Контроллер для ЧПУ станка

Автор — Сергей Ширяев

Если вы уже вдоволь насмотрелись видео на YouTube, перебрали в голове множество вариантов применения и уже твердо созрели сделать свой первый станок, думаю вам будет небезынтересно ознакомиться и с нижеприведенной информацией. Не стоит рассматривать эту статью как путь к решению конкретно вашей задачи – они ведь очень разные бывают, это скорее направление для размышления. Изначально я хотел кратко изложить свои рекомендации в виде одной статьи и уже в процессе написания пришел к пониманию, что все получается сухо и не обоснованно. Придется рассмотреть все по частям, и в этой статье я более подробно остановлюсь на драйверах.

Конструкция любого станка с ЧПУ включает в себя: механическую и электрическую часть. Электрическая часть, в основном, включает в себя контроллер движения (ЧПУ), драйверы, двигатели источник питания и инвертор шпинделя (ПЧ – преобразователь частоты). Так как механические и кинематические решения весьма разнообразны и опять же привязываются к решению конкретной задачи, я, по большей части, уделю внимание выбору двигателей и драйверов к ним. К тому же, зачастую, выбор механических компонентов более очевиден, чем выбор того или иного драйвера и двигателя.

Наиболее популярным на сегодня решением для построения хоббийного станка является применение шагового привода. Если сравнивать шаговый привод с сервосистемой, последняя имеет более высокую скорость движения, ниже уровень шума и зачастую преимущества в точности. Обратной стороной медали является высокая стоимость и сложности в наладке. Шаговый привод напротив, обладает более низкой ценой и что, самое важное, он практически не требует настройки. Он так же менее требователен к механической составляющей станка. К примеру: настройка сервопривода в сочетании с ременным (или цепным) приводом по осям может оказаться не тривиальной задачей. В сочетании с современной электроникой шаговый двигатель избавляется от большинства своих недостатков: движения становятся более плавными и тихими, а максимальные обороты и отдача на них значительно повышаются. Конечно, если вы можете себе это позволить, то лучшим вариантом будет использовать так называемый серво-шаговый привод (далее по тексту СШП). Не имея сложностей с наладкой, вы получите лучшую отдачу от двигателей нежели при использовании полностью разомкнутой системы, меньший нагрев и возможность вывести сигнал ошибки по положению на контроллер (ЧПУ). В силу простоты применения и отсутствии надобности в специальных знаниях для наладки я считаю шаговый привод просто безальтернативным вариантом для самостоятельной сборки станка.

За время своей работы я испытал множество различных сочетаний двигатель – драйвер. От самых простых на дискретной элементной базе до актуальных в настоящее время построенных, как на специализированных интегральных решениях, так и с использованием ПЛИС или микроконтроллеров.

Кратко, в приложении к станкам, я могу их поделить на два типа: с контролем резонанса и без. Любой современный драйвер является микрошаговым, но к сожалению, в силу конструктивных особенностей, даже при использовании микрошагового режима, не представляется возможным управлять шаговым двигателем достаточно плавно. Для обеспечения плавности движения в драйвере должны быть реализованы ряд технологий, позволяющих эффективно бороться с резонансными явлениями, возникающими в ШД в силу его конструктивных особенностей. Если вы будете использовать драйвер без контроля резонансных явлений вы будете ограничены в достижении максимальных оборотов вашего двигателя, получите хуже отдачу по моменту, в силу его провалов в зонах резонанса, а плавность движения механизмов будет оставлять желать лучшего. Компаний реализовавших качественно новое управление ШД не так уж и много в мире. Одними из лучших по соотношению цена / качество можно считать драйверы компании Leadshine. Под качеством я понимаю, не только качество технической реализации продукта, но и заложенные в него возможности. Несмотря на то, что драйверы Leadshine производятся в Китае, подход производителя к контролю качества весьма серьезен. Каждый драйвер проходит не просто испытание включением, а 24-х часовой прогон в специально отведенном для этого помещении. По окончании прогона драйвер снова проходит контроль технических параметров и только после этого производится отгрузка клиенту. Осуществляется 100% -й выходной контроль. За время нашей работы с этим поставщиком не выявлено ни одного случая гарантийного возврата где можно было бы установить дефект производства. Однако, не скрою, были случаи неквалифицированного использования драйверов клиентами, приводившими к их выходу из строя, как правило из-за не подходящего источника питания.

Попробуем как-то систематизировать приводные решения. Для некой привязки к механике условно поделим возможные применения по длинам осей: до 1000 мм; 1000 – 2500 мм и более 2500мм. Не трудно представить, что масса механизма так или иначе связана с длиной оси и чем больше длина оси, тем более мощный двигатель нам потребуется. Конечно, в случае расчета серьезного станка потребовалось бы учитывать динамические характеристики и инерционность механизма, но для хоббийного станка время, потраченное на изучение этого вопроса не оправдано особенно в силу того, что при сборке первого станка бывает крайне сложно определить исходные параметры, да и конечные (например, желаемое ускорение), не всегда определены, а вариант чем больше, тем лучше, плохо совместим с точными вычислениями. Исходя из статистики и общих, типовых задач, решаемых нашими клиентами можно выделить несколько хорошо себя зарекомендовавших связок двигатель-драйвер.  Все они сведены в таблицу и выделены в отдельные группы. Для привода на зубчато-реечной передаче подразумевается работа двух двигателей на одной оси — портале, или как еще называют эту кинематическую схему – гантри.  В целом, если ваша потребность подразумевает использование менее или более мощного привода вы просто можете переместиться по таблице вверх или вниз исходя из требований по двигателю и использовать подходящий к нему драйвер.

Важно заметить, что чем больше длина оси, тем более оправдано применение зубчатой рейки в качестве передачи. Это связано в первую очередь, с тем, что увеличение длины винта ШВП сильно ограничивает максимально допустимую скорость его вращения и соответственно снижает скорость перемещения узлов. Что бы этого избежать приходится увеличивать диаметр винта, тем самым увеличивая типоразмер ШВП, а соответственно и стоимость. Это за собой тянет увеличение габарита муфты, двигателя (для компенсации увеличивающегося приведенного момента инерции), драйвера…. Есть некоторые ухищрения, позволяющие работать винту на более высоких оборотах без существенного увеличения типоразмера, такие как: растяжение винта, использование схемы с вращающейся гайкой. Однако, это лишь другая сторона медали, которая все равно ведет к увеличению технической сложности и цены. Вопреки расхожему мнению реечная передача не является дешевой альтернативой ШВП, если только вы не планируете использовать «сырую», не шлифованную рейку. Однако, в таком случае, она превращается в расходный материал, не говоря уже о вопросах точности. Так или иначе, применять рейку или ШВП решать вам, и зависит от вашей задачи я лишь привожу общие рекомендации.

Все рекомендуемые драйверы – производства компании Leadshine. Самая простая серия драйверов — это серия М … (драйверы М542; М860; М880А). Драйверы этой серии ничем особенным в плане функционала не отличаются. Это обычный микрошаговый драйвер без контроля резонанса со всеми вытекающими из этого недостатками. Рекомендовать его я могу, только если вы очень – очень экономите и не притязательны к полученному результату. Эта серия имеет множество аналогов, зачастую с таким же названием, от других китайских изготовителей. Стоит отметить, что даже копируя функционал «аналоги», зачастую грешат большим тепловыделением и меньшей надежностью в силу использования более дешевой элементной базы.

Следующей в линейке производителя является серия DM…, которая, как вы видите, отсутствует в таблице. Стоит отметить, что у этой серии так же есть китайские «аналоги». Аналоги именно в кавычках и если вы будете искать для покупки, например, DM556, то вполне можете купить это:

Эта поделка не имеет ничего общего с продукцией Leadshine — только название и крайне похожую внешность. Определить подделку не так уж сложно – попробуйте подключить ее к компьютеру… У этого изделия даже нет соответствующего интерфейса. Хотя, предвидя китайскую «предприимчивость», допускаю появление этих драйверов с бутафорским разъемом для подключения.

Стоит отметить, что серия DM это уже довольно зрелое решение для работы с шаговым двигателем имеющее практически всё, что хотелось бы:

Тем не менее для станочных решений более интересной представляется серия EM. В техническом плане серия EM это та же DM с некоторыми функциональными дополнениями. На примере этой серии мы и рассмотрим основные функциональные преимущества драйверов:

1. Обнаружение останова без датчика обратной связи. Возможность обнаружения срыва синхронизации (останов вала) в приводе является одной из особенностей серии EM. При этом не требуется каких-либо дополнительных датчиков или энкодера на валу двигателя, обнаружение происходит путем отслеживания напряжения, тока и противо ЭДС двигателя.

Как и у любой другой технологии у этой свои недостатки. А именно, обнаружение возможно только при вращении двигателя более 5-ти об/сек. Казалось бы, в чем тогда смысл? А смысл все же есть! Если мы обратим внимание на электромеханическую характеристику практически любого шагового двигателя, то можем заметить, что с ростом оборотов происходит заметное падение момента на валу двигателя.

Это значит, что в зоне малых оборотов мы имеем существенный запас по крутящему моменту, что позволяет с высокой степенью рассчитывать на устойчивую работу двигателя. В зоне же высоких оборотов, где срыв синхронизации наиболее возможен, мы можем подстраховать себя отработав сигнал ошибки, снимаемый с драйвера в случае останова вала двигателя. Однако, я бы не стал рассматривать эту технологию как полную страховку при потере шага.

2. Низкий уровень шума. Благодаря точному контролю тока в цепи обмоток, и микрошаговому режиму с высокой степенью дробления шага, двигатель работает тише на 70%.

3. Сглаживание пульсаций на малых оборотах. Приводы шаговых двигателей серии EM предлагают электронное демпфирование для трех основных резонансных частот шаговых двигателей в диапазоне низких скоростей. Это позволяет устранить нежелательные колебания скорости двигателя и обеспечить сервоподобную плавность.

Стоит отметить, что это реально работает, и работает хорошо.

4. Подавление резонанса в среднечастотном диапазоне. Среднечастотный резонанс характерен для всех шаговых двигателей, обычно в диапазоне 10 – 15 об./сек. Это вызывает шум, вибрацию, и зачастую остановку двигателя. Благодаря реализации усовершенствованного алгоритма управления шаговые приводы Leadshine серии EM могут рассчитывать резонансные частоты и применять демпфирование в алгоритме управления для антирезонанса, обеспечивая оптимизацию крутящего момента и минимизируют нестабильность в среднечастотном диапазоне.

5. Мультипликация входного сигнала. Позволяет использовать входной сигнал с низким разрешением для получения выходного сигнала с более высоким разрешением микрошага с целью обеспечения более плавной работы системы. Эта функция может улучшить плавность шаговых систем без обновления контроллеров движения.

6. Сглаживание входного сигнала. Сглаживание входного сигнала может смягчить эффект внезапных изменений скорости и направления, тем самым обеспечивая более плавную работу и увеличивая срок службы системы. Включается программным путем с использованием фирменной утилиты Leadshine.

7. Плавный пуск. При включении шагового двигателя технология плавного пуска позволяет шаговому двигателю постепенно прикладывать крутящий момент вала к нагрузке и избегать «пускового удара» на механизм.

8. Уменьшенный нагрев.  Благодаря алгоритму точного управления током с использованием DSP, температура двигателя ниже на 10-20 ° C чем с обычным драйвером. Нагрев самого драйвера так же ниже — на 20%.  Это позволяет продлить срок службы двигателя, сэкономить энергию и снизить расходы на техническое обслуживание.

9. Самодиагностика и автоконфигурация.  Упрощенный вариант оптимизации внутренних настроек драйвера под используемый клиентом двигатель.

10. Пароль пользователя и защита. Возможность защиты от копирования и изменения конфигурации.

11. Предварительно сконфигурирован. Leadshine предлагает широкий ассортимент двухфазных шаговых двигателей с типоразмерами NEMA 14, 16, 17, 23 и 34. Предварительно сохраненные параметры двигателей в драйвере позволяют сэкономить время и не требуют высокой квалификации персонала, достаточно просто выбрать используемый двигатель Leadshine с помощью переключателя.

12. Программное конфигурирование для опытных пользователей. Для конкретного приложения, если доступных настроек через DIP-переключатели на шаговом приводе EM недостаточно или нужно использовать свои собственные конфигурации, профессионально разработанное программное обеспечение Leadshine предоставляет широкий спектр настроек для обеспечения наилучшей производительности.

Вот некоторые из функций, которые может предложить программное обеспечение для настройки ProTuner для серии EM:

Если подумать, то безусловно, большинство из этих возможностей присущи и серии DM, и может быть не стоит переплачивать… Но переплаты как ни странно нет. Вы можете купить драйверы серии EM по той же цене, что и DM. Может показаться странным, но как клиенто-ориентированная компания мы делаем шаг на встречу клиенту! Вы еще верите в подобные фразы? ,) На самом деле все немного прозаичнее – делая упор на самую совершенную в техническом плане серию мы можем оптимизировать наш склад, и это позволяет нам снизить цену до уровня серии DM.

Но, вернемся к нашей таблице. В третьей колонке, особняком стоит серия серво-шаговых двигателей и драйверов. Я не зря использовал в заголовке столбца – «промышленное решение». Эта серия скорее для приложений требующих более высокой производительности и надежности, чем для хоббийного станка. Тем не менее, если вы планируете оставлять станок без присмотра во время работы, то это будет более подходящее решение, чем разомкнутая система с обычными шаговыми двигателями. Традиционные шаговые системы, работающие в разомкнутом контуре, обеспечивают управление положением без обратной связи от шаговых двигателей. Драйвер продолжает выдавать заданный ток в управляемый шаговый двигатель, не зная его текущее положение, даже тогда, когда произошла потеря синхронизации движения (разница между желаемым углом поворота и фактическим). Таким образом, инженеры вынуждены делать огромный резерв крутящего момента (30-50%), чтобы гарантировать, что «НЕТ», потеря шагов не произойдет. В реальной жизни разсинхронизация всегда остается возможной, особенно в случаях, когда требуется резкое ускорение или крутящий момент на валу меняется скачкообразно. Это может привести к ненужному расходу материалов в брак, неисправности или даже не ремонтопригодности оборудования. Это одна из основных причин, ограничивающих применение шаговых двигателей во многих приложениях управления движением.

Ранее, когда приложению требовалась работа с замкнутым контуром управления в реальном времени, инженеры были вынуждены выбирать сервосистемы с гораздо более высокими затратами и большей сложностью. Во многих применениях, где требуется высокий крутящий момент, необходимо выбирать серводвигатели высокой мощности или добавлять дорогие планетарные, волновые или циклоидные редукторы с пониженным люфтом для достижения желаемого крутящего момента. Дополнительные сложности представляет и сама настройка сервопривода.

С внедрением энкодеров высокого разрешения Leadshine применила некоторые алгоритмы серво управления для шаговых двигателей. Поскольку серво-шаговые привода Leadshine на самом деле являются гибридом шаговых и бесщеточных сервосистем, они сочетают лучшие функции, доступные в обеих технологиях.

Во-первых, в случае обычных серводвигателей существует значительная задержка между командным входным сигналом и результирующим движением из-за постоянного контроля текущего положения, что требует времени на отработку. Поскольку серво- шаговый привод представляет собой систему с шаговым двигателем, он работает синхронно с командными импульсами и не имеет проблем с рысканием. Когда он останавливается, его положение полностью стабильно и не колеблется. Это отличная особенность СШП Leadshine. Он идеально подходит, когда требуются быстрые, короткие и точные движения, например, в системах наблюдения, где рыскания могут быть проблемой.

Во-вторых, поскольку СШП Leadshine представляет собой систему с шаговым двигателем, она обладает такими преимуществами, как высокая жесткость в состоянии покоя, высокий крутящий момент при старте и низкой скорости вращения без использования редуктора. В серво-шаговом приводе Leadshine применяются сложные алгоритмы управления, позволяющие использовать преимущества высокого крутящего момента, обеспечивая прямой привод высокоинерционных нагрузок, таких как маховики и ременные приводы. Инерционные нагрузки могут в 100 раз превышать инерцию ротора двигателя, при этом неизменно обеспечивается плавное управление позиционированием. Обычно для сервопривода не рекомендуется превышать инерционное отношение 10:1.

В-третьих, благодаря управлению по замкнутому контуру и внедрению усовершенствованного алгоритма управления, простые сервосистемы серии ES всегда могут реализовать 100% крутящего момента двигателя и не требуют огромного 50% резервирования крутящего момента как в обычных шаговых системах с открытым контуром. Это значительно улучшает быстродействие системы. В то время как шаговые системы с разомкнутым контуром используются в задачах со скоростью до 1000 об / мин, СШП Leadshine идеально подходит для многих применений до 2000 об / мин,  и иногда даже до 3000 об / мин!

В-четвертых, в шаговых системах с разомкнутым контуром выходной ток на шаговый двигатель от шагового привода является постоянным. Независимо от состояния нагрузки и требуемого тока, шаговый привод всегда будет выдавать постоянный ток. Поскольку сервопривод СШП работает в замкнутом контуре, драйвер подает в двигатель столько тока, сколько требуется для приведения двигателя к цели. Нагрев двигателя на 20-40 °C ниже по сравнению с обычным шаговым приводом, который большую часть времени работает с полным током. Результат — меньшее энергопотребление и более длительный срок службы двигателя, что снижает затраты на эксплуатацию и обслуживание.

В-пятых, обычно инженеру приходится потратить немало времени, чтобы научиться пользоваться инструментами настройки сервопривода и настроить коэффициенты усиления для достижения приемлемых результатов.  СШП Leadshine готов к работе практически прямо из коробки. Потребуется лишь установить разрешение микрошага и рабочий ток, система будет готова к работе с производительностью приближающейся к точно настроенному сервоприводу. Экономите время — экономите деньги.

Серво-шаговые приводы Leadshine просты в использовании, практически «подключи и работай». Отличаются низкой стоимостью, высоким крутящим моментом, высоким пусковым и низкоскоростным крутящим моментом, высокой жесткостью в состоянии покоя, высокой точностью без потери шагов, сверхнизким нагревом двигателя, отсутствуем перерегулирования и рыскания при останове, практически нулевым временем установки, широким диапазоном применения. Они успешно используются во многих отраслях промышленности, таких как станки с ЧПУ (фрезерные станки с ЧПУ, плазменные станки, лазерные граверы и станки лазерной резки, шлифовальные станки, фрезерные станки и т.д.), полупроводниковой (силиконовой) промышленности, медицинском и лабораторном оборудовании, автоматизации, упаковке и т.д.

И напоследок, я хотел бы упомянуть о многоосевых драйверах серии МХ, для тех кому хочется минимизировать свою работу с проводами. Leadshine MX3660, MX4660 — это 3-х и 4-х — осевые шаговые привода со встроенной коммутационной платой. Они специально разработаны, чтобы обеспечить простую и быструю реализацию управления для 3-х — 4-х шаговых двигателей с размерами Nema 17, 23, 24 или 34. С помощью команд шага и направления, драйвер серии MX может легко управляться контроллерами движения, ПЛК, программным обеспечением ЧПУ (например, Mach 3/4, EMC). Это делает их идеальным для применений в таких отраслях, как станки с ЧПУ (фрезерные, плазменной и лазерной резки, обрабатывающие центры, ювелирные фрезеры), полупроводниковой и медицинской промышленности, текстильном оборудование и т.п.

Основанные на DSP и передовом алгоритме управления драйверы Leadshine серии MX поддерживают такие функции, как антирезонансный режим, сглаживание входных импульсов, автоматическое снижение тока холостого хода и т.п.  Они обеспечивает высокую точность, превосходный крутящий момент, низкий уровень шума и нагрева двигателя. С рабочим напряжением до 60В и выходным током до 6,0 А, драйверы серии MX могут управлять двухфазными шаговыми двигателями от NEMA 17 до 34 на полной мощности с высокой надежностью. Они легко настраиваются без использования программного обеспечения. С помощью DIP-переключателей (отдельно на каждую ось) пользователь может выбрать выходной ток на одну из восьми настроек 1,41–6,0 А, а разрешение микрошага — на один из восьми от полного до 1/64 шага. Каждая ось может иметь свои конфигурации, отличные от других осей.

Шаговый привод Leadshine MX имеет вход E-Stop, аналоговый выход (0-10 В), выход ошибки, 8 общих цифровых входов и 6 общих цифровых выходов с опторазвязкой. Это позволяет быстро и легко подключать устройства ввода-вывода. Серия MX также позволяет расширять управление добавлением до 2-х дополнительных осей, что применимо для управления 5-ю – 6-ю осями.

Вот и всё. Надо сказать, что это весьма обобщенная информация по драйверам. Если у вас есть предметные вопросы, просим их отправлять на ящик ep@prolm.ru. Мы постараемся ответить на них в виде дополнения к статье, либо её редакцией.

С уважением,
Сергей Владимирович Ширяев —
заместитель директора по техническим вопросам и развитию