З числовим програмним керуванням

Мета роботи: вивчити призначення, різновидності і будову верстатів з числовим програмним керуванням, ознайомитися з їх технологічними можливостями, ознайомитися з конструкцій основних механізмів, пристроїв і інструментів.

Забезпечення роботи: схеми компонування верстатів з числовим програмним керуванням.

3.1. Теоретичні відомості

Основою числового програмного керування (ЧПК) верстатами є числове задання програми переміщень виконавчих органів верстатів у процесі обробки. Основною перевагою систем ЧПК є те, що програма формоутворення і допоміжних рухів виконавчих органів не пов’язана з структурою і конструкцією верстатів, тому вона не викликає його суттєвого переналагодження при зміні програми.

Рис. 3.1. Загальний вигляд токарного верстата з ЧПК

На відміну від верстатів-автоматів, де програма задається в аналоговому вигляді (шаблони, копіри, кулачки тощо), у верстатах з числовим програмним керуванням (ЧПК) реалізується зв’язок розмірів деталі з програмою, заданою у вигляді числового коду на відповідному носію. Тому підготовка таких програм, їхнє тиражування вимагає меншої трудомісткості в порівнянні з трудомісткістю виготовлення кулачків або копірів (для їх виготовлення необхідні трудомісткі розрахункові та графічні роботи і механічна обробка). Підготовка програм для верстатів з ЧПК зводиться до їх розрахунку та запису на носій. Іншою перевагою ЧПК є можливість корекції програм безпосередньо в процесі обробки без заміни програмоносія.

У загальному випадку використання верстатів з ЧПК у порівнянні з іншими металорізальними верстатами дозволяє збільшити продуктивність праці у 2…4 рази.

Система ЧПК складається з двох груп пристроїв, які мають самостійне призначення: пристрої для запису програми; пристрої для відтворення програми.

Усі дії, які виконують елементи верстата за сигналами системи програмного керування (ПК), можна звести до двох груп:

1) різні вмикання і вимикання для зміни режимів різання, зміни інструмента тощо;

2) переміщення полозків верстата чи повороти столу.

Основні відмінності систем ПК верстатів полягає в різних способах складення і перетворення інформації про переміщення виконавчих органів верстатів і в принципі дії механізмів, що здійснюють це переміщення.

Розрізняють такі системи ПК:

1) за числом потоків інформації - розімкнуті, замкнуті і самоналагоджувальні;

2) за призначенням - для позиційного, ступінчастого і функціонального керування;

3) за видом інформації - числові і нечислові;

4) за видом моносія - з перфорованими стрічками, з перфорованими картами, з магнітними стрічками, з командоапаратами, з комутаторами;

5) за принципом обмеження переміщення виконавчого органа верстата - імпульсні, аналогові, шляхові, тимчасові;

6) за принципом виміру дійсного переміщення виконавчого органа верстата - з одновідліковим виміром, з безпосереднім виміром, з непрямим виміром;

7) за фізичним принципом, покладеним в основу виміру дійсного переміщення виконавчого органа верстата - з механічними, оптичними, електричними і змішаними вимірювальними пристроями.

Однією з основних ознак, за якою системи ПК можуть бути зведені в три класи, є число потоків інформації, які циркулюють у системі керування.

Перший клас системи ПК складають розімкнуті системи, характерною рисою яких є наявність тільки одного потоку інформації, спрямованого від зчитувального пристрою до виконавчого пристрою.

Другий клас утворюють системи ПК зі зворотним зв'язком, відмінною рисою яких є наявність двох потоків інформації: одного - від зчитувального пристрою, другого - від вимірювача дійсних переміщень виконавчого органа верстата.

Третій клас складають самоналагоджувальні системи ПК, у яких циркулюють три потоки інформації. Їхня дія ґрунтується на безпосередньому вимірюванні розміру обробленої поверхні.

Системи ПК в залежності від складності програм складаються з окремих автоматичних елементів, які виконують наступні функції:

1) пристрій для введення програми, призначений для зчитування програми і перетворення „прочитаних” даних у необхідні сигнали керування;

2) проміжна пам'ять, необхідна для запам'ятовування і збереження протягом заданого часу сигналів, що надходять від пристрою для введення програми;

3) інтерполятори – лічильні пристрої, призначені для обчислення координат проміжних точок контура виробу і подачі сигналів керування в період між двома сигналами, що надходять від носія. Інтерполятори застосовують головним чином для відтворення руху по криволінійних траєкторіях. Сигнали носія забезпечують два сусідніх положення інструмента і заготовки. Положення ж інструмента в проміжних точках і керування рухом столу або супорта на даному відрізку траєкторії здійснює інтерполятор;

4) зрівнювальний пристрій - вузол активного контролю. Його робота полягає в тому, що за допомогою системи зворотного зв'язку зіставляється величина переміщення, що задається програмою, з фактичною величиною переміщення робочого органа верстата. Доти, поки є „неузгодженість”, тобто різниця між зазначеними величинами, система працює. Після закінчення заданого переміщення зрівнювальний пристрій виробляє сигнал, що вимикає рух робочого органа. Якщо в процесі роботи виявляється відхилення від заданої траєкторії чи величини переміщення (наприклад, внаслідок зношення інструмента), пристрій подає сигнал для виправлення помилки. Ці пристрої утворюють систему зворотнього зв'язку;

5) командні пристрої, які перетворюють сигнали, що надходять у них, у командні імпульси, що безпосередньо керують виконавчими механізмами: електромагнітами, електромагнітними муфтами, гідравлічними золотниками тощо;

6) приводи подачі - пристрої, що здійснюють переміщення робочих органів (супортів, столів і інших вузлів верстата) при вмиканні виконавчих механізмів. Як приводи застосовують гвинтові механізми, гідроциліндри, крокові двигуни тощо.

На рис. 3.2 показана принципова схема ПК з кроковим двигуном, яка забезпечує дозоване переміщення супорта при подачі керуючого імпульса. Виконавчий орган верстата отримує поздовжнє переміщення від крокового двигуна, який працює циклічно - у вигляді малих переміщень певної величини. На кожне таке переміщення потрібен окремий імпульс. Керуючий сигнал, зчитаний з програми, передається на підсилювач сигналів 2, звідки у вигляді електричного імпульса поступає на кроковий двигун 3, який і здійснює задане переміщення. Кількість імпульсів, потрібних для переміщення супорта на задану величину, залежить від їх ціни. Якщо, наприклад, довжина ходу – 5 мм, а ціна імпульса - 0,1 мм, то для переміщення на задану довжину потрібно подати 50 імпульсів. Система проста і надійна, проте ставить високі вимоги до точності роботи виконавчих механізмів, які повинні забезпечувати прецизійні переміщення рухомих частин верстата при подачі окремих імпульсів.

Рис.3.3. Структурна схема крокових систем ПК: 1 – пристрій для введення програми; 2 – підсилювач сигналів; 3 - кроковий двигун

Рис.3.3. Структурна схема системи ПК зі зворотнім зв’язком: 1 – пристрій для введення програми; 2 – проміжна пам’ять; 3 – порівнювальний пристрій; 4 – виконавчий механізм; 5 - вузол зворотнього зв’язку

На рис.3.3 представлена принципова схема системи програмного керування зі зворотнім зв’язком. Сигнал з пристрою для введення програми 1 поступає в пристрій проміжної пам’яті 2, а при необхідності - в інтерполятор. Звідси сигнал передається у порівнювальний пристрій 3. Рух виконавчого механізму 4 контролюється датчиками переміщення, які виробляють контрольні сигнали, величина яких пропорційна пройденому шляху. Ці сигнали поступають у порівнювальний пристрій, де співставляються з сигналами програми. Якщо задана величина переміщення буде відрізнятися від фактичної, то на виконавчий орган буде і далі подаватися керуючі імпульси поздовжнього чи поперечного переміщення. І лише коли задане переміщення буде виконане, подача імпульсів закінчиться. Для виконання наступного руху програмоносій подає наступний сигнал і так далі. Така система забезпечує безперервне переміщення різального інструмента і заготовки, тому широко застосовується на токарних і фрезерних верстатах.

3.1.1. Принципи задання програм. Для кожного верстата існує система координат, початок якої визначають відносно конструктивних елементів верстата і приймають за його „нульову точку”, від якої керуюча програма (КП) задає абсолютні переміщення робочих органів верстата. Для КП умовно прийнято, що завжди рухається інструмент. У загальному випадку КП задає траєкторію руху центра інструмента по еквідистанті, що є геометричним місцем точок, рівновіддалених від контуру деталі. Центром інструмента вважають його вершину (різець, свердло) чи геометричну точку (центр дуги кола при вершині різця, центр торця фрези, зенкера, мітчика тощо). Траєкторія руху центра інструмента складається з окремих елементів (відрізки прямих, дуги кіл тощо), точки стикування яких називають опорними точками.

3.1.2. Особливості конструкції верстатів з ЧПК. Для підвищення точності і стабільності якості обробки у конструкціях верстатів з ЧПК застосовують передачі, які виключають кінематичні і силові зазори. Для цього скорочують довжину кінематичних ланцюгів, у кожному з яких використовуються індивідуальний двигун, тертя ковзання заміняють тертям кочення, використовують передачі з пристроями усунення зазорів у передачах тощо.

Велике значення для верстатів з ЧПК має швидкодія приводу, тобто час розгону і гальмування, яка впливає на точність позиціювання. Висока швидкодія привода подач у широкому діапазоні регулювання забезпечується спеціальними електродвигунами і передачами, в яких стабільно малі втрати на тертя, рухомі вузли встановлені на напрямних кочення чи гідростатичних напрямних, застосуванням спеціальних мастильних матеріалів. У приводах подач використовують силові крокові електродвигуни і крокові двигуни в поєднанні з гідропідсилювачами моментів, високомоментні двигуни постійного струму, синхронні безколекторні двигуни змінного струму, які мають широкий діапазон регулювання, високу рівномірність обертання, малі габарити та масу.

Привід головного руху - ступінчастий або безступінчастий. У ступінчастому приводі шпиндель одержує обертання від автоматичної коробки швидкостей, у приводах з безступінчастим регулюванням використовують поєднання двигуна постійного струму з електронною системою керуванням і дво-трьохступінчастої коробки швидкостей. Перспективним для верстатів із ЧПК є електропривід, в якому використовуються асинхронні двигуни з коротко-замкнутим ротором, частота обертання яких регулюється частотно-тактовим способом. В діапазоні частот обертання 0…1500 хв^-1 регулювання привода виконується з постійним крутним моментом (приводи подач), а в діапазоні 1500…4500 хв^-1 - з приблизно постійною потужністю (приводи головного руху).

Шпинделі верстатів з ЧПК мають великі діаметри, що дозволяє розміщати в них затискні автоматичні пристрої і різні датчики. Для забезпечення необхідних довговічності та жорсткості в опорах шпинделя використовують роликові підшипники. Також застосовують гідродинамічні (у шліфувальних верстатах), гідростатичні й аеростатичні (у прецизійних верстатах) підшипники.

3.1.3. Інструменти та пристрої. Для ефективного використання верстатів з ЧПК потрібно оснащувати їх інструментами, пристосованими до особливостей роботи на таких верстатах. Зокрема, конструкція інструмента повинна враховувати зміну в широких межах його геометричних параметрів при обробці, а автоматична зміна інструментів на верстатах вимагає підвищеної точності виготовлення корпусів, змінних пластин. Це досягається випуском спеціальних різців і застосуванням блокових систем інструментів.

Висока потужність і швидкохідність приводів, точність і надійність верстатів із ЧПК ставлять до їхнього технологічного спорядження підвищені вимоги. Патрони для кріплення заготовок мають пристрої, які компенсують дію відцентрових сил, що знижують силу затискання.

Основні вимоги до затискних пристроїв верстатів із ЧПК є високі точність, надійність закріплення і можливість швидкого переналагодження, що забезпечується використанням системи універсально-налагоджувальних пристроїв і розробленої спеціально для верстатів із ЧПК системи універсально-збірних механізованих пристроїв. Широко використовують комплекти допоміжних перехідників (адаптерів) для швидкого встановлення різних інструментів чи пристроїв.

3.1.4. Токарний патронно-центровий верстат з ЧПК моделі 16А20Ф3 призначений для токарної обробки деталей типу тіл обертання у замкнутому автоматичному циклі. Область застосування – серійне виробництво. Верстат може випускатися з різними пристроями ЧПК для вбудовування у гнучкі виробничі модулі, а також, за узгодженням з замовником, з спеціальними і спеціалізованими виконаннями.

Рис. 3.4. Верстат 16А20Ф3: 1 – передня бабка, 2 – рукоятка встановлення діапазона швидкостей; 3 – пульт керування; 4 – багатопозиційний різцетримач; 5 – каретка супорта; 6 – задня бабка, 7 – рукоятка затискання задньої бабки; 8 – електросилова шафа; 9 – пристрій нульового положення; 10 – передача „гвинт – гайка кочення” поздовжнього переміщення; 11 – квадрат під ключ для ручного поздовжнього переміщення супорта; 12 – привід поздовжнього переміщення супорта; кроковий двигун; 14 – гідростанція; 15 – гідропідсилювач моментів; 16 – поперечні полозки супорта; 17 – станина; 18 – основа; 19 – система ЧПК

Технічна характеристика верстата 16А20Ф3

Найбільший діаметр заготовки, мм:

при встановленні над станиною 320

над супортом 200

Найбільша довжина заготовки, мм: 900

Число позицій інструментальної головки 8

Діаметр отвору у шпинделі 55

Найбільший хід супорта, мм

по осі X 210

по осі Z 905

Максимальна швидкість швидких переміщень, м/хв

поздовжніх 15000

поперечних 7500

Межі частот обертання шпинделя, об/хв 20...2500

І діапазон 20...285

ІІ діапазон 60...830

ІІІ діапазон 175...2500

Найбільший крутний момент на шпинделі, Нм 800

Мінімальна швидкість робочої подачі, мм/хв:

поздовжньої 10

поперечної 5

Максимальнашвидкість робочої подачі, мм/хв (мм/об):

поздовжньої 2000 (2,8)

поперечної 1000 (1,4)

Рекомендовані граничні розміри свердління, мм

у чавуні 28

у сталі 25

Потужність двигуна головного приводу, кВт 11

Сумарна потужність всіх електродвигунів, кВт 21,4

Сумарна споживана верстатом потужність, кВт 24