Acionamentos elétricos para máquinas CNC

Modernas máquinas de corte de metal multifuncionais e robôs industriais são equipados com acionamentos elétricos multimotores que movem corpos executivos ao longo de vários eixos coordenados (Fig. 1).

O controle do funcionamento de uma máquina CNC é realizado por meio de sistemas padronizados que geram comandos de acordo com um programa definido em formato digital. A criação de microcontroladores de alto desempenho e microcomputadores de chip único, que compõem o núcleo programável da CPU, possibilitou com a ajuda deles a realização automática de diversas operações geométricas e tecnológicas, bem como a realização do controle digital direto do sistema de acionamento elétrico e eletro-automação.

Arroz. 1. Sistema de acionamento da fresadora CNC

Tipos de acionamentos elétricos para máquinas CNC e requisitos para eles

O processo de corte de metal é realizado pelo movimento mútuo da peça a ser processada e da lâmina da ferramenta de corte.Os acionamentos elétricos fazem parte das máquinas de corte de metais, que são projetadas para executar e regular os processos de usinagem por meio de um sistema CNC.

No processamento, costuma-se separar os movimentos principais que proporcionam processos de corte controlados durante o movimento mútuo da ferramenta e da peça, bem como os movimentos auxiliares que facilitam o funcionamento automático do equipamento (aproximação e retirada de ferramentas de acompanhamento, troca de ferramentas e etc).

Os principais incluem o movimento de corte principal, que possui a maior velocidade e potência, que fornece] a força de corte necessária, bem como o movimento de avanço, necessário para mover o corpo de trabalho ao longo de uma trajetória espacial a uma determinada velocidade. Para obter a superfície do produto com uma determinada forma, os corpos de trabalho da máquina dizem à peça de trabalho e à ferramenta para mover a trajetória desejada com velocidade e força definidas. Os acionamentos elétricos fornecem movimentos rotacionais e translacionais aos corpos de trabalho, cujas combinações, através da estrutura cinemática das máquinas, fornecem os deslocamentos mútuos necessários.

A finalidade e o tipo de máquina para trabalhar metais dependem em grande parte da forma da peça fabricada (corpo, eixo, disco). A capacidade de uma máquina multifuncional para gerar os movimentos da ferramenta e da peça necessários durante a usinagem é determinada pelo número de eixos coordenados e, portanto, pelo número de acionamentos elétricos interconectados e pela estrutura do sistema de controle.

Atualmente, os acionamentos são realizados principalmente com base em Motores CA com controle de frequênciarealizadas por reguladores digitais.Diferentes tipos de acionamentos elétricos são implementados usando módulos industriais típicos (Fig. 2).

Arroz. 2. Diagrama funcional típico de um acionamento elétrico

A composição mínima dos blocos de acionamento elétrico consiste nos seguintes blocos funcionais:

• motor elétrico executivo (ED);

• conversor de potência de frequência (HRC), que converte a energia elétrica da rede industrial em uma tensão de alimentação do motor trifásico na amplitude e frequência necessárias;

• um microcontrolador (MC) que executa as funções de uma unidade de controle (UC) e um gerador de tarefas (FZ).

A unidade industrial do conversor de frequência de energia contém um retificador e um conversor de energia que geram uma tensão senoidal com os parâmetros necessários determinados pelos sinais do dispositivo de controle usando o controle do microprocessador da chave PWM de saída.

O algoritmo para controlar a operação do acionamento elétrico é implementado pelo microcontrolador gerando comandos obtidos como resultado da comparação dos sinais do gerador de tarefas e os dados recebidos do complexo de computação de informações (IVC) com base no processamento e análise de sinais de um conjunto de sensores.

O acionamento do motor principal elétrico na maioria das aplicações contém um motor elétrico de indução com um enrolamento do rotor em gaiola de esquilo e uma caixa de engrenagens como transmissão mecânica de rotação para o fuso da máquina. A caixa de câmbio geralmente é projetada como uma caixa de câmbio com troca de marcha remota eletromecânica.O acionamento elétrico do movimento principal fornece a força de corte necessária a uma determinada velocidade de rotação e, portanto, o objetivo da regulação da velocidade é manter a potência constante.

A faixa necessária de controle de velocidade de rotação depende dos diâmetros dos produtos processados, seus materiais e muitos outros fatores. Nas modernas máquinas CNC automatizadas, o acionamento principal executa funções complexas relacionadas ao corte de roscas, usinagem de peças de diferentes diâmetros e muito mais. Isso leva à necessidade de fornecer uma faixa muito ampla de controle de velocidade, bem como o uso de um acionamento reversível. Em máquinas multifuncionais, a faixa de velocidade de rotação necessária pode ser de milhares ou mais.

Faixas de velocidade muito grandes também são necessárias em alimentadores. Assim, no fresamento de contorno teoricamente você deve ter uma faixa de velocidade infinita, pois o valor mínimo tende a zero em alguns pontos. Freqüentemente, o movimento rápido dos corpos de trabalho na área de processamento também é realizado por um alimentador, o que aumenta muito a faixa de mudança de velocidade e complica os sistemas de controle de acionamento.

Nos alimentadores, são utilizados motores síncronos e motores CC sem contato, bem como, em alguns casos, motores assíncronos. Os seguintes requisitos básicos se aplicam a eles:

• ampla gama de regulação de velocidade;

• alta velocidade máxima;

• alta capacidade de sobrecarga;

• alto desempenho durante a aceleração e desaceleração no modo de posicionamento;

• alta precisão de posicionamento.

A estabilidade das características do drive deve ser garantida sob variações de carga, mudanças na temperatura ambiente, tensão de alimentação e muitos outros motivos. Isso é facilitado pelo desenvolvimento de um sistema de controle automático adaptativo racional.

Parte mecânica do acionamento da máquina

A parte mecânica do acionamento pode ser uma estrutura cinemática complexa contendo muitas partes girando em diferentes velocidades. Os seguintes elementos são geralmente distinguidos:

• rotor de um motor elétrico que gera torque (girando ou freando);

• transmissão mecânica, t, s. um sistema que determina a natureza do movimento (rotacional, translacional) e altera a velocidade do movimento (redutor);

• um corpo de trabalho que converte a energia do movimento em trabalho útil.

Rastreamento de acionamento assíncrono do movimento principal da máquina de corte de metal

O moderno acionamento elétrico ajustável do movimento principal das máquinas CNC para usinagem de metais é baseado principalmente em motores assíncronos com enrolamento de rotor de gaiola, o que foi facilitado por muitos fatores, entre os quais deve-se notar a melhoria da base de informações elementares e eletrônica de potência.

A regulação dos modos dos motores de corrente alternada é realizada alterando a frequência da tensão de alimentação por meio de um conversor de potência, que, juntamente com a regulação da frequência, altera outros parâmetros.

As características do acionamento elétrico de rastreamento dependem em grande parte da eficiência do ACS integrado.O uso de microcontroladores de alto desempenho forneceu amplas oportunidades para organizar sistemas de controle de acionamento elétrico.

Arroz. 3. Estrutura de controle típica do motor de indução usando um conversor de frequência

O controlador de acionamento gera sequências de números para a chave liga/desliga que regula a operação do motor elétrico. O controlador de automação fornece as características necessárias nos modos de partida e parada, bem como ajuste automático e proteção do equipamento.

A parte de hardware do sistema de computação também contém: - conversores analógico-digital e digital-analógico para inserir sinais de sensores e controlar sua operação;

• módulos de entrada e saída para sinais analógicos e digitais, equipados com equipamentos de interface e conectores de cabos;

• blocos de interface que realizam transmissão de dados intermódulos internos e comunicação com equipamentos externos.

Um grande número de configurações do conversor de frequência, introduzidas pelo desenvolvedor, levando em consideração os dados detalhados de um determinado motor elétrico, fornecem certos procedimentos de controle, entre os quais podem ser observados:

• regulação de velocidade multinível,

• limite de frequência superior e inferior,

• limite de torque,

• frenagem por fornecimento de corrente contínua a uma das fases do motor,

• proteção contra sobrecarga, mas em caso de sobrecarga e superaquecimento, fornecendo modo de economia de energia.

Acionamento baseado em motores DC sem contato

Os acionamentos de máquinas-ferramenta têm altos requisitos para a faixa de controle de velocidade, linearidade das características de controle e velocidade, pois determinam a precisão do posicionamento relativo da ferramenta e da peça, bem como a velocidade de seu movimento.

Os acionamentos de energia foram implementados principalmente com base em motores DC, que possuíam as características de controle necessárias, mas, ao mesmo tempo, a presença de um coletor mecânico de escovas estava associada a baixa confiabilidade, complexidade de manutenção e alto nível de interferência eletromagnética.

O desenvolvimento da eletrônica de potência e das tecnologias de computação digital contribuiu para sua substituição em acionamentos elétricos por motores de corrente contínua sem contato, o que possibilitou melhorar as características energéticas e aumentar a confiabilidade das máquinas-ferramenta. No entanto, os motores sem contato são relativamente caros devido à complexidade do sistema de controle.

Mas o princípio de operação de um motor sem escova é uma máquina elétrica de corrente contínua com um indutor magnetoelétrico no rotor e enrolamentos de armadura no estator. O número de enrolamentos do estator e o número de pólos dos ímãs do rotor são selecionados dependendo das características exigidas do motor. Aumentá-los ajuda a melhorar a direção e o manuseio, mas leva a um design de motor mais complexo.

Ao acionar máquinas de corte de metal, é utilizada principalmente uma estrutura com três enrolamentos de armadura, feitos na forma de várias seções conectadas, e um sistema de excitação de ímãs permanentes com vários pares de pólos (Fig. 4).

Arroz. 4. Diagrama funcional de um motor DC sem contato

O torque é formado devido à interação dos fluxos magnéticos criados pelas correntes nos enrolamentos do estator e os ímãs permanentes do rotor. A direção constante do momento eletromagnético é assegurada pela comutação adequada fornecida aos enrolamentos do estator com corrente contínua. A sequência de conexão dos enrolamentos do estator à fonte U é realizada por meio de chaves semicondutoras de potência, que são comutadas sob a ação de sinais do distribuidor de pulso ao fornecer tensão dos sensores de posição do rotor.

Na tarefa de regular os modos de operação do acionamento elétrico de motores CC sem contato, destacam-se os seguintes problemas inter-relacionados:

• desenvolvimento de algoritmos, métodos e meios de controlar um conversor eletromecânico afetando grandezas físicas disponíveis para medição;

• criando um sistema de controle de acionamento automático usando a teoria e os métodos de controle automático.

Acionamento eletro-hidráulico baseado em um motor de passo

Nas máquinas-ferramenta modernas, os acionamentos eletro-hidráulicos (EGD) são semi-comuns, nos quais sinais elétricos discretos provenientes de um sistema CNC eletrônico são convertidos por motores elétricos síncronos em rotação do eixo. O torque desenvolvido sob a ação dos sinais do controlador de acionamento (CP) do sistema CNC do motor elétrico (EM) é o valor de entrada para o amplificador hidráulico conectado através da transmissão mecânica (MP) ao corpo executivo (IO) da máquina-ferramenta (Fig. 5).

Arroz. 5. Esquema funcional do acionamento eletro-hidráulico

A rotação controlada do rotor do motor elétrico por meio da transformação de entrada (VP) e da válvula hidráulica (GR) provoca a rotação do eixo do motor hidráulico (GM). Para estabilizar os parâmetros do amplificador hidráulico, geralmente é usado feedback interno.

Nos acionamentos elétricos de mecanismos com movimento de natureza start-stop ou movimento contínuo, têm encontrado aplicação os motores de passo (SM), que são classificados como um tipo de motores elétricos síncronos. Motores de passo excitados por pulso são mais adequados para controle digital direto usado em controle CNC.

O movimento intermitente (passo a passo) do rotor em um determinado ângulo de rotação para cada pulso torna possível obter uma precisão de posicionamento suficientemente alta com uma faixa muito grande de variação de velocidade de quase zero.

Quando você usa um motor de passo em um acionamento elétrico, ele é controlado por um dispositivo que contém um controlador lógico e uma chave (Fig. 6).

Arroz. 6. Dispositivo de controle do motor de passo

Sob a ação do comando de controle de seleção de canal n, o controlador de acionamento CNC gera sinais digitais para controlar a chave do transistor de potência, que na sequência necessária conecta a tensão CC aos enrolamentos do estator. Para obter pequenos valores de deslocamento angular em uma etapa α = π / p, um ímã permanente com um grande número de pares de pólos p é colocado no rotor.