Мехатроника в действии. Решения для координатных систем

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.

Координатные системы раскройных комплексов

При решении задачи технического оснащения станков для раскроя листовых материалов системами перемещения также можно говорить о задаче построения оптимальной мехатронной системы. В самом деле, любой раскройный станок требует перемещать обрабатывающую головку по трем координатам в пространстве: X, Y и Z. Причем для получения оптимальных характеристик необходимо принимать во внимание и механику: элементы конструкции, системы передаточных механизмов и направляющие; и электропривод: электродвигатели и сервоусилители; и электронику: контроллеры управления движением. Каждый из элементов вносит свой вклад в итоговые характеристики и свойства готового станка. В зависимости от назначения раскройного комплекса, а соответственно и требуемых характеристик координатной системы, таких как: скорость холостых и рабочих перемещений, рабочее поле, точность контурной обработки, и будет зависеть оптимальная комплектация.

Потребители станков координатного раскроя

Попробуем на примере потребителей станков лазерной резки провести некоторое сегментирование потребителей данного оборудования и определить требования, которые могут быть предъявлены к системе перемещения.

Для первого сегмента (реклама, легкая промышленность) характерны сравнительно невысокие требования по точность (в пределах 0,3 мм), но, как правило, требуется высокая производительность (до 90 м/мин скорость холостых перемещения). Для второго сегмента (щитовая продукция, легкое машиностроение) точность и производительность находятся в балансе (0,1 - 0,2 мм точность, до 60 м/мин скорость). Для третьего сегмента могут быть характерны серьезные требования, как по точности, так и производительности (до 0,05 мм точность, до 180 м/мин скорость). Отдельно стоит сегмент приборостроения и медицинской техники – здесь требуется прецизионная точность и совсем невысокие требования по скорости (до 0,01 мм точность, до 20 м/мин скорость).

Рассмотрим варианты комплектных мехатронных решений для построения координатных систем при ориентации на требования каждого из сегментов.

Решения Festo для комплектации координатных систем комплексного раскроя

Координатные системы для первого сегмента (реклама, легкая промышленность)

Для данного сегмента характерны сравнительно невысокие требования по точности, но весьма приличные требования по производительности. Для реализации данных требований, а также для оптимизации стоимости станка целесообразно строить на базе линейных приводов с зубчатым ремнем по осям X и Y, а по оси Z использовать линейный консольный привод с ШВП. Пример конструкции представлен на рисунке. В качестве двигателей в зависимости от требуемого быстродействия можно использовать как серводвигатели с постоянными магнитами, так и шаговые серводвигатели. Данная координатная система может быть поставлена в сборе, как показано на рисунке или в виде комплектующих модульных элементов для сборке на месте.

Комплектный координатный стол XYZ на базе линейных приводов с зубчатым ремнем

Состав системы:

• Линейные приводы с зубчатым ремнем EGC-TB (оси X,Y)
• Линейный консольный привод c ШВП EGSL (ось Z)
• Синхронизирующий вал по оси X
• Синхронные или шаговые сервоприводы, 3 компл.(двигатели и сервоусилители)
• Контроллер движения c CNC-управлением CPX-CEC-M1
• Необходимые монтажные аксессуары, кабели, кабельные цепи

Характеристики:

• Рабочее поле XxYxZ 8500x1500x300
• Скорости до 5 м/с по осям X,Y и до 0,5 м/с по оси Z
• Повторяемость 0,08мм (по XY)
• Точность отслеживания контура 0,3мм

Координатные системы для второго сегмента (щитовая продукция, легкое машиностроение)

Для производства щитовой продукции и изделий легкого машиностроения требуются раскройные комплексы со средними показателями по точности и производительности. Данные характеристики возможно обеспечить с помощью линейных приводов на базе ШВП или с помощью координатных систем на базе зубчатой рейки. Рассмотрим подробнее первый вариант конструкции.

Координатные системы на базе ШВП

Основу конструкции координатной системы перемещения образуют линейные приводы EGC с ШВП по осям X-Y, а также консольный привод EGSL c ШВП и встроенной направляющей. По оси X конструкцией предусмотрено два параллельных линейных привода с независимыми серводвигателями, синхронизируемыми электронно (по принципу ведущий/ведомый). По осям Y и Z установлено по одной механической оси и одному серводвигателю. Линейные приводы EGC имеют стандартную встраиваемую опцию поддержки винта для расширения скоростных возможностей до 1 м/с по осям X и Y.

Состав системы:

• Линейные приводы с ШВП EGC-BS (оси X,Y) cинхронизация по оси X электронная
• Линейный консольный привод c ШВП EGSL (ось Z)
• Синхронные или шаговые сервоприводы, 4 компл.
• Контроллер движения c CNC-управлением CPX-CEC-M1
• Необходимые монтажные аксессуары, кабели, кабельные цепи

Характеристики:

• Рабочее поле XxYxZ 3000x1500x300
• Скорости до 1 м/с по осям X,Y и до 0,5 м/с по оси Z
• Повторяемость 0,02мм (по XYZ)
• Точность отслеживания контура 0,1мм

Комплектный координатный стол XYZ на базе линейных приводов с ШВП

Координатные системы для третьего сегмента (Среднее и тяжелое машиностроение)

К раскройным комплексам, применяемых в этом сегменте, предъявляют высокие требования как по скорости и точности обработки, так и по качеству реза. Для обеспечения высоких показателей необходимо тщательно подходить к вопросам выбора отдельных элементов, а в первую очередь элементов координатной системы.

Для обеспечения одновременно высоких показателей точности и скорости перемещения по осям X и Y в настоящее время чаще всего используют линейные двигатели с непосредственным преобразованием электрической энергии в линейное перемещение. По принципу действия наиболее распространены линейные синхронные двигатели с постоянными магнитами. Для управления такими двигателями необходимы специализироанные сервоусилители, рассчитанные на работу с датчиками линейного перемещения и обеспечивающие высокие значения перегрузочной способности.

Также серьезные требования предъявляются и к системе управления движением (контроллерам) по быстродействию.

Этим условиям удовлетворяют премиум сервоусилители CMMP-AS, которые способны осуществлять управление линейными двигателями и обладают высоким качеством управления движением; а также контроллер движения CECX-X-M1 со встроенными функциями CNC-управления и высокой производительностью.

Состав системы:

• Линейный консольный привод c ШВП EGSL с синхронным серводвигетелем EMMS-AS (ось Z)
• Контроллеры синхронных двигателей (сервоусилители) CMMP-AS , 4 компл.
• Контроллер движения c CNC-управлением CECX-X-M1

Характеристики:

• Рабочее поле XxYxZ 12000x3000x300
• Скорости до 3 м/с по осям X,Y и до 0,5 м/с по оси Z
• Повторяемость 0,01мм (по XY)
• Точность отслеживания контура 0,05мм

Координатые системы для четвертого сегмента (приборостроение, медицинская техника)

Обработка заготовок для приборостроения и медицинской техники (резка, гравировка, маркировка) отличается малыми размерами рабочего поля, невысокими скоростями и высокими точностями.

Поскольку рабочее поле сравнительно небольшое, то целесообразно использовать подвижный стол с заготовкой и неподвижный (в плоскости) режущий инструмент.

Для реализации точных перемещений по осям X и Y Festo предлагает использовать прецизионные линейные приводы EGSK в стальном корпусе. Данные линейные приводы имеют стальной корпус с интегрированной шариковой гайкой-кареткой. Эта конструкция позволяет обеспечить высокие точностные характеристики при компактной конструкции. В зависимости от требований по быстродействию и управляемости данные линейные приводы могут быть укомплектованы шаговыми EMMS-ST или синхронными EMMS-AS серводвигателями. По оси Z используется компактный консольный привод EGSL с шаговым или серводвигателем.

Крестовой стол на базе линейных приводов EGSK с ШВП и серводвигателей EMMS

Состав системы:

• Прецизионные линейные приводы с ШВП EGSK (оси X,Y)
• Линейный консольный привод c ШВП EGSL (ось Z)
• Синхронные или шаговые сервоприводы, 3 компл.
• Контроллер движения c CNC-управлением CPX-CEC-M1
• Необходимые монтажные аксессуары, кабели, кабельные цепи

Характеристики:

• Рабочее поле XxYxZ 500x500x100
• Скорости до 0,4 м/с по осям X,Y,Z
• Повторяемость 0,01мм (по XYZ)
• Точность отслеживания контура 0,05мм

Стандартизованный шкаф управления координатными системами

Для управления движением портальной координатной системы (3-4 серводвигателя) возможно использовать стандартизованный шкаф управления CMCA. Данный шкаф включает в себя: соответствующий задаче контроллер движения с функциями CNC управления (CPX-CEC-M1 – для задач среднего быстродействия, CECX-X-M1 – для задач высокого быстродействия), необходимый комплект контроллеров двигателей (сервоусилителей) CMMP-AS, а также необходимый набор электроустановочных изделий, блоки питания, системы безопасности и т.д.

Система управления CMCA может быть поставлена в виде шкафа или монтажной панели. Данное решение позволяет оптимизировать процессы сборки при производстве координатных систем, а также быть уверенным в работоспособности изготавливаемого изделия.

Преимущества решения Festo

Комплектное решение "Все из одних рук" от механики и до контроллера движения позволяет гарантировать работоспособность и надежность оборудования, а также оптимизировать логистические затраты как при производстве, так и при обслуживании оборудования.

Широкая паллета решений позволяет оптимизировать характеристики станка для конкретного применения.

Модульный принцип построения системы позволяет упрощать процессы разработки (наличие 3D-моделей всех элементов), изготовления (не требуется прецизионная обработка станины) сборки (монтажные наборы, кабели и аксессуары в комплекте) готового оборудования, что сокращает совокупные затраты производства.

Широкое использование алюминиевых профильных конструкций позволяет сократить подвижные массы при сохранении жесткости (или даже увеличении), это дает возможность использовать сервоприводы меньшей мощности, а значит – сокращает затраты.

Использование шины реального времени CANopen для управления движением позволяет получать контурные движения высокого качества при высоких скоростях перемещения, а также получать дополнительную диагностическую информацию от сервоусилителей.