Двигатели для приводов подач станков

Приводы подач станков с ЧПУ

В современных станках с ЧПУ применяются различные структурные схемы приводов подач. Схема с жесткой связью электродвигателя ходового винта изображена на рис..

1 — электродвигатель; 2 – муфта; 3 −передача винт-гайка качения; 4 − винт

Схема с одноступенчатым редуктором и выборкой зазора в зубчатом зацеплении рассмотрена на рис. 8.2.

Рис. Схема привода с редуктором:

1 − электродвигатель; 2 − зубчатая передача; 3 − винтовая передача

Схема с применением беззазорной червячной и реечной передач изображена на рис.

Рис. Схема привода с червячной и реечной передачами:

1 − электродвигатель; 2 − червячная передача; 3 − реечная передача

Как видно из приведенных схем, станки с ЧПУ имеют короткие кинематические схемы приводов подач, обеспечивающие более точную работу последних. Это стало возможным при применении специальных узлов и механизмов, имеющих свои отличительные особенности.

Виды применяемых электродвигателей

Особенностью приводов подач металлорежущих станков, повышающей качество, точность и производительность обработки, является независимость частоты вращения от вращающего момента и момента сопротивления. Регулирование скорости подачи осуществляется при постоянном максимально допустимом моменте. Поэтому в основу выбора электродвигателя положена не мощность, а момент сил сопротивления в механизме подачи. Величину этого момента определяют по составляющим сил резания с учетом момента трения.

К приводу подач предъявляются также требования по возможности создания больших ускорений, значительного диапазона регулирования частоты вращения при высокой равномерности, особенно при малых частотах. Вышеперечисленным требованиям удовлетворяют специальные двигатели постоянного тока – высокомоментные серии ПБВ, с возбуждением от постоянных магнитов или серии 2П, ПБС с электромагнитным возбуждением. В малых станках применяются малоинерционные двигателя серии ПТГ, а также шаговые электродвигатели ЩД.

1. Электродвигатели постоянного тока:

− электродвигатели серии 2П с независимым, параллельным или смешанным возбуждением. Имеют большой диапазон мощностей (0,37–200 кВт) и частот вращения (750–3000 об/мин), широкий диапазон регулирования частоты вращения. Пример обозначения 2ПФ160LГУ4 − электродвигатель постоянного тока единой серии 2П, защищенного исполнения с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора (Ф), высотой оси вращения 160 мм второй длины (L), с тахогенератором (Г), климатическое исполнение – У, категория размещения – 4;

− малоинерционные электродвигатели серии ПЯ, имеющие значительное быстродействие, достигается за счет снижения момента инерции якоря.

− высокомоментные электродвигатели постоянного тока. Имеют низкие номинальные частоты вращения, позволяющие устанавливать их в станки и механизмы без промежуточных редукторов. Отечественной промышленностью выпускаются двигатели серий ПВБ и ПВ. Например: ПВБ160LGУЗ – двигатель постоянного тока (П), закрытого исполнения (Б); высокомоментный с возбуждением от постоянных магнитов (В), с высотой оси вращения 160 мм, второй длины (L), со встроенным тахогенератором (G), климатическим исполнением и категорией размещения УЗ.

2. Асинхронные электродвигатели:

− двигатели с короткозамкнутым ротором. Являются наиболее распространенными машинами переменного тока. Регулировка частоты вращения может осуществляться изменением числа пар полюсов (ступенчатое), частоты тока (бесступенчатое). Выпускают двигатели серий 4А и АИ. Например: 4А80А2УЗ — асинхронный электродвигатель единой четвертой серии (4А) закрытого исполнения (А), с высотой оси вращения 80 мм, сердечник – двухполюсный (2) исполнение дня умеренного климата (УЗ).

3. Шаговые электродвигатели:

− шаговые двигатели довольно широко применяют в приводах подач малых и средних станков. Хотя они и уступают высокомоментным двигателям по к.п.д. и погрешности позиционирования при изменении нагрузки на валу, однако они более просты, имеют меньшую стоимость и более высокую надежность. Кроме того, шаговый двигатель очень удобен при большом количестве управляемых координат. Применяются двигатели серии ШД4, ШД5 и т.д. Питание шаговых двигателей осуществляется от транзисторных и тиристорных преобразователей напряжения.

Применение шагового двигателя является целесообразным в приводах механизмов непрерывного движения в том случае, если управляющий сигнал задан в виде последовательности импульсов, что соответствует числовому программному управления станками.

Следующими элементами кинематических цепей приводов подач, оказывающим влияние на точность их работы, являются муфты. В станках с ЧПУ применяются следующие типы муфт.

1. Муфты с коническими кольцами. Достоинством, которых является возможность выборки зазоров. Недостаток − необходимость точного предварительного центрирования валов.

2. Сильфонные муфты. Изготавливают из гофрированных металлических оболочек.

Важным узлом привода подач станков с ЧПУ является узел преобразования вида движения. В станках токарной группы наиболее распространена в этом качестве шариковая винтовая пара (ШВП), которая состоит из винта, гайки комплекта шариков, канала для возврата шариков.

Широкое применение передач винт-гайка качения в современных станках с ЧПУ обусловлено рядом их достоинств. Так, беззазорность исключает или значительно снижает ошибку при реверсе, высокая осевая жесткость снижает динамическую ошибку привода, высокая стабильность момента трения позволяет осуществлять точные перемещения с малой скоростью, высокий КПД снижает потребляемую мощность двигателя.

Класс точности передачи винт-гайка качения определяет класс точности станка, поэтому к ней предъявляются повышенные требования.

Для обеспечения необходимей точности обработки деталей на станках с ЧПУ необходимо задать программой траектории движения инструмента и контролировать ее в течение всей обработки. Для этого в конструкциях станков предусмотрены устройства обратной связи, контролирующие выполнение рабочими органами заданной траектории движения.

Для получения сигнала о величине фактического перемещения или положения объекта при управлении применяются системы путевого контроля, состоящие из одного или нескольких датчиков обратной связи (ДОС), измерительной схемы и схемы формирования выходного сигнала. Датчики в такой системе контроля преобразуют механическое перемещение объекта в изменение различных физических параметров, которые в свою очередь, с помощью измерительной схемы, преобразуются в выходной электрический сигнал. По виду физических параметров датчики подразделяются на омические, емкостные, фотоэлектрические, индуктивные и т.д.

Индуктивный датчик обратной ввязи (индуктосин) – представляет собой статор (рис. 8.6), на котором с помощью фотолитографии нанесена обмотка в виде змеевика 1 с шагом 2 мм.

Рис. Индуктивный датчик обратной связи

На ползуне 2 нанесены две точно такие же обмотки, на которые подаются переменные напряжения, одинаковые по амплитуде и сдвинутые по фазе на 90 градусов. В зависимости от положения ползуна 2 относительно статора электромагнитное поле одной из обмоток воздействует сильнее на поле статора и оно смещается по фазе в сторону этой обмотки. Смещение по фазе сигнала, выходящего со статора, пропорционально перемещению ползуна. Специально преобразующие устройства выдают сигнал в УЧПУ станка.

Фотоэлектрический датчик обратной связи является аналого-цифровым преобразователем, имеющим весьма высокую точность контроля перемещения и легко согласуется с системами ЧПУ. Датчики выпускаются для контроля линейных и угловых перемещений.

При вращении вала 9 (рис. 8.7) датчика генерируются электрические сигналы в форме серии прямоугольных импульсов, количество которых представляет собой величину замера угла вращения. На валу датчика установлен стеклянный диск с радиальным делением решетки 8. Это деление сканируется (отслеживается) фотоэлектрически. С одной стороны диск подсвечивается источником света 5 через оптическое устройство (линзы) 4, с другой стороны находится постоянная сканирующая решетка 3 и фотоэлементы 2. При вращении диска происходит периодическое совпадение щелей диска со щелями решетки, в результате чего в образовавшиеся просветы свет от источника попадает на фотоэлементы и в цепи появляется импульс тока.

Рис. Фотоэлектрический датчик обратной связи:

1 – электроника датчика; 2 – фотоэлементы; 3 – сканирующая решетка;

4 – оптика; 5 – источник света; 6 – муфта; 7 – деление нулевого импульса;

8 – вращающийся стеклянный диск с радиальный делением решетки;

9 – вал датчика; 10 – приводной вал

Расстояние между дисками решетки (просветы) является разрешающей способностью датчика.

Требования по точности, предъявляемые к ДОС, в среднем на порядок выше точности приводов, на которых они установлены.

Разрешающая способность датчиков для станков классов точности:

К ДОС относится датчик скорости (тахогенератор), представляющий собой небольшой генератор постоянного тока, величина которого зависит от частоты вращения вала тахогенератора.

Датчик обратной связи, наличие которого характеризует замкнутость системы, можно устанавливать в различных местах кинематической цепи привода. На рис. 8.8 рассмотрены три варианта установки ДОС.

Наиболее простое конструктивное решение, когда ДОС и тахогенератор установлены на роторе двигателя привода подач и их сигналы прямопропорциональны углу поворота ротора (рис. 8.8а).

Все три варианта установки ДОС не равноценны с точки зрения достижения точности. В варианте, приведенном на рис.8а, ошибки перемещения рабочего органа включают в себя погрешности кинематической цепи от двигателя до рабочего органа.

В варианте, приведенном на рис. 8.8б, при определении точности перемещения рабочего органа исключено влияние тахогенератора, погрешности редуктора, а также погрешности от скручивания винта. Наиболее точным является вариант, приведенный на рис. 8.8в, когда ДОС установлен непосредственно на рабочем органе.

Рис. Блок схемы приводов подач станков с ЧПУ:

а) с одним потоком информации; б) с двумя потоками информации;

в) с тремя потоками информации

В – устройство ввода; УЧПУ – устройство ЧПУ;

СУ – сравнивающее устройство; У – усилитель; РО – рабочий исполнительный орган; ДОС – датчик обратной связи; Т – тахогенератор; М – электродвигатель;

Источник

Двигатели приводов подач станков

Наряду с электрогидравлическими шаговыми приводами широко применяют в приводах подач три вида следящих электрических двигателей постоянного тока:

• с пазовым якорем (обмотка заложена в пазы) и электромагнитным возбуждением
• малоинерционные с гладким или дисковым печатным якорем
• высокомоментные с возбуждением от постоянных магнитов.

Важное положительное свойство привода — быстродействие — определяется отношением крутящего момента к моменту инерции, следовательно, быстродействие привода можно повысить или снижением его момента инерции пли увеличением максимального крутящего момента двигателя в динамических режимах.

Высоко и низкооборотные двигатели

Широко распространены двигатели первого вида, к ним относятся высокооборотные и низкооборотные двигатели серии П, МИ, ПЛ, ЭП, ПБСТ, ПСТ, 2П и др. Высокооборотные двигатели устанавливают с шестеренчатым редуктором, что позволяет значительно уменьшить нагрузочный момент на валу двигателя, а следовательно, и его габаритные размеры. Низкооборотные двигатели этого типа могут стыковаться непосредственно с ходовым винтом станка, обеспечивать большое быстродействие, однако при равной номинальной мощности имеют большие размеры и массу, чем высокооборотные.

Малоинерционные двигатели

Малоинерционные двигатели второго вида выполняют высокооборотными. В переходных режимах они развивают большие ускорения до 20 000 — 50 000 рад/с 2 , что приводит к большим динамическим нагрузкам в цепи от двигателя к ходовому винту. По этой причине недопустимы зазоры в зубчатых передачах и в подшипниках редукторов, особые требования предъявляются к жесткости всей цепи. В отечественных станках применяют малоинерционные двигатели с гладким якорем серии ПГТ и с дисковым печатным якорем.

Высокомоментные двигатели

Двигатели третьего вида — высокомоментные. Основным их отличием от обычных двигателей постоянного тока является замена электромагнитного возбуждения на возбуждение от постоянных магнитов. В результате такой замены существенно улучшились характеристики двигателя и привода. Высокое быстродействие обеспечивается способностью кратковременно развивать большой крутящий момент. В результате отсутствия обмотки возбуждения, а следовательно, и ее нагрева, появилась возможность увеличить ток якоря, что привело к росту крутящего момента при одинаковых с обычным двигателем габаритных размерах. Увеличению тока якоря способствует также выполнение обмотки якоря из материала с высокой теплостойкостью изоляции. В результате использования постоянных магнитов высота полюсов уменьшилась в 2-3 раза, и диаметр двигателя в 1,2-1,3 раза. Применение высококоэрцитивных магнитов, не размагничивающихся при любом токе якоря, дало возможность получить 10-20-кратный момент двигателя на малых частотах вращения, тем самым обеспечить высокое быстродействие привода, несмотря на достаточно большой момент инерции двигателя. Высокомоментные двигатели связывают непосредственно с ходовым винтом привода без использования редуктора.

Благодаря ряду перечисленных положительных сторон, а также комплектности привода, снабженного встроенными термической защитой,тормозами и вращающимися трансформаторами в качестве датчиков обратной связи, использование высокомоментных двигателей в приводах подач в настоящее время является наиболее перспективным.

В Болгарии освоено производство высокомоментных двигателей серии КЕ пяти типоразмеров с номинальным крутящим моментом от 2,1 до 100 Н×м и диапазоном регулирования скорости 1 : 10 000. Отличительной особенностью этих двигателей является то, что постоянные магниты встроены не в статор, а в ротор. На роторе в передней части установлены магниты, в задней части последовательно датчик скорости, электромагнитный тормоз, муфта и датчик положения.

Источник

Характеристики двигателей, используемых в приводах подачи станков с ЧПУ.

ПРИВОДЫ СТАНКОВ

Электропривод

Роль электроприводав современных станках.Автомати­зированный электропривод (АЭП) является одним из основных конст­руктивных элементов металлорежущих станков (МРС), и его роль в современном станкостроении исключительно велика. Повышение технического уровня МРС в первую очередь связано с совершенство­ванием характеристик и расширением функциональных возможно­стей комплектующих электроприводов. Успехи развития станочного электропривода привели к коренному изменению конструкции стан­ков, их электрооборудования и систем управления.

Современный уровень автоматизации производства предполага­ет широкое внедрение станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Существенной особенностью таких станков является наличие органического противоречия между электронными системами управ­ления и механическими исполнительными устройствами. Непосредст­венно управление механизмами станка от системы ЧПУ невозможно, поэтому необходимо устройство, связывающее систему управления со станком. Роль такого согласующего звена выполняет электропривод (рис. 83). Сигнал задания для электропривода поступает от системы управления и согласно этому заданию на выходе ЭП формируется необходимый закон движения исполнительного механизма станка. Кроме прямых связей система ЧПУ — электропривод — станок суще­ствует ряд обратных связей, которые позволяют получать замкнутые системы управления и носят, как правило, информационный характер. Питание электропривода осуществляется от центральной электросети.

Кроме согласования системы ЧПУ со станком электропривод осу­ществляет следующие основные функции: а) энергетическую, которая заключается в преобразовании электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую энергию исполнительного механизма станка;

б) информационную, заключающуюся в снятии и обработке информации с датчиков обратных связей (ОС), по которой можно определить силовые параметры технологического процесса, осуществить

диагностику и контроль работы оборудования; в) управления, которая заклю­чается в формировании выходных параметров ЭП в соответствии с поступающими на его вход заданию и сигналов с датчиков ОС.

Исходя из этого, электрический привод определяется как элект­ромеханическое устройство, предназначенное для приведения в дви­жение рабочих органов машин и управления их технологическими процессами.

Автоматизированный электропривод станков состоит из элект­рического силового преобразователя (СП) (рис.84), электрического двигателя (ЭД), механической системы (МО и системы управления (СУ). Задание для электропривода подается на вход системы управ­ления, где формируется сигнал управления силовым преобразовате­лем, который подводит энергию питающей сети к электродвигателю. В двигателе электрическая энергия преобразуется в механическую и через механическую систему подводится к исполнительному органу станка.

Кроме преобразования энергии в электроприводе происходит преобразование информации, которая с помощью датчиков ОС от силового преобразователя, двигателя и механической системы посту­пает в систему управления, вырабатывающую управляющее воз­действие. Преобразование информации в электроприводе имеет не меньшее значение, чем преобразование энергии.

При работе ЭП все элементы энергетически, динамически и информационно согласованы и взаимосвязаны. Внутренние обратные связи осуществляют взаимодействие ЭД с преобразователем, а ме­ханические передачи связывают двигатель с механической системой. Внешние обратные связи объединяют эти элементы между собой. Все это позволяет говорить об электроприводе как о сложной взаимосвяз­ной электромеханической системе, которую нужно изучать и ана­лизировать только целиком, не расчленяя ее на части.

Классификацию АЭП станков проводят по нескольким призна­кам. По назначению электропривод разделяют на привод главного движения (главный привод), привод подачи и привод вспомогатель­ных перемещений (вспомогательный привод). Привод главного дви­жения реализует основной технологический процесс механической обработки, поэтому он более энергоемкий по сравнению с остальными приводами. Характерной особенностью главного привода является ра­бота в некотором диапазоне скоростей примерно с постоянной мощно­стью (Р = const), так как силовое резание выполняется при меньших частотах вращения шпинделя, а при высоких частотах вращения шпинделя производится чистовая обработка с меньшими усилиями резания. Привод подачи, осуществляющий перемещение заготовки или инструмента при резании, обладая существенно меньшей мощно­стью, должен иметь комплекс весьма высоких регулировочных, дина­мических и точностных характеристик. Приводы подач обеспечивают работу механизма на разных скоростях в основном с постоянным мо­ментом (М= const), так как в механизмах подач основное усилие затра­чивается на преодоление сил трения при перемещении узла станка.

Вспомогательные приводы обеспечивают вспомогательное пере­мещение заготовок и элементов станка и не участвуют в процессе резания. Требования, предъявляемые к этим приводам, определяются технологическими функциями МРС.

По роду тока выделяют ЭП постоянного и переменного тока.

По виду применяемого электродвигателя выделяют ЭП с двига­телем постоянного тока, асинхронный и синхронный ЭП.

Наиболее существенна классификация электроприводов по виду управления.

1.Нерегулируемый ЭП, используемый для привода станков с постоянной скоростью (скорость механизмов с таким приводом не регулируется или регулируется только механически).

2.Регулируемый электропривод, который позволяет электричес­ким способом регулировать скорость механизмов станков в широком диапазоне независимо от изменения нагрузки.

3.Следящий электропривод обеспечивает движение механизмов по определенной программе. Термин «следящий» по отношению к этой группе приводов, не совсем точен, поскольку следящим называют электропривод, который воспроизводит управляющее воздействие, имеющееся по заранее неизвестному закону. В станках с ЧПУ закон изменения управляющего воздействия известен заранее, поэтому пра­вильнее было бы говорить о программно-управляемом приводе. Одна­ко термин «следящий» так широко распространен в станкостроении, что он оставлен для обозначения этой группы приводов.

4. Адаптивный электропривод, который автоматически изменяет
структуру и параметры системы управления в зависимости от режимов
работы станка. Адаптация позволяет повысить производительность и
точность металлообработки.

Электроприводы для МРС выбирают и сравнивают на основе их технико-экономических показателей (характеристик), которые должны соответствовать значениям, определяемым технологическим процессом, и общим требованиям, предъявляемым к конкретному ти­пу станка. К таким основным характеристикам относятся:

а) номинальный вращающий момент на валу электродвигателя М_ном, который определяет допустимую нагрузку электропривода при длительном режиме работы;

б) номинальная механическая мощность на валу электро­двигателя Р_ном;

в) номинальная угловая скорость привода: Ω_hom (n_ном);

г) максимальная угловая скорость привода: Ω_max(n_max);

д) диапазон регулирования — отношение максимальной скорости привода к минимальной, при которой сохраняются все параметры ЭП по стабильности при изменении нагрузки, напряжения сети, темпера­туры окружающей среды, реверсе двигателя и по неравномерности вращения:

е) чувствительность — минимальный сигнал управления, отра­батываемый электроприводом Uymin (в следящем ЭП станков с ЧПУ этот сигнал должен быть меньше напряжения управления, соответствующего одной дискрете);

ж) перегрузочная способность привода по мощности (моменту) в установившемся и переходном режимах: Р_mах/Р_ном (М_maх/М_ном);

з) динамические характеристики по управляющему воздействию (времена пуска и торможения t_П и t_T, перерегулирование а и по нагруз­ке (время восстановления скорости t_ви динамическая просадка скорости AΩ* );

и) энергетические показатели: КПД ή и коэффициент мощ­ности cos φ;

к) удельные массогабаритные показатели по массе т и объему V электрической части привода: удельная мощность Р/т и P/V, удель­ный момент М/т и М/ V;

л) надежность — наработка на отказ, вероятность безотказной работы, срок службы, ремонтопригодность;

м) стоимость и экономичность обслуживания.

Специальные электродвигатели, применяемые в станко­строении.Одним из основных элементов электропривода является исполнительный электродвигатель. Для станков необходимы двига­тели, способные обеспечить необходимые статистические и динами­ческие характеристики на всем диапазоне регулирования скорости, который достигает десятков тысяч. Эти двигатели должны выдержать кратковременные перегрузки, обеспечивать высокое быстродействие привода, иметь малые габаритные размеры и массу, а также удобно встраиваться в механизмы станков. Кроме того, станочные двигатели не должны быть энергонасыщены во избежание передачи на станок тепловых и механических возмущений.

Важным условием является оснащение двигателей вспомогатель­ными и управляющими устройствами, такими, как тахогенератор, датчик угла поворота (резольвер), тормоз и тепловая защита.

Модернизация существующих моделей и создание принципиаль­но новых конструкций электродвигателей привели к появлению спе­циальных двигателей постоянного и переменного тока, применяемых в станкостроении.

Наибольшее применение в приводе подачи находят высокомоментные ЭД, под которыми понимаются относительно тихоходные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Якорь двигателя имеет традиционное исполнение, что обеспечивает термическую инертность конструкции (тепловая постоянная времени нагрева до 100 мин) и, как следствие, возможность длительно работать с большим перегрузочным моментом. Такие двигатели допускают 20-кратную кратковременную перегрузку по моменту.

В результате замены электромагнитного возбуждения постоян­ными магнитными исключена мощность возбуждения, рассеиваемая в двигателе, что снизило общий нагрев двигателя и позволило за этот счет увеличить ток якоря и номинальный вращающий момент ЭД на 10—15 % при тех же габаритных размерах машины. Увеличению длительного тока двигателя способствовало также выполнение обмот­ки якоря из материала с изоляцией высокой нагревостойкости.

Применение постоянных магнитов позволило уменьшить высоту полюсов в 2—3 раза, что привело к уменьшению диаметра машины на 20—30 %; одновременно упростилась установка на статоре большого числа полюсов, что обеспечило высокую равномерность магнитного поля в воздушном зазоре, а следовательно, и большую равномерность вращения ЭД, особенно при малых скоростях. Увеличению равномер­ности скорости двигателя способствовало также увеличение числа коллекторных пластин, применение специального материала для ще­ток, а в некоторых случаях и коллектора со специальным покрытием.

Высокомоментные ЭД обеспечивают диапазон регулирования скорости привода порядка нескольких тысяч. Номинальная частота вращения двигателей около 1000 мин -1 . За счет кратковременного повышения напряжения на якоре ЭД частота вращения может быть поднята до 2500 мин -1 . Высокомоментные двигатели устойчиво рабо­тают при минимальных частотах вращения, равных 0,1 — 1 мин -1 .

Широкий диапазон регулирования скорости и большая нагрузочнаяспособность создают возможность непосредственного соедине­ния ЭД с винтом станка, минуя промежуточные механические передачи. Это упрощает конструкцию привода подачи, уменьшает статистические и динамические погрешности и является выражением тенденции развития станочных электромеханических систем, заклю­чающуюся в максимально возможном приближении источника дви­жения к исполнительному органу станка.

Компоновка высокомоментного ЭД представлена на рис.85. Цент­ральное место в расточке корпуса 3 занимает двигатель с индуктором на постоянных магнитах 4 и якорем традиционного исполнения 5. На одном валу с якорем установлен электромагнитный тормоз 6 и тахогенератор 2. В задней части ЭД расположен позиционный датчик 7, который через зубчатую передачу 8 и муфту 1 соединен с валом двигателя.

Важнейшим из вспомогательных устройств является тахогенера­тор, качество которого во многом определяет качество всей системы электропривода. Прецизионные тахогенераторы должны имен, ми­нимальные низкочастотные полюсные, высокочастотные зубцовые и коллекторные пульсации. Встройка тахогенератора в корпус ЭД и расположение его на одном валу преследует не только цель уменьшения размеров ЭД, но и направлена на уменьшение низкочастотных

Рис. 85 Компоновка высокомоментного электродвигателя

пульсаций, которые возникают при соединенииЭД савтономным \ тахогенератором через соединительную муфту. Поэтому все высоко­моментные ЭД снабжаются встроенным тахогенератором.

В высокомоментных двигателях отсутствуют дополнительные полюса, что затрудняет коммутацию и накладывает ограничения на эксплуатационные характеристики ЭД. Существуют два типа комму­тационных ограничений. При малых скоростях предельное значение токаякоря, допустимое по условиям коммутации, может быть больше номинального. По мере увеличения скорости это значение должно постоянно уменьшаться. В пределах до номинального тока вступает в силуограничение по скорости.

На рис. 86 показаны области работы высокомоментных ЭД. Область длительного режима работы (S1) закрытого ЭД с естествен­ным охлаждением близка к прямоугольнику. При кратковременном режиме (S2) допустимый ток якоря и момент могут быть увеличены.Увеличение допустимого момента сопровождается снижением скорости. В системе электропривода с использованием высокомоментных ЭД для получения максимального быстродействия должно дей­ствовать зависимое токоограничение, установка которого связана со скоростью ЭД и определяется его коммутационной характеристикой (указанные ограничения связаны с износостойкостью коллекторного узла двигателя).

Отечественной промышленностью выпускаются высокомоментные ЭД с возбуждением от металлокерамических магнитов серии ПБВ, 2ПБВ и ДПУ и от литых магнитов Алькино серии ДК-1 [41.

Другим типом применяемых ЭД постоянного тока являются ма­лоинерционные двигатели, характеризующиеся высоким быстродей­ствием, которое обеспечивается за счет снижения момента инерции якоря. Наиболее распространены двигатели с дисковым, полым и глад­ким якорями. Такие якоря обладают малой массой, что уменьшает постоянную времени нагрева (несколько минут) и исключает длитель­ную работу машины с моментом нагрузки, превышающим номиналь­ный. Малоинерционные ЭД соединяются с ходовым винтом механизмов подачи станков через промежуточную механическую передачу.

Наиболее распространены ЭД с дисковым якорем, имеющим пе­чатную или штампованную обмотку. Возбуждение дисковых двигате­лей, как и высокомоментных, происходит от постоянных магнитов. Схема ЭД с дисковым якорем представлена на рис.87. На валу 1 диск 2 из немагнитного и токонепроводящего материала. На обе стороны диска нанесена обмотка якоря. Радиальные активные проводники обмотки соединены лобовыми частями и выполняют функции коллектора, по которому скользят щетки 4. Магнитный по­ток в ЭД создается цилиндрическими постоянными магнитами 3, обра­зующими магнитную систему, симметричную относительно дискового якоря: магниты.

расположены по обе стороны от якоря на расстоянии δ. Для замыкания потока с другой стороны якоря расположено кольцо из магнитомягкого материала. Конструкция дискового ЭД проста и технологична.

Основным преимуществом таких ЭД является высокое быстро­действие. Отсутствие стального сердечника в магнитной цепи якоря уменьшает индуктивность, поэтому его электромагнитная постоянная времени мала и электрические переходные процессы имеют малую длительность.

Как правило, дисковые двигатели имеютторцовую конструкцию. Это упрощает их монтаж, но одновременно улучшает передачу теп­лоты, выделяемой в ЭД, на конструктивные элементы станка. Другим недостатком является малая теплоемкость якоря, лишенного сердеч­ника, поскольку в переходных режимах обмотка быстро перегревается и выходит из строя. Эти ограничения привели к тому, что применение дисковых ЭД оказывается выгодным только в станках малых размеров.

Отечественной промышленностью выпускаются дисковые ЭД се­рии ЭПУ со штампованным якорем и встроенным тахогенератором и серия ПЯ с печатным якорем. Эти двигатели обеспечивают кратковре­менную пятикратную перегрузку по моменту и регулирование часто­ты вращения в пределах от 0,1 до 3000 мин -1 .

Вторым типом малоинерционных ЭД является двигатель с полым ротором, имеющий два статора (рис.88). На одном из подшипни­ковых щитов 1 укреплен постоянный магнит 2. Магнитный поток

замыкается по корпусу 3. Обмотка якоря выполнена двухслойной и образует ротор 4 при заливке специальным компаундом. После фор­мовки образуется монолитный полый цилиндр, насаженный на вал 7. Концы обмотки выведены на коллектор 6, на котором установлены щетки 5. Одним из достоинств ЭД с полым ротором является хорошая коммутация. Как и у дисковых двигателей, якорь ЭД с полым ротором обладает очень малой теплоемкостью. В связи с этим выпускаемые оте­чественной промышленностью двигатели с полым ротором серии ДПР имеют малую мощность (до 37 Вт) и находят ограниченное применение. Малоинерционные двигатели с гладким якорем имеют тради­ционное исполнение с электромагнитным возбуждением и длинным якорем, выполненным из электротехнической стали, с обмоткой, размещенной не в пазах, а на гладкой наружной поверхности и закреп­ленной эпоксидными смолами. Эти двигатели имеют большую теп­ловую инерционность и допускают относительно большие перегрузки. Но поскольку якорь ЭД имеет большую длину и малый диаметр, его охлаждение затруднено. Кроме того, малый диаметр коллектора за­трудняет коммутацию таких двигателей. В станкостроении использу­ют ЭД с гладким якорем серии ПГТ, но область их применения ограничена.

Для главных приводов МРС используют специальные двигатели постоянного тока серии 4ПФ. Эти двигатели имеют электромагнитное возбуждение с возможностью регулирования частоты вращения нап­ряжения якоря и потоком возбуждения в пределах от 1 до 4500 мин -1 [41]. В ЭД серии 4ПФ традиционного исполнения с шихтованной ста­ниной установлен быстроходный коллектор, в котором модернизи­рована система крепления щеток, исключающая их вибрацию, и увеличено число коллекторных пластин. Эти ЭД снабжены встроен­ным тахогенератором и терморезистивным датчиком для температур­ной защиты. Двигатели выдерживают 60 %-ную перегрузку по току в течение 1 мин и двукратную перегрузку в течение 15 с при номиналь­ной скорости.

Основным недостатком всех двигателей постоянного тока явля­ется наличие щеточно-коллекторногоузла, снижающего надежность машины и накладывающего ограничения на возможность работы в условиях агрессивной окружающей среды. Наличие щеточно-коллекторного узла отрицательно сказывается на работе двигателей в усло­виях автоматизированных производственных систем, так как требует проведения регулярных профилактических работ и ремонтов.

В силу всех этих факторов в последнее время ведутся работы по созданию широкорегулируемых станочных приводов с двигателями переменного тока. Бесколлекторные двигатели требуют минимально­го обслуживания, что позволяет устанавливать их на станки, работа­ющие в гибких производственных системах, практически при любых условиях окружающей среды.

Разработка бесколлекторных (безщеточных) двигателей ведется в двух направлениях — создание специальных асинхронных и синх­ронных (вентильных) двигателей. Специальные асинхронные ЭД ре­гулируемых электроприводов выпускают на базе ЭД традиционного исполнения. Для этого на одном валу с двигателем устанавливается электромагнитный тормоз, тахогенератор и прецизионный датчик по­ложения, необходимый для работы привода в следящем режиме. По оснащению вспомогательными устройствами такие ЭД не уступают высокомоментным ЭД постоянного тока.

Отечественная промышленность на базе двигателей тради­ционного исполнения выпускает специальные асинхронные ЭД типа 4АХБ2П [41]. На рис. 89 представлена схема такого двигателя, используемого в широкорегулируемых и следящих приводах. В перед­ней части ЭД расположен электромагнитный дисковый тормоз 1. За­тем следует собственно ЭД с короткозамкнутым ротором 2. В торцовой

части станины установлен датчик температуры 3. В задней части кор­пуса расположена измерительная система 4, служащая для измерения скорости и углового положения вала. ЭД имеет закрытое исполнение без внутреннего вентилятора. В случае необходимости наружный обдув осуществляется вентилятором.

Вентильные ЭД — это электрические машины, функционально объединенные с управляемым полупроводниковым коммутатором. Конструктивно электромеханическая часть вентильного двигателя

представляет собой обращенную синхронную машину традиционного исполнения, поэтому вентильные ЭД относятся к двигателям пере­менного тока. Однако по своим свойствам вентильный ЭД в целом принципиально отличается от синхронного.

Схема вентильного ЭД изображена на рис.90. Обмотка якоря неподвижна и расположена на статоре. Обмотка возбуждения находится на вращающемся роторе. Небольшой ток возбуждения подводится к ротору через контактные кольца. Такую машину нельзя считать полностью бесконтактной, поэто­му чаще применяют ЭД с возбуждением от вращающихся постоянных магнитов.

Отечественной промышленностью выпускаются специальные двигатели для приводов подач станков с ЧПУ серии 4СХ2П, созданные на основе асинхронных ЭД серии 4А путем изменения конст­рукции ротора, на котором вместо обмоток устанавливаются ферритовые постоянные магниты, обеспечивающие возбуждение ЭД.

В вентильных ЭД благодаря обратной связи по положению ротора осуществляется самосинхронизация вращения ротора и магнитного поля. При этом автоматически обеспечиваются устойчивая работа ЭД и постоянный угол нагрузки. Опасность качания ротора и выпадения из синхронизма в вентильных ЭД отсутствует.

Регулирование скорости вентильных ЭД осуществляется изме­нением напряжения на статоре, так же как и в двигателях постоянного тока. При этом свойства ЭД приближаются к свойствам машин постоянного тока.

Правильный выбор мощности и типа ЭД для станочных приводов представляет собой важную и достаточно сложную задачу. Основным критерием выбора мощности ЭД является его нагрев. Жесткие огра­ничения по нагреву связаны с нагревостойкостью изоляции обмоток двигателей. Номинальная мощность ЭД определяется исходя из до­пустимого нагрева изоляции. При перегрузке двигателя температура изоляции увеличивается, что ведет к преждевременному старению изоляции и снижению срока службы машины.

Другим критерием выбора мощности ЭД можно считать макси­мальное ускорение, которое способен обеспечить ЭД в системе АЭП. Среднее ускорение в переходных режимах определяется отношением динамического момента к моменту инерции механической системы при­вода. В связи с этим часто выбирают двигатель по максимально допус­тимому моменту, но и в этом случае необходимо проверить ЭД на нагрев.

При выборе ЭД существует ряд ограничений, которые необхо­димо учитывать. Наиболее существенными являются ограничения по перегрузочной способности. Допустимая нагрузка асинхронных ЭД определяется максимальным (критическим) моментом, который при­водится в каталогах. Перегрузка ЭД постоянного тока лимитируется условиями коммутации и не имеет такого четкого ограничения (комму­тационная характеристика приводится в каталогах). Вторым видом ограничений, характерным для асинхронных ЭД, являются ограничения по пусковому моменту. При включении ЭД пусковой момент должен превышать момент нагрузки, иначе пуск осуществить невозможно.

При выборе ЭД для привода конкретной механической системы станка необходимо учитывать условия окружающей среды, конст­руктивное исполнение ЭД, расположение его на станке и способ креп­ления. Кроме того, немаловажное значение имеют эстетические соображения и гармоничность МРС, как единой конструкции.

Таким образом, выбор ЭД связан с общим анализом и синтезом электромеханической системы МРС. Сложность электромеханичес­ких и тепловых расчетов, сопровождающих такой выбор, требует при­менения численных методов и использования ЭВМ. Только так можно сопоставить несколько конкурирующих вариантов и синтезировать оптимальную систему.

ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРИВОДОВ ПОДАЧИ

Регулирование скорости подачи в металлорежущих стан­ках осуществляется при постоянном максимально допустимом мо­менте, поэтому в основу выбора электродвигателя положена не мощ­ность, а момент сил сопротивления М_с в механизме подачи. Вели­чину этого момента определяют по составляющим силы резания с уче­том момента трения в механизме подачи. При переменном моменте М_с расчет ведут по формуле эквивалентного момента.

При большом диапазоне регулирования самовентиляция двига­теля неэффективна, и рекомендуется выбирать двигатели закрытого безобдувного исполнения. Если габариты двигателя, выбранного по моменту, оказываются недопустимо завышенными, рекомендуется использовать двигатель меньшего габарита с принудительным охла­ждением вентилятором типа «наездник».

В приводах подачи современных станков с ЧПУ применяют высокомоментные электродвигатели серии ПБВ с возбуждением от по­стоянных магнитов или двигатели постоянного тока серии 2П, ПБС с электромагнитным возбуждением. В малых станках иногда приме­няют малоинерционные двигатели серии ПГ. Во всех случаях целе­сообразно использовать двигатели с внутренним встроенным тахогенератором.

В кинематической схеме привода подачи движение от электродви­гателя через редуктор с передаточным отношением i передается на ходовой винт и далее на исполнительный орган станка (стол, каретку, суппорт и т. д.). Параметры кинематической схемы (шаг ходового винта и передаточное отношение редуктора) определяются как диа­пазоном регулирования подачи, так и возможностями двигателя. В техническом задании на электропривод подачи указывают мини­мальную и максимальную рабочую подачу, скорости v_{p min}, v_{p max}, в пределах которых регулирование происходит при постоянном (мак­симальном) моменте, и скорость вспомогательных перемещений (v _max — 5 — 10 м/мин), осуществляемых при уменьшенном моменте сил сопротивления.

Таким образом, в приводе подачи необходимы два диапазона ре­гулирования:

с различными условиями регулирования. Очевидно, что общий диа­пазон регулирования подачи

При управлении в цепи якоря скорость вращения вала двигателя регулируется вниз от номинала при постоянном моменте, что обеспе­чивает диапазон регулирования

Диапазон регулирования D´_I очень велик, поскольку номиналь­ная частота вращения вала двигателя постоянного тока составляет 1000—3000 мин -1 , минимальная может быть доведена до 0,1 — 1,0 мин’ 1 . Кроме того, допускается кратковременное увеличение скорости вращения вала двигателя до значения о)_шах за счет кратко­временного повышения напряжения на якоре. Это обеспечивает вто­рой диапазон регулирования

который целесообразно ис­пользовать для вспомога­тельных перемещений, по­скольку двигатель здесь дол­жен работать с уменьшенной нагрузкой. Диапазон этот не­велик и равен примерно 2—2,5.

Общий диапазон регули­рования двигателя D’ > D, и современный электропривод способен обеспечить все технологи­ческие требования станкостроения. Особенность расчета заклю­чается в том, что диапазоны регулирования двигателя и станка от­личаются в отдельных своих частях. При этом, как правило, D´_I >D_I и D’_II -1 ; v _max — максимальная скорость вспомогательных перемещений, мм/мин; р — шаг ходового винта, мм.

Использование высокомоментных двигателей с большим диапазо­ном регулирования часто позволяет при выборе соответствующего значения р обойтись без редуктора и соединить вал двигателя непо­средственно с ходовым винтом.

Двигатель для привода подачи подбирается по пусковому моменту, установившемуся момента во время обработки до наиболее сложных условий и по скорости ускоренного хода.

Источник

Читайте также:  Как проверить привод жесткого диска