Модернизация приводов подач токарных станков с ЧПУ на базе микропроцессорного электропривода серии CSD

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Анализ станочного парка предприятий Российской Федерации показывает, что большинство токарных станков с числовым программным управлением (ЧПУ) - это станки 80-х гг. выпуска, имеющие как физический, так и моральный износ, снижающий их точность. Кроме того, в процессе эксплуатации токарного станка с ЧПУ происходит изменение его состояния и, как результат, частичная потеря его точности [1, 6].

Если физический износ механической части можно устранить проведением капитального ремонта, включающего восстановление направляющих, замену деталей шпиндельного узла, ходовой части приводов и т.д., то моральный и физический износ систем управления можно устранить только модернизацией, включающей замену системы управления приводами подач [7].

В качестве системы управления приводами подач в токарных станках с ЧПУ использовался следящий электропривод на базе коллекторного двигателя постоянного тока (ДПТ). Например, на токарно-револьверном станке с ЧПУ модели 1В340Ф30 установлен следящий тиристорный электропривод типа TNP [4]. В состав данного электропривода входят электродвигатель серии PE 4-K7712 и система управления этим электродвигателем типа ZSO, состоящая из тиристорного преобразователя, блока контактной аппаратуры управления, защиты и сигнализации, силового трансформатора, уравнительных дросселей. Структурная схема электропривода представлена на рис. 1.

Техническая характеристика электродвигателя PE 4-K7712:

Номинальный момент, Н•м - 10.

Номинальный ток, А - 15,7.

Номинальное напряжение, В - 133.

Максимальный момент при заторможенном вале, Н•м - 116,62.

Максимальный динамический ток электродвигателя при скорости вращения, близкой к нулю, А - 125.

Номинальная частота вращения, об/мин - 600.

Максимальная частота вращения, об/мин - 1500

Момент инерции, кг•м2 - 0,0214.

Масса двигателя, кг. - 27.

Преобразователь выполнен по одноконтурной схеме с регулятором. Предусмотрены нелинейное токоограничение, ограничение максимальной величины тока якоря, защита от пропадания фаз силового питающего напряжения.

Высокомоментный ДПТ соединен с ходовым винтом через ременную передачу с передаточным отношением 1 и соединительную муфту. Шаг ходового винта привода продольных подач - 10 мм, а привода поперечных подач - 5 мм.

Рис. 1. Структурная схема следящего электропривода типа TNP: PC - регулятор скорости; ИНВ - инвертор; К1, К2 - ключи; СИФУ - система импульсно-фазового управления; БНТО - блок нелинейного токоограничения; УТ - усилитель тока; Sh - шунт; РВТ - регулятор максимальной величины тока; БЗ - блок защиты; ТП - тиристорный преобразователь; TP - силовой трансформатор; L - уравнительный дроссель; Я -электродвигатель; ТГ - тахогенератор

Рис. 2. Кинематическая схема привода подачи токарно-револьверного станка с ЧПУ модели 1В340Ф30

токарный коллекторный двигатель станок

Движение от ходового винта передается на продольный и поперечный суппорты через шарико-винтовую передачу (ШВП) (рис. 2). С ШВП через муфту соединен датчик положения (ДП). В качестве ДП используется оптический инкрементный датчик ЛИР158А [5], преобразующий угловое перемещение винта в последовательность импульсов. Импульсы передаются в устройство ЧПУ модели NC201M.

Частота вращения якоря ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов регулируется изменением напряжения питания. Для регулирования величины напряжения питания изменяют длительность проводящего состояния тиристора путем изменения фазового угла открывания тиристора [2]. Эту задачу решает СИФУ (рис. 1).

Преимущество использования коллекторного ДПТ - создание высокого момента на валу электродвигателя. Также в качестве преимуществ необходимо отметить достаточно высокую жесткость электромеханической характеристики ДПТ (рис. 3) и, как следствие, достаточно высокую стабильность скорости.

К недостаткам коллекторного ДПТ относятся:

1. Нестабильность параметров двигателя, вызванная изменением состояния щеточно-коллекторного контакта.

2. Невысокая надежность и ресурс. В среднем 25% отказов у коллекторных ДПТ происходит из-за выхода из строя щеточно-коллекторного узла.

Рис. 3. Зависимость момента от частоты вращения ДПТ

3. Возможность искрения на коллекторе [2].

Как видно, все недостатки использования ДПТ связаны с наличием коллектора.

Исключение указанных недостатков возможно путем замены электроприводов на базе ДПТ следящими вентильными электроприводами.

В состав вентильного следящего электропривода входят преобразователь и вентильный электродвигатель (ВД). В ВД отсутствует механический коллектор, его функции выполняет полупроводниковый инвертор, а функцию щеток - датчик положения ротора. Функциональная схема ВД представлена на рис. 4.

В ВД ротор должен вращаться синхронно с вращающимся полем статора. Для вращения поля статора необходимо переключать фазные обмотки статора в такой последовательности, чтобы вектор потока статора вращался перед потоком ротора.

Чтобы знать, какую фазу нужно подключать к источнику питания, необходимо знать текущее положение полюсов ротора (вектора потока возбуждения) относительно осей фаз. Эта информация поступает с ДПР.

Информация с ДПР обрабатывается системой управления, и формируются сигналы управления ключами, которые и обеспечивают включение и отключение ключей и соответствующих фаз в нужной последовательности.

Рис. 4. Функциональная схема ВД: И - инвертор; ЭМ - электромеханическая машина; СУ - система управления; ДПР - датчик положения ротора; Uп - питающее напряжение; Uф - напряжение СИФУ; Uу - управляющее напряжение; M - момент на валу ВД; n - частота вращения вала ВД; ц - угол поворота вала ВД

Таким образом, при повороте ротора происходит переключение обмоток, вектор потока статора поворачивается на следующий шаг, и ротор продолжает вращаться синхронно с полем [2].

Силовые ключи могут быть выполнены на IGBT - транзисторах, которые представляют собой комбинацию биполярного и полевого транзисторов. В качестве ДПР может использоваться фотоэлектрический датчик [8].

Для управления переключением силовых ключей используется микропроцессорное управление на базе контроллера, имеющего управляющую программу.

Таким образом, ВД сохраняет все преимущества коллекторного ДПТ, в том числе характеристики (рис. 3), и устраняет его недостатки.

В связи с этим в условиях кафедры «Автоматизированные технологические системы» Брянского государственного технического университета была проведена модернизация приводов подач токарно-револьверного станка с ЧПУ модели 1В340Ф30. Вместо следящих тиристорных электроприводов TNP были установлены следящие вентильные электроприводы CSD-DH16-165NYS-L-20-16,0, имеющие следующие основные параметры:

Вид преобразователя - Транзисторный.

Обратная связь - По скорости, по положению.

Направление движения - Реверсивный.

Диапазон регулирования скорости - От 1000 до 10000 включительно.

Датчик обратной связи - Комбинированный инкрементный оптоэнкодер.

Период оборота:

ДПР - 3P.

датчика скорости - 3000 имп/об.

Вход управления - Аналоговый, цифровой.

Связь с персональным компьютером - Интерфейс RS-232.

В состав электропривода входит вентильный электродвигатель серии NYS. Техническая характеристика электродвигателя 165NYS-L-20-16:

Номинальный момент, Н•м - 18,9.

Номинальный. ток, А - 8.

Напряжение питания привода, В - 380.

Максимальный момент, Н•м - 84.

Максимальный ток, А - 40.

Номинальная частота вращения, об/мин - 2000.

Номинальная мощность, кВт - 4.

Момент инерции, кг•м2 - 0,00524.

Масса двигателя, кг - 18.

Следящий вентильный электропривод может обеспечивать работу в трех режимах: контроль по положению, контроль по скорости и контроль по току (моменту). Функциональная схема электропривода приведена на рис. 5. Регулирование по положению возможно с помощью инкрементного оптоэнкодера, установленного на валу ротора электродвигателя. Оптоэнкодер может выполнять функции как ДПР, так и датчика угловых перемещений. При этом оптоэнкодер преобразует измеряемое перемещение в последовательность электрических сигналов, которая несёт в себе информацию о величине и направлении перемещения.

Рис. 5. Функциональная схема электропривода в режиме контроля по положению: ЗП - задание позиции; РП - регулятор позиции; РС - регулятор скорости; У - усилитель; ДС - датчик скорости; ДП - датчик положения

Рис. 6

Данную схему целесообразно применять, когда электродвигатель устанавливается непосредственно на ходовом винте ШВП (рис. 6). Если электродвигатель устанавливается в соответствии с рис. 2, то такая схема (рис. 5) дает дополнительную погрешность, вносимую ременной передачей. Эта погрешность непосредственно скажется на точности позиционирования приводов подач станка.

Так как кинематическая схема станка 1В340Ф30 соответствует рис. 2, то в данном случае целесообразно применять функциональную схему системы управления приводами подач станка, показанную на рис. 7.

Рис. 7. Функциональная схема электропривода в режиме контроля по скорости

В этом случае скорость регулируется с помощью электропривода, а положение привода - с помощью устройства числового программного управления (УЧПУ). Положение винта ШВП контролируется с помощью фотоэлектрического датчика, установленного на винте посредством соединительной муфты.

Рис. 8

На рис. 8 представлена система управления приводами подач токарно-револьверного станка с ЧПУ модели 1В340Ф30.

В качестве магнитного материала ротора ВД используется высоконасыщенный сплав NdFeB. Применение данного материала позволяет значительно повысить магнитную проницаемость воздушных зазоров и получить оптимальные скоростные характеристики. Всё это позволяет уменьшить габариты двигателя, понизить его массу и повысить соотношение мощность - масса. Так, условно для коллекторного ДПТ на 1 кг массы двигателя приходится 0,06 кВт мощности, а для ВД - 0,22 кВт мощности.

Список литературы

1. Агеенко, А.В. Методика настройки параметров УЧПУ токарных станков для обеспечения заданной точности контура детали / А.В. Агеенко // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: ГУ-УНПК, 2011. - №5.- С.67-73.

2. Гульков, Г.И. Системы автоматизированного управления электроприводами: учеб. пособие / Г.И. Гульков, Ю.Н. Петренко, Е.П. Раткевич, О.Л. Симоненкова. - Минск: Новое знание, 2004. - 384 с.

3. Техническая документация на станок 1В340Ф30.

4. Тиристорные приводные системы с сервомеханизмами серии TNP/C, управляющие устройства (командоаппараты) для станков серии ZSO/C. Эксплуатационно-техническая документация.- Польша: Bielsko-Biata, 1984. - Ч.2. - 45 с.

5. Федонин, О.Н. Модернизация металлообрабатывающих станков, применяемых в условиях автоматизированного производства / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко // Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. - 2009.- №3.- С.57-59.

6. Федонин, О.Н. Повышение точности токарных станков с ЧПУ / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко // Наукоемкие технологии в машиностроении. - М.: Машиностроение, 2012.- №5 .- С.36-43.

7. Федонин, О.Н. Учет погрешностей системы управления в балансе точности токарного станка с ЧПУ / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, А.В. Хандожко, А.В. Агеенко // Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. - 2013.- №3.- С.55-57.

8. Электроприводы серии CSD-DH-NYS. Руководство по эксплуатации. - СПб.: Балт-Систем, 2013. - 60 с.

Размещено на Allbest.ru