Главный Привод Станков С Чпу

В станках с чпу применяется главный привод с бесступенчатым регулированием частоты вращения, основой которого являются бесступенчато- регулируемые электродвигатели. В процессе обработки заготовки частота и направление вращения шпинделя изменяются автоматически в соответствии с требованиями технологии. Если при этом вращение шпинделя может быть с периодическими остановками, управляемыми по программе, то он вместе с электродвигателем образует ось «C». Дискретность углового позиционирования шпинделя обычно равна 0,001.

Главные приводы, применяемые в станках с ЧПУ, имеют большой диапазон регулирования, что при достаточной мощности обеспечивает широкие технологические возможности станков. Приводы обладают высокой крутильной жёсткостью и точностью углового позиционирования. В то же время тепловые деформации и силовые процессы приводов не должны существенно снижать точность вращения шпинделя. Применение приводов в виде отдельных компактных агрегатов позволяет создавать многофункциональные станки разнообразных компоновок.

Привод главного движения станка с ЧПУ состоит из электродвигателя, механической части и электронной системы управления.

В приводах современных станков применяются асинхронные электродвигатели. Управление ими производится электронной системой, путём изменения напряжения и частоты в обмотке статора. К особо высокоскоростным двигателям ток подаётся без обратной связи в реальном масштабе времени. Во многих приводах имеется обратная связь на основе магнитного или оптического датчика. Это позволяет управлять частотой вращения шпинделя, обеспечивать программируемое позиционирование и ориентацию шпинделя, необходимую для автоматической смены инструмента, а также синхронное нарезание резьбы.

Главные приводы новейших станков с ЧПУ имеют векторное управление, которое не только формирует гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивает управление магнитным потоком ротора. При управлении двигателем с датчиком скорости используются данные, полученные при измерении скорости ротора и тока статора или ротора. Векторное управление обеспечивает высокую точность регулирования частоты вращения шпинделя, плавный старт и стабильную скорость вращения двигателя во всём диапазоне частот, поддерживает скорость практически постоянной при изменении нагрузки, снижение потерь на нагрев и намагничивание, повышение КПД двигателя.

Основное отличие приводов главного движения станков с ЧПУ заключается в возможности дистанционного автоматического изменения частоты вращения шпинделя, что вытекает из потребности станков СЧПУ. Для этих станков характерны широкий диапазон размеров обрабатываемых поверхностей, марок материалов, видов обработки, использование большого разнообразия режущего и вспомогательного инструмента. Все приводит к необходимости в широком диапазоне выполнять регулирование частоты вращения шпинделя. Высокая стоимость этих станков и потребность в максимальной интенсификации обработки, т. е. обеспечении более высокого съема обрабатываемого материала в единицу времени и сокращение машинного времени обработки детали, требуют применения приводных двигателей более высокой мощности, чем в главных приводах универсальных станков.

Кроме выполнения комплекса технологических команд, конструкция привода главного движения и прежде всего шпиндельного узла должна обеспечивать длительное сохранение точности вращения шпинделя, а также суммарную жесткость, исключающую недопустимые механические деформации.

К приводам главного движения предъявляют кроме того, следующие требования: 1) диапазон регулирования должен охватывать как частоты вращения шпинделя, потребные для быстроходных чистовых операций, в том числе самыми современными инструментами, так и частоты вращения для осуществления предварительной обработки и позиционирования шпинделя; 2) привод должен обеспечивать возможность долговременной работы при использовании его на номинальной мощности; 3) бесступенчатое регулирование частоты вращения и возможно меньшее число механических диапазонов переключения частот вращения; 4) минимальное время разгона и торможения.

В состав привода главного движения входят двигатель привода, коробка скоростей или переключений, приводной вал которой соединен с двигателем муфтой, и шпиндельный узел. Конструкции приводов главного движения и входящих в них составных элементов постоянно развиваются и совершенствуются с целью повышения уровня автоматизации выполнения технологических команд, производительности, надежности работы и диапазона регулирования частоты вращения.

Обрабатывающие центры с ЧПУ должны иметь автоматическую регулировку частоты вращения шпинделя. Для обрабатывающих центров характерны широкий диапазон размеров обрабатываемых отверстий, материалов, предварительная и окончательная обработка, применение самых различных инструментов, в том числе таких, как метчики и протяжки. Это ведет к необходимости обеспечения широкого регулирования частот вращения шпинделя. Высокая стоимость обрабатывающих центров и интенсификация обработки требуют применения двигателей большой мощности.

Использование новейших инструментальных материалов и инструмента традиционных конструкций приводит к расширению диапазона частот вращения. Для назначения оптимальной скорости резания регулирование частот вращения должно быть бесступенчатым.

От динамических характеристик приводов главного движения обрабатывающих центров при управлении разгоном - торможением и позиционированием зависит производительность, так как при обработке деталей с частой сменой инструмента и резьбонарезанием вспомогательное время может составлять до 10% полного времени обработки.

Таким образом, к приводам главного движения предъявляются следующие требования:

• диапазон регулирования должен охватывать скорости, требуемые как для высокопроизводительной чистовой обработки современными инструментами, так и для позиционирования шпинделя;
• привод должен обеспечивать длительный режим работы при полном использовании номинальной мощности;
• бесступенчатое регулирование частоты вращения и возможно меньшее количество механических диапазонов переключения частот вращения;
• минимальное время разгона и торможения для обеспечения минимальных затрат времени при резьбонарезании и позиционировании шпинделя.

На обрабатывающих центрах в качестве приводов главного движения используют асинхронные двух- и трехскоростные двигатели. В сочетании с коробкой скоростей, имеющей электромагнитные муфты, они обеспечивают необходимые частоты вращения шпинделя.

Недостатком таких приводов являются большие размеры коробки скоростей, ее сложность и невысокая надежность. Кроме того, число частот вращения не отвечает требованиям оптимальной скорости резания для обрабатывающих центров.

Из большого разнообразия способов осуществления главного движения для обрабатывающих центров используют следующие: переключение передач с помощью передвижных зубчатых колес и их блоков; смешанная схема переключения с помощью передвижных и сменных колес; переключение с помощью электромагнитных муфт; изменение частоты вращения шпинделя с помощью многоскоростных двигателей и переключения электромагнитных муфт: бесступенчатое регулирование двигателей переменного тока изменением частоты питающего тока; бесступенчатое регулирование двигателей постоянного тока и переключения блоков зубчатых колес; комбинированная система, состоящая из двигателя постоянного тока, зубчатых переключаемых блоков и передачи вращения зубчатым ремнем.

Для обеспечения всех требований к приводам главного движения применяют метод тиристорного регулирования частот вращения с помощью двигателя постоянного тока и переключения зубчатых блоков коробки скоростей.

Такая комбинация позволяет расширить диапазон частот вращения шпинделя при постоянной мощности для высоких частот вращения и при постоянном крутящем моменте для низких.

Двигатели постоянного тока нашли широкое распространение для привода главного движения благодаря упрощению кинематики станка, хорошим механическим характеристикам и большим достижениям в производстве полупроводниковых приборов. Пример двигателя постоянного тока показан на рис. 1.

Рис. 1. Устройство двигателя постоянного тока главного привода обрабатывающего центра

Щеткодержатели 9 или 10 выполнены со свертывающейся пружиной и изолирующим роликом. Щеткодержатели крепятся на щеточной шине 8.

Часто в двигатель встраивается тахогенератор для обеспечения обратной связи по скорости, а в главный и вспомогательный полюсы - температурные датчики. На крышке подшипника с выходной стороны двигателя укреплена катушка электромагнитного тормоза, а на шкиве или на насадном зубчатом колесе - диск тормоза. Между катушкой тормоза и диском имеется зазор 0,3-0,4 мм. Во время прохождения по обмоткам возбуждения двигателя постоянного тока он создает в полюсах и якоре магнитный поток Ф. Поток возбуждения является функцией тока возбуждения и зависит от индукции B и поперечного сечения сердечника F. При подключении обмоток ротора через коллектор к источнику постоянного напряжения по обмоткам течет ток, создающий магнитный поток, который стремится вытеснить находящиеся в нем проводники. Результатом взаимодействия потока возбуждения и потока, создаваемого током якоря, будет вращение ротора. При вращении ротора в нем индуцируется напряжение Е. Двигатель начинает вращаться.

При неизменном потоке возбуждения частоту вращения регулируют изменением тока якоря. При этом момент пропорционален току якоря. Обмотки якоря рассчитывают на максимальное значение тока якоря.

Нагружать двигатель можно до минимального тока, которому соответствует номинальная частота вращения.

По сравнению с главными приводами универсальных станков шпиндель обрабатывающего центра имеет привод обладающий несколько более высокой мощностью, что можно объяснить стремлением обеспечить более высокий съем металла в единицу времени и соответственно сократить машинное время обработки детали. Диапазон скоростей вращения главных приводов обрабатывающих центров, как правило, соответствует диапазону скоростей приводов аналогичных универсальных станков, а его Выбор производится известными методами. Регулирование скорости шпинделя осуществляется обычно бесступенчато, однако достаточно широко применяется и ступенчатое регулирование. В последнем случае коэффициент ряда скоростей не превышает величины 1,41.

Основной отличительной чертой главного привода, которым располагает обрабатывающий центр с ЧПУ является возможность дистанционного изменения скорости, что обусловлено необходимостью управления приводом от стойки управления.

По принципу действия двигателя главного привода станков с ЧПУ можно разделить на три основные типа привода:

• с асинхронным электродвигателем;
• с электродвигателем постоянного тока;
• с гидродвигателями.

Этот тип привода в основном применяется в тех случаях, когда вес и габариты приводных элементов ограничены. Такие условия возникают при работе на станках малых размеров, а также тогда, когда привод необходимо расположить непосредственно на подвижном рабочем органе, например на шпиндельной головке. Обладая сравнительно малыми габаритами и весом, приводы такого типа могут передать достаточно высокую мощность, которая остается постоянной во всем диапазоне регулирования.

Кинематическая схема главного привода обрабатывающего центра с вертикальным расположением шпинделя, для привода которого использован асинхронный электродвигатель, приведена на рис. 2. В этом приводе электродвигатель 4 и связанная с ним ременной передачей 6 восьмиступенчатая коробка скоростей расположены в верхней неподвижной части станка. Ведомый шлицевой вал 3 коробки передает вращение двухступенчатому перебору, смонтированному в шпиндельной головке и связанному непосредственно со шпинделем 1. Изменение скоростей шпинделя производится переключением блоков 2 зубчатых колес. Перемещение последних производится серводвигателями 7, связанными реечными передачами с переключающими вилками 5. Для быстрого включения зацепления во время переключения скоростей главный двигатель сообщает коробке импульсное вращательное 5 движение. Крайние положения блоков контролируются конечными выключателями, которые передают информацию системе ЧПУ об окончании процесса переключения.

Рис. 2. Кинематическая схема главного привода обрабатывающего центра 245BФ4 Одесского завода прецизионных станков

Разновидностью описанного выше привода являются приводы с коробками скоростей, управляемыми электромагнитными муфтами. В такой коробке зубчатые колеса постоянно находятся в зацеплении. Передача крутящего момента производится фрикционной мнoгoдисковой электромагнитной муфтой. Как правило, электромагнитные муфты имеют неподвижный токоподвод. Время переключения скоростей такой коробки значительно меньше.

В коробке могут быть применены косозубые зубчатые колеса, что способствует снижению шума.

Стремление уменьшить коэффициент ряда скоростей для лучшего использования режущего инструмента и сокращения потерь машинного времени привело к применению в приводах главного движения с асинхронным двигателем вариаторов. В основном нашли применение вариаторы с гибкой связью.

Кинематическая схема главного привода обрабатывающего центра 243BФ4, в котором применен вариатор в сочетании с коробкой скоростей, приведена на рис. 3. Вариатор передает 2 3 вращение от электродвигателя 12 трехступенчатой коробке скоростей. На выходе вариатора установлен тахогенератор 8, включенный с задатчиком скорости в мостовую схему. Изменение задания скорости приводит к разбалансировке мостовой схемы. Сигнал разбаланса включает серводвигатель 16, который с помощью зубчатой передачи 17 и винта 14 перемещает каретку 15 вдоль наклонной направляющей 13. Это вызывает смещение оси 10 и дисков 9 и 11, что приводит к изменению передаточного отношения вариатора. Изменение передаточного отношения вариатора производится до тех пор, пока скорость вращения шпинделя не станет равной заданной. В этот момент мостовая схема управления серводвигателем 16 сбалансируется и серводвигатель остановится. Вариатор обеспечивает изменение скорости в диапазоне 1:4.

Рис. 3. Кинематическая схема главного привода обрабатывающего центра 243BФ4 Одесского завода прецизионных станков

Переключение ступеней коробки скоростей осуществляется по командам от системы ЧПУ электромагнитами 1, 18 и 4 постоянного тока. Механизм переключения обеспечивает три положения подвижного блока 2 зубчатых колес и два положения кулачковой муфты 7. Блок 2 зубчатых колес перемещается рычажной системой 3. Верхнее положение блока обеспечивается при включенном электромагните 18, нижнее - при включенном электромагните 1. При выключенных электромагнитах I и 18 с помощью пружин 19 блок шестерен 2 устанавливается в среднее положение. Включение кулачковой муфты 7 осуществляется электромагнитом 4, который связан с вилкой 6. Выключение муфты производится пружиной 5. Сочетание вариатора с двухскоростным электродвигателем еще более упрощает конструкцию привода (рис. 4). В этом приводе двухскоростной электродвигатель 8 передает вращение вариатору 7. С выхода вариатора вращение передается шпинделю двумя кинематическими цепями - либо непосредственно через ременную передачу 5, либо через две замедлительные ременные передачи 4 и 10. Изменение передаточного отношения вариатора производится сервоприводом 9, а переключение диапазонов - тремя электромагнитными муфтами 1, 3 и 6. Привод обеспечивает плавное изменение скоростей вала 2 в диапазоне 25-3500 об/мин. При этом изменение скоростей электродвигателя производится с коэффициентом φ=2, а диапазон регулирования вариатора ориентировочно равен 6.

Рис. 4. Главный привод обрабатывающего центра Н60 (Kearney and Trecker)

Приводы этого типа получили достаточно широкое распространение в обрабатывающих центрах. Преимуществами таких приводов можно считать простую их конструкцию и легкость управления скоростями. К эксплуатационным недостаткам привода следует отнести снижение мощности при уменьшении скорости электродвигателя ниже номинального числа оборотов.

Как правило, передача движения от электродвигателя к шпинделю производится через двух-четырехступенчатую коробку скоростей с управлением электрическими сервоприводами, электромагнитными муфтами либо гидроавтоматикой. Питание таких электродвигателей в основном производится тиристорными преобразователями, обеспечивающими регулирование скорости в диапазоне 20-120 об/мин.

На рис. 5 приведена кинематическая схема и характеристика привода с регулируемым электродвигателем постоянного тока, примененного в горизонтальном обрабатывающем центре 6906BФ4, выпускаемом ранее Одесским заводом прецизионных станков. Этот привод обеспечивает регулирование скоростей шпинделя в пределах 32-1600 об/мин. При этом регулирование скорости электродвигателя производится в диапазоне 1:2,5 с постоянной мощностью, а в диапазоне 1:4 - при постоянном моменте. В наиболее употребимом диапазоне скоростей (63-630 об/мин) мощность привода снижается всего лишь на 16% (рис. 5, в), что не отражается существенно на эксплуатационной характеристике станка. Как видно из графика, для обеспечения силовой характеристики, в этом приводе применен электродвигатель с избыточной мощностью.

Рис. 5. Привод главного движения обрабатывающего центра 6906BФ4 Одесского завода прецизионных станков: а - кинематическая схема: б - график скоростей: в - график мощности шпинделя

Другим примером применения такого привода является привод главного движения станка мод. 2А622Ф4, изготовляемого Ленинградским станкообъединением им. Свердлова (рис. 6). В этом приводе регулируемый электродвигатель связан со шпинделем через четырехступенчатую коробку. Привод обеспечивает три диапазона скоростей вращения шпинделя в пределах 6,3-1250 об/мин. Для сокращения провалов мощности при регулировании скорости электродвигателя с постоянным моментом диапазоны скоростей шпинделя перекрываются. Это позволяет при незначительном усложнении конструкции полностью использовать возможности электродвигателя в наиболее употребимом диапазоне скоростей шпинделя (32-1250 об/мин).

Рис. 6. Привод главного движения обрабатывающего центра 2А6224 Ленинградского станкообъединения им. Свердлова: а - кинематическая схема; б - график скоростей; в - график мощности шпинделя

Приводы с гидродвигателями применяются в основном в гидрофицированных обрабатывающих центрах. Эти приводы имеют достаточно малые габариты при высокой мощности и широком диапазоне регулирования. Обычно диапазон регулирования скоростей гидродвигателя находится в пределах 40-50, а максимальная мощность колеблется в пределах 10-15 кВт. Малые размеры гидродвигателя позволяют устанавливать его непосредственно на шпиндельной головке, что резко сокращает кинематическую цепь привода. Вместе с тем из-за сложности конструкции двигателя и гидростанции применение приводов главного движения с гидродвигателями весьма ограничено. На рис. 7 приведена конструкция главного привода горизонтального обрабатывающего центра. Привод состоит из гидродвигателя и четырехступенчатой коробки и обеспечивает вращение двух шпинделей станка. Шпиндель для фрезерных работ может получать скорости в пределах 22-1120 об/мин. Диапазон скоростей шпинделя для сверлильных работ расширен в 2,5 раза; его скорости находятся в пределах 22-2800 об/мин.

Рис. 7. Главный привод обрабатывающего центра NCMC-1000 (Hüller)

Переключение ступеней коробки производится электромагнитными муфтами, а регулирование скорости двигателя осуществляется специальным сервоприводом. В наиболее часто употребимом диапазоне скоростей (для фрезерного шпинделя свыше 90 об/мин, а для сверлильного шпинделя - свыше 180 об/мин) привод обеспечивает номинальную мощность N = 10,5 кВт (рис. 8).

Аналогичный привод установлен на горизонтальном обрабатывающем центре Horizon-3 фирмы Olivetti. Привод снабжен четырехступенчатым перебором и обеспечивает работу шпинделя в следующих четырех диапазонах скоростей: 40-2000; 50-2500; 60-3000 и 70-3500 об/мин. Мощность привода 11 кВт.

Рис. 8. Мощности главного привода обрабатывающего центра NCMC-1000