В настоящей статье мы рассмотрим процесс определения кинематических соотношений в приводе подачи для станков с чпу, а также скоростную и нагрузочную диаграмму.
Совокупность и чередование движений, реализуемых приводом подачи фрезерного станка с ЧПУ, рассматриваются на примере обработки фрезой контура детали (рис. 1). Быстрый подвод инструмента к заготовке происходит из точки 1.
Привод подачи обеспечивает движение следующих типов:
- разгон и торможение при переходе от одной скорости к другой (участки 1–2, 3–4, 7–8, 9–10 на траектории оси фрезы);
- движение со скоростью быстрого хода (участки 2–3, 8–9);
- движение с постоянной скоростью подачи при выполнении резания на участках контура, параллельных координатным осям (участки 5–6, 11–12);
- движение со скоростью, связанной со скоростью движения по другой координате при выполнении резания на криволинейных или наклонных участках контура (участок 13–14);
- движение со скоростью рабочей подачи при отсутствии резания (участок 4–5, 6–7, 10–11 подвода и перебега инструмента).
В цикле органа, перемещающегося по оси Х, могут быть простои, когда работают приводы подачи по другим осям или происходят съем обработанной детали, установка и зажим заготовки.
Рис. 1. Скоростная и нагрузочная диаграммы привода
Скоростная и нагрузочная диаграммы привода подачи станка
Электродвигатель выбирается с использованием нагрузочной и скоростной диаграмм привода. Нагрузочная диаграмма представляет собой зависимость момента на валу двигателя Mд от времени t (см. рис. 1). Нагрузочные диаграммы бывают детерминированными и статистическими. Детерминированную диаграмму можно построить достаточно точно только для приводов подач специальных станков, когда известны циклограмма их работы, выполняемые технологические переходы с их нагрузочными и скоростными параметрами. Однако в большинстве случаев (для универсальных станков с ЧПУ) нагрузки на привод подачи, скорости исполнительных органов, продолжительность нагружения, циклограммы являются случайными. Поэтому обоснованный выбор электродвигателя для приводов подачи универсальных станков с ЧПУ возможен только на основе статистических диаграмм.
В связи с тем что статистические исследования нагрузочных характеристик приводов подачи станков с ЧПУ не проводились, пользуются прогнозируемыми нагрузочными диаграммами. Их строят для наиболее вероятного или наиболее тяжелого цикла работы приводов. Скоростная диаграмма привода является зависимостью между временем работы двигателя t и частотой вращения его вала nд (см. рис. 1).
Приводы подач обрабатывающих центров
Принципиальное отличие приводов подач которые имеют станки и обрабатывающие центры с ЧПУ от приводов обычных станков заключается в необходимости обеспечения точного положения заготовки по отношению к шпинделю, вращающему инструмент. Точные перемещения по отношению к инструменту должны обеспечиваться в каждый момент времени по программе, заданной технологом, в том числе для ряда поверхностей по криволинейным траекториям.
В соответствии с этим существуют два основных способа обеспечения заданных перемещений:
- С помощью шагового двигателя ШД (рис. 2, а), обеспечивающего вращение ходового винта на заданное число импульсов. Заданное число импульсов задается системой числового программного управления, получающей эту информацию с перфоленты. Гидроусилитель ГУ служит для увеличения крутящего момента ШД. Исполнительный орган ИО осуществляет заданное перемещение. Число импульсов, отрабатываемое гидроусилителем, не контролируется, поэтому системы такого типа получили название систем без обратной связи. Точность перемещений в системе без обратной связи зависит от точности отработки заданной программы, точности и жесткости кинематической цепи всех ее элементов.
- С помощью датчика Д (рис. 2, б), который служит для измерения перемещений исполнительного органа ИО. Двигатель М служит для вращения винта. Величина рассогласования в виде сигнала обратной связи ОС подается на СЧПУ для управления приводным двигателем. Такая система управления называется системой с обратной связью.
Рис. 2. Способы получения заданных перемещений в системе без обратной связи (а) и с обратной связью (б)
Требования к приводам подач, так же как и к приводам вращения шпинделей, обусловлены необходимостью высокой производительности и точности обработки. Производительность и точность обрабатывающих центров определяются быстродействием, скоростью, мощностью и точностью привода подач. Диапазон регулирования подач определяется для обрабатывающего центра необходимостью обеспечения минимальных подач при высокоточной отделочной обработке и при окончании позиционирования в заданные координаты. Производительность будет зависеть от скорости холостого хода и быстродействия привода при изменении направления перемещения и величины подачи при обходе контура детали. Для большинства обрабатывающих центров диапазон рабочих подач составляет 1-2000 мм/мин, а скорость холостого хода 8-12 м/мин. В обрабатывающих центрах используют следующие приводы подач: электрогидравлические с шаговым двигателем и усилителем крутящего момента; гидродвигатели с управлением от сервоклапана; гидроцилиндр и золотниковое устройство с шаговым двигателем; двигатели постоянного тока с тиристорным управлением. Электрогидравлический привод подач получил распространение благодаря простоте, отсутствию обратной связи по положению. Привод состоит из шагового двигателя и гидроусилителя крутящего момента.
Шаговый двигатель - это импульсная синхронная машина, преобразующая электрические управляющие сигналы в дискретные перемещения исполнительного органа станка. Статор 1 двигателя (рис. 3) имеет полюсные наконечники с обмотками, образующими три секции I-III. Обмотки выполнены таким образом, что каждая смежная пара полюсов секции имеет различную полярность. Ротор 2 также разделен на три секции, но каждая из них смещена по окружности относительно смежной секции на 1/3 межполюсного расстояния. Предположим, что в положении, показанном на рис. 3, в электрическую цепь включены обмотки | секции статора. Образующиеся магнитные поля, взаимодействуя с полюсными наконечниками ротора, поворачивают его в положение, соответствующее наименьшему магнитному сопротивлению, когда зубцы ротора окажутся против полюсных наконечников II секции статора. Так как в исходном положении зубцы ротора сдвинуты на 1/3 шага, то ротор повернется тоже на 1/3 шага. Если теперь включить в цепь обмотки III секции статора, ротор повернется еще на 1/3 шага. А после включения секции I ротор закончит поворот на шаг.
Рис. 3. Шаговый двигатель
Для изменения направления вращения ротора порядок включения обмоток статора меняют на обратный. Для получения малых элементарных перемещений ротора, а следовательно, и связанного с ним исполнительного органа стремятся уменьшать шаг между зубьями статора. Для этого зубья делают мелкими. Шаговый двигатель непосредственно для перемещения исполнительного органа можно использовать только в приводах малой мощности. Поэтому шаговые двигатели обычно соединяют с ходовым винтом подачи не непосредственно, а через усилитель крутящих моментов - гидроусилитель.
Гидроусилитель ГУ представляет собой аксиально-поршневой гидромотор со следящим управлением (рис. 4). Он обеспечивает увеличение крутящего момента, развиваемого шаговым двигателем (3). В роторе 3 двигателя расположены поршни 2, которые могут перемещаться в осевом направлении. Под давлением масла, поступающего в двигатель через полукольцевой паз Р1 распределителя 4, поршни 2 упираются в кольцо 1 упорного шарикоподшипника. Кольцо расположено наклонно, и поршни, скользя по наклонной плоскости, образованной подшипником, заставляют ротор поворачиваться в направлении, показанном на рисунке стрелкой. Когда поршень попадает в положение А, приток масла к нему прекращается, так как отверстие ротора попадает на перемычку распределителя. При дальнейшем повороте масло из-под поршня через полукольцевой паз Р, распределителя поступает на слив. Таким образом, каждый поршень за половину оборота ротора совершает рабочих ход, а за следующие пол-оборота - обратный (холостой) ход.
Рис. 4. Гидроусилитель крутящего момента
Для изменения направления вращения ротора масло под давлением подают в паз Р2, а из паза Р1 направляют на слив. Управление потоком масла обеспечивает следящее устройство СУ, управляемое шаговым двигателем. Вал шагового двигателя ШД соединен с плунжером 6 следящего устройства. На плунжере имеются кольцевые канавки K1 и К2 и продольные пазы П1, П2. Плунжер вставлен во втулку 5, соединенную с валом гидроусилителя. Втулка 5 находится в корпусе 7, имеющем кольцевые канавки В1-В4. К кольцевой канавке В2 подводится (канал Д) масло под давлением; канавки В3 служат для отвода масла на слив (канал С); канавки В1 и В4 соединены каналами с полостями распределителя 4. В положении, показанном на рис. 4, а, плунжер 6 перекрывает доступ масла к гидроусилителю, и он не работает.
Но достаточно повернуть плунжер на очень небольшой угол (рис. 4, б), чтобы масло от гидронасоса по каналу Д, кольцевой канавке корпуса следящего устройства и отверстию О1 втулки 5 попало в паз П1 плунжера и далее через канавки К1, В1 и распределитель 4 в ротор гидроусилителя, поворачивая его в том же направлении, что и плунжер. Масло на слив удаляется из гидроусилителя через кольцевую канавку B4 и паз П2 плунжера и отверстие О2 втулки 5, канавку В3 и канал C (рис. 4, а, в).
Если вращать плунжер с помощью шагового двигателя непрерывно, то одновременно, «догоняя» его, будет вращаться и ротор гидроусилителя, а вместе с ним ходовой винт; исполнительный орган станка получит движение подачи. При остановке плунжера он перекроет отверстия втулки, движение потоков масла прекратится, и ротор гидроусилителя немедленно остановится. Для реверсирования гидроусилителя достаточно переключить направление вращения вала шагового двигателя. Направление потоков масла в следящем устройстве изменится на противоположное.
Один шаговый двигатель с гидроусилителем обеспечивает перемещение обрабатываемой заготовки по одной оси координат. Для двухкоординатной системы ЧПУ устанавливается два, а для трехкоординатной - три шаговых двигателя с гидроусилителями.
Наряду с достоинствами, которые заключаются в простоте системы ЧПУ в связи с отсутствием датчика обратной связи, такой привод имеет и недостатки. В электрогидравлическом приводе подач возможна потеря информации о перемещении, ее трудно быстро найти и локализовать.
В обрабатывающих центрах используют серводвигатели с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 5). Ротор 2 двигателя установлен в подшипниках качения, расположенных в крышках 1 и 10. Якорная обмотка 3 питается током через коллектор 5 и щеточный аппарат 6. В корпусе двигателя, выполненного в виде трубы, по всему периметру наклеены постоянные магниты 4. Якорь 8 тахогенератора посажен на ротор двигателя. Статор 7 тахогенератора может быть оснащен постоянными магнитами или обмоткой возбуждения. Редуктор 11 револьвера соединен с ротором двигателя гибкой муфтой 9.
Рис. 5. Конструкция серводвигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов
Высокомоментные двигатели подач постоянного тока позволяют получать большие крутящие моменты при непосредственном соединении с ходовым винтом без промежуточных передач. Основное отличие высокомоментных двигателей от других двигателей постоянного тока заключается в том, что вместо электромагнитного возбуждения используется возбуждение от постоянных магнитов. Благодаря этому двигатель выдерживает значительные перегрузки, отличается высоким быстродействием, так как способен кратковременно развивать большой (50-20 кратный) крутящий момент при малых частотах вращения. Отсутствие обмотки возбуждения, нагревающейся при работе двигателя с электромагнитным возбуждением, обусловливает меньший нагрев двигателя с постоянными магнитами. Благодаря этому стало возможным увеличить ток якоря и развиваемый крутящий момент без увеличения габаритных размеров двигателя.
Для увеличения равномерности вращения ротора двигателя и связанного с ним винта подачи при малых скоростях двигатель имеет большое число полюсов и коллекторных пластин малой ширины. Коллекторы двигателя и тахогенератора имеют специальное покрытие; щетки изготовляют из специально подобранных материалов. Для повышения теплостойкости двигателя при пропускании через обмотку больших токов изоляцию обмоток выполняют из материалов с высокой теплостойкостью. Расширение диапазона регулирования электродвигателей постоянного тока потребовало увеличения габаритных размеров двигателя. Но это оправдано тем, что вместо многоступенчатых коробок передач стало возможным использовать двухступенчатые. Бесступенчатое регулирование позволяет выбирать оптимальные режимы резания для каждого технологического перехода и использовать системы адаптивного управления станками. Кроме того, сокращается вспомогательное время на изменение частоты вращения ходового винта.
Высокомоментные двигатели постоянного тока изготовляют со встроенными тормозами, термической защитой и встречным револьвером. При этом образуется единый силовой узел следящего типа. Данные по промышленной эксплуатации таких двигателей показывают, что может происходить частичное размагничивание Постоянных магнитов и, как результат этого, изменение рабочих характеристик двигателя.
Механизмы быстрых подач станка
Современные обрабатывающие центры и станки, работающие по автоматическому циклу, холостые хода рабочих органов - столов, кареток, головок производятся с повышенной скоростью с целью увеличения производительности станка. Скорости быстрых (ускоренных) холостых ходов при механическом приводе составляют 2-12 м/мин, чаще всего 6-10 м/мин и более.
Структура механизма быстрых подач станка определяется свойствами следующих его основных элементов: тягового устройства привода подач; привода цепи быстрого хода; устройства для сопряжения цепей быстрого и рабочего ходов.
Как известно из теории механизмов и машин, применение в качестве тягового устройства кулачковых механизмов позволяет варьировать скорость подачи в течение одного цикла и изменять направление подачи. Эти свойства кулачковых механизмов позволяют в небольших прутковых автоматах обходиться без цепи быстрых подач.
При тяговых устройствах с постоянным шагом (винт и гайка, шестерня и рейка) для получения быстрых прямых и обратных ходов необходимы цепь быстрого хода и устройство для ее реверсирования. Эта цепь приводится или от быстроходного валика, вращающегося с постоянной скоростью, в начале цепи привода станка, или от отдельного двигателя, если требуется - реверсивного. Индивидуальный электродвигатель упрощает структуру и управление быстрыми подачами.
Сопряжение цепей рабочего и быстрого ходов производится в большинстве станков при помощи муфты обгона односторонней или двусторонней (реверсивной), что позволяет не выключать привод цепи рабочих подач при включении быстрого хода и обеспечивает автоматическое включение рабочего хода при выключении быстрой подачи. Это упрощает систему управления.
Подобными структурными свойствами обладает также дифференциал, приспособленный в большей мере, чем муфта обгона, к большим инерционным нагрузкам, возникающим при реверсировании быстрого хода больших масс в случае применения тяговых устройств с постоянным шагом в крупных станках.
В современных моделях станков значительно реже применяется сопряжение цепей рабочей подачи и быстрого хода при помощи сдвоенной кулачковой муфты, так как в этом случае конструкция привода подач и система управления усложняются.
Во избежание перебегов после выключения быстрого хода при несамотормозящихся тяговых устройствах в ряде случаев требуется торможение привода подач.
Значительно проще и совершеннее осуществляются быстрые подачи при применении гидравлического привода.
