1. Drive (unitate de acționare)

Funcția de bază a unei mașini CNC este de a asigura un control automat și precis al mișcării elementelor sale, cum ar fi masa de lucru, axul uneltei etc. Drive-urile sunt folosite pentru a oferi astfel de tipuri de mișcare controlată elementelor unei mașini-unelte CNC. Un sistem drive este format din motoare de antrenare și șuruburi cu bile. Unitatea de control trimite semnale de control amplificate pentru a acționa motoarele de antrenare care, la rândul lor, rotesc șuruburile cu bilă pentru a poziționa masa mașinii  sau pentru a cauza rotirea arborelui. 

2. Drive-uri de putere 

Drive-urile utilizate într-un sistem automat sau CNC sunt de diferite tipuri, cum ar fi electrice, hidraulice sau pneumatice.

• Drive-uri electrice 

Acestea sunt servomotoare de curent continuu (DC) sau de curent alternativ (AC). Au dimensiuni mici și sunt ușor de controlat. 

• Drive-uri hidraulice

Aceste unități au un raport mare între putere și dimensiune și oferă mișcare continuă cu o acuratețe deosebită. Dar ele sunt greu de întreținut și sunt voluminoase. În general, utilizează ulei hidraulic pe bază de petrol, care poate avea pericol de incendiu la temperaturi de lucru superioare. De asemenea, elementele hidraulice au nevoie de tratament special pentru a le  proteja împotriva coroziunii. 

• Drive-uri pneumatice

Acestea utilizează aerul ca mediu de lucru, care este disponibil în abundență și este rezistent la foc. Sunt simple în construcție și sunt mai ieftine. Dar, aceste unități generează o putere redusă, au o acuratețe de poziționare mai mică și sunt zgomotoase. 

În CNC, de obicei sunt utilizate acționări electrice AC, DC, servo și pas cu pas. Diferitele acționări utilizate în mașinile CNC pot fi clasificate în: 

a. Mecanisme de acționare a axului pentru a asigura puterea principală a axului pentru acționarea așchierii 

b. Unități de avans pentru a acționa axele 

2.1 Mecanisme de acționare a arborelui (Spindle drives)

Mecanismele de acționare a arborelui sunt utilizate pentru a realiza mișcarea unghiulară a piesei sau a uneltei de tăiere. În figura 4.1.1 sunt prezentate componentele unui dispozitiv de acționare a arborelui. Aceste unități sunt esențiale pentru a menține viteza cu acuratețe într-o bandă de avans care va permite prelucrarea unei varietăți de materiale cu variații de duritate a materialului.  Gamele de viteză pot fi de la 10 la 20.000 rpm. Mașinile-unelte folosesc în mare parte acționări DC de arbore. Dar, în ultima vreme, unitățile AC sunt preferate față de unitățile DC, datorită apariției invertorului de frecvență AC bazat pe microprocesor. Capacitatea de suprasarcină ridicată este și ea necesară pentru suprasarcini neintenționate pe arbore, din cauza unui avans neadecvat. Acesta este doritor să aibă o unitate compactă cu funcționare extrem de lină.

2.2 Drive-uri de avans 

Acestea sunt utilizate pentru a acționa glisarea sau o masă. Figura 4.1.2 prezintă diverse elemente ale unui drive de avans.  Cerințele unui dispozitiv de avans ideal sunt următoarele. 

• Motorul de avans trebuie să funcționeze cu caracteristici de cuplu constant pentru a depăși frecarea și forțele de lucru.  

• Viteza de antrenare trebuie să fie extrem de variabilă, cu o gamă de viteză de aproximativ 1: 20000, ceea ce înseamnă că ar trebui să aibă o viteză maximă de aproximativ 2000 rpm și o viteză minimă de 0,1 rpm. 

• Motorul de avans trebuie să funcționeze ușor.  

• Unitatea trebuie să aibă o rezoluție de poziționare extrem de mică.  

• Alte cerințe includ raportul cuplu/greutatea ridicat, inerția redusă a rotorului și răspunsul rapid în cazul unei operații de contur, unde mai multe unități de avans trebuie să funcționeze simultan. 

Unitățile DC cu viteză variabilă sunt utilizate ca unități de avans în mașinile unelte CNC. Dar, în prezent, se folosesc unități AC de  avans.

3. Drive-uri electrice 

Drive-urile electrice sunt utilizate mai ales în sistemele de control al poziției și vitezei. Motoarele pot fi clasificate în două grupe: motoare DC și motoare AC (fig. 4.1.3). În această sesiune vom studia funcționarea, construcția, avantajele și limitările motoarelor DC și AC. 

3.1. Motoare DC

Un motor DC este un dispozitiv care convertește curentul (energia electrică) direct în rotația unui element (energie mecanică).  Aceste motoare pot fi clasificate ulterior în motoare DC cu perii și motoare DC fără perii.

3.1.1 Motor DC cu perii 

Un motor cu perii tipic este format dintr-o bobină armătură, inele de alunecare împărțite în două părți, o pereche de perii și electromagnet potcoavă, așa cum se arată în fig. 4.1.4. Un motor DC simplu are doi poli de câmp și anume un pol nord și un pol sud. Liniile magnetice de forță se extind peste spațiul dintre poli de la nord la sud. Bobina este înfășurată în jurul unui miez de fier moale și este plasată între polii magnetului. Acești electromagneți primesc energie electrică de la o sursă de energie externă.  Capetele bobinei sunt conectate la inele despicate. Periile de carbon sunt în contact cu inelele despicate. Periile sunt conectate la o sursă DC. Aici inelele despicate se rotesc cu bobina în timp ce periile rămân staționare.  

Funcționarea se bazează pe principiul că atunci când un conductor cu curent este plasat într-un câmp magnetic, el suportă o forță mecanică a cărei direcție este dată de regula stângă a lui Fleming. Mărimea forței este dată de 

                                                                     𝐹 = 𝐵𝐼𝐿𝑠𝑖𝑛𝜃                                                               (4.1.1)

unde  B este densitatea de câmp magnetic în weber/m2 
              I sunt curentul în amperi și
              L este lungimea conductorului în contor
          θ este unghiul dintre direcția curentului în conductor și câmpul electric 

Dacă curentul și câmpul electric sunt perpendiculare, atunci θ = 90°. Ecuația 4.1.1 devine,

                                                                                𝐹 = 𝐵𝐼𝐿                                                                                (4.1.2)

Un curent direct într-un set de înfășurări creează un câmp magnetic. Acest câmp produce o forță care întoarce armătura. Această forță se numește cuplu. Acest cuplu va determina armătura să se întoarcă până când câmpul său magnetic este aliniat cu câmpul exterior. Odată aliniat, direcția curentului în înfășurări pe armătură se inversează, inversând astfel polaritatea câmpului electromagnetic al rotorului. Un cuplu se exercită din nou pe rotor și continuă să se rotească. Schimbarea direcției curentului este facilitată de inelul divizat comutator. Scopul principal al comutatorului este inversarea direcției curentului electric în armătură. De asemenea, comutatorul ajută la transmiterea curentului între armătură și sursa de alimentare. Periile rămân staționare, dar sunt în contact cu armătura la comutator, care se rotește cu armătura astfel încât la fiecare 180° de rotație, curentul în armătură este inversat.

Avantajele motorului DC cu perii:

  • Proiectarea motorului DC cu perii este destul de simplă

• Controlul vitezei unui motor DC cu perii este ușor 

• Foarte rentabil 

Dezavantajele motorului DC cu perii:

• Întreținere ridicată

• Performanța scade cu particulele de praf

• Mai puțin fiabile în control la viteze mai mici

• Periile se uzează odată cu utilizarea 

3.1.2 Motor DC fără perii

Un motor DC fără perii are un rotor cu magneți permanenți și un stator cu înfășurări. Rotorul poate fi de tip magnet permanent ceramic. Periile și comutatorul sunt eliminate și înfășurările sunt conectate la electronica de control. Controlul electronic înlocuiește comutatorul și periile și alimentează statorul secvențial. Aici conductorul este fixat și magnetul se mișcă (Fig. 4.1.5). 

Curentul furnizat statorului se bazează pe poziția rotorului. Se comută în secvență folosind tranzistoare. Poziția rotorului este sesizată de senzori cu efect-Hall. Astfel se obține o rotație continuă. 

Avantajele motorului DC fără perii:

• Mai precis datorită controlului computerului

• Mai eficient

• Fără scântei din cauza absenței periilor

• Zgomot electric mai mic

• Fără perii de uzat

• Electromagneții sunt situați pe stator, deci ușor de răcit

• Motorul poate funcționa cu viteze peste 10.000 rpm în condiții de încărcare și descărcare

• Reactivitate și accelerare rapidă datorită inerției reduse a rotorului 

Dezavantajele motorului DC fără perii: 

• Cost inițial mai mare

• Complex, datorită prezenței controlerului computerului

• Motorul DC fără perii necesită, de asemenea, cabluri suplimentare ale sistemului pentru a alimenta circuitul electronic de comutație  

3.2 Motoare AC 

Motoarele AC convertește curentul alternativ în rotația unui element mecanic (energie mecanică). Ca și în cazul motorului DC (curent continuu), un curent este trecut prin bobină, generând un cuplu pe bobină. Componentele tipice includ un stator și un rotor. Armătura rotorului este un magnet, spre deosebire de motoarele DC, iar statorul este format din electromagneți similari cu motoarele DC. Principala limitare a motoarelor AC asupra motoarelor DC este aceea că viteza este mai dificil de controlat la motoarele AC. Pentru a depăși această limitare, motoarele AC sunt echipate cu drive-uri de frecvență variabilă, dar controlul de viteză îmbunătățit vine împreună cu o calitate redusă a puterii. 

Principiul de funcționare al motorului AC este prezentat în fig. 4.1.6. Consideră rotorul ca un magnet permanent. Curentul care circulă prin conductori energizează magneții și dezvoltă poli N și S. Puterea electromagneților depinde de curent. În prima jumătate de ciclu curentul curge într-o direcție și în a doua jumătate a ciclului curge în direcție opusă. Pe măsură ce tensiunea AC se schimbă, poli alternează.

Motoarele de curent alternativ pot fi clasificate în motoare sincrone și motoare de inducție.

3.2.1 Motor sincron 

Un motor sincron este un motor AC care funcționează cu viteză constantă fixată de frecvența sistemului. Necesită curent continuu (DC) pentru excitație și are un cuplu de pornire redus și, deci, este potrivit pentru aplicațiile care pornesc cu o sarcină mică. Are două părți electrice de bază și anume stator și rotor așa cum se arată în fig. 4.1.7. Statorul este format dintr-un grup de electromagneți înfășurați individual, dispuși astfel încât să formeze un cilindru gol. Statorul produce un câmp magnetic rotativ,  proporțional cu frecvența furnizată. Rotorul este componenta electrică rotativă. Acesta constă, de asemenea, dintr-un grup de  magneți permanenți  dispuși în jurul unui cilindru, cu polii orientați spre polii statorici. Rotorul este montat pe arborele motorului.  Principala diferență între motorul sincron și motorul cu inducție este faptul că rotorul motorului sincron circulă cu aceeași viteză cu magnetul rotativ.

Statorului i se oferă o alimentare cu trei faze și pe măsură ce polaritatea statorului schimbă progresiv câmpul magnetic se rotește, rotorul va urma și se va roti cu câmpul magnetic al statorului. Dacă un motor sincron pierde fixarea pe frecvența de linie, acesta se va bloca. El nu poate porni de la sine, deci trebuie pornit de un motor auxiliar.

Viteza sincronă a unui motor AC este determinată după următoarea formulă:

                                                                 𝑁𝑠 = 120∗𝑓/𝑃                                                            (4.1.3) 

Ns = Rotații pe minut
P = Numărul de perechi de poli
f = Frecvența aplicată 

3.2.2 Motor cu inducție

Motoarele cu inducție sunt destul de frecvent utilizate în automatizarea industrială. În motorul sincron, polii statorului sunt înfășurați cu bobine, iar rotorul este un magnet permanent și este alimentat cu curent pentru a crea poli de polaritate fixă. În cazul motorului cu inducție, statorul este similar cu motorul sincron cu înfășurări, dar construcția rotorilor este diferită.   

Rotorul unui motor cu inducție poate fi de două tipuri:

• Un rotor colivie de veveriță constă din bare conductoare groase încorporate în fante paralele. Barele pot fi din cupru sau aluminiu. Aceste bare sunt montate la ambele capete cu inele de capăt, așa cum se arată în figura 4.1.8. 

• Un rotor bobinat are o înfășurare distribuită trifazată, dublu-strat. Rotorul este bobinat pentru un număr cât mai mare de poli. Cele trei faze sunt conectate intern, iar celelalte capete sunt conectate la inele de alunecare montate pe un ax cu perii sprijinite pe ele. 

Motoarele cu inducție pot fi clasificate în două tipuri: 

•  Motor de inducție monofazat: are o înfășurare stator și un rotor colivie de veveriță. Funcționează cu o sursă de alimentare monofazată și necesită un dispozitiv pentru pornirea motorului.  

•  Motor de inducție trifazat: Câmpul magnetic rotativ este produs de alimentarea trifazată echilibrată. Aceste motoare pot avea colivie de veveriță sau rotori bobinați și sunt auto-pornite. 

Într-un motor cu inducție nu există alimentare electrică externă la rotor. Funcționează pe principiul inducției. Când un conductor este deplasat printr-un câmp magnetic existent, mișcarea relativă a celor doi face ca un curent electric să circule în conductor.  Într-un motor cu inducție, fluxul de curent în rotor nu este cauzat de nicio legătură directă a conductorilor la o sursă de tensiune, ci mai degrabă de influența conductoarelor rotorului care taie liniile de flux produse de câmpurile magnetice ale statorului.  Curentul indus care este produs în rotor determină un câmp magnetic în jurul rotorului. Câmpul magnetic din jurul fiecărui conductor al rotorului va determina conductorul rotorului să acționeze ca magnetul permanent. Pe măsură ce câmpul magnetic al statorului se rotește, datorită efectului alimentării de curent alternativ trifazat, câmpul magnetic indus al rotorului va fi atras și va urma rotația. Dar, pentru a produce cuplul, un motor de inducție trebuie să sufere de alunecare. Alunecarea este rezultatul câmpului indus în înfășurările rotorului care rămâne în spatele câmpului magnetic rotativ în înfășurările statorului. Alunecarea este dată de, 

                                              𝑆 = ( 𝑆𝑦𝑛𝑐h𝑟𝑜𝑛𝑜𝑢𝑠 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 - 𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑/𝑆𝑦𝑛𝑐ℎ𝑟𝑜𝑛𝑜𝑢𝑠 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑)∗100%          (4.1.4) 

Avantajele motoarelor AC cu inducție 

• Are un design simplu, cost inițial scăzut, construcție robustă

• Funcționarea este simplă, cu o întreținere mai mică (deoarece nu există perii)

• Eficiența acestor motoare este foarte mare, deoarece nu există pierderi de frecare, cu un factor de putere rezonabil 

• Angrenajul de comandă pentru pornirea acestor motoare este minim și, prin urmare, funcționare simplă și fiabilă

Dezavantaje ale motoarelor AC cu inducție 

• Controlul vitezei acestor motoare este la prețul eficienței lor

• Odată cu încărcarea motorului, viteza scade

• Momentul de pornire este inferior în comparație cu motoarele DC