Модернизация станка, в первую очередь подразумевает обновление систем ответственных за точное перемещение инструмента и детали. Проблем связанных с механической обработкой и заменой изношенных механических узлов мы касаться не будем, поговорим об электроприводе, так как без него ни один станок работать не будет.
На большинстве отечественных станков ранее штатно устанавливались двигатели постоянного тока. Они относительно надежны и неприхотливы в эксплуатации. Однако это не относится к их щеточным аппаратам, которые требуют регулярного контроля и обслуживания. Возникает законное желание оставить их на станке. Отдельный разговор — настройка приводов постоянного тока. Штука сложная, настроить такой привод может только специалист, а если его нет или он заболел, то приходится его искать на стороне, а станок при этом простаивает, принося убытки вместо прибыли. В крайнем случае, при острой нехватке средств, можно конечно «постоянники» и оставить, но лучше заменить привода на современные. Выбор новых приводов очень широк, только одних производителей станочных приводов наберется с сотню. Кого выбрать — решайте сами, как выбрать — постараемся разобраться.
Собственно вариантов замены старого привода на новый, не так уж много. Осталось найти тот, который наиболее полно будет соответствовать поставленной задаче:
Асинхронный электродвигатель с датчиком поворота (энкодером) на валу и преобразователем частоты с обратной связью — наиболее простой вариант замены. При выборе надо учитывать, что у асинхронного электродвигателя, при одинаковой мощности, крутящий момент меньше чем у электродвигателя постоянного тока. Обычно выбирается двигатель на 20-30% большей мощности. Современные асинхронные привода позволяют получить характеристику скорость/момент не хуже чем у привода постоянного тока. Причем у них отсутствуют щетки, а все остальное в обслуживании практически не нуждается. Поставили на станок, настроили и забыли, просто и удобно.
Асинхронный электродвигатель с преобразователем частоты без обратной связи. Если требуется выбрать привод для вращения патрона токарного станка, не предназначенного для нарезания резьбы и прочих операций, требующих позиционирования патрона, то использование привода с обратной связью не всегда будет оправдано, в некоторых случаях можно обойтись обычным общепромышленным асинхронным электродвигателем и преобразователем частоты без обратной связи или с виртуальной обратной связью.
Бесколлекторный электродвигатель на постоянных магнитах с датчиком положения ротора (резольвером или абсолютным энкодером) и преобразователем частоты — этот лучший вариант замены, но не самый экономичный. Бесколлекторный электродвигатель выбирается по требуемой частоте вращения вала и максимальному крутящему моменту. Выбирать такой мотор по мощности не стоит, так как их характеристики сильно отличаются как от двигателей постоянного тока, так и асинхронных. Эти электромоторы при меньших габаритах обеспечивают больший крутящий момент, что может являться решающим фактором при недостатке места для монтажа. В обслуживании они так же не нуждаются.
Бесколлекторный электродвигатель на постоянных магнитах с датчиком положения ротора, преобразователем частоты и безлюфтовым редуктором — очень хорошее решение для приводов, где не требуется большая скорость. За счет использования редуктора, можно увеличить крутящий момент, используя двигатель и преобразователь частоты меньшей мощности. Не стоит пугаться высокой стоимости безлюфтовых редукторов, стоимость маломощного двигателя с редуктором, скорее всего, окажется ниже, чем электродвигателя большой мощности. Вполне возможно, что двигатели изначально стоявшие на Вашем станке, обеспечивали такие максимальные скорости перемещения, каким Вы никогда не пользовались и, переоценив необходимые скоростные характеристики можно хорошо сэкономить на приводах, не потеряв в качестве работы станка.
Линейный электродвигатель прямого привода с преобразователем частоты— достаточно новое явление на станочном рынке. Конструктивно это тот же Бесколлекторный электродвигатель на постоянных магнитах, ротор и статор которого развернуты в плоскости. Имеет серьезные преимущества по сравнению с обыкновенными электродвигателями — отсутствие редуктора и шарико-винтовой пары, превосходная динамика, большая скорость перемещения, отсутствие люфтов. Но при модернизации станка может потребовать значительной переделки механической части, потому его использование более целесообразно в новых станках или при серьезной модернизации механики. Первый взгляд на цену такого привода может напугать. Однако следует сравнить его стоимость с тем, во сколько обойдется покупка всех компонентов отдельной оси перемещения из привычных компонентов:
- двигатель,
- преобразователь частоты,
- шарико-винтовая пара,
- опорные подшипники ШВП,
- линейные направляющие и каретки к ним,
- детали несущей рамы.
Весь этот комплект заменяется линейным приводом и при таком сравнении он уже не кажется чрезмерно дорогим.
Еще одним преимуществом линейного привода является наличие датчика линейного перемещения установленного на каретке, что позволяет отказаться от использования дополнительных магнитных или оптических линеек для точного считывания перемещений.
Шаговый электродвигатель с блоком управления — сомнительный выбор, однако также применяется в станках, где его использование оправдано в силу каких либо причин. Простота управления и относительно низкая цена, как самих двигателей, так и их блоков управления, позволяет строить на шаговых двигателях очень дешевые системы перемещения, например для гравировальных или фрезерных столов «гаражного» изготовления. В качестве управляющей системы ЧПУ в таком случае используется обычный компьютер. Главным недостатком шаговых двигателей является небольшой крутящий момент, низкая максимальная скорость, достаточно большая величина «шага», ярко выраженный «шаговый» характер перемещения на низких скоростях, большую потребляемую мощность в состоянии покоя и крайне неприятную возможность проскальзывания шага при чрезмерной нагрузке. Эти недостатки частично компенсируются использованием понижающей передачи, однако максимальная скорость при этом падает еще больше. Значительно улучшить характеристики шагового двигателя, можно используя дробление шага и обратную связь по положению вала, но это резко увеличивает стоимость системы.
Электродвигатель постоянного тока с блоком управления — если и стоит рассматривать, то как крайний вариант. До сих пор производимые в нашей стране и бывшем соцлагере, блоки управления и сами двигатели постоянного тока, своим качеством изготовления, возможностями и сервисом только усугубляют проблемы их эксплуатации и обслуживания. Асинхронный или бесколлекторный электродвигатель позволяют решать те же задачи, но с меньшими затратами и головной болью.
Применение датчиков угла поворота и линейного перемещения так же имеет некоторые тонкости, которые следует учитывать при модернизации станочного оборудования.
Большинство электроприводов станка имеют датчики на валу электродвигателя, в большинстве случаев сигналы этих датчиков можно использовать для контроля перемещения оси со стороны СЧПУ, но в некоторых случаях такое использование недопустимо. Датчик, отслеживающий положение и перемещение оси, должен иметь жесткую связь с точкой, в которой контролируется позиция. В некоторых случаях наличие люфтов, возможно, скомпенсировать в настройках программы СЧПУ, однако это возможно только в том случае, когда люфт имеет одинаковую величину на всей протяженности перемещения. Например: люфт в цилиндрическом редукторе имеет практически неизменную величину и легко компенсируется программно. Другой пример — изношенная зубчатая рейка, в данном случае величина люфта будет меняться в зависимости от степени изношенности зубьев рейки, и его программная компенсация может оказаться невозможной. В данном случае логично будет установить дополнительно линейный датчик, непосредственно на перемещаемый узел.
Иногда возникает обратная ситуация, имеется асинхронный электродвигатель без датчика и датчик имеющий механическую связь с двигателем но установленный после редуктора или коробки переключения скоростей, например на валу патрона токарного станка. Возникает желание использовать этот датчик в цепи обратной связи по скорости преобразователя частоты. Однако ввиду того, что цилиндрические редукторы имеют люфты в зубчатых передачах, использование такой обратной связи может оказаться невозможным, так как для нормальной работы, преобразователю частоты необходимо, чтобы датчик поворота вала имел жесткую связь с электродвигателем. По той же причине невозможно использовать для контроля скорости, датчики соединенные с валом электродвигателя через ременные передачи. Так как в ременном приводе возможно проскальзывание и ремень может растягиваться при изменении нагрузки, добавляя в цепь обратной связи неконтролируемое упругое звено.
Как итог изложенного следует, что датчик положения ротора должен быть закреплен непосредственно на валу электродвигателя или, если это невозможно, в качестве крайней меры, на выходном валу безлюфтового редуктора. По этому датчику, так же возможно контролировать положение и перемещение исполнительного узла, при условии, что в кинематической схеме отсутствуют элементы проскальзывания и неравномерных люфтов. В противном случае, следует использовать для контроля позиции отдельный датчик, соединенный непосредственно с перемещаемым узлом.
Еще один вопрос, на котором стоит остановиться отдельно — как осуществляется связь преобразователя частоты и управляющей части станка, например системы ЧПУ. Самый старый и распространенный вариант, это управление аналоговым сигналом по напряжению амплитудой 5 или 10 вольт или по току 0..20ма или 4..20ма. Аналоговое управление достаточно просто реализуется, но имеет существенный недостаток — подверженность электромагнитным помехам. Практически любой блок управления электродвигателем (как постоянного тока, так и асинхронным) имеет на выходе импульсное напряжение высокой энергии, которое создает помехи в слаботочных цепях расположенных по соседству. Причем аналоговые сигналы с управлением по напряжению более подвержены помехам, чем токовые. Полностью избавиться от этих помех невозможно, можно только минимизировать их влияние установкой выходных фильтров, правильным экранированием всех аналоговых и силовых цепей и использованием гальванической развязки. Неправильное соединение цепей экранирования и заземления — одна из распространенных причин вызывающих проблемы при работе приводов на станке. Причем часто возникает ситуация что в процессе наладки привод работает нормально, а проблемы появляются только в процессе работы, когда одновременно функционируют несколько приводов станка.
Гораздо проще бороться с помехами, если управляющие сигналы от СЧПУ к приводу передаются в цифровом виде. При этом задание скорости приводу не проходит двойного преобразования «цифра-аналог-цифра» что вносит свои ошибки, а так же в намного меньшей степени подвержено влиянию внешних электромагнитных помех. Современные привода обычно позволяют работать с несколькими цифровыми интерфейсами, выбор одного из вариантов осуществляется установкой платы или модуля расширения в блок управления. К сожалению, многие системы ЧПУ, производимые в настоящее время, не позволяют использовать цифровое управление приводом, а используют только управление аналоговым сигналом. Поэтому при выборе интерфейса, стоит предварительно убедиться, что он поддерживается СЧПУ, которую вы собираетесь использовать или искать СЧПУ имеющую такую возможность.
Некоторые системы ЧПУ, рассчитанные для управления шаговыми двигателями, используют для управления приводами дискретные сигналы «направление, шаг». Этот способ можно считать достаточно хорошо защищенным от помех, однако изначально он ориентирован на пошаговое перемещение, и использовать его для управления приводами других типов затруднительно.
Существует еще один интересный вариант построения станка с ЧПУ, это использование систем в одном корпусе сочетающих преобразователи частоты и контроллер управления движением. В таком варианте управление преобразователями частоты осуществляется по скоростному цифровому интерфейсу внутри блока. Такой вариант имеет значительные преимущества по сравнению с обычной конфигурацией, когда контроллер управления движением (СЧПУ) и преобразователи частоты располагаются отдельно, это наилучшая согласованность элементов системы, высокая помехозащищенность и что немаловажно экономия пространства внутри шкафа управления. Преобразователи частоты встроенные в такие устройства обычно имеют большое количество вариантов настройки для работы с электродвигателями различных типов и производителей. Управление блоком осуществляется по последовательному интерфейсу от внешней панели оператора (или индустриального компьютера, выполняющего роль операторской панели) и устройства хранения и редактирования управляющих программ. Такой вариант удобен еще и тем, что панель оператора можно отнести на достаточно большое расстояние от шкафа управления. При этом не требуется тянуть больше количество проводов к пульту, так как датчики и клапаны, концевые выключатели и прочие элементы подключаются к контроллеру движения, а все данные передаются в пульт оператора по последовательному интерфейсу, требующему максимум четыре провода.
Еще одна проблема, которую надо учитывать при выборе приводов, это возможность сопряжения датчика на валу двигателя с блоком управления. Одно то, что на двигателе закреплен резольвер, а в преобразователе частоты установлена плата связи с резольвером, еще не является гарантией работоспособности такой связки. Резольверы разных производителей могут быть рассчитаны на различные рабочие напряжения и частоты, так же распайка разъемов датчиков у разных производителей может отличаться. Если электродвигатель и блок управления изготовлены одним производителем и продаются комплектно, таких проблем не возникает. Но если вы собираетесь использовать двигатели уже установленные на станке или просто компоненты от разных производителей то стоит предварительно убедится в их совместимости, причем не «по телефону», а взяв образец у поставщика для испытаний. Серьезные продавцы приводной техники предоставляют такую возможность, а с другими лучше не связываться
Планируя модернизацию станка, стоит призадуматься и об эффективности работы на нем. Даже если станок предназначается исключительно для ручного перемещения инструмента, стоит оснастить его устройством цифровой индикации, что, несомненно, ускорит операции по обработке деталей, так как рабочему не придется периодически останавливать станок для измерений. Стоимость УЦИ невысока, а эффект от ее использования будет виден уже в первый день работы. Это самый простой дешевый способ добавить станку удобства и качества работы. Перемещение инструмента выполняется вручную, но координаты уже считываются и отображаются автоматически.
Немного сложнее вариант использования УЦИ с предварительным набором позиции. Это ещё не система ЧПУ, но уже подразумевает наличие приводов подачи. Её имеет смысл использовать на тех станках, где уже есть привода подачи, но управление ими осуществляется вручную. Станочнику достаточно задать скорость и расстояние перемещения, дальше все сделает автоматика, значительно сокращается шанс «проскочить» требуемую точку. Скорости работы это прибавит немного, зато человек, работающий на станке, меньше устанет и сделает меньше ошибок. Особенно эффективна такая схема, когда выполнение одной операции занимает продолжительное время, например токарная обработка длинномерных деталей с малыми подачами.
Ну и, наконец, вершина инженерной мысли — СЧПУ. Собственно это не более чем компьютер, выполняющий одну единственную программу «управление станком». Бытует ошибочное мнение, что система ЧПУ требуется только там где идет серийное изготовление одинаковых деталей. Это совсем не обязательно и скорее даже наоборот, конечно станок «автомат» выдаст больше деталей чем «ручной», но даже при штучном производстве система ЧПУ позволит оптимизировать процесс за счет автоматизации простых операций вроде нарезания резьбы или глубокого сверления. Конечно, даже самая простая система ЧПУ стоит немалых денег и прежде чем решится на её использование стоит посчитать затраты.
Сейчас на рынке представлено большое количество систем ЧПУ как отечественного, так и импортного производства и первый раз оказавшись перед проблемой выбора можно растеряться. Хотя на самом деле все не так страшно. В первую очередь стоит определиться, сколько координат имеется на станке. Естественно выбранная СЧПУ должна поддерживать не меньше осей, чем есть на станке. Далее стоит определиться требуется ли линейное и нелинейное перемещение по нескольким осям одновременно. Некоторые системы ЧПУ в минимальной комплектации поддерживают только линейную интерполяцию по двум осям, дорогие системы позволяют согласованно перемещать 6-8 осей по различным нелинейным траекториям. Разнообразие возможностей конечно хорошо, однако, зачем нам 8 осей с интерполяцией на простом сверлильном станке? Выбирать стоит систему, содержащую все требуемые и минимум ненужных функций, ведь платить придется за все, даже за неиспользуемые опции. Следует очень внимательно пересчитать все имеющиеся на станке датчики, органы контроля и управления (конечные выключатели, кнопки, манипуляторы, и.т.д.) и исполнительные механизмы (электромагнитные муфты, электроклапаны, и.т.д.) для того чтобы определить количество требуемых дискретных входов и выходов. Некоторые системы имеют ограничение по количеству входных и выходных сигналов, другие позволяют добавлять необходимое количество, подсоединяя дополнительные модули расширения. Если в процессе окончательной сборки станка обнаружится что, не хватает двух-трех релейных выходов, то добавить их будет очень сложно, значительно проще в процессе разработки заложить 20%-й избыток, он может пригодиться и при модификации станка в будущем.
Неплохо также перед приобретением убедиться, что данная СЧПУ сопрягается с выбранными Вами приводами, а еще лучше получить об этом письменное подтверждение фирмы изготовителя или проверить самому до приобретения.
Иногда проблемы возникают в стыковке СЧПУ датчикам положения, магнитными или оптическими линейками, о возможности сопряжения всех используемых у Вас датчиков стоит предварительно проконсультироваться с производителем. Таким образом, можно избежать многих неприятностей в процессе пуско-наладочных работ.
Еще стоит упомянуть проблему, возникающую в основном в больших цехах старых предприятий, это сеть. В теории, то есть в распределительном щите цеха должно быть 3 фазы по 380 вольт, вот только на практике такое встречается редко. Нагрузки большой мощности, коммутируемые в цеху, и недостаточное сечение питающих цех кабелей приводят к сильным просадкам сетевого напряжения, а это в свою очередь одна из основных причин сбоев станков со сложной электроникой. Для станков без электроники, имеющих в электрической части один или несколько двигателей, такие просадки могут быть незаметны, а вот для системы ЧПУ это может стать причиной отказа. Поэтому стоит проконтролировать состояние питающей сети в цеху и при значительных отклонениях напряжения использовать для питания СЧПУ устройство бесперебойного питания или как минимум стабилизатор напряжения, хотя как показывает практика, на производстве он малоэффективен. Возможно, окажется полезным, проложить к станку отдельный кабель от распределительного щита, стоит это недорого, а снижение помех от питающей сети позволит избежать многих проблем в работе.
