Témata
Reklama

Elektrické regulační pohony

Technologie vysokorychlostního obrábění vede k používání vysokých rychlostí a vysokého zrychlení pohonů posuvů. Při současném pohybu souřadnic NC stroje (interpolaci) pak vznikají odchylky mezi skutečnou a programovanou dráhou, které mohou činit až několik desetin milimetru. Závěrečná část seriálu článků informuje o způsobech kompenzace těchto chyb při řízení regulačních pohonů posuvů NC obráběcích strojů.

Prstencové motory

Nejnovějším elementem regulačních pohonů jsou prstencové motory, které se ve větší míře používají teprve poslední dva roky. Jedná se vlastně o průvlekový motor a lze jej také chápat jako lineární motor "svinutý do kruhu". Pohony s prstencovými motory jsou velmi vhodné pro otočné stoly, ramena robotů a podobné aplikace. Motory jsou dodávány s točivými momenty od 1 do 16 000 Nm s vnějším průměrem od 120 do 1260 mm. Maximální otáčky jsou od 50 min-1 pro největší motory po 600 min-1 pro nejmenší motory. Stejně jako v předchozí části článku zmíněné přímé pohony jsou i pohony s prstencovými motory vynikajícím, i když nákladným prostředkem pro přesné řízení polohy rotačních souřadnic.
Reklama
Reklama
Reklama

Řízení elektrických pohonů posuvů

U řízení elektrických pohonů posuvů ustálenou strukturu- tzv. kaskádní uspořádání regulátorů, proudová smyčka urychluje reakci na povely regulátorů a je nejrychlejší částí pohonu. Proud motorem sleduje vstupní signál až do frekvence 1000 až 2000 Hz (tzv. propustné pásmo). Nadřazená rychlostní smyčka má propustné pásmo mezi 70 a 400 Hz a její hlavní funkcí je zajištění dostatečné dynamické tuhosti pohonu. Hlavní polohová smyčka pak už může být poměrně pomalá - její propustné pásmo je zpravidla mezi 3 až 15 Hz. Hlavní výhodou tohoto uspořádání je kombinace téměř aperiodického chování pohonu (přechodový děj obsahuje minimum kmitavých složek) s velmi rychlou reakcí na změnu vnějšího zatížení a/nebo řídicího signálu.
Je třeba zdůraznit, že špička polohové odchylky (cca 20 µm) a čas potřebný pro její vyregulování (asi 0,2 sekundy) závisí především na seřízení rychlostního regulátoru. Moderní regulátory jsou dnes mikroprocesorové, takže regulace nemusí přesně odpovídat popsané struktuře. Výše uvedené vlastnosti a funkce jsou však zachovány.

Dynamické odchylky od programované dráhy

Při interpolaci vysokými rychlostmi (přes 5 m.min-1, zrychlení přes 5 m.s-2) narůstají dynamické odchylky od programované dráhy a jejich velikost je třeba udržet (pokud možno) hluboko pod hodnotou 10 µm. Nejjednodušší metodou kompenzace těchto chyb je zavedení dopředných signálů rychlosti, proudu a případně zrychlení (feedforward - na schématu regulace označeno FFW, resp. FFI).
Příklad rozdílů při regulaci s použitím dopředných signálů a bez nich je na obrázku, kde jsou dynamické odchylky při lineární interpolaci (rychlost 10 m.min-1 a zrychlení 10 m.s-2). Chyby podobného charakteru vznikají při každé změně směru, resp. křivosti interpolované dráhy. Pro vysoké rychlosti je dále typické zmenšování poloměru interpolovaných kružnic (a obecně jakýchkoliv křivek), které bez dopředných signálů činí i více než 1 mm (poloměr 10 mm, rychlost 10 m.min-1).
Minimální dynamické chyby docílíme nastavením dopředných signálů FFW, resp. FFI přesně na hodnotu žádané rychlosti, resp. zrychlení. Za těchto podmínek se výrazně mění vlastnosti pohonu, který je "tvrdší". Protože signál žádané rychlosti dodává rychlostnímu regulátoru dopředný signál, je polohová odchylka xe za pohybu nulová, a to přináší nutnost řízení rychlosti při rozjezdu a zastavení podle tzv. S-křivek. Jednodušší rozjezdové funkce (rampa nebo skok rychlosti) by způsobovaly překmity při zastavení.

Kvadrantové chyby

Zvláštní druh dynamických chyb vzniká při kruhové nebo křivkové interpolaci v bodech, kde některá z interpolujících souřadnic mění smysl pohybu. Pokud na řízené souřadnice působí tření, při změně smyslu pohybu musí servopohon změnit svůj točivý moment o hodnotu odpovídající dvojnásobku třecí síly. Tato změna neproběhne okamžitě, ale trvá asi 0,02 až 0,04 sekundy a po tuto dobu souřadnice měnící smysl pohybu stojí. Druhá osa se přitom pohybuje maximální rychlostí a výsledkem je místní zvětšení poloměru kružnice - kvadrantová chyba. Kvadrantové chyby se zpravidla kompenzují přivedením pomocného signálu na vstup rychlostního regulátoru. Tento signál, který má tvar impulzu, urychlí změnu polarity výstupu regulátoru, a tak zmenší velikost chyby. Přesné nastavení je poměrně pracné, a proto je někdy řešeno neuronovou sítí.
Seřízení pak probíhá tak, že stroj opakuje program kruhové interpolace a během určité doby (desítky minut) se neuronová síť naučí kompenzovat kvadrantové chyby. Tato metoda selhává v případech, kdy kvadrantové chyby následkem proměnných třecích odporů nemají stejnou velikost. Některé pohony proto využívají rekonstrukci zatěžujících momentů (třecí odpor je z hlediska pohonu vnější zatížení), což je složitější řešení, které ale není citlivé na změny tření.

Mikroprocesorové regulátory

Mikroprocesorové regulátory dovolují vybavit pohony řadou poměrně komplikovaných funkcí, např.:
  • automatickým seřízením pohonu (off-line). Při uvádění do chodu (ne během normální práce stroje) pohon automaticky prochází různými stavy a přitom optimalizuje své seřízení. Uvádí se, že automatické seřízení je stejně kvalitní, jako když pohon seřídí průměrný pracovník ručně;
  • automatickým seřízením (on-line), které modifikuje nastavení regulátorů při změně setrvačné zátěže (např. při naložení palety s velmi hmotným obrobkem). Tato funkce udrží dynamické chyby při interpolaci na minimální hodnotě. Pokud pohony nemají toto vybavení, dynamické chyby mohou při změně setrvačné zátěže snadno vzrůst např. až na desetinásobek;
  • vícenásobnými filtry pro potlačení vlivu mechanických rezonancí na pohon. Tento doplněk je zvláště důležitý u pohonů s vysokou dynamikou, pro které je významné i chování v oblasti frekvencí 100 až 2000 Hz;
  • diagnostickými programy umožňujícími měření frekvenčních a přechodových charakteristik bez použití osciloskopu. Naměřené průběhy jsou buď zobrazovány na obrazovce řídicího systému, nebo mohou být zaznamenány a dále zpracovány osobním počítačem.

Závěrem

Současné pohony představují velmi kvalitní prvek pro řízení pohybu v polohové vazbě a tomu také odpovídá cena, která se u pohonu střední velikosti (točivý moment 20 Nm) pohybuje v rozmezí 80 až 120 tisíc Kč za jednu souřadnici. Elektrické regulační pohony procházejí dalším, poměrně bouřlivým vývojem, který umožňují výkonné mikroprocesory tvořící jádro regulačních obvodů. Zlepšují se dynamické vlastnosti, ve vývoji jsou nelineární regulátory, resp. regulátory kompenzující nelinearity, připravuje se integrace řídicí elektroniky do motoru. Cílem některých výzkumných programů je vývoj pohonu jako univerzální inteligentní periferie průmyslových řídicích systémů.
Reklama
Vydání #5
Kód článku: 20534
Datum: 16. 05. 2002
Rubrika: Inovace / Pohony
Autor:
Firmy
Související články
Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 5.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových (polohovacích) šroubů.

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 4.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových (polohovacích) šroubů.

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 3.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí.

Související články
Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 2.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových šroubů. Ve druhém pokračovaní se budeme zabývat konstrukcí vlastního kuličkového šroubu a matice a představíme jediného českého výrobce kuličkových šroubů a matic.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Výzkum převodových mechanismů s ozubenými koly, brzd a spojek

Výzkum převodových mechanismů, brzd a spojek je pro Ústav konstruování a částí strojů Fakulty strojní ČVUT v Praze tradiční disciplínou. Ústav disponuje výpočtářskou a experimentální kapacitou v tomto oboru. V aplikační sféře se ústav zaměřuje na transportní, zemědělskou a stavební techniku a stroje a zařízení pro těžbu a zpracování nerostných surovin.

Alternativní pohon v robotice

Na podzim roku 2012 vzešla na půdě Ústavu výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze myšlenka využít k pohonu podvozku v oblasti mobilní robotiky síly podtlaku. Snažení výzkumné skupiny pod vedením doc. Ing. Vladimíra Andrlíka, CSc., vyvrcholilo na jaře následujícího roku zápisem průmyslového užitného vzoru CZ 25115 U1.

Globoidní převodovky

O přenosu krouticího momentu z jedné hřídele na druhou můžeme číst v mnoha odborných publikacích či učebních textech pro technické vysoké školy. Vidíme v nich, jak jsou jednotlivé elementy převodovek konstruovány a jaké prvky jsou použity pro jejich celkovou stavbu i přenos otáčivého pohybu mezi rovnoběžnými, různoběžnými či mimoběžnými osami otáčení jednotlivých hřídelí.

Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

Pokročilé mazání pro úspornost a spolehlivost

Věda a výzkum přinášejí zcela unikátní řešení i pro procesy zdánlivě zavedené a v oblastech, kde by inovace laik neočekával. Každý pozitivní a použitelný krok ke zlepšení klimatické situace naší planety je přínosem a jednou z nesmírně efektivních, užitečných, a vlastně poměrně snadných a finančně nenáročných záležitostí. Takovými by mohly být aplikace pokročilých tribologických řešení především pro dopravu, průmysl a výrobu energií.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Soutěž pro středoškoláky

Jubilejní, již pátý ročník soutěže o Putovní pohár partnerských škol Siemens - Sinumerik Cup se letos konal v Mohelnici, v prostorech zdejší Střední školy technické a zemědělské a stejně jako před třemi lety, kdy tato škola byla hostitelem, i letos zdejší ředitel Jiří Ženožička se svým týmem organizaci pojal velmi profesionálně.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit