CNC 기계용 전기 드라이브

현대의 다기능 금속 절삭 기계와 산업용 로봇에는 여러 좌표축을 따라 집행 기관을 움직이는 다중 모터 전기 드라이브가 장착되어 있습니다(그림 1).

CNC 기계 작동 제어는 디지털 형식으로 정의된 프로그램에 따라 명령을 생성하는 표준 시스템을 사용하여 수행됩니다. 프로그래밍 가능한 CPU 코어를 구성하는 고성능 마이크로 컨트롤러 및 단일 칩 마이크로 컴퓨터의 생성으로 많은 기하학적 및 기술 작업을 자동으로 수행하고 전기 구동 시스템의 직접 디지털 제어를 수행할 수 있게 되었습니다. 전기 자동화.

쌀. 1. CNC 밀링 머신의 구동 시스템

CNC 기계의 전기 드라이브 유형 및 요구 사항

금속 절단 공정은 가공할 부품과 절삭 공구의 날이 상호 이동하여 수행됩니다.전기 드라이브는 CNC 시스템을 통해 금속 가공 공정을 수행하고 조절하도록 설계된 금속 절단 기계의 일부입니다.

가공에서 공구와 공작물의 상호 이동 중에 제어된 절삭 공정을 제공하는 주요 이동과 장비의 자동 작동을 용이하게 하는 보조 이동(모니터링 도구 접근 및 후퇴, 도구 변경 및 등.).

주요한 것에는 필요한 절삭력을 제공하는 가장 빠른 속도와 힘을 가진 주 절삭 이동과 주어진 속도로 공간 궤적을 따라 작업 본체를 이동하는 데 필요한 이송 이동이 포함됩니다. 주어진 형상을 가진 제품의 표면을 얻기 위해 기계의 작동 몸체는 공작물과 도구에 설정된 속도와 힘으로 원하는 궤적을 이동하도록 지시합니다. 전기 드라이브는 기계의 운동학적 구조를 통해 필요한 상호 변위를 제공하는 조합인 작업 본체에 회전 및 병진 운동을 제공합니다.

금속 가공 기계의 목적과 유형은 제조된 부품(본체, 샤프트, 디스크)의 모양에 따라 크게 달라집니다. 가공 중에 필요한 공구 및 공작물 이동을 생성하는 다기능 기계의 능력은 좌표축의 수에 따라 결정되므로 상호 연결된 전기 드라이브의 수와 제어 시스템의 구조에 따라 결정됩니다.

현재 드라이브는 주로 신뢰할 수 있는 주파수 제어 기능이 있는 AC 모터디지털 레귤레이터에 의해 수행됩니다.다양한 유형의 전기 드라이브가 일반적인 산업용 모듈을 사용하여 구현됩니다(그림 2).

쌀. 2. 전기 드라이브의 일반적인 기능 다이어그램

전기 구동 블록의 최소 구성은 다음 기능 블록으로 구성됩니다.

• 이그제큐티브 전기 모터(ED);

• 산업용 네트워크의 전력을 필요한 진폭 및 주파수의 3상 모터 공급 전압으로 변환하는 주파수 전력 변환기(HRC);

• 제어 장치(CU) 및 작업 생성기(FZ)의 기능을 수행하는 마이크로 컨트롤러(MC).

전력 주파수 변환기의 산업 장치에는 출력 PWM 스위치의 마이크로 프로세서 제어를 사용하여 제어 장치의 신호에 의해 결정되는 필요한 매개 변수로 정현파 전압을 생성하는 정류기와 전력 변환기가 포함되어 있습니다.

전기 구동 장치의 작동을 제어하는 ​​알고리즘은 작업 생성기의 신호와 IVC(Information Computing Complex)에서 수신한 데이터를 처리 및 분석하여 얻은 명령을 생성하여 마이크로 컨트롤러에서 구현합니다 센서 세트의 신호.

대부분의 응용 분야에서 전기 원동기 드라이브에는 농형 회전자 권선이 있는 유도 전기 모터와 기계 스핀들에 대한 기계적 회전 전달 장치인 기어박스가 포함되어 있습니다. 기어박스는 종종 전기 기계식 원격 기어 변속이 있는 기어박스로 설계됩니다.메인 무브먼트의 전기 드라이브는 특정 회전 속도에서 필요한 절삭력을 제공하므로 속도 조절의 목적은 일정한 출력을 유지하는 것입니다.

필요한 회전 속도 제어 범위는 가공된 제품의 직경, 재료 및 기타 여러 요인에 따라 다릅니다. 최신 자동화 CNC 기계에서 메인 드라이브는 나사 절삭, 다양한 직경의 부품 가공 등과 관련된 복잡한 기능을 수행합니다. 이로 인해 가역 드라이브의 사용뿐만 아니라 매우 넓은 범위의 속도 제어를 제공해야 합니다. 다기능 기계에서 필요한 회전 속도 범위는 수천 이상일 수 있습니다.

피더에는 매우 큰 속도 범위도 필요합니다. 따라서 윤곽 밀링에서는 최소값이 일부 지점에서 0이 되는 경향이 있으므로 이론적으로 속도 범위가 무한해야 합니다. 종종 가공 영역에서 작업체의 빠른 이동도 피더에 의해 수행되어 속도 변경 범위가 크게 증가하고 구동 제어 시스템이 복잡해집니다.

피더에는 동기 모터와 비접촉 DC 모터가 사용되며 경우에 따라 비동기 모터도 사용됩니다. 다음과 같은 기본 요구 사항이 적용됩니다.

• 광범위한 속도 조절;

• 높은 최고 속도;

• 높은 과부하 용량;

• 포지셔닝 모드에서 가속 및 감속 중 고성능;

• 높은 포지셔닝 정확도.

드라이브 특성의 안정성은 부하 변화, 주변 온도 변화, 공급 전압 및 기타 여러 이유에서 보장되어야 합니다. 이것은 합리적인 적응 자동 제어 시스템의 개발에 의해 촉진됩니다.

기계 드라이브의 기계 부품

드라이브의 기계 부품은 서로 다른 속도로 회전하는 많은 부품을 포함하는 복잡한 기구학적 구조일 수 있습니다. 다음 요소는 일반적으로 구별됩니다.

• 토크를 생성하는 전기 모터의 회 전자 (회전 또는 제동);

• 기계식 변속기, t, s. 이동의 특성(회전, 병진)을 결정하고 이동 속도를 변경하는 시스템(감속기);

• 운동 에너지를 유용한 작업으로 변환하는 작업 본체.

금속 절단기의 주요 동작을 비동기식으로 추적

CNC 금속 가공 기계의 주요 움직임에 대한 최신 조정 가능한 전기 드라이브는 주로 케이지 로터 권선이 있는 비동기 모터를 기반으로 하며, 이는 여러 요인에 의해 촉진되었으며, 그 중 기본 정보 기반의 개선과 전력 전자.

교류 모터 모드의 조절은 주파수 조절과 함께 다른 매개 변수를 변경하는 전력 변환기를 사용하여 공급 전압의 주파수를 변경하여 수행됩니다.

추적 전기 드라이브의 특성은 내장된 ACS의 효율성에 크게 좌우됩니다.고성능 마이크로컨트롤러의 사용은 전기 구동 제어 시스템을 구성할 수 있는 광범위한 기회를 제공했습니다.

쌀. 3. 주파수 변환기를 이용한 유도 전동기의 일반적인 제어 구조

드라이브 컨트롤러는 전기 모터의 작동을 조절하는 전원 스위치의 일련 번호를 생성합니다. 자동화 컨트롤러는 장비의 자동 조정 및 보호뿐만 아니라 시작 및 정지 모드에서 필요한 특성을 제공합니다.

컴퓨팅 시스템의 하드웨어 부분에는 다음도 포함됩니다. - 센서에서 신호를 입력하고 작동을 제어하기 위한 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 변환기

• 인터페이스 장비 및 케이블 커넥터가 장착된 아날로그 및 디지털 신호용 입력 및 출력 모듈;

• 내부 모듈 간 데이터 전송 및 외부 장비와의 통신을 수행하는 인터페이스 블록.

특정 전기 모터의 세부 데이터를 고려하여 개발자가 도입한 많은 수의 주파수 변환기 설정은 다음과 같은 특정 제어 절차를 제공합니다.

• 다단계 속도 조절,

• 상한 및 하한 주파수 제한,

• 토크 제한,

• 모터 위상 중 하나에 직류를 공급하여 제동,

• 과부하 보호, 그러나 과부하 및 과열의 경우 절전 모드를 제공합니다.

비접촉식 DC 모터 기반 구동

공작 기계 드라이브는 속도 제어 범위, 제어 특성의 선형성 및 속도에 대한 요구 사항이 높습니다. 이는 공구와 부품의 상대 위치 지정 정확도와 이동 속도를 결정하기 때문입니다.

파워 드라이브는 필요한 제어 특성을 가진 DC 모터를 기반으로 주로 구현되었지만 동시에 기계식 브러시 컬렉터의 존재는 낮은 신뢰성, 유지 보수의 복잡성 및 높은 수준의 전자기 간섭과 관련이 있습니다.

파워 일렉트로닉스 및 디지털 컴퓨팅 기술의 발전은 비접촉식 직류 모터로 전기 드라이브를 대체하여 에너지 특성을 개선하고 공작 기계의 신뢰성을 높이는 데 기여했습니다. 그러나 비접촉식 모터는 제어 시스템의 복잡성으로 인해 상대적으로 비용이 많이 듭니다.

그러나 브러시리스 모터의 작동 원리는 회전자에 자기 전기 인덕터가 있고 고정자에 전기자 권선이 있는 직류 전기 기계입니다. 고정자 권선의 수와 회전자 자석의 극수는 모터의 요구되는 특성에 따라 선택됩니다. 이를 늘리면 승차감과 핸들링이 개선되지만 엔진 설계가 더 복잡해집니다.

금속 절삭 기계를 구동할 때 여러 개의 연결된 섹션 형태로 만들어진 3개의 전기자 권선 구조와 여러 쌍의 극이 있는 영구 자석의 여기 시스템이 주로 사용됩니다(그림 4).

쌀. 4. 비접촉식 DC 모터의 기능 다이어그램

토크는 고정자 권선의 전류와 회전자의 영구 자석에 의해 생성된 자속의 상호 작용으로 인해 형성됩니다. 전자기 모멘트의 일정한 방향은 직류로 고정자 권선에 공급되는 적절한 정류에 의해 보장됩니다. 고정자 권선을 소스 U에 연결하는 순서는 회 전자 위치 센서에서 전압을 공급할 때 펄스 분배기의 신호에 따라 전환되는 전력 반도체 스위치를 통해 수행됩니다.

비접촉 DC 모터의 전기 드라이브 작동 모드를 조절하는 작업에서 다음과 같은 상호 관련된 문제가 구분됩니다.

• 측정에 사용할 수 있는 물리량에 영향을 미침으로써 전기 기계 변환기를 제어하는 ​​알고리즘, 방법 및 수단의 개발;

• 자동 제어의 이론과 방법을 사용하여 자동 구동 제어 시스템을 만듭니다.

스테퍼 모터를 기반으로 한 전기 유압식 드라이브

최신 공작 기계에서는 전자 CNC 시스템에서 나오는 개별 전기 신호가 동기식 전기 모터에 의해 샤프트 회전으로 변환되는 조인트 전기 유압식 드라이브(EGD)가 준공통적입니다. 전기 모터(EM)에서 CNC 시스템의 구동 컨트롤러(CP) 신호의 작용으로 발생하는 토크는 기계식 변속기(MP)를 통해 집행 기관(IO)에 연결된 유압 증폭기의 입력 값입니다. 공작 기계의 (그림 5).

쌀. 5. 전자 유압식 드라이브의 기능적 구성표

입력 변환(VP)과 유압 밸브(GR)를 통해 전기 모터 로터의 제어된 회전은 유압 모터 샤프트(GM)의 회전을 유발합니다. 유압 증폭기의 파라미터를 안정화하기 위해 일반적으로 내부 피드백이 사용됩니다.

이동 또는 연속 이동의 시작-정지 특성이 있는 메커니즘의 전기 드라이브에서 동기식 전기 모터 유형으로 분류되는 스테퍼 모터(SM)가 응용 프로그램을 찾았습니다. 펄스 여기 스테퍼 모터는 CNC 제어에 사용되는 직접 디지털 제어에 가장 적합합니다.

각 펄스에 대한 특정 회전 각도에서 회전자의 간헐적(단계적) 이동은 거의 0에서 매우 넓은 범위의 속도 변화로 충분히 높은 위치 정확도를 얻을 수 있게 합니다.

전기 드라이브에서 스테퍼 모터를 사용할 때 로직 컨트롤러와 스위치가 포함된 장치에 의해 제어됩니다(그림 6).

쌀. 6. 스테퍼 모터 제어 장치

n채널 선택 제어 명령에 따라 CNC 드라이브 컨트롤러는 필요한 순서에 따라 DC 전압을 고정자 권선에 연결하는 전력 트랜지스터 스위치를 제어하는 ​​디지털 신호를 생성합니다. 한 단계 α = π / p에서 작은 각도 변위 값을 얻기 위해 극 쌍 p가 많은 영구 자석이 회전자에 배치됩니다.