Исполнитель: Макаров Никита Александрович, 541 об
Научный руководитель: Русинов Владислав Леонидович
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ШПИНДЕЛЕМ СТАНКА С ЧПУ
В статье рассматривается организация управления частотой вращения шпинделя фрезерного станка ЧПУ, с помощью преобразователя частоты Hitachi SJ100-015-HFE, по сигналам двоичного кода ЧПУ-контроллера NC Studio.
1 ФРЕЗЕРНО-ГРАФИРОВАЛЬНЫЙ СТАНОК ЧПУ "ВЕКТРОНИК"
1.1 Конструкция станка Фрезерно-гравировальный станок "Вектроник А1-РП" представляет собой портальную конструкцию из трёх управляемых осей с вертикально расположенным шпинделем, рисунок 1.1.
Рисунок 1.1 - Внешний вид станка «Вектроник»
Рисунок 1.2 - Внутренний вид станка «Вектроник»
Вертикально-фрезерные станок портального типа наиболее универсальный и востребованный станок для различных видов производств. Конструктивно состоит из рамы, предназначенной для крепления основных узлов и механизмов станка. На раму устанавливается рабочий стол к которому крепятся заготовки и технологические приспособления. Вдоль стола в продольном направлении перемещается портал на котором находится каретка со шпинделем. Шпиндель перемещается вдоль по порталу и на каретке в вертикальном направлении.
1.2 Система управления станкомСистема управления станком построена на основе аппаратного ЧПУ-контроллера, который представляет собой специализированную плату расширения для ПК и программный комплекс Weihong NC Studio для управления станком, рисунок 1.2. На данном станке используется PCI-плата NC Studio от китайского производителя приобретённая на глобальной торговой площадке - Ebay [2]. В комплект поставки входит сама PCI-плата (устанавливаемая в ПК), соединительный кабель и плата коммутации для удобства подсоединения электроники станка.
Рисунок 1.3 - Комплектакция ЧПУ-контроллера NC Studio
Программное обеспечение Weihong NC Studio v.5.5.60 работает под управлением ОС Windows XP SP3. Система управления NC Studio использует стандартные G-коды, что позволяет применять для разработки управляющих программ распространённые автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП), например системы ArtCAM, MasterCAM и прочие. Старые версии ПО Weihong NC Studio находится в свободном доступе в интернете, либо предоставляется для скачивания компаниями, торгующими механическими и электронными компонентами для ЧПУ.
В документации к поставляемому ЧПУ-контроллеру приводится типовая схема коммутации станка с системой NC Studio. На рисунке 1.2, представлена схема коммутации, рекомендуемая российской компанией PureLogic R&D являющейся разработчиком и поставщиком компонентов для ЧПУ станков [3].
Рисунок 1.4 - Схема коммутации станка с системой NC Studio v5
Систему управления станком ЧПУ с использованием NC Studio отличает высокая стабильность работы, так как управление электроприводом осуществляется аппаратно (ЧПУ-контроллером), а расчеты траектории движения осуществляются программно на ПК.
2 ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ ШПИНЕЛЯ Частота вращения шпинделя на станке регулируется преобразователем частоты Hitachi SJ100-015-HFE. Заданное значение частоты вращения в виде двоичного кода поступает от платы ЧПУ-контроллера NC Studio. Физически двоичный код реализуется в виде сигналов земли на трёх выводах платы коммутации, рисунок 3.1. Программно код формируется в ПО NC Studio, в управляющей программе, написанной в G-коде, с помощью команды S указывается скорость вращения шпинделя. Заданная скорость вращения шпинделя преобразуется в трёхразрядный код, который позволяет указать семь значений скорости вращения.
Рисунок 2.1 - Плата коммутации с обозначением выводов
Программа NC Studio позволяет программно или через интерфейс пользователя (ручное управление станком с помощью оконных элементов) задавать скорость вращения от 0 до 24.000 об/мин плавно или дискретно. Поэтому, в данной NC системе производится преобразование заданной скорости вращения из диапазона (0-24.000 об/мин) в трёхразрядный код. В Таблица 1.1 приводится соответствие заданной скорости выдаваемому коду на выводах платы коммутации, полученное опытным путём.
Таблица 1.1 - Характеристика
2.1 Принцип управления ПЧ с помощью ПУ Подключение ПЧ к ПУ происходит по данной схеме:
Рисунок 2.2 - Схема подключения ПЧ к ПР с помощью оптрона (по одному каналу управления)
Рисунок 2.3 - Оптрон (оптопара)
Подавая сигналы управления на дискретные выходы SPL (Spindlelow), SPM (Spindlemedium) и SPH (Spindlehigh) платы развязки через плату управления, мы тем самым замыкаем ключи на этих выходах. Для того, чтобы на одном из дискретных входов ПЧ появился сигнал, необходимо замкнуть этот вход с выходом P24. Эту задачу будут выполнять 3 оптрона (оптопары)PC120 для каждого из 3-х входов ПЧ. Это необходимо для того, чтобы переключением входов командовала ПУ, так как для определенной частоты вращения будут открываться каналы SL, SM, SH, соединенные через оптрон с выходом +5Vна ПР, тем самым заставляя открываться транзистор внутри оптрона, что обеспечит замыкание контактов P24 и одного из входов ПЧ.Таким образом, для достижения определенной частоты вращения шпинделя (от 0 до 24000 об/мин.) выходы ПР активируются в различных комбинациях. Зависимость активности выходов от частоты вращения удалось получить опытным путем:
Таблица 1 - Зависимость выходов ПР от частоты вращения шпинделя
Кодировка частот в программе NCStudio,об/мин Соответствие клемм интерфейсной платы NCStudio и дискретных входов ПЧ Фиксированные частоты ПЧ
SPL SPM SPH Гц Об/мин
1 - 6000 1 0 0 100 6000
6001 - 10000 0 1 0 150 9000
10001 - 12000 1 1 0 200 12000
12001 - 15000 0 0 1 250 15000
15001 - 18000 1 0 1 300 18000
18001 - 20000 0 1 1 330 19800
20001 - 24000 1 1 1 350 21000
Далее требуется соединить данные выходы ПР с дискретными входами 1 (CF1), 2 (CF2) и 3(CF3) (а также GRND -> P24) преобразователя частотысоответственно.
Для программирования частот используются функции:
А21-А27 -установка фиксированных частот для дискретных входов;
F01 - установка частоты (0,5 - 360 Гц);
3 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ HITACHI SJ100-015-HFE Преобразователь частоты представляет собой специальное электрическое устройство для гибкого управления электродвигателем переменного тока. За счёт изменения частоты питающего напряжения преобразователь позволяет изменять скорость вращения шпинделя в нужных пределах. Так частота переменного тока 50 Гц (для «бытового» или «промышленного» напряжения в 220 В/380 В) может быть преобразована до значения 0-400 Гц и более. Соответственно этому и скорость вращения шпинделя может изменяться от 0 до номинального значения (24000 об/мин).
Также преобразователь долженобеспечивать постоянство электрических параметров «на выходе», несмотря на быстропеременный характер нагрузки на шпиндель.
Помимо этого, в системе с ЧПУ преобразователь частоты нужен по следующим причинам:
а) Плавный запуск и торможение шпинделя;
б) Необходимый для запуска и работы ток ограничивается номинальными показателями;
в) Снижается расход энергии шпинделя;
3.1 Общий вид преобразователя частоты HitachiSJ100-015-HFE
Рисунок 3.1 - Общий вид преобразователя частоты (вид снаружи)
1 - дисплей (включая световые индикаторы);
2 - пульт оператора (панель управления);
3 - клеммы управления;
4 - клеммы защитного заземления;
Рисунок 3.2 - Общий вид преобразователя частоты (вид изнутри)
5 - клеммы подключения дросселя в промежуточном звене постоянного тока;
6 - клеммы промежуточного звена постоянного тока;
7 - силовые клеммы (питания и выходные);
8 -реле сигнализации;
9 - стандартный разъем RS422 (дистанционное управление).[
Рисунок 3.3 - Принципиальная схема ПЧ
4 СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
Рисунок 4.1 - Схема подключения ПЧ к сети 380
4.1 Подключение ПЧ к сети 380 Была подготовлена электрическая вилка ВШ30-М трехфазная 380 В для питания ПЧ. На месте контакта земли была отломана часть корпуса, поэтому была необходимость использовать холодную сварку для фиксации контакта и восстановления корпуса.
Рисунок 4.2 - Вилка питания
В качестве коммутационной защитной аппаратуры используются автоматические выключателиTDM ВА47-29; трехфазный - для подключения ПЧ (380 В), и однофазный -для подключения оборудования (220 В).
Рисунок 4.3 - Автоматические выключатели
Фазы А, В, С электросети подключаются к клеммам ПЧ L1, L2 иL3 соответственно.
Рисунок 4.4 - Общий вид подключения ПЧ к сети 380[
Рисунок 4.5 - Местный вид подключения ПЧ к сети 380
4.2 Описание шпинделя
Рисунок 4.6- Шпиндель
Технические характеристики:
бренд:G-PENNY MACHINE
привод:мотор
максимальный крутящий момент:0.54 Нм
рабочая скорость:0-24000 об/мин
применение: фрезерование
размеры:80*195 мм
напряжение: 380 В
ток: 6 А
мощность: 2.2 кВт
охлаждение: жидкостное (водяное)
частота: 400 Гц
4.3 Подключение шпинделя к ПЧ
Рисунок 4.7 - Схема подключения ПЧ к шпинделю
Для произведения данной операции необходимо соединить выходные клеммы ПЧ (U/T1, V/T2, W/T3) и разъем питания MIC4 Pinшпинделя с помощью четырехжильного кабеля (4-я жила кабеля является заземлением). Для этого используется переходник для разъема MICтипа «гнездо»:
Рисунок 4.8 - Шпиндель (подключение питания)
* - штуцеры для присоединения шлангов системы охлаждения.
Также обязательно надо подключить систему охлаждения шпинделя, во избежание его перегрева и поломки.
4.4 Заземление оборудования Требуется заземлить станок и корпус шпинделя. Для заземления станка будет использоваться болт, к которому в дальнейшем будет присоединен провод, идущий на линию заземления.
Рисунок 4.9 - Место подключения заземления на корпус станка
Линия заземления:
Рисунок 4.10 - Место подключения к общей линии заземления
Для заземления корпуса шпинделя будет использоваться жила «земля» четырехканального кабеля питания шпинделя, вынесенная отдельно, которая далее будет присоединена к станку с помощью винта.
Рисунок 4.11 - Клемма заземления шпинделя
Рисунок 4.12 - Место присоединения заземления шпинделя к станку
5 ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ НАСТРОЙКА ПЧ После покупки ПЧ в нем были установлены заводские настройки, не подходящие для нормальной работы шпинделя, поэтому потребовалось настроить их под индивидуальные параметры шпинделя.
5.1 Настройка ПЧ 1. Настройка осуществляется из положения, когда в ПЧ установлены заводские настройки.
2. Задаётся управление частотой вращения с встроенного потенциометра, функция А01 код 00.
3. Устанавливается запуск двигателя нажатием клавиши RUN,функция А02 код 02.
4. Проверка и установка направления вращения, функция F04 код 00 - прямое вращение, 01 - обратное.
5. Установка базовой частоты, функция А03 значение 360.
6. Установка максимальной частоты, функция А04 значение 360.
7. Установка напряжения на двигателе:
- установка сетевого напряжения (напряжение 380 В), функция А82 значение 380;
- установка напряжения на двигателе в процентах от сетевого, функция 45 значение 57,9(При напряжении сети 380 В, двигателя 220 В: (220/380)*100%=57,89 %).
5.2 Обкатка шпинделя Любое устройство, имеющее движущиеся детали, должно пройти стадию обкатки. В этот период притирки движущихся частей выбирается щадящий режим работы и усиливается контроль над температурным режимом вращающихся или перемещающихся деталей.Качественная сборка существенно сокращает время обкатки.
Первичную обкатку шпиндели проходят на заводских испытаниях, когда каждый экземпляр тестируется на достижение нужных рабочих параметров. Но и после покупки нового шпинделя обкаточный период необходим.
Этот период длится примерно 30-45 минут: при 3000 об/мин (50 Гц) первые 10-15 минут, далее частота постепенно увеличивается почти до максимальной (360Гц) через каждые 8-10 минут.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Проект "Вектроник" [Электронный ресурс] // CNC "Вектроник" : Компьютерный Портал. - 2015. - Режим доступа :
http://vektronik.ru/index.php/87897897/a1/a1-rp. - 22.03.2018.
2. Глобальная торговая площадка - Ebay [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
https://www.ebay.com/itm/CNC-Handwheel-3-Axis. - 22.03.2018
3. Руководство по настройке [Электронный ресурс] // PureLogic R&D : Компьютерный Портал. - 2007. - Режим доступа :
https://purelogic.ru/data/soft/elektronika_chpu/cnc_controller_znc5v_3x_installation_guide_ru.pdf. - 22.03.2018.
