Електропроводка для верстата ЧПУ: гнучкі кабелі TRVVP і TRVV для кабель-каналу

Електропроводка верстата ЧПУ: від шафи до шпинделя

Електропроводка верстата з ЧПУ з’єднує шафу керування з двигунами осей, шпинделем, кінцевими датчиками, кнопками і насосом охолодження. Частина кабелів лежить нерухомо в шафі та на рамі, частина рухається разом з порталом і каретками та згинається під час кожного переміщення осі. Невдало вибраний кабель проявляє себе не одразу: з часом ламається жила в кабель-каналі, датчик ловить завади і дає хибні спрацювання, двигун втрачає кроки.

У цій статті розберемо, які кабелі потрібні верстату, чим гнучкий кабель відрізняється від монтажного, навіщо потрібен екран і куди його підключати, як підібрати переріз за струмом і падінням напруги, як укладати кабель у кабель-канал і як заземлити шпиндель і двигуни. Цифри взято зі стандарту на електрообладнання машин EN 60204-1 (ДСТУ EN 60204-1) і з посібників до драйверів і частотних перетворювачів.

Які кабелі потрібні верстату ЧПУ

Проводку верстата зручно поділити на групи за призначенням, бо вимоги до кабелю в них різні.

• Живлення шафи: від мережі до вступного автомата, блоків живлення і частотного перетворювача. Цей кабель лежить нерухомо.
• Кабелі крокових двигунів і сервоприводів: від драйверів до двигунів осей. Біполярному кроковому двигуну потрібні 4 жили, по 2 на кожну обмотку. Кабель іде в кабель-каналі і постійно згинається.
• Кабель шпинделя: від частотного перетворювача до шпинделя, три фази U, V, W і захисний провідник PE.
• Сигнальні кабелі: кінцеві вимикачі, датчик нульової точки, датчик довжини інструмента, енкодери, кнопки виносного пульта.
• Захисні провідники PE: з’єднують раму, корпуси двигунів, шпинделя і шафи з шиною заземлення.

Для кожної групи підбирають клас гнучкості жил, переріз, екран і матеріал оболонки. Далі по черзі.

Класи жил: чому в кабель-канал потрібен гнучкий кабель

Стандарт IEC 60228, на який посилається EN 60204-1, ділить мідні жили на класи за гнучкістю. Клас 1 це однодротова жила, клас 2 багатодротова з кількох товстих дротів. Обидві призначені для нерухомого прокладання між жорсткими частинами. Клас 5 гнучкий, з безлічі тонких дротів, для вібрації і рухомих частин. Клас 6 ще гнучкіший за клас 5, дроти в ньому тонші.

EN 60204-1 вимагає, щоб провідники, які часто рухаються, наприклад один раз на годину, мали жили класу 5 або 6. Гнучкий кабель за стандартом повинен мати жили класу 5 або 6. Кабель у кабель-каналі верстата рухається під час кожного переміщення осі, тому монтажний провід класу 1 або 2 для нього не підходить: товсті дроти втомлюються від згину і ламаються всередині ізоляції, а зовні кабель виглядає цілим.

Кабелі TRVV і TRVVP роблять для рухомого прокладання. За описами виробників у них жили з тонких дротів класу 6, ізоляція і оболонка з ПВХ, а літера P у позначенні означає екран з обплетення.

Мідь і CCA: чому важливий матеріал жили

CCA (copper clad aluminium) це алюмінієва жила, вкрита тонким шаром міді. Зовні вона виглядає мідною, але проводить струм гірше. Питомий опір відпаленої міді 0.01724 Ом·мм²/м. Для проводу CCA з 10% міді за об’ємом стандарт ASTM B566 допускає до 0.02743 Ом·мм²/м, це в 1.59 раза більше.

За опором жила CCA перерізом 0.5 мм² відповідає мідній жилі перерізом 0.31 мм². Таблиці допустимих струмів і мінімальних перерізів EN 60204-1 складено для мідних провідників, тому кабель CCA не можна вибирати за ними як мідний. На торці свіжого зрізу в жили CCA видно сріблясте алюмінієве осердя під мідним шаром.

Жили кабелів TRVVP у нашому каталозі з чистої міді, без CCA.

Екранований і неекранований кабель

Драйвер крокового двигуна і частотний перетворювач живлять обмотки імпульсами ШІМ з крутими фронтами. Кабель двигуна при цьому випромінює завади і наводить їх на дроти, що йдуть поруч: сигнали кінцевих датчиків, крок і напрямок, лінії енкодера. Екран з обплетення, підключений до заземлення, замикає ці завади і зменшує випромінювання кабелю.

Екран потрібен у двох випадках. Перший: кабель сам створює завади. Це кабелі крокових двигунів, сервоприводів і шпинделя, і посібники драйверів вимагають підключати двигун екранованим кабелем. Другий: кабель несе слабкий сигнал, який легко спотворити. Це енкодери, аналогове завдання швидкості шпинделя і лінії зв’язку.

Кабель без екрана підходить для кіл, які не створюють сильних завад: живлення і сигнали кінцевих вимикачів, кнопки, вентилятори, підсвічування. EN 60204-1 дозволяє прокладати кола різного призначення в одному каналі, тільки якщо це не порушує їхньої роботи, а за різних напруг ізоляція всіх провідників має бути розрахована на найвищу напругу в каналі. Посібники драйверів вимагають тримати кабель двигуна окремо від сигнальних кабелів.

Екран, не підключений з жодного боку, завад не пригнічує. Екранований кабель розв’язує задачу тільки разом із правильним підключенням обплетення.

Куди підключати екран

Правило залежить від типу кабелю, і пріоритет завжди за посібником конкретного приводу.

• Кабель шпинделя від частотного перетворювача. Посібники перетворювачів вимагають заземлювати екран силового кабелю двигуна з обох боків: на клемі PE перетворювача і на корпусі шпинделя. Найкращий контакт дає обтиснення обплетення по всьому колу хомутом або металевим кабельним вводом.
• Кабель крокового двигуна. Посібники драйверів приписують підключати екран на боці драйвера, до клеми екрана або до мінуса блока живлення. З боку двигуна обплетення не підключають, якщо корпус двигуна заземлений через раму верстата, щоб екраном не пішов зрівняльний струм.
• Сигнальні кабелі: енкодери, аналогове завдання швидкості, датчики. Екран заземлюють з боку шафи, біля приводу або контролера, другий кінець залишають вільним та ізолюють. Якщо посібник приводу вимагає заземлювати екран енкодера з двох боків, виконують вимогу посібника.

Кінець обплетення обробляють так, щоб дроти не розпушувалися і не торкалися сусідніх клем. EN 60204-1 вимагає закінчувати екрани так, щоб дроти не розходилися, а кабель можна було легко від’єднати.

Переріз жили, струм і падіння напруги

Переріз вибирають за трьома умовами: жила не тонша за мінімум за механічною міцністю, кабель не перегрівається, а втрата напруги на ньому не перевищує 5% від номінальної. Остання вимога EN 60204-1 на довгій трасі змушує брати переріз більший, ніж за таблицею струмів.

Мінімальні перерізи мідних жил багатожильного кабелю поза шафою за EN 60204-1: 0.75 мм² для силових кіл, нерухомих і рухомих; 0.2 мм² для кіл керування в кабелі з трьома і більше жилами або у двожильному екранованому; 0.5 мм² для двожильного кабелю кіл керування без екрана; 0.08 мм² для кіл передачі даних.

Допустимий струм залежить від способу прокладання. Для мідних жил в ізоляції з ПВХ за +40 °C стандарт дає такі значення для одного трифазного кола, поруч зазначено опір жили за 20 °C:

Якщо поруч ідуть інші навантажені кабелі, струм зменшують коефіцієнтом групування. Для способу B2 він дорівнює 0.80 для двох кабелів, 0.65 для чотирьох, 0.57 для шести і 0.50 для дев’яти. Для кіл, струм яких менший за 30% від допустимого, коефіцієнт не застосовують. Жила в ізоляції з ПВХ допускає нагрів до 70 °C у роботі і до 160 °C під час короткого замикання.

Приклад розрахунку: двигун осі і шпиндель

Кроковий двигун зі струмом фази 4 А стоїть за 5 м від драйвера. Струм обмотки проходить двома жилами, туди і назад, тому довжина провідника в колі 10 м. Жила 0.5 мм² має опір 36.70 Ом/км, жила 0.75 мм² 24.80 Ом/км.

• Мідь 0.5 мм²: опір 0.367 Ом, падіння напруги 1.47 В, нагрів кабелю 5.87 Вт на одну обмотку.
• Мідь 0.75 мм²: опір 0.248 Ом, падіння напруги 0.99 В, нагрів 3.97 Вт на одну обмотку.
• CCA 0.5 мм²: опір 0.584 Ом, падіння напруги 2.34 В, нагрів 9.34 Вт на одну обмотку.

Драйвер з регулюванням струму доведе струм обмотки до заданого, але втрачену в кабелі напругу він забирає із запасу напруги живлення, а від цього запасу залежить момент двигуна на високих обертах. Посібник одного з драйверів зазначає, що кабель двигуна довший за 10 м потребує збільшеного перерізу для компенсації падіння напруги. Для обмоток крокового двигуна застосовують кабель 4 жили перерізом від 0.5 до 1.5 мм² залежно від струму.

Шпиндель з номінальним струмом 7 А підключений кабелем, що йде в закритому коробі разом із другим навантаженим силовим кабелем (спосіб B2). Для 0.75 мм² таблиця дає 8.5 А, з коефіцієнтом 0.80 залишається 6.8 А, це менше за 7 А. Для 1.0 мм² виходить 10.1 x 0.80 = 8.08 А, такий кабель підходить. Падіння напруги на 5 м цього кабелю: 1.732 x 7 x 0.091 = 1.10 В, це 0.5% від 220 В за допустимих 5%.

Як укладати кабель у кабель-канал

Кабель-канал веде кабелі за рухомою частиною верстата і задає їм радіус згину. EN 60204-1 зазначає, що ресурс гнучкого кабелю знижується, коли збігаються великий натяг, малий радіус, згин в іншій площині і часті цикли. Тому укладання впливає на термін служби не менше, ніж сам кабель.

• Радіус згину. Петля рухомого кабелю повинна давати радіус не менше 10 діаметрів кабелю. Для кабелю діаметром 6 мм це 60 мм, і радіус кабель-каналу вибирають не меншим за це значення або за даними виробника кабелю.
• Без скручування. Кабель укладають у канал без закручування навколо своєї осі: стандарт вимагає уникати скручування кабелю на вході в направляючі пристрої і на виході з них.
• Кріплення на кінцях. Кабель закріплюють на нерухомому і на рухомому кінці каналу, окремо від клем. Рухомий кабель не повинен створювати механічного навантаження на точки підключення.
• Натяг. Для мідних жил EN 60204-1 обмежує розтягувальне зусилля 15 Н на 1 мм² перерізу міді. У кабелю 4x0.5 загальний переріз міді 2 мм², отже допустимо не більше 30 Н, у кабелю 4x0.75 не більше 45 Н.
• Свобода всередині каналу. Кабелі не стягують хомутами всередині каналу, щоб під час згину кожен міг вільно зміщуватися. Силові і сигнальні кабелі розводять по різних відділеннях каналу.
• Зазор. Між рухомими частинами і кабелем залишають не менше 25 мм, а якщо це неможливо, ставлять нерухому перегородку.
• Без з’єднань. Кабель ведуть від клеми до клеми цілим, без скруток і паяння всередині каналу. Роз’єм із захистом від випадкового роз’єднання з’єднанням не вважається і ставиться там, де кабель потрібно від’єднувати.
• Оболонка. На кабель у робочій зоні потрапляють мастило, ЗОР і пил, тому стандарт вимагає оболонку, стійку до зношування від руху і до цих забруднень.

Кабель шпинделя: U, V, W і PE

Шпиндель із частотним перетворювачем підключають чотирижильним кабелем: три фази U, V, W і захисний провідник PE в одному кабелі. EN 60204-1 рекомендує вести захисний провідник поруч із фазними, це зменшує опір петлі. Порядок фаз задає напрямок обертання: якщо поміняти місцями дві будь-які фази, шпиндель закрутиться у зворотний бік. Напрямок перевіряють на малих обертах до встановлення інструмента.

На виході перетворювача напруга ШІМ з крутими фронтами, тому кабель шпинделя найсильніше джерело завад у верстаті. Його беруть екранованим, ведуть окремо від сигнальних кабелів і заземлюють екран з обох боків. Переріз вибирають за номінальним струмом із паспорта шпинделя і за способом прокладання, як у прикладі вище.

Заземлення верстата, шпинделя і двигунів

Заземлення верстата розв’язує дві задачі: захищає людину під час пробою ізоляції і дає шлях завадам, які збирає екран. Раму, портал, корпус шпинделя, корпуси двигунів і корпус шафи з’єднують захисними провідниками з шиною PE в шафі, а шину із захисним провідником мережі.

Захисний провідник за EN 60204-1 позначають жовто-зеленим кольором по всій довжині, і цей колір не використовують ні для чого іншого. До однієї точки клеми підключають тільки один захисний провідник, тому PE зручно розводити зіркою від спільної шини: кожен провідник на свій затискач.

Корпус шпинделя заземлюють через жилу PE його кабелю: вона йде на клему PE перетворювача, а клема з’єднується з шиною шафи. У посібнику одного з перетворювачів зазначено, що без заземлення на корпусі двигуна наводиться напруга від 30 до 150 В. Корпуси крокових двигунів заземлюються через металеву раму, до якої вони прикручені, а раму з’єднують із шиною PE окремим провідником. Якщо двигун стоїть на ізолювальній прокладці, його корпус з’єднують з PE власним провідником.

Датчики і сигнальні лінії

Кінцеві вимикачі, датчики нульової точки і датчик довжини інструмента передають у контролер слабкий сигнал, і завада на їхньому дроті виглядає для контролера як спрацювання. Звідси хибні зупинки по кінцевику і збій пошуку нуля. Мінімальний переріз для кіл керування в багатожильному кабелі за EN 60204-1 0.2 мм², тож тут важливіші траса і екран, ніж переріз.

Сигнальні кабелі ведуть окремо від кабелів двигунів і шпинделя. Якщо вони йдуть поруч із силовими, беруть екранований кабель. Енкодери і лінії зв’язку підключають екранованою витою парою, так рекомендують посібники сервоприводів.

Оброблення і підключення жил

Гнучка жила класу 5 або 6 складається з безлічі тонких дротів. Якщо затиснути її у гвинтову клему без підготовки, частина дротів піде повз затискач, а контакт з часом ослабне. EN 60204-1 вимагає фіксувати дроти, якщо клема для цього не пристосована, і забороняє використовувати для цього паяння. На кінець жили обтискають втулковий наконечник відповідного перерізу.

Дві жили під один гвинт ставлять тільки в клему, розраховану на це, а захисний провідник завжди на окрему точку. Клеми і кінці кабелів маркують так само, як на схемі: це скорочує пошук несправності.

Часті помилки в проводці верстата

• Монтажний провід із жилами класу 1 або 2 у кабель-каналі: жила ламається всередині ізоляції.
• Екран кабелю двигуна не підключений з жодного боку: обплетення є, а завади залишаються.
• Кабелі крокового двигуна і кінцевих датчиків ідуть одним пучком без екрана: хибні спрацювання кінцевиків і збій пошуку нуля.
• Переріз підібрано без урахування сусідніх кабелів і довжини траси: кабель гріється, а напруга на двигуні падає.
• Кабель CCA вибрано за таблицями для міді: його опір у 1.59 раза більший за розрахунковий.
• Кінці жил залужені припоєм і затиснуті у гвинтову клему: стандарт забороняє фіксувати дроти паянням.
• Кілька захисних провідників під одним гвинтом.
• Скрутки і паяння кабелю всередині кабель-каналу.

Коротка пам’ятка з вибору кабелю