TEKNILLINEN KORKEAKOULU

Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta

Janne Ruohonen

LASTUAVIEN TYSTKESKUSTEN ELEKTRONIIKKA

Diplomity, joka on jtetty opinnytteen tarkastettavaksi diplomi-insinrin tutkin-

toa varten Espoossa 13.5.2008

Tyn valvoja

Professori Pekka Eskelinen

Tyn ohjaaja

DI Kari Ranta

2

ALKUSANAT

Tm diplomity on tehty Oy Grnblom Ab:lle. Tyn ohjaajana toimi yrityksen toi-

mitusjohtaja DI Kari Ranta, jota haluan kiitt mahdollisuudesta tmn tyn tekoon.

Valvojana toimi Professori Pekka Eskelinen, jota haluan erityisesti kiitt opastuk-

sesta sek kannustavasta asenteesta. Tyn edistymist avusti merkittvsti valvojan

kiinnostus tytni kohtaan sek keskeneristen versioiden tarkastus nopealla aikatau-

lulla.

Olen tyskennellyt Oy Grnblom Ab:n palveluksessa jo useiden vuosien ajan sek

kesisin ett opintojen ohessa lukukausien aikana. Uusi toimenkuvani yrityksess

liittyy lheisesti diplomityn aiheeseen, joten tmn tutkielman kautta olen pssyt

tutustumaan mys tulevaan tyhni.

Haluan lisksi erityisesti kiitt avovaimoani Maria, joka on tukenut ja kannustanut

minua koko opintojeni ajan. Kiitokset mys kaikille, joilta olen saanut neuvoja ja

ohjeita tytni varten, sek kaikille tyhn liittyvn kyselytutkimukseen osallistu-

neille.

Espoossa 13.5.2008

Janne Ruohonen

3

TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYN

TIIVISTELM

Tekij: Janne Ruohonen

Tyn nimi: Lastuavien tystkeskusten elektroniikka

Pivmr: 13.5.2008 Sivumr: 87

Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta

Professuuri: S-66 Sovellettu elektroniikka

Tyn valvoja: Pekka Eskelinen

Tyn ohjaaja: Kari Ranta

Tyn tarkoituksena oli selvitt nykyaikaisissa tystkeskuksissa ja sorveissa ky-

tettv elektroniikkaa sek niiden ohjausta ja ohjelmointia. Tarkoituksena oli

mys kartoittaa kyselytutkimuksen avulla eri valmistajien koneiden vlisi eroja

sek seikkoja, jotka vaikuttavat koneiden hankintaan.

Tystkeskus on laite, jonka avulla erilaisista aihioista voidaan lastuavalla tystl-

l poistaa materiaalia ja tehd nin erimuotoisia kappaleita. Tystkeskuksen tr-

keimmt shkiset osat ovat karamoottori, pyt liikuttavat servomoottorit sek

moottoreiden ohjauselektroniikka. Lisksi tystkeskuksissa on oltava jonkinlai-

nen ohjauspaneeli kyttliittymll, jotta laitetta voidaan kytt.

Numeerisesti ohjatut tystkeskukset ja sorvit toimivat nopeasti ja tarkasti ennalta

tehdyn ohjelmakoodin mukaisesti. Ohjelmakoodia voidaan kirjoittaa joko suoraan

ksin tai koodia voidaan luoda tietokoneohjelmien avulla, valmiiksi piirretyist

kuvista. Eri valmistajien koneissa on hieman erilaisia ratkaisuja kyttliittymn ja

ohjelmoinnin suhteen, mutta perusajatukseltaan kaikki koneet ovat hyvinkin sa-

manlaisia. Tutkimuksessa keskityttiin lhinn Haas-, Fanuc- sek Mazak-

merkkisiin tystkoneohjauksiin. Fanuc valmistaa mys pelkki ohjauksia, Haas

sek Mazak valmistavat koneita omilla ohjauksillaan eivtk myy muille kone-

valmistajille ohjauksia.

Tulosten perusteella voidaan todeta, ett Fanuc- ja Haas-merkkisten koneiden oh-

jaus on melko lhell toisiaan. Nihin koneisiin kyvt ohjelmat sek koneiden

kyttminen ovat tutkimuksen mukaan lhell toisiaan. Mazak erottuu kyttliit-

tymlln kahdesta muusta jonkin verran.

Avainsanat: AC-servo, CNC, G-koodi, NC, tystkeskus, vektoriohjaus

4

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE

MASTERS THESIS

Author: Janne Ruohonen

Name of the Thesis: Electronics in machining centers

Date: 13.5.2008 Number of pages: 87

Faculty of Electronics, Communications and Automation

Professorship: S-66 Applied Electronics

Supervisor: Pekka Eskelinen

Instructor: Kari Ranta

The purpose of this thesis was to make a survey about electronics, control methods

and programming of machining centers. Another goal was to find out differences

between machining centers manufactured by Fanuc, Haas and Mazak. This was

made by an inquiry.

A machining center is a device which is used to make different kind of parts from

different kind of materials for example metals or plastic. The machining center

contains motors to drive the x-, y- and z-axis and to spin a spindle. Axis motors

are often permanent magnet synchronous motors which are driven by a servo con-

trol system. The spindle motor is an asynchronous motor driven by a vector con-

trol unit. Those machines also need a control panel so they can be used.

Numerical controlled machines are very accurate and fast. They are driven by

code. The code can be made by hand or by special computer programs. Some ma-

chines also have kind of an intuitive programming system that is easy to use. This

thesis is focused of Fanuc, Mazak and Haas type controls. Fanuc is manufacturing

not only the machines but also controls for machines. Haas and Mazak manufac-

ture machines with their own control system.

As a conclusion of the inquiry we can see that Fanuc and Haas controls are pretty

close together. Mazak is different than others. Fanuc and Haas programs are main-

ly made by computer and Mazak programs by Mazaks intuitive programming

system.

Keywords: AC-Servo, CNC, G-code, NC, Machining Center, Vector Control

5

SISLLYSLUETTELO

Nimilehti

Alkusanat

Tiivistelm

Sisllysluettelo

Symbolit ja lyhenteet

1. JOHDANTO ......................................................................................................... 11

1.1 Taustaa .......................................................................................................... 11 1.2 Lastuavien tystkoneiden rakenne ........................................................... 12

1.2.1 Sorvi ................................................................................................... 12

1.2.2 Pysty- ja vaakakaraiset tystkeskukset ............................................. 15

1.3 Lastuaminen .................................................................................................. 17 1.3.1 Sorvaus ............................................................................................... 17 1.3.2 Jyrsint ja avartaminen ....................................................................... 18

1.4 Tyn tavoite ja rajaus .................................................................................. 20

2. TYSTKESKUSTEN SHKISET OSAT .................................................. 21

2.1 Lastuavissa tystkoneissa kytettvt moottorit ..................................... 21 2.1.1 Oikosulkukone .................................................................................... 24 2.1.2 Kestomagneettitahtikone .................................................................... 32

2.2 Koneen ohjaus ............................................................................................... 38 2.2.1 Tietokoneohjaus ................................................................................. 38

2.2.2 Ohjauspaneelit .................................................................................... 38

2.3 Aikavakiot ..................................................................................................... 40

3. MOOTTORIEN OHJAUS .................................................................................. 42

3.1 Oikosulkumoottorin vektoriohjaus ............................................................. 42 3.2 Vaihtovirtaservomoottorien ohjaaminen ................................................... 48

3.2.1 Servotekniikka .................................................................................... 48 3.2.2 Moottorin akselilla olevat anturit ....................................................... 51

3.2.3 Lineaarianturit .................................................................................... 55

4. TYSTKESKUSTEN OHJELMOINTI ......................................................... 57

4.1 G-koodi-ohjelmointi ..................................................................................... 57 4.1.1 Ohjelman rakenne ............................................................................... 59 4.1.2 Interpolointi ........................................................................................ 62

4.2 Ohjelmointitavat ........................................................................................... 63

6

4.2.1 Tietokoneavusteinen ohjelmointi ....................................................... 63 4.2.2 Ohjelmointi koneen ohjauspaneelilla ................................................. 64 4.2.3 Ksiohjelmointi .................................................................................. 66 4.2.4 Aliohjelmat ja makrot ......................................................................... 69

5. KYTTJTUTKIMUS .................................................................................... 70

5.1 Kyselyn toteutustapa .................................................................................... 70 5.2 Kysymykset ................................................................................................... 71 5.3 Tulosten analysoinnin matemaattiset perusteet ........................................ 72

6. TULOKSET JA TILASTOT ............................................................................... 74

6.1 Eri konemerkkien vuorovaikutteinen ohjelmointi .................................... 75

6.2 Yhteensopivuus erimerkkisten koneiden kesken....................................... 77 6.3 Vaihtelut samanmerkkisten koneiden ohjauksissa ................................... 79 6.4 Ohjauksen merkitys koneen valintaan ....................................................... 80 6.5 Tystkoneiden elektroniset osat ................................................................ 81

7. JOHTOPTKSET JA YHTEENVETO ...................................................... 83

LHTEET ................................................................................................................. 85

LIITTEET

Liite 1. M-koodit

Liite 2. G-koodit

Liite 3a. Kyselylomake, sivu 1

Liite 3b. Kyselylomake, sivu 2

Liite 3c. Kyselylomake, sivu 3

Liite 3d. Kyselylomake, sivu 4

7

SYMBOLIT JA LYHENTEET

A kuorman liikkuma matka kierroksella

a lastuamissyvyys

B aihion leveys

Br remanenssivuontiheys

D tern halkaisija

d halkaisija

e lastuamisleveys

F kuorman paino

F0 pienin voima, jolla mutteri liikkuu

f taajuus

fr jttmtaajuus

fz sytt/hammas

g putoamiskiihtyvyys

Hc koersitiivikentnvoimakkuus

Ia moottorin ankkuripiirin virta

id staattorivirran reaalikomponentti

iq staattorivirran imaginrikomponentti

mi magnetointivirta

ri roottori-virtavektori

k

ri roottori-virtavektori kulmanopeudella k pyrivss koordinaatistossa

si staattori-virtavektori

k

si staattorin virtavektori kulmanopeudella k pyrivss koordinaatistossa

J hitausmomentti

J1 pydn massan hitausmomentti

J2 kuularuuvin hitausmomentti

K moottorikohtainen konevakio

ks ominaislastuamisvoima

k moottorin jnnitevakion sek ilmavlivuon tulo

L ruuvin pituus

Lm magnetointi-induktanssi

8

Ln ruuvin nousu

Lr roottorin itseinduktanssi

Ls staattorin itseinduktanssi

Lr roottorin hajainduktanssi

Ls staattorin hajainduktanssi

le rautasydmen aksiaalinen pituus

lm magneetin steensuuntainen paksuus

Nse ekvivalenttinen kierrosluku

n roottorin pyrimisnopeus

ns tahtinopeus

P teho

P ilmavliteho

p napapariluku

Ra moottorin ankkuripiirin resistanssi

Rs staattoriresistanssi

r ruuvin sde

s jttm

T vntmomentti

Te vntmomentti

TL kuorman aiheuttama vntmomentti

Ua moottorin ankkuripiirin jnnite

ru roottorijnnite

k

ru

roottorijnnite kulmanopeudella k pyrivss koordinaatistossa

su staattorijnnite

k

su staattorijnnite kulmanopeudella k pyrivss koordinaatistossa

s

refsu ,

jnnitteen ohjearvovektori staattorikoordinaatistossa

vc lastuamisnopeus

vf pytsytt

z hammasmr

9

kulma

ef tehollinen ilmavli

permeanssi

ilmavlivuo

hytysuhde

m kuulamutterin kitkakerroin

s liukupintojen kitkakerroin

tiheys

p napajako

v vyhykejako

d staattorin kmivuon reaalikomponentti

PM kestomagneettien synnyttm kmivuo

q staattorin kmivuon imaginrikomponentti

h pvuo

*

h pvuon kompleksikonjugaatti

r roottorin kokonaiskmivuo

s staattorin kokonaiskmivuo

k

r

roottorivuo kulmanopeudella k pyrivss koordinaatistossa

k

s

staattorivuo kulmanopeudella k pyrivss koordinaatistossa

r roottorin hajavuo

s staattorin hajavuo

geometrinen kulmanopeus

DC tasavirtamoottorin kulmanopeus

shkinen kulmanopeus

r jttmkulmataajuus

10

AC Alternating Current (vaihtovirta)

ASCII American Standard Code for Information Interchange

BCD Binary-Coded Decimal

CAD Computer Aided Design (tietokoneavusteinen suunnittelu)

CAM Computer Aided Manufacturing (tietokoneavusteinen valmistus)

CNC Computerized Numerical Control (tietokoneistettu numeerinen ohjaus)

DC Direct Current (tasavirta)

DSP Digital Signal Processor (digitaalinen signaaliprosessori)

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

IPS Intuitive Programming System

ISO International Organization for Standardization

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

NC Numerical Control (numeerinen ohjaus)

PWM Pulse Width Modulation (pulssinleveysmodulaatio)

11

1. JOHDANTO

1.1 Taustaa

Tystkeskuksilla on hyvin trke osa nykypivn teollisuudessa. Useissa teollisissa

tuotteissa on toleransseja, jotka voidaan saavuttaa ainoastaan tystmll. Lastuavat

tystkeskukset ovat koneita, jotka poistavat tystettvst aihiosta materiaalia las-

tuamalla, kunnes jljell on halutun muotoinen kappale. Lastuavia tystkoneita on

pasiassa kolmea tyyppi: sorveja, pystykaraisia sek vaakakaraisia tystkeskuk-

sia. [1, 2] Tss tyss ksitelln tystkeskusten lisksi mys sorveja, sill niiden

ohjaus ja elektroniikka koostuu kytnnss samoista osista. Lisksi monipuolisella

sorvilla voidaan tehd monia perinteisesti tystkeskuksilla tehtvi tit, joten sor-

vien ja tystkeskusten rajat eivt ole en niin selket.

Lastuava tyst on yksi trkeimmist ja eniten kytetyist valmistusmenetelmist.

Tystkeskusten toiminta perustuu lastuavien tykalujen kyttn. Tykaluja ja

tystettv kappaletta pyritetn ja liikutetaan toistensa suhteen niin, ett tykalut

ottavat lastua kappaleesta. Toiminta perustuu siihen, ett lastuava tykalu on tystet-

tv materiaalia kovempaa. Geometrialla on olennainen osa lastuamisessa. Kytet-

tvn tykalun on oltava oikeassa kulmassa tystettvn kappaleeseen nhden ja eri

lastuamistavoille on kytettv oikeanlaisia tykaluja. [3] Kuvassa 1 on Haas -

merkkinen pystykarainen tystkeskus.

Kuva 1: Pystykarainen tystkeskus. Koneen pll oleva harmaa osa sislt karamoottorin.

Sen vieress oleva pyre osa on tykalunvaihtaja. Koneen oikealla puolella on ohjauspaneeli.

12

Valmistusmenetelmi on olemassa useita. Valmistusmenetelmt jaetaan mys mo-

neen alaluokkaan. Tystminen jaetaan lastuamiseen, leikkaamiseen, muovaamiseen,

pinnoittamiseen sek shkeroosioon. Lastuaminen jaetaan mys alaluokkiin, jotka

ovat terll lastuavat menetelmt sek hiomarakeella lastuavat menetelmt. Terll

lastuavia menetelmi ovat sahaus, hylys, poraus, jyrsint sek sorvaus. [4]

Tystkeskus ja koneistuskeskus, englanniksi machining center, tarkoittavat samaa

asiaa. Tystkone on laajempi ksite, joka sislt sek tystkeskukset, sorvit, le-

vykoneet, porakoneet ett muut laitteet, joilla voidaan tyst materiaalia.

Lastuaminen voidaan jakaa karkeasti kahteen ryhmn: rouhintaan sek viimeiste-

lyyn. Rouhinnassa on tarkoitus poistaa tystettvst kappaleesta materiaalia mah-

dollisimman nopeasti. Rouhinnalla pyritn saamaan kappaleen muoto esille, eik

siin kiinnitet pinnanlaatuun huomiota. Rouhintavaiheessa kappaleeseen jtetn

yleens viimeistelyvaraa. Viimeistelyvaralla tarkoitetaan sit, ett kappaletta ei rou-

hita suoraan haluttuun mittaan, vaan siihen jtetn tilanteesta riippuen sopivan vah-

vuinen kerros ylimrist materiaalia. Viimeistelyvaiheessa tm viimeistelyvara

lastutaan pois niin, ett pinnanlaadusta tulee haluttu ja kappale tyttv asetetut mit-

tatarkkuusvaatimukset. [1]

Tystkoneita on olemassa sek manuaalisina ett tietokoneohjattuina. On mys

olemassa esimerkiksi sorveja, joita voidaan kytt sek manuaalisesti ett tietoko-

neohjattuina. Tm ty keskittyy lhinn tietokoneohjattuihin tystkeskuksiin ja

sorveihin. Monet ominaisuudet ovat kuitenkin hyvin samanlaisia sek manuaali- ett

tietokoneohjatuissa tystkoneissa. [5]

Tystkeskuksilla tehdn hyvin tarkkoja kappaleita, joiden toleranssit voivat olla

millimetrin tuhannesosia. Tllainen tarkkuus vaatii paljon mekaniikalta, mutta mys

koneen elektroniikalta. Tystkoneissa on kytettv tarkkoja ohjausmenetelmi

sek laadukkaita shkmoottoreita. Seuraavissa kappaleissa kydn lpi erilaisten

tystkoneiden rakennetta sek toimintatapaa, jotta tiedetn, mit eri osia tystko-

neissa on ohjattava, ja minklaisia ohjaustapoja voidaan kytt. Lisksi selvitetn

tystn kriittisimmin vaikuttavien elektronisten osien toimintaperiaatteet ja raken-

teet.

1.2 Lastuavien tystkoneiden rakenne

1.2.1 Sorvi

Yleisimmt sorvityypit ovat krki- ja revolverisorvit. Krkisorvi on laite, joka koos-

tuu rungosta, karapylkst, krkipylkst sek tykalupitimest. Karapylkss on

istukka, johon tystettv kappale kiinnitetn. Istukka on pyriv osa, johon tystet-

tv kappale kiinnitetn niin, ett se pyrii istukan mukana pituusakselinsa ympri.

[1]

Krkipylkn tarkoitus on tukea kappaletta siit pst, joka ei ole kiinni karapylks-

s. Etenkin pitkill kappaleilla krkipylkn kytt on suositeltavaa, sill muuten kap-

13

pale saattaa taipua tai alkaa vrhdell sit tystettess. Tm johtaa huonoon tys-

tlaatuun. Tykalupidin on osa, johon kiinnitetn kytettv tykalu, ja jota voidaan

liikuttaa tystettvn kappaleeseen nhden. [1]

Revolverisorvi eroaa krkisorvista siten, ett siin on tykalupitimen sijasta tykalu-

revolveri. Revolveriin voidaan mallista riippuen asettaa erininen mr tykaluja.

Revolverin etuna on se, ett tykaluja ei tarvitse tystn aikana vaihtaa itse, vaan

sorvi voi vaihtaa automaattisesti tarvitsemansa tykalun kesken tystn. [1] Kuvassa

2 on CNC (Computerized Numerical Control)-sorvi.

Kuva 2: Haas SL-30 CNC-sorvi. Kuvassa oikealla on sorvin ohjauspaneeli. Sorvin edess olevilla

polkimilla kytetn hydraulista istukkaa. Hydraulisen istukan ansiosta tystettv kappale pysyy

hyvin paikoillaan. Sorvi on koteloitu kauttaaltaan, jotta kytettv leikkuuneste ei psisi sorvin ulko-

puolelle. Kotelointi on mys turvallisuusseikka ja tyst ei voi aloittaa, mikli kuvassa keskell n-

kyv liukuovi on auki.

Sorveissa kytetn normaalisti sek X- ett Z-akseleita. Z-akseli on kappaleen pi-

tuussuunnan akseli ja X-akseli kappaleen halkaisijan suuntainen akseli. Tykalupidin

voi liikkua sek Z- ett X-akselin suuntaisesti. Sorveissa on mys mahdollista kyt-

t C- ja Y-akseleita. C-akseli on tykalun pyrintakseli ja Y-akseli on X-akselia

vastaan kohtisuorassa oleva akseli. [4] Kuvassa 3 on esitetty joitakin sorvin akseleita.

14

Kuva 3: Sorvin akselit. Kuvassa vasemmalla on akseleiden esitys tystettvn lierisymmetrisen kap-

paleen osalta ja oikealla koneen osalta. [6]

X- ja Z-akseleiden liikkeet on toteutettu servomoottoreilla. Servomoottorien akselit

pyrittvt kuularuuvia, joka koostuu ruuvitangosta sek mutterista. Kuularuuveja

kytetn pyrimisliikkeen muuttamiseksi lineaariliikkeeksi. Niit kytettess liu-

kukitkan sijasta vastustavana voimana on kuulien vierimiskitka, joka on oleellisesti

pienempi. Koska kitka on pieni, kierretanko ja mutteri lmpenevt vhemmn ja

lmplaajenemisen tuomat tarkkuusongelmat eivt ole niin suuria. [7] Kuularuuvin

toiminta on esitetty kuvassa 4.

Kuva 4: Kuularuuvijrjestelm. Kuvassa vasemmalla on moottori. Moottorin pss oleva metallin-

vrinen osa on anturin kotelo. Moottori on kytketty kierretankoon. Kierretangon keskell on kuula-

mutteri, joka liikuttaa kuvassa keskell nkyv osaa. Kuvassa oikealla on lineaarianturi, jolla mita-

taan paikkatietoa. [8]

Nykyn kytss olevat sorvit ovat suurimmaksi osaksi CNC-ohjattuja, koska nu-

meerinen ohjaus mahdollistaa suuremman tehokkuuden, monimutkaisemmat kappa-

leet sek paremman tarkkuuden ja toistettavuuden. [1]

CNC-sorveihin voidaan liitt monenlaisia lislaitteita, kuten esimerkiksi automaatti-

sia tykappaleenvaihtolaitteita, tykappaleen mittaukseen kytettvi laitteita sek

monenlaisia muita sorvausta avustavia tai automatisoivia laitteita.

15

CNC-sorveissa voidaan kytt mys pyrivi tykaluja, jotka laajentavat sorvin

kyttmahdollisuuksia paljon. Pyrivien tykalujen myt sorvien ja muiden tyst-

keskusten rajat ovat hmrtyneet, sill nill sorveilla voidaan tehd hyvin monimuo-

toisia kappaleita. [1]

1.2.2 Pysty- ja vaakakaraiset tystkeskukset

Tystkeskuksia on olemassa sek pystykaraisina ett vaakakaraisina. Pystykaraisis-

sa keskuksissa pyriv kara suorittaa Z-liikkeen ja liikkuva pyt X- sek Y-

liikkeen. Tllaiset tystkeskukset koostuvat rungosta, karasta sek pydst. Runko

on osa, johon kaikki muut osat on kiinnitetty. Kara on pyriv osa, johon kiinnitetn

tykalu. Pyt on koneen osa, johon kiinnitetn tystettv kappale ja joka liikkuu

sek X- ett Y-suunnissa. Nm lineaariset liikkeet on toteutettu kuten sorveissa.

Tystkeskuksissa kytetn usein mys automaattisia tykalunvaihtolaitteita. Ty-

kalunvaihtolaitteella saadaan tyst nopeutettua, sill usein tarvitaan monenlaisia

tykaluja yhden kappaleen valmistamiseen. Automaattinen tykalunvaihtolaite vaih-

taa tykalun nopeasti, eik tyst tarvitse keskeytt pitkksi aikaa. [1]

Pystykaraisiin tystkeskuksiin on saatavilla mys lisakseleita pyrpytien avulla.

Pyrpyt on laite, joka kiinnitetn tystkeskuksen varsinaiseen pytn ja joka

voi pyritt kappaletta koneen Z-akselin ympri tai kallistaa kappaletta Z-akseliin

nhden. [9] Kuvassa 5 on esitetty pyrpyt.

Kuva 5: Pyrpyt. Keskell oleva pyre osa on kohta, johon kappale kiinnitetn. Pyre osa voi

pyri ympri. Keskiosaa voidaan kallistaa haluttuun kulmaan. [5]

Vaakakaraiset tystkeskukset eroavat pystykaraisista siten, ett niiss pyriv ty-

kalu on vaakatasossa. Tykalu voi liikkua sek X- ett Y-akselien suuntaisesti ja

pyt voi liikkua Z-akselin suuntaisesti. Tllainen rakenne mahdollistaa kappaleen

tystmisen helposti monelta sivulta tai monen kappaleen tystmisen samalla kertaa

vaihtamatta kappaletta vlill. Kuvassa 6 on esitetty pystykaraisen tystkeskuksen

akselit ja kuvassa 7 vaakakaraisen.

16

Kuva 6: Pystykaraisen tystkeskuksen akselit [6].

Kuva 7: Vaakakaraisen tystkeskuksen akselit [6].

Vaakakaraisissa tystkeskuksissa on usein mys pyriv pyt. Tm mahdollistaa

kappaleiden monipuolisen tystmisen usealta sivulta samanaikaisesti. Pytn voi-

17

daan asettaa mys kappaleen kiinnitin, johon saa esimerkiksi 4 kappaletta kiinni sa-

manaikaisesti. Pyrivn pydn avulla voidaan siis tehostaa tuottavuutta huomatta-

vasti, sill yhden kappaleen sijasta voidaankin tyst useampia kappaleita vaihta-

matta aihiota vlill. Kuvassa 8 on esitetty pyrivll pydll varustetun vaakaka-

raisen tystkeskuksen akselit.

Kuva 8: Pyrivll pydll varustettu vaakakarainen tystkeskus. Pyt pyrii kuvaan merkityn B-

askelin ympri. [6]

1.3 Lastuaminen

Erilaisia lastuavia tysttapoja on useita. Tysttapa riippuu kytettvst koneesta,

tykalusta sek halutusta lopputuloksesta. Yhteist lastuaville tysttavoille on se,

ett vlill ter tai kappale pyrii vapaasti ja vlill ter ja kappale koskettavat toisi-

aan. Tern osuessa metalliin ter pyrittvien tai liikuttavien shkmoottorien py-

rimisnopeus ei saisi muuttua. Tmn vuoksi shkkoneiden nopeutta ja momenttia

on voitava ohjata mahdollisimman nopeasti, jotta muutokset eivt aiheuttaisi virheit

tystettvn kappaleeseen.

1.3.1 Sorvaus

Sorvaaminen on yleisimmin kytetty lastuava tystmenetelm. Noin 30 % lastua-

vista tystkoneista on sorveja. [1] Sorvattava kappale pyrii pituusakselinsa ympri

ja tystn kytettv tykalu liikkuu sek Z- ett X-akselin suunnassa. Tykalulla

poistetaan kappaleen pinnasta materiaalia, jotta saadaan haluttu muoto aikaiseksi. [1]

Sorvatessa lastun paksuus saattaa vaihdella paljonkin, mik vaikuttaa tarvittavan

momentin mrn sek akselimoottoreissa ett karamoottorissa. Sorvaamalla saa-

daan paras pyrhdyssymmetria lierimiseen kappaleeseen. Kuvassa 9 on esitetty

sorvaaminen.

18

Kuva 9: Sorvaus. Kuvassa taka-alalla on pyriv istukka. Istukassa on kiinni tystettv kappale.

Tykalu nkyy kuvassa vasemmalla.

1.3.2 Jyrsint ja avartaminen

Sorvaamisen ohella toinen trke tystmenetelm on jyrsint. Jyrsinnss kytetn

pyrivi tykaluja, joilla voidaan porata reiki, kierteitt reiki tai jyrsi kappalei-

den tasopintoja.

Jyrsint voidaan jakaa kahteen osaan lastuamistavan mukaan. Nit ovat kehjyrsint

ja otsajyrsint. Kehjyrsinnss jyrsimen akseli on tystpinnan suuntainen ja las-

tuaminen tapahtuu jyrsimen kehpinnan hampailla. Kehjyrsint kutsutaan mys

lierijyrsinnksi. Kuvassa 10 on esitetty sek otsajyrsinnn ett kehjyrsinnn peri-

aatteet. [6]

19

Kuva 10: Otsajyrsint a) sek kehjyrsint b) [6].

Jyrsiminen terpill on tyypillisint otsajyrsint. Siin lastuaminen tapahtuu jyrsi-

mell, jossa on leikkuusrmt sek lieripinnassa ett otsapinnassa. Lastuaminen

tapahtuu pasiassa lieripinnan srmill. Otsapinnan srmt suorittavat ainoastaan

tystpinnan tasauksen. Tss tystmenetelmss jyrsimen akseli on kohtisuorassa

tystpintaa vastaan. Otsajyrsint kytettess jyrsinkoneen rasitus on tasaisempi

kuin kehjyrsinnss ja lastuamisteho suurempi. Tmn vuoksi suuret tasopinnat

jyrsitn yleens otsajyrsintn. [6]

Kehjyrsint ja otsajyrsint voi molempia tehd joko vasta- tai mytjyrsintn.

Kehjyrsint on vastajyrsint, jos jyrsimen leikkuusrmn ja tystpinnan koske-

tuskohdassa tern pyrimissuunta on vastakkainen tykappaleen syttsuuntaan nh-

den. Kun jyrsimen leikkuusrmn ja tystpinnan kosketuskohdassa tern pyrimis-

suunta on sama kun kappaleen syttsuunta, on kyseess mytjyrsint. Mytjyrsin-

t kytettess jyrsimen hammas pyrkii vetmn kappaletta sytn suuntaan. Mi-

kli koneen siirtoruuvissa on vlyst, lastu saattaa tulla liian paksuksi ja kappale liik-

kuu nykyksittin. Tm saattaa vaurioittaa sek jyrsint ett konetta ja tystettv

kappale vaurioituu mys. Kuvassa 11 on esitetty myt- ja vastajyrsint kehjyrsin-

nss. [6]

Kuva 11: a) Myt- ja vastajyrsint b) lierijyrsinnss [6].

20

Otsajyrsint pyritn suorittamaan mytjyrsintn. Mikli koneessa on vlyst, jyr-

sint kannattaa kuitenkin tehd vastajyrsintn. Myt- ja vastajyrsint riippuu siit,

miten tykappale ja jyrsin on aseteltu keskenn. Jos tykappale ja jyrsin ovat sa-

mankeskeisi, tapahtuu tyst molemmilla tavoilla yht paljon. Kuvassa 12 on esitet-

ty otsajyrsint ja tytavasta riippuvaa lastunpaksuutta.

Kuva 12: Otsajyrsint a) yht paljon myt- ja vastajyrsint b) enemmn vastajyrsint [6].

Kuvan 12 mukaisesti lastun paksuus vaihtelee tykappaleen ja jyrsimen keskinisen

sijainnin mukaan. Jos jyrsin on keskell kappaletta, lastun paksuus vaihtelee. Lastu

on paksuimmillaan jyrsimen keskin halkaisijalla ja pienimmilln tykappaleen

reunoilla. Mikli tern halkaisija D on vhintn 1,4 kertaa kappaleen leveys B, las-

tun paksuus on lhes vakio koko leikkuun ajan. [6]

Jyrsiminen on lastuavan tystn menetelmist kaikkein monipuolisin, koska sill

saadaan tehty mys lieripintoja. Jyrsinnll saavutettava radiaalinen tarkkuus ei

kuitenkaan yll parhaiden sorvattujen muotojen tasolle.

1.4 Tyn tavoite ja rajaus

Tyss tarkastellaan NC-ohjattujen terll lastuavien tystkoneiden elektroniikkaa

sek ohjausta. Elektroniikan osalta keskitytn lhinn koneissa kytettviin shk-

moottoreihin ja moottorien ohjaukseen. Lisksi ksitelln koneiden ohjausta ja oh-

jelmointia. Ty keskittyy lhinn lastuavien tystkeskusten elektroniikkaan ja ohja-

ukseen, mutta kattaa samalla hyvin mys NC-sorvit, sill niiden eroavaisuudet ovat

hyvin pieni.

On olemassa hyvin monia yrityksi jotka valmistavat tystkeskuksia sek sorveja.

Koneissa on eroavaisuuksia, joista suurimpana kyttjlle nkyvt kyttliittymn ja

ohjelmoinnin erot.

Tyn yhten tavoitteena on selvitt minklaista elektroniikkaa ja ohjausta NC-

tystkeskuksissa kytetn sek selvitt tystkoneiden ohjelmointia. Toisena ta-

voitteena on selvitt erimerkkisten lastuavien tystkeskusten kyttjystvllisyyt-

t ja yhteensopivuutta keskenn kyselytutkimuksen avulla. Kyttjtutkimuksella

selvitetn mys tystkoneiden hankintaan vaikuttavia tekijit.

21

2. TYSTKESKUSTEN SHKISET OSAT

Nykyaikaisissa lastuavissa tystkoneissa on paljon elektroniikkaa. Koska tystko-

neiden toimintaideana on liikutella tystettv kappaletta ja tykalua sopivasti kes-

kenn, ovat erilaiset shkmoottorit sek niiden ohjauselektroniikka hyvin trkeit.

Lastuavien tystkoneiden trkeimmt elektroniset osat ovat karamoottori, akseleita

liikuttavat moottorit sek moottoreita syttvt suuntaajat ja niiden ohjauselektro-

niikka. Lisksi tystkoneissa on ohjauspaneeli, jonka kautta koneen eri elektroniset

jrjestelmt kytkeytyvt toisiinsa ja joilla konetta ohjataan. Kuvassa 13 on esitetty

Fanucin elektroniikan lohkokaavio.

Kuva 13: Fanuc-ohjauksen lohkokaavio [10].

2.1 Lastuavissa tystkoneissa kytettvt moottorit

Tystkeskuksissa tarvitaan shkmoottoreita sek liikuttamaan X-, Y- ja Z-akseleita

ett pyrittmn karaa. Sorveissa moottoreita taas tarvitaan pyrittmn karapylk-

kn kiinnitetty istukkaa sek liikuttamaan tykalupidint Z- ja X-akselien suuntai-

sesti. Lisksi moottoreita tarvitaan mys automaattisiin tykalunvaihtolaitteisiin,

lastunkuljettimiin sek muihin mahdollisiin lislaitteisiin.

22

Pyrivt shkmoottorit koostuvat yleens staattorista sek roottorista. Staattori on

putkimainen paikallaan pysyv osa, jonka sisll roottori pyrii. Roottori on kiinni-

tetty koneen akseliin, joka puolestaan on laakeroitu laakerikilpiin tai laakeripukkei-

hin riippuen moottorin koosta. Laakerikilpi on kiinnitetty koneen runkoon, kun taas

suurissa koneissa kytetyt laakeripukit kiinnitetn alustan vlityksell koneeseen.

Erityyppisill moottoreilla on erilainen toimintatapa ja joitakin muita osia, mutta

nm perusosat lytyvt jokaisesta pyrivst shkmoottorista. [11]

Roottori, staattori sek niiden vliin jv ilmavli muodostavat shkmoottorin

magneettipiirin. Magneettikentn vaihtelu joissakin moottorin osissa indusoi mootto-

riin pyrrevirtoja, joiden seurauksena moottoreissa syntyy pyrrevirtahviit. Nit

hviit voidaan pienent tekemll magneettisesti aktiiviset koneen osat laminoi-

malla ohuista rautalevyist. Tm katkaisee pyrrevirtojen kulkureitin, mik johtaa

hviiden pienenemiseen. [11]

Moottorit voidaan jakaa tasavirtamoottoreihin ja vaihtovirtamoottoreihin. DC-

moottoreita on saatavilla sek harjallisina ett harjattomina. Lisksi DC-moottoreita

on olemassa joko kestomagneettistaattorilla tai staattorikmityksell varustettuina.

AC-moottorit voidaan jakaa kahteen ryhmn: eptahtikoneisiin sek tahtikoneisiin.

Eptahtikoneita on olemassa kahdenlaisia: oikosulkukoneita sek liukurengaskoneita.

[11]

Harjalliset tasavirtamoottorit olivat pitkn valta-asemassa sdettviss shkmoot-

torikytiss, sill niit on helppo ohjata, kuten yhtlist 2.1 ja 2.2 huomataan. [12]

DC-moottorin kulmanopeus on suoraan verrannollinen jnnitteeseen yhtln 2.1 mu-

kaisesti

k

IRU aaaDC

, (2.1)

miss Ua on ankkurijnnite, Ra ankkuriresistanssi, Ia ankkuri virta sek k moottorin

vuokerroin. [13]

Tasavirtamoottorin vntmomentti puolestaan on suoraan verrannollinen virtaan

yhtln 2.2 mukaisesti

KIT am , (2.2)

miss K on moottorikohtainen konevakio ja on ilmavlivuo. [14]

Aikaisemmin tarkkaa nopeudenst tarvittaessa kytettiin yleens tasavirtamootto-

reita, joita sytettiin sdettvll tyristoritasasuuntaajalla. Tasavirtamoottorit ovat

kuitenkin ongelmallisia varsinkin teollisuusympristss, sill niiss oleva kommu-

taattori vaatii puhdistamista aika ajoin ja kommutaattorin hiiliharjoja on vaihdettava

vlill. Lisksi tasavirtamoottorin kommutaattori saattaa kipinid, mik voi aiheut-

23

taa rjhdysvaaran, mikli lhistll kytetn rjhtvi kaasuja. Aiemmin ei kui-

tenkaan ollut juuri vaihtoehtoja, mikli tarvittiin tarkasti sdettv moottorikytt.

[12]

Tehoelektroniikkakomponenttien kehittyminen 80-luvun alussa mahdollisti taajuus-

muuttajien rakentamisen. Tm on johtanut siihen, ett vaihtovirtamoottoreiden oh-

jaamisen tarkkuus on nykyn samalla tasolla tasavirtamoottoreiden kanssa. [15]

Tystkeskuksissa ja sorveissa kytettvt akseleita liikuttavat moottorit ovat yleen-

s servomoottoreita. Nykyn servomoottoreina kytetn useimmiten kestomag-

neettiroottorilla varustettuja tahtikoneita. Servojrjestelmksi kutsutaan jrjestelm,

jonka tehtvn on st dynaamisessa tilanteessa mekaanista suuretta kuten esi-

merkiksi vntmomenttia, nopeutta, voimaa, kiihtyvyytt tai asentoa. Lastuavien

tystkoneiden servojrjestelmn kuuluu siis moottori, sit ohjaava servovahvistin

ja servo-ohjain sek antureita, jotka mittaavat moottorin tilaa ja vlittvt tiedon ser-

vovahvistimelle tai servo-ohjaimelle. [16] Kuvassa 14 on esitetty servojrjestelmn

lohkokaavio.

Kuva 14: Servojrjestelmn lohkokaavio. Moottorilta tulee tietoa sek nopeudesta ett asemasta.

Nit tietoja vertaillaan ohjearvoihin ja lasketaan tarvittavat jnnitteet ja virrat, jotka moottorille

tulee sytt.

Kuvassa 15 on esitetty kestomagneettitahtikoneen halkileikkaus. Kuvassa nkyy

mys servomoottoreissa oleva anturi. Anturilla mitataan moottorin pyrimisnopeutta

ja asentoa.

24

Kuva 15: Servomoottorin halkileikkaus [17].

Viime vuosina kestomagneettimateriaalien kehitys on mahdollistanut pienten tahti-

moottorien tekemisen. Servomoottorit ovat usein tahtikoneita, joiden roottorissa on

kytetty hyvin magneettisia materiaaleja kuten neodyymi. Uudet magneettiset mate-

riaalit mahdollistavat pienet tahtimoottorit, koska roottoria ei tarvitse en magnetoi-

da virralla. Virralla magnetoidut tahtimoottorit ovat yleens hyvin suuria ja niit on-

kin perinteisesti kytetty suuria tehoja vaativissa shkkytiss. Kestomagnetoidun

tahtimoottorin etuna on mys parempi hytysuhde. Hyv hytysuhde perustuu sii-

hen, ett koska roottoria ei tarvitse magnetoida virralla, ei roottorissa tapahdu mys-

kn hviit. Tm mahdollistaa mys koneen koon pienentmisen, koska jhdy-

tyspinta-alaa ei tarvita niin paljoa hukkatehon ollessa pienempi. [18]

Lhes kaikki valmistajat kyttvt nykyn tystkeskuksissa AC-servomoottoreita

X-, Y- ja Z-akselien liikuttamiseen ja oikosulkumoottoria karan pyrittmiseen. Sor-

veissa kytetn oikosulkumoottoria pyrittmn istukkaa ja AC-servomoottoreita

liikuttamaan X- ja Z-akseleita. Joissain vanhoissa konemalleissa Haas on kyttnyt

mys DC-servomoottoreita, mutta niiden laajempi ksittely jtetn tmn tyn ul-

kopuolelle. [19]

Oikosulkukoneiden etuna tasavirtakoneisiin nhden on se, ett niiden rakenne on

yksinkertainen ja luja. Ne vaativat vhn huoltoa ja ovat edullisia. Oikosulkukoneet

tarvitsevat valitettavasti loistehoa ja niiden staattorissa syntyy loistehoa. Lisksi oi-

kosulkukoneiden ohjaamiseen kytettv elektroniikka on jonkin verran mutkik-

kaampaa kuin tasavirtakoneiden ohjaimissa. [20]

2.1.1 Oikosulkukone

Oikosulkukone on vaihtovirtamoottori, jossa on kmitykset sek staattorissa ett

roottorissa. Staattorikmitykseen sytetn virtaa suoraan johteiden avulla, mutta

roottorikmitykseen virta syntyy shkmagneettisen induktion ansiosta. Koska

25

moottori toimii induktiolla, kutsutaan sit mys induktiomoottoriksi. Oikosulkukone

on periaatteeltaan eptahtikone, sill se ei pyri verkon mrmll tahtinopeudella

kuten tahtikone. [20]

Staattorikmitys synnytt kiertokentksi kutsutun pyrivn magneettikentn, johon

moottorin toiminta perustuu. Koneen roottorin ollessa paikoillaan magneettikentt

leikkaa roottorikmityksen johtimia ja indusoi niihin shkmotorisen voiman. Kos-

ka roottorikmityksen muodostama virtapiiri on suljettu, syntyy siihen virtoja kuten

oikosuljetun muuntajan toisiokmiin. Indusoituneet virrat pyrkivt vastustamaan

magneettikentn pyrimist roottoriin nhden. Tmn takia roottoriin kohdistuu

vntmomentti, joka pyritt moottoria staattorikentn suuntaan. [20]

Kun roottorin pyrimisnopeus kasvaa, pyrivn magneettikentn ja roottorin nopeus-

ero pienenee. Samalla roottoriin indusoituva virta pienenee mys. Roottorin nopeus

kiihtyy, kunnes moottorin kehittm vntmomentti on samansuuruinen akselilla

vaikuttavan momentin kanssa. Roottorin pyriess tahtinopeudella magneettikentt

ei leikkaa staattorikmityksen johtimia lainkaan, jolloin roottoriin ei myskn in-

dusoidu virtaa. [20]

Kun oikosulkukoneen staattorikmitykseen kytketn jnnite, koneeseen syntyy

staattoriin nhden tahtinopeudella pyriv magneettikentt. Yhtlss 2.3 on esitetty

magneettikentn tahtikulmanopeus shkkulmanopeutena

f 2 , (2.3)

miss f on syttvn verkon taajuus. Koneen napapariluvun ollessa p kiertokentn

geometrinen kulmanopeus saadaan yhtlst 2.4

p

. (2.4)

Kiertokentn pyrimisnopeus, jota kutsutaan tahtinopeudeksi, saadaan yhtlst 2.5

p

fns

2. (2.5)

Roottorin pyrimisnopeuden ollessa n saadaan sen geometrinen kulmanopeus yht-

lst 2.6

nm 2 . (2.6)

26

Roottorin shkkulmanopeus saadaan puolestaan yhtlst 2.7

mm p . (2.7)

Tahtinopeuden sek roottorin nopeuden erotusta kutsutaan jttmksi. Jttm saa-

daan yhtln 2.8 avulla

m

s

sm

n

nns

. (2.8)

Roottorin kulmanopeus voidaan esitt jttmn avulla yhtln 2.9 mukaisesti

sm 1 . (2.9)

Staattorissa syntyvn magneettikentn shkkulmanopeus roottoriin nhden saadaan

yhtlst 2.10

smr , (2.10)

miss r on roottorikmitykseen indusoituvien virtojen ja jnnitteiden kulmataa-juus, jota kutsutaan jttmkulmataajuudeksi. Roottorivirtojen taajuutta kutsutaan

jttmtaajuudeksi. Jttmtaajuus saadaan yhtlst 2.11

sff r . (2.11)

Roottorivirtojen kulmataajuuden ollessa fr roottori synnytt kiertokentn, jonka

kulmanopeus roottoriin nhden on r. Roottorin virrat muodostavat shkmagneetin, joka pyrii roottorin suhteen roottorivirtojen tahdissa. Roottorin synnyttmn kentn

kulmanopeus staattoriin nhden saadaan yhtlst 2.12

)1( ssmr . (2.12)

Tm kulmanopeus on yhtln (2.3 s. 25) osoittama nopeus eli tahtinopeus. Pysyvs-

s tilassa roottorin ja staattorin synnyttmt kentt pyrivt siis tahdissa. [20]

27

Kuten yhtlst (2.4 s. 25) huomataan, moottorin pyrimisnopeus riippuu napapari-

luvusta p. Mit enemmn koneessa on napoja, sit hitaammin se pyrii. Mikli ko-

neessa on enemmn kuin kaksi napaa, on se kuitenkin periaatteessa samanlainen kuin

kaksinapainen kone. Staattorikeh voidaan jakaa osioihin, joista jokainen on saman-

lainen kuin kaksinapaisen koneen staattorikeh ja osioita on p kappaletta. Kuvassa 16

on esitetty 4-napaisen 3-vaiheisen oikosulkumoottorin staattorikehn jakaminen alu-

eisiin. [20]

Kuva 16: 4-napaisen 3-vaiheisen oikosulkumoottorin napajako [20].

Kuvassa 16 oleva p on napajako ja v vyhykejako. Kuvassa 17 on esitetty 4-

napaisen 3-vaiheisen oikosulkumoottorin magneettikentt tyhjkynniss. [20]

Kuva 17: 4-napaisen 3-vaiheisen oikosulkumoottorin magneettikentn vuoviivat tyhjkynniss [20].

28

Staattorin kolmivaihevirta voidaan esitt avaruusvektorilla. Avaruusvektorit ovat

kompleksimuuttujia, joilla kolmivaihejrjestelmn kaikkien vaiheiden suureita voi-

daan mallintaa samanaikaisesti. Avaruusvektori voidaan mritell yhtln 2.13 mu-

kaisesti

)()()( tjss etiti , (2.13)

miss is(t) on virran itseisarvo ja (t) virran suunta. [20]

Kun kmiss kulkee virta, se aiheuttaa ilmavlin lvistvn pvuon lisksi mys

muita vuokomponentteja, mitk sisltyvt kmityksen kokonaisvuohon. Nm vuo-

komponentit voidaan ilmoittaa staattorin hajainduktanssin Ls, sek roottorin hajain-

duktanssin Lr avulla. Yhtliss 2.14 ja 2.15 on esitetty staattorin ja roottorin haja-

vuot vektoreina

sss iL , (2.14)

rrr iL . (2.15)

Sek staattorissa ett roottorissa kokonaiskmivuot muodostuvat pvuon ja haja-

vuon summasta. Yhtliss 2.16 ja 2.17 on esitetty staattorin ja roottorin kokonais-

kmivuot

rsmsshss iiLiL , (2.16)

rsmsrhrr iiLiL . (2.17)

Yhtliss 2.16 ja 2.17 esiintyv Lm on yhtln 2.18 antama magnetointi-induktanssi

hse

mp

NL

242

32

, (2.18)

miss Nse on vaihekmin ekvivalenttinen kierrosluku ja h ilmavlin permeanssi. Ekvivalenttinen kierrosluku Nse ottaa huomioon kmitystavasta riippuvia vaihteluita

kmin ominaisuuksissa. [20]

Yhtlss 2.19 esitetty staattorivirran ja roottorivirran summaa kutsutaan koneen

magnetointivirraksi.

29

rsm iii . (2.19)

Magnetointivirta synnytt koneen ilmavliin pvuon joka on

mmh iL . (2.20)

Staattorin ja roottorin itseinduktanssit on mritelty yhtliss 2.21 ja 2.22

mss LLL , (2.21)

mrr LLL , (2.22)

Itseinduktanssin avulla ilmoitettu staattorin vuoyhtl on

rmsss iLiL , (2.23)

ja roottorin vuoyhtl puolestaan

rrsmr iLiL . (2.24)

Staattorin jnniteyhtl kulmanopeudella k pyrivss koordinaatistossa on esitetty yhtlss 2.25

ksk

k

sk

ss

k

s jdt

diRu

. (2.25)

Roottorin pyriess shkkulmanopeudella m ja koordinaatiston kulmanopeudella

k koordinaatisto pyrii roottoriin nhden kulmanopeudella k-m. Tllin roottorin jnniteyhtl koordinaatistossa k on [20]

k

rmk

k

rk

rr

k

r jdt

diRu

)( . (2.26)

30

Kuvassa 18 on esitetty oikosulkukoneen dynaamisen tilan sijaiskytkent kulmataa-

juudella k pyrivss koordinaatistossa.

Kuva 18: Oikosulkukoneen dynaamisen tilan sijaiskytkent [20].

Oikosulkukoneen vntmomentti on

** Im2

3Im

2

3shshe ipipT , (2.27)

miss *h on yhtln (2.20, s. 29) esittmn pvuon kompleksikonjugaatti ja *

si

staattorivirran kompleksikonjugaatti. Vntmomentti voidaan laskea mys yhtln

2.28 avulla ilmavlitehosta sek yhtln (2.4, s. 25) geometrisesta kulmanopeudesta

she ipp

PT *Im

2

3

. (2.28)

Oikosulkumoottorin liikeyhtl on

Lm

e Tdt

d

p

JT

, (2.29)

miss J on hitausmomentti ja TL koneen akselilla olevan kuorman aiheuttama vasta-

momentti. [20]

Kun liikeyhtln 2.29 sijoitetaan shkmagneettisen vntmomentin yhtl 2.28,

saadaan vntmomentti johdettua yhtln 2.30 osoittamaan muotoon

31

srr

me i

L

LpT *Im

2

3 . (2.30)

Kuvassa 19 on esitetty eptahtikoneen vntmomenttikyr taajuusmuuttajakyts-

s. Moottorin nimellispyrimisnopeuteen asti vntmomentti on vakio. Nimellisno-

peutta suuremmilla nopeuksilla moottori on vakiotehoalueella, jota kutsutaan mys

kentnheikennysalueeksi.

Kuva 19: Oikosulkukoneen vntmomenttikyr taajuusmuuttajakytss [21].

Koska moottorista saadaan suurin vntmomentti lhell tahtinopeutta, on mootto-

rin vntmomenttikyr erilainen, jos moottoria kytetn vakiotaajuudella. Kuvas-

sa 20 on esitetty moottorin vntmomenttikyr vakiotaajuuskytss.

32

Kuva 20: Oikosulkumoottorin vntmomentti jttmkulmataajuudenfunktiona [20].

Tystss tarvittavat nopeudet ovat usein suuria ja moottoreita kytetn usein ken-

tnheikennysalueella.

2.1.2 Kestomagneettitahtikone

Tahtikone on saanut nimens siit, ett sen roottori pyrii staattoriin sytetyn vaihto-

virran muodostaman magneettikentn nopeudella eli tahtinopeudella. Tahtikoneen

staattorissa on monivaiheinen kmitys, joka on yleens kolmivaiheinen. Roottorin

magnetointi voidaan tehd joko kmityksell tai kestomagneeteilla. Tahtikone on

siis periaatteessa kuin nurinpin knnetty tasavirtakone. [22]

Suurehkoissa tahtimoottoreissa kytetn usein roottorissa kmityst, kun taas pie-

niss kytetn kestomagneetteja. Pienitehoisia kestomagneettitahtikoneita kytetn

servoina. Kestomagneettitahtikoneet tarjoavat paremman hytysuhteen ja suurem-

man momentin kuin oikosulkukoneet. Kuvassa 21 on esitetty Yaskawa Electronics:in

valmistama kestomagneettitahtiservomoottori.

33

Kuva 21: Yaskawa Electronics:in valmistama servomoottori.

Tahtikoneen staattori on periaatteessa samanlainen kun eptahtikoneen staattori.

Kestomagneettitahtikoneen roottorissa kytettvt magneetit voidaan asetella joko

roottorin plle tai roottorin sisn. Magneettien sijoittelu muuttaa merkittvsti

moottorien ominaisuuksia.

Mikli magneetit asetetaan roottorin pinnalle, koneella on hyvin suuri efektiivinen

ilmavli, sill kestomagneettimateriaalien permeabiliteetti on lhell ilman per-

meabiliteettia 0. Tllaisella rakenteella koneen magnetoitumisinduktanssi on tavalli-sesti melko pieni, joten mahdollisuudet vaikuttaa koneen magneettiseen tilaan staat-

torista ksin ovat huonot. Pintamagnetoidun koneen staattorikmityksen magnetoin-

ti-induktanssi saadaan johdettua yhtlst 2.18 muotoon

p

dl

lp

NL e

mef

se

m

02

242

3, (2.31)

miss d on ilmavlihalkaisija, le rautasydmen aksiaalinen pituus, lm magneetin s-

teensuuntainen paksuus ja ef on tehollinen ilmavli. Pienest magnetointi-induktanssista johtuen ankkurireaktio on pieni. Pienen ankkurireaktion ansiosta ko-

neen vntmomentin st on helppoa, sill momentti on suoraan verrannollinen

staattorivirtaan myhemmin annettavan yhtln (2.41 s. 35) mukaisesti. Kuvassa 22

a) on esitetty pintamagneettikoneen poikkileikkaus sek kuvassa 22 b) ilmavlin

magneettijnnite ja sen perusaalto. [20]

34

Kuva 22: Pintamagneettikoneen poikkileikkaus sek ilmavlin magneettijnnite ja sen perusaalto

[20].

Kestomagneettiroottorillisen tahtikoneen staattorin jnniteyhtl on

sms

sss jdt

diRu

, (2.32)

miss s on staattorin kmivuo. Yhtl on kirjoitettu koordinaatistossa, jossa root-

tori on paikoillaan. Staattorin kmivuo saadaan yhtlst 2.33

PMsds iL , (2.33)

miss PM on kestomagneettien synnyttm kmivuo. Jos koordinaatiston reaaliak-

seli valitaan kestomagneettien suuntaisesti, PM on reaalisuure. [20]

Staattorin jnniteyhtl esitetn usein reaali- ja imaginrikomponenttien avulla

yhtliden 2.34 ja 2.35 tapaan

qmd

dsddt

diRu

, (2.34)

dmq

qsqdt

diRu

. (2.35)

35

Staattorin kmivuo voidaan mys esitt komponenttimuodossa. Yhtlss 2.36 on

esitetty staattorin kmivuon reaalikomponentti ja yhtlss 2.37 sen imaginri-

komponentti

PMddd iL , (2.36)

qqq iL . (2.37)

Nin d-akselin kmivuo muodostuu siis sek magneettien aiheuttamasta

kmivuosta PM ett pitkittisest tahti-induktanssista Ld. Staattorikmityksen induktanssi on q-akselia vastaan kohtisuorassa eik kestomagneettien kmivuo

vaikuta siihen. [20]

Tahtikoneen vntmomentti voidaan laskea yhtlll 2.38

sse ipT *Im2

3 . (2.38)

Kun thn sijoitetaan vuo ja virta komponenttimuodossa, pstn muotoon

dqqde iipT 2

3. (2.39)

Sijoittamalla yhtln 2.39 yhtliden 2.36 sek 2.37 kmivuot lausuttuna induk-

tanssien ja virtojen avulla pstn yhtln 2.40 osoittamaan muotoon

qdqdqPMe iiLLipT )(2

3 , (2.40)

joka on kestomagneettiroottorillisen tahtikoneen vntmomentti. Pintamagneetti-

moottoreissa pitkittis- ja poikittaisinduktanssit ovat lhes yht suuret, joten yhtls-

s 2.40 esiintyv termi Ld - Lq voidaan merkit nollaksi. Nyt pintamagneettimoottorin

vntmomentin lauseke yksinkertaistuu yhtln 2.41 mukaiseksi [20]

qPMe ipT 2

3 . (2.41)

Kestomagneettitahtikoneiden roottorimagneetteina kytettvill magneeteilla on ol-

tava suuri remanenssivuontiheys Br sek koersitiivikentnvoimakkuus Hc. Rema-

36

nenssivuontiheys mr, kuinka suuren magneettivuontiheyden magneetti voi mak-

simissaan tuottaa. Koersitiivikentnvoimakkuus kertoo, kuinka hyvin magneetti pit

magneettisuutensa, kun se altistetaan vastakkaissuuntaiselle magneettikentlle. Ni-

den lisksi magneettien yksi trkeimmist ominaisuuksista moottorikytss on

energiatulon maksimi BHmax. Energiatulon maksimi mr tarvittavan magneettima-

teriaalin mrn, joten mit suurempi energiatulon maksimi on, sit vhemmn mag-

neettimateriaalia tarvitaan. [20]

Kestomagneettitahtikoneen roottorissa kytetn neodyymi-rauta-boori- (NdFeB)

magneetteja. Muita vaihtoehtoja ovat esimerkiksi koboltti-samarium (CoSm), alu-

miini-nikkeli-koboltti (AlNiCo) sek ferriittimateriaalit. [12]

Ferriittimagneetit ovat edullisia, mutta niiden koersitiivikentnvoimakkuus ja rema-

nenssivuontiheys ovat melko huonot. Alumiini-nikkeli-koboltti-magneettien huono

ominaisuus on niiden pieni koersitiivikentnvoimakkuus. Koboltti-samarium-

magneeteilla on puolestaan hyv koersitiivikentnvoimakkuus ja korkea remanenssi-

vuontiheys. Ne kyttytyvt lineaarisesti ja niiden energiatulon maksimi on suuri.

Koboltti-samarium-magneettien ongelmana on kuitenkin samariumin korkea hinta.

[12]

Neodyymi-rauta-boori-magneeteilla on suurin Hc, Br sek energiatulon maksimi.

Niiden ongelmana on kuitenkin varsin pieni lmptilan kesto (150 C) sek se, ett

ne hapettuvat ja tarvitsevat siksi pllysteen. [12]

Kuvassa 23 on esitetty magneettisten materiaalien remanenssivuontiheys B sek ko-

ersitiivikentnvoimakkuus H. Kuvaan merkityt materiaalit ovat: 1. AlNiCo, 2. ferriit-

ti, 3. samarium-koboltti, 4. neodyymi-rauta-boori.

Kuva 23: Magneettisten materiaalien remanenssivuontiheys sek koersitiivikentnvoimakkuus [20].

37

Nykyisiss kestomagneettitahtimoottoreissa kytetn yleisimmin neodyymi-rauta-

boori-magneetteja, sill niiden avulla moottoreista saadaan pieni ja tehokkaita. Haas

Automation Inc. kytt tystkeskuksissaan muun muassa Yaskawan valmistamia

servomoottoreita. [19] Fanuc valmistaa kyttmns moottorit itse. Fanucin valmis-

tamat moottorit ovat periaatteeltaan samanlaisia kuin esimerkiksi Yaskawan valmis-

tamat moottorit.

Kestomagneettitahtikoneiden etuna oikosulkumoottoreihin verrattuna on se, ett niis-

t saadaan tyypillisesti suurempi vntmomentti kuin oikosulkumoottoreista. Lisk-

si kestomagneettitahtikoneiden hytysuhde on korkea, sill niiden roottorissa ei kulje

virtaa, joten roottorissa ei myskn synny hviit.

Kuvassa 24 on esitetty Yaskawa SGMGH-13D-moottorin vntmomenttikyr.

Kuten kuvasta nhdn, vntmomentti on vakio nimellisnopeuteen asti. Nimellis-

nopeuden ylpuolella vntmomentti laskee. Kuvan 24 kyr A esitt moottorin

vntmomenttia, joka voidaan saavuttaa jatkuvassa kytss ja kyr B vntmo-

menttia, joka voidaan saavuttaa hetkellisell ylikuormituksella.

Kuva 24: Yaskawan valmistaman SGMGH-13D-kestomagneettiroottoritahtikoneen vntmomentti-

kyrt A) jatkuvassa kytss B) hetkellisen ylikuormituksen aikana [23].

Servomoottorit eroavat tavallisista moottoreista momenttiominaisuuksiensa puolesta.

Normaalit moottorit on mitoitettu jatkuvaa kytt ajatellen, joten niiss on ainoas-

taan pieni ylikuormitusvara. Servomoottorit on suunniteltu niin, ett niist on mah-

dollista saada hetkellisesti jopa 3-10 -kertainen momentti verrattuna nimellismo-

menttiin. Servomoottorien roottorin hitausmomentti pyritn mys tekemn mah-

dollisimman pieneksi, jotta kiihtyvyys ja hidastuvuus saataisiin mahdollisimman

suuriksi. [24]

38

Servomoottoreissa on sisnrakennettuja antureita, joilla mitataan moottorin asentoa

sek nopeutta. Virtatakaisinkytkent saadaan suoraan vaihtosuuntaajan jlkeen ser-

vovahvistimesta. [17]

2.2 Koneen ohjaus

Tystkoneiden ohjaaminen tapahtuu esimerkiksi ohjausyksikn vlityksell. Ohja-

usyksikk muuttaa kyttjn antamat komennot moottorien ohjauslaitteiden ohjear-

voiksi. Tystkoneita voidaan ohjata mys tietokoneen vlityksell. Manuaalisorvien

muuttaminen tietokoneohjatuksi onnistuu esimerkiksi jlkikteen asennettavilla

moottoreilla ja tietokoneeseen asennettavalla ohjelmistolla. [25]

Tystkoneen ohjausjrjestelm koostuu ohjauspaneelista, servo-ohjaimista, kara-

moottorin vektoriohjaimesta sek moottoreista.

2.2.1 Tietokoneohjaus

Manuaalisiin tystkoneisiin on saatavilla jlkiasenteisia tietokoneohjauksia. Tys-

tkeskuksiin voidaan asentaa servomoottorit ohjaamaan koneen akseleita. Servo-

moottorien ohjaimet kytketn tietokoneeseen, jossa on ohjelma niiden ohjaamiseksi.

2.2.2 Ohjauspaneelit

NC-tystkeskuksissa ja sorveissa on ohjauspaneelit, joiden kautta konetta ohjataan.

Ohjauspaneeli koostuu laitteistosta sek ohjelmistosta. Laitteisto koostuu muisteista,

prosessorista, nytst, nppimistst sek niit yhdistvst elektroniikasta. Ohja-

uspaneeliin kuuluu mys systeemiohjelmisto, jonka vlityksell laitetta voidaan kyt-

t. [26]

Systeemiohjelmiston tarkoitus on antaa mikrotietokoneelle ohjeet NC-tystkoneen

toimintojen toteuttamiseksi. Systeemiohjelmisto siis muuttaa kyttjn antamat ko-

mennot laitteiston liikkeiksi ja toiminnoiksi. Systeemiohjelmiston muokkaaminen

mahdollistaa saman ohjausyksikn kyttmisen useanlaisissa tystkoneissa. Esi-

merkiksi Haas Automation Inc. kytt kaikissa tystkoneissaan hyvin samanlaista

ohjausyksikk. Konemallista riippuen ohjausyksikn systeemiohjelma on kuitenkin

hieman erilainen. Mys nppimistn nppinten toiminnot poikkeavat toisistaan eri

konemalleissa jonkin verran. Kuvassa 25 on esitetty esimerkkin Haas VM3 tyst-

keskuksen ohjauspaneeli.

39

Kuva 25: Haas VM3 pystykaraisen tystkeskuksen ohjauspaneeli. Oikealla alhaalla on nppimist,

joka sislt kirjain- ja numeronppimet koodin kirjoittamiseen sek nppimi valikoissa liikkumi-

seen ja koneen toimintatilan valitsemiseen. Vasemmalla keskell olevalla pyrell osalla voidaan

liikuttaa joko akseleita tai liikkua valikoissa.

Ohjauspaneeleissa on yleens USB-, RJ45- sek RS-232-liitnnt, joiden kautta ko-

neen muistiin voidaan siirt ohjelmia sek tykalujen tietoja tai pivitt koneen

systeemiohjelmisto.

Erimerkkisten ohjauksien ohjauspaneelit ovat periaatteeltaan samanlaisia, mutta niis-

s on suuria eroja etenkin systeemiohjelmistossa. Fanucin eri ohjaukset on julkaistu

sarjoina. Sarjojen sisll eri ohjaukset ovat melko samanlaisia, mutta sarjojen kesken

vaihtelua on melko paljon. Fanuc kytt joistain ohjauksissaan Open CNC-

nimityst. Open CNC-ohjaukset on rakennettu Windows CE:n tai Windows XP:n

pohjalta ja ohjauspaneeli muistuttaakin paljon tietokonetta.

40

2.3 Aikavakiot

Kun moottoria halutaan kytt jollakin tietyll nopeudella tai pyritt sit jonkin

tietyn verran kierroksia, tytyy moottori ensin kynnist. Moottorin kynnistminen

vie aina aikaa ja moottorin nopeus nousee haluttuun arvoon jollakin kiihtyvyydell.

Moottorin kynnistmiseen liittyy monia aikavakioita. Ensinnkin aikaa kuluu, kun

ohjaussignaali lhetetn ohjauspaneelista servo-ohjaimelle ja siit edelleen servo-

vahvistimelle. Lisksi moottorilla on hitausmassaa, joka pit saada liikkeelle. Kes-

t aikansa, ennen kuin moottorin akseli alkaa pyri jnnitteen kytkemisen jlkeen.

Moottorin kiihtyvyyteen vaikuttavat sen akselin massa sek akselilla oleva kuorma.

Lisksi kiihtyvyyteen vaikuttavat mys moottorin muut ominaisuudet kuten rakenne.

Moottorin liikeyhtlst (2.29 s. 30) ratkaistu aika t on esitetty yhtlss 2.42

d

TT

Jt

Le

, (2.42)

miss Te on moottorin vntmomentti, J hitausmomentti ja TL kuorman vastamo-

mentti. Yhtl 2.42 kytettess hitausmomentti J sislt sek moottorin oman

hitausmomentin ett kuorman aiheuttaman hitausmomentin redusoituna moottorin

akselille. [27]

Kuorman ollessa kuularuuvilla liikkuva pyt voidaan kuorman hitausmomentti ja-

kaa kahteen osaan: kuularuuvin liikuttaman massan hitausmomenttiin ja kuularuuvin

aiheuttamaan hitausmomenttiin. Yhtlss 2.43 on esitetty pydn ja sen pll ole-

van massan vaikutus hitausmomenttiin

22

12

1

2

nLg

FA

g

FJ

, (2.43)

miss F on pydn ja kappaleen yhteenlaskettu paino [14], A on mutterin liikkuma

matka kierroksen aikana [13], Ln on ruuvin nousu [1/m] ja g putoamiskiihtyvyys

[m/s2]. [28]

Kuularuuvin hitausmomentti saadaan puolestaan yhtlst 2.44

422

1rLJ , (2.44)

41

miss L on ruuvin pituus, ruuvin materiaalin tiheys sek r ruuvin sde. Ruuvin ai-heuttama hitausmomentti saadaan mys, jos tiedetn pelkstn ruuvin paino. [28]

g

FrJ

2

22

1 . (2.44)

Yhtlss 2.42 esiintyv hitausmomentti J on yhteens siis yhtln 2.45 mukainen

21 JJJJ m , (2.45)

miss Jm on moottorin hitausmomentti.

Kuularuuvin aiheuttama vastamomentti saadaan yhtlst 2.46

n

m

n

sL

L

F

L

FT 0

2

1)sincos(

2

1

, (2.46)

miss s on liukupintojen kitkakerroin, kulma, jonka ruuvi poikkeaa vaakatasosta,

F pydn ja sen kuorman paino, kuularuuvin hytysuhde, m kuulamutterin kitka-kerroin ja F0 on pienin voima, jolla mutteri liikkuu. F0 saadaan yhtlst 2.47 [29]

3

cos0

FF s

. (2.47)

Yhtln 2.42 avulla voidaan siis laskea moottorin kiihdyttmiseen ja hidastumiseen

kuluvat ajat, mikli tiedetn kytettvn moottorin ja kuularuuvin ominaisuudet.

Muita hitausmomentteihin vaikuttavia tekijit ovat lineaarijohteiden kuulien aiheut-

tama momentti sek kuularuuvin kuulien aiheuttama momentti. Lisksi, mikli ko-

neessa on kytss lineaarianturi, aiheuttaa sekin hitausmomenttia ja kitkaa. Niden

vaikutukset ovat kuitenkin verrattain pieni verrattuna itse moottorin sek pydn

massan aiheuttamiin momentteihin.

Mit enemmn pydll on massaa, sit parempaa pinnanlaatua voidaan tehd, koska

pyt pysyy paremmin paikoillaan. Kevyempi pyt mahdollistaa nopeamman kiih-

tyvyyden, mutta on alttiimpi erilaisille vrinille ja muille mekaanisille hiriteki-

jille. Vaikka kevyt pyt olisi tuettu kuinka hyvin tahansa, on se aina alttiimpi me-

kaanisille hiriille ja vrhtelyille kuin massiivinen pyt.

42

3. MOOTTORIEN OHJAUS

3.1 Oikosulkumoottorin vektoriohjaus

Oikosulkumoottorin pyrimisnopeus on esitetty yhtlss 3.1

p

fsn 1 . (3.1)

Pyrimisnopeus riippuu konetta syttvst taajuudesta f, koneen napapariluvusta p

sek jttmst s. Yhtln 3.1 perusteella oikosulkumoottorin nopeuden ohjaaminen

voidaan siis toteuttaa kolmella tavalla: muuttamalla taajuutta f, napaparilukua p tai

jttm s. [20]

Napaparilukua muuttamalla oikosulkukoneen tahtinopeutta voidaan st yhtln

(2.3, s. 25) mukaan. Napapariluvun vaihtaminen edellytt kuitenkin erityiskmitys-

t ja se mahdollistaa ainoastaan portaittaisen nopeuden sdn. Tm nopeuden oh-

jaustapa ei siis sovellu karamoottorien ohjaamiseen. [20]

Jttm voidaan st muuttamalla jnnitett. Eptahtikoneen vntmomentti-

kyr on verrannollinen liitinjnnitteen nelin.

Taajuutta f voidaan vaihdella portaattomasti, joten oikosulkukoneen tarkka ja portaa-

ton nopeudenst voidaan toteuttaa muuttamalla taajuutta, kuten yhtlst 3.1 voi-

daan havaita. [20]

Taajuuden muuttamiseen tarvitaan taajuusmuuttajaa. Taajuusmuuttaja koostuu ta-

sasuuntaajasta, vlipiirist sek vaihtosuuntaajasta. Vaihtosuuntaajan ohjauselektro-

niikka mr taajuusmuuttajan ominaisuudet. [20]

Taajuusmuuttajan tasasuuntaajalla muutetaan ensin kolmivaiheinen vaihtojnnite

tasajnnitteeksi. Vlipiiri voi olla joko jnnitevlipiiri, jossa kytetn kondensaatto-

ria tasaamaan tasasuuntaajan tuottamia jnnitepulsseja tasajnnitteeksi tai virtavli-

piiri, jossa kytetn kelaa pitmn yll tasavirtaa. Jnnitevlipiirin kytt on virta-

vlipiiri yleisemp. [20]

Kolmivaiheinen vaihtosuuntaaja koostuu kuudesta transistorista, joita ohjataan suun-

taajan ohjauselektroniikalla. Transistoreina kytetn tehopuolijohdekomponentteja.

Ne eroavat tavallisista elektroniikkakomponenteista lhinn siin, ett ne kestvt

huomattavasti suurempia jnnitteit ja virtoja. Vaihtosuuntaajan transistorit ovat ny-

kyn yleens IGBT -komponentteja. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) kes-

t hyvin jnnitett sek virtaa ja kyttkelpoinen kytkenttaajuus on melko korkea.

Lisksi IGBT on helposti ohjattavissa jnnitteell kuten MOSFET (MetalOxide

43

Semiconductor Field-Effect Transistor). [20] Kuvassa 26 on esitetty taajuusmuutta-

jan osat.

Kuva 26: Taajuusmuuttaja. Vasemmalla kuvassa on esitetty tasasuuntaaja, oikealla transistorisilta ja

alhaalla ohjattava kolmivaihemoottori. [20]

Vaihtosuuntaajan tarkoituksena on kytke moottorin vaiheet sopivasti joko positiivi-

seen tai negatiiviseen jnnitteeseen niin, ett moottoriin sytettv jnnite olisi halu-

tulla taajuudella kolmivaihevaihtovirtaa.

Vaihtosuuntaajan IGBT -komponenttien ohjaus voidaan toteuttaa monilla eritavoilla.

Tystkeskusten ja sorvien karamoottorien ohjauksessa kytetn tyypillisesti vekto-

riohjausta. Vektoriohjaus eroaa skalaariohjauksesta siten, ett skalaariohjauksessa ei

kytet moottorin dynaamista mallia hydyksi, vaan ohjataan pelkstn staattorijn-

nitteen tehollisarvoa ja taajuutta. Vektoriohjaus on skalaariohjausta tarkempi mene-

telm. [20]

Vektoriohjauksessa on tarkoituksena st koneen vntmomenttia ja kmivuota

erikseen kuten tasavirtakoneissa. Tasavirtakoneissa sdetn vntmomenttia ank-

kurivirralla ja vuota magnetointikmityksell. Vektorisdss kytetn koordinaa-

tistoa, joka on kiinnitetty joko staattorin tai roottorin kmivuohon. Sdss sde-

tn erikseen kmivuota ja sit vastaan kohtisuoraa virtakomponenttia. Vuon muka-

na pyrivn koordinaatistoon kiinnitetyt suureet ovat pysyvss tilassa tasash-

ksuureita, joten niiden stminen on periaatteessa helppoa. [20]

Roottorin kmivuohon kiinnitetty koordinaatistoa kytettess puhutaan roottori-

vuo-orientaatiosta. Kun kytetn roottorin kmivuohon kiinnitetty koordinaatis-

toa, pstn kytnnss yksinkertaisimpiin yhtlihin kuin kytettess staattorin

kmivuohon kiinnitetty koordinaatistoa. [20]

44

Roottorivuo-orientaation ksittelyss tarvitaan eptahtikoneen jnniteyhtl (2.26 s.

29), roottorin vuoyhtl (2.23 s. 29) sek vntmomentin yhtl (2.30 s. 31).

Roottorivirtaa ei voida helposti mitata oikosulkukoneesta, mutta se voidaan ratkaista

yhtlst (2.23 s. 29). Roottorivirraksi saadaan yhtln 3.2 mukaan

r

smrr

L

iLi

. (3.2)

Sijoittamalla yhtln 3.2 roottorivirta yhtln (2.26 s. 29) saadaan roottorin jnni-

teyhtl yhtln 3.3 osoittamaan muotoon

rmkr

sm

r

rr

r

r jdt

diL

L

R

L

R

0 , (3.3)

miss roottorin jnnitevektori ku on merkitty nollaksi, koska roottori on oikosuljettu.

[20]

Yhtl 3.3 on kytnnss hydyllinen, sill siin olevaa staattorivirtaa ohjataan no-

pean virtasdn avulla ja roottorivuon itseisarvo halutaan pit ohjearvossaan. Va-

kiovuoalueella roottorivuon itseisarvo halutaan pit vakiona ja kentnheikennykses-

s ohjata sit niin, ett pysytn vakiotehossa.

Kuvassa 26 on vektoridiagrammi, jossa roottorin kmivuo r sek koordinaatiston

reaaliakseli on orientoitu samansuuntaisiksi. Koordinaatiston seuratessa roottorivuota

vuolla on vain reaaliosa r. Kuvassa 27 a) vntmomentti on positiivinen, kuvassa b) moottori on tyhjkynniss ja kuvassa c) vntmomentti on negatiivinen. [20]

45

Kuva 27: Oikosulkukoneen kmivuot roottorivuo-orientoidussa koordinaatistossa roottorivuon olles-

sa vakio [20]. Tapauksessa a) vntmomentti on positiivinen, tapauksessa b) moottori on tyhjkyn-

niss ja tapauksessa c) vntmomentti on negatiivinen.

Staattorivirran vektori voidaan jakaa komponentteihinsa yhtln 3.4 mukaisesti

sqsds jiii . (3.4)

Kun yhtln 3.4 virta sijoitetaan komponenttimuodossa yhtln (3.3 s. 44), saadaan

roottorin jnniteyhtl muotoon

rmkr

sqsdm

r

rr

r

r jdt

djiiL

L

R

L

R

)(0 . (3.5)

Yhtln 3.5 reaaliosa on esitetty yhtlss 3.6

46

sdmrr

r iLdt

d

. (3.6)

Yhtlst 3.6 nhdn, ett roottorin kmivuon itseisarvo riippuu roottorivuon suun-

taisesta staattorivirran komponentista isd. Kmivuohon vaikuttaa mys roottorin

aikavakio, joka on esitetty yhtlss 3.7

r

rr

R

L . (3.7)

Yhtln 3.6 mukaisesti roottorin kmivuota voidaan ohjata staattorivirran kom-

ponentilla isd, mikli roottorivuon suunta on tiedossa. Jos staattorin virtakomponentti

isd pidetn vakiona, roottorivuo pysyy mys vakiona yhtln 3.8 mukaisesti

m

rsd

Li

. (3.8)

Yhtln 3.5 imaginriosa on esitetty yhtlss 3.9

sqr

r

r

mmk i

R

L

L

. (3.9)

Staattorivirran isq komponentti, joka on roottorivuohon nhden kohtisuorassa, mr

roottorivuon kulmanopeuden roottoriin nhden. Vntmomentin yhtl roottori-

vuokoordinaatistossa on esitetty yhtlss 3.10

sqrr

msqsdr

r

me i

L

Lpjii

L

LpT

2

3)(Im

2

3 , (3.10)

jonka mukaan vntmomenttia voidaan ohjata roottorivuota vastaan kohtisuorassa

olevalla staattorivirran komponentilla isq. Mikli roottorivuo r on vakio, vntmo-mentti on suoraan verrannollinen staattorivirran isq komponenttiin, ja vntmomen-

tin ohjaaminen on yht helppoa kuin tasavirtakoneen vntmomentin ohjaaminen.

[20]

Kuvassa 28 on esitetty oikosulkumoottorin roottorivuo-orientoidun vektorisdn

lohkokaavio.

47

Kuva 28: Suoran nopeusanturillisen roottorivuo-orientoidun vektorisdn lohkokaavio. Nopeusan-

turi sijaitsee kuvan oikeassa alalaidassa moottorin vieress. [20]

Kuvan 28 lohkokaavioesityksess jokainen lohko sislt jonkin siirtofunktion, joka

ksittelee takaisinkytkennn antamaa arvoa sek ohjearvoa. Lohkojen ksittely vaatii

kohtuullisen paljon laskentatehoa, joten vektoristlaitteistossa tytyy olla digitaali-

nen signaaliprosessori. Kuvan 28 siirtofunktiot lasketaan signaaliprosessorissa ja

sytetn pulssinleveysmodulaattoriin PWM (Pulse Width Modulator). [20]

Pulssinleveysmodulaattorilla ohjataan vaihtosuuntaajaa. Kun signaali on kynyt lpi

kaikki stlohkot, on tuloksena jnnitteen ohjearvovektori staattorikoordinaatistossa s

refsu , . Tm sytetn pulssinleveysmodulaattoriin, jonka tehtvn on ohjata vaih-

tosuuntaajan puolijohdekomponentteja ja muodostaa siis haluttu aaltomuoto mootto-

rille. [20]

Moottorin tehtvn on tuottaa mekaanista tehoa. Pelkn vntmomentin tuottami-

nen ei siis riit, sill teho on yhtln 3.11 mukaisesti

TnP , (3.11)

miss T on vntmomentti ja n pyrimisnopeus. Moottori ei siis tuota tehoa, vaikka

se pyrisi nopeasti, jos siin ei ole vntmomenttia. Se ei myskn tuota tehoa,

mikli akseli on paikoillaan, vaikka vntmomenttia olisi paljonkin. Jos moottorilla

haluttaisiin tuottaa paljon tehoa mys pienill kierroksilla, tarvittaisiin yhtln 3.11

mukaisesti suuri vntmomentti. [30]

48

Moottorin pyrimisnopeuden lismiseksi on kasvatettava jnnitett. Jnnitett ei

kuitenkaan voida nostaa korkeammaksi kuin syttvn verkon jnnite, joten nopeu-

den lismiseksi on kytettv kentnheikennyst. Kentnheikennyst kutsutaan

mys vakiotehoalueeksi. Kentnheikennyskytss moottorin nopeus kasvaa, mutta

vntmomentin kustannuksella. Kun moottoria ajetaan noin 2,5 kertaisella nopeu-

della nimellisnopeuteen nhden, vntmomentti laskee nopeammin kuin nopeus

nousee. Tm pienent moottorista saatavaa tehoa. [30]

Tehon alenemisongelmaa voidaan pienent kyttmll moottoria, jossa on kaksi

kmitystapaa. Moottori voidaan kmi sek thtikytkentn ett kolmiokytkentn

ja vaihtaa kytettv kytkent tarpeen mukaan. Pienill nopeuksilla voidaan kyt-

t thtikytkent ja suurilla nopeuksilla kolmiokytkent. Kolmiokytkent tarvitsee

pienemmn jnnitteen moottorin pyrittmiseen samalla nopeudella kun thtikytken-

t. Menetelmn ongelmana on se, ett koska teho on jnnitteen ja virran tulo, on

kolmiokytkentiselle moottorille sytettv enemmn virtaa. Kytettvien kompo-

nenttien on siis kestettv enemmn virtaa, joten koneen valmistaminen tulee kal-

liimmaksi. Tllaisia moottoreita kytetn joissakin koneissa. [30]

Thtikolmiokytkennn avulla vakiotehoaluetta voidaan kasvattaa 1,73 -kertaiseksi

verrattuna pelkkn thtikytkentn. On mys mahdollista kytt pelkk kol-

miokytkent, mutta tm vaatii jatkuvasti 73 % enemmn virtaa kuin thtikytkennn

kytt. [30]

3.2 Vaihtovirtaservomoottorien ohjaaminen

3.2.1 Servotekniikka

Servo on laitteisto, jonka tarkoituksena on st dynaamisesti jonkun suureen tilaa

tarkasti ja nopeasti. Tllaisia suureita ovat esimerkiksi nopeus, asento, vntmo-

mentti, voima tai kiihtyvyys. Tystkeskusten servojrjestelmien on pystyttv oh-

jaamaan tystkeskuksen pyt sek karaa tsmllisell nopeudella tarkalleen oike-

aan paikkaan. Tm on tehtv pydll olevan kuorman ja tystn aiheuttamien

momenttien jatkuvasti muuttuessa. Vastaavasti sorveissa servomoottoreilla ohjataan

tykalupitimen paikkaa kappaleeseen nhden. [31]

Servojrjestelm koostuu psntisesti moottorista, servovahvistimesta, servo-

ohjaimesta sek takaisinkytkennst. Lisksi jrjestelmss on usein jonkinlainen

kyttliittym, jonka avulla jrjestelmn voidaan sytt haluttuja parametreja. [24]

Servo-ohjain ja servovahvistin voivat molemmat tehd samoja tehtvi. Digitaalisis-

sa jrjestelmiss servo-ohjain suorittaa starvojen laskennan signaaliprosessorilla.

Takaisinkytkennt tuodaan servo-ohjaimelle. Signaaliprosessorissa ajettavat algorit-

mit hoitavat takaisinkytkentarvojen ja ohjearvojen vertailemisen ja laskevat tarvit-

tavat arvot moottorin stmiseksi. Arvot lhetetn servovahvistimelle, joka sytt

moottorille jnnitett ja virtaa laskettujen starvojen mukaisesti. [24]

49

Servokytksi luokitellun laitteiston tytyy tytt ainakin seuraavat ominaisuudet:

4-kvadranttikytt on oltava tuettuna, nopeudesta ja virrasta on oltava takaisinkyt-

kent, kiihdytysmomentin on oltava suuri ja hitausmomentin pieni. [24]

Perinteinen tapa st shkmoottoria on sytt sille tietyn aikaa tietyn suuruista ja

taajuista jnnitett ja virtaa, jolloin moottori pyrii jollakin nopeudella jonkun tietyn

kulman. Nopeutta ja kulmaa ei kuitenkaan tiedet tarkasti eik lopputuloksen oikeel-

lisuudesta voida olla varmoja. Tllainen moottorikytt sopii esimerkiksi puhaltimil-

le ja pumpuille, sill niiden nopeus ei vlttmtt ole kovin kriittinen. Tllainen oh-

jaus ei esimerkiksi havaitse sit, jos moottorin akseli on juuttunut tai siin on tavalli-

suudesta poikkeava kuorma. Moottorin akselin asemointi on siis erilainen erilaisilla

kuormilla. [20]

Tarkka ja nopea st tarvitsee siis jrjestelmlt palautetta siit, mik on sdn tila

millkin hetkell. Palautetta kutsutaan takaisinkytkennksi. Takaisinkytkettyj sig-

naaleita voivat olla esimerkiksi virta sek nopeus. Takaisinkytkennnarvoista jrjes-

telm saa tiedon siit, mit sdss todellisuudessa tapahtui ja mikli jrjestelm

huomaa, ett haluttu sttapahtuma ei onnistunut, voidaan se korjata. [31]

Kytnnss servojrjestelmss kytetn ohjesignaalia ja mitattua signaalia. Servo-

jrjestelmll on jokin ohje, mihin tilaan jrjestelm pitisi saada. Takaisinkytkennn

kautta saadaan tietoa moottorin sen hetkisest tilasta. Nit signaaleita verrataan kes-

kenn ja mikli ne eroavat toisistaan, toimintaa jatketaan suuntaan, jossa suureet

ovat yhtenevi. Ohjesignaalin ja takaisinkytkentsignaalin erotusta sanotaan erosig-

naaliksi. Stjrjestelmn tehtvn on pit erosignaali nollana, mik tarkoittaa

sit, ett ohjesignaali on sama kuin takaisinkytkentsignaali, jolloin jrjestelm toi-

mii ohjeen mukaisesti. [24]

Servokytn toiminta voidaan jakaa kahteen osaan: jatkuvaan tilaan ja dynaamiseen

tilaan. Jatkuvassa tilassa ohjesignaali pysyy muuttumattomana. Tllin jrjestelmn

on kyettv yllpitmn saavutettua tilaa eli esimerkiksi moottorin nopeutta vakiona

tai paikkaa muuttumattomana. [31]

Dynaamisella tilalla tarkoitetaan sit toimintatilaa, kun ohjesignaali muuttuu. Tllin

moottorin on kiihdytettv tai jarrutettava, jotta se psee ohjeen mrmn tilaan.

Dynaamisessa tilassa toimittaessa on kolme perusasiaa, jotka tulee ottaa huomioon:

nousunopeus, asettumisnopeus ja vasteen ylitys. Nousunopeus on aika, joka jrjes-

telmll kest pst haluttuun tilaan. Asettumisnopeus on aika, joka jrjestelmll

kest asettua tavoiteltuun tilaan. Vasteen ylitys kertoo, kuinka paljon jrjestelmn

tila ylitt hetkellisesti tavoitellun tilan. [31] Kuvassa 29 on esitetty moottorin aihe-

uttaman vasteen kyrmuoto eri virityksill.

50

Kuva 29: Servomoottorien vastekyrt. Jos st on viritetty liian tiukasti, tapahtuu vasteeseen nh-

den ylityst. Mikli st on toteutettu liian lyssti, on st hidas. Optimaalinen tulos on piirretty

kuvaan mustalla. [17]

Kuvassa 29 haluttu kyrmuoto on piirretty mustalla ja toteutuneet kyrmuodot

vreill. Kuten kuvasta 29 huomataan, mikli st on viritetty liian tiukasti, tulee

vasteeseen ylityst. Ylitys tapahtuu, koska moottori on sdetty menemn tiettyyn

tilaan liian nopeasti, jolloin se ei voi asettua thn tilaan suoraan vaan ylitt asetetun

tilan ja palaa takaisin. Tarkassa koneistuksessa vasteessa ei saisi olla ollenkaan yli-

tyst, koska toleranssit ovat niin pienet, ett kappale menee tllin pilalle.

Mikli moottorin st on viritetty liian lyssti, on st hidas. Ylityst ei tapahdu,

mutta moottorilla kest kauan saavuttaa tavoiteltu tila. Tarkan sdn aikaansaami-

seksi on se viritettv huolellisesti.

Servomoottorien momenttia ohjataan virralla yhtln (2.41 s. 35) mukaisesti. Mo-

mentin st ei edellyt erillist anturia virran mittaamiseksi moottorista, sill virta

mitataan suoraan servovahvistimen lhdst. [24]

Kuvassa 30 on esitetty Haas-koneiden servojrjestelmn periaate lohkokaaviolla.

51

Kuva 30: Moottorien ohjausjrjestelmn lohkokaavio. Kuva mukailtu Haas-elektroniikka-

korjausoppaan kuvasta. [32]

Kuvan 30 mukaisesti servomoottorit saavat oikeanlaista jnnitett ja virtaa ohjaus-

elektroniikan kautta. Moottorin akselilla olevan anturin tuottama tieto lhetetn

moottorista servo-ohjaimelle, joka laskee tarvittavat arvot servovahvistimen mootto-

rille syttmksi jnnitteeksi ja virraksi. Joissain koneissa kytetn moottorin akse-

lilla olevien antureiden lisksi erillisi lineaarisia antureita mittaamaan akseleiden

paikoitusta.

Kuvassa 30 on esitetty mys karamoottorin st. Jos karamoottoria halutaan pyrit-

t vakionopeudella, sen st tehdn vektoriohjaimella. Jos halutaan kytt C-

akselin st, vektoriohjain saa C-akselin kyttkskyt ohjauselektroniikalta. Kara-

moottorin anturin tiedot menevt ohjauselektroniikan kautta vektoriohjaimelle.

3.2.2 Moottorin akselilla olevat anturit

Servojrjestelmn on tiedettv joka hetki moottorin roottorin asema. Servomootto-

rin akselilla on tt tarkoitusta varten anturi, joka mittaa pyrimisnopeutta ja matkaa.

Sek digitaalisia ett analogisia antureita on monta eri tyyppi. Paikoitusanturi voi

olla kiinnitetty mys liikkuviin osiin, mik mahdollistaa vlysten ja lmplaa-

jenemisongelmien kompensoinnin. [24]

52

Analogisena anturina voidaan kytt esimerkiksi takogeneraattoria. Takogeneraatto-

rin roottori kiinnitetn moottorin akselin phn ja moottorin pyriess tako-

generaattori tuottaa pyrimisnopeuteen verrannollisen jnnitteen. [24]

Nykyisin tystkeskuksissa kytetn useimmiten digitaalisia antureita. Digitaalian-

turit ovat pulssiantureita. Pulssien taajuus on verrannollinen moottorin pyrimisno-

peuteen. Pulssianturit ovat usein optisia. Niiss on valolhde, valokenno sek pyriv

osa, jossa on jonkinlainen viivoitus. [24] Kuvassa 31 on esitetty yksinkertaisen puls-

sianturin toimintaperiaate.

Kuva 31: Optisen pulssianturin periaate. Valo ei lpise kiekkoa mustissa kohdissa.

Mittausjrjestelm koostuu kuvan 31 mukaisesti pyrivst kiekosta, joka on jaettu

alueisiin, jotka joko lpisevt valoa tai eivt lpise. Jrjestelmn kuuluu mys

valolhde sek valokenno. Valokenno havaitsee pulssin aina, kun kiekko pyrii koh-

taan, joka lpisee valoa. Jrjestelmn erottelukyky riippuu alueiden mrst. Mik-

li alueita on paljon, anturi havaitsee hyvinkin pienen liikkeen. [24]

Pulssianturit voivat olla mys magneettisia. Magneettisen pulssianturin rakenne

muistuttaa optista anturia, mutta niiss kiekon pinta on jaettu magneettisiin alueisiin

ja alueiden luenta tapahtuu rengasmagneetilla, jossa on kaksi kmi. Toiseen k-

miin sytetn vakioamplitudinen ja vakiotaajuinen signaali ja toinen tunnistaa mag-

neettiset segmentit. Kmiin indusoituu jnnite, jonka taajuus on sama kuin sytett-

v taajuus ja amplitudiin vaikuttaa kmien vlinen muuntosuhde sek rengasmag-

neetin sijainti segmentteihin nhden. Lukukmiin indusoituu jnnite, josta on erotet-

tavissa nollatila ja ykkstila. Elektroniikan avulla suodattamalla tst signaalista saa-

daan suorakaideaaltoa.

Moottorit, joiden akselilla on pulssianturi, sisltvt mys tarvittavan elektroniikan,

jotta moottorista saadaan ulos mahdollisimman helppokyttist pulssitietoa. Anturin

havaitsemat pulssit muutetaan elektroniikan avulla esimerkiksi suorakaideaalloksi.

Pulssit ovat yleens puhdasta suorakaideaaltoa, jota on helppo kytt elektroniikan

ohjaamiseen.

Pulssien taajuudesta saadaan selville moottorin pyrimisnopeus ja pulssien mrst

roottorin pyrim matka. [24]

53

Kuvassa 32 on esitetty Yaskawan moottorissa oleva pulssianturi sek sen elektro-

niikkaosa.

Kuva 32: Yaskawa electronicsin optinen pulssianturi ja sen elektroniikkaa.

Kuvassa 33 on esitetty kuvan 32 pulssianturin kiekko. Kuvan 32 valokennot ovat

kiekon eri puolilla. Valokennot tuottavat pulssin joka kerta, kun kiekon viivoitetun

alueen viiva ohittaa kennon. Kuvan 32 piirilevyll oleva kytkent muuttaa anturien

tuottamat pulssit sopivaan muotoon, jotta niit olisi helppo hydynt muun elektro-

niikan ohjaamiseen.

54

Kuva 33: Optisen pulssianturin kiekko. Ulkoreunalla oleva kiekon kiertv lpinkyv osa sislt

viivoja, joita pulssianturi laskee.

Pulssianturit voivat olla joko absoluuttisia tai inkrementaalisia. Absoluuttiset anturit

tietvt paikkansa jatkuvasti, sill niiss kytettviss kiekoissa on asematieto bin-

rikoodattuna. Kiekossa on lpinkyvi ja valoa lpisemttmi osioita niin, ett valo

psee kerrallaan aina vain tietyille valokennoille. Kun valo psee vain tietyille an-

tureille, syntyy binrikoodia. Kiekko voi olla koodattu eri tavoilla. Mahdollisia

koodaustapoja binrikoodin lisksi ovat esimerkiksi mys BCD- (Binary-Coded

Decimal) tai GRAY-koodi. GRAY-koodi on saanut nimens sen keksijn Frank

Grayn mukaan. GRAY-koodin etuna BCD-koodiin on se, ett vain yksi bitti muuttuu

kerrallaan mittaustiedon muuttuessa. Tieto on luotettavampaa, koska mahdollisten

virhetulkintojen mr on pienempi. Anturin erottelukyky voidaan parantaa lis-

mll anturiin kanavia. Kanavia on tyypillisesti 6 20. Kiekolta voidaan vlitt

eteenpin erilaisia koodeja 2n kappaletta, miss n on kanavien lukumr. [24]

Inkrementaalianturit tunnistavat ainoastaan pulssien mrn, mutta niill ei ole tietoa

absoluuttisesta paikasta. Kytettess inkrementaalisia pulssiantureita jrjestelmlle

tytyy siis aina opettaa nollakohta, josta pulssien lukeminen alkaa. Inkrementaalisten

antureiden ongelmana on se, ett jos jokin pulssi j jostain syyst lukematta, jrjes-

telmn syntyy pysyv virhett, jota laitteisto ei osaa korjata itsenisesti. Korjaus on

suoritettava osoittamalla laitteistolle nollakohta uudestaan. [24]

55

3.2.3 Lineaarianturit

Lineaariantureiden kytt parantaa paikoitustarkkuutta. Mikli kytetn ainoastaan

servomoottorin akselilla olevaa anturia mittaamaan asemaa, esimerkiksi vlyksest

johtuvia ongelmia ei voida kompensoida mitenkn. Lmptila, kuluminen tai muut

tekijt saattavat muuttaa kuularuuvin ominaisuuksia, mutta moottorin akselilla sijait-

seva anturi ei tt havaitse. [8] Lmplaajenemisen aiheuttamaa virhett voidaan

kompensoida ohjelmallisesti. Esimerkkin ohjelmallisesta kompensoinnista on

Haas:in kyttm Electronic Thermal Compensation (ETC) algoritmi, joka mallintaa

lmpenemist ja kompensoi ruuvin paikkaa tmn mukaisesti. [19]

Lineaarianturit kulkevat liikkuvien osien mukana, joten ne mittaavat aina suoraan

liikkuvan osan sijaintia. Tllin paikoitustieto riippuu ainoastaan anturin erotteluky-

vyst, eivtk mekaaniset ongelmat vaikuta siihen. [8]

Kuten kiertymanturitkin, lineaarianturit voivat olla joko analogisia tai digitaalisia.

Analogiset anturit voivat perustua esimerkiksi potentiometrirakenteeseen, jossa po-

tentiometrin liitinten vliset resistanssit muuttuvat sijainnin perusteella. Digitaaliset

anturit voivat olla perustua esimerkiksi magnetismiin tai optiseen mittaukseen. Opti-

sella mittauksella pstn suurempaan erottelukykyyn. Kiertymanturien tavoin

lineaarianturit voivat olla joko inkrementaalisia tai absoluuttisia. [18, 30]

Optisten lineaarianturien lukutapa on samankaltainen kuin kiertymantureissakin.

Kuvassa 34 on esitetty optisen lineaarianturin lukuviivat.

Kuva 34: Lineaarianturin asteikko. Ylempn inkrementiaalinen asteikko ja alempana absoluuttinen

asteikko. Lukup liikkuu asteikon pll. Toisella puolella on valolhde ja toisella puolella anturi,

joka havaitsee valon, mikli se ei ole mustan paikan kohdalla. [33]

Kuvassa 35 on esitetty Heidenhainin valmistama lineaarianturi.

Kuva 35: Heidenhainin valmistama lineaarianturi. Kuvassa alhaalla anturi, joka liikkuu anturikiskoa

pitkin.[8]

56

Mikn anturi ei ole koskaan absoluuttisen tarkka, vaan antureihin liittyy aina joitain

tarkkuuteen liittyvi ksitteit. Nit ovat paikoitustarkkuus, toistettavuus sek kn-

nevirhe.

Paikoitustarkkuus kertoo ohjelmoidun aseman sek todellisen aseman eron. Ero riip-

puu koneessa kytettvist ratkaisuista ja tyypillist on se, ett mit parempaan tark-

kuuteen kone ylt sit kalliimpi se on. Paikoitustarkkuudet ilmoitetaan yleens mik-

rometreiss.

Toistettavuus kuvaa sit kuinka hyvin kone saavuttaa uudelleen saman aseman. Luis-

tin eri asemat poikkeavat toisistaan 99,7 % todennkisyydell enintn toistettavuu-

den verran, kun luisti paikoitetaan useaan kertaan samaan pisteeseen. Toistettavuus

ilmoitetaan mys mikrometreiss ja se on tavallisesti noin puolet paikoitustarkkuu-

desta.

Knnevirhe aiheutuu lhestyttess samaa kohtaa eri suunnista. Virhe johtuu vlyk-

sist sek erilaisista mekaanisista joustoista. Knnevirhett voidaan kompensoida

ohjelmallisesti. Knnevirhe voidaan mitata ja ohjelmaan asettaa kompensaatioker-

toimia sit poistamaan.

57

4. TYSTKESKUSTEN OHJELMOINTI

NC-tystkoneissa voidaan ohjata numeerisesti tykalun liikkeit kappaleeseen nh-

den sek pydn kiertoa. Muita ohjattavia toimintoja ovat sytt, karan pyrimisno-

peus ja suunta, tykalunvaihto sek paletin vaihto. Tystkeskusten ja sorvien oh-

jelmointi tarkoittaa sit, ett nm toiminnot kirjoitetaan tystkoneen ymmrtmn

muotoon. Ajettaessa kirjoitettua koodia koneessa kone tekee tsmlleen koodin mu-

kaiset liikkeet koodin osoittamassa jrjestyksess. [6]

Tuotetun ohjelmakoodin tulee sislt lisksi tiedot tykalujen pituuksista sek mah-

dollisesti tystss kytettvn nesteen sytst. Ohjelmoitavat liikeradat ja liikkeet

katsotaan typiirustuksista. Ohjelmoinnin tehtvn on siis muuttaa typiirustusten

mitat NC-tystkoneen ymmrtmn koodikieliseen muotoon. [6]

4.1 G-koodi-ohjelmointi

ISO 6983 on kansainvlisen standardointiorganisaation (International Organization

for Standardization) kehittm standardi CNC-ohjaukseen. Tm ohjelmointistan-

dardi tunnetaan yleisesti nimell G-koodi. Suurin osa NC-koneista ohjelmoidaan G-

koodeilla. [34]

ISO-koodi koostuu ainoastaan ASCII-merkeist (American Standard Code for In-

formation Interchange). Tm helpottaa tiedonsiirtoa tietokoneen ja tystkoneen

vlill, sill ASCII on yleisesti kytetty tietojenvlityksen koodi binrimuotoisten

tietojen siirtmiseen. [26]

G-koodeilla ohjelmoitaessa on trke tiet koneessa olevat akselit ja niiden suun-

nat. Akselien liikkeet ohjelmoidaan akselin nimell, jonka pern tulee piste, johon

akselin tulee liikkua. Ohjelmointi suoritetaan siis kskemll akseli liikkumaan tiet-

t