CC BY
82УДК 681.5
О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, А.В. Агеенко, В.А. Хандожко
МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРИВОДОВ ПОДАЧ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА СЕРИИ CSD
Предложен способ модернизации приводов подач токарных станков с ЧПУ. Проведен сравнительный анализ электропривода постоянного тока и вентильного электропривода. Предложена функциональная схема системы управления приводами подач токарно-револьверного станка с ЧПУ модели 1В340Ф30.
Ключевые слова: электродвигатель, электропривод постоянного тока, вентильный электропривод, токарный станок с ЧПУ, модернизация.
Анализ станочного парка предприятий Российской Федерации показывает, что большинство токарных станков с числовым программным управлением (ЧПУ) - это станки 80-х гг. выпуска, имеющие как физический, так и моральный износ, снижающий их точность. Кроме того, в процессе эксплуатации токарного станка с ЧПУ происходит изменение его состояния и, как результат, частичная потеря его точности [1, 6].
Если физический износ механической части можно устранить проведением капитального ремонта, включающего восстановление направляющих, замену деталей шпиндельного узла, ходовой части приводов и т.д., то моральный и физический износ систем управления можно устранить только модернизацией, включающей замену системы управления приводами подач [7].
В качестве системы управления приводами подач в токарных станках с ЧПУ использовался следящий электропривод на базе коллекторного двигателя постоянного тока (ДПТ). Например, на токарно-револьверном станке с ЧПУ модели 1В340Ф30 установлен следящий тиристорный электропривод типа ТКР [4]. В состав данного электропривода входят электродвигатель серии РЕ 4-К7712 и система управления этим электродвигателем типа ZSO, состоящая из тиристорного преобразователя, блока контактной аппаратуры управления, защиты и сигнализации, силового трансформатора, уравнительных дросселей. Структурная схема электропривода представлена на рис. 1.
Техническая характеристика электродвигателя РЕ 4-К7712:
Номинальный момент, Н-м...............................................................................10
Номинальный ток, А.....................................................................................15,7
Номинальное напряжение, В...........................................................................133
Максимальный момент при заторможенном вале, Н-м.......................................116,62
Максимальный динамический ток электродвигателя
при скорости вращения, близкой к нулю, А.........................................................125
Номинальная частота вращения, об/мин.............................................................600
Максимальная частота вращения, об/мин..........................................................1500
Момент инерции, кг-м2..............................................................................0,0214
Масса двигателя, кг.........................................................................................27
Преобразователь выполнен по одноконтурной схеме с регулятором. Предусмотрены нелинейное токоограничение, ограничение максимальной величины тока якоря, защита от пропадания фаз силового питающего напряжения.
Высокомоментный ДПТ соединен с ходовым винтом через ременную передачу с передаточным отношением 1 и соединительную муфту. Шаг ходового винта привода продольных подач - 10 мм, а привода поперечных подач - 5 мм.
Рис. 1. Структурная схема следящего электропривода типа ТОТ: РС - регулятор скорости; ИНВ - инвертор; К1, К2 - ключи; СИФУ - система импульсно-фазового управления; БНТО - блок нелинейного токоограничения; УТ - усилитель тока; Sh -шунт; РВТ - регулятор максимальной величины тока; БЗ - блок защиты; ТП - тиристорный преобразователь; ТР - силовой трансформатор; L - уравнительный дроссель; Я -электродвигатель; ТГ - тахогенератор
2=30
Движение от ходового винта передается на продольный и поперечный суппорты через шарико-винтовую передачу (ШВП) (рис. 2). С ШВП через муфту соединен датчик положения (ДП). В качестве ДП используется оптический инкрементный датчик ЛИР158А [5], преобразующий угловое перемещение винта в последовательность импульсов. Импульсы передаются в устройство ЧПУ модели КС201М.
Частота вращения якоря ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов регулируется изменением напряжения питания. Для регулирования величины напряжения питания изменяют длительность проводящего состояния тиристора путем изменения фазового угла открывания тиристора [2]. Эту задачу решает СИФУ (рис. 1).
Преимущество использования коллекторного ДПТ - создание высокого момента на валу электродвигателя. Также в качестве преимуществ необходимо отметить достаточно высокую жесткость электромеханической характеристики ДПТ (рис. 3) и, как следствие, достаточно высокую стабильность скорости.
тттттггнттттттггт
М, Нм
К недостаткам коллекторного ДПТ относятся:
1. Нестабильность параметров двигателя, вызванная изменением состояния ще-точно-коллекторного контакта.
2. Невысокая надежность и ресурс. В среднем 25% отказов у коллекторных ДПТ происходит из-за выхода из строя щеточно-коллекторного узла.
3. Возможность искрения на коллекторе [2].
Как видно, все недостатки использования ДПТ связаны с наличием коллектора.
Исключение указанных недостатков возможно путем замены электроприводов на базе ДПТ следящими вентильными электроприводами.
В состав вентильного следящего электропривода входят преобразователь и вентильный электродвигатель (ВД). В ВД отсутствует механический коллектор, его функции выполняет полупроводниковый инвертор, а функцию щеток - датчик положения ротора. Функциональная схема ВД представлена на рис. 4.
В ВД ротор должен вращаться син-
0
п, об/мин
Рис. 3. Зависимость момента от частоты вращения ДПТ
И ЭМ
Ип Иф
и
Л
СУ ДПР
ф
М,п
Рис. 4. Функциональная схема ВД: И - инвертор; ЭМ - электромеханическая машина; СУ - система управления; ДПР - датчик положения ротора; ип - питающее напряжение; и - напряжение СИФУ; иу - управляющее напряжение; М - момент на валу ВД; п - частота вращения вала ВД; ф -угол поворота вала ВД
хронно с вращающимся полем статора. Для вращения поля статора необходимо переключать фазные обмотки статора в такой последовательности, чтобы вектор потока статора вращался перед потоком ротора.
Чтобы знать, какую фазу нужно подключать к источнику питания, необходимо знать текущее положение полюсов ротора (вектора потока возбуждения) относительно осей фаз. Эта информация поступает с ДПР.
Информация с ДПР обрабатывается системой управления, и формируются сигналы управления ключами, которые и обеспечивают включение и отключение ключей и соответствующих фаз в нужной последовательности.
Таким образом, при повороте ротора происходит переключение обмоток, вектор потока статора поворачивается на следующий шаг, и ротор продолжает вращаться синхронно с полем [2].
Силовые ключи могут быть выполнены на ЮВТ - транзисторах, которые представляют собой комбинацию биполярного и полевого транзисторов. В качестве ДПР может использоваться фотоэлектрический датчик [8].
Для управления переключением силовых ключей используется микропроцессорное управление на базе контроллера, имеющего управляющую программу.
Таким образом, ВД сохраняет все преимущества коллекторного ДПТ, в том числе характеристики (рис. 3), и устраняет его недостатки.
В связи с этим в условиях кафедры «Автоматизированные технологические системы» Брянского государственного технического университета была проведена модернизация
приводов подач токарно-револьверного станка с ЧПУ модели 1В340Ф30. Вместо следящих тиристорных электроприводов ТЫР были установлены следящие вентильные электроприводы CSD-DH16-165NYS-L-20-16,0, имеющие следующие основные параметры:
Вид преобразователя.....................................................................Транзисторный
Обратная связь .............................................................По скорости, по положению
Направление движения.......................................................................Реверсивный
Диапазон регулирования скорости ...............................От 1000 до 10000 включительно
Датчик обратной связи...........................Комбинированный инкрементный оптоэнкодер
Период оборота:
ДПР........................................................................................................3Р
датчика скорости..........................................................................3000 имп/об
Вход управления................................................................Аналоговый, цифровой
Связь с персональным компьютером.............................................Интерфейс RS-232
В состав электропривода входит вентильный электродвигатель серии NYS. Техническая характеристика электродвигателя 165NYS-L-20-16:
Номинальный момент, Н-м.............................................................................18,9
Номинальный ток, А.........................................................................................8
Напряжение питания привода, В.......................................................................380
Максимальный момент, Н-м..............................................................................84
Максимальный ток, А......................................................................................40
Номинальная частота вращения, об/мин...........................................................2000
Номинальная мощность, кВт..............................................................................4
Момент инерции, кг-м2..............................................................................0,00524
Масса двигателя, кг........................................................................................18
Следящий вентильный электропривод может обеспечивать работу в трех режимах: контроль по положению, контроль по скорости и контроль по току (моменту). Функциональная схема электропривода приведена на рис. 5. Регулирование по положению возможно с помощью инкрементного оптоэнкодера, установленного на валу ротора электродвигателя. Оптоэнкодер может выполнять функции как ДПР, так и датчика угловых перемещений. При этом оптоэнкодер преобразует измеряемое перемещение в последовательность электрических сигналов, которая несёт в себе информацию о величине и направлении перемещения.
УЧПУ
ЗП
Электропривод
Серия импульсов
РП
РС
ДП
ДС
У
?
§1
Рис. 5. Функциональная схема электропривода в режиме контроля по положению: ЗП - задание позиции; РП - регулятор позиции; РС - регулятор скорости; У - усилитель; ДС - датчик
скорости; ДП - датчик положения
Данную схему целесообразно применять, когда электродвигатель устанавливается непосредственно на ходовом винте ШВП (рис. 6). Если электродвигатель устанавливается в соответствии с рис. 2, то такая схема (рис. 5) дает дополнительную погрешность, вносимую ременной передачей. Эта погрешность непосредственно скажется на точности позиционирования приводов подач станка.
Так как кинематическая схема станка 1В340Ф30 соответствует рис. 2, то в данном случае целесообразно применять функциональную схему системы управления приводами подач станка, показанную на рис. 7.
М ДП
Рис. 6. Размещение электродвигателя на ходовом винте ШВП: М - электродвигатель; ДП -датчик положения
УЧПУ
ЗП
РП
Нр{>
ДП
Электропривод
РС
>
У
ДС
а!
Рис. 7. Функциональная схема электропривода в режиме контроля по скорости
В этом случае скорость регулируется с помощью электропривода, а положение привода - с помощью устройства числового программного управления (УЧПУ). Положение
винта ШВП контролируется с помощью фотоэлектрического датчика, установленного на винте посредством соединительной муфты.
На рис. 8 представлена система управления приводами подач токарно-револьверного станка с ЧПУ модели 1В340Ф30.
В качестве магнитного материала ротора ВД используется высоконасыщенный сплав NdFeB. Применение данного материала позволяет значительно повысить магнитную проницаемость воздушных зазоров и получить оптимальные скоростные характеристики. Всё это позволяет уменьшить габариты двигателя, понизить его массу и повысить соотношение мощность - масса. Так, условно для коллекторного ДПТ на 1 кг массы двигателя приходится 0,06 кВт мощности, а для ВД - 0,22 кВт мощности.
Рис. 8. Модернизированная система управления приводами подач станка с ЧПУ модели 1В340Ф30
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агеенко, А.В. Методика настройки параметров УЧПУ токарных станков для обеспечения заданной точности контура детали / А.В. Агеенко // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: ГУ-УНПК, 2011. - №5.- С.67-73.
2. Гульков, Г.И. Системы автоматизированного управления электроприводами: учеб. пособие / Г.И. Гуль-ков, Ю.Н. Петренко, Е.П. Раткевич, О.Л. Симоненкова. - Минск: Новое знание, 2004. - 384 с.
3. Техническая документация на станок 1В340Ф30.
4. Тиристорные приводные системы с сервомеханизмами серии ТЫР/С, управляющие устройства (коман-доаппараты) для станков серии 280/С. Эксплуатационно-техническая документация.- Польша: Bielsko-Biata, 1984. - Ч.2. - 45 с.
5. Федонин, О.Н. Модернизация металлообрабатывающих станков, применяемых в условиях автоматизированного производства / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко // Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. - 2009.- №3.- С.57-59.
6. Федонин, О.Н. Повышение точности токарных станков с ЧПУ / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко // Наукоемкие технологии в машиностроении. - М.: Машиностроение, 2012.-№5 .- С.36-43.
7. Федонин, О.Н. Учет погрешностей системы управления в балансе точности токарного станка с ЧПУ / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, А.В. Хандожко, А.В. Агеенко // Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. - 2013.-№3.- С.55-57.
8. Электроприводы серии С8Б-БИ-ЫУ8. Руководство по эксплуатации. - СПб.: Балт-Систем, 2013. - 60 с.
Материал поступил в редколлегию 11.11.14.
