Шаговые электрогидроприводы
Электрогидравлические приводы (ЭГП), в которых управление осуществляется шаговыми электродвигателями (ШД), получили широкое распространение в составе металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и промышленных роботов (ПР).
Шаговые электродвигатели
Главное достоинство таких двигателей заключается в их способности преобразовывать дискретные импульсы управления, поступающие от электронной системы ЧПУ, в дозированные угловые перемещения выходного вала. Каждый импульс вызывает поворот ротора на строго заданный угол, называемый угловым шагом.
Шаговые электродвигатели характеризуются высокой динамической отзывчивостью и способны развивать достаточный крутящий момент на выходном валу, чтобы перемещать золотник распределителя-регулятора (РДР) непосредственно или через лёгкую винтовую передачу, без применения промежуточных гидроусилительных каскадов.
В системах ЭГП станков с ЧПУ наиболее часто используются двигатели серий ШД-4 и ШД-5.
Для примера, шаговый двигатель ШД5-Д1М имеет угловой шаг 1,5°, развивает момент до 40 Н·см, а максимальная частота подаваемых импульсов достигает 8000 имп/с, при рабочей частоте следования импульсов до 2000 имп/с.
На рис. ZSK.46.1, а приведена принципиальная схема электрогидравлического привода, в который входят шаговый двигатель и гидравлический усилитель момента (ГУМ).
Импульсы управления, поступающие от системы ЧПУ, подаются на обмотки ШД, и каждый из них вызывает поворот вала 1 на один шаг.
Движение от вала передаётся через редуктор 2 на винт 3, ввернутый в гайку 4, которая жёстко соединена с ротором гидромотора 5.
Если гидромотор (ГМ) не вращается, то при повороте винта происходит смещение золотника 8 (например, вправо от нейтрали).
В результате в трубопроводе 6, соединённом с гидромотором, давление возрастает, тогда как в линии 7 оно снижается.
Разность давлений вызывает крутящий момент, заставляющий ротор гидромотора вращаться.
Когда ротор начинает движение, он через гайку 4 и винт 3 возвращает золотник 8 в среднее (нейтральное) положение.
Если шаговые импульсы поступают непрерывно, то вал гидромотора вращается с угловой скоростью, пропорциональной частоте поступающих импульсов.
В этом режиме золотник смещается от средней позиции на определённую величину, обеспечивающую оптимальный расход рабочей жидкости, необходимый для поддержания вращения ротора гидромотора.
Рис. ZSK.46.1. Шаговый электропривод: ф – конструктивная схема; б – аксиально-поршневой гидромотор; в – структурная схема привода с гидроусилителем момента и импульсной системой ЧПУ для одной координаты
Аксиально-поршневые моторы
В системах приводов металлорежущих станков с ЧПУ широко применяются аксиально-поршневые нерегулируемые гидромоторы серии Г15-2, использующие торцовое распределение рабочей жидкости (см. рис. ZSK.46.1, б).
Гидромашины данного типа отличаются компактным исполнением, высокой эффективностью и оптимальным соотношением массы и габаритов, что выгодно выделяет их среди других видов гидромоторов.
Эти устройства надёжно работают при повышенных давлениях и больших скоростях вращения, характеризуются низкой инерционностью и обеспечивают высокое быстродействие.
Особенно ценным качеством при их использовании в качестве гидромоторов (ГМ) является малый момент инерции вращающихся деталей, обеспечивающий хорошую динамику.
Одним из ключевых эксплуатационных показателей таких машин выступает приёмистость — то есть способность быстро изменять подачу.
Для некоторых моделей время перехода от минимальной подачи к максимальной составляет около 0,04 с, а обратного изменения — всего 0,02 с.
Как правило, в блоке гидромотора располагается 7–9 цилиндров диаметром от 10 до 50 мм.
Рабочая скорость вращения находится в диапазоне 1000–2500 мин⁻¹, давление достигает 40 МПа, а мощность может доходить до 100 кВт при КПД около 93 %.
Кроме того, удельная металлоёмкость аксиальных гидромашин в 5–15 раз меньше, чем у электрических двигателей сопоставимой мощности, что делает их особенно выгодными по массо-габаритным характеристикам.
Принцип действия гидромотора заключается в следующем.
Масляный поток, создаваемый насосом, поступает в полость а, откуда через распределительные окна б крышки 5 направляется к цилиндрам блока 6, воздействуя на поршни 7. Возникающее давление передаётся через систему поршней и толкателей 8 на наклонный радиально-упорный подшипник 2, на котором формируется осевая сила, преобразующаяся во вращающий момент. Этот момент далее передаётся на выходной вал 1 через толкатели и барабан 9. Вращение блока цилиндров обеспечивается поводком 4, а его осевое прижатие к распределительной крышке 5 — усилием пружины 3.
Изменение направления вращения (реверс) осуществляется переключением направлений потоков рабочей жидкости внутри полостей распределителя.
Применение золотников осевого перемещения позволило значительно повысить точность и динамические характеристики привода по сравнению с системами, использующими поворотный золотник. Регулировка коэффициентов усиления как в прямой цепи, так и в цепи обратной связи достигается подбором передаточного отношения редуктора и шага винтовой пары, что обеспечивает возможность увеличения рабочих окон распределителя и уменьшения гидравлических потерь при больших расходах жидкости.
На рис. ZSK.46.1, в показана структурная схема привода, включающая гидроусилитель момента и импульсную систему ЧПУ, управляющую одной координатой.
Импульсы от УЧПУ проходят через электронный кодовый преобразователь (ЭКП), где усиливаются и преобразуются в форму, пригодную для подачи на шаговый двигатель (ШД). Далее сигнал передаётся через преобразователь ВП и гидрораспределитель ГР к гидромотору (ГМ), вал которого вращается, обеспечивая передачу движения через редуктор Р и шарико-винтовую пару к рабочему органу (РО) станка.
Штрихпунктирная линия на схеме обозначает внутренний следящий контур, реализующий обратную связь по положению.
Цена одного импульса определяется выражением:
где ϕ — угол поворота ШД на один импульс, град; iшд — передаточное отношение редуктора между ШД и винтовой парой; iр — передаточное отношение основного редуктора; рх.в — шаг ходового винта.
Максимальная скорость перемещения находится из соотношения
где fmax — предельная частота подачи импульсов. При цене импульса 0,01 мм достигаются скорости: при скачкообразном разгоне — до 1200 мм/мин, при плавном — до 4800 мм/мин, что соответствует требованиям к современным ЧПУ-приводам.
Приводы с золотником осевого перемещения, подобно системам с поворотным золотником, обладают ограниченной точностью, поскольку работают по разомкнутой схеме, то есть без обратной связи от рабочего органа.
Отсутствие замкнутого контура управления может приводить к потере отдельных импульсов, что снижает стабильность позиционирования и повторяемость движений.
Электрогидравлические приводы
В машиностроении для станков с числовым программным управлением нашли применение электрогидравлические шаговые приводы подач (ЭГШП), а также поворотные следящие приводы типа СП.
Эти устройства предназначены для перемещения рабочих органов металлорежущих станков и других машин в соответствии с электрическими импульсами, поступающими от системы ЧПУ.
Амплитуда перемещения определяется количеством импульсов, а скорость движения — частотой их следования.
Приводы данного типа рассчитаны на эксплуатацию с очищенными минеральными маслами вязкостью 20–2000 сСт при температуре рабочей жидкости от +3 до +50 °С и окружающей среды от +5 до +40 °С.
Фильтрация масла должна обеспечивать тонкость очистки порядка 10 мкм, что необходимо для стабильной работы распределительных элементов и предотвращения износа.
Конструктивно ЭГШП представляют собой совокупность шагового двигателя, гидрораспределителя и следящего механизма, синхронизирующего вращение их валов.
По типу исполнения выходного вала выпускаются модификации с цилиндрическим концом и варианты с коническим концом, что позволяет адаптировать приводы к различным схемам компоновки оборудования.
Принцип работы электрогидравлического шагового привода вращательного типа (например, Э32Г18-2) показан на рис. ZSK.46.2.
При подаче управляющих импульсов на шаговый двигатель вращающий момент от его вала передаётся на гайку 1, закреплённую от продольного смещения. Изменение направления вращения гайки вызывает поступательное движение винта 2, связанного с золотником распределителя-регулятора (РДР). Смещение золотника относительно нейтрали приводит к перераспределению потоков масла в гидросистеме: под действием давления жидкость направляется в рабочие камеры гидродвигателя так, что вращение его выходного вала синхронизируется по направлению с движением вала шагового двигателя.
Рис. ZSK.46.2. Схема электрогидравлического шагового привода вращательного движения типа Э3Г18-2
Винт 2 другим своим концом соединён с валом гидромотора через шлицевую муфту 3. Благодаря этому при вращении вала гидромотора винт либо вворачивается в гайку, либо выворачивается из неё, перемещаясь вдоль оси в сторону нейтрального положения распределителя РДР.
Если вал шагового двигателя поворачивается на некоторый угол и фиксируется, то вал гидромотора также совершает поворот на ту же величину. При равномерном вращении вала ШД гидромотор вращается синхронно, однако между их положениями возникает незначительное угловое запаздывание — рассогласование по фазе.
Когда шаговый двигатель прекращает вращение, гидромотор за счёт инерции и давления рабочей жидкости «догоняет» его и останавливается в том же положении, при этом погрешность не превышает одного управляющего импульса. Создаваемый крутящий момент на выходном валу гидромотора примерно в сто и более раз превышает момент ШД, поэтому все остальные узлы системы, за исключением самого двигателя, фактически образуют гидравлический усилитель момента (УСМ). Такой усилитель реализован как следящий вращательный гидропривод с механической обратной связью.
В электрогидравлическом шаговом приводе (ЭГШП) задающее воздействие формируется винтовой парой, состоящей из гайки 1 и винта 2, а обратная связь по положению осуществляется через шлицевую муфту 3, соединённую с валом гидромотора. При этом распределитель РДР управляется непосредственно электромеханически, без промежуточных гидрокаскадов, что упрощает конструкцию и повышает её надёжность.
В технологической практике, особенно при работе станков с ЧПУ и промышленных роботов, нередко требуется обеспечить линейное (поступательное) перемещение рабочих органов. Если для этих целей применять вращательные приводы, возникает необходимость использовать шарико-винтовые пары повышенной точности либо зубчато-реечные механизмы, уступающие им по точности и сложности изготовления.
Использование же электрогидравлических шаговых приводов поступательного действия позволяет существенно упростить кинематическую схему подачи, снизить массу, габариты и стоимость узла, а также повысить надежность и долговечность работы системы.
Линейный электрогидравлический шаговый привод (ЛЭГШП) типа Г28-2 конструктивно оснащён унифицированным управляющим узлом, функционирующим по тому же принципу, что и вращательные ЭГШП. Электрические импульсы, поступающие на шаговый двигатель, преобразуются им во вращение выходного вала. Через кинематическую пару «гайка 1 — винт 2» вращение трансформируется в продольное смещение золотника распределителя (РДР). При этом давление рабочей жидкости направляется в соответствующие камеры гидроцилиндра Ц, вызывая движение поршня и штока в поступательном направлении. На поршне установлена гайка 8 с трёхзаходной трапецеидальной резьбой несамотормозящего исполнения, что обеспечивает высокую плавность хода и отсутствие необходимости в дополнительных разблокирующих механизмах (рис. ZSK.46.3).
Рис. ZSK.46.3. Схема линейного электрогидравлического шагового привода типа Г28-2
Во время работы шток гидроцилиндра соединён с рабочим органом (на схеме он не показан) и зафиксирован от вращения. Благодаря этому при осевом движении поршня установленная на нём гайка 8 перемещается только вдоль оси, что вызывает вращение винта 7, установленного на подшипниках в крышке цилиндра Ц. Далее вращение винта 7 через зубчатую передачу (шестерни 6, 5 и 4) и шлицевую муфту 3 передаётся винту 2. В зависимости от направления вращения винт 2 либо вворачивается в гайку 1, либо выходит из неё, тем самым обеспечивая смещение золотника распределителя РДР в сторону его нейтрального положения. Так формируется замкнутая механическая обратная связь по положению внутри следящего привода.
Перемещение входного звена (гайки 1) автоматически согласуется с положением выходного элемента — штока цилиндра Ц. После завершения цикла или выполнения заданной программы вал шагового двигателя прекращает вращение, а шток цилиндра компенсирует возникающее рассогласование. В этот момент золотник РДР возвращается в центральное положение, и шток точно фиксируется в требуемой координате. Если на шток начинает действовать внешняя сила, стремящаяся сместить его из установленной позиции, система обратной связи мгновенно реагирует: золотник смещается, направляя дополнительный поток рабочей жидкости в полость цилиндра. Это создаёт гидравлическое противодействие, уравновешивающее внешнюю нагрузку и удерживающее шток в нужном положении.
Дискретность перемещения штока — или, иначе говоря, цена одного управляющего импульса — определяется рядом параметров:
- шагом резьбы винтовой пары «гайка 1 — винт 2»;
- ходом многозаходной трапецеидальной резьбы узла «гайка 8 — винт 7»;
- а также передаточным числом зубчатой группы 4–6.
В серийных модификациях ЛЭГШП Г28-2 при угловом шаге шагового двигателя 1,5° дискретное перемещение штока составляет 0,05 или 0,1 мм, в зависимости от применяемой комбинации шестерён.
Конструкция линейного электрогидравлического шагового привода (ЛЭГШП) типа Г28-2 показана на рис. ZSK.46.4.
Задающий шаговый двигатель (У) соединён с входным валом распределителя РДР и гайкой 2 при помощи поводковой муфты. Гайка установлена на радиально-упорных подшипниках и жёстко закреплена от осевого перемещения. В узле винт 3 — гайка 2 используется высокоточная резьба, обеспечивающая минимальный люфт — не более 0,01 мм. Сам винт 3 проходит внутри золотника 4 и соединён с ним через упорные подшипники 7, что обеспечивает плавное, точное и синхронное движение всех элементов системы.
Рис. ZSK.46.4. ЛЭГШП типа Г28-2
Осевой зазор между винтом и золотником устраняется посредством предварительного поджатия пружины, обеспечивающей постоянный контакт сопрягаемых поверхностей.
В корпусе 5 распределителя (РДР) размещена втулка 6, внутри которой выполнены расточка и радиальные каналы, служащие для прохода рабочей жидкости. Золотник 4 и втулка 6 изготовлены из закалённой стали, а их рабочие поверхности подвергнуты высокоточной обработке, что гарантирует минимальные утечки и устойчивость характеристик при длительной эксплуатации. На правом торце винта 3 установлена втулка Е с внутренними шлицами, обеспечивающими соединение с валиками 10, смонтированными на подшипниках внутри корпуса 9. На этом валике жёстко закреплена шестерня 11, находящаяся в зацеплении с промежуточной шестернёй 12, которая свободно вращается на своей оси.
Далее вращение передаётся на шестерню 13, жёстко посаженную на винт обратной связи 16. Регулировка зазора в зубчатой передаче осуществляется смещением опоры шестерни 12, что позволяет точно установить взаимное положение колёс. Винт 16 опирается на радиально-упорные подшипники корпуса 9, а их предварительная затяжка полностью исключает осевой люфт. Гайка 14 имеет трёхзаходную резьбу и выполнена составной — из двух полугаек, между которыми помещается регулировочная прокладка. Подбор толщины прокладки позволяет добиться минимального зазора в несамотормозящей винтовой паре обратной связи. Винт 16 входит внутрь полого штока 17, жёстко связанного с поршнем 15, что обеспечивает прямую кинематическую связь между элементами привода. Масляные каналы для подключения системы к гидросети выполнены непосредственно в корпусе 5 распределителя (на схеме не показаны). Канал подвода соединён со средней проточкой втулки 6, а сливной — с её крайними проточками. Дополнительно предусмотрены две промежуточные проточки, которые через систему каналов в корпусах 5 и 9 и соединительную трубку связываются с рабочими полостями цилиндра.
Приводы данного типа выпускаются в нескольких вариантах крепления — фланцевом, на лапах и на цапфах, что позволяет использовать их в различных компоновках оборудования. Валик 16 связан с движением штока через механизм обратной связи, благодаря чему на него можно устанавливать дополнительные электрические датчики для контроля положения или скорости перемещения выходного звена.
В современных промышленных роботах с числовым программным управлением (ЧПУ), рассчитанных на грузоподъёмность свыше 40 кг, электрогидравлические приводы применяются как основной тип исполнительных механизмов. Так, в портальных роботах (ПР), обслуживающих несколько станков по одной координате, требуется перемещение каретки длиной до 18 м с позиционной точностью до десятых долей миллиметра и скоростью до 1,2 м/с. Для подобных задач используются вращательные гидроприводы, работающие совместно с зубчато-реечной передачей.
Однако при увеличении длины рейки возникает сложность регулировки зазора, устранить которую позволяет применение электрогидравлического шагового привода (ЭГШП) с двумя гидромоторами, вращающимися во встречных направлениях. Такое конструктивное решение демонстрирует главное преимущество гидроприводов перед электрическими системами: гидродвигатели любого типа способны длительно работать в режиме упора, то есть при полном ограничении хода выходного звена.
В этом состоянии двигатель лишь создаёт усилие или крутящий момент, не перегреваясь и не подвергаясь повреждению. Кроме того, при воздействии внешней силы, превышающей создаваемое усилие привода, выходное звено может сместиться в обратном направлении, не нарушая работы системы. В конструкции портальных роботов привод размещается на подвижной каретке 9, а рейка 8 жёстко закрепляется на неподвижной части портала 10 (см. рис. ZSK.46.5).
При неподвижном валике шагового двигателя 1 золотник 3 удерживается в нейтральной позиции, когда давления в рабочих полостях гидромоторов 4 и 6 уравнены. В этом режиме противоположные полости гидромоторов соединены со сливной линией, обеспечивая гидравлическое равновесие системы.
Рис. ZSK.46.5. Схема ЭГШП типа Э32Г28-2 с выборкой зазора и зубчато-реечной передачей
Равный рабочий объём обоих гидромоторов обеспечивает совпадение создаваемых ими крутящих моментов по величине на валах и шестернях 5 и 7, однако они направлены противоположно, благодаря чему каретка 9 остаётся неподвижной в исходном состоянии. Вал гидромотора 4 напрямую соединён с винтом сравнивающего устройства (СУ) 2, а через него — с золотником распределителя РДР, что формирует механическую обратную связь и фиксирует каретку при отсутствии управляющих сигналов.
Когда шаговый двигатель получает электрические импульсы управления, гайка СУ совершает поворот на заданный угол, смещая золотник РДР 3. Это вызывает перераспределение давления рабочей жидкости: оно увеличивается в одной полости гидромотора и снижается в другой, нарушая баланс сил на шестернях 5 и 7. Возникающий вращающий момент приводит каретку в движение в направлении, определяемом управляющим сигналом, с требуемой скоростью.
Так как оба гидромотора постоянно создают встречные моменты, зазоры в зубчато-реечной передаче автоматически выбираются, что полностью исключает удары и люфты в механизме.
Благодаря этому значительно повышается точность позиционирования каретки, увеличивается срок службы зубчатых элементов, а также обеспечивается плавность разгона и торможения при изменении направления движения.
При анализе функционирования следящих гидроприводов подобных схем можно выделить общую закономерность: возникающее рассогласование между задающим и исполнительным звеньями вызывает открытие рабочих щелей распределителя, причём их площадь плавно увеличивается по мере роста требуемой скорости перемещения рабочего органа.
После прекращения подачи управляющих сигналов (или остановки движения щупа) происходит автоматическое позиционирование. При этом щели распределителя РДР постепенно прикрываются, даже если входной сигнал обрывается резко.
Такое поведение обеспечивает естественное замедление движения выходного звена в конце хода, что особенно важно для тяжёлых промышленных роботов, где требуется высокая точность и мягкость остановки.
Электрогидравлический следящий привод поворотного типа (СП) применяется для реализации угловых перемещений рабочих узлов роботов, металлорежущих станков, прессового оборудования и других машин технологического назначения.
Управление осуществляется по электрической программе, формируемой задающим устройством, которое подаёт сигналы на обмотку распределителя.
Гидропривод включает поворотный гидромотор, распределитель УГЭ8, регулируемый дроссель, предохранительные клапаны, переходные плиты, редуктор и датчики обратной связи. Амплитуда и полярность управляющего сигнала определяют направление и скорость вращения выходного вала.
Использование гидроприводов в системах вспомогательных движений станков непрерывно расширяется. В частности, на токарных станках с ЧПУ они служат для автоматического регулирования натяжения ременной передачи и переключения скоростных диапазонов шпиндельной бабки. В сверлильно-фрезерно-расточных центрах гидроприводы применяются для точного перемещения и фиксации спутников с заготовками, перемещения измерительных щупов, удержания корпусов расточных головок и корректировки размеров режущего инструмента с высокой точностью.