Posmični prigoni alatnih strojeva i njihovi mjerni sustavi - Olivari, Drobilo

Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje

Posmični prigoni alatnih strojeva i njihovi mjerni sustavi

Seminar iz kolegija Numerički upravljani alatni strojevi prof. dr. sc. Toma Udiljak

Luka Olivari, 0035168409 Luka Drobilo, 0035163327

Zagreb, 2011.


2

Sadržaj

Slike ............................................................................................................................................................... 4

Uvod .............................................................................................................................................................. 5

Uvod u posmične prigone [prema 2] ............................................................................................................ 6

Posmični pogoni .................................................................................................................................... 7

Motor .................................................................................................................................................... 7

Podjela posmičnih prigona ............................................................................................................................ 9

Kuglično navojno vreteno (prema [2] i [3]) ................................................................................................. 10

Trapezno navojno vreteno (prema [2]) ....................................................................................................... 11

Linearni motori (prema [2] i [3]) ................................................................................................................. 12

Zupčasta letva (prema [3]) .......................................................................................................................... 14

Zupčasti remen (prema [2]) ........................................................................................................................ 15

Hidraulički posmični prigoni (prema [3]) .................................................................................................... 15

Torque (momentni) motori (prema [3]) ..................................................................................................... 16

Uvod u mjerne sustave ............................................................................................................................... 18

Podjela mjernih sustava .............................................................................................................................. 18

Prema načinu ugradnje ........................................................................................................................... 18

Prema principu rada................................................................................................................................ 19

Prema izvedbi .......................................................................................................................................... 20

Prema načinu mjerenja ........................................................................................................................... 21

Prema načinu upravljanja ....................................................................................................................... 22

Mjerni principi ............................................................................................................................................. 24

Optički enkoderi (prema [9])................................................................................................................... 24

Mjerne trake/diskovi ........................................................................................................................... 24

Fotoelektrično skeniranje (prema HEIDENHAIN) ................................................................................ 25

Induktivni enkoderi (prema NEWALL [12]) ............................................................................................. 27

Magnetski enkoderi (prema [13]) ........................................................................................................... 27

Vrste mjernih uređaja ................................................................................................................................. 29

Linearni enkoderi .................................................................................................................................... 29

Zatvoreni linearni optički enkoderi (HEIDENHAIN [9]) ....................................................................... 29


3

Izloženi linearni optički enkoderi (HEIDENHAIN [10]) ......................................................................... 30

Linearni induktivni enkoderi (NEWALL [12]) ....................................................................................... 30

Linearni magnetski enkoderi (RLS [15]) .............................................................................................. 31

Rotacijski enkoderi .................................................................................................................................. 32

Rotacijski optički enkoderi (BEIsensors [16]) ...................................................................................... 32

Kutni enkoderi (HEINDENHAIN [17]) ................................................................................................... 32

Magnetski modularni enkoderi (HEIDENHAIN [18]) ........................................................................... 33

Rotacijski kapacitivni enkoderi (AMT [19]) ......................................................................................... 34

Posmični prigoni i mjerni sustavi za zahtjeve manjih preciznosti ............................................................... 35

Zaključak ..................................................................................................................................................... 37

Literatura .................................................................................................................................................... 38

Posmični prigoni ...................................................................................................................................... 38

Mjerni sustavi .......................................................................................................................................... 38


4

Slike

SLIKA 1 – POSMIČNO I DOSTAVNO GIBANJE KOD TOKARENJA [2] ............................................................................... 6SLIKA 2 – POSMIČNO I DOSTAVNO GIBANJE KOD BRUŠENJA [2] ................................................................................. 7SLIKA 3 – MOGUĆI NAČINI REALIZACIJE POSMIČNIH POGONA [2] ............................................................................... 8SLIKA 4 – POSMIČNI POGON S KUGLIČNIM NAVOJNIM VRETENOM I MATICOM [2] ........................................................ 8SLIKA 5 – SERVOMOTORI: AC SINKRONI, MOMENTNI, LINEARNI I DC ISTOSMJERNI [5] .................................................. 9SLIKA 6 – KUGLIČNO NAVOJNO VRETENO [3] ........................................................................................................ 10SLIKA 7 – GRAĐA KNV-A I PRINCIP ANULIRANJA ZRAČNOSTI [2] .............................................................................. 10SLIKA 8 – TRAPEZNO NAVOJNO VRETENO [3] ....................................................................................................... 11SLIKA 9 – NASTANAK LINEARNOG MOTORA IZ ROTACIJSKOG ASINKRONOG [2] ........................................................... 12SLIKA 10 – OSNOVNI DJELOVI KLIZNOG MODULA S LINEARNIM MOTOROM [3] ........................................................... 13SLIKA 11 – ZUPČASTA LETVA [3] ........................................................................................................................ 14SLIKA 12 – ELIMINIRANJE ZRAČNOSTI POMOĆU ‘’MASTER-SLAVE’’ KOMBINACIJE DVAJU ZUPČASTIH KOLA [3] .................. 14SLIKA 13 – ZUPČASTI REMEN [3] ........................................................................................................................ 15SLIKA 14 – HIDRAULIČKI POSMIČNI PRIGON [2] .................................................................................................... 16SLIKA 15 – POVEĆANJE BROJA POLOVA KOD TORQUE MOTORA [2] .......................................................................... 16SLIKA 16 – TORQUE MORORI KOD 5-OSNE GLODALICE [2] ...................................................................................... 17SLIKA 17 - ANALOGNI MJERNI SIGNAL ................................................................................................................. 19SLIKA 18 - DIGITALNI MJERNI SIGNAL .................................................................................................................. 20SLIKA 19 - INKREMENTALNI MJERNI SUSTAV [8] .................................................................................................... 21SLIKA 20 - APSOLUTNI MJERNI SUSTAV [8] ........................................................................................................... 22SLIKA 21 - ZATVORENI SUSTAV (PREMA [8]) ........................................................................................................ 22SLIKA 22 - POLUZATVORENI SUSTAV (PREMA [8]) ................................................................................................. 23SLIKA 23 - KVAZIZATVORENI SUSTAV (PREMA [8]) ................................................................................................. 23SLIKA 24 - OTVORENI SUSTAV (PREMA [8]) .......................................................................................................... 23SLIKA 25 - INKREMENTALNE MJERNE TRAKE [10] .................................................................................................. 25SLIKA 26 – VRSTE MJERNIH DISKOVA [11] ........................................................................................................... 25SLIKA 27 - IMAGE SCANNING PRINCIPLE [9] ......................................................................................................... 26SLIKA 28 - SHEMA INDUKTIVNOG ENKODERA [12] ................................................................................................ 27SLIKA 29 - SHEMATSKI PRIKAZ MAGNETSKOG ENKODERA [14] ................................................................................. 28SLIKA 30 - MAGNETSKI ENKODER ZA TEŠKE UVJETE [14] ........................................................................................ 28SLIKA 31 - ZATVORENI LINEARNI ENKODERI [9] ..................................................................................................... 29SLIKA 32 - IZLOŽENI LINEARNI ENKODERI [10] ...................................................................................................... 30SLIKA 33 - LINEARNI INDUKTIVNI ENKODER [12] ................................................................................................... 31SLIKA 34 - LINEARNI MAGNETSKI ENKODER [15] ................................................................................................... 31SLIKA 35 – ROTACIJSKI OPTIČKI ENKODERI [16] .................................................................................................... 32SLIKA 36 - KUTNI ENKODERI [17] ....................................................................................................................... 33SLIKA 37 - MODULARNI MAGNETSKI ENKODER [18] .............................................................................................. 33SLIKA 38 – ROTACIJSKI KAPACITIVNI ENKODERI [19] .............................................................................................. 34


5

Uvod

Prigoni za posmično gibanje vrlo su važni moduli alatnog stroja koji omogućuju kontinuirano odvijanje procesa obrade odvajanjem čestica. Kako bi se osiguralo njihovo točno pozicioniranje i omogućilo upravljanje numeričkim alatnim strojevima, ugrađuju se i mjerni sustavi koji daju povratnu informaciju o trenutnoj poziciji alata i/ili obratka. U ovom seminarskom radu biti će napravljen opći pregled različitih rješenja prigona za posmično gibanje i njihovih mjernih sustava te opisane njihove osnovne karakteristike. Kao zaključak rada napraviti će se i kratak osvrt na odabir kombinacije jeftinijih rješenja posmičnih prigona i mjernih sustava za zadatke koji ne traže veliku preciznost.


6

Uvod u posmične prigone [prema 2]

Prigoni za posmično gibanje (slika 4) su vrlo važni moduli obradnog stroja koji omogućuju kontinuiranost odvijanja procesa obrade odvajanjem čestica, i takvo gibanje se naziva posmično gibanje. Posmično i dostavno gibanje svrstavaju se u pomoćna gibanja, a oba gibanja se na alatnom stroju ostvaruju istim prigonom, te su najčešće pravocrtna. Obzirom da se na alatnom stroju češće ostvaruju posmična gibanja od dostavnih, u daljnjem tekstu će se govoriti o prigonu za posmično gibanje, a on će zapravo predstavljati prigon za pomoćno gibanje.

Prigon za pomoćno gibanje mora omogućiti sljedeće: a) gibanja na alatnom stroju kojim se

osigurava stalnost procesa obrade odvajanjem čestica-posmična gibanje b) gibanja potrebna za primicanje i odmicanje te zauzimanje dubine obrade – dostavna gibanja c) promjenu vrijednosti tih pomoćnih gibanja. Vrste gibanja su prikazane na slikama 1 i 2.

Posmično gibanje (P) izvodi se određenom brzinom vf i koja utječe na tijek obrade predmeta, uz održanje kontakta alata i obratka. Posmično gibanje ovisno o procesu obrade i alata stroja na kojem se obrada odvija mogu biti kružni ili pravocrtni kao i kontinuirani i diskontinuirani. Trošenje alata, kvaliteta obrade, zagrijavanje alata i obratka i trajanje procesa ovise o posmičnoj brzini na obradnom stroju.

Slika 1 – Posmično i dostavno gibanje kod tokarenja [2]

Posmakom se, u procesu odvajanjem čestica, na alatnim strojevima, ostvaruje trajanje procesa rezanja. Proces rezanja može biti kontinuiran i prekidan. Kod kontinuiranog rezanja, oštrica alata je


7

stalno u zahvatu. Kod prekidnog rezanja, koje se pojavljuje kod glodanja i prekidnog rezanja, oštrica je povremeno u zahvatu. Posmak može biti izražen u mm po okretaju kog kružnog glavnog gibanja ili mm po hodu kod pravocrtnih glavnih gibanja. Kod višereznih alata posmak se izražava u mm po oštrici.

Dostavno gibanje (D) primak - odmak odnosi se na dovođenje alata i obratka u definirano tehnološki zahvat. Navedeno gibanje definira i put obratka ili reznog alata u početnu poziciju nakon završene obrade.

Slika 2 – Posmično i dostavno gibanje kod brušenja [2]

Posmični pogoni pružaju mehaničku energiju potrebnu za gibanja NC-osi i ispunjavaju višestruke namjene prijenosa i pozicioniranja unutar proizvodne jedinke. Visokobrzinska obrada je propraćena sa visokim posmičnim brzinama koje zahtjevaju velika ubrzanja i usporavanja izvršnih elementa, dovodeći do značajnih promjena uvjeta rezanja. Bitne komponente posmičnog pogona su: - motor - mehanički dijelovi osi sa sustavom mjerenja pozicije - upravljački dio sastavljen od energetskog i regulacijskog dijela.

Motor kao pretvornik energije pruža potrebnu mehaničku energiju za gibanje i zadržavanje položaja. Uz motor kao električni aktivni dio idu i dodatne ugradbene cjeline kao npr. kočnica, davač položaja, spojka na pogonsko vratilo, integrirana zaštita od preopterećenja. Mehanički dijelovi osi alatnog stroja sastoje se od stola (klizača) tj. konstrukcije osi sa sustavom vodenja i mehaničkim prijenosnim elementima. Što se tiče motora za pomoćno kretanje upotrebljavaju se sljedeći tipovi motora: - AC servomotori - DC servomotori - koračni (step) motori - linearni motori. Najveću primjenu imaju AC servomotori.


8

Slika 3 – Mogući načini realizacije posmičnih pogona [2]

Većina posmičnih prigona u alatnim strojevima danas se sastoji od servomotora na koji je spojen mehanički prijenosnik (npr. kuglično navojno vreteno s maticom) za pretvaranje rotacijskog gibanja motora u translacijsko gibanje stola (klizača). Za postizanje optimalnog ubrzanja ili brzine linearno pokretane mase često se smješta zupčani ili remenski prijenosnik između motora i navojnog vretena.

Slika 4 – Posmični pogon s kugličnim navojnim vretenom i maticom [2]

Servomotor je izvšni dio sustava za dinamičko pozicioniranje i podrazumjeva da radi u zatvorenom regulacijskom krugu. Kako su temeljni zahtjevi pri pozicioniranju brzo i točno postizati zadani položaj i brzinu, servomotor mora posjedovati svojstva kojima se ovi zahtjevi mogu što bolje ispuniti. Osnovna su svojstva servomotora mala mehanička i električna kostanta, a postižu se malim momentom tromosti rotora, malim rasipnim tokovima, te velikim specifičnim opterečenjem materijala. Za servomotor mogu poslužiti različite vrste motora, no neki daju bolje rezultate te se češće koriste.


9

Servomotori u sebi sadrže pogonski motor koji može biti bilo koje vrste ali između osovine i motora i radnog mehanizma nalazi se reduktor koji pomoću posebno dimenzioniranog zupčastog prijenosa smanjuje brzinu vrtnje ali povećava moment motora. Servomotori sadrže u sebi i elektro magnetsku kočnicu koja spriječava daljenje kretanje motora i uključuje se pri prestanku napajanja motora. Također u sebi mogu sadržavati krajnje sklopke koje isključuju motor u trenutku kada je radni mehanizam dosegao krajnji položaj. Vrlo često imaju i mjerni pretvornik koji el. putem pokazjue trenutačni položaj radnog mehanizma.

Slika 5 – Servomotori: AC sinkroni, momentni, linearni i DC istosmjerni [5]

Kao servo motori za pomoćne osi CNC strojeva koriste se elektronički komutirani AC sinkroni motori s permanentnim magnetima opremljeni s digitalnim enkoderima pozicije. Imaju veliku primjenu u suvremenim reguliranim elektromotornim pogonima (roboti i numerički upravljani alatni strojevi). Izvode se s klasičnim trofaznim namotom na statoru i trajnim magnetima na rotoru.

Momentni (torque) motori veliku primjenu nalaze u pogonjenju CNC stolova, odnosno tehnoloških procesa gdje je potreban vrlo veliki moment, velika preciznost pozicioniranja, uz nisku brzinu vrtnje.

Linearni motori najnovija su tehnologija u pomicanju pomoćnih osi CNC strojeva. Visoka brzina, velika točnost pozicioniranja i uklonjena mehanička trošenja (linearni motori ne posjeduju kuglična navojna vretena).

DC istosmjerni servo motori korišteni su u vrlo velikom broju starijih CNC strojeva. Visoka reopteretivost, te veliki raspon brzina glavne su karakteristike ovih motora.

Servomotori često imaju razmjerno visoku graničnu brzinu, a izvedbeno su prepoznatljivi po osnoj izduženosti. Izrađuju se za snage od najmanjih do više desetaka kW.

Podjela posmičnih prigona

Posmični prigoni kod alatnih strojeva podijelit će se na linearne posmične prigone i pogone zakretnih osi alatnih strojeva. Pod linearne posmične prigone spadaju: kuglično navojno vreteno, trapezno navojno vreteno, linearni motori, zupčasta letva, zupčasti remen i hidraulički posmični pogon. Pod pogone zakretnih osi alatnih strojeva spadaju torque motori.


10

Kuglično navojno vreteno (prema [2] i [3])

Slika 6 – Kuglično navojno vreteno [3]

Kuglično navojno vreteno (KNV) s dvodjelnom maticom je mehanička naprava za pretvaranje rotacijskog gibanja u linearno gibanje. Kuglično navojno vreteno s dvodjelnom maticom za provođenje rotacijskog gibanja u linearno gibanje mogu raditi samo uz dodatnu dvodijelnu maticu koja se isporučuje zajedno s kugličnim navojnim vretenom. Građa kugličnog navojnog vretena prikazana je na slici 7 gdje je i prikazan princip anuliranja zračnosti izmedu vretena i matice pomoću prednapona preko prstena postavljenog izmedu dvije matice.

Slika 7 – Građa KNV-a i princip anuliranja zračnosti [2]


11

Kod ovog prigona se javlja vrlo malo trenje između matice i kugličnog navojnog vretena jer ovdje nema klizanja već se zapravo matica pomoću kuglica kotura po kugličnom navojnom vretenu. Sva tri elementa su napravljena u malim tolerancijama i stoga su pogodni za korištenje u situacijama u kojima je potrebna visoka preciznost, a to su suvremeni numerički upravljani strojevi. Da bi održali svoje inherentne točnosti i osigurali dug vijek trajanja, velika pažnja je potrebna da se izbjegne kontaminacija s prljavštinom i s abrazivnim česticama. Kuglična navojna vretena s dvodjelnom maticom su vrlo osjetljiva, i raditi će optimalno u temperaturnim uvjetima od -20 do +100 °C.

Bitna značajka pogona preko KNV jest da su posmične sile koje se mogu dostici prijenosom sile izmedu vretena i matice te dodatnih prijenosnika relativno velike. Sposobnost ubrazanja pogona s KNV je gotovo neovisna o linearno pokretnoj masi i određuje se uglavnom preko koraka uspona i momenata inercije motora i vretena. Danas se pomoću viskodinamičkih kugličnih navojnih vretena postižu brzine od oko 80 m/min. Kuglice se izrađuju od keramike ali najčešće se koriste čelične kuglice. Keramičke kuglice se koriste kod vrlo preciznih strojeva kao i kod strojeva gdje je potrebno ostvarit velike brzine i ubrzanja. Za podmazivanje matice na kugličnom navojnom vretenu se koristi najčešće mast. Konstruktorima integracija KNV u konstrukciju stroja ne predstavlja problem jer se sustav kroz mnogo godina pokazao pouzdan i kao takav postao standardan.

Trapezno navojno vreteno (prema [2])

Trapezno navojno vreteno s maticom je mehanička naprava za prevođenje rotacijskog gibanja u pravocrtno odnosno linearno gibanje, koje je potrebno za ostvarivanje posmaka kod obrade. Nedostatak trapezno navojnog vretena s maticom su manja efikasnost i veće radijalno opterećenje na vreteno. Oni se mogu koristiti kod auto dizalica ili kod vijčanih preša. Daljnji primjeri za primjenu trapeznog navojnog vretena su prigon za pravocrtno posmično gibanje kod klasičnih alatnih strojeva, a koriste se i kod transportnih sustava. Da bi se izbjegao prazni hod obično se matica izrađuje iz dva dijela koji se zatim prednapregnu. To prenaprezanje se može riješiti na više načina, a najčešće je izvedeno upotrebom prstena za prenaprezanje koji se brusi na odgovarajuću debljinu. Matica je dvodjelna da se može podešavati zračnost između nje i trapeznog navojnog vretena.

Slika 8 – Trapezno navojno vreteno [3]


12

Linearni motori (prema [2] i [3])

Linearni motor je posebni oblik elektromotora bez rotirajućih dijelova odnosno rotora. Kao linearni motor se najviše koristi asinkroni motor. Zamisli li se stator i rotor uzdužno presjecen i razvijen u ravninu, gibanje motora prema statoru pretvara se u pravocrtno gibanje – tako nastaje linearni motor. Linearni motori pretvaraju energiju na istim nacelima kao i odgovarajuci rotacijski strojevi. Razlikuju se primarni i sekundarni dio, a svaki od njih može biti pomican. Linearni motor sam po sebi ne može funkcionirati bez linearnih vodilica koje održavaju pravocrtnost gibanja i drže konstantu zračnost između rotora i statora.

Slika 9 – Nastanak linearnog motora iz rotacijskog asinkronog [2]

Svojstva linearnih motora su da mogu razviti velike posmične brzine do 1200m/min, s izvanrednom preciznošću pozicioniranja i superiornom dinamikom. Posmična sila kod linearnih motora ograničena je nedostatkom mogučnosti koji omogučava prijenosni omjer. Maksimalna posmična sila modernog sinkronog linearnog motora iznosi danas oko 22000 N po primarnom dijelu. Za povećanje sile moguče je u jednoj osi mehanički spojiti dva ili više linearnih motora. Mogučnost ubrzanja je za razliku od pogona sa kugličnim navojnim vretenom obrnuto proporcionalna linearno pokretanoj masi. Pokrenute mase mogu iznositi više tisuća kilograma, ali tada LM gubi svoje dinamičke prednosti u usporedbi s elektromehaničkim pogonom s kugličnim navojnim vretenom. Pored navedenog potrebno je kazati da su linearni motori dosta robusni i bez velikog trošenja tijekom eksploatacije kao i niskih troškova održavanja. Uz sve navedene prednosti imaju i dva nedostatka a to su manja mehanička nosivost i njihova visoka cijena. Linearni motori se mogu predstavit kao prigoni budućnosti zbog svih svojih prednosti koje su navedeni.


13

Osnovni dijelovi kliznog modula s linearnim motorom kao što je prikazano na slici: 1.Primarni namotaj

2.Sekundarni namotaj 3.Vodilice 4.Linearni sustav za mjerenje pozicije

Slika 10 – Osnovni djelovi kliznog modula s linearnim motorom [3]

Direktni pogoni s linearnim motorima omogucuju: • kraća sporedna vremena kroz visokodinamička kretanja, • brzine do 120 m/min, • ubrzanja do 2 g, • velika točnost kontura i pozicioniranja, • upravljanje bez povlačne greške s ciklusnim vremenom < 0,5 ms, • visoka jednoličnost brzine, • povećanje kvalitete površine kroz neznatnu valovitost sile, • visoka neosjetljivost naspram loma, • visoka pogonska pouzdanost zbog nedostatka dijelova koji se troše, tj. pogon ne treba održavanje.


14

Zupčasta letva (prema [3])

Naspram pogona s KNV pogon s zupčastom letvom može za duže posmake pružiti veću krutost i stoga postići višu vlastitu frekvenciju. Kod dužih posmaka KNV mora biti izvedeno s većim promjerom i stoga i većim momentom tromosti. Zračnost izmedu zupčaste letve i kola anulira korištenjem dva zupčanika s kosim ozubljenjem koja su napeta s oprugom.

Slika 11 – Zupčasta letva [3]

Drugi način je da se pogon izvede pomoću "master-slave" (slika 12) kombinacije dvaju zupčastih kola pogonjenih motorom s reduktorom gdje prvo kolo izvodi glavnu rotaciju, dok drugo kolo anulira zračnost. Veća ubrzanja postižu se manjim promjerom zupčastog kola, jer se momenti inercije reduciraju se četvrtom potencijom promjera kola. Krutost ovog sustava ovisi o krutosti uvijanja vratila zupčastog kola i prijenosnika, kao i o krutosti kontakta izmedu letve i kola.

Slika 12 – Eliminiranje zračnosti pomoću ‘’master-slave’’ kombinacije dvaju zupčastih kola [3]


15

Zupčasti remen (prema [2])

Korištenje zupčastog remena za dobivanje pravocrtnog gibanja vrlo je jednostavno i jeftino rješenje, no to se može koristiti samo kod alatnih strojeva male snage i slabe preciznosti, jer se zupčasti remen izdužuje – rasteže te nije pogodan za veće sile i veće točnosti.

Slika 13 – Zupčasti remen [3]

Na ovakav način riješeni linearni prigoni mogu ostvariti visoke dinamičke uvjete, velike akceleracije i brzine, tako da brzine dosežu do 360 m/min. Međutim, linearni aktuator sa zupčastim remenom nije pogodan za precizne obradne sustave te se u budućnosti ne vidi njihova primjena kod obradnih sustava.

Hidraulički posmični prigoni (prema [3])

Hidraulički pogoni za razliku od mehaničkih s el. motorima imaju jednostavniju konstrukciju, veću masu, manje komponenata i stoga višu vlastitu frekvenciju i veću krutost. Za isti volumen pružaju veću silu, ali s manjim brzinama i ubrzanjima, što pogoduje primjenama kod kojih se zahtijevaju visoke obradne sile, te kod obrada kod kojih reduciranje sporednog vremena ne donosi ekonomsku prednost. Pozicioniranje i preciznost u usporedbi s pogonima s KNV je približno ista, dok se cijena potonjih približila hidraulickim, te ih uz prijelaz na el. pogone bez potrebe za hidrauličkim sustavima tako polako zamjenjuju kod primjene u alatnim strojevima.


16

Slika 14 – Hidraulički posmični prigon [2]

Torque (momentni) motori (prema [3])

Torque motori su pogoni za zakretne osi alatnih strojeva. Rotacijski motori s direktnim pogonom se nazivaju torque motori, ako pri relativno niskoj frekvenciji vrtnje mogu raspolagati velikim okretnim momentom. Osnova za to je povišica broja pari polova motora.

Slika 15 – Povećanje broja polova kod torque motora [2]

Torque-motori se većinom izvode kao sinkroni motori. Uz rotor i stator mogu biti izvedeni s montažnim dodatkom, koja se zove „most“, i koji se postavlja u proizvodnji kako bi osigurala da su rotor i stator poravnati za montažu. Most takoder zadržava magnetsko polje unutar motora i na taj način uklanjanja potrebu za posebnim područjima od obojenih metala i štiti rotor od oštecenja.


17

Torque motori su konstruirani kao direktni pogoni. Oni uklanjaju potrebu za zupčanicima, pužnim pogonom i drugim mehaničkim prijenosnim elementima i direktno povezuju preopterečenje na pogon.

Dinamika ovog pogona je velika i dopušta vremensko pozicioniranje koje se s prijašnim rješenjima ne može usporediti: Ubrzanje je 12 puta veće nego kod prijašnjih pužnih pogona i 5x veca vrijednost broja okretaja što znaci i veću produktivnost. Daljnja bitna karakteristika je visoka toćnost pozicioniranja i jednostavna ugradnja u strukturu stroja koja zauzima manji prostor.

Slika 16 – Torque morori kod 5-osne glodalice [2]

Bitna razlika između sustava direktnog pogona i onih pogonjenih konvencionalnim servomotorima i zupčanicima je ta, da se torque motori nalaze unutar osi i dio su stroja. To čini kontrolu zagrijavanja još važnijom. Konvencionalni motori ugradeni su u manje kritična mjesta i motori mogu raditi na većim temperaturama. Vecina torque motora uključuje opskrbu za hladenje tekućinom. Hladenje tekućinom povecava kontinuirani zakretni moment motora. Hlađenje zraka, ako se zahtjeva takva opcija, je manje efikasno nego hlađenje bazirano na tekućini.


18

Uvod u mjerne sustave

Postojanje numeričkog upravljanja alatnim strojevima omogućilo je jednostavno unošenje programa preko grafičkog sučelja koje računalo zatim automatski pretvara u električne signale te njima upravlja prigonima alatnog stroja. Kod posmičnog prigona ovakav način upravljanja daje velike mogućnosti određivanja brzina gibanja, simultanog upravljanja više osi istovremeno te postizanja kompleksnih pokreta sa savršenom preciznošću. No kako bi se to sve postiglo, samo postojanje i kooperacija upravljačkog računala i posmičnih prigona nije dovoljna.

Kod klasičnih alatnih strojeva dok je čovjek upravljao strojem on je i pratio i nadzirao sva gibanja na stroju. Čovjek je svoj nadzor obavljao vizualno preko raznih skala na stroju. No kod numerički upravljanih strojeva uz upravljačko računalo i posmični prigon te prijenosni mehanizam biti će potreban i mjerni sustav koji će računalu davati povratnu informaciju o trenutačnoj poziciji obradka/alata te time omogućiti korekciju gibanja i osigurati točnost obrade.

Podjela mjernih sustava

Točnost vođenja i pozicioniranja radnih dijelova numerički upravljanih alatnih strojeva je osnovni preduvjet postizanja točnosti dimenzija obradaka i samostalnog rada alatnog stroja. Kroz godine njihove primjene razvijeni su razni mjerni uređaji kojima se to ostvaruje. Među tim uređajima postoje velike razlike u konstrukciji i načinu rada tako da smo njihove izvedbe (prema [8]) podijelili u nekoliko skupina:

Prema načinu ugradnje

Direktni – Direktnim se mjernim sustavom mjeri položaj pokretnog dijela u odnosu na nepokretni dio alatnog stroja bez ikakvog posrednika, čime se odbacuju pogreške posrednih elemenata. Direktni sustav mjerenja puta, tj. položaja ili pozicije numerički upravljane osi, ostvaruje se pomoću mjerne letve i mjerne glave gdje je mjerna glava pričvršćena na nepokretni ili pokretni dio klizača.

Posredni – Posredni mjerni sustav se ostvaruje kružnom mjernom skalom u pravilu izrađenoj na disku smještenom na kraju kugličnog navojnog vretena ili u kućištu elektromotora. Ovaj sustav, zarazliku od direktnog, ne obuhvaća eventualne pojave na kugličnom vretenu kao što su:

− pogreške koraka

− nedovoljno predopterećenje

− pojava zračnosti između matice i vretena

− uvijanje vretena

− toplinska dilatacija vretena


19

Prema principu rada

Analogni – Kod analognih sustava mjerni senzori mjere kontinuirane fizikalne veličine te su tako dobivene i kontinuirane linijski ili krivuljni grafovi gibanja mjerene veličine, tj. gibanja nekog predmeta (npr. stola) čiji se položaj prati. Budući je upravljačko računalo digitalan uređaj, ovakav signal će biti potrebno modulirati u digitalni oblik kako bi ga računalo moglo primiti i obraditi.

fizik

alna

vel

ičin

a

pravocrtni ili rotacijski pomak

Slika 17 - Analogni mjerni signal

Digitalni – Senzor koji vrši mjerenje gibanja je digitalni uređaj (kao i samo upravljačko računalo) pa će tako i izlazni signal također biti digitalan. Budući digitalni uređaji funkcioniraju u taktovima, svi digitalni signali će biti diskretizirani tako da podaci više neće biti kontinuirani u obliku linije ili krivulje, nego će biti isprekidani i pomaci očitavani u pravilnim vremenskim razdobljima. Tako se dobiva i prikaz signala prikazan na slici, gdje se “stepenice” pojavljuju u jednlikim razmacima a na svakoj se nalazi numerički podatak koji opisuje veličinu u tom zadanom trenutku i time određuje pomak signala.


20

disk

retn

i pod

atak

pravocrtni ili rotacijski pomak

Slika 18 - Digitalni mjerni signal

Prema izvedbi

Prema izvedbi su mjerni sustavi smješeni u dvije osnovne izvedbe:

− linearni mjerni sustavi

− rotacijski mjerni sustavi

Osnovna razlika ove dvije vrste sustava je način na koji se njima određuje pomak, što će biti objašnjeno na primjeru pomaka pomoću kugličnog navojnog vretena i dvostruke matice.

Ako je korišten linearni mjerni sustav, na pomični stol se može pričvrstiti mjerna glava, dok će se kao mjerni sustav koristiti mjerna letvu koja će biti postavljena usporedno putanji stola. Kako će se stol micati, tako će se i mjerna glava micati po mjernoj letvi. Linearni pomak je tako dobiven direktnim iščitavanjem pomaka mjerne glave po mjernoj skali.

Rotacijski mjerni sustav se također može primjeniti na slučaju kugličnog navojnog vretena i to tako da se kraj kugličnog navojnog vretena poveže s jednom od vrsta rotacijskih mjernih sustava preko kojeg će se očitavati rotacijski pomak, tj. zakret kugličnog navojnog vretena. Linearni pomak će se zatim preračunavati preko zakreta kugličnog navojnog vretena. Rotacijski mjerni sustavi također veliku primjenu nalaze kod mjerenja rotacija ili zakreta uređaja kao što su zakretni stolovi ili glavna vretena.


21

Prema načinu mjerenja

Inkrementalni – Kod inkrementalnih mjernih sustava, mjerna skala je podijeljena na veliki broj malih dijelova pomoću kojih se mjeri pomak. U ovakvom sustavu potrebna je referentna točka u koju se stroj mora vratiti na početku svakog zadatka, i od koje će se dalje brojati pomak i inkrement, “povećanje” gibanja. Ovakvi strojevi su jednostavno izvedivi i programirani te se često koriste, a njihova preciznost i mogućnost što finijeg određivanja položaja definirana je veličinom podjele skale.

Slika 19 - Inkrementalni mjerni sustav [8]

Apsolutni – Apsolutni mjerni sustav na svojoj skali također posjeduje podjelu mjerne skale na male dijelove, no kod apsolutnih sustava će se na svakoj poziciji skale očitavati više signala te će svaka pozicija imati jedinstvenu oznaku pomoću koje se može točno odrediti položaj. Pri ovakvoj izvedbi budući je u svakom trenutku poznat točan položaj duž mjerne skale nije potrebno vraćati se u referentnu točku no zbog većeg broja signala raste kompleksnost izrade i programiranja takvih uređaja te samim time i njihova cijena.


22

Slika 20 - Apsolutni mjerni sustav [8]

Prema načinu upravljanja

− Zatvoreni – Svoju funkciju obavlja preko prigonskog elektromotora i prijenosnog mehanizma a povratna veza se obavlja preko senzora za linearno pozicioniranje (linearni mjerni sustav). Glavni nedostatak zatvorenog sustava je vremenski pomak između ulaznog i izlaznog signala i dinamička nestabilnost.

upravljačka jedinica

pojačalo elektromotor prijenosni mehanizam

radni stol

senzor

Slika 21 - Zatvoreni sustav (prema [8])

− Poluzatvoreni – Poluzatvoreni sustav, zarazliku od zatvorenog, ima rotacijski mjerni senzor za kutno pozicioniranje. Ovdje se pomak alata, tj. pomak numerički upravljane osi određuje preko kutnog zakreta navojnog vretena (rotacijski mjerni sustav). Kod ovog mjernog sustava javljaju se pogreške vezane uz točnost i temperaturu navojnog vretena zbog indirektnog načina mjerenja. No poluzatvoreni sustav je zato jeftiniji od zatvorenog.


23



radni stol

senzor

Slika 22 - Poluzatvoreni sustav (prema [8])

− Kvazizatvoreni – Funkcionalno je jednak poluzatvorenom sustavu, samo se rotacijski mjerni senzor ne nalazi na kraju navojnog vretena nego na prigonskom elektromotoru, čime se smanjuje utjecaj vibracija na točnost.



radni stolsenzor

Slika 23 - Kvazizatvoreni sustav (prema [8])

− Otvoreni – Programska vrpca je nositelj prigramskih informacija koje se unose u određene registre za pamćenje odakle se informacije raspoređuju prema odgovarajućim adresama:

- informacije uključivanja – šalju se na izvršne jedinice (motore) - informacije puta – pozicije numerički upravljane osi se upućuju u

- interpolator - diskriminator


pojačalo prijenosni mehanizam

radni stol

Slika 24 - Otvoreni sustav (prema [8])


24

Mjerni principi

U modernim mjernim sustavima za dobivanje podataka o položaju koriste se enkoderi. Enkoderi su uređji koji pretvaraju informacije iz jednog oblika u drugi, u ovom slučaju pretvaraju mjerene pozicije u električne impulse. Prema principu mjerenja, mjerni enkoderi su podijeljeni na sljedeće tipove:

− mehanički – Enkoderi veoma niske cijene, niske rezolucije koji funkcioniraju na principu otvaranja i zatvaranja strujnog kruga.

− optički – Cijene variraju od niskih do visokih, enkoderi visoke rezolucije koji koriste infracrvene snopove svjetla i fototranzistore te su danas najčešće korišteni.

− induktivni – Precizna i pouzdana tehnologija, detektira pomake praćenjem promjena elektromagetskih polja u zavojnicama.

− magnetski – Srednjih do visokih cijena, enkoderi srednje rezolucije očitavanja koji generiraju izlazne podatke očitavajući promjene u magnetskim poljima.

− optička vlakna – Enkoderi visoke cijene, srednje do visokih rezolucija, koriste lasere i fototranzistore te se najčešće koriste u primjenama gdje su prisutni zapaljivi plinovi.

− kapacitivni – Niske cijene, niske do visoke rezolucije, enkoderi koji generiraju izlazne signale detektirajući promjene kapacitivnosti koristeći referentni signal visoke frekvencije. Relativno nova tehnologija ako usporedimo s ostalim principima, veoma pouzdana i točna.

Optički enkoderi (prema [9])

Mjerne trake/diskovi

Optički enkoderi koriste mjerne trake i diskove sa uzorcima linija koji čine mjernu skalu. Kod rotacijskih enkodera, ovi uzorci se urezuju na metalne ili plastične diskove, dok se kod linearnih enkodera nanašaju na staklo ili čelične trake. Ti uzorci linija sačinjeni su od periodičkih struktura poznatih kao graduacije. Graduacije se na linearnim skalama izrađuju raznim fotolitografskim procesima, a mogu se izraditi iz:

- izrazito tvrdih linija kroma na staklenoj podlozi - linija urezanih na pozlaćene čelične trake - 3D struktura na staklenim ili čeličnim podlogama

Ovakvi procesi izrade mjernih skala omogućavaju periode mjernih skala i ispod 1 μm a karakteriziraju ih visoka točnost i homogenost rubova linija.


25

Slika 25 - Inkrementalne mjerne trake [10]

Slika 26 – Vrste mjernih diskova [11]

Fotoelektrično skeniranje (prema HEIDENHAIN)

Fotoelektrično skeniranje je jedna od tehnologija na kojoj su bazirani optički senzori. Ova metoda je veoma precizna, može detektirati veoma sitne linije širina reda veličine svega nekoliko mikrona te generira mjerne signale sa veoma malim periodama što omogućava postizanje visoke preciznosti. Fotoelektrično skeniranje je bezkontaktan proces te je u njemu eliminirano trošenje uzrokovano trenjem uslijed klizanja.


26

U tvrtci HEIDENHAIN na svojim uređajima koriste dvije vrste fotoelektričnih uređaja:

− slikovni princip skeniranja – za periode mjernih skala od 10 μm do 200 μm

− interferencijski princip skeniranja – za veoma fine podjele sa periodama mjernih skala veličine 4 μm i manje

Od ova dva principa detaljnije će biti objasniti slikovni princip skeniranja (imaging scanning principle) koji se koristi za nešto niže razlučivosti.

Slikovni princip skeniranja

Slikovni princip skeniranja funkcionira na osnovi projiciranja svjetlosnih signala. Dvije rešetke sa smještajem otvora baziranim na istim ili sličnim periodama pomiču se relativno jedna drugoj – te rešetke zovemo mjera (mjerna skala) i mreža za skeniranje (scanning reticle). Materijal koji nosi mrežu mora biti proziran, dok se mjera može nanijeti na prozirnu ili reflektivnu površinu čime se smještaj elemenata mijenja. Navedeni primjer odnosi se na prozirnu površinu:

Iz LED izvora, svjetlost se emitira prema leći. Kada nakon prolaska kroz leću međusobno paralelne zrake svjetlosti prolaze kroz mrežu, svjetle i tamne površine projicirane su prema mjeri. Ovisno kako se dvije rešetke gibaju u odnosu jedna na drugu, te u kakvom su položaju otvori rešetki smješteni, svjetlosne zrake će prolaziti kroz njih (ako su otvori rešetki usklađeni) ili neće prolaziti kroz njih (ako se otvori i linije rešetki preklapaju). Dalje, iza mjere, nalazi se mreža solarnih ćelija (fototranzistora) koje zatim varijacije upada svjetlosnih zraka pretvaraju u promjenjive električne signale. Posebno strukturirane rešetke mreže za skeniranje filtriraju svjetlosni snop tako da se u solarnim ćelijama generira gotovo sinusoidalni izlazni signal mjernog senzora.

Slika 27 - Image scanning principle [9]


27

Induktivni enkoderi (prema NEWALL [12])

NEWALL induktivni (inkrementalni) enkoderi bazirani su na Sperosphyn tehnologiji. Elektromagnetno polje je generirano induciranjem 10 kHz sinusoidalne struje kroz jednu pobudnu zavojnicu unutar kućišta glave čitača. To polje reagira sa Ni-Cr elementima sadržanim u mjernoj skali. Set četiri sekundarne zavojnice zatim detektira varijacije u induciranom polju koje elektroničko sklopovlje potom kombinira i obrađuje. Elementi sklopovlja zatim pomoću obrađenih signala generiraju promjenjivi signal koji se mijenja s položajem mjerne glave duž mjerne skale. Ovisno o položaju mjerne glave dok prolazi preko svakog pojedinog elementa, fazni pomak detektiranog signala u ovisnosti o pobudnom signalu će varirati između 0 i 360 stupnjeva. Visokobrzinski digitalni procesor signala pretvara analogni signal u industrijski standardni diferencijski kvadraturni signal te periodički generira puls koji služi kao referentna oznaka.

Slika 28 - Shema induktivnog enkodera [12]

Magnetski enkoderi (prema [13])

Postoji nekoliko tipova magnetskih enkodera i svi se temelje na detektiranju promjena u magnetskom polju uzrokovanim pomicanjem feromagnetskog objekta.

Najjednostavnija izvedba ovakvog magnetskog enkodera za rotacijsko gibanje, često nazivana magnetski „pick-up“,sastoji se od namotaja namotanih oko permanentnog magneta. Na taj način generira se naponski impuls kada zub zupčanika prođe kroz senzorsko polje. Ovakva izvedba je vrlo robusna, pouzdana i poprilično jeftina i uglavnom se koristi za mjerenje brzine, no ne funkcionira ako se objekt ne kreće kroz senzorski prostor brzinom većom od 4,6 m/s.

Druga vrsta senzora koristi permanentni magnet, Hall efekt i magnetootporni uređaj. U ovom slučaju u prisutnosti fermomagnetskog materijala nastaju promjene u naponu ili električnom otporu. Feromagnetski materijal može biti u obliku zuba zupčanika (kod rotacijskog enkodera), ili metalne trake (kod linearnog enkodera). Ovaj tip senzora će raditi i pri brzinama praktički jednakim nuli i dostupan je u rotacijskim i linearnim izvedbama.

Treći tip magnetskog enkodera koristi magnetootporni uređaj kako bi zabilježio prisutstvo ili nepostojanje magnetiziranih objekata, bilo obruča bubnja bilo magnetskih traka.


28

Slika 29 - Shematski prikaz magnetskog enkodera [14]

Slika 30 - Magnetski enkoder za teške uvjete [14]


29

Vrste mjernih uređaja

Linearni enkoderi

Linearni enkoderi mjere položaj linearnih osi bez dodatnih mehaničkih pomičnih elemenata. Kontrolna petlja za kontrolu položaja sa linearnim enkoderima također uključuje i cijeli sustav posmičnog prigona. Greške gibanja koje se pojavljuju pri radu mogu biti detektirane pomoću linearnih enkodera smještenih na klizačima te prepravljene kontrolnom elektronikom. Korištenje ovakvog sustava može eliminirati mnoge potencijalne izvore pogrešaka:

- pogreške pozicioniranja uslijed termalnih distorzija navojnog vretena - histereza - kinematičke greške radi netočnosti nagiba navojnog vretena

Uz sve ove karakteristike, linearni enkoderi postaju nezamjenjivi za strojeve koji moraju ispuniti

visoke zahtjeve za točnošću pozicioniranja i brzinom obrade.

Zatvoreni linearni optički enkoderi (HEIDENHAIN [9])

Linearni optički enkoderi uobičajeno korišteni kod numerički upravljanih strojeva su zatvoreni enkoderi. Ovakvi enkoderi su zatvoreni u pravilu u aluminijskom kućištu koje štiti mjernu skalu, mjerni senzor i njegove vodilice od čestica, prašine i tekućina.

Optički enkoderi pružaju visoke rezolucije mjerenja, visoke brzine rada te pouzdan, dug vijek trajanja u većini industrijskih okruženja.

Slika 31 - Zatvoreni linearni enkoderi [9]


30

Izloženi linearni optički enkoderi (HEIDENHAIN [10])

Izloženi linearni enkoderi su konstruirani za upotrebu na strojevima koji zahtjevaju posebno visoku točnost mjerene veličine. Tipične primjene uključuju:

- opremu za mjerenje i proizvodnju u poluvodičjkoj industriji - strojeve za montažu tiskanih pločica - strojeve ultra visoke preciznosti kao dijamantne tokarilice za optičke komponente,

čeone tokarilice za magnetske diskove za pohranu podataka i strojeve za usitnjavanje feritnih komponenata

- visokoprecizne alatne strojeve - direktne pogone - visokoprecizne mjerne uređaje

Izloženi linearni enkoderi se sastoje od mjerne letve ili trake sa mjernom skalom te mjerne glave koja se pokreće bez mehaničkog kontakta. Mjerna skala izloženog linearnog enkodera je pričvršćena direktno na mjerenu površinu, što kao preduvjet korištenja postavlja ravnu i točnu površinu ukoliko se želi postići visoka preciznost enkodera.

Slika 32 - Izloženi linearni enkoderi [10]

Linearni induktivni enkoderi (NEWALL [12])

Inkrementalni enkoderi emitiraju kvadraturni signal ili sinusne-kosinusne povratne signale koji omogućavaju direktnu integraciju u uređaje koji su pokretani servo pogonima. Apsolutni enkoderi pružaju točan, apsolutni položaj odmah po uključivanju. Enkoder ne koristi baterije ili statičku memoriju kako bi pohranio podatke o položaju te je točna pozicija mjerne glave dostupna čim je enkoderu dovedena struja, neovisno o gibanjima dok je enkoder bio isključen ili o trajanju isključenja. Mjerna skala se sastoji od cijevi izrađenih od nehrđajučeg čelika u koji je smješten stupac preciznih Ni-Cr elemenata. Kodirani umetci su smješteni između elemenata na takav način da ne utječu na geometriju kontakta sistema. Kućište mjerne glave izliveno od aluminija sadrži sklop zavojnica, pripadajuću elektroniku i mrežu senzora koja detektira mjerni element koji je ukomponiran u kodirane umetke. Praznina mjerne glave ispunjena je epoksi smolom koja u potpunosti izolira elektroniku unutar kućišta. Visoko brzinski DSP procesor korišten je za obradu mjerenih podataka i komunikaciju sa izlazom. Svojstva NEWALL linearnih induktivnih enkodera:


31

− IP67 certifikat – uređaj će nastaviti pružati točne i pouzdane mjerene podatke čak i kada je u potpunosti uronjen u vodu, ulje ili sredstvo za hlađenje

− otporan na prašinu, nečistoće, ulje i ostale teške uvjete okoliša

− nema mehaničkog trošenja

− ne zahtjeva čišćenje ili održavanje

− visoka otpornost na udare i vibracije

Slika 33 - Linearni induktivni enkoder [12]

Linearni magnetski enkoderi (RLS [15])

Linearni magnetski enkoder sastoji se od mjerne glave i samoljepive mjerne trake. Kako se mjerna glava pomiče duž mjerne skale, detektira magnetski kod magnetizirane trake, obrađuje signale i šalje ih na definirani izlaz. Uređaju bazirani na magnetskim senzorskim tehnologijama pružaju dobru rezoluciju mjerenja, visoke brzine rada te maksimalnu otpornost na prašinu, masnoću, vlagu te ostale vrste nečistoća uobičajenih u industrijskom okruženju, ali i na udare i vibracije. Zbog toga je ta vrst enkodera posebno prikladna za rad u teškim uvjetima kao što su npr. drvna industrija, čeličane, kamenorezačka strojevi i naravno u svim ostalim primjenama za uobičajene radne uvjetie.

Slika 34 - Linearni magnetski enkoder [15]


32

Rotacijski enkoderi

Rotacijski optički enkoderi (BEIsensors [16])

Mehanička izvedba rotacijskih optičkih enkodera je prilično jednostavna. Rotor enkodera je povezan sa vratilom/vretenom kako bi se osigurao rad bez preskakanja, a tijelo enkodera, tj. stator je pričvršćen na podlogu kako bi se spriječilo njegovo gibanje te služi kao fizička referenca za rotaciju rotora. Rotacijski enkoderi ovisno o namjeni mogu se značajnije razlikovati u konstrukciji te se mogu podijeliti prema komponentama koje sadrže, pa tako gledajući na uležištenje mogu biti:

− sa integriranim uležištenjem

− bez integriranog uležištenja

te gledajući na stil ugradnje na mjereno vratilo/vreteno mogu biti:

− sa punim vratilom

− sa šupljim vratilom

Slika 35 – Rotacijski optički enkoderi [16]

Kutni enkoderi (HEINDENHAIN [17])

Izraz “kutni enkoder” koristi se za enkodere koji imaju visoku točnost, sa brojem (mjernih) linija iznad 10000 te preciznošću i dvostruko većom od uobičajenih optičkih rotacijskih enkodera. Kutni enkoderi primjenu nalaze u uređajima koji traže veoma precizno kutno mjerenje kao što su:

− rotacijski stolovi alatnih strojeva

− okretne glave alatnih strojeva

− C – osi tokarilica

− mjerni strojevi za zupčanike

− itd.


33

Razlikuju se tri principa konstrukcija kutnih enkodera:

− kutni enkoderi sa integriranim ležajem, šupljim vratilom i integriranim spojem statora

− kutni enkoderi sa integriranim ležajem bez direktnog spajanja vratila

− kutni enkoderi bez integriranog ležaja

Slika 36 - Kutni enkoderi [17]

Magnetski modularni enkoderi (HEIDENHAIN [18])

ERM magnetski modularni enkoderi sastoje se od magnetiziranog mjernog koluta te mjerne jedinice sa megnetootpornim senzorom. Zbog magnetootpornog principa skeniranja ovi enkoderi su posebno otpornim na nečistoće što ih čini prikladnim za upotrebu na proizvodnim strojevima. Njihova mogućnost primjene na velikim promjerima kao i male dimenzije i kompaktna konstrukcija samog mjernog uređaja čine ih odličnim rješenjem za primjenu na:

− C – osima tokarilica

− glavnim gibanjima, pogotovo sa šupljim vratilima

− nadzor pomoćnih osi

ERM mjerni koluti mogu raditi na visokim brojevima okretaja, u enkoderima ne dolazi do pojave dodatnih šumova signala pri primjeni u zupčaničkim uređajima a maksimalne brzine koje podržavaju su dovoljne za većinu primjena.

Slika 37 - Modularni magnetski enkoder [18]


34

Rotacijski kapacitivni enkoderi (AMT [19])

Kao predstavnici jedne novije tehnologije, rotacijski kapacitivni enkoderi pružaju neka veoma korisna svojstva. Jedna od većih prednosti kapacitivnih enkodera s obzirom na najčešće optičke enkodere je nepostojanje mjernih diskova. Ovo znatno pojednostavljuje sklapanje, budući diskovi kapacitivnih uređaja nisu osjetljivi kao optički (pogotovo stakleni) diskovi. Koristi od toga vide se u smanjenju vremena i cijena montaže te manjim dimenzijama nego kod optičkih enkodera. Korištenjem elektroničkih preklopnika, AMT kapacitivni enkoderi omogućavaju odabir 16 različitih rezolucija. Metalni gornji poklopac služi kao kućište električnog mjernog sklopovlja te dodatno osigurava dugotrajnosti uređaja. Sam uređaj posjeduje odličnu otpornost na nečistoće te manju osjetljivost na razilke temperatura i vibracije nego optički. Rotacijski kapacitivni enkoderi mogu biti korišteni na svim vrstama osovina/vratila/vretena, no idealni su za montažu direktno na motore.

Slika 38 – Rotacijski kapacitivni enkoderi [19]


35

Posmični prigoni i mjerni sustavi za zahtjeve manjih preciznosti

Tehnologijom dostupnom danas, kao što je ranije navedeno, moguće je ostvariti visoku preciznost, no uz određenu cijenu te uvjete ugradnje i eksploatacije koje pojedina tehnologija sa sobom nosi. Kao što je predimenzioniranje konstrukcija nepotreban gubitak i nastoji ga se uvijek u što većoj mjeri smanjiti, tako je i kod alatnih strojeva odabir elemenata kojima će stroj biti izveden potrebno pažljivo razmotriti kako bi se postigao njihov optimalan odabir.

Jedan od ključnih elemenata posmičnih prigona je prijenosni mehanizam. Odabir odgovarajućeg prijenosnog mehanizma za pojedinu namjenu stoga je izrazito bitna stavka. Ako se želi razviti povoljan sustav na koji nisu postavljani veliki zahtjevi, skupi linearni motori npr. zbog svoje cijene odmah ispadaju iz odabira. S druge strane najjeftiniji prijenosi kao što je zupčasti remen su zbog svoje izvedbe u pravilu ograničeni na na manje brzine i opterećenja ukoliko se žele postići zadovoljavajući rezutati. Kako je cilj odabir elemenata za povoljan stroj nešto manje preciznosti ali koji može biti korišten za razne namjene, takvi uređaju također nisu prihvatljivi. Kao najbolje rješenje u konačnici pokazalo se i najčešće korišteno kuglično navojno vreteno. Kuglično navojno vreteno nalazi se u mnogim varijantama, ima visoku raspoloživost na tržištu, niske troškove nabave te kratak rok isporuke. U usporedbi s linearnim motorima kuglična navojna vretena su jeftinija i jednostavnija, a u odnosu na trapezna navojna vretena s maticom imaju puno manje trenje što im omogućava ostvarivanje većih posmičnih brzina. Kao što je već navedeno, zupčasti remen jest jeftiniji od kugličnog navojnog vretena ali podnosi puno manje sile i slabije je preciznosti. Pozicioniranje i preciznost kao i cijena hidrauličkih posmičnih prigona približno je jednaka kugličnom navojnom vretenu, iako pružaju veću silu za isti volumen, imaju manje brzine i ubrzanja. Bitna prednost kugličnog navojnog vretena naspram direktnih pogona je niska razina zagrijavanja. Kuglična navojna vretena se i danas se usavršavaju jer još uvijek postoji prostor za poboljšanje, prvenstveno na smanjenju vibracija, povećanju posmičnih brzina i produljenju vijeka trajanja zbog čega će očito još neko vrijeme biti najčešći odabir za upotrebu na alatnim strojevima. Uz odabir kugličnog navojnog vretena kao prijenosnog mehanizma sužuje se i područje odabira pogona posmičnog prigona. U tu svrhu odabran je AC sinkroni servomotor s trajnim magnetima. Kako ovi motori ne trebaju struju magnetiziranja, ne stvaraju se gubici u rotoru pa imaju povoljniji faktor snage i korisnost od asinkronih motora iste snage. Rotori su lagani i malog promjera zbog čega im je moment tromosti relativno mali te imaju dobra dinamička svojstva. Kako bi se osigurala točnost pozicioniranja i uopće omogućilo numeričko upravljanje potrebno je ugraditi i mjerni sustav koji će davati povratnu informaciju o položaju alata/obratka. Budući se kuglično navojno vreteno koristi za postizanje linearrnog gibanja, logično bi bilo ugraditi neku vrst linearnog mjernog sustava. No zbog smanjenja troškova samog uređaja i ugradnje, kao povoljnije rješenje nameću se rotacijski enkoderi. Proizvođači elektromotora koji se koriste za pogon posmičnih prigona omogućavaju modularno opremanje svojih proizvoda. Tako se na samo vratilo motora s unutarnje ili vanjske strane kućišta može ugraditi rotacijski enkoder koji će mjeriti rotacijsko gibanje vratila motora koje prenosi gibanje na kuglično navojno vreteno (te je samim time povezano i sa konačnim linearnim gibanjem). Za slučajeve gdje se traži najjeftinija izvedba, budući enkoder dolazi u kompletu sa motorom ovo je potencijalno najoptimalnije rješenje koje je povoljno i jednostavno za ugradnju. No ukoliko


36

prijenos sa motora na kuglično navojno vreteno nije direktan nego se odvija preko neke vrsti prijenosnog mehanizma kao što su remenice, kod takve izvedbe enkoder ugrađen direktno na vratilo elektromotora zbog određene elastičnosti remena i promjene dimenzija pri zagrijavanju neće nužno uvijek pokazivati točan položaj alata/obratka. U takvom slučaju ako se želi osigurati točno praćenje gibanja alata/obratka enkoder je umjesto na vratilo elektromotora potrebno postaviti na kraj kugličnog navojnog vretena. Na taj način unatoč pogreškama do kojih može doći prilikom prijenosa gibanja, enkoder će davati točnu promjenu položaja kugličnog navojnog vretena te time i točniji konačni položaj alata/obratka. Kao optimalan odabir enkodera za tu namjenu pokazao se kapacitivni enkoder. Kapacitivni enkoderi, kao predstavnici jedne novije tehnologije posjeduju niz pozitivnih svojstava koji ih čine odličnim odabirom za ovakve zadaće. Male dimenzije čine ih znatno jednostavnijim za ugradnju od većih optičkih enkodera koji koriste mjerne diskove a nepostojanje osjetljivih mjernih diskova čini ih i znatno otpornijima na razna opterećenja i nečistoće. Uz odlične mogućnosti ugradnje na sve vrste vratila, a pogotovo direktno na motore, te ako se uz to uzme u obzir mogućnost ostvarivanja visokih rezolucija uz razmjerno nisku cijenu, ova vrst enkodera je svakako jedna od najboljih opcija.


37

Zaključak

Razvoj modernih tehnologija donio je i veliki broj izvedbi posmičnih prigona i mjernih sustava alatnih strojeva. Ovisno o primjeni i uvjetima rada na odabir se pružaju posmični prigoni za najveća opterećenja i točnosti kao što su primjerice linearni motori pa sve do onih za najmanje zahtjeve poput sustava sa zupčastim remenom. Kako je cilj postići optimalne performanse stroja sa što manje uloženih sredstava, kuglično navojno vreteno se unatoč novijim tehnologijama i dalje pokazuje kao najoptimalnije rješenje u većini slučajeva. Kao pogonski koriste se isključivo elektromotori i to u raznim izvedbama. Najnovija vrste su linearni motori koji posjeduju visoku brzinu i preciznost te minimalno trenje. No osim što su još uvijek prilično skupi, zbog načina rada zahtjevaju hlađenje što komplicira ugradnju. Najčešće korišteni pogoni stoga i dalje ostaju već dobro poznati servomotori te koračni motori motori. Osim navedenih pogona, pri rotacijskom gibanju (okretni stolovi) veliku primjenu nalaze momentni motori. U svrhu praćenja položaja alata i/ili obratka i dalje se koriste i najstariji principi kao što su optičke trake/diskovi no u novim, poboljšanim izvedbama. Uz njih su se u međuvremenu na tržištu našli i visoko izdržljivi induktivni linearni enkoderi pogodni za rad u teškim uvjetima te povoljni rotacijski kapacitivni enkoderi malih dimenzija i širokih mogućnosti primjene. Kako se tehnologija iz dana u dan razvija tako i posmični prigoni i njihovi mjerni sustavi bivaju sve napredniji. No unatoč konstantnom poboljšanju i novim materijalima, mjesta za poboljšanje “starih” tehnologija ima sve manje dok noviji sustavi kao što su linearni motori koji objedinjuju pogonski sustavi i prijenosni mehanizam unatoč svojim nedostatcima posjeduju velik prostor za poboljšanje koji će ih jednoga dana učiniti znatno povoljnijima i praktičnijima. Rješavanjem ili barem smanjivanjm glavnih problema, svojim superiornim svojstvima s vremenom će znatnim dijelom istisnuti dosada najčešće korištena rješenja. No kao i do sada, uvijek će postojati potreba za jednostavnim i jeftinim rješenjima koja ne zahtjevaju visoku tehnologiju tako da će i velik broj klasičnih rješenja još dugo vremena nalaziti svoju primjenu u izradi alatnih strojeva.


38

Literatura

Posmični prigoni

[1] Rok Cebalo: Alatni strojevi (vlastita naklada, Zagreb, 2000. godine) [2] Andrija Birkić – završni rad [3] Rajko Todić – Glavni i posmićni prigoni alatnih strojeva [4] B. Skalicki, J. Grilec – Električni strojevi i pogoni [5] http://www.danahermotion.net [6] http://www.cnccentrum.com [7] http://www.heidenhain.de

Mjerni sustavi

[8] Rok Cebalo: Alatni strojevi (vlastita naklada, Zagreb, 2000. godine) [9] HEIDENHAIN – Linear encoders for Numerically controlled Machine Tools (Srpanj 2010.) [10] HEIDENHAIN – Exposed linear encoders (Veljača 2010.) [11] http://gurley.com/Virtual_Absolute/VAoverview.htm [12] NEWALL – Linear encoder ( www.newall.com) [13] Danaher – Encoder application handbook [14] http://www.avtronencoders.com [15] http://www.rls.si [16] http://www.beiied.com [17] HEIDENHAIN – Angle Encoders (Srpanj, Studeni 2010.) [18] HEIDENHAIN – Modular Magnetic Encoders (Srpanj 2010.) [19] http://www.amtencoder.com

http://www.cnccentrum.com/�

http://www.heidenhain.de/�

http://gurley.com/Virtual_Absolute/VAoverview.htm�

http://www.newall.com/�

http://www.rls.si/�

http://www.beiied.com/�

http://www.amtencoder.com/�

Documents

Posmični prigoni alatnih strojeva i njihovi mjerni sustavi - Olivari, Drobilo