УСТРОЙСТВО ШАГОВОГО ПРИВОДА
Шаговый двигатель 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
Работа типичного сервопривода состоит из нескольких цикличных этапов:
1. Сервопривод получает на управляемый вход некое значение внешнего управляющего параметра, на которое настроен сервопривод. Например, часто используется — угол поворота вала электродвигателя.
2. Блок управления («сервоусилитель» или частотный преобразователь) сравнивает это значение со значением на датчике обратной связи (энкодер) или с математической моделью (алгоритм вычислений зашит в памяти частотного преобразователя).
3. На основе результата сравнения «сервоусилитель» или частотный преобразователь изменяет параметры работы электропривода и производит некоторое корректирующее действие для сервомотора (или серию действий), например: поворот вала, ускорение или замедление, так, чтобы значение с датчика обратной связи, стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра (управляющие параметры задаются оператором сервопривода).
Образно можно сказать, что «сервопривод» всегда «знает» — в каком положении находится вал электродвигателя.
ОТЛИЧИЯ СЕРВОПРИВОДА ОТ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
| Критерий сравнения | Шаговые двигатели | Сервоприводы |
|---|---|---|
| Эксплуатационный ресурс | Шаговые электромоторы не имеют коллекторного узла, подверженного износу. Также они не имеют частей, нуждающихся в регулярном техобслуживании и замене | Коллекторные серводвигатели необходимо регулярно обслуживать. Максимальный срок службы коллекторного узла — 5000 часов непрерывной работы. При этом бесщеточные сервомоторы не уступают в надежности шаговым двигателям |
| Точность перемещений исполнительного органа |
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 |
| Время разгона и скорость перемещения портала |
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 |
| Реакция на принудительную остановку | Шаговые двигатели хорошо переносят механические перегрузки и не выходят из строя при аварийных остановках | Сервоприводы необходимо оснащать дополнительной защитой, отключающей электромотор при принудительной остановке портала. В противном случае обмотки электрической машины могут сгореть |
| Стоимость | За счет простоты конструкции шаговый двигатель имеет относительно невысокую цену | За счет датчиков обратной связи (энкодеров) и более сложной схемы регулирования сервопривод считается дорогостоящим оборудованием |
КРИТЕРИИ ВЫБОРА
Тип приводного двигателя для станков выбирают по следующим характеристикам:
-
Производительность.
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, Yaskawa 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.
-
Эксплуатационные расходы.
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.
-
Точность.
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.
-
Цена.
Стоимость шагового двигателя значительно ниже цены сервопривода. При невысоком бюджете лучше предпочесть первый вариант.
-
Уровень шума.
По этому показателю сервомоторы предпочтительней. Работа шаговых электродвигателей сопровождается звуком, соответствующим частоте шагов на различных оборотах.
Из всего выше сказанного следует, что выбор сервопривода или шагового двигателя в качестве привода на ЧПУ станок следует совершать, руководствуясь исключительно экономической и технической целесообразностью.