Конструктивные элементы станков с ЧПУ

Механические узлы станков с ЧПУ изготовляют с повышенной точностью, жесткостью, виброустойчивостью, надежностью. Это обусловлено высокой ценой таких станков и как следствие необходимостью двух или трех сменной их работы.

Станины станков с ЧПУ являются основными базовыми элементами, поскольку на них размещают направляющие станков. Встречаются следующие разновидности станин:

1) чугунные станины, оснащенные стальными закаленными и шлифованными направляющими (как роликовыми направляющими качения, так и гидростатическими);

2) сварные станины и стойки, имеющие закаленные направляющие, чаще всего прямоугольной формы; специальная технология сварки и термообработки обеспечивает сохранение первоначальной точности на длительное время;

3) станины токарных станков с ЧПУ имеющие вертикальное или наклонное расположение плоскости направляющих для обеспечения схода стружки.

Направляющие. В станках с ЧПУ наибольшее распространение получили направляющие качения и комбинированные. В таких направляющих используют закаленные приворачиваемые массивные планки, по которым перемещаются предварительно нагруженные роликовые опоры (направляющие качения с циркулирующими роликовыми опорами). К недостаткам направляющих качения можно отнести некоторое удорожание конструкции, а также пониженную демпфирующую способность в направлении перемещений. Для устранения последнего недостатка используют комбинированные направляющие. Кроме того, находят применение гидростатические и аэростатические направляющие.

К главному приводу станков с ЧПУ предъявляют требования повышенной мощности и бесступенчатого регулирования скорости при управлении от ЧПУ. Используют различные типы главного привода: с асинхронным электродвигателем; с регулируемым электродвигателем постоянного тока; с электродвигателем, применяемым совместно с гидроусилителем.

К шпинделю станка с ЧПУ предъявляют требования повышенной жесткости и высокой точности вращения. Особое значение в шпиндельных узлах станков уделяется теплоотводу, который осуществляется обычно специальной системой смазки и охлаждения.

Привод подач для станков с ЧПУ должен удовлетворять следующим требованиям:

- иметь расширенный диапазон регулируемых подач – от 1 до 10000 мм/мин;

- обладать повышенной жесткостью кинематических цепей и плавностью хода, особенно при медленных перемещениях;

- иметь повышенную долговечность и возможность дистанционного управления от УЧПУ.

В станках с ЧПУ используются следующие типы приводов подач:

Привод от асинхронного двигателя через автоматическую коробку передач.

Наиболее распространенный привод от электродвигателя постоянного тока с преобразователями для регулирования частоты вращения в широких пределах, например с тиристорным регулированием.

Гидропривод – от гидроцилиндров или гидродвигателей, при этом гидродвигатель обычно устанавливают на конечное звено привода (чаще всего это пара винт-гайка). При меняется в сочетании с шаговым электродвигателем, как усилитель крутящего момента электродвигателя.

Передача винт-гайка качения в приводах подач станков с ЧПУ нашла широкое применение благодаря тому, что по сравнению с винтовыми парами скольжения у них более высокий КПД, а также возможности достижения беззазорной передачи путем регулировки, с высокой осевой жесткостью.

Для увеличения скорости быстрых перемещений (до 20 м/мин) в приводах станков с ЧПУ применяют передачи с автоматическим регулированием натяга. Такие передачи позволяют избежать нагрева при быстром перемещении путем уменьшения натяга, а при рабочих подачах обеспечить высокую жесткость путем увеличения натяга.

Для осуществления адаптивного управления подачами применяю приводы подач оснащенные датчиками осевой составляющей силы резания.

Датчики обратной связи. В настоящее время все станки с ЧПУ являются замкнутыми системами управления (с обратной связью). Такие системы снабжены датчиками обратной связи, которые позволяют системе ЧПУ отслеживать реальное положение рабочего органа в системе координат станка или скорость его движения. Разработаны датчики самых различных конструкций: магнитные, фотоэлектрические, индукционные, электрические, оптические, ультразвуковые и др. Однако с развитием станкостроения в системах с ЧПУ постепенно выделились предпочтительные типы.

Все датчики обратной связи делят на линейные и круговые. Предпочтение отдается следующим типам датчиков: из линейных – линейный индуктосин и оптическая шкала; из круговых – круговой, вращающийся трансформатор или резольвер, фотоэлектрические.

Линейный индуктосин состоит из линейки, жестко закрепленной на неподвижной части станка и движка (слайдера) перемещаемого вместе с подвижной частью станка. На линейку нанесена обмотка с шагом 2 мм. На слайдере выполнены две обмотки сдвинутые относительно друг друга на ¼ шага или на 90º по фазе. При этом слайдер является статором, и его обмотки питаются переменным напряжением с частотой 4000 Гц. Линейка индуктосина является ротором, и с ее обмоток снимается сигнал U_а в виде синусоидального напряжения. Сдвиг по фазе напряжения, индуцированного на линейках, зависит от положения обмоток линеек относительно обмоток слайдера. Смещение слайдера периодически приводит к изменению сдвига фаз от максимума до минимума, что обеспечивает соответствующий электрический сигнал-импульс в системе преобразователя сдвига фаз в импульсы. Сумма импульсов, подсчитанная счетчиком, дает перемещение рабочего органа.

Действие фотоэлектрического датчика основано на считывании луча фотодиодами. Круговой фотоэлектрический датчик имеет прозрачный диск с нанесенными рисками. При прохождении риски между источником света и фотодиодом, луч прерывается, что фиксируется счетчиком.

Вращающийся трансформатор – это микромашина переменного тока, служащая для преобразования угла поворота ротора в синусоидальное напряжение. При повороте вала ротора механический угол вращения преобразуется в электрический, т.е. сдвиг фаз.

Электрический шаговый двигатель. Используется в приводах подач станков с ЧПУ. Представляет собой синхронную машину с сосредоточенными обмотками и реактивным ротором.

Рассмотрим принцип работы шагового двигателя построенного по трехфазной схеме. Статор имеет три пары полюсов и обмоток. Ротор также разделен на три секции, каждая из которых смещена по окружности, относительно другой, на 1/3 межполюсного расстояния. При подаче постоянного тока на обмотки первой фазы, и отсутствии тока в остальных обмотках, возникнет магнитное поле между соответствующими полюсами. Ротор установится в положение, при котором полюса будут находиться друг против друга. Если затем выключить питание на первой обмотке и одновременно включить питание на второй обмотке, то ротор повернется на 1/3 шага. При последовательной подаче тока в обмотки 1, 2, 3 ротор будет вращаться. Современные шаговые двигатели с большой частотой импульсов тока, обеспечивают скорости подач до 5 – 10 м/мин.

В виду того, что шаговые электродвигатели обладают небольшой мощностью, усиление крутящего момента обеспечивают при помощи гидравлического усилителя. Крутящий момент усиливается за счет использования энергии масляного потока от гидростанции.

В состав электрогидравлического шагового двигателя входит электрический шаговый двигатель, гидроусилитель момента, состоящий из аксиально-поршневого гидромотора (ГМ) и следящего устройства (СУ). СУ управляется шаговым электродвигателем. При повороте ротора на незначительный угол происходит направление масляного потока от гидронасоса к гидромотору, который осуществляет вращение вала станка. При изменении направления вращения электродвигателя происходит перенаправление масляного потока, что приводит к перенаправлению вращения вала станка. Если же шаговый электродвигатель останавливается, то следящее устройство перекрывает поток масла на гидромотор, и тем самым, останавливая его вращение.

Преимуществом шагового электродвигателя является отсутствие датчиков обратной связи, тахогенератора и отсутствие коллектора с щетками. Недостатком является малая мощность. Недостатком электрогидравлического шагового двигателя является необходимость наличия дополнительного оборудования, а именно гидростанции.

Следящие приводы подач. Привод подач – один из основных узлов, определяющих производительность и точность станка с ЧПУ. Современные УЧПУ формируют сигналы управления приводом практически безинерционно, в связи, с чем характеристики станка в большой степени зависят от применяемого электродвигателя и схемы управления им.

Высокими показателями характеризуется тиристорный привод с низкоскоростным высокомоментным двигателем постоянного тока и возбуждением от высокоэнергетических магнитов. Такие двигатели имеют большой момент инерции, обеспечивают хорошие динамические характеристики, полученные в результате использования высокоэнергетических керамических магнитов, выдерживающих 10-15 кратные пиковые моменты без размагничивания. Значительная масса и теплоемкость ротора позволяют значительно долго (до 30 мин) выдерживать большие перегрузки.

Применение таких приводов позволило упростить конструкции приводных механизмов рабочих органов станков. Установка их не требует высокой точности и регулировки. Применение в совокупности с современными винтовыми парами и направляющими 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 при скорости 15-20% от скорости быстрого перемещения.

Следящий привод имеет, как минимум два датчика обратной связи. Первый – по скорости (тахогенератор), чаще всего устанавливаемый в корпусе электродвигателя. Второй – по пути, устанавливается на станке. В станках нормальной точности применяют круговой датчик устанавливаемый на ходовой винт. Поскольку пара винт-гайка не охвачена обратной связью, ее погрешности переносятся на изделие. Суммарную систематическую погрешность, компенсирую при помощи программных средств.

В прецизионных станках применяют высокоточные линейные датчики устанавливаемые на столе. При этом происходят колебания привода вызванные зазорами кинематической цепи.

В тяжелых станках применяют гибридную схему. При этом используются оба датчика: круговой – используют для позиционирования, а линейный – для автоматической коррекции погрешностей цепи.

Высокомоментные двигатели постоянного тока состоят из корпуса статора, на внутренней стороне которого расположены высокоэнергетические магниты. Внутри расположен ротор, имеющий несколько обмоток, концы которых выведены на коллектор, через который на обмотки подается напряжение при помощи щеток. На валу ротора также расположен тахогенератор, снимающий показания скорости вращения ротора. Кроме того, такой двигатель может быть снабжен электромагнитным тормозом.

Устройство автоматической смены инструмента. Автоматическая смена инструмента одна из главных особенностей станков с ЧПУ. Простейшим устройством смены инструмента является револьверная головка. Применяется на токарных станках с ЧПУ. Такие устройства позволяют производить автоматическую смену установленных в резцедержатель инструментов и состоят из резцедержателя, устройства поворота резцедержателя, электрического или гидравлического двигателя, датчика положения инструмента. Современные станки комплектуются револьверными головками на 6, 8, 10, 12 позиций, позволяющие производить смену инструмента за 1-2 с.

Более сложными выглядят устройства смены инструмента для фрезерных и многоцелевых станком с ЧПУ. В общем случае такие устройства состоят из двух частей, а именно из магазина, служащего для создания запаса инструментов, достаточного для обработки детали и устройства автоматической смены инструмента, передающего инструмент из магазина в шпиндель станка и обратно. При соосном расположении инструментов в гнезде магазина и шпинделе станка достаточно повернуть магазин до совмещения гнезда магазина с осью шпинделя, а затем, перемещая шпиндель вдоль оси, вытолкнуть инструмент из магазина и закрепить в шпинделе.

В таких устройствах инструментальный магазин выполняют виде массивного барабана, с наклонной осью (относительно оси шпинделя) вращения. При этом с осью шпинделя совмещается с осью инструмента находящегося в нижнем положении. При движении пиноли станка вниз происходит автоматический зажим инструмента, находящегося в нижнем положении. Во время перемещения пиноли в крайнее верхнее положение происходит отсоединение инструмента, а в крайнем верхнем положении пиноли осуществляется поиск инструмента заданного программой.

Рассмотренный способ имеет недостатки: 1) пиноль шпинделя совершает длительные вспомогательные ходы, необходимые для перемещения инструмента в рабочую зону; 2) максимальная емкость магазина ограничена, ввиду нахождения его в непосредственной близости от зоны резания; 3) для поиска инструмента магазин должен отводится от заготовки на значительное расстояние; 4) загрязнение механизмов, режущих и вспомогательных инструментов, не находящихся в процессе резания, стружкой, подаваемой СОЖ.

Для размещения инструментального магазина вне рабочей зоны станка, его поднимают над шпиндельной бабкой или выносят на отдельную стойку. При этом ось шпинделя и оси инструментов находящихся в магазине не совпадают. Такие магазины имеют существенно большие размеры и позволяют разместить в них все необходимые инструменты, а также изготовить деталь за одну установку. Смена инструмента осуществляется при помощи автооператора с двумя захватами. Магазин поворачивается в положение для смены инструмента, автооператор одновременно захватывает инструмент установленный в шпинделе и магазине. Затем совершает поворот на 180º и устанавливает в шпинделе инструмент необходимый для выполнения операции, а в магазин возвращает отработавший. При таком способе различают устройства автооператора, который может иметь возможность только поворота на 180º, а может совершать движения для доставки инструмента к шпинделю станка. Последний имеет преимущество т.к. нет необходимости перемещения пиноли из зоны резания в зону для смены инструмента, что сокращает время цикла обработки детали.