5 Разомкнутые системы. Дискретный (шаговый) двигатель подачи

Первый вид систем программного управле­ния составляют разомкнутые системы. Характерной особенностью этих систем является наличие только одного потока информации, направленного от устройства, считывающего программы, к ис­полнительному устройству (рис. 5.1).

Рис. 5.1 Блок-схема разомкнутой системы ЧПУ:

1 — считывающее устройство; 2 — программоноситель (перфолента); 3 — электронный кодовый преобразователь; 4 — шаговый двигатель; 5 — следящий золотник; 6 — гидравлический двигатель; 7— редуктор; 8 — стол станка; 9 —местная жесткая обратная связь

При вводе программоносителя в считывающее устройство, на выходе последнего появляются командные сигналы. После необходимых преобразований электронный блок управляет шаговым приводом и исполнительным устройством, которое переме­щает рабочий орган станка в заданное положение. Соответствие действительного перемещения заданному при этом не контроли­руется. Примером подобных систем могут служить широко рас­пространенные системы, использующие в качестве привода подач рабочих органов станка шаговые двигатели или шаговые двига­тели с гидроусилителями. Схема, изображенная на рис. 5.1, реа­лизована на серийно выпускаемых отечественных фрезерных станках мод. 6Н13-ГЭ2, изготовляемых Горьковским заводом фрезерных станков, а также на станках иностранных фирм, ис­пользующих системы программного управления типа «Sinumrrik-520» фирмы Siemens (ФРГ) и др.

Принцип работы разомкнутых систем ЧПУ заключается в том, что в качестве исполнительного механизма применяется шаговый двигатель, обеспечивающий перемещение исполнительного механизма на определенную величину на каждый управляющий сигнал унитарного кода интерполятора.

Шаговый двигатель (ШД) – это электрическая машина, имеющая зубчатый ротор и группу обмоток на статоре, обеспечивающие при определенном управлении (коммуникации) обмотками статора дискретное движение ротора.

5.1 Дискретный (шаговый) двигатель подачи

Привод подач с шаго­выми двигателями (ШД) можно разделить на две группы:

1) привод с сило­вым ШД, соединенным че­рез кинематическую цепь с исполнительным механиз­мом;

2) привод с управляю­щим ШД и промежуточным усилителем момента, выпол­ненным в виде автономной следящей системы (обычно гидравлической).

В первой группе динамические и ста­тические характеристики привода определяются па­раметрами ШД, во второй — зависят от параметров сле­дящей системы, которой управляет ШД.

Преимущества шагового привода по сравнению с приводом следящим имеют значение лишь при малых мощностях приводов. К таким преимуществам относятся отсутствие датчика обратной связи по пути и тахогенератора, а также отсутствие коллектора с щетками. Именно это обусловило применение ШД в приводе подач малых токарных и шлифовальных станков, а также для управления различными вспомогательными механизмами (поворот и смещение план-суппортов, резцедержателей и т.п.) станков и гибких производственных модулей.

Современные быстродействующие ШД являются модифицированными синхронными электрическими машинами, обмотки которых возбуждаются несинусоидальными сигналами, т. е. прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся в широких пределах частотой. Ступенчатому характеру напряжений на фазах ШД соответствует дискретное вращение электромагнитного поля в воздушном зазоре двигателя. Вследствие этого движение ротора на низкой частоте слагается из последовательности элементарных перемещений, совершаемых по апериодическому или колебательному закону. При возрастании управляющей частоты неравномерность частоты вращения ротора ШД сглаживается.

Шаговые двигатели с электронным коммутатором осуществляют преобразование последовательности управляющих импульсов (унитарного кода) в угол поворота вала. Каждому импульсу управления соответствует поворот вала на фиксированный угол (шаг двигателя), величина которого однозначно определена конструкцией ШД и способом переключения его обмоток. Частота вращения и суммарный угол поворота вала пропорциональны соответственно частоте и числу поданных импульсов управления В отличие от синхронных двигателей в ШД переход в синхронное движение из состояния покоя осуществляется без скольжения, а торможение—без выбега ротора. Благодаря этому ШД (в рабочем диапазоне частот) обеспечивают внезапный пуск, остановку и реверсирование без потери информации, т.е. без пропуска шагов.

Более легким для дискретного привода является режим плавного изменения частоты. В этом случае область частот, в которой привод устойчив, значительно расширяется. Ниже рассмотрены основные показатели, характеризующие ШД

Динамические показатели ШД повышаются при увеличении числа т фаз и числа m₁ тактов коммутации. Однако при этом усложняется конструкция двигателя и возрастает число усилителей мощности, поэтому принимают m≤6. число тактов коммутации определяется схемой управления ШД и зависит от последовательности включения обмоток фаз и изменения тока (намагничивающей силы) этих обмоток. При однополярной коммутации обычно принимают m₁=2m (например, наиболее распространенный в станках ШД типа ШД5Д1 имеет m=6 и m₁=12)/

Для ШД с активным ротором, которые находят сейчас применение в стайках с ЧПУ, используют разнополярную коммутацию.

В результате ступенчатого изменения тока фазы в интервале 0 ≤ I ≤ I_max возможно теоретически неограниченное увеличение числа m₁ тактов и соответственное уменьшение шага двигателя (электромагнитное деление шага); однако при уменьшении шага ШД увеличивается статическая погрешность двигателя относительно величины шага.

Шаг на импульс α_ш = 360°/(рm₁),

где р = z_r — число пар полюсов активного ротора;

z_r— число зубцов пассивного ротора. В ШД мод. ШД5Д1 принято α_ш=1,5°.

Электрический шаг α_э=z_rα_ш=360^о/m_1.

Электрический шаговый двигатель. Такой двигатель широко используют в приводе подач металлорежущих станков с ЧПУ. Он представляет собой синхрон­ную машину с сосредоточенными обмот­ками и реактивным ротором.

Отечественные шаговые двигатели для приводов металлорежущих станков (ШД-4, ШД-5) строят по трехфазной схеме. Принцип работы такого двигателя следующий. Статор 1 (рис. 5.2, а) имеет три пары полюсов и обмоток (/ — ///). Ротор 2 также разделен на три секции, но каждая из них смещена по окружности относительно смежной на 1/3 межполюс­ного расстояния. Таким образом, когда полюса первой секции ротора совмеще­ны с полюсами статора, полюса второй секции смещены относительно полюсов статора на 1/3, а полюса третьей сек­ции — на 2/3 межполюсного расстояния.

Если в обмотки первой фазы (/) ста­тора подан постоянный ток, а в других обмотках тока нет, то ротор двигателя установится в такое положение, что его полюс будет находиться напротив полюса статора. Если затем выключить ток в пер­вой фазе и одновременно включить ток во второй фазе, ротор повернется на 1/3 шага (рис. 5.2, б). При последователь­ной подаче тока в обмотки /, //, /// ротор будет вращаться по часовой стрелке (рис. 5.2, в). Если включить фазы в обратном порядке (/, ///, //), ротор будет вращаться в обратную сторону.

Угол поворота ротора может состав­лять соответственно 1,5° или 3°, мак­симальная частота импульсов в двига­теле ШД-4 с шестиконтактным включе­нием 800 Гц. Такой двигатель обеспе­чивает скорость подачи (при цене им­пульса 0,01 мм) до 1200 мм/мин. В на­стоящее время разработаны и серийно выпускаются шаговые двигатели с боль­шой частотой импульсов тока, они обе­спечивают скорости подач до 5— 10 м/мин.

Рис. 5.2 Шаговый двигатель: а — устройство; б, в — схема действия

Электрогидравлический шаговый привод. Ввиду того, что выпускаемые шаговые электродвигатели обладают небольшой мощностью, усиление крутя­щего момента обеспечивают гидравличе­ские усилители. Крутящий момент увели­чивается за счет использования энергии масляного потока от гидростанции. В станках с ЧПУ используют гидроусили­тели момента с шаговым электродви­гателем и малоинерционным высокомоментным гидроприводом.

Гидроусилитель (ГУ) представляет собой аксиально-поршневой гидромотор со следящим управлением (рис. 5.3, а). Он обеспечивает увеличение крутящего момента, развиваемого шаговым дви­гателем. В роторе 3 гидромотора располо­жены поршни 2, которые могут переме­щаться в осевом направлении. Под давлением масла, поступающего в двига­тель через полукольцевой паз Р1 распре­делителя 4, поршни 2 упираются в кольцо 1 упорного шарикоподшипника. Кольцо расположено наклонно, и поршни, скользя по наклонной плоскости, образован­ной подшипником, заставляют ротор по­ворачиваться в направлении, показанном на рисунке стрелкой. Когда поршень зай­мет положение А, приток масла к нему прекращается, так как отверстие ротора попадает на перемычку распределителя. При дальнейшем повороте масло из-под поршня через полукольцевой паз Р2 распределителя поступает на слив. Таким образом, каждый поршень за половину оборота ротора совершает рабочий ход, а за другую половину — обратный (хо­лостой) ход.

Для изменения направления враще­ния ротора масло под давлением подают в паз Р2, а из паза P1 направляют на слив. Управление потоком масла обеспе­чивает следящее устройство (СУ), управ­ляемое шаговым двигателем (ШД). Вал этого двигателя соединен с плун­жером 6 следящего устройства. На плун­жере имеются кольцевые канавки К1 и К2 и продольные пазы П1 и П2. Плун­жер вставлен во втулку 5, соединен­ную с валом гидроусилителя. Втулка 5 заключена в корпус 7, имеющий кольце­вые канавки В1, В2, ВЗ, В4. К кольцевой канавке В2 по каналу Д подводится масло под давлением; канавки ВЗ слу­жат для отвода масла на слив (канал С); канавки В1 и В4 соединены каналами с полостями распределителя 4. В поло­жении, показанном на рис. 5.3, а, плунжер 6 перекрывает доступ масла к гидроусилителю, и он не работает.

Но достаточно повернуть плунжер на очень небольшой угол (рис. 5.3,6), чтобы масло от гидронасоса по каналу Д, кольцевой канавке корпуса следящего устройства и отверстию 01 втулки 5 попало в паз П1 плунжера и далее через канавки Kl, B1 и распредели­тель 4 в ротор гидроусилителя, повора­чивая его в том же направлении, что и плунжер. Масло на слив удаляется из гидроусилителя через кольцевую канавку В4, паз П2 плунжера, отверстие 02 втул­ки 5, канавку ВЗ и канал С (рис. 5.3, в). Если вращать плунжер с помощью ша­гового двигателя непрерывно, то одновре­менно («догоняя» его) будет вращаться и ротор гидроусилителя, а вместе с ним и ходовой винт привода подач. Останавливаясь, плунжер перекроет отверстия втулки, движение потоков масла прекра­тится, и ротор гидроусилителя немедлен­но остановится. Для реверсирования гид­роусилителя достаточно переключить на­правление вращения вала шагового дви­гателя: направление потоков масла в следящем устройстве изменится на про­тивоположное.

Рис. 5.3 Гидроусилитель крутящего момента

Рис. 5.4 Схема совместного применения ШД с ГУ момента

СЗ соответственно управляет потоком рабочей жидкости, подаваемой в гидромотор.

СЗ бывают двух типов:

• поступательного перемещения;

• поворотного перемещения;

Рис. 5.5 Принципиальная схема действия золотника для поступательного перемещения

Следящий электропривод. Основной особенностью электродвигателей, при­меняемых в следящих приводах, является широкий и плавный диапазон регулиро­вания скоростей с изменением направле­ния вращения. Наибольшее распро­странение для этих целей получили элек­тродвигатели постоянного тока, обладаю­щие наряду с плавностью регулирова­ния скоростей в широком диапазоне и достаточно высоким КПД.

Регулируемый электропривод посто­янного тока для механизмов главного движения станков с ЧПУ обеспечивает возможность выбора скорости резания с любым знаменателем ряда, коррекцию скорости во время резания с примене­нием адаптивных устройств, упрощение управления изменением скорости.

В ряде новых моделей станков в механизмах главного движения установ­лен привод с тиристорными преобразо­вателями.

В СССР разработаны серии следяще-регулируемых тиристорных электропри­водов и для механизмов подач станков с ЧПУ.

Помимо быстродействующих элек­троприводов постоянного тока в стан­ках с ЧПУ применяют и регулируемые электроприводы переменного тока.

Недостатки разомкнутых систем.

1. Отсутствие контроля за выполнением команд по перемещению исполнительного механизма.

2. Грубая дискретность.

Шаг ходового винта t_хв = 6 мм.

Дискрет 240.

3. Низкие скорости как холостых, так и рабочих перемещении.

Достоинства.

1. простота конструкции,

2. дешевизна,

3. простота в ремонте.