Когато серводвигателите станат от съществено значение за ефективността на CNC машините

CNC въпросът започва от метчика

Серводвигателите често се представят като скъпо подобрение за CNC машините. Това описание пропуска по-важния инженерен въпрос.

Същинският въпрос е дали машината може да изпълни необходимия процес, без да загуби синхронизация, позиция или производствена постоянност.

Твърдото нарязване на резба разкрива тази разлика незабавно. Въртенето на шпиндела и подаването по Z-оста трябва да останат синхронизирани през целия цикъл на нарязване на резбата.

Всеки оборот на шпиндела трябва да съответства на програмираното аксиално движение. Това движение трябва да съответства прецизно на необходимата стъпка на резбата.

Система за движение с отворен контур не може да потвърди дали зададеното движение действително е извършено. Всяко пропуснато движение може да повреди резбата или да счупи метчика.

Фигура 1. Успешното твърдо нарязване на резба зависи от поддържането на програмираната стъпка на резбата при влизане, обръщане и изтегляне.

Серво шпинделът използва обратна връзка от енкодера, за да отчита действителната си позиция. Така CNC контролерът може да координира въртенето на шпиндела с движението по Z-оста.

В дъното на отвора шпинделът може да обърне посоката си в контролирана позиция. След това метчикът следва съществуващата резба навън.

Тази координация намалява зависимостта от плаващи държачи за метчици. Тя също така осигурява повторяемо автоматизирано нарязване на резби при непрекъснато производство.

Обратната връзка със затворен контур променя системата за движение

Контролерът знае какво действително е направил двигателят

Стъпковият двигател се движи на зададени приращения. При базова система с отворен контур контролерът приема, че всяка зададена стъпка е изпълнена.

Това допускане работи, когато натоварванията остават предвидими. То става рисковано, когато режещите сили, ускорението или триенето в машината се променят по време на работа.

Серводвигателят непрекъснато отчита позицията чрез своя енкодер. Контролерът сравнява зададената позиция с измерената позиция.

Когато се появи грешка, задвижването може да регулира мощността на двигателя. Тази корекция се извършва, докато машината продължава да работи.

Резултатът е по-добър контрол на позицията при променливи натоварвания. Това подобрява и повторяемостта при бързо ускорение и сложни траектории на инструмента.

Само скоростта не обяснява предимството

Серво системите често се избират заради по-високите скорости на въртене. Въпреки това контролираният въртящ момент и възстановяването на позицията са също толкова важни.

Една машинна ос трябва да ускорява, да забавя и да се установява, без да губи зададеното си положение. Тези изисквания се увеличават при кратки производствени цикли.

Читателите, които оценяват цялостни архитектури за управление на движението, могат също да разгледат наличните задвижвания и компоненти за управление на движението, използвани в индустриалните машини.

Фигура 2. Връзката с енкодера отличава серво система с управление чрез обратна връзка от базова стъпкова конфигурация с отворен контур.

Стъпковите мотори все още имат своето място

Стъпковите мотори продължават да се използват широко, тъй като предлагат практично управление на движението при по-ниска системна цена.

Те изискват по-малко компоненти за обратна връзка и обикновено са по-лесни за конфигуриране. Тази простота е от полза за машините от начално ниво и средите с ограничено производство.

Типичните приложения включват гравиране, 3D печат, обработка на печатни платки, фрезоване на дърво и производство на прототипи.

Тези приложения често използват умерени скорости и предвидими натоварвания. Изискванията им за позициониране може да не оправдават пълна серво архитектура.

За тези машини правилно оразмереният стъпков мотор може да осигури задоволителна производителност. По-ниската покупна цена също подобрява достъпността на оборудването.

Проблемите възникват, когато приложението надхвърли тези работни условия. Стъпковият мотор може да загуби позиция, без да уведоми контролера.

Той може също да генерира значително количество топлина, тъй като много системи поддържат висок ток дори когато моторът е с малко натоварване.

По-високите сили на рязане могат допълнително да увеличат риска от пропуснати стъпки. Получената грешка може да остане незабелязана, докато готовата детайл не бъде инспектиран.

Производствените изисквания разкриват предимствата на серво системите

Серво моторите стават все по-ценни, когато производителността на машината пряко влияе върху производителността, процента на брака или експлоатационния живот на инструмента.

Твърдото нарязване на резби е един ясен пример. Други приложения включват прецизно фрезоване, струговане на метал, плазмено рязане, роботика и високоскоростно обработване на материали.

Тези процеси изискват повече от движение между две точки. Те изискват контролирано движение при променящи се механични условия.

При фреза с ЦПУ, която реже метал, може да настъпят внезапни промени в натоварването. Серво системата може да установи възникващата грешка в позицията и да реагира чрез задвижването.

Индустриалният робот трябва да повтаря движенията си в продължение на хиляди работни цикли. Обратната връзка от енкодера помага да се запази тази повторяемост при промяна на натоварването.

Производственият струг трябва да координира движението на шпиндела и осите. Управлението със затворен контур осигурява по-прецизна синхронизация при взискателни операции по обработка.

Фигура 3. Измерванията от енкодера позволяват на серво задвижването да открива грешки в движението, преди те да се превърнат в непоправими загуби на позициониране.

Термичното поведение също влияе върху надеждността

Сервомоторът обикновено консумира ток според необходимия въртящ момент. Консумацията на ток може да спадне при работа на празен ход или при ниско натоварване.

Много стъпкови системи поддържат значителен ток независимо от действителното механично натоварване. Този режим на работа може да създаде излишна топлина.

По-ниската температура не гарантира автоматично по-дълъг живот на машината. Термичният контрол обаче остава важен за двигателите, задвижванията, лагерите и разположената в близост електроника.

Намаленото отделяне на топлина следователно може да подпомогне по-стабилната работа. Ползата става по-съществена при продължителни производствени смени.

Производителите на машини се насочват към измеримо движение

По-широкият пазар за управление на движението постепенно се насочва към системи, които измерват производителността, вместо да я приемат за даденост.

Производителите на машини все по-често използват обратна връзка от енкодери, диагностика на задвижванията и данни от контролера, за да идентифицират грешки в движението, преди качеството на продукцията да се влоши.

Тази тенденция не означава, че стъпковите двигатели ще изчезнат. Машините, чувствителни към разходите, ще продължат да ги използват, когато процесът остава предвидим.

Клиентите обаче вече очакват по-кратки цикли, по-строги допуски и по-добри производствени данни. Тези очаквания благоприятстват управлението със затворен контур.

Серво задвижванията също предоставят информация, която може да подпомогне решенията за поддръжка. Грешките в позиционирането и работните ограничения могат да разкрият развиващи се механични проблеми.

Производителите, които подменят остаряло оборудване за управление на движението, могат да разгледат наличните серво задвижвания, когато планират съвместими ремонти или надстройки на системата.

Моето мнение: Купувайте според риска за процеса, а не според цената на двигателя

Решението между стъпков и серводвигател не трябва да започва с цената на двигателя.

Трябва да се започне с цената на загубена позиция, повреден инструмент, бракуван компонент или прекъснат производствен цикъл.

Стъпковият двигател остава разумният избор, когато товарът е стабилен и известен риск при позициониране от време на време е приемлив.

Сервомоторът е по-добрият избор, когато синхронизацията, повторяемостта и корекцията под товар са основни изисквания към процеса.

Твърдото нарязване на резби ясно показва това различие. Операцията зависи от потвърдена синхронизация, а не от предполагаемо движение.

За производствено CNC оборудване сервоуправлението не е просто премиум функция. То често е част от технологичните възможности на процеса.