Основные определения и классификация

Автоматизированный электропривод (АЭ) станков и ПР представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электрического (силового) преобразователя (П) (рис. В. 3), электро­двигателя (М), механической системы (МС) и системы управления (СУ).

В электроприводе электрическая энергия преобразуется в механическую, а также происходит преобразование информации, которая с помощью датчиков обратной связи от силового пре­образователя, двигателя и механической системы поступает в систему управления, вырабатывающую управляющее воздействие. Преобразование информации в электроприводе имеет не меньшее значение, чем преобразование энергии.

В простейшем разомкнутом электроприводе силовой преобра­зователь может отсутствовать. В этом случае электродвигатель получает энергию непосредственно от сети. Как правило, упроще­ние или исключение электрических элементов привода приводит к усложнению механических элементов. И, наоборот, развитая система управления, быстродействующий силовой преобразователь позволяют упростить и удешевить систему механических передач.

Электропривод состоит из нескольких разнородных элементов, которые должны быть энергетически, динамически и информаци­онно согласованы между собой. Чтобы создать совершенный металлорежущий станок или ПР, невозможно расчленять привод на отдельные элементы. Нельзя выделять механическую передачу и говорить только о механическом приводе, а также рассматривать отдельно сило­вой преобразователь и систему управления.

При работе электропривода все элементы взаимосвязаны. Внутренние обратные связи связывают электродвигатель с сило­вым преобразователем, а механические передачи с электродвига­телем. Внешние обратные связи объединяют эти элементы между собой. Все это позволяет говорить об электромеханической системе привода, которую нужно изучать и анализировать только целиком, не расчленяя на части.

Обычно все электрические элементы привода объединяют в один узел, который называют комплектным электроприводом или просто электроприводом. Электромеханическая система электро­привода состоит из двух взаимосвязанных частей: электропривода и механической системы (передачи).

Классификацию автоматизированного электропривода станков и ПР проводят по нескольким признакам. По назначению электро­привод разделяют на привод главного движения, привод подачи и привод вспомогательных перемещений. Отдельную группу состав­ляет электропривод ПР. По роду тока выделяют электропривод постоянного и переменного тока.

Иногда проводят классификацию электропривода по виду силового преобразовательного устройства. Тогда говорят об элек­троприводе с электромашинным преобразователем, электроприводе с полупроводниковыми преобразователями.

Существует также классификация электропривода по виду электрического двигателя: электропривод с двигателем постоян­ного тока, асинхронный электропривод, синхронный электро­привод.

По виду управления различают: 1. Нерегулируемый электро­привод, используемый для привода станков с постоянной скоростью (скорость механизмов с таким приводом не регулируется или регу­лируется механическим способом). 2. Регулируемый электропри­вод, который позволяет электрическим способом регулировать скорость механизмов станков в широком диапазоне независимо от изменения нагрузки. 3. Следящий электропривод обеспечивает движение механизмов по определенной программе. Нужно отме­тить, что термин этот не совсем точен. Следящим называют электро­привод, который воспроизводит управляющее воздействие, изме­няющееся по заранее неизвестному закону. При числовом програм­мном управлении станками и ПР закон изменения управляющего воздействия заранее известен, поэтому правильнее было бы говорить о программно-управляемом приводе. Однако термин, следящий так широко распространен в станкостроении, что он сохранен и в этой книге.

Следящий электропривод может работать в режиме точного позиционирования, который обеспечивает перемещение механиз­мов станка в некоторые фиксированные точки, выделенные на траектории их движения. Закон изменения скорости привода между этими точками выбирается исходя из требований произво­дительности и точности позиционирования и на форму обрабаты­ваемой детали влияния не оказывает.

4. Адаптивный АЭ, автоматически изменяющий структуру и параметры системы управления. Адаптация позволяет повысить производительность и точность металлообработки.

Существует также классификация электропривода по харак­теру взаимодействия между электродвигателем и механической системой станка и ПР.

1. Групповой электропривод имеет один электродвигатель, который с помощью механических передач обеспечивает движения рабочих элементов станка или робота. Станки с групповым элек­троприводом обладают сложной кинематической схемой.

2. При индивидуальном электроприводе каждое автономное рабочее или вспомогательное движение станка осуществляется отдельным двигателем, что расширяет функциональные возмож­ности станка, делает его управление более гибким. При этом упрощается кинематическая схема и повышается коэффициент полезного действия.

3. Взаимосвязанный электропривод исполнительных элементов станка осуществляется несколькими двигателями, движения кото­рых должны быть точно связаны между собой. Примером такого электропривода могут служить движения стола станка с ЧПУ в двух ортогональных направлениях при контурной обработке, системы «электрического вала», используемые при нарезании резьбы, и т. п.

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Уравнение движения

Рассмотрим самую простейшую механическую систему, состоящую из ротора двигателя и непосредственно связанной с ним нагрузки - рабочего органа машины (рис. 2.1.). Несмотря на простоту, система вполне реальна: именно так реализована механическая часть ряда насосов, вентиляторов, многих других машин. Далее в п. 2.2 показано, что к такой модели может быть приведена механическая часть большинства электроприводов, рассматриваемых в курсе.

Рис. 2.1. Модель механической части

Будем считать, что к системе на рис. 2.1 приложены два момента - электромагнитный момент М, развиваемый двигателем, и момент М_с, создаваемый нагрузкой, а также потерями механической части (трение); каждый момент имеет свою величину и направление. Движение системы определяется вторым законом Ньютона:

, (2.1)

где - угловая скорость,

J- суммарный момент инерции.

Правая часть уравнения (2.1) - динамический момент . Он возникает, если алгебраическая сумма моментов М и М_с отлична от нуля; величина и знак динамического момента определяют ускорение.

Режимы, при которых , т.е. моменты М и М_с равны по величине и противоположно направлены, называют установившимися или статическими, им соответствует , в том числе .

Режимы, когда , называют переходными или динамическими (ускорение, замедление).

В уравнении (2.1) момент М_с практически полностью определяется свойствами нагрузки, а момент М, который можно принять за независимую переменную, формируется двигателем. Скорость - зависимая переменная; определяется в динамических режимах решением (2.1) для любых конкретных условий, а в статических режимах находится из условия

.