Приводы подач станков с ЧПУ

В современных станках с ЧПУ применяются различные структурные схемы приводов подач. Схема с жесткой связью электродвигателя ходового винта изображена на рис..

Рис. Схема привода:

1 - электродвигатель; 2 – муфта; 3 −передача винт-гайка качения; 4 − винт

Схема с одноступенчатым редуктором и выборкой зазора в зубчатом зацеплении рассмотрена на рис. 8.2.

Рис. Схема привода с редуктором:

1 − электродвигатель; 2 − зубчатая передача; 3 − винтовая передача

Схема с применением беззазорной червячной и реечной передач изображена на рис.

Рис. Схема привода с червячной и реечной передачами:

1 − электродвигатель; 2 − червячная передача; 3 − реечная передача

Как видно из приведенных схем, станки с ЧПУ имеют короткие кинематические схемы приводов подач, обеспечивающие более точную работу последних. Это стало возможным при применении специальных узлов и механизмов, имеющих свои отличительные особенности.

Виды применяемых электродвигателей

Особенностью приводов подач металлорежущих станков, повышающей качество, точность и производительность обработки, является независимость частоты вращения от вращающего момента и момента сопротивления. Регулирование скорости подачи осуществляется при постоянном максимально допустимом моменте. Поэтому в основу выбора электродвигателя положена не мощность, а момент сил сопротивления в механизме подачи. Величину этого момента определяют по составляющим сил резания с учетом момента трения.

К приводу подач предъявляются также требования по возможности создания больших ускорений, значительного диапазона регулирования частоты вращения при высокой равномерности, особенно при малых частотах. Вышеперечисленным требованиям удовлетворяют специальные двигатели постоянного тока – высокомоментные серии ПБВ, с возбуждением от постоянных магнитов или серии 2П, ПБС с электромагнитным возбуждением. В малых станках применяются малоинерционные двигателя серии ПТГ, а также шаговые электродвигатели ЩД.

1. Электродвигатели постоянного тока:

− электродвигатели серии 2П с независимым, параллельным или смешанным возбуждением. Имеют большой диапазон мощностей (0,37–200 кВт) и частот вращения (750–3000 об/мин), широкий диапазон регулирования частоты вращения. Пример обозначения 2ПФ160LГУ4 − электродвигатель постоянного тока единой серии 2П, защищенного исполнения с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора (Ф), высотой оси вращения 160 мм второй длины (L), с тахогенератором (Г), климатическое исполнение – У, категория размещения – 4;

− малоинерционные электродвигатели серии ПЯ, имеющие значительное быстродействие, достигается за счет снижения момента инерции якоря.

− высокомоментные электродвигатели постоянного тока. Имеют низкие номинальные частоты вращения, позволяющие устанавливать их в станки и механизмы без промежуточных редукторов. Отечественной промышленностью выпускаются двигатели серий ПВБ и ПВ. Например: ПВБ160LGУЗ – двигатель постоянного тока (П), закрытого исполнения (Б); высокомоментный с возбуждением от постоянных магнитов (В), с высотой оси вращения 160 мм, второй длины (L), со встроенным тахогенератором (G), климатическим исполнением и категорией размещения УЗ.

2. Асинхронные электродвигатели:

− двигатели с короткозамкнутым ротором. Являются наиболее распространенными машинами переменного тока. Регулировка частоты вращения может осуществляться изменением числа пар полюсов (ступенчатое), частоты тока (бесступенчатое). Выпускают двигатели серий 4А и АИ. Например: 4А80А2УЗ - асинхронный электродвигатель единой четвертой серии (4А) закрытого исполнения (А), с высотой оси вращения 80 мм, сердечник – двухполюсный (2) исполнение дня умеренного климата (УЗ).

3. Шаговые электродвигатели:

− шаговые двигатели довольно широко применяют в приводах подач малых и средних станков. Хотя они и уступают высокомоментным двигателям по к.п.д. и погрешности позиционирования при изменении нагрузки на валу, однако они более просты, имеют меньшую стоимость и более высокую надежность. Кроме того, шаговый двигатель очень удобен при большом количестве управляемых координат. Применяются двигатели серии ШД4, ШД5 и т.д. Питание шаговых двигателей осуществляется от транзисторных и тиристорных преобразователей напряжения.

Применение шагового двигателя является целесообразным в приводах механизмов непрерывного движения в том случае, если управляющий сигнал задан в виде последовательности импульсов, что соответствует числовому программному управления станками.

Следующими элементами кинематических цепей приводов подач, оказывающим влияние на точность их работы, являются муфты. В станках с ЧПУ применяются следующие типы муфт.

1. Муфты с коническими кольцами. Достоинством, которых является возможность выборки зазоров. Недостаток − необходимость точного предварительного центрирования валов.

2. Сильфонные муфты. Изготавливают из гофрированных металлических оболочек.

3. Дисковые муфты.

Важным узлом привода подач станков с ЧПУ является узел преобразования вида движения. В станках токарной группы наиболее распространена в этом качестве шариковая винтовая пара (ШВП), которая состоит из винта, гайки комплекта шариков, канала для возврата шариков.

Широкое применение передач винт-гайка качения в современных станках с ЧПУ обусловлено рядом их достоинств. Так, беззазорность исключает или значительно снижает ошибку при реверсе, высокая осевая жесткость снижает динамическую ошибку привода, высокая стабильность момента трения позволяет осуществлять точные перемещения с малой скоростью, высокий КПД снижает потребляемую мощность двигателя.

Класс точности передачи винт-гайка качения определяет класс точности станка, поэтому к ней предъявляются повышенные требования.

Датчики обратной связи

Для обеспечения необходимей точности обработки деталей на станках с ЧПУ необходимо задать программой траектории движения инструмента и контролировать ее в течение всей обработки. Для этого в конструкциях станков предусмотрены устройства обратной связи, контролирующие выполнение рабочими органами заданной траектории движения.

Для получения сигнала о величине фактического перемещения или положения объекта при управлении применяются системы путевого контроля, состоящие из одного или нескольких датчиков обратной связи (ДОС), измерительной схемы и схемы формирования выходного сигнала. Датчики в такой системе контроля преобразуют механическое перемещение объекта в изменение различных физических параметров, которые в свою очередь, с помощью измерительной схемы, преобразуются в выходной электрический сигнал. По виду физических параметров датчики подразделяются на омические, емкостные, фотоэлектрические, индуктивные и т.д.

Индуктивный датчик обратной ввязи (индуктосин) – представляет собой статор (рис. 8.6), на котором с помощью фотолитографии нанесена обмотка в виде змеевика 1 с шагом 2 мм.

Рис. Индуктивный датчик обратной связи

На ползуне 2 нанесены две точно такие же обмотки, на которые подаются переменные напряжения, одинаковые по амплитуде и сдвинутые по фазе на 90 градусов. В зависимости от положения ползуна 2 относительно статора электромагнитное поле одной из обмоток воздействует сильнее на поле статора и оно смещается по фазе в сторону этой обмотки. Смещение по фазе сигнала, выходящего со статора, пропорционально перемещению ползуна. Специально преобразующие устройства выдают сигнал в УЧПУ станка.

Фотоэлектрический датчик обратной связи является аналого-цифровым преобразователем, имеющим весьма высокую точность контроля перемещения и легко согласуется с системами ЧПУ. Датчики выпускаются для контроля линейных и угловых перемещений.

При вращении вала 9 (рис. 8.7) датчика генерируются электрические сигналы в форме серии прямоугольных импульсов, количество которых представляет собой величину замера угла вращения. На валу датчика установлен стеклянный диск с радиальным делением решетки 8. Это деление сканируется (отслеживается) фотоэлектрически. С одной стороны диск подсвечивается источником света 5 через оптическое устройство (линзы) 4, с другой стороны находится постоянная сканирующая решетка 3 и фотоэлементы 2. При вращении диска происходит периодическое совпадение щелей диска со щелями решетки, в результате чего в образовавшиеся просветы свет от источника попадает на фотоэлементы и в цепи появляется импульс тока.

Рис. Фотоэлектрический датчик обратной связи:

1 – электроника датчика; 2 – фотоэлементы; 3 – сканирующая решетка;

4 – оптика; 5 – источник света; 6 – муфта; 7 – деление нулевого импульса;

8 – вращающийся стеклянный диск с радиальный делением решетки;

9 – вал датчика; 10 – приводной вал

Расстояние между дисками решетки (просветы) является разрешающей способностью датчика.

Требования по точности, предъявляемые к ДОС, в среднем на порядок выше точности приводов, на которых они установлены.

Разрешающая способность датчиков для станков классов точности:

Н и П – 1 мкм; А – 0,2 мкм;

В – 0,5 мкм; С – 0,1 мкм.

К ДОС относится датчик скорости (тахогенератор), представляющий собой небольшой генератор постоянного тока, величина которого зависит от частоты вращения вала тахогенератора.

Датчик обратной связи, наличие которого характеризует замкнутость системы, можно устанавливать в различных местах кинематической цепи привода. На рис. 8.8 рассмотрены три варианта установки ДОС.

Наиболее простое конструктивное решение, когда ДОС и тахогенератор установлены на роторе двигателя привода подач и их сигналы прямопропорциональны углу поворота ротора (рис. 8.8а).

Все три варианта установки ДОС не равноценны с точки зрения достижения точности. В варианте, приведенном на рис.8а, ошибки перемещения рабочего органа включают в себя погрешности кинематической цепи от двигателя до рабочего органа.

В варианте, приведенном на рис. 8.8б, при определении точности перемещения рабочего органа исключено влияние тахогенератора, погрешности редуктора, а также погрешности от скручивания винта. Наиболее точным является вариант, приведенный на рис. 8.8в, когда ДОС установлен непосредственно на рабочем органе.

Рис. Блок схемы приводов подач станков с ЧПУ:

а) с одним потоком информации; б) с двумя потоками информации;

в) с тремя потоками информации

В – устройство ввода; УЧПУ – устройство ЧПУ;

СУ – сравнивающее устройство; У – усилитель; РО – рабочий исполнительный орган; ДОС – датчик обратной связи; Т – тахогенератор; М – электродвигатель;

Р – редуктор; В – ходовой винт