Mitsubishi HC-SFS353B (HCSFS353B) — 3,5 кВт AC серводвигатель с электромагнитным тормозом, прямой вал, 3000 об/мин, серия MELSERVO J2-Super

Обзор продукта

Номер детали: HC-SFS353B

Также ищут как: HCSFS353B, HC SFS 353B, HC-SFS-353B

Серия: Mitsubishi MELSERVO HC-SFS (поколение J2-Super)

Классификация: AC бесщеточный серводвигатель со средним моментом инерции — 3,5 кВт, класс 200 В, 3000 об/мин, прямой вал, электромагнитный тормоз с пружинным прижимом

Два факта, определяющих этот двигатель

В семействе двигателей HC-SFS со скоростью 3000 об/мин HC-SFS353B занимает особое положение, которое полностью определяется двумя характеристиками.

Первая — это его место в диапазоне мощностей. HC-SFS353 — это верхняя граница компактного семейства со скоростью 3000 об/мин — самый мощный двигатель в линейке HC-SFS 3000 об/мин перед тем, как серия перейдет к фланцу меньшего размера при более низких мощностях. При мощности 3,5 кВт он переходит к фланец 176 × 176 мм, физически отделяя его от двигателей мощностью от 500 Вт до 2 кВт со скоростью 3000 об/мин, которые имеют раму 130 × 130 мм. Когда 2 кВт недостаточно для оси 3000 об/мин, а конструкция станка допускает раму большего размера, выбор падает на него.

Вторая — это тормоз. Суффикс «B» означает электромагнитный тормоз с пружинным прижимом и электрическим растормаживанием — конструкция, в которой 24 В постоянного тока удерживают вал свободным, а пружина закрывает тормоз в тот момент, когда напряжение исчезает. На оси мощностью 3,5 кВт с номинальным крутящим моментом 11,1 Нм и вертикальной или наклонной нагрузкой это не дополнительное оборудование. Это функция, которая обеспечивает механическую безопасность оси в состоянии покоя, при аварийной остановке и при любом отключении питания.

Все остальное — абсолютный энкодер 17 бит с разрешением 131 072 имп/об, защита IP65, усилитель MR-J2S-350, пиковый крутящий момент 33,3 Нм — является общим для остальной части семейства HC-SFS 3000 об/мин в этой мощности.

Технические характеристики

3000 об/мин при 3,5 кВт: преимущество скорости при таком уровне мощности

Большинство серводвигателей мощностью 3,5 кВт, используемых в промышленности, работают на скорости 2000 об/мин. HC-SFS353B работает на скорости 3000 об/мин — и эта разница в номинальной скорости при той же выходной мощности имеет прямое механическое следствие, определяющее место этого двигателя.

Мощность равна крутящему моменту, умноженному на угловую скорость. При постоянной мощности и увеличении скорости крутящий момент должен пропорционально уменьшаться. При 3000 об/мин и 3,5 кВт HC-SFS353B обеспечивает 11,1 Нм непрерывного крутящего момента. Сравнимый двигатель со скоростью 2000 об/мин — HC-SFS352B — обеспечивает 16,7 Нм при том же уровне мощности.

Это значительное снижение крутящего момента. Так зачем выбирать 3000 об/мин?

Ответ — скорость вращения вала. Механизмы, которым для эффективной работы требуется скорость вращения — шариковые винты с прямым приводом, работающие на высоких скоростях перемещения, первичные приводы высокопроизводительных конвейерных и транспортных систем, приводы намоточных станций, охватывающие широкий диапазон диаметров, оси подачи высокоскоростных станков — выигрывают от двигателя, который обеспечивает эту скорость напрямую. Шариковый винт с шагом 10 мм, напрямую соединенный с HC-SFS353B, достигает линейной скорости 30 м/мин при номинальной скорости вала. Для достижения той же скорости перемещения от двигателя со скоростью 2000 об/мин потребовался бы редуктор или ременная передача с передаточным числом 1,5:1 между двигателем и винтом — что увеличивает стоимость, механическую сложность, люфт и инерцию оси.

Для применений, где непрерывного крутящего момента 11,1 Нм достаточно для требуемой нагрузки, а скорость вала является основным фактором производительности, HC-SFS353B со скоростью 3000 об/мин решает проблему более чисто, чем двигатель со скоростью 2000 об/мин с редуктором перед ним.

Пиковый крутящий момент 33,3 Нм — в три раза больше номинального — справляется с переходными процессами ускорения. Ось быстрой пошаговой позиционирования такой мощности и скорости сильно полагается на пиковый крутящий момент для разгона и замедления, а затем settles to a fraction of rated torque during constant-velocity motion. Усилитель MR-J2S-350 с электронной тепловой моделью отслеживает этот рабочий цикл и защищает двигатель от кумулятивной тепловой перегрузки при агрессивном циклировании.

Максимальная скорость 4500 об/мин расширяет рабочий диапазон выше номинальной точки 3000 об/мин в области постоянной мощности. Доступный крутящий момент уменьшается выше номинальной скорости, но для фаз быстрого перемещения на осях с легкой нагрузкой этот расширенный диапазон может сократить время позиционирования без выхода за пределы расчетной оболочки двигателя.

Фланец 176 × 176 мм: верхняя граница компактного семейства со скоростью 3000 об/мин

Одной из определяющих физических характеристик HC-SFS353B является фланец 176 × 176 мм — и стоит четко объяснить, почему это важно для проектирования станка.

Семейство HC-SFS со скоростью 3000 об/мин мощностью от 500 Вт до 2 кВт (HC-SFS53 — HC-SFS203) имеет общий фланец 130 × 130 мм. HC-SFS353B переходит к раме 176 × 176 мм — тому же монтажному интерфейсу, который используется всем семейством HC-SFS со скоростью 2000 об/мин мощностью от 2 кВт до 7 кВт.

Это имеет два практических следствия.

Во-первых, станок, разработанный на основе рамы 130 × 130 мм, не может напрямую вместить HC-SFS353B без модификации интерфейса крепления двигателя. Если ось изначально была разработана для HC-SFS203B (2 кВт, 3000 об/мин, 130 × 130 мм), переход на HC-SFS353B требует новой монтажной пластины двигателя и, возможно, изменений в прилегающей конструкции. Это не непреодолимая проблема, но это реальная задача проектирования, которую следует предвидеть.

Во-вторых, фланец 176 × 176 мм, общий с семейством 2000 об/мин означает, что станок, построенный для любого двигателя HC-SFS мощностью 2 кВт и выше, может вместить HC-SFS353B без изменений. Для станка, изначально разработанного на основе двигателей HC-SFS202B, HC-SFS352B или HC-SFS502B, где привод со скоростью 3000 об/мин оказывается лучшим выбором для конкретной оси, HC-SFS353B устанавливается без структурных изменений — только замена двигателя и усилителя.

Тормоз подробно: почему пружинный прижим — единственная приемлемая конструкция для вертикальных осей

При мощности 3,5 кВт, приводящей в движение вертикальный или наклонный механизм, характеристика отказоустойчивости пружинного тормоза — это не деталь спецификации, а инженерное требование, которое тормоз призван удовлетворить.

Основное свойство: катушка должна постоянно питаться напряжением 24 В постоянного тока, чтобы удерживать вал свободным. Отключите это напряжение по любой причине, и пружина немедленно закроет тормоз. Ось механически удерживается без какой-либо зависимости от исправности усилителя, активного сервозамка, правильного выполнения программы ПЛК или продолжения работы любой другой активной системы.

Рассмотрим события, которые это охватывает на производственном станке. Аварийная остановка оператором: 24 В отключены, тормоз закрывается. Неисправность усилителя вызывает срабатывание сервозащиты: 24 В могут быть отключены через цепь безопасности, тормоз закрывается. Незапланированное отключение сети в середине производства: падает питание панели, падает напряжение 24 В на катушку, тормоз закрывается. Преднамеренное отключение сервопривода в конце цикла: последовательное отключение катушки, тормоз закрывается и удерживает ось для начала следующего цикла.

В каждом случае пружина выполняет работу пассивно. Нет необходимости в какой-либо электронной системе для обнаружения неисправности и выдачи команды на торможение. Конструкция с пружинным прижимом является отказоустойчивой по механической конструкции, а не по программной логике.

Для оси мощностью 3,5 кВт с номинальным крутящим моментом 11,1 Нм, приводящей в движение механизм с гравитационной нагрузкой — тяжелый Z-слайд на обрабатывающем центре, нагруженная портальная балка, наклонный поворотный стол, сервопривод ползуна пресса — эта характеристика обеспечивает безопасность станка и неподвижность нагрузки при всех возможных режимах отказа в производственной среде.

Руководство по крутящему моменту для вертикальных осей.Документация Mitsubishi содержит последовательную рекомендацию: на вертикальных осях с гравитационным дисбалансом поддерживайте постоянную гравитационную составляющую крутящего момента на уровне 70% или ниже номинального непрерывного крутящего момента двигателя. При номинальном значении 11,1 Нм этот предел составляет примерно 7,8 Нм постоянной гравитационной нагрузки во время движения. Оси, приближающиеся к этому значению или превышающие его, выигрывают от механического противовеса для снижения постоянной нагрузки на крутящий момент во время движения. Пружинный тормоз полностью устраняет всякую гравитационную нагрузку на крутящий момент во время остановки — но во время движения двигатель должен нести полную гравитационную составляющую нагрузки в пределах этого руководства 70%.

Подключение и последовательность работы тормоза при таком уровне мощности

Электромагнитный тормоз HC-SFS353B требует выделенной цепи 24 В постоянного тока в панели станка — отдельной от цепи управления усилителя и выходной цепи сервопривода. Конструкция панели должна включать соответствующий источник питания 24 В, реле с контактами, рассчитанными на ток катушки, подавление импульсов на клеммах катушки и логику блокировки, координирующую растормаживание и включение тормоза с последовательностью включения сервопривода усилителя.

Растормаживание — последовательность растормаживания. Сервопривод должен достичь состояния включения и сервозамка перед подачей напряжения на катушку тормоза и освобождением вала. Тяжелая вертикальная ось мощностью 3,5 кВт, которая растормаживается до того, как усилитель установил блокировку положения, будет двигаться под действием силы тяжести, пока усилитель не догонит. В зависимости от массы нагрузки и хода, этот проскальзывание может быть достаточно большим, чтобы вызвать сигнал ошибки слежения, привести к механическому столкновению или создать ошибку положения, нарушающую производственную последовательность. Выход MBR (Magnetic Brake Release) на усилителе MR-J2S-350 обеспечивает управляемый усилителем сигнал специально для управления реле тормоза — усилитель сигнализирует о подтверждении сервозамка. Подключение реле тормоза к MBR гарантирует правильную последовательность без дополнительной логики ПЛК.

Затормаживание — последовательность включения. Правильная трехступенчатая процедура: замедление оси до остановки под управлением сервопривода, включение катушки тормоза для механического удержания остановленного положения, затем отключение сервопривода. Применение тормоза к движущемуся валу — даже медленно — создает тепло от трения в узле диска и ускоряет износ. На оси мощностью 3,5 кВт, выполняющей множество циклов включения/выключения сервопривода за смену, последовательное соблюдение этой процедуры продлевает срок службы тормоза с лет до многих лет.

Подавление импульсов не является опцией. Катушка тормоза является индуктивной нагрузкой. Когда реле отключается и прерывает ток катушки, коллапсирующее магнитное поле генерирует всплеск напряжения, который повредит контакты реле и потенциально внесет шум в соседнюю электронику управления, если не будет поглощен. Обратный диод параллельно катушке 24 В постоянного тока — стандартное решение для индуктивных нагрузок постоянного тока — является обязательным. Выберите его по напряжению и току катушки; руководство по эксплуатации двигателя и данные производителя реле предоставляют справочные значения.

Абсолютный энкодер на вертикальной оси с тормозом: полная картина

17-битный последовательный абсолютный энкодер с разрешением 131 072 имп/об по-разному проявляет свою ценность на вертикальной оси с тормозом и на горизонтальной оси позиционирования, и разница операционно значима.

На горизонтальной оси основным преимуществом абсолютного энкодера является устранение процедуры возврата в исходное положение при запуске — станок знает, где находится ось, не двигаясь. Полезно, но не операционно критично.

На вертикальной оси с тормозом та же возможность напрямую связана с безопасным и эффективным перезапуском станка после любого события остановки. Когда происходит аварийная остановка в середине цикла на вертикальной оси, тормоз включается, и ось механически удерживается. Энкодер сохраняет точный абсолютный угол вала — включая накопленный счетчик многооборотов — поддерживаемый батареей A6BAT в усилителе MR-J2S-350 в течение всего периода отключения питания. Когда питание панели восстанавливается, усилитель немедленно считывает абсолютное положение. Контроллер точно знает, где остановилась ось. Устанавливается сервозамок. Тормоз растормаживается в правильной последовательности. Станок возобновляет работу с точного остановленного положения без предварительного движения.

Сравните это с инкрементным энкодером на той же оси: тормоз безопасно удерживает ось, но энкодер потерял свою опорную позицию. Перед возобновлением производства ось должна выполнить цикл возврата в исходное положение — что на вертикальной оси с нагрузкой означает перемещение нагрузки к датчику исходного положения или через него. На станках, где это движение возврата в исходное положение требует освобождения рабочей зоны, где оснастка или приспособление все еще находятся на месте от остановленного цикла, или где датчик исходного положения находится в месте, через которое должна пройти нагруженная ось, это требование возврата в исходное положение является не мелким неудобством. Это производственный сбой, требующий вмешательства человека для безопасного управления.

Абсолютный энкодер устраняет все это. Тормоз удерживает; энкодер запоминает; перезапуск немедленный и полностью автоматизированный.

Примечание по обслуживанию батареи. Батарея A6BAT в усилителе MR-J2S-350 поддерживает счетчик многооборотов. Замените ее при первом сигнале низкого заряда батареи. Полная разрядка сбрасывает счетчик — и на вертикальной оси с тормозом, где возврат в исходное положение требует освобождения рабочей зоны и ручного контроля, этот сброс приводит к такому же производственному сбою, которого можно было бы избежать своевременной заменой батареи.

Совместимые усилители

HC-SFS353B сочетается с семейством усилителей MR-J2S-350 — платформой J2-Super мощностью 3,5 кВт. Три варианта интерфейса:

MR-J2S-350A — это усилитель общего назначения. Он принимает импульсные команды позиционирования от ЧПУ-контроллеров и ПЛК, а также аналоговые ссылки скорости и крутящего момента. Доступны режимы позиционирования, скорости, крутящего момента и все переключаемые режимы управления. RS-232C подключается к MR Configurator для ввода в эксплуатацию и диагностики. Для осей Z станков, общего промышленного вертикального позиционирования и любых применений, где источником команды оси является внешний ЧПУ или ПЛК, это стандартный выбор.

MR-J2S-350B подключается к контроллерам движения Mitsubishi серий A и Q через оптоволоконную последовательную шину SSCNET. Все команды оси и данные обратной связи передаются по оптоволоконной линии. Для скоординированных многоосевых станков — оси Z, которая должна двигаться в определенной геометрической зависимости от осей X и Y на обрабатывающем центре, вертикальной портальной оси, синхронизированной с горизонтальными транспортными осями на транспортной машине — шина SSCNET обеспечивает связь осей в реальном времени, которую не могут обеспечить импульсные и аналоговые интерфейсы. Блокировка пружинного тормоза может управляться через выход включения оси контроллера движения в конфигурациях SSCNET.

MR-J2S-350CP обеспечивает встроенное одноосное позиционирование с до 31 сохраненной позицией в таблице точек, активируемое дискретными входами/выходами или командой сети CC-Link. Для автономных осей вертикального позиционирования — прессовых подач с сервоприводом, индексированных вертикальных подъемных станций, независимых модулей оси Z на сборочном оборудовании — которые не требуют синхронизации в реальном времени с другими осями, CP обеспечивает интеллектуальное позиционирование локально без выделенного контроллера движения.

Все три варианта включают выход MBR (Magnetic Brake Release) для управления последовательностью реле тормоза, автоматическую настройку в реальном времени, адаптивное подавление вибраций и полный набор защитных функций J2-Super.

Примечания по совместимости. HC-SFS353B требует усилитель MR-J2S-350. Он несовместим с усилителем первого поколения MR-J2-350, который не может считывать 17-битный протокол последовательного интерфейса энкодера J2-Super. Для станков, работающих на оборудовании MR-J2-350, HC-SF353B (та же механическая спецификация с пружинным тормозом, 14-битный энкодер) является правильным двигателем. Несовместим с усилителями MR-J3 или MR-J4 без комплекта адаптера обновления.

Семейство HC-SFS 3000 об/мин с тормозом: 353B на вершине

HC-SFS353B — это двигатель с тормозом самой высокой мощности в линейке HC-SFS 3000 об/мин и единственный на фланце 176 × 176 мм. Все остальные двигатели с тормозом в этом семействе 3000 об/мин имеют компактную раму 130 × 130 мм. Переход 353B на раму большего размера отражает физические требования двигателя мощностью 3,5 кВт и связанное с этим увеличение инерции ротора и объема статора.

В пределах мощности 3,5 кВт при 3000 об/мин матрица вал-тормоз включает: прямой вал без тормоза (HC-SFS353), прямой вал с тормозом (HC-SFS353B), шпоночный вал без тормоза (HC-SFS353K) и шпоночный вал с тормозом (HC-SFS353BK). Все четыре используют усилитель MR-J2S-350. Выбор между прямым и шпоночным валом определяется конструкцией соединительной муфты; выбор между тормозом и отсутствием тормоза определяется тем, несет ли ось гравитационную нагрузку.

Типичные применения

Вертикальная ось Z на больших обрабатывающих центрах с ЧПУ для сверления и фрезерования. Приводы оси Z на крупноформатных обрабатывающих центрах с ЧПУ, портальных сверлильных станках и вертикально-расточных станках, где масса головки шпинделя и вес инструмента создают гравитационную нагрузку, которую необходимо механически удерживать в состоянии покоя. Непрерывный крутящий момент 11,1 Нм обеспечивает силы подачи по оси Z во время операций сверления и растачивания; пружинный тормоз удерживает головку шпинделя при каждой смене инструмента и отключении станка; абсолютный энкодер устраняет необходимость возврата в исходное положение при перезапуске.

Прессовые ползуны и демпферы с сервоприводом. Сервоприводы ползунов прессов, сервооси демпферов, приводы ползунов пробивочных прессов, где ползун несет значительную массу с гравитационной составляющей и должен точно удерживать положение в любой точке хода во время остановок для настройки, смены инструмента и аварийных остановок. Номинальная скорость 3000 об/мин подходит для шариковых винтов с прямым приводом для прессовых подач при практических скоростях подхода и отвода.

Высокоскоростные вертикальные транспортные и подъемные станции. Механизмы подъема деталей, вертикальные транспортные станции, оси лифтов на сборочных и обрабатывающих ячейках, где время цикла является приоритетом, а двигатель 3000 об/мин обеспечивает более быструю вертикальную траверсу, чем двигатель 2000 об/мин при эквивалентном крутящем моменте. Пружинный тормоз удерживает подъемник на каждой станции во время пауз, а абсолютный энкодер возвращает подъемник в точно известное положение после любого прерывания.

Наклонные оси подачи на обрабатывающем и формовочном оборудовании. Наклонные оси слайдов на станках для обработки профилей, наклонные транспортные механизмы, приводы наклонных осей на формовочном оборудовании, где компонент веса оси создает постоянную гравитационную нагрузку на крутящий момент. Пружинный тормоз удерживает наклонную ось в любом положении хода при отключенном сервоприводе; руководство 70% гравитационной нагрузки определяет максимальный допустимый угол наклона при номинальном крутящем моменте этого двигателя.

Приводы наклона тяжелых поворотных столов. Оси траверсы и приводы наклона поворотных столов на 5-осевых обрабатывающих центрах, где комбинированная масса стола и заготовки создает гравитационную составляющую крутящего момента при всех углах, кроме идеального баланса. При 3000 об/мин с непрерывным крутящим моментом 11,1 Нм привод наклона справляется с умеренными массами стола при практических скоростях перепозиционирования, а пружинный тормоз удерживает стол под любым углом при отключенном сервоприводе.

Часто задаваемые вопросы

В1: В чем разница между HC-SFS353B и HC-SFS352B?

Оба являются 3,5 кВт двигателями J2-Super с тормозом на фланце 176 × 176 мм, прямым валом и 17-битными энкодерами. Разница заключается в номинальной скорости и ее влиянии на крутящий момент. HC-SFS352B работает на скорости 2000 об/мин и обеспечивает 16,7 Нм непрерывно. HC-SFS353B работает на скорости 3000 об/мин и обеспечивает 11,1 Нм непрерывно. Та же мощность, разный баланс скорости и крутящего момента. Выбирайте HC-SFS353B, когда оси требуется скорость вала — высокие скорости быстрого перемещения, прямой привод шарикового винта при высоких линейных скоростях. Выбирайте HC-SFS352B, когда оси требуется постоянный крутящий момент при умеренной скорости. Оба используют усилитель MR-J2S-350 и механически взаимозаменяемы на той же монтажной раме 176 × 176 мм.

В2: Какая последовательность действий требуется при растормаживании тормоза при запуске станка?

Усилитель MR-J2S-350 должен быть включен, и сервозамок должен быть установлен до подачи напряжения на катушку тормоза и освобождения вала. Растормаживание до установки сервозамка позволяет гравитационной нагрузке перемещать ось до того, как усилитель сможет отреагировать. Выход MBR (Magnetic Brake Release) на усилителе автоматически управляет этой последовательностью при подключении к реле тормоза — он сигнализирует о подтверждении сервозамка и о том, что тормоз может безопасно растормаживаться. Всегда обращайтесь к руководству по эксплуатации MR-J2S-350 для получения конкретных параметров времени, относящихся к нагрузке и инерции вашей оси.

В3: Может ли HC-SFS353B заменить HC-SF353B на станке, работающем с усилителем MR-J2-350?

Механически да — оба двигателя имеют одинаковый фланец 176 × 176 мм, размеры вала и схему подключения тормоза. Совместимость усилителя является решающим фактором. HC-SF353B имеет 14-битный энкодер, совместимый как с усилителями MR-J2-350, так и с MR-J2S-350. HC-SFS353B имеет 17-битный энкодер, требующий только усилитель MR-J2S-350. Установка HC-SFS353B на станок, работающий с оригинальным усилителем MR-J2-350, приведет к ошибке связи с энкодером. Сопоставляйте поколение двигателя с поколением усилителя.

В4: Где находится батарея резервного питания абсолютного энкодера и каковы последствия полной разрядки?

Литиевая батарея Mitsubishi A6BAT находится внутри сервоусилителя MR-J2S-350, а не в двигателе. Она поддерживает счетчик многооборотов абсолютного энкодера во время всех периодов отключения питания. На вертикальной оси с тормозом полная разрядка батареи сбрасывает счетчик — ось удерживается механически с помощью пружинного тормоза, но абсолютное положение теряется. При следующем запуске требуется цикл возврата в исходное положение, прежде чем ось сможет возобновить производство. На вертикальных осях, где возврат в исходное положение требует освобождения рабочей зоны и ручного контроля, этот сброс является значительным производственным сбоем. Замените A6BAT при первом сигнале низкого заряда батареи от усилителя — не откладывайте.

В5: Доступен ли еще HC-SFS353B, и каков путь обновления до текущего поколения?

HC-SFS353B снят с производства Mitsubishi, но остается доступным через дилеров промышленного автоматизированного оборудования и специализированных поставщиков сервоприводов Mitsubishi как новый старый запас и проверенные восстановленные единицы. Для станков, использующих оборудование J2-Super, этот путь поиска хорошо налажен. Для новых конструкций станков или полного обновления платформы эквивалентом текущего поколения с тормозом является HG-SR352BK или HG-SR353B (серия MR-J4, 3,5 кВт, пружинный тормоз, фланец 176 × 176 мм, 22-битный энкодер, IP67) в паре с усилителем MR-J4-350. Двигатель и усилитель должны быть заменены вместе, поскольку протоколы энкодеров несовместимы между поколениями.