Особенности приводов главного движения станков с ЧПУ

Главный привод в станках обладает рядом особенностей, отличающих его от приводов подач: значительно большие мощ­ности; необходимость использования всей мощности двигателя в большом диапазоне частот вращения шпинделя станка; работа большую часть времени на постоянной заданной частоте вращения; большие моменты инерции, во много раз превосходящие собствен­ные моменты инерции двигателей на высших передачах коробки скоростей.

Приводы главного движения с асинхронными двигателями, как правило, используют с переключаемыми коробками скоростей для того, чтобы можно было использовать максимальную мощ­ность двигателя во всем диапазоне частоты вращения шпинделя. Если диапазон вращения шпинделя велик, конструкция коробки скоростей усложняется. Применение асинхронных двигателей с электрическим переключением частоты вращения (две, три, а иногда и четыре) значительно упрощает конструкцию коробки скоростей. Однако у асинхронных двигателей с переключением частоты вращения ротора вращающий момент постоянен на раз­личных диапазонах, что приводит к снижению мощности при уменьшении частоты вращения.

В связи с этим применение двигателей постоянного тока, частота вращения якоря которых может увеличиваться в 3−4 раза при постоянной мощности путем регулирования поля возбужде­ния, оказывается более предпочтительным, так как значительно упрощает коробку скоростей, являющуюся весьма сложным узлом. В этом случае коробка может иметь всего три–четыре сту­пени, а иногда и две.

Так как двигатели главного движения должны обеспечивать постоянную заданную частоту вращения при изменении нагрузки в широких пределах, происходящем, например, вследствие изме­нения припуска на обработку, то они должны иметь механическую характеристику, которая не должна существенно изменяться при ослаблении поля, иначе возможна неустойчивая работа привода. Это объясняется тем, что при уменьшении по какой-либо причине частоты вращения будет увеличиваться толщина стружки, а сле­довательно, и нагрузка на двигатель при той же скорости движе­ния подачи. Увеличение нагрузки приводит к дальнейшему сни­жению частоты вращения вплоть до полной остановки главного привода, сопровождающейся часто поломкой инструмента или даже авариями, если приводы подач запаздывают с отключением при резком увеличении нагрузки на главный привод.

Особенностью работы главных приводов является также их работа при инерционных моментах нагрузки, значительно изме­няющихся вследствие переключения коробок скоростей. Это создает определенные трудности в стабилизации приводов при замыкании обратной связью по угловому положению, что часто необходимо при ориентации шпинделя двигателем, требуемой в станках с автоматической сменой инструмента.

Система управления приводом главного движения часто пред­ставляет собой отдельный узел, включающий два тиристорных преобразователя: один большой мощности – для регулирования напряжения на якоре двигателя, другой малой мощности – для регулирования напряжения возбуждения. Такой двухзонный привод в настоящее время применяют наиболее часто для осуще­ствления главного движения в различных станках. Помимо двух тиристорных преобразователей, этот узел содержит систему управления автоматизированной коробкой скоростей станка с не­обходимыми блокировками.

Шпиндельные группы станков с ЧПУ

Шпиндельная группа станков предназначена для осуществле­ния главного вращательного движения шпинделя с необходимой частотой вращения.
В шпиндельных группах выполняются закреп­ление и вращение режущих инструментов (в сверлильных и фре­зерных станках) или заготовок (в токарных станках) и обеспечи­вается их заданное положение по отношению к другим узлам станка. Шпиндельные группы станков с ЧПУ и обычных станков су­щественно различаются. Главное различие – в уровнях автома­тизации основных и вспомогательных функций, которые в станках с ЧПУ осуществляются по числовой программе. Например, уста­навливается заданная частота вращения шпинделя, изменяется частота вращения шпинделя на определенных участках обработки, шпиндель останавливается в определенном ориентированном поло­жении для смены инструментов, зажимаются и разжимаются ре­жущие инструменты.

Конструкция шпиндельной группы должна быть такой, чтобы наряду с выполнением комплекса технологических команд дости­галось сохранение точности вращения шпинделя (исключающее осевое и торцовое биение), а также суммарной жесткости всей группы с входящими узлами для предотвращения деформирования.

Шпиндельные группы по функциональным признакам могут быть классифицированы по следующей схеме (табл. 9.1): по уровню частот вращения шпинделя, виду при­вода главного движения и компоновке шпин­дельной группы.

При нерегулируемом приводном асинхрон­ном двигателе изменение частот вращения шпин­деля осуществляется ступенчато, посредством коробок скоростей со сложной кинематической структурой. В приводе главного движения с асинхронным электродвига­телем и ступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя затрудняется автоматизация команд управления от управляющей программы. Асинхронный двигатель может работать с высокими перегрузками, что является его преимуществом по сравнению с двигателем постоянного тока.

Регулируемые приводы главного движения подразделяют на три группы. Электроприводы с тиристорным двухзонным бессту­пенчатым регулированием частот вращения шпинделя в сочетании с коробками скоростей обеспечивают широкий диапазон регули­рования частот вращения шпинделей посредством понижающей передачи для получения нижних диапазонов частоты вращения и ускорительной передачи для достижения ее верхних диапазонов. Бесступенчатое регулирование с непрерывным изменением частоты вращения шпинделей может также выполняться благодаря при­менению гидропривода с объемным регулированием или электро­привода с частотным регулированием.

Вид двигателя существенно влияет на конструкцию шпиндель­ных групп. Асинхронный электродвигатель с частотным регули­рованием применяют обычно, если необходима высокая частота вращения шпинделя и если мощность привода главного движения невелика.

По компоновке различают встроенные и разделенные шпин­дельные группы. Компоновка с электроприводом постоянного тока двухзонного регулирования предназначена для автоматиче­ского изменения частоты вращения шпинделя в широком диапа­зоне от управляющего устройства ЧПУ по программе. С таким электроприводом возможны два типа компоновок – со шпинде­лем, отделенным от коробки скоростей, и со шпинделем, встроен­ным в коробку скоростей. Кинематические схемы коробок скоро­стей проектируют так, чтобы при номинальной частоте вращения ротора электропривода главного движения получить две–четыре ступени диапазонов частоты вращения шпинделя.

Тема 2.3. Системы управления многооперационными станками