В этой статье мы разберемся в понятии - следящий привод станка, его устройство и особенности работы. Привод подач – один из основных узлов, определяющих производительность и точность станка с ЧПУ. Поскольку УЧПУ практически безинерционно формирует сигналы управления приводом, обеспечивающие движение по заданной траектории или позиционирование в заданной координате, большое значение приобретает совершенствование параметров исполнительного двигателя и схемы управления им с учетом особенностей кинематической цепи привода.
По мере совершенствования СЧПУ, увеличения жесткости и точности узлов станка, повышаются требования к быстродействию и точности привода подач: скорость быстрых перемещений в современных станках доведена до 50 м/мин, а дискретность перемещений – до 1 нм.
Указанным требованиям удовлетворяют приводы и двигатели, разработанные специально для станков с ЧПУ. Высокими показателями характеризуется тиристорный привод с низкоскоростным высокомоментным двигателем постоянного тока и возбуждением от высокоэнергетических магнитов (рис. 1). Двигатель имеет большой момент инерции, обеспечивает хорошие динамические характеристики, полученные в результате использования (для возбуждения) высокоэнергетических керамических магнитов, выдерживающих 10-15-кратные пиковые моменты без размагничивания. Значительная масса и теплоемкость ротора позволяют достаточно долго (до 30 мин) выдерживать значительные перегрузки.
Рис. 1. Конструктивная схема высокомоментного двигателя: 1 - повышающая передача (мультипликатор); 2 - резольвер; 3 - тахогенератор; 4, 5 - коллекторы; 6 - ротор; 7 - корпус статора; 8 - ферритовые полюсы; 9 - электромагнитный тормоз
В приводах с высокомоментными двигателями во многих случаях исключена необходимость в редукторе или значительно упростилась его конструкция, что уменьшило динамическую нагрузку приводного механизма и ее влияние на переходные процессы. Высокий КПД современных винтовых передач и направляющих обеспечивает ускоренные перемещения при крутящем моменте привода, равном 15-20 % от номинального крутящего момента, необходимого для процесса резания. В то же время, резание с большими усилиями возможно лишь при скорости, равной 15-20 % от скорости быстрого перемещения. Эти особенности и определяют специфику создания привода подач станков.
Однако, несмотря на все свои достоинства, высокомоментный двигатель постоянного тока не используется в современных станках. Это обусловлено наличием коллекторных узлов в конструкции двигателя. Являясь ненадежным и быстро изнашиваемым узлом, коллектор приводит к частым отказам привода. Вследствие этого, наибольшее распространение в современных приводах получили синхронные электродвигатели. Они обладают удовлетворительными характеристиками, и в их конструкции полностью отсутствует коллектор, т. к. ротор такого двигателя выполнен из высокоэнергетических магнитов, а обмотки расположены в неподвижном статоре.
Следящий привод станка имеет, как минимум, два датчика обратной связи – по скорости (тахогенератор) и по пути. Тахогенератор всегда устанавливают на вал двигателя подачи, при этом часто встраивают непосредственно в двигатель. Что касается датчика обратной связи по пути, то существуют три варианта его установки, в зависимости от которых различают и структурные схемы следящих приводов (рис. 2).
Рис. 2. Структурные схемы следящих приводов: а - с полузамкнутым контуром обратной связи по пути; б - то же с замкнутым контуром; в - с гибридной схемой обратной связи; 1 - основной блок УЧПУ; 2 - узел управления приводом; 3 - блок привода; 4 - двигатель подачи; 5 - тахогенератор; 6 - стол станка; 7 - круговой датчик обратной связи по пути; 8 - линейный датчик обратной связи по пути
В станках нормальной точности датчик обратной связи по пути выполняют круговым и устанавливают на ходовой винт или на вал двигателя (рис. 2 (а)); поскольку пара винт—гайка не охвачена обратной связью, погрешности этой пары переносятся на изделие. Систематическую слагаемую этих погрешностей, повторяющуюся стабильно, можно компенсировать с помощью заранее программируемых корректирующих сигналов. Следящие приводы станка с такой структурной схемой, называемой схемой с полузамкнутым контуром обратной связи по положению, обеспечивают точность позиционирования ± 10 мкм.
В микропроцессорных системах ЧПУ обратные связи по пути замыкаются в УЧПУ, а обратные связи по скорости — в блоке управления приводом. Таким образом, в следящих системах используют регулируемый привод с введением обратной связи по пути.
В прецизионных станках устанавливают на столе станка высокоточный линейный датчик 8 (рис. 2 (б)). Такая структурная схема называется замкнутой по положению. При этой схеме зазоры в кинематической цепи и упругие деформации влияют на колебания привода.
Поэтому, в ряде случаев (например, в тяжелых станках) применяют гибридную схему обратной связи (рис. 2 (б)), в которой используют два датчика: круговой, установленный на вал двигателя или ходовой винт, и линейный, установленный на стол станка.
При этом круговой датчик используют для позиционирования, а линейный – для автоматической коррекции погрешностей кинематической цепи.
Для уменьшения величины выбега (т. е. пути, который проходит рабочий орган после получения команды на остановку) используют способы интенсивного торможения. Подходить к позиции точной остановки можно лишь на очень низкой скорости. Поэтому между первой (на торможение) и второй (на отключение) командами в позиции точной остановки приходится вводить промежуточную скорость. В цикловых системах управления при одноступенчатом графике позиционирования после получения команды на торможение рабочий орган станка, например координатный стол, может остановиться в любой точке участка, который называется участком разброса тормозного пути при одноступенчатой остановке. Если рабочий орган остановится в начале этого участка, то весь участок придется проходить на ползучей скорости. Чаще всего остановка происходит в середине этого участка и оставшуюся половину проходят на ползучей скорости. По сравнению с одноступенчатым двухступенчатый график (показан жирными линиями на рис. 3) позволяет значительно (примерно в три раза) сократить время позиционирования: после получения первой команды (на торможение) выполняется переход рабочего органа на промежуточную скорость, с которой он перемещается до получения команды на второе торможение; затем скорость снижается до уровня ползучей и рабочий орган попадает на участок, называемый участком разброса тормозного пути при втором торможении.
Увеличивая число ступеней, переходят к графику с непрерывным позиционированием, который называется «оптимальным» и обеспечивает заданную точность позиционирования при минимальных затратах времени. Осуществление оптимального графика решается в системах ЧПУ со следящим приводом; в этих системах реализуются также двух- и трехступенчатые циклы позиционирования.
Рис. 3. Траектория одноступенчатого и многоступенчатого позиционирования: 1 - команда на торможение; 2 - команда на снижение скорости; 3 - команда на остановку; V0, V1, V2 - скорость быстрого хода, промежуточная и ползучая соответственно
Гидравлические следящие системы
Гидравлическая следящая система (рис. 4), применяемая для привода суппортов, в наиболее простом исполнении состоит из следующих основных элементов:
- П - программоносителя, которым служит копир при копировании профиля (см. Копировальный фрезерный станок) или задающий движение командный механизм (при копировании движений);
- Н - насоса, подающего поток масла в исполнительный механизм (гидроцилиндр) И рабочего органа P суппорта;
- Щ - щупа, выполненного в виде распределительного золотника, направляющего поток масла в ту или иную полость гидроцилиндра в зависимости от направления смещения золотника программоносителем;
- О - обратной связи, жестко связывающей суппорт с корпусом золотника-щупа, а иногда с золотником щупа. Благодаря обратной связи при смещении золотника, щупа корпус последнего перекрывает проходное сечение для поступления масла в гидроцилиндр, когда суппорт переместится на величину смещения золотника щупа. Если же золотник щупа непрерывно смещается, то устанавливается проходное сечение такой величины, что суппорт смещается со скоростью смещения золотника щупа. В результате следящая система стремится сохранить расстояние между наконечником щупа и острием резца (в направлении перемещения суппорта) постоянным, но в отличие от механического копирования - при малых силах давления на наконечнике щупа и копире.
В отличие от электрических копировальных следящих систем гидравлические следящие системы не требуют усилителей мощности сигналов и вследствие меньшей инерционности обладают большим быстродействием.
Недостаток гидравлических следящих систем - склонность к вибрациям при больших величинах подачи.
Рис. 4. Блок-схема гидравлической следящей системы
