Elektrische Antriebe für CNC-Maschinen

Moderne multifunktionale Zerspanungsmaschinen und Industrieroboter sind mit mehrmotorigen Elektroantrieben ausgestattet, die Führungsorgane entlang mehrerer Koordinatenachsen bewegen (Abb. 1).

Die Steuerung des Betriebs einer CNC-Maschine erfolgt über Standardsysteme, die Befehle gemäß einem in digitaler Form definierten Programm generieren. Die Entwicklung von Hochleistungs-Mikrocontrollern und Single-Chip-Mikrocomputern, die den programmierbaren CPU-Kern bilden, ermöglichte mit ihrer Hilfe die automatische Durchführung vieler geometrischer und technologischer Operationen sowie die direkte digitale Steuerung des elektrischen Antriebssystems und Elektroautomation.

Reis. 1. Antriebssystem der CNC-Fräsmaschine

Arten elektrischer Antriebe für CNC-Maschinen und Anforderungen an diese

Der Prozess des Metallschneidens erfolgt durch gegenseitige Bewegung des zu bearbeitenden Teils und der Klinge des Schneidwerkzeugs.Elektrische Antriebe sind Teil von Metallschneidemaschinen, die dazu bestimmt sind, Metallbearbeitungsprozesse über ein CNC-System durchzuführen und zu regeln.

In der Bearbeitung ist es üblich, die Hauptbewegungen, die für kontrollierte Schneidvorgänge bei der gegenseitigen Bewegung von Werkzeug und Werkstück sorgen, sowie Hilfsbewegungen, die den automatischen Betrieb der Anlage erleichtern (Anfahren und Zurückziehen von Überwachungswerkzeugen, Werkzeugwechsel usw.), zu trennen usw.).

Zu den wichtigsten gehören die Hauptschnittbewegung, die die höchste Geschwindigkeit und Leistung aufweist und die erforderliche Schnittkraft liefert, sowie die Vorschubbewegung, die erforderlich ist, um den Arbeitskörper mit einer bestimmten Geschwindigkeit entlang einer räumlichen Flugbahn zu bewegen. Um die Oberfläche des Produkts mit einer bestimmten Form zu erhalten, weisen die Arbeitskörper der Maschine das Werkstück und das Werkzeug an, sich mit einer festgelegten Geschwindigkeit und Kraft auf der gewünschten Bahn zu bewegen. Elektrische Antriebe verleihen den Arbeitskörpern Rotations- und Translationsbewegungen, deren Kombinationen durch die kinematische Struktur der Maschinen für die notwendigen gegenseitigen Verschiebungen sorgen.

Der Zweck und die Art der Metallbearbeitungsmaschine hängen weitgehend von der Form des hergestellten Teils (Körper, Welle, Scheibe) ab. Die Fähigkeit einer Multifunktionsmaschine, die bei der Bearbeitung erforderlichen Werkzeug- und Werkstückbewegungen zu erzeugen, wird durch die Anzahl der Koordinatenachsen und damit durch die Anzahl der miteinander verbundenen elektrischen Antriebe sowie den Aufbau der Steuerung bestimmt.

Derzeit werden Antriebe überwiegend auf Basis zuverlässiger Antriebe durchgeführt Wechselstrommotoren mit Frequenzregelungdurchgeführt von digitalen Regulierungsbehörden.Mit typischen Industriemodulen werden unterschiedliche Arten elektrischer Antriebe realisiert (Abb. 2).

Reis. 2. Typisches Funktionsdiagramm eines Elektroantriebs

Die Mindestzusammensetzung der elektrischen Antriebsblöcke besteht aus folgenden Funktionsblöcken:

• Executive-Elektromotor (ED);

• Frequenzumrichter (HRC), der die elektrische Leistung des Industrienetzes in eine dreiphasige Motorversorgungsspannung mit der erforderlichen Amplitude und Frequenz umwandelt;

• ein Mikrocontroller (MC), der die Funktionen einer Steuereinheit (CU) und eines Taskgenerators (FZ) übernimmt.

Die Industrieeinheit des Leistungsfrequenzumrichters enthält einen Gleichrichter und einen Leistungswandler, die eine sinusförmige Spannung mit den erforderlichen Parametern erzeugen, die durch die Signale des Steuergeräts unter Verwendung der Mikroprozessorsteuerung des Ausgangs-PWM-Schalters bestimmt werden.

Der Algorithmus zur Steuerung des Betriebs des Elektroantriebs wird vom Mikrocontroller implementiert, indem er Befehle generiert, die als Ergebnis des Vergleichs der Signale des Aufgabengenerators und der vom Informationsverarbeitungskomplex (IVC) empfangenen Daten auf der Grundlage der Verarbeitung und Analyse von erhalten werden Signale aus einem Satz von Sensoren.

Der Antrieb der elektrischen Antriebsmaschine besteht in den meisten Anwendungen aus einem Induktionselektromotor mit Käfigläuferwicklung und einem Getriebe zur mechanischen Übertragung der Drehung auf die Maschinenspindel. Das Getriebe ist häufig als Getriebe mit elektromechanischer Fernschaltung ausgeführt.Der elektrische Antrieb des Hauptwerks sorgt bei einer bestimmten Drehzahl für die nötige Schnittkraft, daher dient die Drehzahlregelung der Aufrechterhaltung einer konstanten Leistung.

Der notwendige Bereich der Drehzahlregelung hängt von den Durchmessern der verarbeiteten Produkte, deren Materialien und vielen anderen Faktoren ab. In modernen automatisierten CNC-Maschinen übernimmt der Hauptantrieb komplexe Funktionen im Zusammenhang mit dem Gewindeschneiden, der Bearbeitung von Teilen mit unterschiedlichen Durchmessern und vielem mehr. Dies führt dazu, dass ein sehr großer Bereich der Geschwindigkeitsregelung sowie der Einsatz eines reversierbaren Antriebs erforderlich sind. Bei Multifunktionsmaschinen kann der erforderliche Drehzahlbereich Tausende oder mehr betragen.

Auch bei Feedern sind sehr große Geschwindigkeitsbereiche erforderlich. Beim Konturfräsen sollte man also theoretisch über einen unendlichen Geschwindigkeitsbereich verfügen, da der Minimalwert an manchen Stellen gegen Null tendiert. Oftmals erfolgt die schnelle Bewegung der Arbeitskörper im Bearbeitungsbereich auch über einen Vorschub, was den Bereich der Geschwindigkeitsänderung stark vergrößert und die Antriebssteuerung erschwert.

In Einspeisungen kommen Synchronmotoren und berührungslose Gleichstrommotoren zum Einsatz, teilweise auch Asynchronmotoren. Für sie gelten folgende Grundvoraussetzungen:

• breites Spektrum an Geschwindigkeitsregulierung;

• hohe Höchstgeschwindigkeit;

• hohe Überlastfähigkeit;

• hohe Leistung beim Beschleunigen und Abbremsen im Positionierbetrieb;

• hohe Positionierungsgenauigkeit.

Die Stabilität der Antriebseigenschaften muss bei Lastschwankungen, Änderungen der Umgebungstemperatur, der Versorgungsspannung und vielen anderen Gründen gewährleistet sein. Dies wird durch die Entwicklung eines rationalen adaptiven automatischen Steuerungssystems erleichtert.

Mechanischer Teil des Antriebs der Maschine

Der mechanische Teil des Antriebs kann eine komplexe kinematische Struktur sein, die aus vielen Teilen besteht, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen. Üblicherweise werden folgende Elemente unterschieden:

• Rotor eines Elektromotors, der ein Drehmoment erzeugt (drehend oder bremsend);

• mechanisches Getriebe, t, s. ein System, das die Art der Bewegung (rotatorisch, translatorisch) bestimmt und die Bewegungsgeschwindigkeit ändert (Reduzierer);

• ein arbeitender Körper, der die Energie der Bewegung in nützliche Arbeit umwandelt.

Asynchroner Antrieb zur Nachführung der Hauptbewegung der Metallschneidemaschine

Der moderne verstellbare elektrische Antrieb der Hauptbewegung von CNC-Metallbearbeitungsmaschinen basiert hauptsächlich auf Asynchronmotoren mit Käfigläuferwicklung, was durch viele Faktoren erleichtert wurde, darunter die Verbesserung der elementaren Informationsbasis und Leistungselektronik.

Die Regelung der Modi von Wechselstrommotoren erfolgt durch Änderung der Frequenz der Versorgungsspannung mithilfe eines Stromrichters, der neben der Frequenzregelung auch andere Parameter verändert.

Die Eigenschaften des nachführenden Elektroantriebs hängen weitgehend von der Effizienz des eingebauten ACS ab.Der Einsatz von Hochleistungs-Mikrocontrollern bietet vielfältige Möglichkeiten für die Organisation elektrischer Antriebssteuerungssysteme.

Reis. 3. Typische Steuerungsstruktur des Induktionsmotors mit einem Frequenzumrichter

Der Antriebsregler generiert Zahlenfolgen für den Leistungsschalter, der den Betrieb des Elektromotors regelt. Der Automatisierungscontroller sorgt für die notwendigen Eigenschaften im Start- und Stoppmodus sowie für die automatische Anpassung und den Schutz der Geräte.

Der Hardwareteil des Computersystems enthält außerdem: - Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler zur Eingabe von Signalen von Sensoren und zur Steuerung ihres Betriebs;

• Ein- und Ausgabemodule für analoge und digitale Signale, ausgestattet mit Schnittstellengeräten und Kabelanschlüssen;

• Schnittstellenblöcke, die die interne Datenübertragung zwischen Modulen und die Kommunikation mit externen Geräten durchführen.

Eine Vielzahl von vom Entwickler eingeführten Einstellungen des Frequenzumrichters unter Berücksichtigung der detaillierten Daten eines bestimmten Elektromotors sorgen für bestimmte Steuerungsverfahren, darunter:

• mehrstufige Geschwindigkeitsregulierung,

• obere und untere Frequenzgrenze,

• Drehmomentgrenze,

• Bremsen durch Einspeisen von Gleichstrom in eine der Motorphasen,

• Überlastschutz, bei Überlastung und Überhitzung jedoch Energiesparmodus.

Antrieb auf Basis berührungsloser Gleichstrommotoren

Werkzeugmaschinenantriebe stellen hohe Anforderungen an den Bereich der Geschwindigkeitsregelung, die Linearität der Regeleigenschaften und die Geschwindigkeit, da sie die Genauigkeit der relativen Positionierung des Werkzeugs und des Teils sowie die Geschwindigkeit ihrer Bewegung bestimmen.

Leistungsantriebe wurden hauptsächlich auf der Basis von Gleichstrommotoren realisiert, die über die erforderlichen Steuereigenschaften verfügten. Gleichzeitig war das Vorhandensein eines mechanischen Bürstenkollektors jedoch mit geringer Zuverlässigkeit, Wartungsaufwand und einem hohen Maß an elektromagnetischen Störungen verbunden.

Die Entwicklung der Leistungselektronik und der digitalen Computertechnologien trugen dazu bei, elektrische Antriebe durch kontaktlose Gleichstrommotoren zu ersetzen, was eine Verbesserung der Energieeigenschaften und eine Erhöhung der Zuverlässigkeit von Werkzeugmaschinen ermöglichte. Allerdings sind kontaktlose Motoren aufgrund der Komplexität des Steuerungssystems relativ teuer.

Das Funktionsprinzip eines bürstenlosen Motors ist jedoch eine elektrische Gleichstrommaschine mit einer magnetoelektrischen Induktivität am Rotor und Ankerwicklungen am Stator. Die Anzahl der Statorwicklungen und die Anzahl der Pole der Rotormagnete werden abhängig von den erforderlichen Eigenschaften des Motors ausgewählt. Eine Erhöhung trägt zur Verbesserung von Fahrverhalten und Handling bei, führt jedoch zu einem komplexeren Motordesign.

Beim Antrieb von Zerspanungsmaschinen kommt überwiegend ein Aufbau mit drei Ankerwicklungen in Form mehrerer verbundener Abschnitte und ein Erregersystem aus Permanentmagneten mit mehreren Polpaaren zum Einsatz (Abb. 4).

Reis. 4. Funktionsdiagramm eines kontaktlosen Gleichstrommotors

Das Drehmoment entsteht durch die Wechselwirkung der magnetischen Flüsse, die durch die Ströme in den Statorwicklungen und den Permanentmagneten des Rotors erzeugt werden. Die konstante Richtung des elektromagnetischen Moments wird durch geeignete Kommutierung der Statorwicklungen mit Gleichstrom gewährleistet. Die Reihenfolge der Verbindung der Statorwicklungen mit der Quelle U erfolgt mittels Leistungshalbleiterschaltern, die unter Einwirkung von Signalen vom Impulsverteiler geschaltet werden, wenn Spannung von den Rotorpositionssensoren zugeführt wird.

Bei der Aufgabe, die Betriebsarten des elektrischen Antriebs berührungsloser Gleichstrommotoren zu regeln, werden folgende Zusammenhänge unterschieden:

• Entwicklung von Algorithmen, Methoden und Mitteln zur Steuerung eines elektromechanischen Wandlers durch Beeinflussung der zur Messung verfügbaren physikalischen Größen;

• Erstellen eines automatischen Antriebssteuerungssystems unter Verwendung der Theorie und Methoden der automatischen Steuerung.

Elektrohydraulischer Antrieb auf Basis eines Schrittmotors

In modernen Werkzeugmaschinen sind elektrohydraulische Gelenkantriebe (EGD) weit verbreitet, bei denen diskrete elektrische Signale von einem elektronischen CNC-System durch synchrone Elektromotoren in Wellendrehung umgewandelt werden. Das unter Einwirkung der Signale des Antriebsreglers (CP) des CNC-Systems vom Elektromotor (EM) entwickelte Drehmoment ist der Eingangswert für den hydraulischen Verstärker, der über das mechanische Getriebe (MP) mit dem Führungsorgan (IO) verbunden ist. der Werkzeugmaschine (Abb. 5).

Reis. 5. Funktionsschema des elektrohydraulischen Antriebs

Die gesteuerte Drehung des Rotors des Elektromotors mittels der Eingangstransformation (VP) und des Hydraulikventils (GR) bewirkt die Drehung der Welle des Hydraulikmotors (GM). Um die Parameter des hydraulischen Verstärkers zu stabilisieren, wird üblicherweise eine interne Rückkopplung verwendet.

In den elektrischen Antrieben von Mechanismen mit Start-Stopp-Bewegungscharakter oder kontinuierlicher Bewegung haben Schrittmotoren (SM) Anwendung gefunden, die zu den Synchron-Elektromotoren zählen. Impulserregte Schrittmotoren eignen sich am besten für die direkte digitale Steuerung in der CNC-Steuerung.

Die intermittierende (schrittweise) Bewegung des Rotors um einen bestimmten Drehwinkel für jeden Impuls ermöglicht eine ausreichend hohe Positionierungsgenauigkeit mit einem sehr großen Bereich der Geschwindigkeitsschwankung von nahezu Null.

Wenn Sie einen Schrittmotor in einem elektrischen Antrieb verwenden, wird dieser von einem Gerät gesteuert, das eine Logiksteuerung und einen Schalter enthält (Abb. 6).

Reis. 6. Schrittmotor-Steuergerät

Unter der Wirkung des n-Kanal-Auswahl-Steuerbefehls generiert die CNC-Antriebssteuerung digitale Signale zur Steuerung des Leistungstransistorschalters, der in der erforderlichen Reihenfolge die Gleichspannung an die Statorwicklungen anschließt. Um in einem Schritt kleine Werte der Winkelverschiebung α = π / p zu erhalten, wird ein Permanentmagnet mit einer großen Polpaarzahl p auf dem Rotor angebracht.