Penggerak listrik untuk mesin CNC

Mesin pemotong logam multifungsi modern dan robot industri dilengkapi dengan penggerak listrik multi-motor yang menggerakkan badan eksekutif di sepanjang beberapa sumbu koordinat (Gbr. 1).

Pengendalian pengoperasian mesin CNC dilakukan dengan menggunakan sistem standar yang menghasilkan perintah sesuai dengan program yang ditentukan dalam bentuk digital. Penciptaan mikrokontroler berkinerja tinggi dan mikrokomputer chip tunggal, yang membentuk inti CPU yang dapat diprogram, memungkinkan dengan bantuan mereka untuk secara otomatis melakukan banyak operasi geometris dan teknologi, serta untuk melakukan kontrol digital langsung dari sistem penggerak listrik dan elektro-otomatisasi.

Beras. 1. Sistem penggerak mesin penggilingan CNC

Jenis penggerak listrik untuk mesin CNC dan persyaratannya

Proses pemotongan logam dilakukan dengan saling menggerakkan bagian yang akan diproses dan bilah alat pemotong.Penggerak listrik adalah bagian dari mesin pemotong logam, yang dirancang untuk melakukan dan mengatur proses pengerjaan logam melalui sistem CNC.

Dalam pemrosesan, merupakan kebiasaan untuk memisahkan gerakan utama yang menyediakan proses pemotongan terkontrol selama gerakan bersama pahat dan benda kerja, serta gerakan tambahan yang memfasilitasi operasi otomatis peralatan (mendekati dan menarik pahat pemantauan, mengganti pahat dan dll.).

Yang utama termasuk gerakan pemotongan utama, yang memiliki kecepatan dan kekuatan tertinggi, yang menyediakan] gaya pemotongan yang diperlukan, serta gerakan umpan, yang diperlukan untuk menggerakkan benda kerja di sepanjang lintasan spasial dengan kecepatan tertentu. Untuk mendapatkan permukaan produk dengan bentuk tertentu, badan kerja mesin memerintahkan benda kerja dan alat untuk menggerakkan lintasan yang diinginkan dengan kecepatan dan gaya yang ditentukan. Penggerak listrik memberikan gerakan rotasi dan translasi ke benda kerja, yang kombinasinya, melalui struktur kinematik mesin, memberikan perpindahan timbal balik yang diperlukan.

Tujuan dan jenis mesin pengerjaan logam sangat bergantung pada bentuk bagian yang diproduksi (bodi, poros, cakram). Kemampuan mesin multifungsi untuk menghasilkan gerakan pahat dan benda kerja yang diperlukan selama pemesinan ditentukan oleh jumlah sumbu koordinat dan oleh karena itu oleh jumlah penggerak listrik yang saling berhubungan dan struktur sistem kontrol.

Saat ini, drive sebagian besar dilakukan berdasarkan keandalan Motor AC dengan kontrol frekuensidilakukan oleh regulator digital.Berbagai jenis penggerak listrik diimplementasikan menggunakan modul industri biasa (Gbr. 2).

Beras. 2. Diagram fungsional tipikal dari penggerak listrik

Komposisi minimum blok penggerak listrik terdiri dari blok fungsional berikut:

• motor listrik eksekutif (ED);

• konverter daya frekuensi (HRC), yang mengubah daya listrik jaringan industri menjadi tegangan suplai motor tiga fase dari amplitudo dan frekuensi yang diperlukan;

• mikrokontroler (MC) yang melakukan fungsi unit kontrol (CU) dan generator tugas (FZ).

Unit industri konverter frekuensi daya berisi penyearah dan konverter daya yang menghasilkan tegangan sinusoidal dengan parameter yang diperlukan ditentukan oleh sinyal perangkat kontrol menggunakan kontrol mikroprosesor dari sakelar PWM keluaran.

Algoritme untuk mengontrol pengoperasian penggerak listrik diimplementasikan oleh mikrokontroler dengan menghasilkan perintah yang diperoleh sebagai hasil dari membandingkan sinyal generator tugas dan data yang diterima dari kompleks komputasi informasi (IVC) berdasarkan pemrosesan dan analisis sinyal dari satu set dari sensor.

Penggerak utama listrik pada sebagian besar aplikasi berisi motor listrik induksi dengan belitan rotor sangkar-tupai dan kotak roda gigi sebagai transmisi mekanis putaran ke spindel mesin. Gearbox sering dirancang sebagai gearbox dengan perpindahan gigi jarak jauh elektromekanis.Penggerak listrik dari mesin penggerak utama memberikan gaya pemotongan yang diperlukan pada kecepatan rotasi tertentu, dan oleh karena itu tujuan pengaturan kecepatan adalah untuk mempertahankan daya yang konstan.

Kisaran kontrol kecepatan rotasi yang diperlukan bergantung pada diameter produk olahan, bahannya, dan banyak faktor lainnya. Pada mesin CNC otomatis modern, penggerak utama menjalankan fungsi rumit yang terkait dengan pemotongan ulir, pemesinan bagian dengan diameter berbeda, dan banyak lagi. Hal ini mengarah pada kebutuhan untuk menyediakan rentang kontrol kecepatan yang sangat besar serta penggunaan drive yang dapat dibalik. Pada mesin multifungsi, kisaran kecepatan putaran yang dibutuhkan bisa ribuan bahkan lebih.

Kisaran kecepatan yang sangat besar juga diperlukan dalam pengumpan. Jadi, dalam penggilingan kontur, Anda secara teoritis harus memiliki rentang kecepatan tak terbatas, karena nilai minimum cenderung nol di beberapa titik. Seringkali, pergerakan cepat badan kerja di area pemrosesan juga dilakukan oleh pengumpan, yang sangat meningkatkan kisaran perubahan kecepatan dan memperumit sistem kontrol penggerak.

Dalam pengumpan, motor sinkron dan motor DC non-kontak digunakan, serta dalam beberapa kasus motor asinkron. Persyaratan dasar berikut berlaku untuk mereka:

• berbagai pengaturan kecepatan;

• kecepatan tinggi;

• kapasitas kelebihan tinggi;

• kinerja tinggi selama akselerasi dan deselerasi dalam mode pemosisian;

• akurasi posisi tinggi.

Stabilitas karakteristik penggerak harus dijamin di bawah variasi beban, perubahan suhu sekitar, tegangan suplai, dan banyak alasan lainnya. Ini difasilitasi oleh pengembangan sistem kontrol otomatis adaptif rasional.

Bagian mekanis dari penggerak mesin

Bagian mekanis penggerak dapat berupa struktur kinematik kompleks yang berisi banyak bagian yang berputar dengan kecepatan berbeda. Elemen-elemen berikut biasanya dibedakan:

• rotor motor listrik yang menghasilkan torsi (berputar atau mengerem);

• transmisi mekanis, t, s. sistem yang menentukan sifat gerakan (rotasi, translasi) dan mengubah kecepatan gerakan (peredam);

• badan kerja yang mengubah energi gerakan menjadi pekerjaan yang bermanfaat.

Pelacakan drive asinkron dari gerakan utama mesin pemotong logam

Penggerak listrik modern yang dapat disesuaikan dari gerakan utama mesin pengerjaan logam CNC terutama didasarkan pada motor asinkron dengan belitan rotor sangkar, yang telah difasilitasi oleh banyak faktor, di antaranya harus dicatat peningkatan basis informasi dasar dan elektronik daya.

Pengaturan mode motor arus bolak-balik dilakukan dengan mengubah frekuensi tegangan suplai menggunakan konverter daya, yang bersama dengan pengaturan frekuensi mengubah parameter lainnya.

Karakteristik penggerak elektrik pelacakan sangat bergantung pada efisiensi ACS bawaan.Penggunaan mikrokontroler berkinerja tinggi telah memberikan peluang luas untuk mengatur sistem kontrol penggerak listrik.

Beras. 3. Struktur kontrol tipikal motor induksi menggunakan konverter frekuensi

Pengontrol penggerak menghasilkan urutan angka untuk sakelar daya yang mengatur pengoperasian motor listrik. Pengontrol otomasi memberikan karakteristik yang diperlukan dalam mode start dan stop, serta penyesuaian otomatis dan perlindungan peralatan.

Bagian perangkat keras dari sistem komputasi juga berisi: - konverter analog-digital dan digital-analog untuk memasukkan sinyal dari sensor dan mengontrol operasinya;

• modul input dan output untuk sinyal analog dan digital, dilengkapi dengan peralatan antarmuka dan konektor kabel;

• blok antarmuka yang melakukan transmisi data antarmodul internal dan komunikasi dengan peralatan eksternal.

Sejumlah besar pengaturan konverter frekuensi, yang diperkenalkan oleh pengembang, dengan mempertimbangkan data terperinci dari motor listrik tertentu, menyediakan prosedur kontrol tertentu, di antaranya dapat dicatat:

• pengaturan kecepatan multi-level,

• batas frekuensi atas dan bawah,

• batas torsi,

• pengereman dengan memasok arus searah ke salah satu fase motor,

• perlindungan kelebihan beban, tetapi jika terjadi kelebihan beban dan kepanasan, menyediakan mode hemat daya.

Berkendara berdasarkan motor DC tanpa kontak

Penggerak perkakas mesin memiliki persyaratan tinggi untuk kisaran kontrol kecepatan, linieritas karakteristik kontrol, dan kecepatan, karena menentukan keakuratan posisi relatif alat dan bagian, serta kecepatan pergerakannya.

Penggerak daya diimplementasikan terutama berdasarkan motor DC, yang memiliki karakteristik kontrol yang diperlukan, tetapi pada saat yang sama, keberadaan pengumpul sikat mekanis dikaitkan dengan keandalan yang rendah, kerumitan perawatan, dan interferensi elektromagnetik tingkat tinggi.

Perkembangan teknologi elektronika daya dan komputasi digital berkontribusi pada penggantiannya pada penggerak listrik dengan motor arus searah tanpa kontak, yang memungkinkan untuk meningkatkan karakteristik energi dan meningkatkan keandalan peralatan mesin. Namun, motor nirkontak relatif mahal karena kompleksitas sistem kontrolnya.

Tetapi prinsip pengoperasian motor brushless adalah mesin listrik arus searah dengan induktor magnetoelektrik pada rotor dan belitan jangkar pada stator. Jumlah belitan stator dan jumlah kutub magnet rotor dipilih tergantung pada karakteristik motor yang diperlukan. Meningkatkannya membantu meningkatkan pengendaraan dan penanganan, tetapi mengarah ke desain mesin yang lebih kompleks.

Saat menggerakkan mesin pemotong logam, struktur dengan tiga belitan angker, dibuat dalam bentuk beberapa bagian yang terhubung, dan sistem eksitasi magnet permanen dengan beberapa pasang kutub terutama digunakan (Gbr. 4).

Beras. 4. Diagram fungsional motor DC nirkontak

Torsi terbentuk karena interaksi fluks magnet yang diciptakan oleh arus di belitan stator dan magnet permanen rotor. Arah konstan momen elektromagnetik dipastikan dengan pergantian yang sesuai yang disuplai ke belitan stator dengan arus searah. Urutan sambungan belitan stator ke sumber U dilakukan melalui sakelar semikonduktor daya, yang dialihkan di bawah aksi sinyal dari distributor pulsa saat memasok tegangan dari sensor posisi rotor.

Dalam tugas mengatur mode operasi penggerak listrik motor DC non-kontak, masalah yang saling terkait berikut ini dibedakan:

• pengembangan algoritme, metode, dan sarana untuk mengontrol konverter elektromekanis dengan memengaruhi besaran fisik yang tersedia untuk pengukuran;

• membuat sistem kontrol penggerak otomatis menggunakan teori dan metode kontrol otomatis.

Penggerak elektro-hidraulik berdasarkan motor stepper

Dalam peralatan mesin modern, penggerak elektro-hidraulik bersama (EGD) adalah semi-umum, di mana sinyal listrik terpisah yang berasal dari sistem CNC elektronik diubah oleh motor listrik sinkron menjadi putaran poros. Torsi yang dikembangkan di bawah aksi sinyal pengontrol penggerak (CP) sistem CNC dari motor listrik (EM) adalah nilai input untuk penguat hidrolik yang dihubungkan melalui transmisi mekanis (MP) ke badan eksekutif (IO) alat mesin (Gbr. 5).

Beras. 5. Skema fungsional penggerak elektro-hidraulik

Putaran rotor motor listrik yang dikontrol melalui transformasi input (VP) dan katup hidrolik (GR) menyebabkan putaran poros motor hidrolik (GM). Untuk menstabilkan parameter penguat hidrolik, umpan balik internal biasanya digunakan.

Dalam mekanisme penggerak listrik dengan sifat gerakan start-stop atau gerakan kontinu, motor stepper (SM) telah menemukan aplikasi, yang diklasifikasikan sebagai jenis motor listrik sinkron. Motor stepper berenergi pulsa paling cocok untuk kontrol digital langsung yang digunakan dalam kontrol CNC.

Pergerakan rotor yang terputus-putus (bertahap) pada sudut rotasi tertentu untuk setiap pulsa memungkinkan untuk mendapatkan akurasi pemosisian yang cukup tinggi dengan rentang variasi kecepatan yang sangat besar dari hampir nol.

Saat Anda menggunakan motor stepper dalam penggerak listrik, itu dikendalikan oleh perangkat yang berisi pengontrol logika dan sakelar (Gbr. 6).

Beras. 6. Perangkat kontrol motor stepper

Di bawah aksi perintah kontrol pemilihan nchannel, pengontrol drive CNC menghasilkan sinyal digital untuk mengontrol sakelar transistor daya, yang dalam urutan yang diperlukan menghubungkan tegangan DC ke belitan stator. Untuk mendapatkan nilai perpindahan sudut yang kecil dalam satu langkah α = π / p, magnet permanen dengan jumlah pasangan kutub p yang besar ditempatkan pada rotor.