При числовом управлении к конструкции металлорежущих станков предъявляются дополнительные требования. В частности, повышаются требования к надежности станков, их быстродействию, жесткости и точности, увеличивается число управляемых координат, изменяется компоновка станка, совершенствуются конструкции отдельных узлов. В выпускаемых станках с числовым управлением широкое распространение получили гидравлический и тиристорный электромеханический приводы, автоматическая смена инструмента, цифровая индикация исполнительных органов. Если в обычных станках для переключения подачи скоростей шпинделя используют зубчатые муфты, переключаемые вручную, то в станках с числовым управлением эти переключения производятся электромагнитными муфтами. Большое распространение в станках находят гидростатические направляющие, подшипники и винтовые пары, направляющие качения, шариковые винтовые пары (ШВП) и т. д.
В станках с числовым управлением передача движения от привода к исполнительному органу, осуществляется, как правило, при помощи кинематической пары винт - гайка. Обычные винтовые пары обладают низким КПД, являются самотормозящимися, имеют зазоры. Существуют отдельные конструкции винтовых пар, в которых выбор зазоров осуществляется путем постоянного зажима резьбы гайки и винта. Однако при этом сильно увеличивается трение между винтом и гайкой и еще больше снижается КПД передачи.
Как выбрать ШВП для металлорежущего станка
Выбор швп для чпу - это процесс определения основных размеров шариковинтовой пары, обеспечивающих работоспособность по совокупности критериев.
Исходными данными для выбора являются:
- тип станка;
- срок службы, сменность работы, коэффициент технического использования станка;
- масса узла, перемещаемого приводом;
- перечень технологических переходов, в выполнении которых участвует проектируемый привод;
- схема и структура проектируемого привода;
- скорость быстрых движений рабочего органа;
- перечень изготовителей комплектующих элементов привода: электродвигателей, ШВП, муфт, опор и др.
Схема последовательности выбора передачи представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема последовательности выбора ШВП для станка
Определение основных размеров передачи
Длина винта. Нарезанная часть винта (рис. 2) имеет длину
L=lп+lк+lн’+lн”,
где lп – перемещение рабочего органа по координате; lк − предполагаемая длина корпуса гайки; lн’+lн” - длины неиспользуемых частей винта для размещения уплотнений шариковинтовой передачи, упоров, предохраняющих от повреждений.
Рис. 2. Схема к определению длины винта: 1 – двигатель; 2 – муфта; 3, 5 – опоры винта; 4 – винт
Если задана скорость быстрого хода суппорта Vб и определена максимальная допустимая частота вращения винта nm, то можно определить минимальный расчетный шаг винта. В приводе без редуктора
p=Vб/nm
При определении nm следует учитывать, что с этой частотой во время быстрого хода суппорта вращаются не только винт, но и вал электродвигателя, муфта и подшипники опор винта. Поэтому частота вращения винта nm не может быть больше максимальной допустимой частоты вращения других элементов привода.
Конкретное значение nm принимается таким, чтобы шаг р был стандартным.
Наибольший возможный номинальный диаметр передачи определяется по ее параметру быстроходности Nd, гарантированному изготовителем и равному Nd0. Здесь N – наибольшая допустимая частота вращения винта, об/мин, d0 – номинальный диаметр передачи в миллиметрах. По данным изготовителей передач, Nd параметр находится в интервале (1...1,5)*105 мм*мин–1.
Наибольший возможный диаметр передачи
d0’=Nd/nm,
где nm – максимальная частота вращения винта, об/мин.
Наименьший возможный диаметр винта можно определить, исходя из критерия его устойчивости при быстром вращении во время холостого хода рабочего органа. Допустимая частота вращения винта, при которой его вращение устойчиво, т. е. без вибраций в шариковинтовом механизме:
nд=(5*107d2v)/l2,
где d2 – внутренний диаметр резьбы винта, мм; ν – коэффициент, зависящий от способа установки винта на опорах (см. рис. 2); l – наибольшая длина неопертой части винта: для схемы 1 при применении передачи без натяга l = L1, при применении гайки с натягом l=L1’; для остальных схем l = L1.
С учетом коэффициента запаса устойчивости k = 0,8 наибольшая допустимая частота вращения винта (критическая) nk = 0,8nд. Приняв nk равной частоте вращения винта во время быстрого хода nm, получаем
d2=(nml2)/(5*107vk).
Диаметру d2 соответствует номинальный расчётный диаметр передачи
d0”=d2+0,71d.
В качестве номинального диаметра винтовой пары d0 следует принять
d0”≤d0≤d0’.
По каталогу выбирается передача с размерами d0 и р, близкими к расчетным.
Конструкция ШВП станка
Шарико-винтовая пара (ШВП) станка показана на рис. 3, а. Ходовой винт 3 и гайка 2 имеют совпадающие винтовые полукруглые канавки, которые образуют винтовую дорожку, заполненную стальными шариками 4. Последние расположены по всей длине винтовой канавки и передают движение от винта к гайке. На гайке установлена трубка возврата 1, по которой шарики перекатываются от конца резьбы гайки к началу.
В ШВП трение скольжения заменено трением качения. Если в обычной паре боковые поверхности профиля резьбы непосредственно взаимодействуют друг с другом, то в описываемой конструкции они разделены телами качения - шариками. Это обеспечивает значительное повышение к. п. д., позволяет надежно устранить зазоры в паре. Еще более эффективной является конструкция, показанная на рис. 3, б. На винте 1 помещают две шариковые гайки 2 и 4, между которыми устанавливают сильную пружину 3. Пружина, создавая предварительный натяг между винтом и гайками, полностью устраняет зазор в винтовой паре.
Рис. 3. Шариковая винтовая пара: а - ШВП с одной гайкой; б - ШВП с двумя гайками
Исполнительные механизмы привода подачи
Конечным звеном механизма подачи в большинстве современных станков с ЧПУ являются шарико-винтовые пары. В большинстве станков они получают движение от высокомоментного двигателя с широким диапазоном регулирования, который непосредственно связан с ШВП. В других случаях ШВП получают движение от двигателя через редуктор.
Точность и плавность перемещения органов подач зависит в первую очередь от динамических характеристик электродвигателя, редуктора (если такой имеется), ШВП и направляющих. Возникновение низкочастотных колебаний способствует возникновению зазоров в подвижных соединениях. В связи с этим должно быть обеспечено беззазорное соединение двигателя с редуктором и ШВП. Такое соединение обеспечивает эластичная муфта 6 (рис. 4), допускающая некоторые перекосы и несоосность осей и опоры шарикового винта. Регулировка этой муфты для передачи соответствующего момента производится путем увеличения натяга по цилиндрической поверхности с помощью болтов 1, которые осуществляют перемещение конических втулок 2 и 3.
Рис. 4. Схема установки эластичной муфты
Конструкция опоры винта с прецизионными упорными роликовыми подшипниками, применяемая с предварительным натягом, отличается высокой нагрузочной способностью, износостойкостью и жесткостью. Натяг регулируют кольцевой гайкой 5. Стопорным устройством является винт 4.
В конструкциях редукторов должно быть, предусмотрено устройство для автоматической выборки зазоров в подвижных соединениях. На рис. 5 изображен редуктор, который имеет многооперационный станок МС12-250 и используется для подачи по всем координатам. Он рассчитан для получения передаточного отношения: 19/31 4/29 1/12. Для привода подач используют двигатель постоянного тока мощностью 550 Вт. Для выбора зазоров имеются пружина 3 и два червяка 1 и 2, вращающиеся в разные стороны. Пружины создают усилие 200 Н. Желательна выборка зазора и в самом зацеплении зубчатых колес редуктора.
Рис. 5. Редуктор, установленный между двигателем и ШВП в станке МС12-250
В схеме, приведенной на рис. 6, выборка зазора в зацеплениях зубчатых колес осуществляется пружиной 1. Эта пружина создает осевую нагрузку на косозубые колеса 2 и 3, имеющие противоположные углы наклона зубьев. Для уменьшения моментов инерции редуктора желательно стремиться к уменьшению диаметра зубчатых колес.
Рис. 6. Схема редуктора с устранением зазоров в зацеплении колес
При конструировании станков с ЧПУ применяют вращающийся винт как с неподвижной гайкой (например станки МС12-250, 6305Ф4 и др.), так и с вращающейся гайкой и неподвижным винтом относительно стола (например сверлильно-фрезерный станок 16ФСП).
Конструкция с вращающейся гайкой имеют преимущества в том, что в данном случае отпадает вопрос о монтажных трудностях, связанных с получением соосности винта, гайки и подшипников, но привод для ШВП требует большого числа деталей.
На рис. 7 приведен чертеж ШВП станка МС12-250. Отдельные части гайки 1 и 3 устанавливают в корпусе 2 и соединяют с ним зубчатыми венцами. Венцы корпуса отличаются от венцов частей гайки на один зуб, что позволяет осуществлять регулировку натяга между шариками, винтом и гайкой. При повороте правой и левой половины гайки относительно корпуса на один зуб создается натяг 1 мкм. Смазка гаек осуществляется маслом ЦИАТИМ-201.
Рис. 7. Шарико-винтовая пара станка МС12-250
Регулирование зазора в другой конструкции ШВП (рис. 8) для вертикального перемещения шпиндельной головки осуществляется с помощью двух зубчатых венцов 1 и 2, которые расположены с одной стороны ШВП, что несколько удобнее для регулирования.
Рис. 8. Шарико-винтовая пара станка МА200ФА
При работе длинных винтов, передающих движение на сжатие, может возникнуть продольный изгиб, и поэтому лучше, если они работают на растяжение. Для избежания прогиба от температурных деформаций часто в станках в осевом направлении винт закрепляют лишь в одной опоре. В станках с ЧПУ применяют конструкции, в которых закреплены обе опоры винта, а сам винт путем регулирования подшипников растянут. На точность обработки на станках с ЧПУ оказывает влияние способ осевого закрепления винта подачи. Исследованиями установлено, что деформация в осевом направлении привода с одноопорным креплением винта значительно больше, чем деформация в осевом направлении привода с двухопорным креплением. В двухопорной конструкции необходимо создание натяга, который должен компенсировать и погрешности монтажа, и тепловые деформации.
Подобная конструкция винта с опорами 2 и 3, на которых он закреплен, приведена на рис. 9. При применении растянутого винта и сжатой гайки можно добиться большей равномерности распределения контактных напряжений на дорожках качения. В связи с большой чувствительностью к абразивному износу ШВП защищают от загрязнения телескопическими щитками 4. Особо высокие требования предъявляют к смазке для ШВП. Муфту 1 применяют для безлюфтового соединения винта с редуктором.
Рис. 9. Шарико-винтовая пара с закреплением концов винта
Для получения меньшего размера и компактности опор винты иногда делают с игольчатыми подшипниками. Для повышения долговечности рабочих поверхностей ШВП их твердость должна быть не менее HRC 60. Допускаемая погрешность изготовления на один оборот шага винта - 4-6 мкм. В большинстве случаев для ШВП применяют винты диаметром не менее 50 мм.
Важнейшим элементом эксплуатации станков с ЧПУ является регулирование зазора и создание необходимого натяга соединения гайки с винтом. В конструкции ШВП (рис. 10) эта операция выполняется в следующем порядке. Определяется осевой люфт ∆ в ШВП по крайней мере в двух крайних и в среднем положениях гайки на винте. Для ШВП, которыми располагает многооперационный станок 6560МФ3 по ТУ необходимо поддерживать натяг, равный 0,02 мм, что соответствует моменту холостого хода порядка 300 Н•см. Один градус поворота полугайки 2 соответствует осевому перемещению 0,028 мм (10/360°). Для создания натяга 0,02 мм необходимо повернуть полугайку 2 винтом на величину (∆-|-0,02)/0,028 град.
Рис. 10. Шариковинтовая пара станка 6560МФ3
