Построение электроприводов подач станков с ЧПУ

 

В настоящее время в механизмах подач станков с ЧПУ нашли самое широкое распространение высокомоментные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Их достоинства, заключающиеся в хороших регулировочных свойствах, умеренных габаритных размерах, высокой постоянной времени нагрева, быстродействии и невысокой сложности питающего преобразователя, обеспечили применение их в станках всех технологических групп, выпускаемых во всем мире. Основным недостатком высокомоментных двигателей является наличие трущегося токосъемного щеточно-коллекторного узла, 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 осмотров и ремонтов. Кроме того, щеточно-коллекторный узел не позволяет полностью автоматизировать производство электродвигателей постоянного тока и ограничивает их выпуск. В силу всех этих факторов в последнее время всеми ведущими электротехническими фирмами форсированно ведутся работы по созданию широкорегулируемых станочных электроприводов с двигателями переменного тока. Отсутствие трущихся электромеханических токоведущих узлов позволя­ет устанавливать эти двигатели в условиях любой окружающей среды, повысить их надежность и полностью удовлетворить потребности промышленности вследствие возможности полной автоматизации их производства.

Бесколлекторные двигатели требуют минимального обслуживания, что позволяет их устанавливать на станки, работающие в гибких производственных системах. Исполнение этих двигателей в бескорпусном варианте с шихтованной станиной и «холодным» ротором (без обмотки) позволяет снизить их габаритные размеры и уменьшить передачу тепла от электродвигателя на станок.

Разработка бесколлекторных (бесщеточных) двигателей ведется в двух направлениях – создание специальных синхронных и асинхронных электродвигателей. Синхронным, или вентильным, электродвигателям свойственны все регулировочные достоинства электродвигателей постоянного тока. В бесщеточных двигателях коллектор заменен бесконтактным коммутатором на транзисторах или тиристорах. Двигатель оснащен бесколлекторным тахогенератором и простым датчиком угла поворота для коммутации тока в обмотках статора в зависимости от числа полюсов и геометрического положения ротора. Регулирование скорости вентильных двигателей осуществляется изменением напряжения на статоре, так же как в двигателях постоянного тока. Вследствие этого преобразователи, питающие вентильные двигатели, достаточно просты и надежны.

Асинхронные электродвигатели для широкорегулируемых приводов подач могут строиться на базе общепромышленных асинхронных электродвигателей, однако в этом случае заведомо снижаются массогабаритные и регулировочные показатели двигателей. Однако даже при применении двигателей общего назначения требуется установка на валу двигателя точного датчика угла пово­рота для обеспечения частотно-токового регулирования и принудительной вентиляции для отвода тепла при глубоком регулировании скорости и низкой частоте тока в статоре. Система регулирования скорости асинхронного двигателя сложнее системы регулирования синхронного двигателя, так как для асинхронных двигателей требуется регулирование и напряжения, и частоты тока в статоре по определенному закону.

Функциональная схема электропривода подчиненного регулирования с управлением по якорю приведена на рис. 5.1.

 

 

Рис. 6.1. Функциональная схема электропривода подчиненного

регулирования с управлением по якорю

 

Данная схема построена по принципу подчиненного регулирования. Регулятор внешнего контура – регулятор скорости, внутреннего регулятор тока. Контур регулирования тока предназначен для ограничения тока якоря при перегрузках и используется как дополнительное средство коррекции внешнего контура регулирования скорости. Контур регулирования скорости предназначен для регулирования и поддержания скорости с заданными показателями, совместно с заданием интенсивности, формирования пуско-тормозных режимов (прямоугольная диаграмма тока якоря).

Функциональная схема системы «источник тока – двигатель» приведена на
рис. 5.2.

 

Рис. 5.2. Функциональная схема системы «источник тока – двигатель»

 

Данная схема содержит три контура: контур регулирования тока якоря, предназначенный для ограничения тока якоря в переходных режимах (колебания напряжения питания преобразователя, изменение скорости вращения и нагрузки) и стабилизации теплового режима работы двигателя; контур регулирования тока возбуждения, предназначенный для ограничения тока возбуждения и момента двигателя и коррекции внешнего контура скорости; контур регулирования скорости, предназначенный для стабилизации скорости на задание рабочего цикла, формирования процессов пуска торможения, длительности включения, торможения.

Функциональная схема системы двузонного регулирования приведена на
рис. 5.3. Система состоит из четырёх контуров регулирования: контура регулирования тока возбуждения, предназначенного для ограничения тока возбуждения и коррекции внешнего контура регулирования напряжения; контур регулирования напряжения, предназначенный для ограничения напряжения при работе во второй зоне; контур регулирования тока якоря, предназначенный для ограничения тока при перегрузках и коррекции контура регулирования скорости; контур регулирования скорости, предназначенный для стабилизации скорости на заданном уровне, формирования процессов пуска и торможения.

Предельные механические характеристики двигателей при различных системах управления приведены на рис. 5.4.

На данном рисунке величина w_max1 в системе подчиненного регулирования с управлением по якорю определяется запасом по ЭДС преобразователя Еп. Максимальный момент для этой системы М_max1, Н·м,

,

где Ф_раб – рабочий поток двигателя;

I_max – максимально допустимый по техническим условиям или условиям нагрузки ток двигателя.

 

 

Рис. 5.3. Функциональная схема системы двузонного регулирования

 

Рис. 5.4. Предельные механические характеристики при различных системах управления: 1 – схема подчиненного регулирования с управлением по якорю; 2 – система «источник тока – двигатель»; 3 – система двузонного регулирования

 

Максимальная скорость вращения w_max2 в системе «источник тока – двигатель» характеризуется паспортными данными двигателя, а максимальный момент

.

В качестве примера смоделирована модель металлорежущего станка с видом обработки – фрезерование плоскости, направление подачи – поперечное.