Электропроводка для станка ЧПУ: гибкие кабели TRVVP и TRVV для кабель-канала

Электропроводка станка ЧПУ: от шкафа до шпинделя

Электропроводка станка с ЧПУ соединяет шкаф управления с двигателями осей, шпинделем, концевыми датчиками, кнопками и насосом охлаждения. Часть кабелей лежит неподвижно в шкафу и на раме, часть движется вместе с порталом и каретками и изгибается при каждом перемещении оси. Неудачно выбранный кабель проявляет себя не сразу: со временем ломается жила в кабель-канале, датчик ловит помехи и даёт ложные срабатывания, двигатель теряет шаги.

В этой статье разберём, какие кабели нужны станку, чем гибкий кабель отличается от монтажного, зачем нужен экран и куда его подключать, как подобрать сечение по току и падению напряжения, как укладывать кабель в кабель-канал и как заземлить шпиндель и двигатели. Цифры взяты из стандарта на электрооборудование машин EN 60204-1 (ДСТУ EN 60204-1) и из руководств к драйверам и частотным преобразователям.

Какие кабели нужны станку ЧПУ

Проводку станка удобно разделить на группы по назначению, потому что требования к кабелю у них разные.

• Питание шкафа: от сети к вводному автомату, блокам питания и частотному преобразователю. Этот кабель лежит неподвижно.
• Кабели шаговых двигателей и сервоприводов: от драйверов к двигателям осей. Биполярному шаговому двигателю нужны 4 жилы, по 2 на каждую обмотку. Кабель идёт в кабель-канале и постоянно изгибается.
• Кабель шпинделя: от частотного преобразователя к шпинделю, три фазы U, V, W и защитный проводник PE.
• Сигнальные кабели: концевые выключатели, датчик нулевой точки, датчик длины инструмента, энкодеры, кнопки выносного пульта.
• Защитные проводники PE: соединяют раму, корпуса двигателей, шпинделя и шкафа с шиной заземления.

Для каждой группы подбирают класс гибкости жил, сечение, экран и материал оболочки. Дальше по порядку.

Классы жил: почему в кабель-канал нужен гибкий кабель

Стандарт IEC 60228, на который ссылается EN 60204-1, делит медные жилы на классы по гибкости. Класс 1 это однопроволочная жила, класс 2 многопроволочная из нескольких толстых проволок. Обе предназначены для неподвижной прокладки между жёсткими частями. Класс 5 гибкий, из множества тонких проволок, для вибрации и подвижных частей. Класс 6 ещё гибче класса 5, проволоки в нём тоньше.

EN 60204-1 требует, чтобы проводники, которые часто двигаются, например один раз в час, имели жилы класса 5 или 6. Гибкий кабель по стандарту должен иметь жилы класса 5 или 6. Кабель в кабель-канале станка движется при каждом перемещении оси, поэтому монтажный провод класса 1 или 2 для него не подходит: толстые проволоки устают от изгиба и ломаются внутри изоляции, а снаружи кабель выглядит целым.

Кабели TRVV и TRVVP делают для подвижной прокладки. По описаниям производителей у них жилы из тонких проволок класса 6, изоляция и оболочка из ПВХ, а буква P в обозначении означает экран из оплётки.

Медь и CCA: почему важен материал жилы

CCA (copper clad aluminium) это алюминиевая жила, покрытая тонким слоем меди. Снаружи она выглядит медной, но ток проводит хуже. Удельное сопротивление отожжённой меди 0.01724 Ом·мм²/м. Для провода CCA с 10% меди по объёму стандарт ASTM B566 допускает до 0.02743 Ом·мм²/м, это в 1.59 раза больше.

По сопротивлению жила CCA сечением 0.5 мм² соответствует медной жиле сечением 0.31 мм². Таблицы допустимых токов и минимальных сечений EN 60204-1 составлены для медных проводников, поэтому кабель CCA нельзя выбирать по ним как медный. На торце свежего среза у жилы CCA виден серебристый алюминиевый сердечник под медным слоем.

Жилы кабелей TRVVP в нашем каталоге из чистой меди, без CCA.

Экранированный и неэкранированный кабель

Драйвер шагового двигателя и частотный преобразователь питают обмотки импульсами ШИМ с крутыми фронтами. Кабель двигателя при этом излучает помехи и наводит их на провода, которые идут рядом: сигналы концевых датчиков, шаг и направление, линии энкодера. Экран из оплётки, подключённый к заземлению, замыкает эти помехи и уменьшает излучение кабеля.

Экран нужен в двух случаях. Первый: кабель сам создаёт помехи. Это кабели шаговых двигателей, сервоприводов и шпинделя, и руководства драйверов требуют подключать двигатель экранированным кабелем. Второй: кабель несёт слабый сигнал, который легко исказить. Это энкодеры, аналоговое задание скорости шпинделя и линии связи.

Кабель без экрана подходит для цепей, которые не создают сильных помех: питание и сигналы концевых выключателей, кнопки, вентиляторы, подсветка. EN 60204-1 разрешает прокладывать цепи разного назначения в одном канале, только если это не нарушает их работу, а при разных напряжениях изоляция всех проводников должна быть рассчитана на самое высокое напряжение в канале. Руководства драйверов требуют держать кабель двигателя отдельно от сигнальных кабелей.

Экран, который не подключён ни с одной стороны, помехи не подавляет. Экранированный кабель решает задачу только вместе с правильным подключением оплётки.

Куда подключать экран

Правило зависит от типа кабеля, и приоритет всегда за руководством конкретного привода.

• Кабель шпинделя от частотного преобразователя. Руководства преобразователей требуют заземлять экран силового кабеля двигателя с обеих сторон: на клемме PE преобразователя и на корпусе шпинделя. Лучший контакт даёт обжим оплётки по всей окружности хомутом или металлическим кабельным вводом.
• Кабель шагового двигателя. Руководства драйверов предписывают подключать экран на стороне драйвера, к клемме экрана или к минусу блока питания. Со стороны двигателя оплётку не подключают, если корпус двигателя заземлён через раму станка, чтобы по экрану не пошёл уравнивающий ток.
• Сигнальные кабели: энкодеры, аналоговое задание скорости, датчики. Экран заземляют со стороны шкафа, у привода или контроллера, второй конец оставляют свободным и изолируют. Если руководство привода требует заземлять экран энкодера с двух сторон, выполняют требование руководства.

Конец оплётки заделывают так, чтобы проволоки не распушались и не касались соседних клемм. EN 60204-1 требует заделывать экраны так, чтобы проволоки не расходились, а кабель можно было легко отсоединить.

Сечение жилы, ток и падение напряжения

Сечение выбирают по трём условиям: жила не тоньше минимума по механической прочности, кабель не перегревается, а потеря напряжения на нём не превышает 5% от номинального. Последнее требование EN 60204-1 при длинной трассе заставляет брать сечение больше, чем по таблице токов.

Минимальные сечения медных жил многожильного кабеля вне шкафа по EN 60204-1: 0.75 мм² для силовых цепей, неподвижных и подвижных; 0.2 мм² для цепей управления в кабеле с тремя и более жилами или в двужильном экранированном; 0.5 мм² для двужильного кабеля цепей управления без экрана; 0.08 мм² для цепей передачи данных.

Допустимый ток зависит от способа прокладки. Для медных жил в ПВХ изоляции при +40 °C стандарт даёт такие значения для одной трёхфазной цепи, рядом указано сопротивление жилы при 20 °C:

Если рядом идут другие нагруженные кабели, ток уменьшают коэффициентом группировки. Для способа B2 он равен 0.80 при двух кабелях, 0.65 при четырёх, 0.57 при шести и 0.50 при девяти. Для цепей, ток которых меньше 30% от допустимого, коэффициент не применяют. Жила в изоляции из ПВХ допускает нагрев до 70 °C в работе и до 160 °C при коротком замыкании.

Пример расчёта: двигатель оси и шпиндель

Шаговый двигатель с током фазы 4 А стоит в 5 м от драйвера. Ток обмотки проходит по двум жилам, туда и обратно, поэтому длина проводника в цепи 10 м. Жила 0.5 мм² имеет сопротивление 36.70 Ом/км, жила 0.75 мм² 24.80 Ом/км.

• Медь 0.5 мм²: сопротивление 0.367 Ом, падение напряжения 1.47 В, нагрев кабеля 5.87 Вт на одну обмотку.
• Медь 0.75 мм²: сопротивление 0.248 Ом, падение напряжения 0.99 В, нагрев 3.97 Вт на одну обмотку.
• CCA 0.5 мм²: сопротивление 0.584 Ом, падение напряжения 2.34 В, нагрев 9.34 Вт на одну обмотку.

Драйвер с регулированием тока доведёт ток обмотки до заданного, но потерянное в кабеле напряжение он забирает из запаса напряжения питания, а от этого запаса зависит момент двигателя на высоких оборотах. Руководство одного из драйверов указывает, что кабель двигателя длиннее 10 м требует увеличенного сечения для компенсации падения напряжения. Для обмоток шагового двигателя применяют кабель 4 жилы сечением от 0.5 до 1.5 мм² в зависимости от тока.

Шпиндель с номинальным током 7 А подключён кабелем, который идёт в закрытом коробе вместе со вторым нагруженным силовым кабелем (способ B2). Для 0.75 мм² таблица даёт 8.5 А, с коэффициентом 0.80 остаётся 6.8 А, это меньше 7 А. Для 1.0 мм² получается 10.1 x 0.80 = 8.08 А, такой кабель проходит. Падение напряжения на 5 м этого кабеля: 1.732 x 7 x 0.091 = 1.10 В, это 0.5% от 220 В при допустимых 5%.

Как укладывать кабель в кабель-канал

Кабель-канал ведёт кабели за подвижной частью станка и задаёт им радиус изгиба. EN 60204-1 отмечает, что ресурс гибкого кабеля снижается, когда совпадают большое натяжение, малый радиус, изгиб в другой плоскости и частые циклы. Поэтому укладка влияет на срок службы не меньше, чем сам кабель.

• Радиус изгиба. Петля подвижного кабеля должна давать радиус не меньше 10 диаметров кабеля. Для кабеля диаметром 6 мм это 60 мм, и радиус кабель-канала выбирают не меньше этого значения или по данным производителя кабеля.
• Без кручения. Кабель укладывают в канал без закрутки вокруг своей оси: стандарт требует избегать кручения кабеля на входе в направляющие устройства и на выходе из них.
• Крепление на концах. Кабель закрепляют на неподвижном и на подвижном конце канала, отдельно от клемм. Подвижный кабель не должен создавать механической нагрузки на точки подключения.
• Натяжение. Для медных жил EN 60204-1 ограничивает растягивающее усилие 15 Н на 1 мм² сечения меди. У кабеля 4x0.5 общее сечение меди 2 мм², значит допустимо не больше 30 Н, у кабеля 4x0.75 не больше 45 Н.
• Свобода внутри канала. Кабели не стягивают хомутами внутри канала, чтобы при изгибе каждый мог свободно смещаться. Силовые и сигнальные кабели разводят по разным отделениям канала.
• Зазор. Между подвижными частями и кабелем оставляют не меньше 25 мм, а если это невозможно, ставят неподвижную перегородку.
• Без соединений. Кабель ведут от клеммы до клеммы целым, без скруток и пайки внутри канала. Разъём с защитой от случайного разъединения соединением не считается и ставится там, где кабель нужно отсоединять.
• Оболочка. На кабель в рабочей зоне попадают масло, СОЖ и пыль, поэтому стандарт требует оболочку, стойкую к износу от движения и к этим загрязнениям.

Кабель шпинделя: U, V, W и PE

Шпиндель с частотным преобразователем подключают четырёхжильным кабелем: три фазы U, V, W и защитный проводник PE в одном кабеле. EN 60204-1 рекомендует вести защитный проводник рядом с фазными, это уменьшает сопротивление петли. Порядок фаз задаёт направление вращения: если поменять местами две любые фазы, шпиндель закрутится в обратную сторону. Направление проверяют на малых оборотах до установки инструмента.

На выходе преобразователя напряжение ШИМ с крутыми фронтами, поэтому кабель шпинделя самый сильный источник помех в станке. Его берут экранированным, ведут отдельно от сигнальных кабелей и заземляют экран с обеих сторон. Сечение выбирают по номинальному току из паспорта шпинделя и по способу прокладки, как в примере выше.

Заземление станка, шпинделя и двигателей

Заземление станка решает две задачи: защищает человека при пробое изоляции и даёт путь помехам, которые собирает экран. Раму, портал, корпус шпинделя, корпуса двигателей и корпус шкафа соединяют защитными проводниками с шиной PE в шкафу, а шину с защитным проводником сети.

Защитный проводник по EN 60204-1 обозначают жёлто-зелёным цветом по всей длине, и этот цвет не используют ни для чего другого. К одной точке клеммы подключают только один защитный проводник, поэтому PE удобно разводить звездой от общей шины: каждый проводник на свой зажим.

Корпус шпинделя заземляют через жилу PE его кабеля: она идёт на клемму PE преобразователя, а клемма соединяется с шиной шкафа. В руководстве одного из преобразователей указано, что без заземления на корпусе двигателя наводится напряжение от 30 до 150 В. Корпуса шаговых двигателей заземляются через металлическую раму, к которой они прикручены, а раму соединяют с шиной PE отдельным проводником. Если двигатель стоит на изолирующей прокладке, его корпус соединяют с PE своим проводником.

Датчики и сигнальные линии

Концевые выключатели, датчики нулевой точки и датчик длины инструмента передают в контроллер слабый сигнал, и помеха на их проводе выглядит для контроллера как срабатывание. Отсюда ложные остановки по концевику и сбой поиска нуля. Минимальное сечение для цепей управления в многожильном кабеле по EN 60204-1 0.2 мм², так что здесь важнее трасса и экран, чем сечение.

Сигнальные кабели ведут отдельно от кабелей двигателей и шпинделя. Если они идут рядом с силовыми, берут экранированный кабель. Энкодеры и линии связи подключают экранированной витой парой, так рекомендуют руководства сервоприводов.

Разделка и подключение жил

Гибкая жила класса 5 или 6 состоит из множества тонких проволок. Если зажать её в винтовую клемму без подготовки, часть проволок уйдёт мимо зажима, а контакт со временем ослабнет. EN 60204-1 требует фиксировать проволоки, если клемма для этого не приспособлена, и запрещает использовать для этого пайку. На конец жилы обжимают втулочный наконечник подходящего сечения.

Две жилы под один винт ставят только в клемму, рассчитанную на это, а защитный проводник всегда на отдельную точку. Клеммы и концы кабелей маркируют так же, как на схеме: это сокращает поиск неисправности.

Частые ошибки в проводке станка

• Монтажный провод с жилами класса 1 или 2 в кабель-канале: жила ломается внутри изоляции.
• Экран кабеля двигателя не подключён ни с одной стороны: оплётка есть, а помехи остаются.
• Кабели шагового двигателя и концевых датчиков идут одним пучком без экрана: ложные срабатывания концевиков и сбой поиска нуля.
• Сечение подобрано без учёта соседних кабелей и длины трассы: кабель греется, а напряжение на двигателе падает.
• Кабель CCA выбран по таблицам для меди: его сопротивление в 1.59 раза больше расчётного.
• Концы жил залужены припоем и зажаты в винтовую клемму: стандарт запрещает фиксировать проволоки пайкой.
• Несколько защитных проводников под одним винтом.
• Скрутки и пайка кабеля внутри кабель-канала.

Краткая памятка по выбору кабеля