Шаговый электродвигатель для чпу станка - это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения ротора.
Привод подач с шаговыми двигателями (ШД) можно разделить на группы: привод с силовым ШД, соединенным через кинематическую цепь с исполнительным механизмом; привод с управляющим ШД и промежуточным усилителем момента, выполненным в виде автономной следящей системы (обычно гидравлической); привод с линейным ШД. В первой и третьей группе динамические и статические характеристики привода определяются параметрами ШД, во второй - зависят от параметров следящей системы, которой управляет ШД.
Преимущества шаговых двигателей для станков с чпу
Шаговые двигателя для фрезерного станка используют с целью перемещения стола и шпинделя. Также могут быть использованы и сервомоторы. Шаговые двигатели дешевле, однако цена не единственный плюс. Они обладают рядом дополнительных преимуществ, которые при построении портальных фрезерных станков обуславливают выбор в пользу приводов этого типа:
- легкость настройки. Успех пуска системы с шаговыми двигателями зависит только от правильности его подключения и корректного выбора драйвера. Сервомотор требуется настраивать дополнительно, он сложнее в подключении и в ремонте;
- неприхотливость в эксплуатации. При неправильно подобранных приводах в момент пиковых нагрузок на шаговом двигателе приведет к пропуску шагов и росту рассогласования, проблема решается перезагрузкой станка. Увеличение нагрузки на слабый сервомотор может привести к перегоранию обмоток, на мощный – к механической поломке передачи;
- у шаговых двигателей способность к удержанию вала в заданном положении выше. Сервомотор при фиксации ротора склонен к микроколебаниям, ротор шагового двигателя остается на одной угловой позиции без сдвигов.
Преимущества шаговых двигателей по сравнению с приводом следящим имеют значение лишь при малых мощностях приводов. К таким преимуществам относятся отсутствие датчика обратной связи по пути и тахогенератора, а также отсутствие коллектора со щетками. Именно это обусловило применение шаговых двигателей в приводе подач малых токарных и шлифовальных станков, а также для управления различными вспомогательными механизмами (поворот и смещение плансуппортов, резцедержателей и т. п.) станков и гибких производственных модулей.
Современные быстродействующие шаговые двигатели являются модифицированными синхронными электрическими машинами, обмотки которых возбуждаются несинусоидальными сигналами, т. е. прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся в широких пределах частотой. Ступенчатому характеру напряжений на фазах шагового двигателя соответствует дискретное вращение электромагнитного поля в воздушном зазоре двигателя. Вследствие этого движение ротора на низкой частоте слагается из последовательности элементарных перемещений, совершаемых по апериодическому или колебательному закону. При возрастании управляющей частоты неравномерность частоты вращения ротора шагового двигателя сглаживается.
Шаговый двигатель для чпу станка с электронным коммутатором осуществляет преобразование последовательности управляющих импульсов в угол поворота вала. Каждому импульсу управления соответствует поворот вала на фиксированный угол (шаг двигателя), величина которого однозначно определена конструкцией шагового двигателя и способом переключения его обмоток. Частота вращения и суммарный угол поворота вала пропорциональны частоте и числу поданных импульсов управления соответственно. В отличие от синхронных двигателей в шаговом двигателе переход в синхронное движение из состояния покоя осуществляется без скольжения, а торможение - без выбега ротора. Благодаря этому шаговый двигатель может обеспечить внезапный пуск, остановку и реверсирование без потери информации, т.е. без пропуска.
Отдельную нишу занимают приводы с линейными шаговыми двигателями (рис. 1).
Рис. 1. Конструктивное исполнение линейного шагового двигателя Siemens
Привод включает в себя первичную часть, представляющую собой статор, и вторичную часть – основание с наклеенными редкоземельными магнитами. Рабочий зазор между первичной и вторичной частями составляет 0,3 мм. В процессе работы на первичную часть подаются управляющие импульсы электрического тока, периодически изменяя намагниченность полюсов статора, которые, взаимодействуя с магнитами вторичной части, вызывают ее линейное смещение в заданном направлении. При этом осуществляется преобразование электрических импульсов в непосредственно линейное перемещение исполнительного органа.
Такой привод имеет следующие преимущества по сравнению с классическим, построенным с использованием шарико-винтовых пар (ШВП):
- исключительная динамика и наивысшая скорость перемещения (до 500 м/мин);
- высокая точность;
- простой монтаж;
- износостойкость привода, благодаря бесконтактной передаче усилия.
Существенным преимуществом линейной техники прямых приводов является практическое отсутствие эффектов эластичности, люфта и трения, а также собственной вибрации в трансмиссии. Следствием этого является высокая динамика и высокая точность. При использовании соответствующей измерительной системы и соответствующих температурных условий двигатели могут позиционироваться с нанометрической точностью.
Несмотря на все преимущества, привод на основе линейных шаговых двигателей для применения на станках с чпу в данный момент имеет ряд недостатков, сдерживающих его применение:
- ограниченная нагрузочная способность (усилие подачи до 14 кН);
- отсутствие самоторможения при снятии питающего напряжения;
- невысокий КПД;
- высокая стоимость.
Вследствие всего перечисленного линейные шаговые двигатели находят применение в следующих областях:
- высокоскоростное фрезерование;
- шлифование;
- ультрапрецизионная обработка;
- электроэрозионная обработка;
- лазерная обработка.
Как подобрать шаговый двигатель для чпу станка
Многие задаются вопросом - как подобрать шаговый двигатель для чпу станка? Ведь базовые технические характеристики шагового двигателя определяются его типоразмером. Шаговые двигатели одного типоразмера одинаковы по основным показателям, таким как:
- номинальный ток фазы;
- сопротивление и максимальное напряжение обмоток;
- крутящий момент.
Разница определяется двумя моментами. Первый – деление шага. Меньший шаг означает более плавное перемещение, но в этом случае потребуется драйвер с большей входной частотой, а он обойдется дороже. Наиболее распространены шаговые двигатели с шагом 0.9 и 1.8 градуса – этих значений хватает для решения стандартных задач, ставящихся перед небольшими портальными станками.
Второй нюанс – индуктивность обмоток двигателя. Производители выпускают шаговые двигатели одного и того же типоразмера в двух вариантах. Моторы с малой индуктивностью характеризуются более высокой скоростью вращения вала при меньшей потребляемой мощности. Подходят для ненагруженных портальных фрезерных станков с подвижным столом. Моторы с большой индуктивностью медленнее, но у них выше крутящий момент. Подходят для управления перемещением шпинделя по оси Z и управления четвертой координатой, поскольку лучше удерживают ротор в неподвижном положении.
