„Szczegółowe wyjaśnienie składu i wymagań systemu serwo dla centrów obróbkowych”
I. Skład układu serwo do centrów obróbczych
W nowoczesnych centrach obróbczych system serwo odgrywa kluczową rolę. Składa się on z obwodów serwo, serwonapędów, mechanicznych mechanizmów przekładniowych oraz elementów wykonawczych.
Główną funkcją serwonapędu jest odbieranie sygnałów sterujących prędkością posuwu i przemieszczenia, wysyłanych przez układ sterowania numerycznego. Najpierw układ serwonapędu dokonuje konwersji i wzmocnienia mocy tych sygnałów sterujących. Następnie, za pomocą serwonapędów, takich jak silniki krokowe, serwosilniki prądu stałego, serwosilniki prądu przemiennego itp., oraz przekładni mechanicznych, napędzane są elementy wykonawcze, takie jak stół roboczy obrabiarki i wrzeciennik wrzeciona, w celu uzyskania posuwu roboczego i szybkiego ruchu. Można powiedzieć, że w maszynach sterowanych numerycznie urządzenie CNC jest jak „mózg” wydający polecenia, podczas gdy układ serwonapędu jest mechanizmem wykonawczym, jak „kończyny” maszyny sterowanej numerycznie, i może precyzyjnie wykonywać polecenia ruchu z urządzenia CNC.
W porównaniu z układami napędowymi typowych obrabiarek, układ serwo w centrach obróbczych różni się zasadniczo od innych. Umożliwia on precyzyjne sterowanie prędkością ruchu i położeniem elementów wykonawczych zgodnie z sygnałami sterującymi oraz realizację trajektorii ruchu, syntezowanej przez kilka elementów wykonawczych poruszających się zgodnie z określonymi regułami. Wymaga to od układu serwo wysokiej dokładności, stabilności i szybkiej reakcji.
W nowoczesnych centrach obróbczych system serwo odgrywa kluczową rolę. Składa się on z obwodów serwo, serwonapędów, mechanicznych mechanizmów przekładniowych oraz elementów wykonawczych.
Główną funkcją serwonapędu jest odbieranie sygnałów sterujących prędkością posuwu i przemieszczenia, wysyłanych przez układ sterowania numerycznego. Najpierw układ serwonapędu dokonuje konwersji i wzmocnienia mocy tych sygnałów sterujących. Następnie, za pomocą serwonapędów, takich jak silniki krokowe, serwosilniki prądu stałego, serwosilniki prądu przemiennego itp., oraz przekładni mechanicznych, napędzane są elementy wykonawcze, takie jak stół roboczy obrabiarki i wrzeciennik wrzeciona, w celu uzyskania posuwu roboczego i szybkiego ruchu. Można powiedzieć, że w maszynach sterowanych numerycznie urządzenie CNC jest jak „mózg” wydający polecenia, podczas gdy układ serwonapędu jest mechanizmem wykonawczym, jak „kończyny” maszyny sterowanej numerycznie, i może precyzyjnie wykonywać polecenia ruchu z urządzenia CNC.
W porównaniu z układami napędowymi typowych obrabiarek, układ serwo w centrach obróbczych różni się zasadniczo od innych. Umożliwia on precyzyjne sterowanie prędkością ruchu i położeniem elementów wykonawczych zgodnie z sygnałami sterującymi oraz realizację trajektorii ruchu, syntezowanej przez kilka elementów wykonawczych poruszających się zgodnie z określonymi regułami. Wymaga to od układu serwo wysokiej dokładności, stabilności i szybkiej reakcji.
II. Wymagania dla systemów serwo
- Wysoka precyzja
Maszyny sterowane numerycznie (Number Control) przetwarzają dane automatycznie, zgodnie z ustalonym programem. Dlatego, aby obrabiać detale o wysokiej precyzji i jakości, sam system serwo musi charakteryzować się wysoką precyzją. Ogólnie rzecz biorąc, precyzja powinna sięgać mikronów. Wynika to z faktu, że we współczesnym przemyśle produkcyjnym wymagania dotyczące precyzji detali są coraz wyższe. Zwłaszcza w takich dziedzinach jak przemysł lotniczy i kosmiczny, motoryzacyjny i elektroniczny, nawet niewielki błąd może mieć poważne konsekwencje.
Aby osiągnąć precyzję sterowania, system serwo musi wykorzystywać zaawansowane technologie czujników, takie jak enkodery i linijki gratingowe, monitorujące położenie i prędkość elementów wykonawczych w czasie rzeczywistym. Jednocześnie serwonapęd musi posiadać precyzyjny algorytm sterowania, aby precyzyjnie kontrolować prędkość i moment obrotowy silnika. Ponadto, precyzja mechanicznego mechanizmu przekładniowego ma istotny wpływ na precyzję systemu serwo. Dlatego podczas projektowania i produkcji centrów obróbczych konieczny jest dobór precyzyjnych komponentów przekładniowych, takich jak śruby kulowe i prowadnice liniowe, aby spełnić wymagania dotyczące precyzji systemu serwo. - Szybka reakcja
Szybka reakcja jest jednym z ważnych wyznaczników dynamicznej jakości serwomechanizmu. Wymaga ona, aby serwomechanizm charakteryzował się niewielkim błędem nadążania za sygnałem sterującym oraz charakteryzował się szybką reakcją i dobrą stabilnością. W szczególności, po podaniu określonego sygnału wejściowego, system musi osiągnąć lub przywrócić pierwotny stan stabilności w krótkim czasie, zazwyczaj w ciągu 200 ms lub nawet kilkudziesięciu milisekund.
Szybka reakcja ma istotny wpływ na wydajność i jakość obróbki w centrach obróbczych. W obróbce z dużą prędkością czas kontaktu między narzędziem a przedmiotem obrabianym jest bardzo krótki. System serwo musi być w stanie szybko reagować na sygnał sterujący i regulować położenie oraz prędkość narzędzia, aby zapewnić precyzję obróbki i jakość powierzchni. Jednocześnie, podczas obróbki przedmiotów o złożonych kształtach, system serwo musi być w stanie szybko reagować na zmiany sygnałów sterujących i realizować sterowanie wieloosiowe, aby zapewnić dokładność i wydajność obróbki.
Aby poprawić szybkość reakcji systemu serwo, konieczne jest zastosowanie wydajnych serwonapędów i algorytmów sterowania. Na przykład, zastosowanie serwosilników prądu przemiennego, charakteryzujących się szybką reakcją, dużym momentem obrotowym i szerokim zakresem regulacji prędkości, może spełnić wymagania dotyczące szybkiej obróbki w centrach obróbczych. Jednocześnie, zastosowanie zaawansowanych algorytmów sterowania, takich jak sterowanie PID, sterowanie rozmyte i sterowanie sieciami neuronowymi, może poprawić szybkość reakcji i stabilność systemu serwo. - Duży zakres regulacji prędkości
Ze względu na różnorodność narzędzi skrawających, materiałów obrabianych i wymagań obróbki, aby zapewnić maszynom sterowanym numerycznie najlepsze warunki skrawania w każdych warunkach, system serwo musi mieć odpowiedni zakres regulacji prędkości. Spełnia on zarówno wymagania obróbki z dużą prędkością, jak i wymagania dotyczące posuwu z małą prędkością.
W obróbce z dużą prędkością układ serwo musi zapewniać wysoką prędkość i przyspieszenie, aby poprawić wydajność obróbki. Natomiast w przypadku podawania z niską prędkością, układ serwo musi zapewniać stabilny moment obrotowy przy niskiej prędkości, aby zagwarantować precyzję obróbki i jakość powierzchni. Dlatego zakres regulacji prędkości układu serwo musi zazwyczaj sięgać kilku tysięcy, a nawet dziesiątek tysięcy obrotów na minutę.
Aby uzyskać szeroki zakres regulacji prędkości, konieczne jest zastosowanie wydajnych serwonapędów i metod regulacji prędkości. Na przykład, zastosowanie technologii regulacji prędkości AC o zmiennej częstotliwości pozwala na bezstopniową regulację prędkości silnika, zapewniając szeroki zakres regulacji, wysoką sprawność i niezawodność. Jednocześnie, zastosowanie zaawansowanych algorytmów sterowania, takich jak sterowanie wektorowe i bezpośrednie sterowanie momentem obrotowym, może poprawić wydajność regulacji prędkości i sprawność silnika. - Wysoka niezawodność
Szybkość działania maszyn sterowanych numerycznie jest bardzo wysoka i często pracują one nieprzerwanie przez 24 godziny. Dlatego wymagana jest od nich niezawodność. Niezawodność systemu często opiera się na średniej wartości odstępów czasu między awariami, czyli średnim czasie bezawaryjnym. Im dłuższy ten czas, tym lepiej.
Aby poprawić niezawodność systemu serwo, konieczne jest zastosowanie wysokiej jakości komponentów i zaawansowanych procesów produkcyjnych. Jednocześnie, aby zapewnić stabilną i niezawodną pracę systemu, konieczne są rygorystyczne testy i kontrola jakości. Ponadto, konieczne jest wdrożenie redundantnych technologii projektowania i diagnostyki błędów, aby zwiększyć odporność systemu na awarie i możliwości diagnostyczne, co pozwoli na terminową naprawę w przypadku wystąpienia awarii i zapewni prawidłową pracę centrum obróbczego. - Duży moment obrotowy przy niskiej prędkości
Maszyny sterowane numerycznie często wykonują intensywną obróbkę skrawaniem przy niskich prędkościach. Dlatego też, aby sprostać wymaganiom obróbki skrawaniem, serwomechanizm posuwu musi charakteryzować się dużym momentem obrotowym przy niskich prędkościach.
Podczas intensywnego skrawania siła skrawania między narzędziem a przedmiotem obrabianym jest bardzo duża. Układ serwo musi być w stanie zapewnić wystarczający moment obrotowy, aby pokonać siłę skrawania i zapewnić płynny przebieg obróbki. Aby uzyskać wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości obrotowej, konieczne jest zastosowanie wysokowydajnych serwonapędów i silników. Na przykład, zastosowanie silników synchronicznych z magnesami trwałymi, które charakteryzują się wysoką gęstością momentu obrotowego, wysoką sprawnością i niezawodnością, może spełnić wymagania centrów obróbczych dotyczące wysokiego momentu obrotowego przy niskiej prędkości obrotowej. Jednocześnie, zastosowanie zaawansowanych algorytmów sterowania, takich jak bezpośrednie sterowanie momentem obrotowym, może poprawić moment obrotowy i wydajność silnika.
Podsumowując, układ serwo w centrach obróbczych stanowi istotną część maszyn sterowanych numerycznie. Jego wydajność bezpośrednio wpływa na precyzję obróbki, wydajność i niezawodność centrów obróbczych. Dlatego też, projektując i produkując centra obróbcze, należy w pełni uwzględnić skład i wymagania układu serwo, a także dobrać zaawansowane technologie i urządzenia, aby poprawić wydajność i jakość układu serwo oraz sprostać potrzebom rozwojowym nowoczesnego przemysłu.