Что такое сервопривод в станке

Что такое сервопривод в станке

Сервопривод – это привод, предназначенный для осуществления контроля (угол поворота вала, скорость вращения/движения и так далее) над различными объектами, находящимися в постоянном движении. Контроль производится в зависимости от заданных ему параметров извне.


Рисунок 1. Сервопривод

Данный механизм получил достаточно широкое применение в различных промышленных сферах. Например, чаще всего его можно увидеть в конструкциях станков/машин для создания таких материалов/предметов и их обработки как:

  • Упаковки и бумага;
  • Листовой металл;
  • Обработка материалов;
  • Транспортное оборудование;
  • Стройматериалы.

Также они могут использоваться в управляющих элементах механических систем (заслонка/задвижка, багажник автомобиля и тому подобные механизмы). Сервопривод очень полезен, так как позволяет поддерживать необходимый вам параметр.

Устройство


Рисунок 2. Устройство сервопривода

Сервопривод включает в свой состав такие элементы как:

  • Приводной механизм – к примеру, это может быть электромотор. Благодаря ему становится возможным управление скоростью нужного диапазона в определённый временной момент;
  • Датчики – осуществляют контроль над необходимыми параметрами. Могут быть предназначены для отслеживания положения, усилия, поворота угла или скорости вращения объекта;
  • Блок управления – немало важный элемент, так как именно благодаря ему происходит поддержание требуемых параметров в автоматическом режиме;
  • Блок питания – питает данный механизм.

Интересно, что самый простой управляющий блок чаще всего создаётся с использованием схемы сравнений значений на датчике и необходимых значений при подаче напряжения определённой полярности на привод.

Сервоприводы могут быть произведены в самых различных комплектациях. Эти устройства разделяют по принципу движения:

Вращательное

Представлено двумя вариациями: синхронной и асинхронной. Синхронный вариант помогает задать высокоточные параметры скорости вращения, углов поворота и ускорения. По сравнению с асинхронным скорость набирают быстрее, поэтому и стоят больше;

Асинхронный привод отличается способностью поддержания с большой точностью необходимой скорости даже в условиях низких оборотов.

Линейное

Также делится на два варианта: плоские и круглые. Двигатели данного типа развивают достаточно высокое ускорение (70 метров в секунду).

Ещё их выделяют по способу действия:

  • Электромеханические механизмы – формирование движений происходит за счёт электродвигателя с редуктором;
  • Электрогидромеханические – у них любое движение создаётся с участием системы поршня-цилиндра. В сравнении с электромеханическим приводом они обладают отличительно высоким быстродействием.

Параметры

Абсолютно любой сервопривод классифицируется по следующим параметрам:

Поворотная скорость представляет собой конкретный временной промежуток, необходимый для изменения позиции вала и зависима от определённого напряжения.

Поворотный угол выходного вала. Обычно этот параметр равен 180, 360.

Крутящий момент является самым важным параметром работы механизма и регулируется в зависимости от напряжения.

Управление сервопривода зависит от его типа – цифровой он или аналоговый.

Питание. Чаще всего в моделях используют напряжение, варьирующееся от 4.8 до 7.2 вольт.

Материал. Для изготовления редуктора могут использовать различные материалы. Для шестерней используют металл, карбон, пластик. Металл отличается большой устойчивостью в условиях динамических нагрузок, но не долговечен. Пластик долговечен, но не устойчив в динамических нагрузках.

Размер. По этому параметру приводы делят на микро-, стандартные и большие (существуют и другие размеры, но эти самые распространенные).

Принцип работы сервопривода


Рисунок 3. Принцип работы сервопривода

Движение редукторного выходного вала, который связан сервоприводом с шестернями, происходит за счёт работы электродвигателя. Для регулирования оборотов предназначен редуктор. Для управления необходимыми механизмами вал соединяется непосредственно с ними.

Его положение контролирует специальный датчик (на них основано всё устройство), который преобразует угол поворота в электро-сигналы. Такой датчик носит название энкодера. Во время поворота бегунка сопротивление энкодера изменяется. Это изменение пропорционально зависимо от угла поворота датчика. Благодаря этому принципу работы механизм можно зафиксировать в нужной позиции.

Читайте также:  Краска вика цвета каталог для машины

Для поддержания отрицательной обратной связи используется электронная плата, которая обрабатывает сигналы, приходящие от энкодера. Она сравнивает параметры и определяет запускать или остановить электродвигатель.

Управление

Для того чтобы серводвигатель мог функционировать в нём используют специальную систему, основанную на G-кодах. Упомянутые коды представлены набором управляющих команд, которые заложены в программе.

Например, в системе ЧПУ сервопривод контактирует с инверторами, способными изменять напряжение, которое соответствует входному, в обмотке электромотора.

Вся система серводвигателя управляется/контролируется блоком управления, из которого поступают различные команды, например, передвижения по оси Х или У. После подачи команды в инверторе создаётся определённое напряжение, питающее привод. Затем серводвигатель начинает своё круговое движение, связанное с главным исполнительным элементом механизма и энкодером.

Энкодер создаёт множество импульсов, которые подсчитываются блоком, осуществляемыми управление устройством. Для каждой позиции исполнительного элемента в программе установлено определённое количество импульсов. Так под их влиянием либо подаётся напряжение на моторчик, либо прекращается.

Преимущества и недостатки

Приятной особенностью сервоприводов является их достаточно малый размер и вес, что позволяет устанавливать их в различные конструкции с лёгкостью. Также они отличаются своей почти полностью бесшумной работой, что очень важно при использовании данных устройств на определённых участках. Любой сервопривод можно настроить персонально под свои конкретные задачи.

Благодаря сервоприводу можно осуществлять управление с отличительной большой точностью и стабильностью.

Из недостатков выделяется только сложность в их настройке и стоимости.

Подключение


Рисунок 4. Подключение сервопривода к системе Arduino

Подключение сервопривода осуществляется за счёт проводников в количестве трёх штук. Два проводника используются для подачи питания на электромотор, а оставшийся необходим для передачи сигналов от блока управления, которые приводят вал в нужную позицию.

Стоит отметить, что для того чтобы снизить вероятность огромных динамических нагрузок, которым может подвергаться электромотор, необходимо осуществлять как плавный разгон мотора, так и его торможение. Для этой цели создаются и используются более высокие по сложности микроконтроллеры, которые обеспечивают высокую точность в контроле и управлении положением рабочей детали.

Шаговый сервопривод


Слаботочные сервоприводы под управлением ардуино (micro servo motor) широко применяются сегодня в любительской робототехнике, на их основе делают небольшие настольные станки и множество других интересных и полезных в хозяйстве вещей. Даже просто на уровне хобби такие сервоприводы находят массу разнообразных применений. Давайте посмотрим, что же такое сервопривод в простейшем виде, как он принципиально устроен и как работает.

Само слово «сервопривод» можно перевести как «следящий привод». То есть это такое приводящее устройство, которое содержит в себе двигатель, управляемый посредством отрицательной обратной связи, что позволяет осуществлять точные движения с выверенным позиционированием рабочего органа.

В принципе сервоприводом можно назвать электродвигатель, в системе управления которым имеется датчик положения рабочего устройства (или просто вала), текущие параметры с которого определяют то, как, куда и на сколько должен или не должен повернуться ротор мотора для получения нужного результата. Обычно в такой системе имеется блок управления приводом, который анализирует параметры с датчика, и в соответствии с ними управляет питанием двигателя.

Таким образом, сервопривод хотя и работает автоматически, процесс позиционирования рабочего органа оказывается при этом очень точным благодаря правильной обработке сигнала с датчика платой управления. Например целью управления может быть просто поддержание определенного значения конкретного параметра упомянутого датчика. Вот и становится понятно, почему привод называется следящим — он следит за состоянием датчика.

Двигатель с установленным редуктором может иметь всего три или четыре провода, идущих от него. По двум проводам подается питание на двигатель, с третьего — снимается сигнал от датчика, четвертый может быть предназначен для питания датчика.

Читайте также:  Птички на стену для интерьера

Обычно провода питания имеют красный и черный или красный и коричневый цвета — это плюсовой и минусовой (земля) провода питания. Белый или желтый — сигнальный провод с датчика, через этот провод на плату управления приходит сигнал обратной связи о текущем состоянии системы.

Простой сервопривод с редуктором (сервомашинка) и потенциометром — замечательный пример для того чтобы понять принцип работы обратной связи в системе управления сервоприводом.

Потенциометр имеет три вывода. На те выводы что по бокам — подается питание, а средний по сути — выход с резистивного делителя напряжения. Если изменить положение ручки потенциометра, то величина напряжения между минусом питания и средним его выводом измениться пропорционально изменению сопротивления между минусом и средним выводом.

Допустим, в крайнем левом положении напряжение на среднем выводе потенциометра будет минимальным, а в крайнем правом — максимальным. Получается что напряжение на среднем выводе потенциометра определяется положением его ручки, то есть тем, на какой угол она повернута от исходного положения, в котором напряжение на среднем выводе минимально. Обычно используют потенциометры с номинальным сопротивлением 5-10 кОм.

И как же здесь работает сервопривод? Ручка потенциометра в данном сервоприводе через редуктор соединена с валом двигателя. Значит, когда двигатель работает и его ротор вращается, ручка потенциометра поворачивается и следовательно сопротивление на среднем его выводе изменяется.

В крайнем левом положении, например, на среднем выводе будет 0 вольт, в среднем положении — 2,5 вольт, а в крайнем правом — 5 вольт. Для упрощения примем, что ручка потенциометра способна вращаться вокруг своей оси на 180 градусов, значит 2,5 вольта на среднем выводе будет соответствовать повороту ручки на 90 градусов.

Если плата управления получает информацию, что на среднем выводе 5 вольт, а необходимо создать поворот до 90 градусов, то к двигателю начнет автоматически подаваться питание определенной полярности до тех пор, пока он, поворачивая выход редуктора (а в месте с ним и ручку потенциометра) справа — налево, не доведет потенциометр до требуемого положения. Как только на среднем выводе потенциометра станет 2,5 вольт, двигатель прекратит получать питание от платы управления.

Аналогичным образом будет реализован поворот в другую сторону: если на среднем выводе 0 вольт, то полярность питания двигателя будет такой, что ручка потенциометра станет поворачиваться через редуктор слева — направо, пока напряжение не достигнет 2,5 вольт, соответствующих повороту ручки на 90 градусов. Это достаточно грубый пример, зато он достаточно нагляден.

Редуктор здесь необходим для того, чтобы высокие обороты вала маломощного мотора преобразовать в малые обороты с большим усилием, что позволит, во-первых, провернуть потенциометр, во-вторых, сделать это медленно и точно. Редуктор состоит из шестеренок, на валу двигателя находится маленькая, которая вращает большую, в центре которой маленькая и т. д.

Сервоприводы характеризуются несколькими главными параметрами. Первый главный параметр — усилие на валу (вращающий момент, деленный на ускорение свободного падения), которое измеряется у маленьких моделей в кг/см и определяется при номинальном напряжении питания мотора. Например, вращающий момент в 10 кг/см означает, что при расстоянии до оси выходного вала в 1 см, на нем можно удержать груз массой 10 кг.

Второй немаловажный параметр — скорость поворота, которая указывается в сек/60 градусов. Этот параметр показывает, сколько времени требуется сервоприводу для поворота его выходного вала на 60 градусов. Например 0,2сек/60 градусов. Далее идут такие параметры как напряжение питания, угол вращения (180 или 360 градусов) и тип редуктора (материал шестерней).

Читайте также:  Как выровнять обрешетку под металлочерепицу

В станках с числовым программным управлением (фрезерные, токарные, карусельные станки, машины плазменной резки и т.д.) для перемещения исполнительных элементов (суппортов, кареток и т.д.) используется шаговый привод или сервопривод. В этой статье немного объясним о их работе, принципиальных различиях и когда какой уместно применять.

Шаговый привод

Представляет собой шаговый электродвигатель с блоком управления. При подаче электрического импульса ротор двигателя совершает угловое перемещение на строго определенную величину. Современные шаговые электродвигатели обеспечивают до 400 шагов на один оборот. Это позволяет позиционировать инструмент (резец, плазменный резак) с точностью до десятых миллиметра.

Как достоинства шаговых приводов следует отметить:

  • высокая точность в сочетании с более простой конструкцией;
  • доступная цена, вытекающая из простоты исполнения.

Главный недостаток шагового привода – проблема пропуска шага. Это происходит по ряду причин:

  • нагрузка на валу превышает допустимое;
  • неправильно задаными параметрами реза в управляющей программе – слишком резкое ускорение или торможение, без учета веса портала;
  • скорость вращения ротора попадает в зону резонанса со станком.

Пропуск шага может приводить к некорректному позиционирования резака, и соответственно отклонению реза от заданной программы.

Сервопривод (Сервомотор)

Принципиальное отличие — наличие датчика обратной связи. Сервопривод обмениваеться данными с управляющей программой в реальном времени. Отклонение от заданных координат моментально регистрируеться, и контроллер станка автоматически компенсирует погрешность.

Наличие этого дополнительно элемента (датчика) позволяет:

  • достигнуть максимальной точности позиционирования и качество продукции. С учетом механического люфта, износа деталей, теплового расширения (что важно в станках большой мощности, в том числе и машинах плазменной резки );
  • обеспечить максимально высокую скорость обработки, с автоматическим учетом инерционности движущихся узлов;
  • снизить затраты на электроэнергию, в сервоприводе они пропорциональны сопротивлению перемещения, а в шаговом приводе номинал напряжения постоянный.

Шаговый привод vs сервопривод

Из приведенного выше можно понять сильные и слабые стороны этих приводов. Мы постараемся дать рекомендации, в каких случаях целесообразнее применять тот или иной вариант.

  1. Бюджет . Если он критичен, выбор однозначно в пользу шагового привода. Но стоит учесть будущую оплату труда оператора чпу. Работа с шаговыми двигателями подразумевает более высокий уровень умений и квалификации.
  2. Мощность станка . Чем больше мощность, тем крупнее перемещаемые узлы и детали, и тем более мощные требуются шаговые двигатели. А это более высокие инерционные нагрузки, и меньше нагрузки в резонансных зонах. Это может повлиять на точность обработки. Кроме того, при увеличении скорости у шагового электродвигателя резко уменьшается момент, а у сервоприводов он постоянен. Если говорить о станках плазменной резки с ЧПУ , то здесь эти эти факторы не столь критичны. Это более существенно для токарных станков, где движутся не только исполнительные механизмы (суппорта), но и сама заготовка.
  3. Сложность обслуживания . Здесь шаговые привода смотрятся симпатичнее. Сервопривод имеет десятки параметров, требующих настройки, а значит и более высокой квалификации персонала (программистов, электронщиков, наладчиков). Надежные поставщики обычно берут сервис этих узлов на себя. Об этом стоит задуматься если вы приобретаете станок зарубежом, или когда будет сложно обеспечить доступ третьих лиц.
  4. Производительность . По данному критерию сервопривода существенно превосходят шаговые. Особенно если речь идет о производстве габаритных деталей. При небольших перемещаемых и обрабатываемых массах эта разница несущественна (например, если это небольшой 3Д принтер, то разница будет крайне несущественна)
  5. Шум . Шаговые привода работают громче и может ощущаться вибрация. Это может приносить неудобства для небольших предприятий. В ряде случаев могут возникнуть проблемы с надзорными органами по допустимому уровню шума.
Ссылка на основную публикацию
Adblock detector