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 23.05.2018 Компания Rockwell Automation проводит 1 июня вебинар «Обзор новинок для управления электродвигателями». В рамках мероприятия будут представлены умные устройства для интеллектуального управления двигателями, новое поколение устройств плавного пуска SMC-50 и семейство мощных контакторов 100-E.
Электропривод 18.05.2018 Открыта регистрация участников и посетителей 9-й Международной промышленной выставки ИННОПРОМ, которая пройдет с 9 по 12 июля 2018 года в Екатеринбурге. В этом году первые два дня работы выставки станут для посетителей платными.
Электропривод 20.04.2018 Шаговый привод серии AiS компании Autonics обеспечивает надежное и точное управление положением за счет сигнала обратной связи, получаемого от встроенного энкодера. При этом система не требует настройки и отличается отсутствием вибрации, характерной для обычных серводвигателей.
Автоматизация 18.04.2018 Компания ABB представила футуристический проект экологичного водного такси на электротяге на выставке в Женеве. Оно будет оснащаться консультативной системой AbilityTM Marine Advisory System – OCTOPUS, способной оптимизировать построение маршрута.
Электропривод 16.04.2018 Индекс промышленного производства в России в I квартале 2018г. по сравнению с аналогичным периодом прошлого года вырос на 1,9%. Рост в обрабатывающей промышленности составил 2,2%. Об этом сообщает Федеральная служба государственной статистики.
Электропривод 12.04.2018 Большое представительство отправит на промышленный форум ИННОПРОМ-2018 страна-партнер - Южная Корея. По предварительным данным, с 9 по 12 июля свою продукцию в Екатеринбурге представят более сотни фирм из Страны утренней свежести.
Электропривод 04.04.2018 Локализация производства низковольтных ПЧ должна помочь «Данфосс» сократить время поставки ПЧ российским потребителям с пяти недель до нескольких дней и укрепить позиции компании на российском рынке.