4.1.2 Применяемые двигатели

В качестве двигателей приводов главного движения станков с ЧПУ применяют:

асинхронный нерегулируемый электродвигатель переменного тока;

асинхронный электродвигатель с частотным регулированием;

двигатель постоянного тока;

мотор-шпиндель

Асинхронные двигатели переменного тока

Большинство металлообрабатывающих станков приводится в движение асинхронными электродвигателями переменного тока с независимым возбуждением, которые просты в исполнении и надежны в эксплуатации.

Асинхронный двигатель наиболее надежен и прост в эксплуатации, не требует преобразователей и усилителей, имеет сравнительно небольшие габариты и массу. В работе асинхронного двигателя возможны значительные перегрузки, что является его преимуществом по сравнению с двигателем постоянного тока.

Основным недостатком такого двигателя является затрудненная автоматизация команд управления.

Механическая характеристика асинхронного двигателя, то есть зависимость частоты вращения от момента на его валу бывает мягкой, жесткой и абсолютной жесткой. У электродвигателей с мягкой характеристикой изменение момента вызывает значительные изменения частоты вращения вала. Если это изменение не влечет за собой заметного изменения частоты вращения, характеристику называют жесткой. При абсолютно жесткой характеристике частота вращения электродвигателя не зависит от нагрузки.

Так как электродвигатели главного движения обеспечивают постоянную заданную скорость, независимую от нагрузки, изменяющуюся в широких пределах, они должны иметь высокую жесткость механических характеристик, которая может изменяться при ослаблении магнитного поля возбуждения. В противном случае невозможна устойчивая работа привода.

Естественная механическая характеристика современных электроприводов при нормальном поле возбуждения обычно обладает достаточной жесткостью (падение частоты вращения при полной нагрузке не превышает 3—5 %).

Для привода главного движения необходимо использовать максимальную мощность для обеспечения необходимых скоростей резания, поэтому неизбежным оказывается наличие коробки передач.

Асинхронные двигатели, как правило, используют с переключаемой или автоматической коробкой скоростей, чтобы можно было использовать максимальную мощность двигателя во всем диапазоне частот. Если диапазон частот вращения велик, конструкция коробки может быть достаточно сложной. Применение асинхронного двигателя с автоматическим переключением частот вращения (две, три, четыре ступени) позволяет значительно упростить коробку скоростей. Однако у асинхронных двигателей с переключением частоты вращения ротора вращающий момент постоянен на различных диапазонах, что приводит к снижению мощности при уменьшении частоты вращения.

Частоту вращения ротора можно регулировать следующими способами:

изменением частоты электрического тока,

изменением величины скольжения

изменением числа пар полюсов.

Первым способом можно регулировать частоту вращения ротора только при наличии отдельного генератора переменного тока для питания электродвигателя. Во всех остальных случаях частота переменного тока в сети является постоянной величиной.

Регулирование частоты вращения путем изменения скольжения осуществляется введением активного сопротивления в цепь ротора, что возможно только у электродвигателей с фазовым ротором. У электродвигателя с фазовым ротором активное сопротивление цепи ротора можно изменять, вводят в эту цепь реостат; при этом критическое скольжение будет изменяться пропорционально активному сопротивлению цепи ротора.

В металлорежущих станках (особенно в многоскоростных электродвигателях) широко применяют способ регулирования частоты вращения путем изменения числа пар полюсов.

Торможение асинхронных электродвигателей можно осуществлять механическим или электрическим способом. К электрическим способам торможения относят электродинамическое торможение, торможение противотоком и др.

Если работающий асинхронный двигатель переключить на вращение в обратную сторону, т. е. в сторону, противоположную вращению магнитного поля, то возникает торможение вала электродвигателя.

Электродинамическое торможение производится дополнительной подачей в обмотку статора постоянного тока, в результате чего в статоре возникает постоянное магнитное поле, которое тормозит вращающееся магнитное поле и останавливает электродвигатель. После полной остановки электродвигатель особым устройством автоматически отключается от сети.

Систему управления приводом главного движения для станков с ЧПУ часто оформляется в виде отдельного узла, включающего два тиристорных преобразователя: один мощный — для регулирования напряжения на якоре электродвигателя, другой — маломощный для регулирования напряжения возбуждения. Такой двухзонный привод в настоящее время является типовым для обеспечения главного движения в станках разнообразных модификаций. Помимо двух тиристорных преобразователей этот узел управления содержит схему управления автоматизированной коробкой скоростей станка с необходимыми блокировками.

В станках, имеющих регулируемые электроприводы главного движения, управляемые от тиристорных преобразователей, ориентация шпинделя может осуществляться в следящем режиме, для чего со шпинделем кинематически связывается какой-либо датчик углового перемещения. Такой метод ориентации значительно упрощает как электронную схему управления ориентацией, так и конструкцию шпиндельного узла.

Регулируемый двигатель переменного тока с частотным регулированием – это новый тип двигателя, который в последнее время все шире используется в приводах станков.

Преимущество такого привода - меньшая стоимость асинхронного двигателя по сравнению с двигателем постоянного тока, допускают перегрузки по мощности и просты в эксплуатации. Он используется, в основном для получения высоких скоростей вращения и малой мощности привода.

Двигатели постоянного тока

В тех случаях, когда использование двигателя переменного тока требует сложной, громоздкой коробки скоростей, используют электродвигатели постоянного тока, частота вращения которых может регулироваться в достаточно широких пределах при постоянной мощности. В этом случае коробка передач может иметь всего три-четыре ступени скорости, а иногда и две.

Наиболее часто используют двигатели с параллельным (независимым) возбуждением с тиристорной системой управления.

Относительно малое сопротивление обмотки якоря обусловливает достаточную жесткость естественной характеристики электродвигателя с параллельным возбуждением. Потери мощности в цепи возбуждения зависят от мощности электродвигателя и лежат в пределах 1—8 %, увеличиваясь с уменьшением мощности электродвигателя.

Шунтовые электродвигатели кратковременно могут работать с перегрузкой. Коэффициент допустимой перегрузки 2-2,5. Допустимая кратковременная перегрузка ограничивается появлением значительного искрения под щетками.

В двигателях постоянного тока диапазон регулирования скорости с постоянной мощностью пока лежит в пределах R₀ =2,5-6 (иногда до 8—10), что не перекрывает всего требуемого диапазона регулирования на шпинделе с постоянной мощностью. Частоты вращения при постоянном моменте регулируют в очень широком диапазоне. Приводы на основе двигателей постоянного тока позволяют плавно изменять частоту вращения, поддерживая постоянной V_РЕЗ. Например при уменьшении диаметра обработки с D₁ до D₂, частота вращения двигателя привода главного движения увеличивается по гиперболическому закону с n₁ до n₂, поддерживая V_рез=const. Поэтому в управляющих программах для современных станков, может указываться не численное значение частоты вращения шпинделя, а значение оптимальной для данной обработки детали V_рез, которое система будет поддерживать постоянной автоматически.

Частоту вращения электродвигателей постоянного тока регулируют тремя способами:

изменением сопротивления цепи якоря,

изменением подводимого к электродвигателю напряжения,

изменением магнитного потока.

Первый способ малоэкономичен, и его применяют редко.

Широко применяют регулирование частоты вращения двигателя магнитным потоком. Двигатели включают пусковым реостатом. При повышении частоты вращения двигателя этим способом предельно допустимая мощность двигателя сохраняется постоянной во всем диапазоне частот вращения. Предельно допустимый момент изменяется обратно пропорционально частоте вращения. Двигатели постоянного тока запускаются автоматически, так как ручное управление реостатом не обеспечивает заданных условий работы пускателей с параллельным возбуждением; регулировать частоту вращения можно бесступенчато в диапазоне 4:1 и более.

Регулирование изменением напряжения, подводимого к якорю, осуществляется от источника регулируемого напряжения - тиристорного преобразователя-выпрямителя.

Тиристорный преобразователь является управляющим источником питания, т. е. усилителем мощности с весьма высоким коэффициентом усиления, достигающим значения 4000.

Тиристорные преобразователи по сравнению с известными системами регулируемых электроприводов постоянного тока имеют значительные преимущества:

статический характер работы преобразователя;

высокую экономичность регулирования напряжения;

легкость управления;

стабильность поддержания скорости;

высокое быстродействие;

сравнительно малые габаритные размеры и массу;

бесшумность в работе;

низкие эксплуатационные расходы;

простоту обслуживания.

Таким образом, в электродвигателях постоянного тока с тиристорными преобразователями через якорь электродвигателя пропускают импульсы постоянного тока различной продолжительности. Эти импульсы отличаются от импульсов переменного тока той же длительностью повышенной энергией, сообщаемой электродвигателю. Это объясняется тем, что анодное напряжение неизменно в течение всего времени протекания тока через тиристор. Большое количество энергии, сообщаемое электродвигателю при пропускании каждого импульса, обеспечивает высокое быстродействие привода.

Двигатели постоянного тока с тиристорным регулированием имеют широкий диапазон бесступенчатым регулирования (до 2000), который можно разделить на две зоны. В первой зоне, ниже номинальной скорости, регулирование осуществляется путем изменения напряжения на якоре. В этой зоне сохраняется постоянный момент при любой частоте вращения. Регулирование при постоянной мощности осуществляется во второй зоне при номинальной скорости путем ослабления магнитного поля возбуждения.

Пуск двигателя осуществляют только с помощью пускового реостата, который имеет несколько секций и позволяет изменять сопротивление ступенчато. Пуск электродвигателя постоянного тока в станках производится автоматически.

Время разгона электродвигателя на полную скорость зависит от его мощности. При небольших мощностях его можно использовать без блока токоограничителя, при этом время разгона или торможения не превышает 0,3 с.

Электродвигатели постоянного тока тормозят теми же способами, что и асинхронные электродвигатели. Торможение с рекуперацией осуществляют шунтовым реостатом, которым снижают скорость якоря до минимума. При этом электродвигатель работает в генераторном режиме, отдавая электрический ток в сеть. Окончательную остановку электродвигателя производят отключением его от сети. При торможении электромеханическим способом, получившим наибольшее распространение, якорь электродвигателя отключают от сети и замыкают на нагрузочное сопротивление, а электрический ток включают через тормозной реостат.

При торможении противотоком изменяют направление электрического тока в цепи якоря.

Перспективным является применение бесколлекторных электродвигателей постоянного тока, что повышает их надежность.

Передача крутящего момента от двигателя к шпиндельному узлу осуществляется ременной передачей. В станках с программным управлением в ременных передачах используется поликлиновой ремень, который при меньшей ширине заменяет несколько обычных клиновых ремней. При использовании поликлинового ремня отпадает необходимость точного подбора длины ремней, работающих в одном комплекте.

Мотор-шпиндель

Принципиально новый тип привода является электромеханический привод, объединяющий в себе электродвигатель и шпиндель станка, называемый мотор-шпинделем. В этом случае в качестве двигателя используется управляемый от статического преобразователя частоты специальный асинхронный двигатель, ротор которого установлен непосредственно на шпинделе. Статор двигателя установлен в расточке корпуса.

В этом узле шпиндель служит валом ротора электродвигателя. Такое конструкторское решение позволило снизить габариты шпиндельного узла, отказаться от соединительных муфт для передачи крутящего момента от электродвигателя к шпинделю и повысить общую надёжность узла. При установке мотор-шпинделя на станки, работающие торцом шлифовального круга, вал шпинделя выполняется полым для обеспечения подачи охлаждающей жидкости в зону обработки.