Анализ приводов и систем числового управления станков

В станках обычно используют два основных типа приводов.

Привод подачи для станков с ЧПУ. В качестве привода используют двигатели, представляющие собой управляемые от цифровых преобразователей синхронные или асинхронные машины. Бесколлекторные синхронные (вентильные) двигатели для станков с ЧПУ изготавливают с постоянным магнитом на основе редкоземельных элементов и оснащают датчиками обратной связи и тормозами. Асинхронные двигатели применяют реже, чем синхронные. Привод движения подач характеризуется минимально возможными зазорами, малым временем разгона и торможения, небольшими силами трения, уменьшенным нагревом элементов привода, большим диапазоном регулирования. Обеспечение этих характеристик возможно благодаря применению шариковых и гидростатических винтовых передач, направляющих качения и гидростатических направляющих, беззазорных редукторов с короткими кинематическими цепями и т.д.

Приводами главного движения для станков с ЧПУ обычно являются двигатели переменного тока - для больших мощностей и постоянного тока - для малых мощностей. В качестве приводов служат трехфазные четырехполосные асинхронные двигатели, воспринимающие большие перегрузки и работающие при наличии в воздухе металлической пыли, стружки, масла и т.д. Поэтому в их конструкции предусмотрен внешний вентилятор. В двигатель встраивают различные датчики, например датчик положения шпинделя, что необходимо для ориентации или обеспечения независимой координаты.

Повышение точности обработки достигается высокой точностью изготовления и жесткостью станка, превышающей жесткость обычного станка того же назначения, для чего производят сокращение длины его кинематических цепей: применяют автономные приводы, по возможности сокращают число механических передач. Приводы станков с ЧПУ должны также обеспечивать высокое быстродействие. Повышению точности способствует и устранение зазоров в передаточных механизмах приводов подач, снижение потерь на трение в направляющих и других механизмах, повышение виброустойчивости, снижение тепловых деформаций, применение в станках датчиков обратной связи. Для уменьшения тепловых деформаций необходимо обеспечить равномерный температурный режим в механизмах станка, чему, например, способствует предварительный разогрев станка и его гидросистемы. Температурную погрешность станка можно также уменьшить, вводя коррекцию в привод подач от сигналов датчиков температур.

Задачи автоматического управления определяют спецификацию функций, которые должна выполнять система управления.

В общем случае перечень этих функций может представлять сотни позиций, однако большинство функций формируется как бы автоматически, согласно сформированным представлениям и опыту проектирования систем ЧПУ по сравнительно небольшому перечню основных требований.

Положительной стороной новейших автоматических систем является тот факт, что имеется контроль использования станка во внутри цеховой системе, а соответственно намного проще контролировать загрузку всего оборудования, которое расположено не только в одном цехе, но и на всем заводе.

В машиностроении представлено множество систем ЧПУ. Ниже представлены некоторые фирмы, которые предоставляют системы для автоматического управления:

1 NUM - Высокая вычислительная мощность систем NUM обеспечивает широкий набор их функциональных возможностей. В них предусмотрены сплайновый и полиномиальный (до пятого порядка) алгоритмы интерполяции, пяти-девятикоординатная интерполяция, пятикоординатная коррекция инструмента, одновременная работа по двум разным управляющим программам, 3D-графика и другое.

2 Allen-Bradley - специализированный промышленные компьютеры с Windows операционной системой и возможностью разрабатывать пользовательские приложения на Visual Basic; PCI-одноплатные ЧПУ-компьютеры, которые выполняют все функции ядра, в том числе программно-реализованного контроллера электроавтоматики.

3 ANDRON - Система содержит в себе следующие модули:

- модуль терминального компьютера;

- модуль ЧПУ-компьютера;

- панель оператора и монитор;

- модули удаленных входов-выходов программируемого контроллера;

- одну или несколько групп цифровых (SERCOS) поводов подачи и главного привода.

4 BoschRexroth - Терминальный компьютер имеет операционную систему Windows NT, а ЧПУ-компьютер – операционную систему UNIX. Связь операционных сред осуществляется с помощью протоколов TCP/IP, что допускает изъятое размещение терминала и работу нескольких терминалов с одним ЧПУ-компьютером. В свою очередь, ЧПУ-компьютер допускает многоканальную работу более чем с одной управляющей программой.

5 DeltaTau - разработала двухкомпьютерный вариант PCNC, в котором ЧПУ-компьютер выполнен в виде отдельной платы РМАС (Programmable Multi-Axes Controller), устанавливаемой на ISA или РСI-шине терминального персонального компьютера

6 Beckhoff - дает пример однокомпьютерной архитектуры PCNC, в рамках которой все задачи управления (геометрическая, логическая, терминальная) решаются только программным путем, без какой-либо дополнительной аппаратной поддержки.

7 Siemens- Полный спектр предложений департамента "Промышленная автоматизация" составляют не только стандартные продукты, но и системные решения для энергетики и технологий автоматизации, используемые в производстве и технологическом процессе. Являясь лидером на рынке промышленного программного обеспечения, департамент постоянно совершенствует весь производственный процесс компаний-производителей – от идеи дизайна продукта и её разработки, до производства, сбыта и сервисного обслуживания.

Основными показателями эксплуатационных качеств станка являются точность и производительность обработки деталей. На сегодняшний день критерии качества изготовления деталей, для токарных станков, очень высоки и повышаются каждый день, и поэтому многие станки устарели и не удовлетворяют точностным параметрам. При постоянно растущей рыночной конкуренции не малую роль играет и производительность, потому что при увеличении производительности снижаются затраты на изготовлении продукции и соответственно детали выполненные на таких станках становятся более конкурентоспособными.

Точность обработки определяется относительными перемещениями заготовки и инструмента, а также другими факторами, влияющими на требуемые размеры и формы, а также относительного расположения обрабатываемых поверхностей.

Производительность определяется принятым технологическим процессом, степенью его автоматизации, особенностями конструкции станка и характеристиками его динамической системы.

Требуемые качества станка могут быть обеспечены только при учете динамических процессов, происходящих во время работы, учете упругости и других динамических характеристик. Достижение самых высоких параметров точности и быстродействия возможно только при использовании современных систем автоматического управления, которые имеют высокое быстродействие, надежность, способны работать в жестких условиях эксплуатации, очень просты в монтаже и программировании.

При обработке тел вращения различают следующие виды погрешностей.

1 Геометрические погрешности узлов самого станка:

- отклонение от прямолинейности направляющих станины;

- отклонение от параллельности оси центров и направляющих станины.

2 Пружинные деформации:

- деформации суппорта и станины;

- деформации заготовки, которые вызываются переменным припуском в продольном разрезе;

- деформации заготовки, которые вызваны изменением положения режущего инструмента;

- изменение силы резания, которая обусловлена неоднородностью физико-механических особенностей обрабатываемого материала в продольном разрезе.

3 Тепловые деформации:

- тепловые деформации станины при неоднородном температурном поле;

- тепловые деформации элементов суппорта и режущего инструмента при переходном процессе (разогрев инструмента после врезания в заготовку).

4 Износ инструмента.

В поперечном разрезе на точность формы влияют следующие факторы:

1 Геометрические ошибки:

- биение шпинделя;

- биение заднего центра.

2 Гибкие деформации:

- гибкие деформации суппорта и станины, которые вызваны припуском поперечном разрезе;

- гибкие деформации заготовки, которые вызваны неоднородным припуском в поперечном разрезе.

Все перечисленные виды погрешностей обусловлены большим количеством причин, многие из которых не поддаются учету и контролю. Современные автоматические системы имеют огромное множество преимуществ, которые помогают управлять технологическими процессами, учитывая влияние практически всех погрешностей и подстраиваться в режиме реального времени. Перед использованием новой программы обработки имеется возможность выполнить симуляцию и выявить ошибки, которые могут привести к браку изготовления деталей, а соответственно практически исключается вероятность того, что предприятие понесет убытки из-за испорченных заготовок.

Старые системы управления мехатронными модулями станков имели следующие недостатки:

- недостаточная точность обработки деталей;

- несоответствие системы управления современным требованиям;

- измерительная система не удовлетворяет параметрам точности и быстродействия;

- плохая динамика из-за сложности управления приводами подач;

- упругие деформации заготовки по длине;

- нагрев узлов станка;

- деформации деталей и узлов станка при чрезмерном поджиме заготовки задней бабкой.

Современные системы управления на базе микроконтроллеров с автоматическим регулированием, системой датчиков обратной связи, рабочей зоны, современные высоконадежные и малогабаритные двигатели, современные электромеханические преобразователи с малыми линейными размерами и количеством передаточных механизмов (часто без использования редукторов) ликвидируют большинство этих недостатоков, имеют высокую точность, надежность и довольно низкую стоимость.