Тенденции развития автоматизированного электропривода станков и промышленных роботов

В настоящее время существуют устойчивые тенденции развития электропривода, которые отражают как общие направле­ния развития электротехники и электроники, так и особенности развития станкостроения. Рассмотрим наиболее характерные тен­денции развития автоматизированного электропривода.

I. Приближение источника движения к исполнительному ор­гану (рис. В.2). Эта тенденция и в приводе подачи станка и в при­воде главного движения приводит к упрощению конструкции механической части привода, увеличению ее жесткости, улучшению динамических качеств и повышению кинематической точности промежуточных передач.

В приводе подач механические передачи сведены к минимуму и часто вал двигателя непосредственно может быть соединен с ходовым винтом, который является единственным механическим устройством преобразования вращательного движения в поступа­тельное. Применение линейных двигателей позволяет устранить и этот рудиментарный элемент и приложить электромеханические усилия к поступательно движущемуся узлу станка.

Аналогичные тенденции наблюдаются и в приводе главного движения. Однако полное исключение механических передач огра­ничивается малым диапазоном регулирования электропривода с постоянной мощностью.

Исключение механических передач (коробок скоростей и коро­бок подач станков) возможно только при широком диапазоне регулирования скорости.

Механические передачи задерживают и существенно сглажи­вают низкие частоты, возникающие в приводе, поэтому редуктор с небольшим передаточным отношением по этой причине может быть полезным. В приводе роботов редуктор сохраняется, посколь­ку исключение механических передач и применение тихоходных двигателей, как правило, увеличивает его размеры и массу. В элек­тромеханических ПР двигатель и редуктор встраивают в сочлене­ние звеньев.

Важное значение имеет разработка электромагнитных механиз­мов для вспомогательных движений в станках. Функциональные, фиксирующие и другие движения могут быть осуществлены путем использования прямоходовых или поворотных электромагнитов с соответствующей системой управления.

II. Использование специальных более совершенных исполни­тельных двигателей. Доля специальных двигателей, предназна­ченных для станков и ПР, непрерывно увеличивается. Для станков необходимы двигатели, способные обеспечить необходимые стати­ческие и динамические характеристики на всем диапазоне регули­рования скорости, который достигает десятков тысяч. Двигатели для станков не должны быть энергонасыщены во избежание пере­дачи на станок тепловых и механических возмущений.

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

В приводе подачи высокоавтоматизированных станков и ПР применяют двигатели следующих типов:

1. Двигатели постоянного тока традиционного исполнения с улучшенными статическими и динамическими характеристиками, имеющими уменьшенный момент инерция якоря, повышенную перегрузочную способность и улучшенную коммутацию.

2. Малоинерционные двигатели постоянного тока, в которых рекордное быстродействие обеспечивается за счет продольного снижения момента инерции якоря. Наиболее распространены дви­гатели с дисковым якорем, имеющим печатную или штампованную обмотку, и двигатели с гладким цилиндрическим якорем, у которых длина больше диаметра. Во всех случаях такие якоря обладают малой массой, что уменьшает постоянную времени нагрева и исключает длительную работу машины с моментом нагрузки, пре­вышающим номинальный. Малоинерционные двигатели, так же как и двигатели традиционного исполнения, соединяют с ходовым винтом станка через промежуточную механическую передачу.

3. Высокомоментные двигатели — это тихоходные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Массив­ный якорь обеспечивает термическую инерционность и как след­ствие, возможность длительно работать с большим перегрузочным моментом (такие двигатели допускают 6—10-кратную перегрузку по моменту). Особенностью этих двигателей является возможность приводить в движение ходовой винт станка, минуя промежуточные механические передачи.

Электропривод подачи с высокомоментными двигателями обе­спечивает диапазон регулирования скорости порядка нескольких тысяч.

Использование постоянных магнитов обеспечивает постоянство магнитного потока в динамических режимах и высокий динамиче­ский момент. Высокомоментные двигатели не имеют потерь в цепи возбуждения и по размерам меньше, чем аналогичные двигатели с электромагнитным возбуждением. Однако отсутствие дополни­тельных полюсов приводит к коммутационным ограничениям по нагрузке и скорости, что заставляет применять зависимое токоограничение, при котором допустимая нагрузка уменьшается по мере возрастания скорости.

4. Дальнейшим развитием конструкции машин постоянного тока являются бесконтактные двигатели, представляющие собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов и инвертором, управляемым специальным датчиком в зависимости от угла поворота ротора. В бесконтактных двигателях устранен коллекторно-щеточный узел, что повышает срок службы двигателя и снимает коммутационные ограничения по моменту и скорости.

5. Линейные электродвигатели в станкостроении применяют редко. В большинстве случаев их рабочие характеристики (тяговая сила и линейная скорость) не соответствуют требованиям техноло­гического процесса. Исключение составляют малые станки и ПР. Основное применение линейные двигатели должны найти в электро­приводе вспомогательных перемещений.

6. Область применения дискретных (шаговых) двигателей постепенно сужается. В настоящее время шаговые двигатели в приводе подачи станков с ЧПУ применяют редко. Вместе с тем на современных станках есть немало видов движений, которые удобно осуществлять с помощью шаговых двигателей (малые периодиче­ские дозируемые подачи в станках шлифовальной группы, движе­ния, связанные с компенсацией износа инструмента, точные угловые перемещения и др.).

7. В настоящее время регулируемый электропривод на основе асинхронного двигателя базируется на серийных двигателях. В дальнейшем станкостроению обязательно потребуется двигатель, предназначенный для работы в широком диапазоне изменения скорости и оснащенный вспомогательными устройствами и датчи­ками обратной связи.

В приводе главного движения станка основное значение имеет нерегулируемый асинхронный короткозамкнутый двигатель. Зна­чительную роль играют двигатели постоянного тока с электромаг­нитным возбуждением в регулируемом электроприводе с двухзонным управлением. Здесь также необходимы электродвигатели с расширенным диапазоном регулирования изменением магнитного потока, что позволит полностью отказаться от механического регу­лирования скорости при постоянной мощности и значительно упростить конструкцию станка.

III. Совершенствование полупроводниковой элементной базы. Совершенствование электропривода тесно связано с развитием полупроводниковой техники, являющейся базой для создания силовых преобразователей и схем управления. Происходит непре­рывное улучшение технических характеристик тиристоров, кото­рые являются основным силовым элементом электропривода, но обладают ограниченным управлением. Создаются более перспектив­ные, полностью управляемые транзисторные силовые преобразова­тели. Непрерывное повышение степени интеграции полупроводнико­вых устройств выражается в создании силовых полупроводниковых модулей, что позволяет повысить надежность преобразователя, уменьшить его размеры и упростить монтаж. Важным направле­нием развития элементной базы является создание специализиро­ванных интегральных схем для системы управления приводом. Такие схемы включают в себя устройства управления силовыми тиристорами, регуляторы привода, блоки токоограничения и др.

IV. Расширение функциональных свойств электропривода. Функции, которые выполняет электропривод, непрерывно расши­ряются. Если раньше электропривод считался источником равно­мерного движения, а все сложные взаимосвязанные перемещения формообразования выполнялись механизмом станка, то в настоя­щее время положение резко изменилось.

В современных станках редко применяют мальтийские кресты, неполные зубчатые колеса и другие сложные механизмы для движений с остановками и точным позиционированием, так как их функции выполняет электропривод. При этом гибкая система управления обеспечивает оптимальные значения ускорений в электромеханической системе станка при необходимой точности позиционирования.

Электропривод все в большей степени контролирует и ограни­чивает нагрузки в элементах конструкции станка, что позволяет предотвратить его аварию, контролировать поломку инструмента, уровень силового воздействия в зажимных устройствах и др.

Повышение быстродействия и точности электропривода приво­дит к тому, что все большее число сложных взаимосвязанных дви­жений деталей и инструмента осуществляется только с помощью электропривода. Наиболее распространенной является функцио­нальная связь нескольких приводов подачи. Такие связи следящих приводов широко используют в станках с ЧПУ. Более сложные функциональные зависимости осуществляют для связи привода главного движения и подачи. В этом случае привод подачи должен обладать превосходными динамическими характеристиками.

Задача обеспечения взаимосвязанных движений с помощью электропривода решена не полностью. Здесь необходимо учесть высокую точность обработки деталей, которая характеризуется относительной погрешностью 10^-4... 10^-6, что накладывает соот­ветствующие требования на точность воспроизведения электропри­водом управляющих движений. Кроме того, для получения качест­венного изделия необходимо обеспечить инвариантность привода к многочисленным возмущениям, сопутствующим технологиче­скому процессу. Механические кинематические цепи обладают несомненным преимуществом — высокой динамической жест­костью, и системы электропривода уступают им в этом отношении. Дальнейшее развитие принципа инвариантности, создание приво­дов с комбинированным управлением, несомненно позволят ликви­дировать этот недостаток.

Важным направлением является адаптивное управление, по­вышающее производительность и точность обработки. В системах адаптивного управления обычно стабилизируют один из параметров технологического процесса, например силовой фактор (силу, момент или мощность резания). При этом скорость привода подачи регулируется так, чтобы поддерживать заданный режим работы главного привода. В более сложных системах управления изме­няют одновременно скорости главного привода и привода подачи. При этом достигается максимум некоторого показателя эффектив­ности с учетом ограничений по стойкости инструмента, жесткости конструкции станка и др.

V. Увеличение объема информации, поступающей в систему электропривода. Совершенствование систем автоматизирован­ного электропривода связано с непрерывным увеличением объема перерабатываемой информации. Информационные устройства (дат­чики) в системе электропривода можно разбить на несколько групп. Наибольшее значение имеют датчики параметров движения: ско­рости и перемещений или угла поворота вала. В системах адаптив­ного управления необходимо обрабатывать информацию о ско­рости резания, подаче, перемещениях и деформациях элементов станка, силах резания. Иепользуетея также информация, характеризующая режим работы системы электропривода: напряжение сети, ток двигателя и нагрев обмоток. Специфика метрологического обеспечения электропривода связана с огромным диапазоном регу­лирования скорости. Датчики параметров движения (пути и ско­рости) имеют лучшие метрологические характеристики в верхней части этого диапазона, на которой осуществляются малоточные вспомогательные перемещения. Рабочие подачи относят к нижней части диапазона регулирования скорости, но здесь точностные параметры датчиков значительно хуже.

Таким образом, дальнейшее совершенствование электропри­вода тесно связано с проблемой создания датчиков обратной связи, имеющих одинаковые метрологические характеристики на всем диапазоне регулирования скорости.

VI. Развитие систем цифрового и микропроцессорного управ­ления электроприводом. Развитие систем ЧПУ, проникновение микропроцессорной техники в область управления станками оказывают большое влияние на структуру и технические средства электропривода. Возникает несоответствие между цифровой систе­мой управления станком и аналоговой формой управления в систе­ме электропривода, которое усугубляется наличием импульсного элемента, каковым является тиристорный силовой преобразова­тель. В результате информация многократно преобразуется из аналоговой формы в цифровую и обратно, что приводит к неизбеж­ным искажениям сигналов и потери точности в системе управ­ления.

Поэтому вполне естественно появление цифрового электропри­вода, полностью информационно согласованного с системой управ­ления станком. Такой привод может быть осуществлен только на микропроцессорной основе. Электропривод с микропроцессорным управлением характеризуется повышенной точностью, отсутствием дрейфа нуля усилителей, гибкостью системы управления, универ­сальностью и простотой сопряжения с управляющей ЭВМ, высокой надежностью и возможностью диагностики.

Однако на пути создания цифровых электроприводов возни­кают трудности, связанные с недостаточным быстродействием микропроцессоров. Преодолеть их можно как путем использования более быстродействующих устройств, так и путем перехода на многопроцессорные системы с параллельной обработкой информа­ции. Применение микропроцессоров позволяет создать новые системы управления электроприводом станков. Это сложные систе­мы управления электроприводом, аппаратная реализация которых затруднена из-за большого числа элементов и громоздкости алго­ритма управления.

Огромные возможности открываются перед микропроцессорами при создании самонастраивающихся и оптимальных систем управ­ления станочным электрооборудованием, в электроприводе с мо­делью, электроприводе с переменной структурой и т. п. современ­ных системах управления.

VII. Комплектные системы электропривода. Современный электропривод станков и ПР выполняется в виде комплекта элек­трооборудования. Тенденция комплектной поставки (продажи) электрооборудования развивается в двух направлениях.

Во-первых, увеличивается число электроприводов (осей), вклю­чаемых в комплект. Вполне естественно, что в комплект входят привод главного движения и все приводы подачи, обеспечивающие многокоординатное перемещение. Подобный подход имеет большие организационные и эксплуатационные преимущества.

Во-вторых, увеличивается объем комплекта. Идеи комплектной поставки, с одной стороны, распространяются на все большую часть электромеханической системы привода. Появляются электро­механизмы, которые включают в себя электродвигатель, редуктор, соединительную муфту и ходовой винт, т. е. по существу все электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в энергию механического поступательного перемещения. С другой стороны, происходит интеграция системы управления электроприводом с системой управления технологическим процес­сом обработки и в комплект электрооборудования включаются многие узлы, предназначенные для этой цели.

Развитие программируемых средств управления позволяет надеяться, что со временем оба эти направления сольются в единый комплект, включающий все энергетические и информационные элементы электрооборудования.

Дата добавления: 2014-01-07