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.
Общие характеристики главного привода станка с ЧПУ
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.
Главный привод обрабатывающего центра
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
Корпус 2 двигателя имеет сверху клеммную коробку, закрываемую крышкой 3. В станине смонтирован статор, обеспечивающий большие скорости изменения тока. В корпусе установлены главные 7 и вспомогательные 1 полюсы с обмотками. Якорь 6 с обмотками 5 имеет большое число пазов. Пазы скошены для предотвращения магнитных шумов. С правой стороны якоря расположен коллектор 11. Внутри подшипникового щита установлены щеткодержатели 4, на которых крепятся в зависимости от исполнения, щеткодержатели 9 или 10 (на одну или две щетки).
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.
