Совершенствование системы управления установки электрообработки металлов на базе линейного электродинамического двигателя

В машиностроении и приборостроении, в том числе ракетно-космической отрасли, используются различные электрохимические и электрофизические методы обработки металлов и сплавов. Приводы подач большинства современных металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в том числе и электроэрозионных (ЭЭ), строятся по традиционной схеме (перемещения рабочего органа (РО) осуществляется путём использования передачи винт-гайка). Недостатки указанных видов приводов достаточно известны и очевидны: большое количество промежуточных элементов, инерционность этих элементов, трение во множестве сопрягаемых деталей и др.

Одним из вариантов устранения этих недостатков является использование в качестве приводов подач станков линейного электродинамического двигателя.

Совмещение рабочего органа стационарных машин и ротора электродвигателя позволяет уменьшить массу и размеры машины (привода), исключить из электропривода преобразователь движения в виде редуктора или другого передаточного механизма, улучшить условия охлаждения и вентиляции [1].

Сотрудниками СибГУ им. М. Ф. Решетнева была предложена конструкция привода подачи электрода-инструмента на основе линейного электродинамического двигателя (ЛЭДД) [2–4]. Практическое использование линейных электродинамических двигателей началось с его традиционных областей применения: быстродействующие технологические устройства – привод электрода – инструмента в установках импульсной электрохимической и электроконтактной обработки [5–7]. Линейный электродинамический привод наилучшим образом подходил для перемещения электрода-инструмента на каждый импульс технологического тока, следующих с частотой до 200 Гц. В дальнейшем линейный двигатель был использован в качестве молота [8; 9] и для исследования ударного взаимодействия материалов [10–12]. Подробно вопросы моделирования, конструирования и практического использования линейного электродинамического двигателя изложены в монографии [13]. В этой работе рассмотрены принципиальные схемы управления линейным электродинамическим двигателем. В настоящее время назрела необходимость создать блок управления двигателем на современных электронных компонентах.

В статье представлена система управления линейным электродинамическим двигателем, используемым в установке электрообработки для копировально-прошивочных операций при изготовлении штампов, пресс-форм и другой технологической оснастки.

Система управления

Структурная схема управления установки электрообработки разработана на основе современных достижений электроники [14–16] (рис. 1) и включает следующие элементы: блок питания индуктора ЛЭДД (600 В); блок питания ротора ЛЭДД (200 В импульсного напряжения, обеспечивает транзистор); блок питания микроконтроллера (12 В); блок питания (40 В) для обеспечения технологическим током зоны обработки между катодом-инструментом и заготовкой; микроконтроллер, предназначенный для основных вычислений; ПК – персональный компьютер, необходимый для управления установкой; плата управления и индикации, предназначенная для графического отображения информации и задания параметров; плата MKS, необходимая для управления работой шаговыми двигателями; шаговые двигатели, которые обеспечивают перемещения заготовки по трём координатам; операционный усилитель, служащий для усиления сигналов с шунта; оптопары, которые предназначены для гальванической развязки высоковольтных цепей от низковольтных; датчик линейных перемещений, необходимый для регистрации глубины обработки.

Управление установкой осуществляется через персональный компьютер, где загружена соответствующая программа управления. В данной установке предусмотрена система регистрации перемещения электрод-инструмента при помощи датчика линейных перемещений. Данный датчик является одним из основных элементов обратной связи в модуле. С его помощью модуль управления будет варьировать входные параметры, которые необходимы для обработки заготовки на данном этапе. Питание датчика может осуществляться непосредственно от контроллера. При помощи этого датчика регистрируется и анализируется глубина обработки и скорость движения электрода-инструмента.

Рис. 1. Структурная схема модуля управления

Fig. 1. Control module block diagram

Скорость движения электрода-инструмента при разведении электродов определяется выражением

P v_p = i ⋅ k_H ⋅ k_T ⋅η⋅ ^.у , г p

где i – плотность тока на катоде-инструменте; k H г – объемный электрохимический эквивалент выделения водорода; k Т – термический коэффициент увеличения объема водорода; η – выход водорода по току; Р н.у – давление при нормальных условиях; р – давление подачи рабочей жидкости в МЭЗ.

Скорость движения рабочей жидкости (электролита) относительно обрабатываемой поверхности стремится к бесконечности при уменьшении МЭЗа к нулю. Однако скорость движения электролита не может превышать скорость звука в рабочей жидкости, поэтому скорость сближения электродов для трубчатого катода-инструмента определяется по формуле

• α 2 δ P н.у

vс ≤-ikHkT⋅η⋅, (2) R-rc p где α – скорость звука в прианодном слое электролита; δ – амплитуда колебаний электрода-инструмента; R – наружный радиус электрода-инструмента; r – внутренний радиус электрода-инструмента.

В обеих формулах переменной величиной является плотность технологического тока, которая прямо пропорциональна падению напряжения на шунте.

После проведения серии опытов с разными параметрами появится возможность создать модель установки, которая будет способна сама полностью контролировать процесс обработки и выбирать параметры необходимые для того или иного этапа обработки заготовки.

Для мониторинга и калибровки микроконтроллера использовался осциллограф DSO2090-USB. С помощью этого прибора проверена работоспособность микроконтроллера в диапазоне частот 1–100 Гц, полученная осциллограмма напряжения приведена на рис. 2.

Заключение

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рациональных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Система управления с индуктивными датчиками перемещения и современной цифровой техникой позволит получить точность позиционирования электрода-инструмента в пределах нескольких микрометров, что соответствует мировому уровню.