В роботі фрезерів використовуються два типи двигуна: кроковий - електромеханічний пристрій, що перетворює сигнали в кутове переміщення ротора з фіксацією в заданому положенні. І серводвігателі - мають зворотний зв'язок, і якими можна управляти через ланцюг контролера шляхом збільшення і зменшення струму. Крокові мають меншу потужність і швидкість, і значно дешевше серводвигунів.
Як правило, кроковий електродвигун - це електромеханічний пристрій, що перетворює сигнали управління в кутове переміщення його ротора з якісної фіксацією в заданому положенні. Сьогодні сучасні крокові двигуни (ШД), по суті, є синхронними двигунами, які мають пускову обмотку на роторі, що відповідно пояснюється частотним пуском самого ШД. Послідовна активація обмоток двигуна породжує дискретні кутові переміщення (т. Е. - кроки) ротора. Відмітна особливість цих двигунів - це можливість без датчика зворотного зв'язку здійснювати позиціонування по положенню.
Кроковий двигун відноситься до класу так званих «безколекторних» двигунів постійного струму. Такі двигуни як безпосередньо і будь-які інші безколекторні електричні машини, мають досить високу надійність і досить значний термін служби, що в свою чергу дозволяє застосовувати їх в самих різних індустріальних сферах. Якщо порівнювати звичайні електродвигуни постійного струму з кроковими двигунами, то останні вимагають більш складних схем управління, які виконують абсолютно всі комутації обмоток.
Сьогодні існують три основні типи / виду крокових двигунів:
- Гібридні двигуни - найбільш часто використовувані у фрезерних верстатах з числовим програмним управлінням.
- Двигуни з постійними магнітами.
- Двигуни, які мають змінне магнітне опір.
Гібридні крокові двигуни
Вважається, що гібридні двигуни поєднують в собі найкращі риси ШД зі змінним магнітним опором, а також двигунів з постійними магнітами. У гібридного двигуна ротор має зубці, які розташовані в осьовому напрямку. Крокові гібридні двигуни забезпечують більш меншу величину кроку, велику швидкість і більший момент, ніж двигуни інших типів / видів. Зазвичай, число кроків для гібридних двигунів може становити від 100 до 400 (при цьому кут кроку 3.6 - 0.9о).
Будова крокових двигунів
Кроковий електричний двигун складається з статора, де розташовані обмотки збудження (т. Е. Котушки електромагнітів) і відповідно ротора з постійними магнітами (також використовуються ротори зі змінним магнітним опором - але рідше). ШД з магнітним ротором дозволяють забезпечувати фіксацію ротора при знеструмлених обмотках і отримувати більший крутний момент. Саме завдяки цьому, крокові двигуни досить часто застосовуються у верстатах з ЧПУ.
Досить висока температура, яка створена в котушках, здатна легко розсіятися через масу самого двигуна, таким чином, крокові електродвигуни від нагрівання менш схильні до пошкоджень.
Принципи роботи крокового двигуна
Як правило, відповідно до того, які саме котушки статора вимкнені або включені, ротор буде обертатися, щоб так сказати «підлаштуватися» до магнітного поля. Наприклад, якщо уявити ШД з двома котушками в статорі, а в якості ротора постійний магніт, то коли відповідні котушки статора досить порушено, постійно намагнічений ротор обов'язково повернеться, щоб з магнітним полем статора «вишикуватися» в лінію. Ротор залишиться в даному положенні, якщо поле відповідно не обертається.
Коли до цієї котушці не поступатиме енергія, а буде спрямована безпосередньо до наступної котушці, то ротор знову повернеться, щоб підлаштуватися до полю новоспеченої позиції. При цьому абсолютно кожен поворот обов'язково відповідає розі кроку, який в свою чергу може змінитися від 180о до частки градуса (т. Е. До 60 градусів). Потім, в той час коли друга котушка вимкнена, включається наступна. Це змусить повернутися ротор на наступний крок, причому в тому ж напрямку. Даний процес триває до тих пір, поки одна котушка включається, а відповідно інша вимикається.
Послідовність шести кроків поверне ротор в той же стан, яке було на самому початку послідовності. Тепер якщо уявити, що при завершенні першого кроку, замість включення однієї котушки і виключення другий - обидві котушки були б включені. В такому випадку, ротор повернеться тільки на 30о (т. Е. За все на половину від 60о), щоб вирівнятися в напрямку найменшого опору. Таким чином, якщо перша котушка включена, в той час коли друга вимкнена, ротор повинен повернутися ще на 30о. Називається це дією півкроку, що безпосередньо включає послідовність восьми рухів.
Під час протилежної послідовності виключень / включень, ротор буде здійснювати обороти в протилежному напрямку. У промисловості найбільш прийнятний саме кроковий мотор, який просувається на кут від 1.8о і до 7.5, про при повному кроці. Для того щоб розмір кроків зменшити, число полюсів необхідно збільшити. Однак при цьому є фізична межа, скільки безпосередньо полюсів можуть використовуватися.
Щоб знизити дискретність переміщення ротора ШД застосовується, як правило - мікрошаговий режим. Безпосередньо сам мікрошаг реалізується при автономному управлінні струмом обмоток крокового двигуна. Керуючи співвідношенням струмів знаходяться в обмотках, ротор можна зафіксувати між кроками в проміжному положенні. Таким чином, можна збільшити плавність обертання ротора, а також досягти високої точності позиціонування. Крім того, в мікрошаговий режимі роздільну здатність можна отримати в 51200 крок / об, що позитивно відбитися на роботі обладнання в цілому.
Механічна характеристика крокової двигуна
Дуже важливою особливістю ШД є, звичайно ж, їх механічна характеристика.
Управління кроковим приводом
Управління кроковим двигуном в найзагальнішому вигляді зводиться до задачі відпрацювати обумовлене число кроків в потребном напрямку і з необхідною швидкістю.
На блок управління крокового двигуна (т. Е. Драйвер) подаються певні сигнали «зробити крок» - «задати напрямок». Ці сигнали являють собою ніщо інше як - імпульси 5В.
Дані імпульси можна отримати безпосередньо від комп'ютера, наприклад, від LPT-порту, від спеціалізованого контролера управління кроковими приводами або ж задавати сигнали незалежно від генератора 5В або джерела живлення.
Як правило, роботою ШД управляє електронна схема, а його харчування виконується від джерела постійного струму. ШД використовують для управління частотою обертання, щоб не застосовувати Дорою контур зворотного зв'язку. Даний привід застосовується в приводі виключно з розімкненим ланцюгом.
Серводвигуни
Серводвигун - це безпосередньо двигун зі зворотним зв'язком, якою можна керувати, щоб або досягти необхідної швидкості (отже, крутного моменту) або ж отримати необхідний кут повороту. Саме для цієї мети пристрій зворотного зв'язку посилає певні сигнали в ланцюг контролера серводвігателя, повідомляючи про швидкість і відповідно кутовому положенні. Якщо в результаті найбільш високих навантажень швидкість виявиться набагато, нижче необхідної величини, то струм буде збільшуватися поки швидкість не досягне потрібної величини. Коли сигнал швидкості показує, що вона більше, ніж необхідно, то струм відповідно, зменшується. Якщо ж по положенню застосована зворотний зв'язок, то сигнал про нього використовується, щоб зупинити двигун в той момент, коли безпосередньо ротор наблизиться до необхідного кутовому положенню.
Для цього можуть використовуватися різні типи / види датчиків, включаючи кодують пристрої, наприклад, такі як: потенціометри, тахометри і резольвера. Якщо застосовується датчик положення типу кодує пристрої або потенціометра, його сигнал цілком може бути диференційований для того, щоб виробити певний сигнал про швидкість.
На сьогоднішній день сервоприводи використовуються в високопродуктивному обладнанні, наприклад, в таких виробничих галузях як: виготовлення різних будматеріалів, напоїв, упаковки, в поліграфії і підйомно-транспортної техніки. Також останнім часом спостерігається тенденція до множення частки сервоприводів в харчовій промисловості і деревообробці.
Вирішальним фактором використання сервоприводів є не тільки висока їх динаміка, але і можливість отримати високостабільного або точне управління, широкий діапазон регулювання швидкості, малі габарити і вага, а також стійкість.
Принципи роботи серводвігателя
Серводвигуни функціонують разом з пристроями, які називаються перетворювачі (приводи або драйвера серводвигунів). Дані перетворювачі змінюють напругу на обмотці збудження (або на якорі) сервомотора в залежності від безпосередньої величини напруги на вході самого двигуна. Вся ця система, як правило, керується стійкою ЧПУ (СNC). Далі схематично представлена система з сервомотором. Безпосередньо під «підсилювачем» розуміється драйвер серводвігателя.
Наприклад, в програмі, яка закладена в стійці ЧПК, присутній особлива команда «на відстань в 10 мм - переміститися по осі Y». На вхід драйвера сервомотора зі стійки ЧПУ подається певна напруга. Серводвигун починає обертати ходовий гвинт, з'єднаний з енкодером і порталом верстата (т. Е. Переміщувана частина з шпинделем). При обертанні ходового гвинта енкодер виробляє певні імпульси, які підраховує стійка.
Математичне забезпечення стійки ЧПУ, як правило, влаштовано таким чином, що стійка «в своєму розпорядженні відомості», що: віддалі в 10 мм відповідає, наприклад, 10 000 імпульсів від енкодера. Отже, поки стійка верстата не прийме ці 10 000 імпульсів, то на вхід драйвера буде передаватися напруга завдання, тобто буде вироблятися - неузгодженість. Коли портал верстата пройде задані 10 мм, стійка верстата свої 10000 імпульсів отримує в повному обсязі, тому напруга на вході драйвера серводвігателя стане рівним (0) «нулю», двигун зупиниться, і верстат відмінно відпрацює строго 10 мм (причому при абсолютній відсутності люфтів) .
Якщо під будь-яким впливом станеться зсув порталу верстата - енкодер відразу видасть імпульси. Дані імпульси будуть пораховані стійкою, а потім вона видасть напруга неузгодженості безпосередньо на драйвер, який поверне якір двигуна на дуже малий кут, щоб неузгодженість дорівнювало нулю. Таким чином, портал верстата відмінно утримується біля заданої йому точки з досить високою точністю.
Також потрібно зауважити, що далеко не кожен двигун може повертатися на дуже малі кути, забезпечувати потрібний крутний момент, динаміку розгону і т. Д. Це основна причина через що сервоприводи відносяться до дорогих пристроїв.
синхронні серводвигуни
Синхронні серводвигуни - трифазні синхронні електродвигуни з датчиком положення ротора, (т. Е. AC-двигуни) і порушенням від постійних магнітів. Основним їх перевагою є досить низький момент інерції ротора по відношенню до крутного моменту, що в свою чергу дозволяє реалізувати високу швидкодію. Всього лише за десятки мілісекунд досягається розгін на номінальну частоту обертання і реверс з повною швидкістю в межах 1-го обороту валу двигуна.
Як правило, основна область застосування даних двигунів є приводи подач верстатів, а також технологічні установки з тимчасовим циклом менше 1 секунди (наприклад, швидкодіючі позиційні системи автоматичних складів, виробництво упаковки).
Для сервоприводів характерні такі показники як:
- управління по моменту, по швидкості або по позиції;
- статична точність підтримки швидкості безпосередньо по валу двигуна не більше ніж 0,01%;
- діапазон регулювання швидкості більш ніж в 1: 1000;
- точність підтримки позиції по валу двигуна менше ± 10;
- компактні розміри і низька вага:
1 - роз'єм для підключення;
2 - статор з обмоткою;
3 - датчик швидкості і положення;
4 - ротор з магнітами;
5 - електромагнітний гальмо.
- відсутність і безконтактність вузлів, що вимагають обслуговування;
- досить високу швидкодію;
- значна перевантажувальна здатність по моменту (т. е. кратність граничного моменту короткочасно може перевищити 3);
- практично необмежений діапазон (1:10 000 і більше) для регулювання частоти обертання;
- показники ККД вентильних двигунів, як правило, перевищують 90%, при зміні потужності навантаження двигуна, при коливаннях напруги живильної електромережі змінюються дуже несуттєво, на відміну від асинхронних електродвигунів, де максимальний ккд не перевищує і 86%, а також, безпосередньо залежить від змін навантаження ;
- досить низький перегрів вентильного електродвигуна, тому як на роторі двигуна відсутній обмотка, що істотно збільшує його термін служби, що працює в режимі прискореного перевантажень;
- досить-таки велика щільність моменту на одну одиницю маси електродвигуна.
Крокові двигуни або серводвігателі: вибір двигунів для фрезерно-гравірувального верстата
Перш за все, потрібно порівняти два види цих моторів за деякими параметрами: