52
двигателями, но несколько контроллеров не могу управлять одним
двигателем.
Управляя вращением якоря электродвигателя, собственная система
ЧПУ станка получала информацию о скорости и направлении вращения от
резольвера, закрепленного на валу двигателя (рисунок 35), а информацию о
перемещении осей от оптической линейки. Именно такая схема управления
станком была выбрана конструкторами при проектировании системы ЧПУ
для станка «Эрликон-КВ3». Однако использовать подобную схему
управления в настоящее время невозможно. Так как современные
контроллеры, управляющие двигателями, получают информацию о
скорости и направлении вращения якоря двигателя не от резольверов (они
давно устарели и вышли из массовой эксплуатации), а от магнитных или
оптических энкодеров, которые способны показать не только скорость и
направление вращения якоря, но и точный угол его поворота [10] (рисунок
36).
Рисунок 35 – Резольверы на двигателях привода оси «Х» (слева)
и «Y» (справа)
Использование энкодеров привело к тому, что многие из систем ЧПУ
не оснащаются больше никакими источниками обратной связи. Энкодер
дает возможность вычислить точное положение оси станка (даже при
наличии люфтов). Если станок дополнительно оснащается оптическими или
магнитными линейками, то только для того, чтобы оператор мог управлять
станком в ручном режиме или контролировать правильность работы
53
системы ЧПУ [24]. Таким образом принцип функционирования
современных систем ЧПУ в корне отличается от системы ЧПУ станка
«Эрликон-КВ3».
Рисунок 36 – Современные оптические энкодеры
Оригинальная система ЧПУ станка «Эрликон-КВ3» не могла
управлять перемещением оси «Z» несмотря на то, что электропривод у этой
оси имеется. Управлением осью «Z», по задумке конструкторов, должен
заниматься оператор станка. Однако это не соответствует современным
требованиям, предъявляемым к системам ЧПУ. Если у оси есть
электропривод, то она должна управляться автоматически по командам
программы.
Решить эту задачу оказалось непросто. Дело в том, что перемещением
оси «Z» управляет асинхронный трехфазный двигатель переменного тока,
мощностью 5 киловатт (рисунок 24). Для управления подобными
двигателями используются специальные сервоприводы, имеющие очень
высокую стоимость [26]. Приобретать подобный сервопривод, для
модернизации станка экономически нецелесообразно, так как станок
никогда не окупит его приобретение. Для выхода из положения было
принято решение создать собственный сервопривод на основе частотного
преобразователя (стоимость которого относительно невелика), разработав
специальное управляющее программное обеспечение.
Частотные преобразователи используются для управления скоростью
и направлением вращения якоря асинхронного трехфазного
электродвигателя переменного тока, но они не предназначены для работы в
качестве сервоприводов. Программное обеспечение и электронные платы
54
управления системами ЧПУ не могут формировать управляющие сигналы
для управления частотными преобразователями [28]. Управление
частотными преобразователями осуществляется, как правило, вручную с
помощью пультов управления (рисунок 37). Однако с помощью
промежуточного, адаптационного программного обеспечения удалось
решить эту проблему следующим образом:
- управляющая программа формирует управляющие команды для
управления осью «Z», думая при этом, что управляет осью «Z» через
стандартный сервопривод. На самом же деле управляющие команды
перехватываются промежуточной, адаптационной программной функцией;
- промежуточная адаптационная функция расшифровывает команды
управления сервоприводом и формирует аналогичные функциональные
команды управления частотным преобразователем.
Рисунок 37 – Сервопривод (слева),
частотный преобразователь (в центре) и пульт управления им (справа)
Последняя трудность, с которой пришлось столкнуться, при
разработке новой системы ЧПУ для станка «Эрликон-КВ3», заключалась в
отсутствии концевых датчиков. По всей видимости оригинальная система
ЧПУ станка ориентировалась по абсолютным показаниям оптических
линеек и концевые датчики ей были просто не нужны. Станок оснащался
примитивными концевыми выключателями, которые просто отключали
питание электродвигателей, если система ЧПУ не смогла вовремя
остановить ось [29] (рисунок 38).
55
Рисунок 38 – Концевой выключать (слева),
концевой индуктивный датчик (справа)
Поиск мест крепления и создание специализированных держателей
для современных индуктивных концевых датчиков, а также для
современных оптических линеек и современных оптических энкодеров
заняло значительное время и много усилий, так как изначально станок не
был спроектирован для установки подобных дополнительных
приспособлений (рисунок 39).
Рисунок 39 – Приспособления, созданные для крепления дополнительного
оборудования для новой системы ЧПУ
Верхний
алюминиевый хомут
крепления
оптической линейки
оси «Z»
Нижний
алюминиевый хомут
крепления
оптической линейки
оси «Z»
Швеллер крепления
оптический линейки
оси «Z» и ее
индуктивных
концевых датчиков
Швеллер крепления
оптической
линейки оси «Y» и
ее индуктивных
концевых датчиков
Швеллер крепления
оптической
линейки оси «Х» и
ее индуктивных
концевых датчиков
Концевой
выключатель
Концевой
индуктивный датчик
56
3.2. Аппаратная часть станка и системы управления
Очень упрощенная схема новой системы числового программного
управления (далее – «система ЧПУ») станком «Эрликон-КВ3» представлена
в Приложении Б, рисунки Б.1, Б.2. Новая система ЧПУ представляет собой
мобильную платформу, на которой закреплены кресло оператора с рабочим
столом, жидкокристаллические мониторы и шкаф системного блока
числовой системы управления (рисунок 40). Центром системы ЧПУ
является электронная вычислительная машина, собранная на системной
плате форм-фактора BTX. В качестве постоянной памяти для хранения
системных программ, программ пользователя и данных применяется
твердотельный жесткий диск.
Рисунок 40 – Рабочее место оператора (слева),
одна из первых 3D-моделей системы ЧПУ (справа).
В качестве основы для построения системы числового программного
управления станком используется контроллер «KFlop» и плата расширения
«KAnalog» от компании «Dynomotion» [44] (рисунок 41).
Связь платы «KFlop» с ЭВМ осуществляется через интерфейс «USB»
(англ. Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина»).
Связь «KFlop» с платой расширения «KAnalog» реализована через
специализированный 26-ти штырьковый коннектор. «KFlop» принимает
управляющие сигналы от программы управления станком («KMotionCNC»)
и преобразует их в сигналы управление электродвигателями, реле и другими
57
компонентами системы. Также плата принимает сигналы обратной связи от
энкодеров, электронных линеек, концевых датчиков и других устройств
обратной связи.
Рисунок 41 – Основные электронные платы системы ЧПУ (слева направо):
ЭВМ, контроллер «KFlop», плата расширения «KAnalog»
Недостатком платы «KFlop» является то, что она не может работать с
аналоговыми сигналами, именно поэтому ей требуется расширение в виде
платы «KAnalog», которая является простым цифро-аналоговым и аналого-
цифровым преобразователем [37]. Аналоговое напряжение используется
для управления частотным преобразователем (рисунок 37), который
применяется для контроля скорости и направления вращения асинхронного
трехфазного двигателя привода оси «Z» (рисунок 24).
Питание всех трех плат (ЭВМ, «KFlop», «KAnalog») осуществляется
от стандартного компьютерного блока питания. От этого же блока питаются
концевые индуктивные датчики станка (места их расположения указаны в
Приложении А, рисунок А.1) и плата с электромеханическими реле
(рисунок 42). Плата электромеханических реле получает управляющие
сигнале от платы «KFlop».
58
Рисунок 42 – Слева направо: стандартный компьютерный блок питания,
плата электромеханических реле, индуктивные датчики
Через реле осуществляется включение электромагнитных муфт
сцепления осей «X» и «Y» [4] (рисунок 43), включение электромагнитов
фиксации осей «Z» и «X» [9] (рисунок 24), включение электромагнитного
клапана гидравлической системы фиксации оси «Y», включение двигателя
масленой помпы (рисунок 44), двигателя помпы системы охлаждения и
смазки детали, двигателя шпинделя (рисунок 45), включение освещения
станка и освещения рабочего места оператора. Таким образом плата реле
играет одну из важнейших ролей в системе ЧПУ станка.
Интересной особенностью компоновки станка является то, что
электромагнитные муфты сцепления, двигатели привода осей «X» и «Y»,
шестерёночные редукторы осей и энкодеры осей выполнены в едином
корпусе и собственных корпусов не имеют, это хорошо видно на рисунке
43.
Рисунок 43 – Места расположения электромагнитных муфт сцепления осей
X (слева) и Y (в центре), электромагнитная муфта (справа)
Расположение муфты
Расположение муфты
59
Рисунок 44 – Гидравлическая система фиксации оси «Y» станка
Рисунок 45 - Трехфазные асинхронные электродвигатели шпинделя (слева)
и помпы системы охлаждения (в центре), помпа СОЖ (справа)
Двигатели приводов осей «X» и «Y» являются коллекторными и
питаются от постоянного тока напряжением 400 вольт (при максимальной
нагрузке). Двигатель оси «Y» потребляет 12 ампер, а оси «Х» только 2,5
ампера. Как было сказано выше эти двигатели не имеют собственных
корпусов и являются частью корпуса редукторов осей, показанных на
рисунках 29 и 43. Статоры этих двигателей представляют собой
электромагниты, которые питается от напряжения 220 вольт постоянного
тока и потребляют 0,5 ампера. Для питания обмотки статоров двигателей
используется отдельный блок питания, который выполняет только эту
функцию и больше не питает ничего [43]. Расположение этого источника
Масленая помпа с
асинхронным
трехфазным
двигателем
Электромагнитный
клапан
Корпус
гидравлической
системы
Двигатель помпы СОЖ
Двигатель шпинделя
60
питания и других компонентов системного блока числовой системы
управления можно видеть в Приложении В, рисунки В.1 и В.2.
Для управления двигателями осей «X» и «Y» используются
контроллеры управления серводвигателями постоянного тока «DCS810» от
компании «LeadShine». Контроллер получает управляющие сигналы от
платы «KFlop» и управляет вращением якоря двигателя в соответствии с
полученными командами. Для управляющие используются сигналы
«PUL/DIR» (другие варианты названий «STEP/DIR», «PULSE/DIR»,
«PUL/DIR», «CP/DIR»). В соответствии с протоколом на контроллер
должны подаваться логические сигналы направления вращения якоря
двигателя и сигналы, указывающие на какое поворотов на минимально
возможный угол должен сделать якорь двигателя [26].
Серводвигатели постоянного пока, в отличие от шаговых двигателей,
не могут делать четкие законченные шаги, а могу только поворачивать
якорь двигателя на некоторый минимальный угол, который можно считать
виртуальным шагом. Поворот якоря всегда отслеживается энкодером,
закрепленном на одном валу с якорем двигателя. Энкодер сообщает
контроллеру двигателя на какой угол повернулся якорь двигателя. В
соответствие с полученной от энкодера информацией, контроллер либо
поддерживает текущую скорость, либо увеличивает скорость вращения,
либо начинает процесс торможения якоря, если количество сделанных
виртуальных шагов подходит к концу того, что было задано командой
управления [10]. В системе ЧПУ используются энкодеры «PD-30», которые
способны показать 1024 виртуальных шага поворота за один полный оборот
якоря (рисунок 46).
61
Рисунок 46 – Контроллер серводвигателя «DCS810» (слева),
оптический энкодер «PD-30» в разобранном виде (справа)
Сложность управления коллекторными двигателями постоянного
тока (и другим нешаговыми двигателями) заключается в том, что после
раскрутки якорь двигателя продолжает вращаться по инерции, когда уже
питающее напряжение на двигатель не поступает. Инерциальная сила якоря
двигателя (как известно из формул теоретической механики) зависит от
массы якоря и скорости его вращения в текущий момент времени. Инерция
якоря будет зависеть и от сил торможения, действующих на его со стороны
приводных шестерен, которые вращает якорь. Твердость и вес
обрабатываемого станком материала тоже влияют на инерцию.
Однако контроллеру неизвестно какова масса якоря двигателя, какое
сопротивление оказывают шестерни редуктора, какова масса и твердость
материала заготовки. С помощью ПИД-регулятора (Пропорционально-
Интегрально-Дифференцирующий регулятор [8]) контроллер должен
мгновенно вычислять все неизвестные силы, действующие на якорь, иначе
якорь двигателя будет пропускать место остановки или не доезжать до
нужного угла останова.
Управление трехфазными асинхронными двигателями переменного
тока тоже связано с некоторыми трудностями. Дело в том, что эти агрегаты
способны перегреваться и сгорать при обрыве одной из питающих фаз [32].
Для защиты двигателей в системе ЧПУ используются специальные
устройства защиты. На станке установлены 6 электрических агрегатов,
питающихся трехфазным током: двигатель масленой помпы, двигатель
помпы СОЖ, двигатель привода оси «Z», двигатель привода шпинделя,