Что такое сервопривод в станке чпу

Сервопривод или шаговый двигатель: какова разница и что выбрать?

В качестве электропривода порталов и исполнительных узлов фрезерно-гравировальных станков с чпу и оборудования для плазменной резки с ЧПУ применяются шаговые двигатели и сервоприводы. Что лучше: шаговый двигатель или сервопривод, и в каких случаях применение того или иного электропривода экономически и технически оправданно, рассмотрим в данной статье.

Устройство шагового привода

Шаговый привод состоит из синхронной электрической машины и управляющего контроллера. Последний обеспечивает подачу управляющих сигналов на обмотки двигателя и их попеременное включение в соответствии с заданной программой.

Шаговый двигатель — электрическая машина, преобразующая управляющие сигналы в перемещение вала на определенный угол и фиксацию его в заданном положении. Количество шагов таких электродвигателей составляет от 100 до 400, угол шага — от 0,9-3,6°.

Принцип работы шагового двигателя

Состоит это электромеханическое устройство из статора, где размещены катушки возбуждения, и вращающейся части с постоянными магнитами или обмотками. Такая конструкция ротора обеспечивает его фиксацию после отработки управляющей команды.

На статоре расположено несколько обмоток. При подаче напряжения на катушку, под воздействием магнитного поля ротор поворачивается на определенный угол в соответствии с пространственным положением обмотки. При ее обесточивании и подаче управляющего сигнала на другую катушку вращающаяся часть электродвигателя занимает другую позицию. Каждый поворот вала соответствует углу шага. При обратной последовательности подачи напряжения на катушки ротор вращается в противоположном направлении.

Для поворота ротора на меньший угол одновременно включаются 2 обмотки. Количество шагов ограничено и зависит от числа полюсов статора электромотора. Для обеспечения плавного вращения ротора на катушки статора подают разные токи, разность которых определяет положение ротора. Такой способ управления позволяет снизить дискретность и увеличить количество шагов до 400.

К числу недостатков шаговых двигателей можно отнести довольно низкую скорость, пропуск шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке на валу, снижение момента при высокой частоте вращения и большое время разгона.

Устройство сервопривода

Сервопривод состоит из синхронного двигателя, датчика скорости и положения, а также управляющего контроллера. Основная разница между шаговым двигателем и сервоприводом состоит в наличии обратной связи по положению, скорости, моменту на валу ротора.

Электропривод такого типа построен на базе следящей схемы автоматического регулирования. При несоответствии скорости или другой величины контроллер будет подавать сигналы на отработку, пока требуемый параметр или положение вала не будет соответствовать заданному. В качестве датчика обратной связи используют абсолютные и относительные энкодеры различных типов и конструкций.

Принцип действия сервопривода

Управляющее устройство в соответствии с заданной программой подает напряжение на сервопривод, который соединен с порталом станка. Двигатель перемещает рабочий орган. При этом энкодер вырабатывает импульсы, поступающие на контроллер. Подсчет их числа осуществляет управляющее устройство. Количество импульсов пропорционально перемещению портала. При достижении рабочим органом заданного положения на электромотор перестает поступать напряжение. Портал фиксируется. Пока число импульсов, зафиксированных контроллером с датчика, не достигнет запрограммированной величины, двигатель будет осуществлять перемещение рабочего органа.

Шаговый сервопривод можно также настроить на поддержание постоянной частоты вращения вне зависимости от нагрузки или постоянного момента при разной скорости.

К достоинствам сервоприводов относятся точность позиционирования, динамика разгона и отсутствие снижения момента при высоких скоростях. Ограничивает применение сервопривода, как правило, достаточно большая стоимость.

Чем отличается сервопривод от шагового двигателя?

Современные шаговые электродвигатели обеспечивают перемещение рабочей части с точностью до 0,01 мм.

Отличие шагового двигателя от сервопривода заключается в пропуске шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке, что значительно снижает качество обработки

Сервопривод для поворотного стола фрезерного станка или портала другого оборудования обеспечивает точность до 0,002 мкм.

Позиционирование по следящей схеме обеспечивает высокое качество обработки независимо от нагрузки

Максимальная скорость перемещения рабочих органов при использовании шагового электропривода — 25 м.

Время разгона — 120 об/мин за секунду

Сервопривод может перемещать портал со скоростью более 60 м/мин.

Время разгона составляет до 1000 об/мин за 0,2 секунды

Критерии выбора

Тип приводного двигателя для станков выбирают по следующим характеристикам:

По этому параметру сервоприводы значительно превосходят шаговые электромоторы. На станок с ЧПУ для обработки крупных деталей или заготовок из твердых материалов лучше уставить сервомотор, например, ESTUN 1000 Вт. Такой электропривод обеспечит более высокую скорость обработки твердых материалов. Для малогабаритного промышленного оборудования (например, настольного фрезерного станка) среднего класса точности, предназначенного для обработки мягких материалов, лучше выбрать шаговый двигатель.

Программирование и настройка сервопривода на станке с ЧПУ требуют высокой квалификации исполнителя. Такой привод намного дороже в обслуживании, соответственно расходы на его эксплуатацию будут выше.

Сервоприводы для станков с ЧПУ необходимы для высокоточной автоматизированной обработки. Такой привод позволяет позиционировать положение рабочего органа с точностью до 0,02 мкм, в то время как максимальная точность шаговой электрической машины — 0, 01 мм.

Стоимость шагового двигателя значительно ниже цены сервопривода. При невысоком бюджете лучше предпочесть первый вариант.

По этому показателю сервомоторы предпочтительней. Работа шаговых электродвигателей сопровождается звуком, соответствующим частоте шагов на различных оборотах.

Таким образом, выбор сервопривода или шагового двигателя в качестве привода на фрезерно-гравировальный станок и оборудование для плазменной резки следует совершать, руководствуясь исключительно экономической и технической целесообразностью.

Источник

Что такое сервопривод в станке чпу

Использование сервопривода в станках с ЧПУ

В данной статье вы сможете получить развернутые ответы на вопросы, связанные с выбором и использование станка с сервосистемой.

Что представляет из себя сервосистема?

Сервосистема – это конструкция, в качестве обязательных элементов которой присутствуют электрический двигатель, драйвер и обратная связь. Не обязательно полностью идентичными должны быть двигатель и устройство – они могут работать даже при существенных отличиях. Исходя из этого, в основном распространены следующие виды сервосистем, образующие понятие «серво»:

Такой вид серво систем работает с энкодером. Стоит учитывать, что такая модель имеет плюсы и минусы, однако в него входят энкодер и обратная связь.

Сопоставляя с системой без обратной связи появляется возможность отключить устройство тревоги (если пропускаются шаги). В другом случае данная система продолжила базу стандартного шагового привода, включая его слабости и достоинства: несомненно, большие показатели прокрутки на низких оборотах, низкий показатель движения и быстрая потеря прокрутки во время возрастания количества оборотов, непостоянность шагов при обороте, плохие показатели в случае перегрузки оборудования, нужда в запасном приводе – как правило, для поддержания излишней прокрутки. Безусловное преимущество таких двигателей заключается в возможности корректировки скорости при отсутствии датчика обратной связи. Такая техника не потребует больших усилий при установке и содержании. И по сравнению с другими системами стоит намного меньше.

Учитывая выше сказанное, первоначальное сходство с понятием «серво» заключается в наличии обратной связи. Эта связь контролирует функционирование двигателя, в частности, подачу сигнала от драйвера.

У серводвигателей более масштабные показатели вращения. Они обладают большей мощностью. И предусмотренная в системе обратная связь позволяет постоянно знать расположение инструмента для дальнейшего исправления. К их недостаткам относятся такие факторы, как цена, усложненность в содержании; требует больших усилий в запуске и контролировании. Весьма популярная система для второй половины XX века. Однако в настоящее время потеряла свою популярность из-за воздействия коллекторно-щеточного узла и понижением цены без коллекторных устройств.

Развитие серводвигателей переменного тока непосредственно связано с историей. Дело в том, что двигатель переменного тока функционирует достаточно тяжело, нежели щеточные двигатели, поскольку необходимы существенно проработанные алгоритмы, служащие базой управления.

По своей сущности двигатели с переменным током не синхронны и обладают особенностями в форме объемного движимого диаметра, отличными показателями трудоспособности даже с явным перегрузом. Но присутствуют и минусы: подобную систему сложно привести в стабильное состояние сразу по нескольким характеристикам (что важно для ЧПУ систем): по позиции, скорости и ускорению. Например, есть своеобразное рысканье на современных серво системах. Его показатели могут быть как мизерными, так и нулевыми.

После этого образуется необходимость в обратной связи, математическом подходе, комплексном оборудовании, что влияет на функционирование перечисленных факторов. Что же оказывает на это воздействие?

Во-первых, эндокер обратной связи. Чем больше показатели эндокера на датчике, тем правильнее формируется положение ротора. Положение ротора способно влиять на удержание маленького мотора.

Во-вторых, процесс зависит от электрических приборов, от правильного математического подхода – все вкупе влияет на выработку специального сигнала для управления мотором. В основном системы стандартного диапазона эксплуатируются для оснащения конвейеров – транспортеров. Выходящий поток импульсов (от одной до нескольких тысяч) на один оборот обозначает положительную реакцию оборудования при огромным показателях на оборот. Чаще всего сервоприводы используются в промышленных масштабах, обладают положительной реакцией энкодера как от мизерных, так и миллионных импульсных значений всего на один оборот. Работоспособность энкодера выступает в роли частичной информации, необходимой для серводвигателя.

Сервоприводы популярны при обработке листовых материалов, потому что требуются высокие показатели динамичности оборудования с показателями более 25 метров в минуту. Исходя из этого, люди покупают чаще фрезерный станок ЧПУ. Если требуется создать матрицу и материал по невероятно точным меркам – сервосистема сослужит большую услугу. При других обстоятельствах желательно покупать технику, оснащенную шаговыми двигателями, поскольку это целесообразнее. Останавливающим факторов при работе шаговым двигателем является его невысокие скоростные показатели. Но прецедент работающих в этой сфере людей свидетельствует о логичном использовании в дешевых станках данную систему ЧПУ для работы с деревом, пластиком, нетяжелым тонким металлом и другими несложными материями, обработка которых не запрашивает большой скорости. Если кого-то не устраивает требуемое время – всегда доступны сервоприводы.

Обратите внимание на то, что недостаточно установить датчик необходимого значения. Важно обладать большими знаниями и умениями для правильного математического расчета формирования скоростного потока информации с энкодеров. После получения значений необходимо отправить управляющий импульс на электрический двигатель. Будет ли это тяжело – зависит от того, насколько свободна для всех информация. Конечно, можно купить серводвигатель с маленькими показателями. Они обладают широкой популярностью и выпускаются в большом количестве. Существуют неплохие марки. Есть и совершенно новые. Оборудование с высокими значениями (миллионные импульсы на один оборот) невероятно редки. Купить сервопривод с такими показателями можно лишь у самых распространенных компаний.

Источник

Конструкция серводвигателя. Коллекторный или бесщеточный?

Серводвигатели имеют широкий спектр применений в промышленном оборудовании. В ЧПУ их используют в приводах перемещения, для которых требуется точность позиционирования, работа на высоких ускорениях, управляемость, постоянство момента на разных скоростях и компактные размеры. Существует два типа серводвигателей: щеточные и бесщеточные. Для тех, кто впервые сталкивается с электроприводом, разница между ними не очевидна, но она есть и может повлиять на удобство работы и частоту обслуживания. Чтобы найти подходящее решение, которое будет удовлетворять условиям эксплуатации станка с ЧПУ, нужно понимать ключевые различия в конструкции и работе этих двигателей.

Что такое серводвигатель?

Серводвигатель для ЧПУ представляет собой электрический мотор с обратной связью по положению. Он получает управляющий сигнал, по которому изменяет положение ротора на заданную величину, следит за этим изменением и управляет параметрами питания. Наличие обратной связи — главное отличие сервомоторов от шаговых двигателей, в которых используется система отсчета шагов для определения перемещений.

Сервопривод состоит из следующих элементов:

Принцип работы серводвигателя с простейшей схемой управления основан на сравнении задаваемого перемещения с показаниями датчика обратной связи. Напряжение на обмотки подаются через реле. В приводах перемещения ЧПУ используются более сложные схемы управления, построенные на логических контроллерах. У них есть ряд преимуществ, важных для работы станка:

Конструкции щеточных и бесщеточных серводвигателей

Мы предлагаем рассмотреть основные различия в устройстве коллекторного и бесколлекторного серводвигателя, чтобы понять их преимущества и недостатки. Оба представляют собой электрические моторы, состоящие из ротора (вращающейся части) и статора (неподвижной части). Источником энергии для них служит электричество, подаваемое с трансформатора станка.

Щеточный электромотор

В статоре простейшего щеточного электродвигателя находится пара постоянных магнитов с противоположной полярностью. На его роторе, по бокам от оси, находятся две катушки с витками, намотанными в противоположные стороны. При подаче электричества катушки превращаются в электромагниты с разной полярностью. Притяжение между постоянными магнитами и электромагнитами, которые объясняются силой Лоренца, заставляет ротор вращаться. При их максимальном сближении силы Лоренца ослабевают, а ротор останавливается. Чтобы вращение продолжалось, в момент сближения магнитов происходит переключение полярности обмоток. Ближайшие друг к другу постоянный и электрический магниты уже имеют одноименную полярность, и вращение продолжается за счет их отталкивания. Если такое изменение полярности будет происходить циклически, вращение ротора будет продолжаться, а двигатель будет совершать полезную работу.

За переключение полярности обмоток отвечает коллекторно-щеточный узел. Он состоит из двух элементов:

Коллектор — токопроводящее кольцо, разделенное на сегменты изоляторами. Чаще всего изготавливается из медной проволоки. В роторах большинства щеточных моторов намотано несколько пар катушек, каждая из них подключена к «своим» сегментам на кольце. Щетки — проводники, к которым подводится сетевое питание.

Щетки закреплены на статоре неподвижно и пожимаются пружинами к коллектору. Коммутация (переключение обмоток) выполняется при проворачивании ротора: щетки последовательно соприкасаются с сегментами коллектора.

Щетки изготавливаются из графита, медно-графитного или медно-серебряного сплавов. Они являются самосмазывающимися, то есть имеют сравнительно невысокий коэффициент трения. Эксплуатация коллекторного двигателя требует регулярного осмотра коллекторно-щеточного узла. Щетки — изнашиваемые детали, которым требуется замена с определенной периодичностью. Нарушение электрического контакта при выработке приводит к искрению. Силы трения, возникающие в узле, несколько снижают КПД привода, приводят в нагреву, а для его охлаждения на вал ротора устанавливают крыльчатку (центробежный вентилятор).

Главное преимущество щеточного мотора — простота в управлении. Для них не нужно создавать сложных электронных систем. Мотор отличается сравнительно невысокой стоимостью и при регулярном обслуживании работает стабильно.

Бесщеточный электромотор

В бесщеточном серводвигателе постоянные магниты установлены на роторе, а катушки электромагнитов — на статоре. Чтобы полюса постоянно находились в оппозиции, обмотки статора коммутируются электронными ключами. Питание на катушки подается последовательно, и за согласование магнитные полей постоянного и электрического магнитов отвечает датчик положения, также называемый датчиком Холла. Это общий принцип работы для всех бесщеточных серводвигателей: постоянного и переменного тока.

Ключевое преимущество этого вида моторов заложено в отсутствии изнашиваемых токоведущих частей. Фактически ресурс такого электродвигателя ограничен расчетным сроком службы подшипников. Из-за отсутствия коллекторного узла размеры и вес бесщеточного мотора меньше в сравнении со щеточным аналогичной мощности. Из-за отсутствия трения возможна работа на более высоких частотах вращения. Двигатели без коллектора отличаются более низким уровнем шумов, могут работать в условиях запыленности, в атмосфере горючих газов.

Управление скоростью реализовано на базе электронного регулятора хода. В отличие от щеточных моторов, где для ограничения частоты вращения используется обычный резистор, переводящий избыточную мощность в тепло, здесь нет нагрева.

Сервопривод на основе бесщеточного двигателя имеет свои недостатки:

Большинство бесколлекторных двигателей имеет трехфазное питание и три датчика положения (по одному на фазу).

Серводвигатели в станках MULTICUT

Компания MULTICUT производит фрезерно-гравировальные станки портального типа, предназначенные для обработки материалов различной твердости. Мы разработали пять серий станков, рассчитанных на разные нагрузки. Одно из преимуществ оборудования — возможность выбора приводов перемещения. На станки в базовой комплектации установлены шаговые электродвигатели. При необходимости их можно заменить сервоприводами переменного тока ведущих производителей промышленной автоматики и приводных систем:

В приводах реализована возможность управления по заданию положением, скоростью и моментом. Последние два параметра также управляются по внутренним параметрам.

Задать вопросы по выбору приводов перемещения для станков MULTICUT можно консультанту в онлайн чате или по телефону.

Источник

Что такое сервопривод, как он работает и как им управлять?

Вряд ли сегодня кого-то можно удивить тем количеством электрических приборов, которые окружают человека в повседневной жизни. Многие из которых давно взяли на себя часть человеческого труда и обязанностей. Повсеместная автоматизация процессов охватила самые разнообразные отрасли, начиная автомобилестроением, и заканчивая устройствами в быту. Львиную долю нагрузки относительно автоматического управления параметрами работы умных машин берет на себя сервопривод.

Что такое сервопривод?

Под сервоприводом следует понимать такое устройство, которое обеспечивает возможность управления рабочим органом посредством обратной связи. Само название произошло от латинского servus, что в переводе означает помощник. Изначально сервопривод использовался в качестве вспомогательного оборудования для различных станков, машин и механизмов. Однако с развитием технологий и постоянно растущей необходимостью повышать точность электронных устройств им начали отводить куда более значимую роль.

Устройство и принцип работы

Устройство и принцип работы каждого сервопривода может кардинально отличаться от других моделей. Однако в качестве примера мы рассмотрим наиболее актуальные варианты.

Конструктивно он может состоять из:

Принцип действия заключается в подаче управляющего импульса на асинхронный или синхронный двигатель, который начинает вращаться, пока рабочий орган не окажется в нужной позиции. Как только будет достигнуто установленное положение, на датчике обратной связи появится нужный сигнал, который, перейдя на блок управления, прекратит питание электромеханического устройства. Движение сервопривода прекратится до появления новых электрических сигналов.

Далее начнется новый цикл работы устройства, число команд и последовательность их выполнения определяется заложенной программой.

Сравнение с шаговым двигателем

Вполне вероятно вы могли слышать, что та же функция часто выполняется шаговыми двигателями, однако между этими двумя устройствами имеется существенное отличие. Шаговый привод действительно осуществляет точное позиционирование объекта за счет четкого числа подаваемых на электрическую машину импульсов, они достаточно тихоходны и не создают лишнего шума. В остальном сервоприводы обладают рядом весомых преимуществ по сравнению с шаговыми электродвигателями:

Но кроме перечисленных преимуществ есть ряд позиций, по которым сервопривод уступает шаговому двигателю:

Назначение

Сервопривод используется в самых различных направлениях науки и техники, где электрический привод, помимо функции вращения каких-либо элементов, должен выполнить и точное позиционирование. На практике они повсеместно используются в ЧПУ станках, автоматических задвижках, электронных клапанах, заводских станках с программным управлением, робототехнике.

В бытовых системах сервомоторы устанавливаются в системах отопления для регулировки подачи теплоносителя, топлива, управления нагревательным элементом, контроля переключения между центральными и автономными системами энергетических ресурсов и т.д. В автомобилях их используют для отпирания, запирания багажника, электронных блокировок.

Разновидности

За счет многолетнего развития сервоприводов сегодня можно встретить самые различные виды устройства. Поэтому мы рассмотрим наиболее распространенные критерии разделения.

По типу привода:

По принципу действия выделяют:

По материалу передаточного механизма:

По типу вала двигателя:

Технические характеристики

При выборе конкретной модели сервопривода необходимо руководствоваться основными техническими параметрами, которые изготовитель указывает в паспорте устройства.

Наиболее значимыми характеристиками сервомотора являются:

Способы управления

По способу управления могут быть аналоговые или цифровые сервоприводы, первый из них подает сигналы с разной частотой, которая задается специальной микросхемой, контролирующей работу устройства. Цифровые сервоприводы, в свою очередь, отличаются наличием процессора, который принимает команды и реализует их в качестве различных режимов работы на приводе.

Их практическое отличие заключается в наличии мертвых зон у аналоговых способов, цифровые лишены этого недостатка, к тому же они быстрее реагируют на изменения и обладают большей точностью. Однако цифровой способ управления имеет большую себестоимость и на свою работу он расходует больше электроэнергии.

На рисунке 8 приведен пример управления сервоприводом с помощью подаваемых импульсов:

Рис. 8. Схема управления сервоприводом

Как видите на рисунке, сигнал поступает к генератору опорных импульсов (ГОП), подключенному к потенциометру. Далее сигнал поступает на компаратор (К), сравнивающий величины на выходе схемы и поступающие от датчика на рабочем органе. После этого прибор управления мостом (УМ) открывает нужную пару транзисторов моста для вращения вала мотора (М) по часовой или против часовой стрелки, также может задавать усилие за счет полного или частичного открытия перехода.

Преимущества и недостатки

К преимуществам сервопривода следует отнести:

К недостаткам следует отнести:

Источник