Приводы подачи в станках с ЧПУ особенности конструк­ций. Кинематические схемы компоновки. Особенности конструирования приводов подачи вертикального направления.

Электромеханические приводы подачи с бесступенчатым регулированием. Приводами подач с бесступенчатым регулированием оснащаются станки с ЧПУ и гибкие производственные модули. В этом случае рабочий орган перемещается на определенное расстояние, на­зываемое дискретностью отработки (обычно 0.01 или 0.001 мм), при поступлении от ЧПУ на привод подачи каждого единичного управля­ющего сигнала (импульса). Скорость перемещения рабочего органа задается частотой следования импульсов, а величина перемещения — общим количеством импульсов. Благодаря этому существенно упро­щается механическая часть привода, повышается его КПД, снижается момент инерции.

Электромеханические приводы с бесступенчатым регулирова­нием делятся на следящие и шаговые. Основное достоинство разомк­нутых приводов с шаговым двигателем — их простота, определяемая отсутствием обратной связи. Однако сравнительно малый крутящий момент шагового двигателя обычно требует применения гидравличес­кого усилителя моментов. Принципиальная схема такого привода представлена на рис.75. Ротор шагового двигателя 1 поворачивается на строго определенный угол (обычно 1,5 °,..., 3 °) при подаче каждого импульса управляющей программы. При этом через редуктор 2 пово­рачивается винт 4 относительно гайки 6, жестко связанной с ротором гидромотора 5. Следовательно, при неподвижном роторе гидромотора поворот винта вызовет осевое перемещение (например, вправо) зо­лотника 3, что приведет к возрастанию давления в магистрали 8 и его понижению в магистрали 7.

Образовавшийся перепад давления создает крутящий момент » роторе гидромотора, который связан с тяговым устройством привода.

В свою очередь при вращении ротора гидромотора поворачивается и гайка 6, которая через винт 4 вернет золотник в первоначальное сред­ние положение для возможности отработки единичного управляющего

импульса смещение золотника должно быть больше зоны нечувст­вительности привода. При непрерывной подаче импульсов вал гидро­мотора будет вращаться.с частотой, определяемой частотой следо­вания импульсов, а золотник будет смещен от среднего положения на величину, обеспечивающую подачу необходимого для вращения гидромотора количества рабочей жидкости.

Реверсирование вращения ротора гидромотора обеспечивается сме­щением следящего золотника в другую сторону от среднего положения.

В малогабаритных прецизионных станках применяют силовые шаговые двигатели (с крутящим моментом до 2,1 Нм) без гидроуси­лителей, что значительно упрощает привод. Основной недостаток разомкнутого привода с ШД заключается в невозможности проконт­ролировать правильность отработки сигналов программы в процессе Работы. Отсутствие контроля положения рабочего органа не позволяет получать высокую точность перемещений, которая определяется ки­нематической точностью и жесткостью соответствующей цепи. Кроме того, ограничена максимальная скорость движения рабочего органа, которая лимитируется наибольшей частотой импульсов, отрабатываемых приводом, при цене импульсов t_и = 0,01 мм, S_XX ≈ 4,8 М/мин). В связи с перечисленными недостатками приводы подач с ШД в последнее время применяются редко.

В состав следящего привода подачи входит регулируемый электродвигатель разных типов, усилитель мощности, датчик обратной связи по положению рабочего органа и сравнивающее устройство, выдающее сигнал зависимости от рассогласования между действительным и заданным программой положением рабочего органа.

При малом крутящем моменте двигателя а механической части привода появляется редуктор. Структуры такого привода, отличающиеся расположением датчика обратной связи, представлены на рис. 76

Рис.76. Схема следящего привода подач: а—с дагчиком обратной связи, соединенным с ротором двигателя; б—с датчиком обратной связи, соединенным с ходовым винтом; в — с датчиком обратной связи, установленным на рабочем органе.

Сигналы от соответствующего блока ЧПУ 1 поступают через сравнивающее устройство 2 на блок управления 3 двигателем подачи 4, скорость вращения которого контролируется тахогенератором 5, соединенным непосредственно с валом двигателя. Между приводным двигателем и ходовым винтом 8 устанавливается редуктор 7, кинематические и силовые характеристики которого выбираются исходя из требуемых скоростей и моментов перемещения рабочего органа "Р.о.". Датчик обратной связи 6, контролирующий перемещение рабочего органа и подающий сигнал на сравнивающее устройство, может быть связан непосредственно с валом двигателя (рис.76,а), с ходовым винтом (рис.76,б) либо непосредственно с рабочим органом (рис.76,в).

В первом случае положение рабочего органа контролируется косвенно по углу поворота приводного двигателя. Следовательно, ошибка положения рабочего органа будет определяться зазорами, кинематическими погрешностями и жесткостью всех элементов кинематической цепи. Во втором случае исключаются погрешности, связанные с редуктором, а также с деформацией самого винта. Такие схемы привода обычно применяются в станках нормального класса точности. Для исключения влияния кинематической погрешности привода и упругих деформаций целесообразно применять датчики, контролирующие непосредственно перемещение рабочего органа, что, однако, удорожает привод. При выборе места расположения измерительного датчика надо учитывать также, что деформация и зазоры в механических элементах цепи, охватываемых обратной связью, включаются в замкнутую цепь регулирования следящего привода, что ведет к сни­жению его статической и динамической точности и быстродействия. В результате эффект повышения точности при переносе датчика от при­вода к рабочему органу во многом определяется отсутствием зазоров и высокой жесткостью кинематической цепи.

Для обеспечения высокого динамического качества следящего привода, точности отработки перемещений, задаваемых программой, в редукторах станков с ЧПУ применяются конструкции различных устройств, позволяющих исключать зазоры в механических элемен­тах. В конструкции коробки подач, приведенной на рис.77, боковые зазоры в зубчатых колесах устраняются за счет применения разрезных зубчатых колес и смещения одной подвижной половины 1 относительно
основной 2 с помощью эксцентрикового болта 3.Для беззазорного крепления зубчатых колес на валах применяют комплекты затяжных конических колец 5, поджимаемых с помощью втулки 4. В сильно нагруженных передачах может дополнительно ставиться шпонка 6.

Существенное повышение точности возможно при максимальном сокращении количества механических элементов. Для выполнения этого условия в современных станках все шире применяют безредукторные приводы линейных перемещений, что стало возможным после появления высокомоментных двигателей подачи. В этом случае вал двигателя соединяется непосредственно с ходовым винтом передачи винт-гайка качения с помощью специальной муфты высокой крутильной жесткости, позволяющей компенсировать погрешности установки винта и двигателя. Датчик обратной связи встраивается либо непосредственно в двигатель, либо соединяется с ходовым винтом или непосредственно с рабочим органом. Современные двигатели имеют также встроенный электромагнитный тормоз, что упрощает позиционирование рабочего органа.

В безредукторном приводе для его общей компоновки иногда требуется применение ременной передачи. В этом случае (рис. 78) применяется беззазорная зубчатоременная передача, шкивы 2 кото­рой устанавливаются на вал двигателя 1 и винт 11 с помощью де­формируемых за счет сжатия упругих втулок 3, что исключает зазоры

в соединениях. Осевая жесткость привода зависит и от осевой жест­кости ходового винта, жесткости опор и способа их установки. В пос­леднее время широко применяются комбинированные роликовые подшипники 4 с возможностью обеспечения в них натяга при сборке за счет подшлифованной до необходимого размера втулки 5. В конст­рукции привода могут присутствовать механические элементы для жесткого ограничения крайних положений рабочего органа. В приве­денной конструкции это достигается за счет блокировки гайки 8 с винтом с помощью зубчатых полумуфт 6, 7 и 9, 10.

На рис.79 приведено несколько схем приводов подач станков с ЧПУ с круговым датчиком обратной связи (Кр. Д. О. С.) Выбор той или другой схемы зависит от следующих факто­ров:

если по условиям конструкции или для более компактной ком­поновки станка необходимо между винтом и двигателем включать зубчатые или зубчато-ремённые передачи (а и в), то при этом в зависимости от того, где будет установлен датчик обратной связи или соосно с винтом, или с двигателем, необ­ходимо выбрать соответствующую конструкцию зубчатой пе­редачи. По возможности необходимо стремиться установить датчик обратной связи непосредственно связанным с винтом (рис.81). Это исключает погрешности в перемещениях испол­нительного органа, связанные с погрешностями зубчатых пе­редач. Но в любых случаях желательно при наличии зубчатой передачи предусматривать её конструкцией возможность регу­лировки зазора в зацеплении. Наличие зазоров в приводах ЧПУ приводит к ударным нагрузкам, отрицательно влияющим на работоспособность станка в целом и на шариковые винто­вые пары в частности.

В станках со значительными нагрузками механические пере­дачи между двигателем и винтом включают для увеличения крутящего момента на винте, развиваемого двигателем.

На рис.79 а, б, в, приведены схемы привода с круговым дат­чиком обратной связи, в качестве которых могут быть исполь­зованы фотоэлектрические датчики или датчик типа резольвер.

Для обеспечения необходимой точности отсчёта координат или необходимого значения цены импульса иногда между хо­довым винтом и датчиками устанавливают зубчатые беззазорные передачи высокой степени точности, рис. 80

t x b = 6

Пусть датчик обратной связи за 1 оборот ротора выдаёт 2400 импульсов. Шаг ходово­го винта равен 6 мм. Необхо­димо получить цену импуль­са N=0,001 мм, для этого не­обходимо выбрать зубчатые колеса.

(1.21)

Для измерения перемещений в качестве датчика обратной связи часто используют линейные датчики типа линейный индуктосин, рис.79, г. В этом случае погрешности отсчёта пере­мещения складываются из погрешностей датчика (Л.Д.О.С). Линейка датчика крепится к неподвижной части, а головка датчика - к подвижной части исполнительного механизма. Тяговое усилие можно ориентировочно определить по эмпи­рическим зависимостям.

Р_тяг=Р_z*к + ∑F_ТР (2.21)

Тяговая, сила, необходимая для преодоления сил сопротив­ления, возникающих при обработке на тяговом устройстве исполнительного органа, может быть определена

P = k_П*P_x+F (3.21)

Р_х - составляющая силы резания, действующая в направлении подачи;

К_п - коэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента, который возникает вследствие несимметричного приложения силы подачи;

F- сила трения направляющих скольжения; определяется по экспериментальным формулам, рекомендуемым нормалью станкостроения Н4 8-61

Для направляющих качения с танкетками тяговое усилие определяется

(4.21)

Т₀ - начальное тяговое усилие, не зависящее от нагрузки;

Т₀=(0..15)Н и зависит от качества изготовления и монтажа опор;

fk=0.001cM для направляющих из стали и

fk=0,0025 см для направляющих из чугуна;

r - радиус тел качения, см;

P_N- суммарная сила, действующая на рабочую грань на­правляющей; п - количество граней направляющих;

n - количество граней направляющих.

Наряду с главным приводом, привод подачи является важнейшим механизмом станка, оказывающим большое влияние на точность обработки. Различают приводы подач для прямолинейного (наиболее распространенного) и кругового движений. Характерным для привода является наличие конечного звена с большой редукцией (тяговое устройство). Величина ускоренного перемещения в современных станках достигает S _уск = 15—30 м/мин, а диапазон изменения подач Smax/Smin— = 5000—20000. Обычно такой диапазон обеспечивается с помощью регулируемых электродвигателей преимущественно постоянного тока (высокомоментных).

Выбор двигателя производится на основе анализа технологического процесса обработки деталей, с проверкой момента сопротивления при разгоне и ускоренном перемещении узла по развиваемым на этих режимах моментах двигателя.

Особенностью проектирования приводов подачи вертикального направления является применение разгрузки привода от силы тяжести перемещаемых масс.

В обычных станках используют противовесы. В станках с ЧПУ гидравлические приводы или реже пневматические.

Рис. 82

Причем гидравлические или пневматические цилиндры располагают снизу подвижной шпиндельной бабки или сверху по одному, чаще по два цилиндра.

При проектировании гидросистемы в целях ее экономичности в цепь питания разгрузочных цилиндров устанавливают пневмо-, гидроаккумуляторы.