Распечатать

Электропривод

Мехатроника в действии. Задавая тенденции в линейном перемещении

16.05.2013

Источник: ФЕСТО-РФ, ООО

Мехатроника Festo

Тенденции современного информационного общества, стремительное развитие техники и сплетение различных областей знаний воедино дают мощный толчок для использования системного подхода в разработке средств автоматизации вообще и систем управления движением в частности.

Таким системным подходом для Festo является концепция Мехатроники, в рамках которой разработан оптимизированный набор компонентов (пневматических, механических, электрических и электронных), программные средства для расчета и выбора элементов системы перемещения, а также для конфигурирования, настройки и программирования. Все механические, электрические и электронные интерфейсы стандартизованы, благодаря чему можно гибко подбирать состав системы перемещения под конкретную задачу. Базовые компоненты системы дополнены исчерпывающим набором опций и переходных элементов, что позволяет решать задачи построения мехатронных систем в комплексе.

Задавая тенденции в линейном перемещении

Стремясь не просто следовать тенденциям в управляемом линейном перемещении, но и задавать их, компания Festo разработала и запустила в серийное производство уникальный по своим характеристикам электромеханический привод ELGL-LAS на базе линейного двигателя с магнитно-воздушной подвеской каретки и интегрированной измерительной системой. Этот привод способен решать задачи высокоточного позиционирования с высокой скоростью и ускорением, обладая при этом встроенной функцией стояночного тормоза. Высокая надежность, отсутствие износа, высокая линейность перемещения – все это характерные особенности ELGL-LAS.

Конструкция и принцип действия

Конструкция линейного привода

Рассмотрим более подробно конструкцию линейного привода. На рисунке представлены и обозначены элементы, составляющие линейный привод ELGL-LAS.

Конструкция линейного привода

Основание изготовлено из стали, на нем с шагом 5 мм отфрезерованы зубцы, пространство между зубцами залито компаундом. Получившаяся плоскость отшлифована. На каретке расположены постоянные редкоземельные магниты, обмотки и форсунки для подачи воздуха. Также на каретке расположены необходимые пневматические и электрические интерфейсы для подачи сжатого воздуха и подключения силового и информационного кабелей. Обязательным элементом линейного привода ELGL-LAS является измерительная система линейных перемещений. В стандартном оснащении эту функцию выполняет магнитный линейный энкодер с высоким разрешением.

Линейный энкодер состоит из магнитной ленты, наклеенной на основании, и измерительной головки, закрепленной на каретке. Также линейный привод ELGL-LAS имеет необходимые крепежные и установочные отверстия, оснащается механическими ограничителями хода и дополнительными монтажными элементами.

Стоит отметить, что магнитная система ELGL-LAS сконструирована так, что в процессе работы магнитное поле замыкается внутри самого линейного двигателя (линии магнитной индукции не достигают даже нижней плоскости привода – измерительная система магнитная, чувствительная к внешним магнитным полям, работает абсолютно четко).

Принцип действия линейного двигателя

При объяснении принципа работы линейного двигателя чаще всего прибегают к аллегории: «Представьте себе двигатель вращательного движения, который распилен вдоль оси вращения, и его статор и ротор развернуты в плоскость». Для понимания и проведения аналогии этого, как правило, достаточно. Посмотрим более подробно принцип действия линейного двигателя, конструкция которого заложена в линейный привод ELGL-LAS. В основу конструкции ELGL-LAS положен принцип работы вентильно-индукторного двигателя (Switch Reluctance Motor).

В конструкции ELGL-LAS предусмотрены три активные обмотки, расположенные на каретке.

Обмотки смещены друг относительно друга по оси движения на определенное расстояние. Рассмотрим режим поочередного подключения обмоток. Сначала подключаем первую обмотку L1. Магнитная система основания и каретки пытается занять наиболее оптимальное положение: обмотка L1 притягивается к ближайшему зубцу и фиксирует положение. Далее подключаем следующую обмотку L2. Под действием магнитных сил каретка перемещается вправо к следующему зубцу. То же самое происходит и по сле подключения третьей обмотки L3.

Если мы переходим от поочередного режима подключения к непрерывному, т. е. формируем трехфазный синусоидальный ток, а как следствие, и бегущее магнитное поле, то линейный двигатель осуществляет уже не шаговые движения, а плавные и непрерывные.

Важной особенностью линейных электроприводов подобного принципа действия является возможность установки дополнительных кареток на основание и управление каждой из них по отдельности или синхронизированно, в зависимости от требований задачи.

Принцип действия воздушного подшипника

Если сравнивать с другими типами подшипников, воздушный подшипник имеет особенность: он работает бесконтактно. Это значит, что в штанном режиме эксплуатации отсутствует износ, а как следствие, пропадает необходимость в обслуживании.

В таком подшипнике воздушная подушка создается между кареткой и основанием. Для подвешивания каретки над основанием в определенном положении необходима сила, уравновешивающая действие сжатого воздуха. В качестве этой силы выступает сила притяжения постоянных магнитов, установленных на каретке, к стальному основанию. При отключении сжатого воздуха каретка притягивается к основанию.

Принцип действия магнитно-воздушной подвески

Таким образом, каретка удерживает свою позицию и не может быть сдвинута с места. То есть функция удерживающего тормоза заложена в самом принципе действия воздушного подшипника. При уравновешивании сил магнитного притяжения и сжатого воздуха устанавливается воздушный зазор в пределах 7–15 мкм. Малый воздушный зазор диктует высокие требования на плоскостность монтажных поверхностей. А при выполнении этих требований возможно достичь хороших значений по точности и линейности перемещений.

Принцип действия такого подшипника идеально подходит для линейного двигателя, который призван решать задачи с высокими требованиями по точности и линейности перемещений.

Измерительная система

В качестве измерительной системы, как уже отмечено, используется линейный магнитный энкодер. Энкодер состоит из магнитной ленты, наклеенной на основании, и считывающей головки, закрепленной на каретке. Энкодер выполняет функцию измерения текущего положения и скорости. Эти данные, обрабатываемые системой управления, используются для организации внутренних законов управления (замыкания контуров тока, скорости, положения), а также для достижения высоких показателей по повторяемости перемещений. Энкодер – относительный с дискретностью 2 мкм.

Контроллер двигателя

В качестве системы управления линейным электроприводом ELGL-LAS используется интеллектуальный электронный преобразователь – контроллер двигателя CMMP-AS, включающий в себя силовую и управляющую часть. Поскольку линейный двигатель ELGLLAS представляет собой не стандартный синхронный серводвигатель или шаговый двигатель, а электрическую машину по принципу действия вентильно-индукторного двигателя, для управления которого должны использоваться алгоритмы частотно-токового регулирования индукторными синхронными двигателями, то и контроллер двигателя должен поддерживать эти требования.

Контроллер двигателя CMMP-AS полностью оснащен алгоритмами управления линейным двигателем подобного типа, а также оптимизирован для работы с конкретными двигателями ELGLLAS. Помимо наличия необходимых алгоритмов CMMP-AS обладает целым рядом функций, которые позволяют использовать его без внешней системы управления движением. Это, например, функции «Летающая пила», «Электронный кулачок», «Электронный редуктор» и т. д.

Типоразмер 30 64 120
Размер каретки S S M S M L
Длительное усилие, Н 44 110 160 217 282 330
Макс. усилие, Н 44 119 164 240 310 450
Макс. длина основания, мм ...1000 ...2000 ...2000 ...2000 ...2000 ...2000
Скорость, м/с            
Повторяемость, мкм ±10 ±10 ±10 ±10 ±10 ±10

Применения

Электромеханический привод ELGLLAS на базе линейного двигателя с воздушным подшипником используется в задачах перемещения и позиционирования, где требуются высокая точность и линейность перемещения. Основные области применения – это электроника, полупроводниковая техника и измерительные системы. Также схожие требования присущи задачам для перемещения и сборки миниатюрных изделий, например, при производстве часов.

Электромеханический привод ELC-LAS

Расчет и ввод в эксплуатацию

Для сокращения времени расчета и ввода в эксплуатацию, для оптимального выбора и максимального удобства вработе разработаны специализированные программные продукты для расчета и подбора элементов систем перемещения и программные средства для конфигурирования и ввода в эксплуатацию. Подробные характеристики линейного привода ELGL-LAS введены в базу программного обеспечения.

Подбор и расчет

PositioningDrives – простая и одновременно мощная программа для расчета и подбора систем электропривода – позволяет исключить ошибки, сократить время и оптимизировать решение. Исходные данные – ход, масса, повторяемость, направление перемещения – необходимо ввести в программу.

Предусмотрено ограничение требуемого времени перемещения, а также предварительный выбор типа привода и вариантов комплектации.

Для удобства выбора подобранные варианты можно отсортировать по типам двигателя и привода, функции компонентов, продолжительности цикла или стоимости.

Программа также выдает подробные результаты, такие как графики движения, результаты расчета динамики, параметры системы, характеристики и список компонентов.

Ввод в эксплуатацию

Программа конфигурирования FCT Festo для ввода в эксплуатацию. Управление и сохранение всех параметров приводной системы можно осуществлять в одном общем проекте. Управление проектом и данными для всех типов поддерживаемых устройств. Простота в использовании благодаря графически поддерживае мому вводу параметров. Универсальный режим работы для всех приводов. Работа в автономном режиме, сидя за компьютером, или в оперативном режиме, находясь непосредственно рядом со станком.

Программные продукты Posidioning Drives и FCT доступны для свободного скачивания на сайте компании.

Пневматика + электромеханика + электроника = Мехатроника

Линейный привод ELGL-LAS от Festo стал средоточием самых последних тенденций в области управляемого линейного перемещения.

Здесь применены технологии линейного непосредственного двигателя, воздушного подшипника, высокоточных измерений линейных перемещений на базе магнитных датчиков, а также оптимизированные алгоритмы системы управления.

Также ELGL-LAS является идеальным воплощением концепции Мехатроники Festo, поскольку сочетает в себе и пневматику, и электромеханику, и электронику, причем каждая из областей техники является неотъемлемой его частью.

Материалы предоставлены Festo

Электропривод 20.09.2017 Компания «Данфосс» представила новую версию популярного преобразователя частоты VLT. Обновленный HVAC Drive FC 102 дает свободу выбора электродвигателя, так как работает со всеми существующими технологиями: асинхронными, синхронными и SynRM приводами.
Электропривод 14.09.2017 Немецкий бизнес в России почти единогласно выступил против нового закона США о санкциях – таковы результаты опроса Российско-Германской внешнеторговой палаты (ВТП), в котором приняли участие 193 немецкие компании, работающие в России.
Мнение 08.09.2017 Министерство промышленности и торговли России утвердило 16 проектных предложений поддержки промышленности. В числе одобренных инициатив – формирование отечественной компонентной базы для отраслей машиностроения.
Электропривод 06.09.2017 Компания mayr Antriebstechnik разработала электромагнитную версию линейного тормоза серии ROBA-linearstop для применений, в которых отсутствуют или нежелательны компрессоры или агрегаты для гидравлической системы или сжатого воздуха.
Электропривод 04.09.2017 Новинки в области электромеханической трансмиссии и гибридных силовых установок на отраслевой выставке MINExpo глазами Станислава Флоренцева, главного конструктора электропривода транспортных средств ООО "Русэлпром".
Электропривод 04.09.2017 Компания Schaeffler начинает серийное производство экологичных приводов: от электроприводов осей до модулей управления тепловым режимом. На международной автомобильной выставке IAA компания представила перспективные технологии со сниженным и нулевым вкладом в парниковый эффект.
Автоматизация 01.09.2017 Интеллектуальная конвейерная система SuperTrak от австрийской компании B&R разработана на основе 14-летнего опыта работы в промышленности. Технические решения, реализованные в системе, гарантируют высокую отказоустойчивость оборудования и надежную эксплуатацию в режиме 24/7.
Электропривод 28.08.2017 Компания «Сименс» получила заказ на строительство подвесной контактной сети для электрифицированных грузовых перевозок на десятикилометровом участке автобана во Франкфурте. Линия будет поставлять электроэнергию для электроприводов гибридных грузовиков.