Руководство новичка по ЧПУ.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Руководство новичка по ЧПУ.

Сообщение T-Duke » 29 янв 2017, 13:04

Руководство новичков по простым ЧПУ системам.

В связи с определенным интересом, который вызывает эта тема у страждущих, чувствую необходимость в ее освещении. Конечно все и полностью осветить вряд ли возможно с одной итерации и в ограниченном объеме, но самые главные вещи постараюсь осветить.

Системы Числового Программного Управления металлообрабатывающим оборудованием уже несколько десятков лет заменяют человека там где требуется многократное повторение рутинных операций, там где требуется повысить продуктивность, или обойти ограничения свойственные человеку. История чпу начинается со станков управляемых от перфолент, кому интересно может отдельно исследовать этот вопрос в сети. А нам нужно попробовать в простых терминах разобраться во всем.


Суть системы ЧПУ заключается в том, чтобы привести в движение узлы оборудования по ранее составленной программе. Вычислительное устройство (не обязательно компьютер в понимании настольного компьютера) посредством некоторого интерфейса, выдает поток команд, которые управляют исполнительными устройствами, которые в свою очередь обеспечивают работу оборудования и процесс производства деталей. В полном понимании ЧПУ - это робототехническая система, с некоторым множеством исполнительных мехатронных и вспомогательных устройств, которые обеспечивают полный цикл производства некоторой продукции. Тут можно много говорить о разных автоматических устройствах загрузки, установки заготовок, смены инструмента, подачи рабочих жидкостей в зону обработки, удаления отходов и т.п. Но новичков как правило интересуют более простые варианты - роботизировать токарный, или фрезерный станок, или изготовить станок, который затем планируется управлять с помощью определенного ПО.

Систему ЧПУ, грубо можно разделить на три уровня: механический, программно-аппаратный низкого уровня, программно-аппаратный высокого уровня.


Механический уровень

Сюда относят собственно станок а так же приводы механического движения всех узлов станка. Например имеем токарный станок. Чтобы его автоматизировать, или роботизировать, нужно установить приводы, которые будут приводить узлы станка в движение, а так же установить дополнительные приводы или исполнительные устройства если они требуются. Например электромагнитный клапан включения подачи СОЖ в зону обработки, привод удаления стружки, привод, автозажима заготовки, автосмены инструмента и т.д.

Для того, чтобы обеспечить движение узлов станка в качестве привода используются специальные электродвигатели, или шаговые двигатели, или так называемые серводвигатели.

Шаговые двигатели
Это тип электродвигателей, которые вследствие специальной конструкции ротора и статора, имеют некоторое множество устойчивых состояний углового положения ротора и такое же множество промежуточных (неустойчивых) состояний. Количество этих устойчивых положений ротора и определяет количество шагов на один оборот, которые может делать ШД в полношаговом режиме.
Ротор крупным планом.jpg
Ротор со статором.JPG
Ротор и статор в сборе.jpg


Как можно видеть из фотографий внутреннего устройства, ШД имеют ярко выраженные зубцы-полюса как на роторе, так и на статоре, что и создает множество устойчивых позиций ротора и позволяет передвигать ротор ШД дискретными шагами.

Довольно распространены ШД имеющие 200 и 400 шагов на оборот. Это значит, что дискретность углового перемещения таких двигателей 1:200 и 1:400 оборота, или 1.8 и 0.9 градуса на шаг. Дискретность шага двигателя как правило можно узнать взглянув на двигатель, или на этикетку наклеенную сзади, где указывается угловое разрешение шага двигателя:
Внешний вид.jpg

Как видим, на фото представлен двигатель с угловым разрешением 1.8 градуса, что значит, этот двигатель делает 200 шагов за один оборот ротора.

Основным преимуществом ШД для простых применений является отсутствие необходимости организовывать обратную связь по положению. Если ШД не перегружен по крутящему моменту, то он всегда отрабатывает новый шаг и перемещение считается состоявшимся. Если мы подадим на контроллер ШД, например 100 шагов, то если двигатель не перегружен, он исполнит эти 100 шагов и его ротор изменит свое положение на эти 100 шагов. А следовательно и исполнительный механизм или узел станка связанный с ШГ, переместится на 100 дискретных шагов. Но это все при условии, что ШД развивает достаточный крутящий момент, чтобы провернуть вал на эти 100 шагов.

Основным недостатком ШД является отсутствие гарантии непропуска шага при сложной нагрузке и неудачная зависимость крутящего момента от оборотов ротора (скорости поступления шагов), что заставляет выбирать ШД с большим запасом по крутящему моменту удержания. Так как у обычных ШД не используется ОС по положению ротора, при превышении сопротивления вращению над крутящим моментом, ШД начнет пропускать шаги и реальная позиция ротора, начнет отличаться от заданной. Это ограничивает возможности применения ШД в режимах со сложной и ударной нагрузкой, а так же ограничивает величины ускорений ротора, особенно при наличии дополнительной нагрузки на ротор.

Второй недостаток ШД - повышенная шумность в работе, так как ротор двигателя по сути двигается скачками из одного устойчивого положения в другое, что вызывает довольно сильное акустическое излучение. Для уменьшения этого явления при управлении ШД используют режим дробления шага, когда ротор двигателя переходит из одного устойчивого состояния в другое не одним целым скачком, а микрошагами. Путем специального управления токами фаз ШД можно позиционировать ротор в переходной зоне между устойчивыми положениями ротора. Например один шаг можно разбить на 8,16,32,64,128 микрошагов и переход из одного целого шага в другой может происходить плавно, пробегая последовательность микрошагов.
График отработки шагов.png

Как видим на графике выше, между полношаговым и микрошаговым режимами наблюдается колоссальная разница. В режиме полного шага, каждое продвижение ротора на один шаг вызывает сильные механические осцилляции ротора и всего что с ним связано, около точки устойчивого положения. Именно эта особенность приводит к сильному акустическому излучению всей конструкции, вибрациям и возникновению механических резонансов. Переход в режим дробления шага, значительно улучшает ситуацию.

Следует заметить, что не все ШД могут верно работать в режиме микрошага, особенно когда дробление шага велико - 32-128, только двигатели специально разработанные с поддержкой режима микрошага. Так же следует отметить, что момент удержания ШД максимален только в позициях устойчивого равновесия,то есть в позициях целых шагов. В позиции с дробным шагом, момент удержания меньше.

Для борьбы с довольно сильным акустическим шумом и вибрациями ШД, кроме дробления шага используют эластичное соединение вала ШД с валом редуктора или с ходовым винтом, с помощью упругих эластичных муфт, которые уменьшают передачу вибраций в тело конструкции:
Муфта цельная.jpg
Муфта составная.jpg
Составная муфта.png


Третий недостаток ШД - это пониженные удельные параметры, а именно удельный крутящий момент и удельная мощность в сравнении с двигателями других типов. Кроме того вследствие падающей зависимости крутящего момента от оборотов, нужно выбирать ШД с большим запасом по крутящему моменту, чтобы двигатель мог обеспечить нужный момент во всем диапазоне оборотов.

Например мы определили, что для движения координатного стола при максимальной нагрузке на него, требуется крутящий момент 1Нм = 10кгсм. Если для привода взять ШД с таким моментом, то все будет работать только на самых малых оборотах. Так если на скорости 200 шагов в секунду, ШД развивает момент 10кгсм, то на скорости 2000 шагов в секунду, момент может сильно уменьшиться, например в 10 раз. Точное изменение момента можно найти в паспорте ШД. КРоме того, умные контроллеры ШД, могут немного компенсировать этот недостаток, но тенденция остается прежней. С ростом скорости вращения ротора ШД, его максимальный крутящий момент падает. Поэтому для того, чтобы ШД мог управлять оборудованием во всем диапазоне своих оборотов, нужно выбирать такой двигатель, который обеспечит нужный крутящий момент, на своих максимальных оборотах, а не смотреть на момент удержания при неподвижном роторе. Это все заставляет выбирать для привода ШД, которые в несколько раз габаритнее своих собратьев другого типа.

Определение дискретности перемещения ШД
Зная количество шагов на один оборот вала ШД можно довольно просто вычислять дискретность перемещения узла оборудования. Если в качестве преобразователя вращательного движения в линейное поступательное выступает ШВП, то дискретность определяется из шага ШВП, путем деления на количество шагов на один оборот. Например:
Винт ШВП имеет шаг 4мм. ШД с разрешением 200 шагов на оборот даст дискретность шага 4мм/200=0,02мм, а ШД с разрешением 400 шагов, даст дискретность шага 0.01мм.

Если в качестве преобразователя в линейное движение используется ремень со шкивами, то дискретность шага определяется из длины делительной окружности зубчатого шкива, путем деления оной на разрешение ШД. Например:
Диаметр шкива по делительной окружности 50мм. Длина окружности 50мм*3.14 = 157,08мм. Дискретность перемещения = 157,08мм/400 = 0,3927мм.
Отсюда видно, что варьируя диаметр шкива зубчатого ремня, можно изменять дискретность шага и тем самым менять линейную скорость движения ремня при заданных оборотах ротора ШД. Выбор диаметра шкива, нужно делать из соображений требуемой дискретности шага. Например если требуется дискретность шага 0.1мм, на двигателе с разрешением 400 шагов на оборот, делительный диаметр шкива, должен быть равен всего 12,73мм, а за один оборот ротора, ремень будет проходить дистанцию 40мм.

Так же следует помнить, что с ростом диаметра шкива, не только растет максимальная скорость движения ремня, но и падает максимальное линейное усилие которое сможет развить ШД на ремне. Выбор диаметра шкива это задача нахождения оптимума между требуемым линейным усилием, максимальной скоростью движения и дискретностью шага.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Руководство новичка по ЧПУ.

Сообщение T-Duke » 29 янв 2017, 21:03

Серводвигатели

Этот тип электродвигателей обладает весомыми преимуществами перед ШД по совокупности параметров. В качестве серводвигателя может выступать любой тип двигателя (даже ШД, хотя это довольно непрактично) например коллекторный ДПТ, асинхронный, бесколлекторный двигатель. Но у всех этих двигателей должно быть одно общее свойство - должна быть обеспечена обратная связь о позиции ротора двигателя. Таким образом комбинация двигателя и датчика положения ротора в совокупности дает серводвигатель. Преимущество такого подхода в том, что в качестве привода могут применяться уже проверенные годами, отшлифованные двигатели с высокими удельными характеристиками, которые смогут обеспечить чпу систему мощным быстродействующим и надежным приводом. Так как в качестве серводвигателей можно использовать разные двигатели, то серво могут выглядеть по разному.

И вот так:
Большой серво.jpeg
Серво бесколлекторный.jpg
Panasonic-750w-2-3Nm-3000rpm.jpg
В обычном промышленном исполнении.jpg


И так:
elektromotor-36VDC-Dynamo-PIK-8-6-25.jpg
Dinamo Sliven PIK 6-25-3.jpg
Dinamo Sliven PIK 6-25.jpg


И даже так:
23838-2.jpg
Turnigy C8085-170.jpg


Однако в качестве серводвигателей применяют как правило двигатели закрытого исполнения, для увеличения надежности. Довольно часто встречаются сервоприводы в которые интегрируют датчик позиции (как правило резольвер),или датчик скорости ротора (тахогенератор), могут так же встраивать электромеханический тормоз.


Отличие серводвигателей от ШД

Принцип работы сервопривода, сильно отличается от принципа работы ШД. В отличие от последнего, нет скачкообразного перехода из одного положения равновесия ротора в другое соседнее. Вращение серводвигателя плавное, а дискретность позиционного положения ротора, не задана жестко как у ШД, а может меняться и определяется разрешением датчика положения (энкодера) и характеристиками сервоконтроллера, управляющего двигателем. Управление серводвигателем хотя и может рассматриваться в концепции отработки последовательности шагов, на самом деле ориентировано на плавное движение из одной угловой координаты в другую. И значительные изменения в характере движения происходят в основном между заданными начальными и конечными координатами. У шагового же привода, характер движения состоит из рывков на каждом шагу. Хотя сервопривод может повторить движение шагового привода, но такой характер движения как правило не нужен, наоборот требуется движение с ограничением производных, то есть плавное.

Самым важным свойством коллекторных и бесколлекторных двигателей, является постоянство номинального крутящего момента во всем диапазоне оборотов двигателя, а так же хорошие перегрузочные характеристики. Например если двигатель может длительно работать на своем номинальном крутящем моменте, то кратковременно, крутящий момент может возрасти в несколько раз, для преодоления кратковременной большой нагрузки. А вместе с ОС по датчику положения, серводвигатели гарантированно следуют за указанной позицией без потери координаты. Потеря координаты может случиться только в аварийном режиме, когда требуемый крутящий момент двигателя возрастает настолько, что срабатывает защита от перегрузки - например когда исполнительный узел станка наткнулся на непреодолимое препятствие.

Второе важное свойство следующее из первого - хорошая динамика двигателя по ускорениям, хороший крутящий момент с возможностью значительной кратковременной перегрузки. Это позволяет получать ускорения исполнительных механизмов значительно выше, чем могут обеспечить равноценные по массе и размеру ШД. Сервопривод может отрабатывать значительную энергию как разгона, так и торможения, обеспечивая резкие изменения траектории движения исполнительных узлов оборудования. Это все приводит к тому, что удельные параметры серводвигателей выше чем у ШД. Удельный крутящий момент и удельная мощность выше, особенно это касается бесколлекторных серводвигателей с неодимовыми магнитами.

Третье важное свойство - без применения специальных мер достигается хорошая плавность вращения с отсутствием сильных вибраций ротора и следовательно повышенного акустического шума. Диапазон скоростей вращения распространенного сервопривода в окрестности 0-6000об/мин, хотя возможны и более высокие предельные скорости вращения. И все это достигается при довольно плавном вращении и приемлемом уровне акустического шума.

Четвертое важное свойство - повышенный коэффициент полезного действия серводвигателей, особенно бесколлекторных, что становится ощутимым при значительных средних мощностях, которые требуются от привода.

Недостатками серводвигателей можно считать повышенную их стоимость, хотя ситуация уже почти выровнялась и необходимость установки датчика углового положения ротора, для нормальной работы серво.

Определение дискретности перемещения серводвигателя

Если для ШД все в принципе понятно, то для серводвигателей дискретность в принципе так же определяется разрешением датчика положения - числом отсчетов энкодера или эквивалентным разрешением резольвера. То есть в принципе, серводвигатель способен отработать положение с точностью, которую обеспечивает разрешение датчика положения. Но вот дрожание достигнутой координаты определяется рядом факторов. В первую очередь разрешением энкодера, во вторую очередь быстродействием электроники сервоконтроллера, характером флуктуаций нагрузки и нелинейностями привода в области малых перемещений. Особенность серводвигателй в режиме удержания позиции в том, что они в отличие от ШД, делают это жестко. Если сервоконтроллеру дать команду достичь заданной позиции, он доведет двигатель до этой позиции и дальше будет ее удерживать, что бы не происходило, как бы нагрузка не менялась, серводвигатель удерживает позицию вблизи заданной координаты. Шаговый двигатель при наличии флуктуаций нагрузки в режиме удержания может удерживать позицию только до тех пор, пока величина возмущающего воздействия на ротор, не превысит момента удержания, и при превышении оного, ротор ШД проскакивает на шаг в сторону воздействующего крутящего момента. Так как серводвигатель кратковременно может сильно увеличивать крутящий момент на валу, то он может удерживать позицию, даже при больших возмущающих воздействиях на ротор.

Сам процесс удержания позиции невозможен без некоторых подвижек ротора. Потому что когда двигатель в четко заданной позиции,ошибка рассогласования требуемой и достигнутой координат равна нулю и контроллер отключает двигатель. Но как только ротор двигателя немного сместится, в контроллер двигателя поступит от энкодера сигнал об изменении позиции, контроллер подаст компенсирующее воздействие на двигатель, для того чтобы вернуть позицию ротора в заданную. Таким образом происходит удержание позиции и при наличии возмущающих воздействий на ротор двигателя , он постоянно находится в процессе мелких передвижений,а контроллер постоянно отрабатывает компенсирующие воздействия, для возвращения ротора в заданные координаты.

Если говорить о величине этих подвижек, то они могут составлять несколько отсчетов энкодера и эта величина сильно зависит от быстродействия сервоконтроллера и характера возмущающих воздействий на ротор. В правильно подобранной сервосистеме величина этих подвижек составляет несколько тиков энкодера.

Таким образом дискретность перемещения ротора серводвигателя определяется разрешением энкодера, а точность удержания позиции так же зависит от характера возмущающих воздействий и быстродействия системы регулирования. При необходимости сервосистема может дополнительно исследоваться на точность удержания координаты, путем исследования поведения ротора двигателя при случайных возмущающих воздействиях на него.

Довольно часто для фиксации ротора двигателя может применяться электромеханический тормоз, управляемый по отдельному каналу.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Руководство новичка по ЧПУ.

Сообщение T-Duke » 31 янв 2017, 12:05

Датчики углового положения ротора.

Известно достаточно много разных типов датчиков углового положения от банального потенциометра, до индуктосина. Но вследствие определенных преимуществ, наибольшее распространение получили оптические энкодеры и резольверы. Грубо датчики можно поделить на два больших класса: абсолютные и инкрементальные.

Абсолютные датчики положения выдают уникальный цифровой код (или аналоговый сигнал) для каждого уникального положения ротора. Если рассмотреть потенциометр, который применяется в простейших сервомашинках, то это аналоговый датчик абсолютного положения ротора. Действительно, каждому конкретному углу положения ротора потенциометра соответствует свое сопротивление оного (в пределах точности измерений). Это свойство используется в простейших сервоприводах поворотного типа.
Для более надежной работы были придуманы цифровые датчики положения, у которых угловому положению ротора соответствует свой уникальный двоичный код. Само название энкодер, переводится как - кодировщик. То есть устройство, которое кодирует некую физическую величину в цифровой код.

Основным элементом конструкции оптического энкодера, является прозрачный (иногда зеркальный) кодирующий диск, на котором нанесены непрозрачные штрихи. Работая на просвет (или на отражение) вращающийся диск энкодера, прерывает световой поток осветителя, когда непрозрачные участки диска, затеняют собой входную апертуру фотоприемника. Таким образом фотоприемник регистрирует изменяющийся оптический сигнал, который затем преобразовывается в двоичную форму. Диск абсолютного энкодера легко можно отличить от диска инкрементального энкодера, по характеру нанесенных штрихов:
incremental-enkoder-absolute-enkoder-arasindaki-fark.jpg


Как можно заметить, у абсолютного энкодера штрихи расположены серией колец, образующих характерный узор. У инкрементального энкодера может быть одно, реже два кольца (сдвинутые на четверть ширины штриха) штрихов и один штрих для индексного маркера (маркер начала оборота).

Преимущество абсолютного энкодера в том, что после выключения системы и нового включения, абсолютный энкодер будет правильно указывать положение ротора и не требуется никаких других действий, чтобы получить угловую координату ротора. В отличие от абсолютного, инкрементальный энкодер показывает только прирост угловой координаты и если мы включим систему, мы не будем знать истинный угол ротора, пока не повернем энкодер на определенный угол, где сработает индексный маркер который нам укажет где расположен нулевой угол. Почти полностью этот недостаток можно устранить в инкрементальных энкодерах с памятью положения. В корпусе таких энкодеров имеется источник резервного питания (маленькая батарейка), которая питает цепи энкодера и микросхему памяти в которую заносится текущая позиция энкодера. Такой энкодер способен длительное время хранить абсолютную координату ротора, на обесточенном оборудовании. Но в большинстве своем, для обычных применений, хватает простых инкрементальных энкодеров.

Кроме того, нужно сказать пару слов о более продвинутых энкодерах - о синус-косинусных инкрементальных энкодерах. Вместо прямого квадратурного цифрового сигнала, эти энкодеры, при вращении диска, дают два аналоговых квадратурных синусоидальных сигнала, сдвинутые на 90градусов, при чем сигнал меняется существенным образом при повороте диска даже на ширину одного штриха. Такие датчики после интерполяции их сигнала, способны давать значительно более высокое разрешение, нежели обычные цифровые квадратурные энкодеры (сигнал таких экодеров являет собой два меандра сдвинутые между собой на четверть периода):
Квадратурный цифровой сигнал.jpg


Резольверы.

Этот тип датчиков углового положения достаточно хорошо известен, хотя несколько менее распространен. По конструкции резольверы так же бывают разными. Самый распространенный тип основывается на принципе вращающегося трансформатора, одна из обмоток которого (вращающаяся) возбуждается переменным током, а с двух других обмоток снимается сигнал, в котором заключается информация об угловом положении ротора:
Устройство резольвера.jpg
Схема резольвера.jpg


Подавая на вращающуюся обмотку резольвера синусоидальный сигнал постоянной частоты, на двух других обмотках мы получим отклик - такой же синусоидальный сигнал со сдвигом 90 градусов между обмотками. Но, вся прелесть в том, что те два выходных сигнала модулируются по амплитуде, вращением ротора резольвера. И с помощью известных техник демодуляции АМ модулированных колебаний, например с помощью гетеродинного метода можно извлечь сам модулирующий сигнал - угловое положение ротора:
Сигналы резольвера.jpg


Из сигналов которые на выходе дает резольвер, с помощью демодулятора, получают информацию об угле поворота ротора. При чем обычный резольвер у которого на статоре две обмотки, выступает как датчик абсолютного углового положения, то есть можно повернуть ротор на произвольный угол, включить питание блока резольвера и получить значение текущего угла ротора. Основным преимуществом резольверов перед обычными неинтерполируемыми энкодерами, является достаточно высокое угловое разрешение и абсолютный угловой сигнал. Недостаток - более сложная схема получения сигнала об угловом положении.


Разрешение датчиков углового положения.

Это очень важная характеристика любого датчика положения. От него зависит как точность, так и быстродействие сервосистемы. В случае инкрементальных энкодеров, их разрешение определяется напрямую числом нанесенных штрихов вдоль окружности кодирующего диска. Например если на кодирующем диске нанесено 500 штрихов, значит разрешение экодера составит...? Сколько? Составит 500 чего? Ага, разумеется 500 попугаев, а именно 500 линий на оборот. А вот полное разрешение составит 2000 отсчетов на один оборот :crazy: Вследствие особенностей кодирования сигнала энкодера во виде цифрового квадратурного сигнала, фактическое позиционное разрешение учетверяется. И разрешение энкодера всегда выше, чем число линий нанесенных на его кодирующий диск. Хотя при желании, или неправильном подключении можно получить разрешение равное числу линий. Но это разбазаривание возможностей. Ибо сама возможность получить разрешение в 4 раза выше чем число линий нанесенных на диск, настолько вкусна, что ее просто необходимо использовать.

Следует упомянуть про возможность самостоятельного изготовления инкрементальных энкодеров, если не требуется высокое разрешение. Например можно распечатать на пленке кодовый диск со штрихами. Или вместо нанесения штрихов на прозрачный диск, можно просверлить отверстия в непрозрачном диске и таким образом получить простенький энкодер. Важное условие которое здесь накладывается - это расстояние между краями соседних отверстий, должны быть равными диаметру этих отверстий. При наличии поворотного стола, или делительной головки можно довольно просто изготовить такой энкодер. Например на диске диаметром 80мм можно уместить 60 отверстий диаметром 2мм. Это позволит получить энкодер с разрешением 240 тиков на один оборот диска. Если расположить оптопары на таком диске правильно, то сигнал энкодера должен давать два меандра сдвинутые на четверть периода один относительно другого:
631bac.jpg


Если говорить о разрешающей способности резольверов, то она зависит от качества процесса демодуляции. Сигнал резольверов в современных системах оцифровывается с помощью двухканального АЦП с разрядностью 12 и более бит, а затем отправляется в цифровом виде на демодулятор гетеродинного типа, где на выходе получаем сигнал углового положения и скорости с достаточно высоким разрешением - от нескольких тысяч до десятков тысяч тиков на один оборот.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Руководство новичка по ЧПУ.

Сообщение T-Duke » 31 янв 2017, 21:32

Дополнительная механика.

Если со вращающимся движением в принципе все ясно, то с преобразованием вращающегося движения в линейное поступательное необходимо разобраться детальнее. Преобразовывать движение можно разными способами, используя зубчатые рейки и шестерни, зубчатые ремни и шкивы, эвольвентные цепи и звездочки к ним, шатуны и ползуны и пары винт/гайка.

Преобразователи дающие условно медленные перемещения.
Наибольшее распространение для относительно медленных перемещений получила пара винт/гайка как в обычном виде скользящего трения - как правило трапецеидальный винт и гайка к нему, так и во виде ШВП, где трение скольжения заменено на трение качения в ШВП:
Трапецеидальный винт с гайкой.jpg
ШВП1.jpg
ШВП2.jpg


При своем вращении, винт (или реже гайка), поступательно перемещается на величину своего шага, за один оборот. Если к примеру шаг винта составляет 5мм, то чтобы преодолеть расстояние 500мм, винт должен совершить 100 оборотов. Таким же элементарным образом подсчитывается достижимая скорость движения. Например, если винт (гайка) вращается со скоростью 10об/с, то при шаге винта 5мм, линейная скорость движения составит 50мм/с.
Чем больше шаг ШВП, тем большую линейную скорость можно получить при одинаковых оборотах. Следует отметить что максимальный шаг производимых ШВП растет с ростом их диаметра. И может достигать 50мм. Таким образом на ШВП больших диаметров, можно получать значительно большие скорости чем на винтах меньших диаметров. Однако конкретную максимальную скорость вращения ШВП нужно уточнять из справочной документации, чтобы не нарушить условия эксплуатации и не снизить ресурс.

Преобразователи дающие быстрые перемещения.
Альтернативным способом преобразования движения служит пара - вращающееся колесо (шестерня, шкив, звездочка) и комплементарная к нему линейная часть. Например шестерня-рейка, зубчатый шкив-зубчатый ремень, звездочка-цепь:
Зубчатый ремень на паре шкивов.JPG
Зубчатый ремень со шкивом.jpg
Rack_and_pinion_animation.gif



Определение характера движения у всех таких пар схожее. Для этого нужно определить длину делительной окружности и умножить ее на число оборотов приводящего колеса (шестерни, шкива звездочки). Для шестерни например, диаметр делительной окружности определяется путем умножения числа ее зубьев на модуль шестерни. Например шестерня с числом зубьев 17 и модулем 2мм дает диаметр делительной окружности 34мм. Аналогичную формулу можно применить и к зубчатым ремням. После определения диаметра делительной окружности и задавшись максимальным числом оборотов привода, можно определить линейную скорость перемещения преобразователя движения.

Например при максимальной частоте оборотов 20об/с и шестерне с модулем 2мм и числом зубьев 17, скорость линейного перемещения составит: 3.14159*17*2мм * 20об/с = 2136мм/с, или 2.136 м/с чт является довольно значительной скоростью движения.


Определение линейного усилия преобразователей движения.

Довольно важным может стать вопрос - Имеется двигатель со заданными параметрами, пара винт/гайка, или ШВП, как прикинуть линейное усилие, которое сможет развить такая пара с таким двигателем? Вопрос интересен практически, так как ответ на него позволит определить подходит или нет, конкретный привод и конкретный преобразователь движения для поставленной задачи.

Чтобы определить усилие которое разовьет гака/винт, нужно знать: немного геометрии, немного физики, крутящий момент двигателя, шаг винта и КПД пары винт/гайка. КПД величина довольно трудно поддающаяся оценке, так как она зависит от многих факторов и ее нужно уточнять из справочников, или экспериментально. Но в качестве грубой оценки можно положить КПД для ШВП равным 0.85-0.9, для пары трения 0.5-0.7.

Когда у нас есть все параметры можно определить усилие такой передачи. Для начала определяется коэффициент механического преобразования крутящего момента в линейное усилие. Если положить КПД равным 1-це, то из закона сохранения энергии, работа совершенная на точке касающейся колеса радиусом 1м, должна быть равна работе произведенной гакой, перемещенной по винту, если винт совершит один оборот. Работа двигателя за один оборот, равна крутящему моменту, умноженному на длину окружности радиусом 1м. Работа гайки равна линейному перемещению оной, умноженному на силу которую гайка создает:

M * 2*Pi * R = l * F, отсюда легко определить силу: F = M * 2*Pi * R / l

То есть усилие развиваемое парой винт/гайка равно длине окружности единичного радиуса, умноженной на крутящий момент и деленной на шаг винта. Нужно так же учесть КПД передачи и конечная формула становится:

F = 6.283185 / S * M * КПД, для удобства можно перевести величины в миллиметры, тогда получим окончательную формулу:

F = 6283.185 / S * M * КПД, где S - шаг винта в мм.

Пример:
Имеем двигатель развивающий крутящий момент 1Нм и ШВП с шагом 5мм и КПД 0.9, определим усилие которое даст такая система. F = 6283.185мм/5мм * 1Нм * 0.9 = 1130Н, или 113кгс. Довольно неплохо. После расчета усилия, нужно проверить, не превышает ли оно максимально допустимое, для конкретной ШВП.

Определение линейного усилия для пар шестерня-рейка, шкив-ремень, звезда-цепь.

Для таких кинематических пар усилие определяется проще. А именно, крутящий момент делим на радиус делительной окружности и естественно домножаем на КПД передачи.

Например:
Имеем тот же двигатель с крутящим моментом 1Нм и зубчатый шкив с делительным диаметром 20мм, значит с радиусом 10мм. Переводим радиус в метры и делим на него крутящий момент 1Нм/0.01м = 100Н = 10кгс. КПД таких передач довольно высокий 98-99% и в грубом приближении его можно игнорировать.

Как видим выбранная пара шкив-ремень дает меньшее усилие, но позволяет двигаться быстрее, при тех же оборотах что ШВП, а ШВП движется медленнее, но дает большее усилие.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Руководство новичка по ЧПУ.

Сообщение T-Duke » 01 фев 2017, 13:20

Программно-аппаратный низкий уровень.

Этот уровень отвечает за выполнение примитивных операций движения и в зависимости от требований к системе, может ставиться цель движения к заданной координате, или поддержание заданной скорости, или поддержание заданного крутящего момента.

Применительно ко обрабатывающему оборудованию, чаще всего ставится задача движения по заданным координатам. Программно-аппаратная система высокого уровня, передает поток команд движения, который система низкого уровня должна четко отрабатывать.

Для обеспечения работы двигателей, как шаговых так и серво, нужны контроллеры, которые обеспечивают работу этих двигателей, посредством выполнения команд переданных извне, а так же обрабатывают аварийные ситуации, например состояние перегрузки по крутящему моменту.

Контроллеры как ШД так и серво, могут представлять собой или голое решение во виде платы, или решение заключенное в корпусе:
Single-Axis-4A-TB6600-2-4-Phase-Hybrid-Stepper-Motor-Drivers-Controller.jpg
TB6560-3A-Stepper-Motor-Driver-Connector-Single-Axis-Controller-DC-10V-35V.jpg
ACS806.jpg


Каждый контроллер имеет серию разъемов для подключения как двигателя, так и интерфейсных кабелей и датчиков, если они предусмотрены. Так же для работы контроллера необходимо подключить линию питания от отдельного БП, с номинальным напряжением не выше того, на которое рассчитан контроллер. Если с контроллерами ШД все довольно просто - подключил двигатель, интерфейс, питание и запускай, то с контроллерами серво чуток посложнее.

Необходимо свериться с технической информацией по контроллеру, а именно номинальную мощность и его нагрузочные способности. Например китайский сервоконтроллер ACS806, показанный на фото обеспечивает номинальный ток двигателя 6А, максимальный кратковременный 18А. Только руководствуясь этими величинами можно определить мощность на которую рассчитан контроллер при заданном напряжении питания. При напряжении питания 48В длительная мощность которую он способен отдавать 288Вт, пиковая кратковременная 864Вт При напряжении питания 80В, которое является предельным для этого контроллера, он выдаст 480Вт в длительном режиме и 1440Вт кратковременно. Следует заметить, что эта мощность которую может отдать контроллер. А вот двигатель может и не взять эту мощность. Полную мощность двигатель потребляет на максимальных оборотах. При уменьшении оборотов, мощность соответственно уменьшается. Поэтому важнее смотреть на токи, которые способен обеспечить контроллер чем на полную мощность.

При наличии достаточно инертных подвижных узлов, которыми управляет привод, необходимо позаботиться о сбросе энергии торможения в тормозной резистор. Иначе, при торможении, напряжение на шине питания контроллера подскочит и контроллер уйдет в защиту, отпустив двигатель на произвол. Для подключения тормозного резистора предусмотрен соответствующий вывод в разъеме. В последнюю очередь подключаем двигатель и энкодер.

Так же нужно помнить, что сигналы в контроллер могут передаваться двумя аппаратными способами: простым и дифференциальным. В случае простого сопосба общий проводник сигнального кабеля соединяться с общим контроллера, а сигнальный со своим контактом в разъеме. Если же используется дифференциальная передача сигналов, то один проводник кабеля соединяется нужным контактом в разъеме помеченным названием контакта с индексом "-", а второй проводник кабеля с контактом с таким же названием, но помеченным индексом "+". У дифференциального способа передачи сигналов значительно более высокая защищенность чем у обычного несимметричного.
Довольно часто контроллеры со стойкой соединяют проводами без экрана. В таком случае есть вероятность появления ошибок в канале связи и соответственно это может сказаться на работе оборудования. Для улучшения помехозащищенности служат экранированные кабеля и дифференциальная передача сигналов. В случае простого способа передачи сигналов, оплетка экранированного кабеля соединяется с общим (массой) контроллера, а сигнальный провод к нужному контакту. В случае дифференциального способа передачи сигналов, даже обычная витая пара уже хорошо справляется с помехами. Но самая высокая надежность связи обеспечивается витой парой, помещенной в экран, а в случае особо высоких требований к надежности в двойной экран.

После подключения всех проводов, можно пробовать контроллер в работе и желательно подключиться с компьютера через интерфейс настройки (порт RS232) для настройки параметров ПИ(Д) регуляторов контроллера, через ПО настройки конкретного контроллера. Однако процедура настройки параметров регуляторов позиции и скорости, требует отдельного расширенного освещения.

Основная задача контроллеров двигателей выполнять переданные им команды от программно-аппаратного высокого уровня (стойки или компьютера). В то время как у контроллера ШД задача простая, крутить двигатель, а выполнение команды дается на откуп двигателю - смог выполнить шаг, хорошо, не смог значит не смог и начался пропуск шагов, у сервоконтроллера задача сложнее. У него стоит задача обязательного достижения заданной позиции. А достиг он ее, или нет, он сверяется с энкодером и в любом случае ее достигает, если не происходит аварии. Качество отработки координат определяется как собственно программно-аппаратной частью контроллера (электроника, алгоритмы управления двигателем), так и правильной настройкой параметров ПИД регулятора контроллера. Чем выше требования к динамике сервосистемы, тем выше должно быть быстродействие сервоконтроллера и выше разрешение датчика положения ротора двигателя.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.


Вернуться в «CNC»