Accionaments elèctrics per a màquines CNC

Les modernes màquines de tall de metalls multifuncionals i els robots industrials estan equipats amb accionaments elèctrics multimotor que mouen els cossos executius al llarg de diversos eixos de coordenades (Fig. 1).

El control del funcionament d'una màquina CNC es realitza mitjançant sistemes estàndard que generen ordres d'acord amb un programa definit en forma digital. La creació de microcontroladors d'alt rendiment i microordinadors d'un sol xip, que conformen el nucli de la CPU programable, va permetre amb la seva ajuda realitzar de manera automàtica moltes operacions geomètriques i tecnològiques, així com realitzar un control digital directe del sistema d'accionament elèctric i electroautomatització.

Arròs. 1. Sistema d'accionament de la fresadora CNC

Tipus d'accionaments elèctrics per a màquines CNC i requisits per a aquests

El procés de tall de metall es realitza mitjançant el moviment mutu de la peça a processar i la fulla de l'eina de tall.Els accionaments elèctrics formen part de les màquines de tall de metalls, que estan dissenyades per realitzar i regular processos de treball del metall mitjançant un sistema CNC.

En el processament, s'acostuma a separar els moviments principals que proporcionen processos de tall controlats durant el moviment mutu de l'eina i la peça, així com els moviments auxiliars que faciliten el funcionament automàtic de l'equip (aproximació i retirada d'eines de control, canvi d'eines i etc.).

Els principals inclouen el moviment de tall principal, que té la major velocitat i potència, que proporciona] la força de tall necessària, així com el moviment d'alimentació, que és necessari per moure el cos de treball al llarg d'una trajectòria espacial a una velocitat determinada. Per obtenir la superfície del producte amb una forma determinada, els cossos de treball de la màquina diuen a la peça i a l'eina que moguin la trajectòria desitjada amb una velocitat i força establertes. Els accionaments elèctrics donen moviments de rotació i translació als cossos de treball, les combinacions dels quals, a través de l'estructura cinemàtica de les màquines, proporcionen els desplaçaments mutus necessaris.

La finalitat i el tipus de màquina per a treballar el metall depèn en gran mesura de la forma de la peça fabricada (cos, eix, disc). La capacitat d'una màquina multifunció per generar els moviments d'eina i peça necessaris durant el mecanitzat està determinada pel nombre d'eixos de coordenades i, per tant, pel nombre d'accionaments elèctrics interconnectats i l'estructura del sistema de control.

Actualment, les unitats es realitzen principalment sobre la base de la fiabilitat Motors de corrent altern amb control de freqüènciarealitzades pels reguladors digitals.S'implementen diferents tipus d'accionaments elèctrics mitjançant mòduls industrials típics (Fig. 2).

Arròs. 2. Esquema funcional típic d'un accionament elèctric

La composició mínima dels blocs d'accionament elèctric consta dels blocs funcionals següents:

• motor elèctric executiu (ED);

• convertidor de potència de freqüència (HRC), que converteix l'energia elèctrica de la xarxa industrial en una tensió d'alimentació del motor trifàsic de l'amplitud i freqüència requerides;

• un microcontrolador (MC) que realitza les funcions d'una unitat de control (CU) i un generador de tasques (FZ).

La unitat industrial del convertidor de freqüència de potència conté un rectificador i un convertidor de potència que generen una tensió sinusoïdal amb els paràmetres necessaris determinats pels senyals del dispositiu de control mitjançant el control del microprocessador de l'interruptor PWM de sortida.

L'algoritme de control del funcionament de l'accionament elèctric és implementat pel microcontrolador mitjançant la generació d'ordres obtingudes com a resultat de la comparació dels senyals del generador de tasques i les dades rebudes del complex informàtic-informació (IVC) a partir del processament i anàlisi de senyals d'un conjunt de sensors.

En la majoria de les aplicacions, l'accionament elèctric del motor principal conté un motor elèctric d'inducció amb un bobinat de rotor de gàbia d'esquirol i una caixa de canvis com a transmissió mecànica de la rotació a l'eix de la màquina. La caixa de canvis sovint es dissenya com una caixa de canvis amb canvi de marxa remot electromecànic.L'accionament elèctric del moviment principal proporciona la força de tall necessària a una determinada velocitat de rotació i, per tant, l'objectiu de la regulació de la velocitat és mantenir una potència constant.

El rang necessari de control de velocitat de rotació depèn dels diàmetres dels productes processats, dels seus materials i de molts altres factors. A les màquines CNC automatitzades modernes, l'accionament principal realitza funcions complexes relacionades amb el tall de rosques, el mecanitzat de peces de diferents diàmetres i molt més. Això comporta la necessitat de proporcionar un rang molt gran de control de velocitat, així com l'ús d'un accionament reversible. A les màquines multifunció, el rang de velocitat de rotació requerit pot ser de milers o més.

També es requereixen rangs de velocitat molt grans als alimentadors. Per tant, en el fresat de contorns, en teoria hauríeu de tenir un rang de velocitat infinit, ja que el valor mínim tendeix a zero en alguns punts. Sovint, el moviment ràpid dels cossos de treball a l'àrea de processament també es realitza mitjançant un alimentador, la qual cosa augmenta considerablement el rang de canvi de velocitat i complica els sistemes de control de la unitat.

En els alimentadors, s'utilitzen motors síncrons i motors de corrent continu sense contacte, així com en alguns casos motors asíncrons. S'hi apliquen els requisits bàsics següents:

• àmplia gamma de regulació de velocitat;

• alta velocitat màxima;

• alta capacitat de sobrecàrrega;

• alt rendiment durant l'acceleració i la desacceleració en mode de posicionament;

• alta precisió de posicionament.

L'estabilitat de les característiques del variador s'ha de garantir sota les variacions de càrrega, canvis de temperatura ambient, tensió d'alimentació i moltes altres raons. Això es veu facilitat pel desenvolupament d'un sistema de control automàtic adaptatiu racional.

Part mecànica de l'accionament de la màquina

La part mecànica de l'accionament pot ser una estructura cinemàtica complexa que conté moltes peces que giren a diferents velocitats. Normalment es distingeixen els elements següents:

• rotor d'un motor elèctric que crea parell (girant o frenant);

• transmissió mecànica, t, s. un sistema que determina la naturalesa del moviment (rotació, translació) i canvia la velocitat del moviment (reductor);

• un cos de treball que converteix l'energia del moviment en treball útil.

Seguiment de la unitat asíncrona del moviment principal de la màquina de tall de metall

El modern accionament elèctric ajustable del moviment principal de les màquines de metall CNC es basa principalment en motors asíncrons amb bobinatge de rotor de gàbia, fet que ha estat facilitat per molts factors, entre els quals cal destacar la millora de la base d'informació elemental i electrònica de potència.

La regulació dels modes dels motors de corrent altern es realitza canviant la freqüència de la tensió d'alimentació mitjançant un convertidor de potència, que, juntament amb la regulació de freqüència, canvia altres paràmetres.

Les característiques de la unitat elèctrica de seguiment depenen en gran mesura de l'eficiència de l'ACS integrat.L'ús de microcontroladors d'alt rendiment ha proporcionat àmplies oportunitats per organitzar sistemes de control d'accionament elèctric.

Arròs. 3. Estructura de control típica del motor d'inducció mitjançant un convertidor de freqüència

El controlador d'accionament genera seqüències de números per a l'interruptor d'alimentació que regula el funcionament del motor elèctric. El controlador d'automatització proporciona les característiques necessàries en els modes d'arrencada i parada, així com l'ajust automàtic i la protecció de l'equip.

La part de maquinari del sistema informàtic també conté: - convertidors analògic-digital i digital-analògic per introduir senyals dels sensors i controlar-ne el funcionament;

• mòduls d'entrada i sortida per a senyals analògics i digitals, equipats amb equips d'interfície i connectors de cable;

• blocs d'interfície que realitzen la transmissió de dades entre mòduls interns i la comunicació amb equips externs.

Un gran nombre de configuracions del convertidor de freqüència, introduïdes pel desenvolupador, tenint en compte les dades detallades d'un motor elèctric determinat, proporcionen certs procediments de control, entre els quals es pot destacar:

• regulació de velocitat multinivell,

• límit de freqüència superior i inferior,

• límit de parell,

• frenada subministrant corrent continu a una de les fases del motor,

• protecció de sobrecàrrega, però en cas de sobrecàrrega i sobreescalfament, proporciona un mode d'estalvi d'energia.

Accionament basat en motors de corrent continu sense contacte

Els accionaments de màquines-eina tenen alts requisits pel que fa al rang de control de velocitat, linealitat de les característiques de control i velocitat, ja que determinen la precisió del posicionament relatiu de l'eina i la peça, així com la velocitat del seu moviment.

Els accionaments de potència es van implementar principalment a partir de motors de corrent continu, que tenien les característiques de control necessàries, però al mateix temps, la presència d'un col·lector de raspalls mecànics es va associar amb una baixa fiabilitat, complexitat de manteniment i un alt nivell d'interferències electromagnètiques.

El desenvolupament de les tecnologies de l'electrònica de potència i la informàtica digital va contribuir a la seva substitució en accionaments elèctrics per motors de corrent continu sense contacte, fet que va permetre millorar les característiques energètiques i augmentar la fiabilitat de les màquines-eina. Tanmateix, els motors sense contacte són relativament cars a causa de la complexitat del sistema de control.

Però el principi de funcionament d'un motor sense escombretes és una màquina elèctrica de corrent continu amb un inductor magnetoelèctric al rotor i bobinatges d'induït a l'estator. El nombre de bobinats de l'estator i el nombre de pols dels imants del rotor es seleccionen en funció de les característiques requerides del motor. Augmentar-los ajuda a millorar la conducció i el maneig, però condueix a un disseny del motor més complex.

En conduir màquines de tall de metalls, s'utilitza principalment una estructura amb tres bobinatges d'induït, fets en forma de diverses seccions connectades, i un sistema d'excitació d'imants permanents amb diversos parells de pols (Fig. 4).

Arròs. 4. Esquema funcional d'un motor de corrent continu sense contacte

El parell es forma a causa de la interacció dels fluxos magnètics creats pels corrents en els bobinatges de l'estator i els imants permanents del rotor. La direcció constant del moment electromagnètic s'assegura mitjançant una commutació adequada subministrada als bobinats de l'estator amb corrent continu. La seqüència de connexió dels bobinatges de l'estator a la font U es realitza mitjançant interruptors de semiconductors de potència, que s'activen sota l'acció dels senyals del distribuïdor d'impulsos quan subministren tensió dels sensors de posició del rotor.

En la tasca de regular els modes de funcionament de l'accionament elèctric dels motors de corrent continu sense contacte, es distingeixen els següents problemes interrelacionats:

• desenvolupament d'algorismes, mètodes i mitjans per controlar un convertidor electromecànic afectant les magnituds físiques disponibles per a la mesura;

• Creació d'un sistema de control automàtic de la conducció utilitzant la teoria i els mètodes de control automàtic.

Accionament electrohidràulic basat en un motor pas a pas

A les màquines-eina modernes, els accionaments electrohidràulics conjunts (EGD) són semicomuns, en els quals els senyals elèctrics discrets procedents d'un sistema electrònic CNC es converteixen mitjançant motors elèctrics síncrons en rotació d'eix. El parell desenvolupat sota l'acció dels senyals del controlador d'accionament (CP) del sistema CNC del motor elèctric (EM) és el valor d'entrada de l'amplificador hidràulic connectat mitjançant la transmissió mecànica (MP) al cos executiu (IO) de la màquina-eina (Fig. 5).

Arròs. 5. Esquema funcional de l'accionament electrohidràulic

La rotació controlada del rotor del motor elèctric mitjançant la transformació d'entrada (VP) i la vàlvula hidràulica (GR) provoca la rotació de l'eix del motor hidràulic (GM). Per estabilitzar els paràmetres de l'amplificador hidràulic, s'acostuma a utilitzar retroalimentació interna.

En els accionaments elèctrics de mecanismes amb caràcter d'arrencada i parada de moviment o moviment continu, han trobat aplicació els motors pas a pas (SM), que es classifiquen com un tipus de motors elèctrics síncrons. Els motors pas a pas amb excitació de pols són els més adequats per al control digital directe utilitzat en el control CNC.

El moviment intermitent (passos) del rotor amb un determinat angle de gir per a cada pols permet obtenir una precisió de posicionament suficientment alta amb un rang molt gran de variació de velocitat des de gairebé zero.

Quan utilitzeu un motor pas a pas en un accionament elèctric, el controla un dispositiu que conté un controlador lògic i un interruptor (Fig. 6).

Arròs. 6. Dispositiu de control del motor pas a pas

Sota l'acció de l'ordre de control de selecció nchannel, el controlador d'accionament CNC genera senyals digitals per controlar l'interruptor del transistor de potència, que en la seqüència requerida connecta la tensió de CC als bobinatges de l'estator. Per obtenir petits valors de desplaçament angular en un pas α = π / p, es col·loca un imant permanent amb un gran nombre de parells de pols p al rotor.