Электропривод для станка с ЧПУ

Современные тенденции металлообрабатывающего оборудования

Ключевые направления развития

Машиностроение переживает серьезные изменения. Производители стремятся сделать оборудование более гибким и универсальным. В одном станке теперь концентрируется все больше разнородных технологических операций. Это логично.

Одновременно решаются несколько задач:

• ✓ Повышение производительности без ущерба качеству деталей
• ✓ Увеличение энергоэффективности станков
• ✓ Рост числа рабочих координат
• ✓ Существенное увеличение скоростей быстрых перемещений и рабочих подач
• ✓ Повышение скорости резания
• ✓ Обработка материалов с повышенной твердостью и вязкостью
• ✓ Совмещение силовой и финишной обработок в рамках одного станка
• ✓ Внедрение автоматизированных и роботизированных производственных модулей
• ✓ Применение высокоскоростных цифровых СЧПУ с возможностью 5-координатной обработки

Задачи развития современного металлообрабатывающего оборудования предъявляют повышенные требования как ко всей системе управления электрооборудованием в целом, так и к электроприводу — его основной составляющей.

Требования к электроприводам станков

Результатом ужесточения требований стали конкретные характеристики:

На современном этапе можно выделить два подхода к определению качества работы станочного электропривода.

Подходы к оценке качества электроприводов

Международная практика

В мировой практике преобладает комплектная поставка систем управления. Производитель станков получает как саму систему ЧПУ, так и специально разработанный станочный электропривод того же производителя.

Основные поставщики комплектных систем:

• ★ Siemens (Германия)
• ★ Heidenhain (Германия)
• ★ Fanuc (Япония)
• ★ Fagor (Испания)

Качество таких систем проверяется по результатам серии испытаний на станке. База — современные стандарты в области станкостроения:

ISO-230 (международный), JIS B 6336-1986 (Япония), VDI/DGQ 3441 (Германия), ASME B5.54-92 (США), BSI BS 4656 Part 16 (Великобритания).

В рамках этих стандартов четко прописаны все аспекты испытаний: основные характеристики, способы измерений, используемое оборудование, набор экспериментов и условия их проведения, методики обработки результатов.

Поскольку электропривод рассматривается как составная часть системы управления, отдельных требований к нему не предъявляется. Преимущества подхода — унифицированная система испытаний и прозрачные показатели качества.

Российский подход

В России исторически сложилась иная ситуация. Электроприводы для станков и системы ЧПУ поставлялись разными производителями и представляли собой самостоятельные продукты. Большинство качественных приводов закупалось в рамках международного сотрудничества со странами СЭВ (Болгария, Чехословакия, Венгрия).

В этих условиях появился ГОСТ 27803-91, регламентирующий характеристики электроприводов для металлорежущего оборудования. Стандарт разрабатывался с целью формирования набора качественных требований и количественных показателей для оценки возможности применения электропривода в станках с ЧПУ.

Проблема в том, что стандарт формировался в условиях преобладания приводов на базе двигателей постоянного тока с аналоговым управлением скоростью.

Сегодня тенденция раздельного изготовления приводов и систем ЧПУ сохраняется. На рынке появилось значительное количество импортных силовых преобразователей, которые дилеры позиционируют для станочного применения. Оценить степень их соответствия затруднительно — производитель указывает лишь те характеристики, которые важны с его точки зрения.

Проведенные испытания ряда импортных преобразователей показали: при снижении скорости от номинальной в диапазоне 700:1 наблюдается рост колебаний скорости и возникает «шагающий» режим.

Кроме того, появились «сервоприводы» с возможностями позиционного управления. Их использование осложняется тем, что отечественные системы ЧПУ имеют встроенный контур управления положением и ориентированы на управление скоростью.

Крупные станкостроительные заводы проводят испытания различных приводов по своим методикам. Для небольших предприятий, связанных с модернизацией и ремонтом станков, путь сравнительных испытаний вряд ли оптимален. Этот подход связан с большими затратами времени и финансов, требует специализированного оборудования.

Ступенчатое воздействие: проверка быстродействия

Целесообразно ввести в существующий стандарт такой набор показателей, который позволил бы выделить специализированные приводы из общей массы и количественно оценить их возможности.

Анализ зарубежных источников указывает: подобными характеристиками может быть набор тестовых воздействий, используемых при испытании станков, но спроецированный на отдельный привод.

Особенность станочного электропривода — требование обеспечения качественного контурно-позиционного движения. К числу тестовых сигналов относятся:

• → Ступенчатое воздействие по заданию
• → Гармоническое воздействие
• → Последовательное позиционирование в прямом и обратном направлениях
• → Разгон и реверс на номинальную скорость
• → Наброс и снятие нагрузки на вал двигателя

Один из основных способов определения статической точности и быстродействия — отработка ступенчатого воздействия.

Рис. 1. Отработка ступенчатого переходного процесса по положению

Применительно к скоростным приводам данное тестовое воздействие также допустимо. Основное назначение — проверка характера переходного процесса «в малом» и качества настройки замкнутого канала управления без учета ограничений.

Отработка в линейной зоне должна иметь апериодический характер с максимальным быстродействием. Для передовых зарубежных позиционных приводов при повороте на угол 1/80-1/60 оборота вала этот показатель составляет 20-50 мс. Для скоростных приводов разгон на скорость порядка 1/100 номинального значения происходит за 10-30 мс.

Последовательное позиционирование: оценка повторяемости

Следующее тестовое воздействие позволяет оценить повторяемость — способность показывать идентичные результаты в серии однотипных испытаний.

Речь о серии ступенчатых перемещений или последовательном позиционировании в ряд точек. Достаточно набора движений от 5 до 10 позиций — сначала в одном направлении, затем в обратном.

Рис. 2. Отработка ряда ступенчатых перемещений

Тест наглядно демонстрирует наличие асимметрии (если таковая имеется) в системе управления, а также качество настройки интегральной части. Привод с недостаточным значением интегральной части на серии перемещений будет демонстрировать снижение повторяемости.

Для скоростных систем тест также применим — привод последовательно выходит на заданные значения скорости. Амплитуды воздействий остаются такими же, период обновления сигнала управления — 100-150 мс для позиционных систем и 80-120 мс для скоростных.

Хорошим результатом для позиционных систем следует считать отклонение ±2 дискреты измерителя перемещения, для скоростных — отсутствие статической ошибки.

Динамическая точность: круговая интерполяция

Динамическая точность — ошибка регулирования положения, возникающая независимо от характера движения во всем скоростном диапазоне. Это определяющая характеристика при обработке сложно-контурных изделий (пресс-формы, резьба и т.п.).

Универсальное средство демонстрации динамической точности станка — отработка кругового движения. Тест входит в набор стандартных при приемочных испытаниях согласно ISO-230 и ГОСТ Р ИСО-230.

Рис. 3. Отработка круговой интерполяции

Рис. 4. Отработка круговой интерполяции системами с а) угловым и б) линейным измерителями перемещения

Многие производители приводят несколько окружностей для демонстрации динамической ошибки при разных скоростях подачи и различных вариантах установки измерителя перемещения. Качественная система управления должна обеспечивать приблизительно одинаковую динамическую ошибку на всех рабочих скоростях.

Гармонические сигналы: проверка слежения

Применительно к отдельному приводу тестовое воздействие сводится к гармоническому сигналу (синусоида или косинусоида). При отработке окружности на плоскости каждый привод в рамках своей оси выполняет именно гармоническое движение.

Рис. 5. Отработка гармонического сигнала

Имеет смысл отрабатывать гармонический сигнал разной частоты. Характеристика аналогична полосе пропускания. Принципиальное отличие: в системах с компенсирующими связями ограничение по току или напряжению наступает раньше, нежели спад частотной характеристики на 3 дБ.

В идеале электропривод не должен иметь зависимости ошибки слежения от частоты во всей линейной зоне. Тестовый сигнал применим и к системам с регулятором скорости — относительно скоростного задающего воздействия.

Разгон и реверс: динамические возможности

Следующее тестовое воздействие позволяет оценить динамическую точность привода в режимах быстрого изменения скорости. Речь о разгоне электропривода на номинальную скорость с последующим реверсом и торможением.

Рис. 6. Разгон до номинальной скорости

Параметр наглядно показывает динамическую ошибку электропривода при быстрых ускорениях и замедлениях. Характеристика должна отрабатываться в линейной зоне — иначе возможности привода по слежению за сигналом задания окажутся ограниченными.

Подобный тестовый сигнал применим и к скоростным системам — он позволяет определить динамические возможности привода по обеспечению ошибки регулирования во всем диапазоне скоростей и ускорений.

Динамическая жесткость: реакция на нагрузку

Описанные характеристики демонстрируют возможности электропривода при отработке управляющих воздействий по каналу задания. Для станочного электропривода не менее важен параметр динамической жесткости — способность компенсировать внешние возмущающие воздействия.

В существующем стандарте рассматриваемый параметр определен только для привода главного движения и предъявляет требования к времени возврата на заданную скорость.

Конечному потребителю важно знать, какую ошибку успеет накопить привод и как быстро эта ошибка вернется в диапазон допуска. Особенно это важно для позиционных приводов — такие системы должны обеспечивать близкую к нулевой ошибку слежения во всех режимах работы в линейной зоне.

Для позиционных приводов целесообразно проводить ряд испытаний с разным уровнем момента нагрузки и указывать для каждого момента не только время восстановления, но и величины максимального рассогласования.

Для приводов, управляемых по скорости, определение динамической жесткости сложнее — без внешней системы управления такой привод не способен компенсировать позиционную ошибку. Для таких систем целесообразно указывать численное значение максимального рассогласования по скорости и времени переходного процесса при приложении и снятии с вала двигателя различных моментов нагрузки вплоть до номинального.

Структуры современных регуляторов

Эволюция систем управления

Требование эффективного воспроизведения контурно-позиционного движения определило ряд качественных показателей к структурному построению современного станочного электропривода.

Результат — появление нового поколения цифровых электроприводов, специально предназначенных для воспроизведения движения. Производители: Emco, Siemens, Kollmorgen и другие.

Отличительные особенности:

• ✔ Реконфигурируемая структура с возможностью динамического изменения набора регуляторов
• ✔ Ориентация на управление положением как с промежуточным контуром скорости, так и без него
• ✔ Встроенные цифровые фильтры для подавления резонансных частот
• ✔ Механизмы компенсации трения и люфтов

Набор регуляторов положения и скорости содержит П, ПИ, ПИД-регуляторы с дополнительно введенными упреждающими компенсирующими связями по скорости и ускорению сигнала задания.

Рис. 7а. Типовая структура регулятора скорости

Регулятор скорости обладает компенсирующими связями по скорости и ускорению, а также интегральной составляющей ошибки. Это обеспечивает малую ошибку по скорости как по каналу задания, так и по каналу возмущения.

Известно: увеличение числа контуров управления неизбежно ведет к снижению быстродействия. Каждый новый контур снижает быстродействие примерно в два раза.

Поэтому разработчики предлагают использовать регуляторы положения, способные обеспечить прямое управление моментом без промежуточного контура скорости.

Рис. 7б. Типовая структура регулятора положения

Данный регулятор содержит ПИД-регулятор положения, демпфирующую связь по скорости для подавления колебаний, а также упреждающие связи по скорости и ускорению сигнала задания.

Применение подобной структуры позволяет обеспечить малые динамическую и статическую ошибки как по каналу нагрузки, так и по каналу управления, расширить полосу пропускания привода.

Рассмотренный класс специализированных приводов обеспечивает более высокое качество работы по сравнению с широким классом станочных приводов, имеющих только контур управления скоростью без компенсационных связей.

Но следует иметь в виду: во многих случаях контур положения реализуется не в приводе, а в системе числового программного управления, параметры которой могут существенно ограничивать достижимую точность и быстродействие.

Рекомендации по совершенствованию стандартов

Для правильного определения возможностей приводов и сравнения их характеристик целесообразно ввести в существующий стандарт ряд дополнительных показателей:

Дополнительный ориентир в выборе электропривода — набор характеристик, позволяющих выделить современные станочные электроприводы в отдельную группу:

• ☑ Наличие ПИД-регулятора положения с компенсирующими связями по скорости и ускорению
• ☑ Наличие ПИ-регулятора скорости с компенсирующими связями
• ☑ Компенсация момента трения и кинематического зазора
• ☑ Встроенные фильтры для подавления резонансных частот
• ☑ Развитая система самодиагностики и настройки

Введение таких мер позволит дифференцировать существующий спектр приводов на передовые и те, что уже не отвечают требованиям современного производства. Конечный пользователь получит критерии оценки, приближенные к реальным условиям работы электропривода в составе координатной оси.

Красильникъянц Е.В., Бурков А.П., Смирнов А.А., Салахутдинов Н.В.

НТЦ «ИНЭЛСИ»

Список использованных источников:

1. Боровский Г.В. Развитие машиностроения России на основе технологического перевооружения. М.: Издательство «ИТО», 2009г. – 216 с.
2. Аналитический отчет Ассоциации «Станкоинструмент», 2009г.
3. Итоги международной станкостроительной выставки «ЕМО-Милан-2009», 2009г.
4. Каталог продукции Nakamura-Tome 2010г.
5. http//blog.ncut.edu.tw. Lecture2. Accurancy of Machine Tools
6. ГОСТ 27803-91. Электроприводы регулируемые для металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов.
7. Heidenhain. Technical Information. Fast, Accurate Contour Milling with High Surface Definition.
8. High Speed, High Precision and High Efficiency Nano Control Servo. αi series. Fanuc 2001.
9. Отчет по испытаниям привода с асинхронными двигателями на станке МА655А11. Станочная лаборатория опытного конструкторского бюро ОАО «САВМА», Савелово 2001.