Детали машин

Принцип работы СЧПУ

Рассмотрим принцип работы СЧПУ с исполнительным механизмом на примере металлорежущего станка с числовым программным управлением (ЧПУ).

Обобщенная структурная схема СЧПУ, управляющая металлорежущим станком, представлена на рис. 1. Устройство 1 ввода программы считывает программу, т.е. преобразовывает ее в электрические сигналы и направляет в устройство 4 отработки программы, которое через устройство 5 управления приводом воздействует на объект регулирования – привод 6 подач, который связан с перемещением заготовки или инструмента. Перемещение подвижной части станка, связанной с приводом 6 подач, контролирует датчик 8, включенный в цепь главной обратной связи. Информация с датчика 8 через устройство 7 обратной связи поступает в устройство 4 отработки программы, где происходит сравнение фактического перемещения с заданным. Если результат сравнения выявит несовпадение заданного и фактического перемещения, то программа вносит соответствующие коррективы в перемещение исполнительного органа. Для исполнения других функций с устройства 1 ввода программы электрические сигналы поступают в устройство 2 технологических команд, которое воздействует на исполнительные элементы 3 технологических команд (двигатели, электромагниты, электромагнитные муфты и др.); при этом исполнительные элементы включаются или выключаются.

Обобщенная структурная схема связи СЧПУ со станком

Рис. 1. Обобщенная структурная схема связи СЧПУ со станком

Приводы с ЧПУ классифицируются по назначению и принципу работы (основные признаки); по типам двигателей, видам схем управления, месту установки и др. (дополнительные признаки). По назначению выделяют приводы главного движения, подачи и вспомогательных механизмов.

На рис. 2 приведена упрощенная кинематическая схема токарного станка с ЧПУ с применением приводов главного движения (а) и механизма подач (b и c), управление которым осуществляется СЧПУ, показанной на рис. 1.

По принципу работы приводы с ЧПУ бывают электрические, электромеханические, гидравлические и электрогидравлические. Электрический и электромеханический привод состоит из электродвигателя и кинематической цепи, включающей в себя редукторы, вариаторы, ременные и цепные передачи, муфты и т.п. В состав гидравлических приводов входят насосная станция и гидродвигатели различных видов. Электрогидравлические приводы включают в себя элементы электро- и гидрооборудования. В схемах управления электроприводом, как правило, предусмотрены вспомогательные элементы, предназначенные для защиты станка (от перегрузки), электродвигателей (от перегрева), рабочего (от травм).

В приводах главного движения (рис. 2, а) применяется электродвигатель постоянного тока, который называется электроприводом постоянного тока, а также приводы с асинхронным или синхронным электродвигателем – электроприводом переменного тока.

Упрощенная кинематическая схема токарного станка с ЧПУ

Рис. 2. Упрощенная кинематическая схема токарного станка с ЧПУ: а – привод главного движения; b – привод ШД для продольного перемещения суппорта (ходовой винт); с – привод ШД для поперечного перемещения суппорта (ходовой винт)

Приводы вспомогательного движения. В приводе подач применяются шаговые двигатели (ШД) (рис. 2; b, c). 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.

На рис. 3 приведена схема действия шагового двигателя ШД с ротором 1 и трехсекционным статором 2. Статор имеет расположенные по кругу три секции I, II и III, каждая из которых смещена по окружности относительно рядом расположенных полюсов ротора на 1/3t, где t – шаг межполюсного расстояния ротора.

Если полюсы секции II статора располагаются против полюсов ротора, то полюсы секций I и III статора смещены относительно полюсов ротора соответственно на 2/3 t и на 1/3 t. При подаче напряжения в секцию II статора ротор будет неподвижен, так как в этом положении он имеет минимальное магнитное сопротивление. При подаче напряжения в секцию III статора ротор повернется по часовой стрелке на 1/3 t и полюсы этой секции встанут против полюсов ротора. При подаче напряжения в секцию I ротор снова повернется по часовой стрелке на 1/3 t и т. д. Последовательная подача импульсов на обмотки электромагнитов статора соответствующих секций будет формировать прерывистое (шаговое) вращение ротора.

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.

Схема устройства и принцип действия шагового двигателя

Рис. 3. Схема устройства и принцип действия шагового двигателя

Шаговые двигатели 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.

В станках с ЧПУ в приводах подачи применяют ШД в сочетании с гидроусилителями крутящих моментов (рис. 4).

Шагово-импульсный привод подачи с гидроусилителем крутящих моментов

Рис. 4. Шагово-импульсный привод подачи с гидроусилителем крутящих моментов: РО – рабочий орган с винтовой передачей; ГД – гидродвигатель; УЗ – управляющий золотник; ШД – шаговый двигатель

В качестве силового органа такого усилителя используют гидродвигатель (рис. 4), выходной вал которого соединен с винтовой передачей исполнительного механизма.

Механические передачи – часть системы привода, заключенная между выходным звеном источника движения (например, выходным валом электродвигателя или штоком гидроцилиндра) и звеном потребления механической энергии и предназначенная для кинематического преобразования движения на этом пути. Под кинематическим преобразованием понимают изменение направления усилия и скорости при линейном перемещении или изменение плоскости поворота при вращательном движении.

В перспективе механические передачи в приводе станков с ЧПУ будут играть менее значимую роль, так как их функции можно будет реализовывать с помощью электрических или гидроэлектрических устройств. Однако в настоящее время, несмотря на переход к электрическим способам управления движениями, роль механических передач в станках с ЧПУ достаточно велика, что объясняется их простотой, надежностью и экономичностью.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *