Accionamientos eléctricos para máquinas CNC

Las modernas máquinas de corte de metal multifuncionales y los robots industriales están equipados con accionamientos eléctricos multimotor que mueven cuerpos ejecutivos a lo largo de varios ejes de coordenadas (Fig. 1).

El control del funcionamiento de una máquina CNC se realiza mediante sistemas estándar que generan comandos de acuerdo con un programa definido en forma digital. La creación de microcontroladores de alto rendimiento y microcomputadoras de un solo chip, que componen el núcleo de la CPU programable, hizo posible, con su ayuda, realizar automáticamente muchas operaciones geométricas y tecnológicas, así como realizar un control digital directo del sistema de accionamiento eléctrico y electroautomatización.

Arroz. 1. Sistema de accionamiento de la fresadora CNC

Tipos de accionamientos eléctricos para máquinas CNC y requisitos para ellos.

El proceso de corte de metal se lleva a cabo mediante el movimiento mutuo de la pieza a procesar y la cuchilla de la herramienta de corte.Los accionamientos eléctricos forman parte de las máquinas de corte de metales, las cuales están diseñadas para realizar y regular procesos de trabajo de metales a través de un sistema CNC.

En el procesamiento, se acostumbra separar los movimientos principales que proporcionan procesos de corte controlados durante el movimiento mutuo de la herramienta y la pieza, así como los movimientos auxiliares que facilitan la operación automática del equipo (aproximación y retirada de herramientas de control, cambio de herramientas y etc.).

Los principales incluyen el movimiento de corte principal, que tiene la mayor velocidad y potencia, que proporciona] la fuerza de corte necesaria, así como el movimiento de avance, que es necesario para mover el cuerpo de trabajo a lo largo de una trayectoria espacial a una velocidad dada. Para obtener la superficie del producto con una forma determinada, los cuerpos de trabajo de la máquina le indican a la pieza de trabajo y a la herramienta que se muevan en la trayectoria deseada con una velocidad y fuerza establecidas. Los accionamientos eléctricos dan movimientos de rotación y traslación a los cuerpos de trabajo, cuyas combinaciones, a través de la estructura cinemática de las máquinas, proporcionan los desplazamientos mutuos necesarios.

El propósito y el tipo de máquina para trabajar metales depende en gran medida de la forma de la pieza fabricada (cuerpo, eje, disco). La capacidad de una máquina multifunción para generar los movimientos de herramienta y pieza necesarios durante el mecanizado está determinada por el número de ejes de coordenadas y, por lo tanto, por el número de accionamientos eléctricos interconectados y la estructura del sistema de control.

Actualmente, los accionamientos se realizan principalmente sobre la base de Motores AC con control de frecuenciallevado a cabo por los reguladores digitales.Se implementan diferentes tipos de accionamientos eléctricos utilizando módulos industriales típicos (Fig. 2).

Arroz. 2. Diagrama funcional típico de un accionamiento eléctrico

La composición mínima de los bloques de accionamiento eléctrico consta de los siguientes bloques funcionales:

• motor eléctrico ejecutivo (ED);

• convertidor de potencia de frecuencia (HRC), que convierte la energía eléctrica de la red industrial en un voltaje de suministro de motor trifásico de la amplitud y frecuencia requeridas;

• un microcontrolador (MC) que realiza las funciones de una unidad de control (CU) y un generador de tareas (FZ).

La unidad industrial del convertidor de frecuencia de potencia contiene un rectificador y un convertidor de potencia que generan un voltaje sinusoidal con los parámetros necesarios determinados por las señales del dispositivo de control mediante el control por microprocesador del interruptor PWM de salida.

El microcontrolador implementa el algoritmo para controlar el funcionamiento del accionamiento eléctrico mediante la generación de comandos obtenidos como resultado de la comparación de las señales del generador de tareas y los datos recibidos del complejo de computación de información (IVC) basado en el procesamiento y análisis de señales de un conjunto de sensores.

En la mayoría de las aplicaciones, el accionamiento eléctrico del motor primario contiene un motor eléctrico de inducción con un devanado de rotor de jaula de ardilla y una caja de engranajes como transmisión mecánica de la rotación al husillo de la máquina. La caja de cambios a menudo se diseña como una caja de cambios con cambio de marchas remoto electromecánico.El accionamiento eléctrico del movimiento principal proporciona la fuerza de corte necesaria a una determinada velocidad de rotación y, por lo tanto, el objetivo de la regulación de la velocidad es mantener una potencia constante.

El rango necesario de control de la velocidad de rotación depende de los diámetros de los productos procesados, sus materiales y muchos otros factores. En las modernas máquinas CNC automatizadas, el accionamiento principal realiza funciones complejas relacionadas con el corte de roscas, el mecanizado de piezas de diferentes diámetros y mucho más. Esto conduce a la necesidad de proporcionar una gama muy amplia de control de velocidad, así como al uso de un accionamiento reversible. En máquinas multifunción, el rango de velocidad de rotación requerido puede ser de miles o más.

También se requieren rangos de velocidad muy grandes en los alimentadores. Entonces, en el fresado de contornos, teóricamente debería tener un rango de velocidad infinito, ya que el valor mínimo tiende a cero en algunos puntos. A menudo, el movimiento rápido de los cuerpos de trabajo en el área de procesamiento también lo realiza un alimentador, lo que aumenta en gran medida el rango de cambio de velocidad y complica los sistemas de control de accionamiento.

En los alimentadores se utilizan motores síncronos y motores de CC sin contacto, así como en algunos casos motores asíncronos. Se les aplican los siguientes requisitos básicos:

• amplia gama de regulación de velocidad;

• alta velocidad máxima;

• alta capacidad de sobrecarga;

• alto rendimiento durante la aceleración y desaceleración en modo posicionamiento;

• alta precisión de posicionamiento.

La estabilidad de las características del variador debe garantizarse ante variaciones de carga, cambios en la temperatura ambiente, tensión de alimentación y muchas otras razones. Esto se ve facilitado por el desarrollo de un sistema de control automático adaptativo racional.

Parte mecánica del accionamiento de la máquina.

La parte mecánica del accionamiento puede ser una estructura cinemática compleja que contiene muchas piezas que giran a diferentes velocidades. Se suelen distinguir los siguientes elementos:

• rotor de un motor eléctrico que crea par (giratorio o de frenado);

• transmisión mecánica, t, s. un sistema que determina la naturaleza del movimiento (rotacional, traslacional) y cambia la velocidad del movimiento (reductor);

• un cuerpo de trabajo que convierte la energía del movimiento en trabajo útil.

Seguimiento de accionamiento asíncrono del movimiento principal de la máquina para corte de metales

El moderno accionamiento eléctrico ajustable del movimiento principal de las máquinas CNC para trabajar metales se basa principalmente en motores asíncronos con devanado de rotor de jaula, lo que se ha visto facilitado por muchos factores, entre los que cabe destacar la mejora de la base de información elemental y electrónica de potencia.

La regulación de los modos de los motores de corriente alterna se realiza modificando la frecuencia de la tensión de alimentación mediante un convertidor de potencia que, junto con la regulación de la frecuencia, modifica otros parámetros.

Las características del accionamiento eléctrico de seguimiento dependen en gran medida de la eficiencia del ACS integrado.El uso de microcontroladores de alto rendimiento ha brindado amplias oportunidades para organizar sistemas de control de accionamiento eléctrico.

Arroz. 3. Estructura de control típica del motor de inducción utilizando un convertidor de frecuencia

El controlador de accionamiento genera secuencias de números para el interruptor de alimentación que regula el funcionamiento del motor eléctrico. El controlador de automatización proporciona las características necesarias en los modos de arranque y parada, así como el ajuste automático y protección del equipo.

La parte de hardware del sistema informático también contiene: - convertidores analógico-digital y digital-analógico para introducir señales de sensores y controlar su funcionamiento;

• módulos de entrada y salida para señales analógicas y digitales, equipados con equipos de interfaz y conectores de cable;

• bloques de interfaz que realizan la transmisión de datos entre módulos internos y la comunicación con equipos externos.

Una gran cantidad de configuraciones del convertidor de frecuencia, introducidas por el desarrollador, teniendo en cuenta los datos detallados de un motor eléctrico en particular, proporcionan ciertos procedimientos de control, entre los que se pueden destacar:

• regulación de velocidad multinivel,

• límite de frecuencia superior e inferior,

• límite de par,

• frenado suministrando corriente continua a una de las fases del motor,

• Protección contra sobrecarga, pero en caso de sobrecarga y sobrecalentamiento, proporciona modo de ahorro de energía.

Accionamiento basado en motores de CC sin contacto

Los accionamientos de máquinas herramienta tienen altos requisitos para el rango de control de velocidad, la linealidad de las características de control y la velocidad, ya que determinan la precisión del posicionamiento relativo de la herramienta y la pieza, así como la velocidad de su movimiento.

Los accionamientos de potencia se implementaron principalmente sobre la base de motores de CC, que tenían las características de control necesarias, pero al mismo tiempo, la presencia de un colector de cepillo mecánico se asoció con baja confiabilidad, complejidad de mantenimiento y un alto nivel de interferencia electromagnética.

El desarrollo de las tecnologías de electrónica de potencia y computación digital contribuyó a su sustitución en accionamientos eléctricos por motores de corriente continua sin contacto, lo que permitió mejorar las características energéticas y aumentar la fiabilidad de las máquinas herramienta. Sin embargo, los motores sin contacto son relativamente caros debido a la complejidad del sistema de control.

Pero el principio de funcionamiento de un motor sin escobillas es una máquina eléctrica de corriente continua con un inductor magnetoeléctrico en el rotor y devanados de armadura en el estator. El número de devanados del estator y el número de polos de los imanes del rotor se seleccionan según las características requeridas del motor. Aumentarlos ayuda a mejorar la conducción y el manejo, pero conduce a un diseño de motor más complejo.

Cuando se accionan máquinas para cortar metales, se utiliza principalmente una estructura con tres devanados de armadura, hechos en forma de varias secciones conectadas, y un sistema de excitación de imanes permanentes con varios pares de polos (Fig. 4).

Arroz. 4. Diagrama funcional de un motor CC sin contacto

El par se forma debido a la interacción de los flujos magnéticos creados por las corrientes en los devanados del estator y los imanes permanentes del rotor. La dirección constante del momento electromagnético se asegura mediante una conmutación adecuada suministrada a los devanados del estator con corriente continua. La secuencia de conexión de los devanados del estator a la fuente U se lleva a cabo mediante interruptores de semiconductores de potencia, que se activan bajo la acción de las señales del distribuidor de pulsos cuando se suministra voltaje desde los sensores de posición del rotor.

En la tarea de regular los modos de funcionamiento del accionamiento eléctrico de motores de CC sin contacto, se distinguen los siguientes problemas interrelacionados:

• desarrollo de algoritmos, métodos y medios para controlar un convertidor electromecánico afectando cantidades físicas disponibles para la medición;

• crear un sistema de control de accionamiento automático utilizando la teoría y los métodos de control automático.

Accionamiento electrohidráulico basado en un motor paso a paso

En las máquinas herramienta modernas, los accionamientos electrohidráulicos conjuntos (EGD) son semicomunes, en los que las señales eléctricas discretas que provienen de un sistema CNC electrónico se convierten mediante motores eléctricos síncronos en rotación del eje. El par desarrollado bajo la acción de las señales del controlador de accionamiento (CP) del sistema CNC desde el motor eléctrico (EM) es el valor de entrada para el amplificador hidráulico conectado a través de la transmisión mecánica (MP) al cuerpo ejecutivo (IO) de la máquina herramienta (Fig. 5).

Arroz. 5. Esquema funcional del accionamiento electrohidráulico

La rotación controlada del rotor del motor eléctrico por medio de la transformación de entrada (VP) y la válvula hidráulica (GR) provoca la rotación del eje del motor hidráulico (GM). Para estabilizar los parámetros del amplificador hidráulico, generalmente se usa retroalimentación interna.

En los accionamientos eléctricos de mecanismos con naturaleza de movimiento start-stop o movimiento continuo, han encontrado aplicación los motores paso a paso (SM), que se clasifican como un tipo de motores eléctricos síncronos. Los motores paso a paso excitados por pulsos son los más adecuados para el control digital directo utilizado en el control CNC.

El movimiento intermitente (paso a paso) del rotor en un cierto ángulo de rotación para cada pulso hace posible obtener una precisión de posicionamiento suficientemente alta con un rango muy grande de variación de velocidad desde casi cero.

Cuando utiliza un motor paso a paso en un accionamiento eléctrico, está controlado por un dispositivo que contiene un controlador lógico y un interruptor (Fig. 6).

Arroz. 6. Dispositivo de control de motor paso a paso

Bajo la acción del comando de control de selección de canal n, el controlador de accionamiento CNC genera señales digitales para controlar el interruptor del transistor de potencia, que en la secuencia requerida conecta el voltaje de CC a los devanados del estator. Para obtener pequeños valores de desplazamiento angular en un solo paso α = π / p, se coloca en el rotor un imán permanente con una gran cantidad de pares de polos p.