Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Integrované pohony vřeten typu LTS

Automa 9/2000

(firemní článek)

Integrované pohony vřeten typu LTS

Jedním z exponátů, který byl oceněn zlatou medailí v rámci 42. mezinárodního strojírenského veletrhu v Brně, byly integrované pohony vřeten typu LTS. Tento exponát jako výsledek svého vývoje prezentovala firma VUES Brno a. s.

Integrované pohony vřeten typu LTS představují nespornou technickou inovaci v oblasti elektrických pohonů. Jde o nově vyvinutou řadu elektrických pohonů určených především pro přísuvy vysokootáčkových brusných, vyvrtávacích a frézovacích vřeten.

Obr. 1.

Dosud používané klasické lineární servopohony pracující ve svislé poloze – v technické praxi výstižně nazývané osy z – pracují při pohybu směrem dolů ve značně rozdílném režimu než při pohybu nahoru. Je to dáno tím, že tíha pohyblivé části pohonu a poháněného zařízení pomáhá při pohybu směrem dolů síle, jež je vyvinuta motorem, zařízení urychlovat, kdežto při pohybu nahoru působí proti síle pohonného motoru. To způsobuje mnoho problémů při řízení, zvětšuje nároky na dimenzování pohonu i havarijní brzdy a v neposlední řadě zvyšuje spotřebu energie. Tyto problémy vyniknou zejména při vyšší hmotnosti poháněného nástroje nebo zařízení, jako jsou právě vysokootáčková vřetena.

Z technického hlediska je klasický lineární pohon osy z nejčastěji řešen využitím rotačního servomotoru a kuličkového šroubu, který mechanicky převádí rotační pohyb na přímočarý. Využití tohoto principu, jenž se vyznačuje typickou nelinearitou, znamená, že v mnoha případech pracují tyto pohony na mezi svých dynamických možností.

Uvedené nedostatky klasického lineárního pohonu osy z, na jejichž řešení byl zaměřen vývoj ve VUES Brno a. s., odstraňují integrované pohony vřetene s kompenzací tíhy pohyblivé části, využívající k tomuto účelu magnetickou sílu. Základní sestavu integrovaného pohonu vřetene tvoří:

  • přímý lineární motor v provedení pro práci ve svislé ose,
  • vysokootáčkové vřeteno,
  • napájecí a řídicí elektronický systém.

Významným inovačním prvkem v uvedené sestavě je přímý lineární motor pro práci v ose z. Jde o tubulární synchronní lineární motor s vestavěnou magnetickou kompenzací tíhy neseného vřetene. Výhodou tubulární konstrukce ve srovnání s běžnějším plochým provedením je vykompenzování přítažné síly mezi primární a sekundární částí motoru a vlastní mechanické vedení. To spolu s vhodným konstrukčním tvarem znamená dosti jednoduchou úpravu při náhradě stávajících pohonů s rotačním motorem a kuličkovým šroubem, což umožňuje použití pohonu i do starších rekonstruovaných zařízení.

Vestavěná magnetická kompenzace tíhy pohyblivé části integrovaného pohonu, která podstatně zmenšuje rozdíl v pracovním režimu při pohybu nahoru a dolů, využívá ke své činnosti permanentní magnety tubulárního lineárního motoru, jež jsou nutné k jeho základní pohybové funkci. To ve svém důsledku znamená, že zásadního zlepšení vlastností pohonu je dosaženo s minimálním zvětšením vnějších rozměrů pohonného motoru i pracovního stroje téměř bez zvýšení výrobních nákladů. Navíc se zde uplatňují veškeré výhodné vlastnosti přímých lineárních motorů, jako je vysoká dynamika a přesnost polohování, provoz bez vůlí s minimálním opotřebením atd. Velikost kompenzační magnetické síly je možné částečně regulovat podle tíhy posouvaného vřetene. Magnetická kompenzace tíhy plní ještě další velmi významnou bezpečnostní funkci. Při vypnutí nebo výpadku napájení se zařízení automaticky vlivem magnetických sil okamžitě přemístí do horní polohy a setrvá v ní bez spotřeby energie. Tím se zabrání poškození zařízení, nástroje nebo zhotovovaného výrobku. Dosud bylo nutné tuto bezpečnostní funkci zajišťovat přídavnou mechanickou brzdou, umístěnou na pohyblivé části, která tím nepříznivě ovlivňovala zatížení, dynamiku i spotřebu energie.

VUES Brno a. s. tyto pohony vyvinul a nyní zavádí jejich výrobu. Popisované pohony budou vyráběny ve třech základních velikostech pro tažné síly 500, 750 a 1 000 N v řadě konstrukčních modifikací, jež jsou potřebné z hlediska respektování konkrétních požadavků zákazníků. Jejich základní technické parametry jsou uvedeny v tab. 1.

Nedílnou součástí integrovaného pohonu typu LTS je vysokootáčkové vřeteno poháněné asynchronním motorem, jehož otáčky se pohybují v rozsahu 65 000 min–1 až 180 000 min–1. Vřetena pro nižší rozsah otáček (do 90 000 min–1) jsou uložena v klasických valivých ložiskách mazaných olejovou mlhou, pro vyšší otáčky je využíván princip vzduchového uložení rotoru vřetena (tzv. vzduchová ložiska). Uvažuje se rovněž o využití magnetického uložení. Vlastní nástroj (vrták, fréza, brusný kotouček) je pro možnost rychlé automatické výměny upínán v pneumaticky ovládaných kleštinách.

Základ napájecího a řídicího elektronického systému tvoří vhodný měnič. K napájení tubulárního lineárního motoru jsou využity měniče firmy Pacific Scientific – Bautz typové řady SCE 900, je však možné použít i vhodné měniče jiných výrobců. K napájení a řízení vysokootáčkového vřetene se využívají měniče firmy Sieb-Mayer.


Typ   LTS 034 LTS 044 LTS 048 LTS 062
Záběrná síla (N) 500 750 1 000 500
Špičková síla při maximální rychlosti (N) 350 500 750 350
Trvale dosaŤitelná síla (N) 350 500 750 350
Síla magnetické kompenzace (N) 110 150 200 oddělené zařízení
Zdvih (mm) 50 50 50 50
Rychlost posuvu (ms–1) 1 1 1 1
Napájecí zdroj – měnič frekvence*)   SCE 903 SCE 903 SCE 904 SCE 903
Napětí (V) 3 × 220 3 × 220 3 × 220 3 × 220
Proud (A) 2,8/1,9 3,2/2,0 6,5/4,2 2,5/1,6
Frekvence (Hz) 16,7 16,7 16,7 16,7
Izolační třída motoru   F F F F
Krytí   IP54 IP54 IP54 IP54
Hmotnost celková (kg) 8,0 9,0 10,5 4,5
Hmotnost pohyblivé části (kg) 1,9 2,2 2,5 1,5
Vodní chlazení
Chladicí médium   demineralizovaná voda
Chladicí výkon (W) 270 500 650 300
Průtok (l·min–1) 2,0 2,5 3,0 2,0
Úbytek tlaku (kPa) 70 50 50 25
Čidlo polohy   Renishaw RGH22X (1 µm)**)
*) Volba jiného typu měniče frekvence po konzultaci s výrobcem
**) Volba jiného typu čidla polohy po konzultaci s výrobcem

Tubulární lineární motory je možné použít i pro jiné účely, např. pro přísuv nástrojů, k ovládání ventilů, pro pohon pístů hydraulických válců apod. Konstrukce těchto motorů umožňuje upravit ložiskové uložení pro práci v libovolné poloze, prodloužit nebo zkrátit zdvih, zesílit, zeslabit, popř. i odstranit magnetickou kompenzaci, přizpůsobit montážní rozměry, modifikovat vinutí pro požadovaný způsob napájení a rychlost posuvu, popř. realizovat další úpravy.

Kromě již uvedených předností lze další významný přínos integrovaného pohonu vřetene spatřovat ve výrazném zvýšení produktivity pracovních strojů, v nichž je tento pohon využíván.

Další informace o integrovaných pohonech vysokootáčkových vřeten, jakož i o firmě VUES Brno a. s. a jejím výrobním programu zájemci získají na adrese uvedené za článkem.

VUES Brno a. s.
Mostecká 26, 657 65 Brno
tel.: 05/45 55 11 11
fax: 05/45 55 12 22
e-mail: mail@vues.cz
http://www.vues.cz