамические моменты в 10-12 раз большие Мн реализация их в большинстве случаев нецелесообразна из-за быстрого износа механических передач.

Во всех случаях, как правило, меньшая стоимость двигателя переменного тока требует больших затрат на преобразователь частоты. Поэтому целесообразность применения систем на переменном токе должна решаться путем технико-экономического анализа, проводимого с учетом конкретных особенностей станка.

 

1.2. Двух-трехзонная схема регулирования электроприводов станка

При работе привода в первой зоне (рис. 3) (зоне привода подачи) обеспечивается поддержание постоянства длительного момента во всем диапазоне изменения скорости. При регулировании во второй зоне (рис. 3) от номинальной до максимальной скорости напряжение обмоток двигателя постоянного тока поддерживается постоянным, а ток обмоток изменяется от номинального до минимального значения. Таким образом, регулирование скорости выше номинальной осуществляется за счет ослабления магнитного потока двигателя. Регулирование скорости во второй зоне обеспечивает поддержание постоянства номинальной мощности, что соответствует требованиям механизмов главного движения станков и машин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 
 

 

 


Рис. 3.

 

Регулирование напряжения и тока электродвигателя осуществляется по заданной программе. Задающим сигналом для системы управления является напряжение, пропорциональное напряжению якоря двигателя.


Структурное построение двух - трехзоннорегулируемого электропривода постоянного тока, приведенное на рис. 4, широко применяется в приводах механизмов главного движения и подачи станков.

 

 
Рис. 4.

 

Принцип работы электропривода переменного тока с синхрон­ным (вентильным) двигателем аналогичен принципу работы однозонного электропривода постоянного тока. Если в двигателе постоянного тока переключение (коммутация) обмоток осуществлялась с помощью щеточно-коллекторного узла, то в синхронном электроприводе переключение напряжений, питающих обмотки, осуществляется блоком управления в зависимости от положения ротора относительно неподвижного статора двигателя, которое контролируется датчиком положения.

 

1.3. Отечественные и зарубежные электроприводы для станков и промышленных роботов

Отечественные и зарубежные электроприводы главного движения и подачи современных станков строятся в настоящее время на базе известных асинхронных и синхронных электродвигателей. К этим приводам в настоящее время предъявляются целый ряд часто противоречащих требований. Электроприводы во многих зарубежных станках построены на базе фирмы Siemens.

Эти привода обеспечивают большой диапазон регулирования (D=60 000)при сохранении момента и мощности. В каждой стране мира существуют конкурентно-соревнующиеся фирмы, изготавливающие электропривода к станкам и промышленным роботам.

В России чаще всего применяют электропривода фирм: Hitachi, Siemens, KEB, Fanuc, Bosh и д.р.

 

1.4. Структура и принцип действия электродвигателей станка

1.4.1. Виды электродвигателей для металлорежущих станков и промышленных роботов

Современный электродвигатель для металлорежущих станков представляет собой универсальное электромеханическое устройство, способное решать разнообразные технологические задачи.

Классификация различных видов электродвигателей, применяемых в металлорежущих станках, приведена на схеме.

Двигатели классифицируются следующим образом:

·         по роду тока (постоянный, переменный, импульсный);

·         по способу формирования возбуждения (электромагнитное, от постоянных магнитов);

·         по конструкции ротора (цилиндрический, дисковый, полый).

 

Двигатели постоянного тока.

Двигатели постоянного тока (рис. 5) используются в прецизионных приводах, требующих плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Свойства двигателя постоянного тока, так же как и генераторов, определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.

Двигатели постоянного тока с электромагнитным возбуждением обеспечивают регулирование скорости вращения, как при изменении напряжения питания якорной обмотки, так и при изменении тока обмотки возбуждения.

Возможность регулирования скорости двигателя с постоянством мощности (2-я зона) дает возможность использования в приводе главного движения (на сегодняшний день почти не используется). Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателей или генераторов.

Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса.

 

                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а                                                                                б

 

Рис. 5.

 

Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область их применения малый срок службы щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и коллектором (скользящий контакт является источником радиопомех и ограничений по напряжению).

Асинхронные двигатели.

               
   

 

 
 

 

 
 
 
   

 

 
   

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


        Рис. 6.                                                                           Рис. 7.

 

Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть, именуемую статором (рис. 7), и вращающуюся часть, называемую ротором. В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле. В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой (рис. 8) размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами.

 

 

Рис. 8.

Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи. Принцип действия асинхронного двигателя представлен на рис. 6 Вращающееся магнитное поле статора представим в виде, вращающегося поля с синхронной частотой вращения n1. В проводниках замкнутой обмотки ротора индуктируются токи. Магнитное поле статора перемещаются по часовой стрелке. Наблюдателю, разместившемуся на вращающемся поле статора, кажется, что поле статора неподвижно.

Направления роторных токов, определенные по правилу правой руки, указаны на рис. 6. Пользуясь правилом левой руки, найдем направление электромагнитных сил, действующих на ротор и заставляющих его вращаться. Ротор двигателя будет вращаться с частотой вращения n2 в направлении вращения поля статора. Ротор вращается асинхронно, т.е. частота вращения его n2 меньше частоты вращения поля статора n1 (т.е. n1<n2).

Особенности асинхронного двигателя:

·         Отсутствие щеточно-коллекторного узла (у трехфазных электродвигателей с короткозамкнутым ротором);

·         простая конструкция ротора (литой) обеспечивают ряд преимуществ АД в сравнении с двигателями постоянного тока;

·         Регулирование частоты и величины напряжения питающего обмотки статора, обеспечивает получение характеристик АД аналогичных характеристикам двигателя постоянного тока с электромагнитным возбуждением.

Шаговые двигатели.

Шаговые двигатели, используемые во вспомогательных приводах станка, имеют широкий диапазон угловых перемещений за один шаг. Более «грубые моторы» обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер, подсоединенный к ШД, позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ - модуляции.

Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться, пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Синхронные двигатели.

В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянная при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компрессоры, вентиляторы, а также с использованием ПЧ в металлорежущих станках).

В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.

Рассмотрим принцип работы синхронного двигателя на модели (рис. 9).

Вращающееся магнитное поле статора представим в виде магнита 1. Намагниченный ротор изобразим в виде магнита 2. Повернем магнит 1 на угол α. Северный магнитный полюс магнита 1 притянет южный полюс магнита 2, а южный полюс магнита 1 - северный полюс магнита 2. Магнит 2 повернется на такой же угол α. Будем вращать магнит 1. Магнит 2 будет вращаться вместе с магнитом 1, причем частоты вращения обоих магнитов будут одинаковыми, синхронными, n2 = n1.

Ротор синхронного реактивного двигателя изготавливается из ферромагнитного материала и должен иметь явно-выраженные полюса. Вращающееся магнитное поле статора намагничивает ротор. Явнополюсный ротор имеет неодинаковые магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям полюса. Силовые линии магнитного поля статора изгибаются, стремясь пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением. Деформация магнитного поля вызовет, вследствие упругих свойств силовых линий, реактивный момент, вращающий ротор синхронно с полем статора.

Рис. 9.

 

Если нагрузка превысит некоторое допустимое значение, двигатель остановится, выпадет из синхронизма.

В настоящее время применяется асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка.

Вращающее магнитное поле статора индуктирует в короткозамкнутой пусковой обмотке вихревые токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем статора образуется асинхронный электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения статорного поля, двигатель втягивается в синхронизм и вращается с синхронной скоростью. Короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.

Отличие синхронного электродвигателя от асинхронного:

·         В 10 раз меньше момент инерции

·         В 100 раз больше диапазон чисел оборотов

·         Меньше нестабильность вращения

·         Меньше габариты

 

1.4.2. Перспективные электродвигатели механизма главного движения металлорежущего станка

На современных станках с ЧПУ значительно усложнились задачи, выполняемые электроприводом главного движения (ЭПГД). Если раньше он выполнял традиционные функции по стабилизации частоты вращения, что накладывало на его динамические характеристики только ограничения на обработке возмущении, то в настоящее время ЭПГД используют в режимах позиционирования инструмента, а также резьбонарезания. Эти режимы требуют согласования перемещений механизмов главного движения и подачи. Различные технологические режимы обработки деталей и свойства применяемого инструмента требуют от ЭПГД большого диапазона регулирования, а также сокращения времени переходных процессов пуска - торможения, слежения частоты вращения при позиционировании и т.д. Кроме того, в станках с ЧПУ динамические характеристики приводов главного движения по управляющему воздействию в значительной степени влияют на производительность. Анализ обработки деталей на станках типа ОЦ (обрабатывающий центр) показывает, что общее время пусков-торможений шпинделя на некоторых технологических операциях может составлять до 10% от всего времени обработки заданной программы.

Важным для ЭПГД является поддержание заданного значения часто­ты вращения, что связано с применяемыми датчиками скорости.

В настоящее время наибольшее распространение в зарубежном электроприводе получило бесступенчатое управление частотой вращения с использованием замкнутых систем регулирования без электродвигателей постоянного тока, при этом, для приводов мощностью свыше 5 кВт, как правило, применяют двухзонную схему управления.

Двигатели с высотой  оси вращения до 400 мм охватывают диапазоном мощностей от 0,7 до 400 кВт и оснащены тахогенератором (в некоторых случаях датчиком ориентации главного привода), датчиком температурной защиты с установкой на входе охлаждающего воздуха воздушных фильтров. Диапазон регулирования скорости при постоянной мощности - 15:1 (в некоторых типах машин - 18:1) максимальная частота вращения - свыше 5000 мин-1.

Для управления асинхронными двигателями с системой ориентации вала номинальная мощность ЭПГД составляет от 1,5 до 45 кВт. Диапазон регулирования скорости при постоянной мощности 10:1, при постоянном моменте 1:100.

Для регулирования скорости стандартных асинхронных двигателей и электромеханизмов типа мотор-шпиндель для ГПМ и шпиндельных бабок и др. используются преобразователи частоты встраиваемых, бескорпусных двигателей, оснащенные бесконтактными датчиками скорости и положения, температурной защитной и принудительной вентиляцией для главных электроприводов станков и гибких производственных модулей (ГПМ) и других видов автоматизированного оборудования. Номинальная мощность при этом должна составлять от 1,5 до 45 кВт Диапазон регулирования скорости при постоянной мощности не менее D = 250.

Для электроприводов мощностью от 2 до 200 кВт используются специальные бескорпусные двигатели постоянного тока, оснащенные датчиками скорости положения, температурной защитой и системой принудительной вентиляции.

Асинхронные электродвигатели имеют встроенный вентилятор, датчик положения, реле тепловой защиты Транзисторные преобразователи, которые используются в электроприводе, обычно состоят из тиристорного реверсивного выпрямителя, транзисторного инвертора и схемы управления, в которой используется микропроцессоры.

Имеются следующие виды защиты в аварийных режимах: защита перегрева электродвигателя, недопустимая погрешность скорости, пропадание фазы питающей сети, превышение максимальной скорости, неисправность выпрямителя, неисправность инвертора, перегрев преобразователя и т.д.

Дополнительно могут встраиваться датчики ориентации шпинделя двух типов: оптические, индуктивные.

Для электроприводов переменного тока механизмов главного движения перспективными являются асинхронные электродвигатели с максимальной частотой вращения до 5000 мин-1.

В качестве датчиков обратной связи в автоматизированном электроприводе широко применяются двух- и многополюсные резольверы (один этот датчик дает всю информацию), встроенные в электродвигатели, а также устанавливаемые на ходовых винтах. В станках высокой точности используются оптические, электронно-импульсные и другие высокоточные датчики, устанавливаемые на выходном звене.

 

1.4.3. Электродвигатели механизма подачи металлорежущего станка

Раньше в механизмах подачи, в основном, использовались высокомоментные электродвигатели постоянного тока с транзисторными широтно-импульсными преобразователями. Особенностью современных высокомоментных электродвигателей является понижение момента инерции в 1,5-2 раза и высокая степень защиты от внешней среды. Основной недостаток этих электродвигателей - наличие коллектора, который  усложняет конструкцию электродвигателя, снижает его надежность и требует дополнительного оборудования.

При использовании стандартных асинхронных электродвигателей в электроприводе механизмов подачи необходима их принудительная вентиляция. Асинхронный электродвигатель, обеспечивающий высокие динамические характеристики, требует применения датчика положения ротора высокой разрешающей способностью и преобразователя для регулирования частоты вращения.

Электроприводы механизмов подачи, согласно техническим требованиям, должны обеспечивать: широкий диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя, высокую стабильность выходных характеристик, стабильность частоты вращения, высокое быстродействие при переходных процессах разгона и торможения, высокое быстродействие при  «набросе» и «сбросе» нагрузки и при реверсе под нагрузкой на малых частотах вращения, высокую равномерность движения при различной нагрузке на всех частотах вращения и т.д.

В электроприводах механизмов подачи станков с ЧПУ и промышленных роботов широко применяются следящие вентильные электроприводы на базе серийных широкорегулируемых преобразователей частоты, которые удовлетворяют требованиям к приводам механизмов  подачи современных станков с ЧПУ и промышленных роботов. Многие электроприводы снабжены специальными устройствами, повышающими их динамические характеристики в области малых частот вращения (менее 0,1 мин -1) в результате увеличения коэффициента усиления регулятора частоты вращения и изменения постоянной  времени. Необходимо отметить, что тиристорные преобразователи частоты вращения в настоящее время не получили широкого применения; из-за необходимости использования дополнительных громоздких коммутирующих  блоков для искусственного запирания тиристоров.

Необходимо отметить, что в настоящее время в диапазоне моментов до 70Н·м транзисторные преобразователи для высокомоментных электродвигателей практически полностью заменили тиристорные. Частота коммутации транзисторов составляет 2-5 кГц, некоторые маломощные электроприводы - до 20 кГц, что позволило значительно уменьшить уровень шума.

Применение транзисторных преобразователей с использованием силовых модулей, микросхем средней и высокой степени интеграции и термостабилизированных элементов позволило создать многоосевые (свыше 8) малогабаритные конструкции электроприводов с высокими энергетическими, динамическими (полоса пропускания до 800 Гц) и статическими характеристиками (диапазон регулирования скорости до I:30000). Для большинства роботов, дыропробивных прессов, станков для сверления печатных плат и др. быстродействующих механизмов широко используются специальные быстродействующие электродвигатели.

Выпускаются серии дисковые двигатели с номинальным моментам от 0,034 Н·м до 45 Н·м и с номинальной частотой вращения от 2000 до 6000 об/мин закрытого исполнения и принудительной вентиляцией.

Используют в электроприводе и вентильные  электродвигатели. Они имеют наиболее технологичную конструкцию - без стальных полюсных наконечников на роторе, с естественным охлаждением. Возбуждение вентильных электродвигателей осуществляется от ферритовых или редкоземельных магнитов (самарий, кобальт).

Вентильные электродвигатели применяемые в механизмах подачи станка характеризуются: отсутствием ограничений по коммутации перегрузочной способности; постоянным моментом ускорения, определяемым с основной механической прочностью; малым моментом инерции и высоким быстродействием (ускорение до 36000 рад/с2 полюса пропускания до 200Гц); отсутствием потерь в роторе; широким диапазоном регулирования и равномерностью вращения; практически не требуют обслуживания ввиду отсутствия щеточноколлекторного узла; имеют малый вес и габариты; пылевлагозакрытую  защиту электродвигателя от внешней среды. Они характеризуются широким диапазоном регулирования скорости. Модульная конструкция преобразователя является наиболее оптимальной, при этом преобразователь состоит из модуля питания для всех координат и отдельных осевых коммутаторов с системой у правления. Модуль питания осуществляет выпрямление напряжения питающей среды и сглаживание пульсаций напряжения с помощью конденсатора (конденсаторов).

В последнее время широкое распространение получили станки на основе 3d структуры. Это гравировально - фрезерные станки. В этих станках используются шаговые двигатели, имеющие мощные магниты, для перемещения привода главного движения по заданным координатам. Такой станок может обрабатывать сложнопрофильные детали.

 

2. Разработка электропривода на основе схемы MITSUBISHI TRANSISTOR INVENTER FR-A500

Для создания экспериментального стенда потребовался расчет электродвигателя нагруженного процессом резания (рис. 1б).

 
 

2.1. Предварительный расчет электродвигателя главного движения и привода подачи для станка с ЧПУ

 

Алгоритм предварительного расчета двигателя главного движения и привода подач

Ход расчета:

рассчитаем мощность требуемого электродвигателя для привода главного движения: по справочнику принимаем следующие величины:

F = 2000 H (принята условно);

D = 100 мм, D – диаметр заготовки (мм);

V = 200 м/мин (принята для алюминиевых сплавов);

V - скорость резанья (м/мин), выбираем из таблицы 1;

t = 6,2 мм, t – глубина резания (мм);

η = 0,9, η – КПД

 

 

Таблица 1.

Рекомендуемые скорости резания при работе резцом из быстрорежущей стали при стойкости резца без охлаждения, равной 60 мин

Обрабатываемый материал

Скорость резания, м/мин

Сталь мягкая

55 — 45

Сталь средняя

45 — 30

Сталь твердая

30 — 20

Стальное литье

29

Серый чугун

26

Латунь

110

Бронза

70

Алюминиевые сплавы

200

Органическое стекло

35

1)       ,

где P – мощность эл.двигателя (Вт); T – момент на шпинделе (Hм); ω – угловая скорость (рад/с); η – КПД электродвигателя.

2)       ,

где n – количество оборотов (об/мин); D – диаметр заготовки (мм).

Выразим n:

.

Подставляем значения и получаем:

.

Подставляем n = 637 в п. 3):

3)      

где n – количество оборотов в минуту (об/мин); ω – угловая скорость (1/с).

Подставляем значения и получаем:

.

Подставим ω=66,67 ()в п. 1)

4)   

где F – сила трения действующая на резец (H); ; L – плечо (м); , получаем:

.

Подставляем значения и получаем:

.

Подставляем T=77,52 (Н·м) в п. 1)

5). После подстановки всех значений в п. 1) получаем:

; .

6). Выбираем электропривод для привода главного движения (47 МВН 3) по каталогу (таблица 2).

Таблица 2.

Тип эл. двигателя

Крутящий момент

(Hм)

Механич. мощность

(Вт)

Ток

(A)

Мах кол-во оборотов

(Об/мин)

Мах напряжение

(U)

Момент инерции

(кг·м2)

Масса

(кг)

1МХ-4

2

1520

13

2100

150

0,01174

10

2MX-1

5

1980

24.5

1500

100

0,01977

14

2МХ-2

9

2380

16,1

2000

190

0,01977

23

3МХ-1

18

2950

23

2000

180

0,02365

39

4МХ-1

23

3060

21,8

1500

180

0,035

50

47 МВН 3

47

6400

65,5

1500

130

0,12

110

70 МВО 3

70

7050

131

1000

69

0,114

125

100 МВО 3

100

10300

142

1000

87

0,134

131

 

Рассчитаем момент резания требуемого электродвигателя для привода подачи по справочнику принимаем следующие величины:

,

где t* = 10 мм, t* – шаг ходового винта (мм); i = 1, i – передаточное отношение коробки передач; η = 0,8, η – КПД; Fx = 900 H, Fxсила (H) (принята условно); Mхв момент на ходовом винте (Hм)

           

Выбираем электропривод для привода подачи (1МХ-4) по каталогу, представленному в таблице 2.

 

2.2. Экспериментальная проверка теории выбора электродвигателя

Критерии любой теории – практика! Передо мной была поставлена задача проверить на экспериментальном стенде (рис. 10) диапазон регулирования скоростей вращения шпинделя .

Для создания экспериментального стенда был выбран вертикальный сверлильный станок Ferm FTB-13.

Для привода шпинделя станка используется асинхронный электродвигатель переменного тока марки АИР 80. Через ременную подачу вращение вала двигателя передается на шпиндель станка. Регулирование вращения шпинделя можно осуществлять при помощи 5-ти ступенчатого вариатора (коробки скоростей).

Было предложено взять для вращения вала двигателя преобразователь частоты MITSUBISHI FR A-500, который позволяет нам регулировать число оборотов до 3000 об/мин без вариатора (рис. 10).

После снятия данных с ленты осциллографа была получена таблица 3.

Таблица 3.

nзадан

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

nmax (n2)

0,5

3,8

5,5

6,8

8,1

9,25

10,4

11,54

12,7

13,85

15

16

nmin (n1)

7

7,5

8,2

8,9

9,7

10,55

11,4

12,3

13,2

14,1

15

16

 

На основании таблицы 3 был построен график зависимости числа оборотов задаваемых с ПЧ от числа оборотов шпинделя станка Ferm FTB-13 (для асинхронного двигателя) (рис. 11).

Выводы из проделанного эксперимента:

1.       При наборе частоты вращения шпинделя станка (nзадан) на пульте MITSUBISHI transistor inventor, получаются частоты вращения шпинделя станка в диапазоне от n1 до n2.

2.       Чем больше устанавливаемая частота вращения шпинделя станка, тем меньше диапазон выдаваемой частоты оборотов (от n1 до n2) при nзадан.

 

Рис. 10.

 
 
 

 

 
 

Рис. 11.

n – количество оборотов, задаваемое с пульта ПЧ;

n*- число оборотов получаемых с помощью тахогенератора ТГ-1

 

Преимущества применения электроприводов с ПЧ:

1.       Увеличение производительности механизма за счет оптимизации режимов работы привода и обслуживаемого им технологического процесса при регулировании скорости исполнительного двигателя в широком диапазоне 10:1 в разомкнутой схеме включения и до 30:1 в замкнутой схеме включения с дополнительно установленным датчиком скорости.

2.       Увеличение ресурса работы электрического и механического оборудования за счет ограничения токов асинхронного двигателя и динамических моментов при плавном регулировании частоты вращения с ограничением ускорения в режимах разгона и торможения, исключения механических ударов в передачах и гидравлических ударов в трубопроводах, а также автоматической блокировки длительной работы привода в зонах возможного механического резонанса.

3.       Поддерживание с заданной точностью скорости исполнительного двигателя или подчиненного параметра технологического процесса. Реализация таких систем регулирования, в которых точность поддержания заданных переменных будет определяться лишь точностью используемых датчиков.

4.       Энергосбережение и ресурсосбережение.

5.       Обеспечение программного управления скоростью или регулируемой технологической переменной по часовым, суточным, недельным и месячным циклам в реальном времени.

6.       Управление несколькими приводными электродвигателями одного технологического процесса при помощи совместной работы ПЧ и станции группового управления (СГУ). Например, управление несколькими приводами с возможностями автоматического резервирования; оптимизации наработки каждого из механизмов, путем учета времени работы; реализация вспомогательных функций технологической автоматики - управление дискретными исполнительными устройствами станка.

7.       Объединение нескольких регулируемых электроприводов с ПЧ в сети с согласованным управлением. При этом управление осуществляется в реальном времени от промышленных программируемых контроллеров или компьютеров. Реализация систем «электрического вала» или пропорционального согласованного управления скоростью неограниченного числа приводов.

8.       Косвенное измерение ряда внутренних параметров привода и параметров технологического процесса без использования дополнительной измерительной аппаратуры. Например, измерение расхода электроэнергии в энергосберегающих приводах (наблюдение и учет с целью определения эффективности системы).

9.       Организация необходимых защит электропривода в целом и внутренних узлов ПЧ позволяет предупреждать аварийные ситуации. Индикация кода аварии на дисплее ПЧ позволяет оперативно определить источник неисправности.

Преобразователь частоты Mitsubishi FR A-500 (применяемый в эксперименте) (рис. 12).

 

Рис. 12.

 

Преобразователь мощностью: 0.4-55 кВт, питание: трехфазная сеть ~380В (50/60 Гц)

·         Диапазон выходных частот: 0.2 - 400 Гц;

·         Векторное управление с автоматической настройкой и коррекцией параметров двигателя при нагреве;

·         Управляемое торможение при отключении питания;

·         В базовой комплектации оснащен дросселем постоянного тока (для серии FR-A500L);

·         Поиск скорости 15 программируемых установок скорости;

·         Перегрузка по току 200%;

·         Встроенный ПИД-регулятор;

·         Встроенный тормозной резистор (до 7.5 кВт);

·         Встроенный интерфейс RS485;

·         Поддержка сетей: Profibus DP, Device Net/DP и СС link.

Применение ПЧ:

·         Металлорежущие станки;

·         Деревообрабатывающее оборудование;

·         Транспортеры и устройства позиционирования;

·         Конвейеры;

·         Подъемники;

·         Лифты;

·         Насосы;

·         Дымососы;

·         Вентиляторы;

·         Крановые приводы;

·         Текстильное оборудование.

Заключение

В представленном реферате мною были рассмотрены электроприводы главного движения и подачи металлорежущих станков. Было обнаружено, что в настоящее время есть большое количество разнообразных типов электроприводов (SIEMENS, HITACHI, ABB, KEB, АИР и д.р.). Мною было рассмотрены различные типы электродвигателей, работающие в приводах подачи станков с ЧПУ. Было показано, что электроприводы металлорежущих станков работают в очень широком диапазоне чисел оборотов, мощностей и моментов. Вследствие этого изложены требования технологов к современным станкам с ЧПУ, рассмотрена двух-трех зонная схема регулирования электродвигателя. На основании вышеизложенного мною была предложена схема регулирования электродвигателя АИР 80 и создан экспериментальный стенд.

Было показано, что при использовании преобразователя частоты фирмы MITSUBISHI electronic частота вращения вала электродвигателя меняется в некотором диапазоне, представленном на графике.

Я считаю это направление наиболее перспективное т.к. электродвигатель это основа работы станка и его необходимо развивать. Только использовав преобразователь частоты, можно получить очень широкий диапазон частот вращения шпинделя станка и обработать на станке детали, выполненные из различных, современных, жаростойких материалов, используемых в создании современных самолетов, ракет и в других отраслях.

 

Список литературы

1.       Брейтер Б.З., Погорельский А.С. Регулируемые электроприводы переменного тока для металлообрабатывающих станков. – М., 1981.

2.       Прокопенко А.М., Алексеева Т.Д. Регулируемые Электроприводы и комплектующие к ним применяемые в станкостроении. – М., 1991.

3.       Паньков В.Д. Электроприводы для металлорежущих станков и промышленных роботов  зарубежных фирм. – М., 1991.

4.       Справочник технолога-машиностроителя. / Под ред. Дальский А.М., Косилов А.Г. – М.: Машиностроение, 2001.

5.       http://www.es-electro.ru/

6.       Васильев Г.Н. Автоматизация проектирования металлорежущих станков. – М., 1987.


Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2017 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)