Портал по фрезерно-гравировальному оборудованию
Классификация
станков:
  • Конструкции станков
  • Рама и Исполнение
  • Системы управления
  • Двигатели
  • Передачи
  • Направляющие
  • Шпинделя
  • ------------------------
  • ОБЗОР и ЦЕНЫ
  • Обзор
    оборудования:
  • Suda
  • Дополнит.
    оборудование:

  • Вакуумный стол
  • Система поливки
    __инструмента СОЖ
  • Система автоматич.
    __смены инструмента
  • Система удаления
    __стружки
  • Цанговый зажим
    __инструмента
  • Система гравировки
    __цилиндров
  • 3D-Сканер
  • Режущий
    инструмент

    Программы

    Технологии

    Серводвигатели и шаговые двигатели

    ·        шаговые двигатели

    ·        серво-двигатели

    ·        выбор двигателей для своего фрезерно-гравировального станка

     Шаговые двигатели

    Шаговый электродвигатель – это электромеханическое устройство, преобразующее сигнал управления в угловое перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении. Современные шаговые двигатели являются, по сути, синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется частотным пуском шагового двигателя. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Отличительная особенность шаговых двигателей – это возможность осуществлять позиционирование без датчика обратной связи по положению.

    Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные электрические машины, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в индустриальных применениях. По сравнению с обычными электродвигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток.

    http://www.cnc-engravers.ru/Step-Servo.files/image001.jpg

    Картинка 37 из 1247

    http://www.cnc-engravers.ru/Step-Servo.files/image004.gif

     

    Существуют три основных типа шаговых двигателей:

    ·                  двигатели с переменным магнитным сопротивлением;

    ·                  двигатели с постоянными магнитами;

    ·                  гибридные двигатели – наиболее часто используются в фрезерных станках с ЧПУ.

     

     

    Гибридные шаговые двигатели

     Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Гибридные шаговые двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость, чем двигатели других типов. Обычно, число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 град.).

    Рис. 3. Гибридный шаговый двигатель

     

    Строение шаговых двигателей

    Шаговый электродвигатель состоит из статора, на котором расположены обмотки возбуждения (катушки электромагнитов) и ротора с постоянными магнитами (реже используются роторы с переменным магнитным сопротивлением). Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках. По этой причине шаговые двигатели часто используются в станках с ЧПУ.

    Высокая температура, созданная в катушках может легко рассеяться через массу двигателя, таким образом, шаговые двигатели менее подвержены повреждениям от нагрева.

    Принципы работы шагового двигателя

    На рисунке видны основные стадии действия шагового двигателя.

    В соответствии с тем, какие катушки статора включены или выключены, ротор будет вращаться, чтобы «подстроиться» к магнитному полю. Представим себе шаговый двигатель с двумя катушками в его статоре и постоянном магните в качестве его ротора, как показано на рисунке. Когда соответствующие катушки статора возбуждены, постоянно намагниченный ротор повернётся, чтобы «выстроиться» в линию с магнитным полем статора (a). Ротор останется в этом положении, если поле не вращается. Когда энергия к данной катушке не будет поступать, а будет направлена к следующей катушке, ротор повернётся снова, чтобы подстроиться к полю в новой позиции (b, с). Каждый поворот соответствует углу шага, который может измениться от 180° до доли градуса (в данном примере это 60°). Затем включается следующая катушка, в то время как вторая выключена. Это заставит ротор повернуться на следующий шаг в том же самом направлении. Процесс продолжается, пока одна катушка выключается, а другая включается.

    Последовательность шести шагов вернет ротор в то же самое состояние, какое было в начале последовательности. Теперь представьте, что при окончании первого шага, вместо выключения одной катушки и включения второй катушки, что обе были бы включены. В этом случае, ротор повернется только на 30° (половина от 60°), чтобы выровнять себя в направлении наименьшего сопротивления. Позже, если первая катушка выключена, в то время как вторая включена, ротор повернётся еще на 30°. Это называется действием полушага и включает последовательность восьми движений.

    При противоположной последовательности включений/выключений, ротор будет вращаться в противоположном направлении. Наиболее применим в промышленности шаговый мотор, продвигающийся на угол от 1.8° до 7.5° при полном шаге. Очевидно, чтобы уменьшить размер шагов, число полюсов нужно увеличить. Однако есть физический предел тому, сколько полюсов могут использоваться.

    Для того чтобы уменьшить дискретность перемещения ротора шагового двигателя применяется микрошаговый режим. Микрошаг реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. В микрошаговом режиме можно получить разрешающую способность в 51200 шаг/об.

     

    Механическая характеристика шагового двигателя

    Важной особенностью шаговых двигателей является их механическая характеристика

    На рисунке представлена группа механических характеристик шагового двигателя при различном напряжении питания. Из графиков видно, что при увеличении частоты вращения происходит значительное падение момента на валу двигателя. Таким образом, шаговые двигатели наиболее эффективны в задачах с невысокой динамикой.

     

     

    Рис. 1. Механическая характеристика шагового двигателя

     Управление шаговым приводом.

    В самом общем виде, управление шаговым двигателем сводится к задаче отработать определенное число шагов в нужном направлении и с нужной скоростью.

    На блок управления ШД (драйвер) подаются сигналы "сделать шаг" и "задать направление". Сигналы представляют собой импульсы 5В.

    Такие импульсы можно получить от компьютера, например от LPT-порта, от специального контроллера управления шаговыми приводами или задавать сигналы самостоятельно от источника питания или генератора 5В.

    Как правило, работой шагового двигателя управляет электронная схема, а питание его осуществляется от источника постоянного тока. Шаговые двигатели применяют для управления частотой вращения без применения дорогого контура обратной связи. Этот привод используется в приводе с разомкнутой цепью.

     

     

     

     


    Серво-двигатели

    Серводвигатель – это двигатель с обратной связью, которой можно управлять, чтобы либо достичь требуемой скорости (и, следовательно, крутящего момента) либо получить нужный угол поворота. С этой целью устройство обратной связи посылает сигналы в цепь контроллера сервомотора, сообщая об угловом положении и скорости. Если в результате более высоких нагрузок скорость окажется ниже требуемой величины, ток будет увеличиваться до тех пор, пока скорость не достигнет нужной величины. Если сигнал скорости показывает, что скорость больше, чем нужно, ток, соответственно, уменьшается. Если применена обратная связь по положению, то сигнал о положении используется, чтобы остановить двигатель, как только ротор приблизится к нужному угловому положению.

    Для этой цели могут использоваться различные типы датчиков, включая кодирующие устройства, резольверы, потенциометры и тахометры. Если используется датчик положения типа потенциометра или кодирующего устройства, его сигнал может быть дифференцирован, чтобы выработать сигнал о скорости.

    http://www.cnc-engravers.ru/Step-Servo.files/image007.jpg

     

     

    СЕРВОДВИГАТЕЛИ

     

    ß

     

     

    ß

     

     

    Со щетками

     

    Без щеток

     

    ß

     

    ß

     

     

     

    ß

     

    Двигатели постоянного тока

     

    Двигатели постоянного тока(DC)

     

    Двигатели переменного тока (AC)

     

    Шаговые двигатели

     

     

     

    ß

     

    ß

     

     

    ß

     

     

     

     

     

     

     

    Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами

     

    Синхронные двигатели с постоянными магнитами

     

    Асинхронные двигатели с управлением ориентированным полем

     

     



    АС двигатель - это двигатель переменного тока. Он значительно дешевле в производстве, чем двигатель постоянного тока, поэтому цена их дешевле DC двигателей. В асинхронном моторе нет коллектора, щёточного узла, его легче мотать и т.п., но управлять двигателем переменного тока сложнее. Чтобы регулировать обороты необходимо менять частоту (желательно одновременно с напряжением) на двигателе.

    Основные виды AC двигателей, рассчитанных в основном на работу с синусоидальным током, бывают следующие: синхронные, асинхронные и коллекторные.

    В синхронных двигателях ротор (постоянный магнит) вращается относительно статора с той же скоростью и в том же направлении (синхронно), как и вращающееся магнитное поле, а в асинхронных двигателях ротор вращается несинхронно с вращающимся магнитным полем.

    Подробнее по принцыпам работы двигателей смотрите здесь: http://leg.co.ua/info/elektricheskie-mashiny/principy-raboty-elektrodvigateley.html

    DС двигатель - это тот же двигатель постоянного тока. Обычно с постоянным магнитом. Основное отличие в наличии энкодера.

    Драйвера для двигателей АС и DC совершенно разные. Драйвер для АС вырабатывает трёхфазное напряжение переменной частоты и амплитуды, в зависимости от напряжения задания, а драйвер для DC просто меняет величину постоянного напряжения на якоре двигателя постоянного тока (ДПТ), тоже в зависимости от задания.

    С точки зрения разработчика , привода для AC и DC двигателей очень похожи. Ядро программы - стандартные функции контроля положения, скорости, ускорения и тока. В АС добавляется независимый контроль фаз - положение в фазе, ток в фазе.

    http://www.cnc-engravers.ru/Step-Servo.files/image009.jpg

    http://www.cnc-engravers.ru/Step-Servo.files/image015.jpg

     

    В настоящее время сервоприводы применяются в высокопроизводительном оборудовании в таких отраслях как производство напитков, упаковки, стройматериалов; в подъемно-транспортной технике; полиграфии. Наблюдается тенденция к увеличению доли сервоприводов в деревообработке и пищевой промышленности.

    Решающим фактором применения сервоприводов является не только их высокая динамика, но и возможность получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, помехоустойчивость, малые габариты и вес.

    Принципы работы серводвигателя

    Серводвигатели работают вместе устройствами, называемыми преобразователями (приводами или драйверами серводвигателей). Эти преобразователи меняют напряжение на якоре (или на обмотке возбуждения) сервомотора в зависимости от величины напряжения на входе двигателя. Вся эта система управляется стойкой ЧПУ (СNC). Ниже представлена схематично система с сервомотором. Под усилителем понимается драйвер сервомотора.

    Например, в программе, заложенной в стойке ЧПУ, присутствует команда переместиться по осиY на расстояние 10 мм. Со стойки ЧПУ на вход драйвера сервомотора подается определенное напряжение. Сервомотор начинает вращать ходовой винт, с которым соединён энкодер и портал станка (перемещаемая часть со шпинделем). Во время вращения ходового винта энкодер вырабатывает импульсы, а стойка их подсчитывает. Математическое обеспечение стойки ЧПУ устроено так, что стойка «знает», что расстоянию 10мм соответствует, например, 10000 импульсов от энкодера. Пока стойка станка не получит эти 10000 импульсов, на вход драйвера будет подаваться напряжение задания, т. е. будет вырабатываться так называемое рассогласование. Когда портал станка проедет заданные 10 мм, тогда стойка получит свои 10000 импульсов, и напряжение на входе драйвера сервомотора станет равным 0, двигатель остановится, станок отработает строго 10 мм (при отсутствии люфтов).

    Если под действием каких-либо внешних сил произойдёт смещение портала станка, то энкодер сразу выдаст импульсы. Эти импульсы будут сосчитаны стойкой, которая, в свою очередь, выдаст напряжение рассогласования на драйвер. Драйвер повернёт якорь двигателя на весьма малый угол, чтобы рассогласование было равно 0. Таким образом, портал станка удерживается возле заданной точки с весьма высокой точностью.

    Хочу также заметить, что далеко не всякий двигатель может поворачиваться на весьма малые углы, обеспечивать динамику разгона, нужный крутящий момент и т. п. Это основная причина, по которой сервопривода являются достаточно дорогими устройствами.

     

    Механическая характеристика серводвигателя

    Максимальная скорость ограничена механикой и разрешением датчика

     

    Падение пикового момента из-за ограничения напряжения на шине сервопривода

     

    Номинальный момент при номинальной скорости

     

     

    Момент при непрерывной работе, определяется теплостойкостью мотора

     

     

    Пиковый момент, ограниченный током сервопривода

    Номинальный момент – это максимальный момент, развиваемый мотором при непрерывном режиме работы

     

    При работе на скоростях выше номинальной непрерывный и пиковый момент будут снижаться

     

     

     

    Пиковый момент – это максимальный момент, развиваемый мотором на данной скорости

     

    Номинальная скорость – это максимальная скорость, на которой развивается номинальный момент

     

    На номинальной и ниже номинальной скорости пиковый момент в 3 раза больше момента при непрерывном режиме

     

    В данной публикации более детально рассмотрим синхронные серводвигатели переменного тока, как наиболее часто используемый при проектировании станков с ЧПУ.

     

    Синхронные серводвигатели

     Синхронные серводвигатели - это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора (AC-двигатели). Их основным достоинством является очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента. Это позволяет реализовать очень высокое быстродействие. Достижимо время разгона на номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя.

    Основной областью применения этих двигателей являются приводы подач станков и технологические установки со временем цикла менее 1 секунды (например, производство упаковки, быстродействующие позиционные системы автоматических складов).

    Для сервоприводов характерны следующие показатели:
    • управление по скорости, по моменту или по позиции;
    • диапазон регулирования скорости более 1:1000;
    • статическая точность поддержания скорости по валу двигателя до 0,01%;
    • точность поддержания позиции по валу двигателя менее ± 10;
    • низкий вес и компактные размеры

     

    Устройство синхронного серводвигателя SEW-EURODRIVE

    1 - статор с обмоткой

    2 - разъем для подключений
    3 - датчик скорости и положения

    4 - электромагнитный тормоз
    5 - ротор с магнитами

     

    1.     бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания;

    2.     высокое быстродействие;

    3.     большая перегрузочная способность по моменту (кратность максимального момента кратковременно может превышать 3);

    4.     имеют практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения (1:10 000 и более); показатели кпд вентильных двигателей превышают 90% и при изменении нагрузки двигателя по мощности и при колебаниях напряжения питающей сети меняются очень несущественно, тогда как у асинхронных электродвигателей максимальный кпд не превышает 86% и зависит от изменений нагрузки;

    5.     низкий перегрев вентильного электродвигателя благодаря отсутствию обмоток на роторе двигателя, что существенно увеличивает срок службы двигателя, работающего в режиме частых перегрузок;

    6.     большая плотность момента на единицу массы электродвигателя.

     

      

    Серводвигатели или шаговые двигатели:

     выбор двигателей

    для своего фрезерно-гравировального станка

     

    Для начала сравним два вида моторов по некоторым параметрам:

    Шаговые

    Серво

    Срок службы и обслуживание

    Шаговые двигатели – бесщеточные, поэтому единственными изнашиваемыми деталями в конструкции являются подшипники (изначально очень надежная конструкция). Это позволяет считать их двигателями высокой надежности и не требующих обслуживания долгий срок.

    Дешевые модели сервоприводов коллекторного типа (со щетками) менее надежны, чем шаговые двигатели и требуют замены щеток примерно через 5000 часов непрерывной работы.

    Большинство современных бесколлекторных сервоприводов от известных японских производителей отличаются высокой надежностью (близкой к надежности шаговых двигателей).

    Ремонт

    Порча подшипников происходит очень редко. Может сгореть обмотка статора. Дешевле купить новый двигатель.

    Ремонтопригодны только самые дорогие модели. Проще двигатель сразу менять.

    Точность перемещений

    При хорошей механике точность не ниже +/- 0.01 мм

    У высококачественных сервоприводов точность не ниже +/- 0.002 мкм. Такая точность достижима в случае использования сервоприводов контурного управления(точно обрабатывающих заданную траекторию). Нельзя использовать сервопривода для позиционного управления, так как они иногда дают погрешность значительно превышающую, погрешность в шаговых двигателях!

    Скорость перемещения, мощность

    В гравировально-фрезерных станках используя шаговые двигатели можно добиться скорости 20 – 25 метров в минуту. При увеличении скорости шаговые двигатели сильно теряют в крутящем моменте.

    С использованием сервоприводов в станках с ЧПУ возможно достижение скоростей до 60 м/мин и более.

     

    Скорость разгона

    до 120 об/мин за секунду

    до 1000 об/мин за 0,2 секунды

    Эффект потери шагов при повышении скорости и нагрузки

    На скоростях выше номинальных и повышенных нагрузках начинает проявляться эффект потери шагов (смотрите выше график возможной нагрузки от скорости вращения двигателя – механическую характеристику). Потеря шагов возможна также в случае каких либо внешних воздействий: ударов, вибраций, резонансов и т.п.

    Современные системы управления шаговыми двигателями позволяют избавиться от этого общего недостатка шаговых двигателей.

    Так как сервосистема – это система с обратной связью: в сервомоторе имеется датчик положения, по которому (в случае несоответствия) делается коррекция - то эффекта потери шагов в ней нет.

    Принудительная остановка (столкновение с препятствием)

    Принудительная остановка шагового двигателя не вызывает у него никаких повреждений

    В случае принудительной остановки серводвигателя, драйвер мотора должен правильно среагировать на данную остановку. В противном случае по обратной связи подается сигнал на доработку не пройденного расстояния, повышается ток на обмотках, двигатель может перегреться и сгореть!

    Ценовой критерий

    Шаговые двигатели значительно дешевле серводвигателей, особенно шаговые двигатели китайского производства.

    Чисто конструктивно (датчик положение, более сложный, чем у шагового двигателя, драйвер) серводвигатели дороже шаговых. К тому же, я не встречал в своей практике дешевых китайских серводвигателей.

     

    Сервопривод и шаговый двигатель не являются конкурентами, а каждый занимает свою определенную нишу.

    Сравнение работы простого Шагового и Серво двигателей:

    Рассмотрим работу системы с шаговым двигателем на котором стоит энкодер (шаговый серводвигатель) для понимания разницы между обычным шаговым двигателем и серво.

    Контроллер выдал команду повернуть вал на столько-то шагов. В обычном шаговом двигателе на сколько шагов в действительности повернулся вал, контроллер шагового двигателя не в курсе (у него нет обратной связи). Он просто считает, что вал повернулся как положено. А ведь бывает так, что движок не смог повернуть вал, силы не хватило или ещё что... Хотя контроллер импульсы отсчитал. Это и есть пропуск шагов в шаговых двигателях.

    В серводвигателе такой проблемы нет. Контроллер дал команду повернуть вал на столько-то импульсов и ждет, когда с энкодера придёт сигнал, подтверждающий, что вал повернулся на требуемое число импульсов. Если с энкодера пришёл хоть на один импульс меньше, контроллер будет продолжать подавать команду до тех пор, пока с энкодера не придёт последний импульс, выравнивающий соотношение заданного и истинного количества импульсов, либо, по истечении заданного отрезка времени, контроллер выдаст сигнал Ошибка перемещения.

    Удержание в сервоприводе осуществляется за счет тока, протекающего через обмотку двигателя. Только в момент удержания половину периода ток идёт в одном направлении, а вторую половину времени в другом направлении. За счёт этого и происходит удержание якоря. А по импульсам с энкодера идёт проверка, якорь на месте (нет ни одного импульса на выходе) или сдвинулся (на выходе энкодера появится импульс, точнее код).

     

    Преимущества при выборе шагового двигателя:

     

    - Шаговые двигатели значительно дешевле серводвигателей,

    - Простота конструкции подразумевает простоту ремонта мотора,

    - Простота системы управления шаговым двигателем (практически из всех программ, написанных для CNC станков).

     

    Преимущества при выборе сервомотора:

    - бесшумность и плавность работы делают сервоприводы иногда единственным возможным вариантом при выборе двигателя,

    - надежность и безотказность, а следовательно, возможность использовать его в ответственных, не терпящих отказа устройствах,

    - высокая скорость и точность перемещений доступны даже на низких скоростях,

    - разрешающая способность может выбираться пользователем в зависимости от решаемой задачи.

     

    Выводы:

    Ограничением в применении шаговых двигателей являются скорость и мощность, но по практике, их применение полностью оправданно в недорогих станках с ЧПУ (в ценовой категории до 10 – 12 тыс. USD), предназначенных для обработки дерева, пластиков, ДСП, МДФ, легких металлов и других материалов средней скорости. потребности производителей станков с ЧПУ как по точности, так и по скорости. Если же эти параметры не устраивают, применяют серво приводы. При этом резко поднимается стоимость конструкции.

    С другой стороны - добиться реальной экономии времени обработки, даже при скоростных серво приводах, можно только за счет оптимизации путей обработки и экономии на переходах. В остальное время скорость ограничена режимами резки. Между приводом и деталью есть еще фреза. А об этом часто забывают.

    Исходя из этого можно прикинуть что будет выиграно при переходе на скоростной привод. Учитывая материалы которые будут обрабатываться. И по результатам прикидки оценить затраты на тот или иной вариант привода.

    Достоинства сервопривода таковы, что применять их можно было бы всегда, когда только возможно, если бы не два недостатка: цена комплекта (сервомотор + блок управления) и сложность настройки, которая иногда делает применение сервопривода необоснованным.

     

    Реально сервопривода необходимы в следующих случаях:

    1.      При скоростных раскроях листового материала (скорость перемещения инструмента более 25 метров в минуту). В этом случае логично покупать раскроечный станок мощным (до 5 кВт) шпинделем с цангой под крупный инструмент, с сервоприводами, с вакуумным столом и системой удаления стружки.

    2.      При изготовлении форм и матриц с претензионной точностью изготовления. Вэтом случае больше подходит фрезерный обрабатывающий центр.

     

    В остальных случаях чаще покупают машины с шаговыми двигателями – это просто практичнее.



    Copyright © Делай свой выбор Осознано и Профессионально ВМЕСТЕ С НАМИ ! - all rights reserved.
    Дизайн сайта: Dark Wolfer Rambler's Top100