Особенности устройства приводов

Классификация приводов

Приводы станков с ЧПУ классифицируются по назначению и принципу работы (основные признаки), по типам двигателей, видам схем управления, месту установки и др. (дополнительные признаки). По назначению выделяют приводы главного движения, подачи и вспомогательных механизмов [25].

Одно из движений, осуществляемых в процессе резания, требует основных (главных) энергетических затрат и называется главным. Привод, реализующий это движение, называется приводом главного движения.

Движения, осуществляемые в процессе резания, служащие для взаимного перемещения инструмента и заготовки и требующие меньших (по сравнению с главным движением) затрат энергии, назы- ваются движениями подачи. Приводы, реализующие эти движения, называются приводами подачи. Так, в сверлильных станках главным движением является вращение сверла, а движением подачи — пере- мещение пиноли.

Приводы, реализующие движения, имеющие вспомогательный характер (например, в зажимных приспособлениях, загрузочных уст- ройствах, насосах, магнитных сепараторах и т. д.), называются при- водами вспомогательных механизмов.

По принципу работы приводы бывают электрические, электро- механические, гидравлические и электрогидравлические.

Электрическим приводом называется устройство, преобразую- щее электрическую энергию в механическую и управляющее пара- метрами сформированного при этом движения. Основным элементом электропривода является электрический двигатель, в котором и про- исходит преобразование энергии. Управление параметрами движения осуществляют с помощью преобразователя основного управляющего параметра, датчика обратной связи, задающего устройства, устройст- ва защиты и т. д.

На настоящий момент можно выделить несколько типов элек- троприводов для станочного оборудования: частотно-регулируемый электропривод с асинхронным двигателем, вентильный сервопривод (синхронный двигатель на постоянных магнитах со специализиро- ванным частотным преобразователем) и шаговый электропривод с электрическим дроблением шага.

Привод с электродвигателем постоянного тока называется элек- троприводом постоянного тока, а привод с асинхронным или син- хронным электродвигателем - электроприводом переменного тока.

Преобразователи являются звеньями системы электропривода, в которых происходит изменение параметров тока или напряжения, т. е. преобразователь трансформирует электрическую энергию с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами. Так, у преобразователя переменного тока в постоянный (так называемого выпрямителя) на входе переменный ток, а на выходе постоянный.

Шаговые двигатели в приводах станков с ЧПУ используются чаще всего в комплекте с гидроусилителем момента. Достоинством шагового электропривода является отсутствие обратной связи по пу- ти, что упрощает систему управления в целом, но при этом снижает надежность привода.

В практике создания и эксплуатации станков с ЧПУ находят применение также «силовые» шаговые двигатели, не требующие промежуточного гидроусилителя, всевозможные линейные электро- приводы, в том числе шаговые.

Наряду с элекродвигателем и преобразователем в состав приво- да входят и механические передачи.

Механическая передача — часть системы привода, заключенная между выходным звеном источника движения (например, выходным

валом электродвигателя или штоком гидроцилиндра) и звеном по- требления механической энергии и предназначенная для кинематиче- ского преобразования движения на этом пути. Под кинематическим преобразованием понимают изменение направления усилия и скоро- сти при линейном перемещении или изменение плоскости поворота при вращательном движении.

Основные функции механических передач: распределение энер- гии (от одного источника движения) между различными звеньями ее потребления; совмещение энергии, поступающей от различных ис- точников движения, и подведение ее к одному звену потребления; понижение или повышение скорости при одновременном повышении или понижении усилий или вращающих моментов; ограничение ско- рости или вращающего момента; регулирование скорости; преобра- зование вида движения (вращательного в поступательное); изменение направления оси вращения и т. д.

В перспективе механические передачи в приводе станков будут играть менее значительную роль, так как их функции можно будет реализовывать с помощью электрических или гидроэлектрических устройств. Однако в настоящее время, несмотря на переход к элек- трическим способам управления движениями, механические переда- чи находят применение в станках с ЧПУ, что объясняется их просто- той и надежностью.

Для передачи вращательного движения используют ременные, зубчатые и червячные передачи, а для преобразования вращательного движения в поступательное — зубчато-реечные и винтовые.

В большинстве приводов станков с ЧПУ для преобразования вращательного движения в поступательное применяют передачу

«винт — гайка качения» (рис. 2.5). В корпусе передачи, помимо гай- ки, помещены шарики, которые перемещаются между гайкой и вин- том по замкнутому контуру и позволяют затянуть гайку так, чтобы исключить зазор в передаче. Затягивание при отсутствии шариков создало бы силу трения, препятствующую повороту винта.

а)

 

Рис. 2.5. Передача винт-гайка качения: а – шариковая; б - роликовая

 

 

В шариковой передаче шарики циркулируют с возвратом, поте- ри в этой передаче невелики, однако для обеспечения равномерного натяга по длине и исключения зазоров она должна быть выполнена с высокой точностью.

В станках с ЧПУ находят применение муфты, электромагнитные фрикционные муфты и тормоза, зубчатые передачи и редукторы (рис. 2.6) [2].

а) б) в)

 

Рис.

2.6. Редукторы, используемые в станках с ЧПУ: а, б – планетарные; в – циклои- дальные

 

 

Приводы главного движения

Приводы главного движения и подачи в станках с ЧПУ предна- значены для обеспечения процесса съема металла с максимальной производительностью при заданных точности и качестве обработки.

В приводах главного движения иногда возникает необходимость точно и быстро остановить двигатель, например точно остановить шпиндель токарного станка для автоматической выгрузки изделия и загрузки новой заготовки или точно остановить резец алмазно- расточного станка напротив шпоночного паза растачиваемого отвер- стия для вывода резца из отверстия. В этом случае, кроме увеличения диапазона регулирования, используют датчики нулевого положения либо привод выполняется следящим.

Для увеличения надежности и долговечности механизмов при- вода следует решать задачу обеспечения безударности его пуска и торможения.

В некоторых станках, например токарно-винторезных, необхо- димо обеспечить возможность синхронного движения рабочих орга-

нов главного движения и подачи. Для этого на главном приводе уста- навливается круговой импульсный датчик.

Регулирование частоты вращения привода главного движения может быть ступенчатым, бесступенчатым и комбинированным.

Ступенчатое регулирование явилось исторически первым спо- собом изменения частоты вращения шпинделя станка и было обу- словлено следующими факторами: изначально станки с ЧПУ проек- тировались на основе аналогичного универсального оборудования, имеющего регулирование частоты вращения с помощью коробки скоростей; отсутствие электронной элементной базы, позволяющей реализовать идею бесступенчатого регулирования частоты вращения мощного электродвигателя при сохранении постоянства вращающего момента в широком диапазоне частот.

Ступенчатое регулирование имеет следующие преимущества – двигатель главного движения вращается с постоянной оптимальной скоростью, обеспечивая максимальный рабочий момент; применение асинхронного электродвигателя позволяет отказаться от преобразова- теля, что упрощает электрическую схему. Недостатки такого приво- да: требуется наличие сложных автоматических механических уст- ройств изменения частоты вращения, торможения.

Ступенчатое регулирование в большом диапазоне осуществля- лось с помощью:

– многоваловых коробок (число ступеней 24; диапазон регули- рования и мощность не ограничиваются);

– ступенчато-шкивных передач с одинарным или двойным пе- ребором (число ступеней до 12; диапазон регулирования до 30);

– многоскоростных асинхронных двигателей в сочетании с мно- говаловыми коробками передач.

Автоматическое переключение скоростей в передачах осущест- вляется с помощью электромагнитных фрикционных муфт.

Такие системы регулирования имеют следующие существенные недостатки: невозможность в процессе обработки поддерживать оп- тимальные режимы резания, высокая кинематическая сложность ко- робки скоростей, смена частоты вращения требует останова шпинде- ля, низкая надежность и недолговечность электромагнитных фрикци- онных муфт.

Появление соответствующей электронной базы привело к соз- данию привода с комбинированным способом регулирования: часто-

та вращения вала электродвигателя изменяется в ограниченном диа- пазоне при помощи электронных преобразователей. Расширение диа- пазона регулирования до требуемого при обработке осуществляется при помощи простых (обычно трехступенчатых) коробок скоростей. Такой привод позволяет оптимизировать режимы резания при обра- ботке, поддерживать постоянную скорость резания, однако при пере- ходе с одного диапазона частот вращения к другому требует останов- ки процесса обработки, а в ряде станков такой переход осуществляет- ся вручную (16А20Ф3).

Появление новых синхронных и асинхронных двигателей, обес- печивающих постоянство крутящего момента в широком диапазоне частот вращения (синхронные переменного тока - рабочая частота вращения до 40 000 об/мин, асинхронные - до 12 000 об/мин), позво- лило полностью отказаться от коробки скоростей, а в ряде случаев и от всех механических передач в цепи главного движения, и результа- том явилась разработка мотор-шпинделей (непосредственно шпин- дель станка является одновременно и ротором электродвигателя). С целью снижения влияния тепловыделения двигателя на шпиндель станка используется водяное охлаждение электродвигателя.

В качестве таких двигателей могут быть использованы асин- хронные электродвигатели 1PH2 фирмы «Сименс» (рис. 2.7)[2]. Встраиваемые двигатели 1PH2 используются на станках с повышен- ными требованиями к качеству обработки, точности и плавности хода (токарные станки, шлифовальные станки).

Преимущества от использования:

- компактная конструкция, благодаря удалению механических компонентов: балансира двигателя, ременной передачи, редукторной коробки и шпиндельного датчика;

- высокая удельная мощность, благодаря водяному охлаждению;

Рис.2.7. Фотография асинхронного встраиваемого электродвигателя

1PH2 Siemens

- высочайшая точность на детали вследствие спокойного, точно- го вращения шпинделя на малых оборотах, так как нет воздействия поперечных усилий привода;

- ускорение разгона и торможения;

- полный номинальный момент вращения доступен непрерывно и в состоянии покоя;

- повышенная жесткость шпиндельного привода благодаря мон- тажу компонентов двигателя между главными подшипниками шпин- деля;

- низкий уровень шума, благодаря удалению многих ранее ис- пользуемых элементов станка;

- передача момента вращения на шпиндель происходит без зазо- ра и с силовым замыканием через цилиндрическую ступенчатую прессовую посадку.

Ротор монтируется на шпиндель термической стыковкой. Прес- совое соединение может быть разъединено гидравлическим методом без нарушения стыкуемых поверхностей.

Находят применение и синхронные электродвигатели (рис. 2.8).

Преимущества использования встраиваемого синхронного дви- гателя аналогичны преимуществам применения асинхронного, одна- ко он имеет ряд дополнительных положительных сторон:

- максимальная скорость до 40 000 об/мин, моменты вращения до 820 Н·м;

- ротор остается холодным вследствие возбуждения постоянны- ми магнитами, как следствие: значительное уменьшение потерь мощ- ности в роторе и меньший нагрев подшипников;

- требуется меньший теплоотвод при той же мощности по срав- нению с 1PH2, т. е. увеличение КПД;

Рис. 2.8. Фотография встраиваемого синхронного электродвигателя модели

1FE1 Siemens

 

 

- только один датчик (измерительная система полого вала) для определения скорости и положения шпинделя;

- увеличение производительности станка: мотор-шпиндели с возбуждением постоянными магнитами увеличивают удельную мощ- ность и рентабельность станков с ЧПУ.

Синхронные встраиваемые двигатели с водяным охлаждением 1FE1 используются там, где предъявляются повышенные требования к качеству обработки, точности, плавности хода, а также требуется наименьшее время разгона.

Основной недостаток синхронных двигателей – невозможность эксплуатации без специального частотно-импульсного преобразова- теля.

Структурная схема управления главным приводом с синхрон- ным электродвигателем (рис. 2.9) предусматривает бестрансформа- торное питание и рекуперирование энергии при торможении [25].

4 1

 

 

Uз

 

 

Рис. 2.9. Структурная схема управления главным приводом с двигателем пе- ременного тока: Д — синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов; ТГ — тахогенератор; ШИМ — блок широкоимпульсной модуляции; ИУ — импульсный усилитель; Us — задание скорости; БР — блок регулятора; У — усилитель; 1 — цепь рекуперативного торможения; 2 — конденсатор; 3 —

высоковольтные транзисторы с шунтирующими диодами; 4 — выпрямитель

Данный привод обеспечивает постоянную мощность на валу двигателя в достаточно широком диапазоне частот вращения. Двига- тели, благодаря их высокой частоте вращения, позволяют использо- вать понижающую передачу с большим отношением. Транзисторный блок управления в сочетании с вентильным блоком рекуперации ра- ботает так, что при торможении энергия возвращается в питающую сеть переменного тока. Это позволяет реализовать высокую частоту чередования ускорения и замедления и обеспечить высокое качество процесса торможения. Электронный блок регулятора тока позволяет уменьшить вибрации и шум во всем диапазоне частот вращения, а введение в схему управления главным приводом датчика угла пово- рота обеспечивает ориентацию шпинделя и остановку его в фиксиро- ванном положении, что необходимо в станках с автоматической сме- ной инструмента.

 

Следящий привод подачи

Привод подач — один из основных узлов, определяющих про- изводительность и точность станка с ЧПУ. Поскольку УЧПУ практи- чески безынерционно формирует сигналы управления приводом, обеспечивающие движение по заданной траектории или позициони- рование в заданной координате, большое значение приобретает со- вершенствование параметров исполнительного двигателя и схемы управления им с учетом особенностей кинематической цепи привода. По мере совершенствования в УЧПУ увеличения жесткости и точности узлов станка повышаются требования к быстродействию и точности привода подач: скорость быстрых перемещений в совре- менных станках доведена до 50 м/мин, а дискретность перемещений

— до 1 нм.

Указанным требованиям удовлетворяют приводы и двигатели, разработанные специально для станков с ЧПУ. Высокими показате- лями характеризуется тиристорный привод с низкоскоростным высо- комоментным двигателем постоянного тока и возбуждением от высо- коэнергетических магнитов (рис. 2.10). Двигатель имеет большой момент инерции, обеспечивает хорошие динамические характеристи- ки, полученные в результате использования (для возбуждения) высо- коэнергетических керамических магнитов, выдерживающих 10—15-

кратные пиковые моменты без размагничивания. Значительная масса и теплоемкость ротора позволяют достаточно долго (до 30 мин) вы- держивать значительные перегрузки.

Рис. 2.10. Конструктивная схема высокомоментного двигателя: 1 — повышаю- щая передача (мультипликатор) револьвера; 2 — резольвер; 3 — тахогенера- тор; 4, 5 — коллекторы; 6 - ротор; 7 — корпус статора; 8 — ферритовыс полюсы; 9 — электромагнитный тормоз

 

В приводах с высокомоментными двигателями во многих случях исключена необходимость в редукторе или значительно упростилась его конструкция, что уменьшило динамическую нагрузку приводного механизма и ее влияние на переходные процессы. Высокий КПД со- временных винтовых передач и направляющих обеспечивает уско- ренные 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 лишь при скорости, равной 15—20 % от скорости быстрого переме- щения. Эти особенности и определяют специфику создания привода подач станков.

Однако, несмотря на все свои достоинства, высокомоментный двигатель постоянного тока не используется в современных станках. Это обусловлено наличием коллекторных узлов в конструкции двига- теля. Являясь ненадежным и быстро изнашиваемым узлом, коллектор приводит к частым отказам привода. Вследствие этого наибольшее распространение в современных приводах получили синхронные элекродвигатели. Они обладают удовлетворительными характеристи- ками, и в их конструкции полностью отсутствует коллектор, т. к. ро-

тор такого двигателя выполнен из высокоэнергетических магнитов, а обмотки расположены в неподвижном статоре.

Привод подач управляется по заранее заданной УП, опреде- ляющей входные сигналы в функции времени по каждой координате, что позволяет заранее компенсировать систематические погрешно- сти, а также формировать в УП входные воздействия, минимизирую- щие переходные процессы.

Следящий привод имеет, как минимум, два датчика обратной связи — по скорости (тахогенератор) и по пути. Тахогенератор всегда устанавливают на вал двигателя подачи, при этом часто встраивают непосредственно в двигатель. Что касается датчика обратной связи по пути, то существуют три варианта его установки, в зависимости от которых различают и структурные схемы следящих приводов (рис. 2.11).

 

а)

 

 

б)

 

 

в)

Рис. 2.11. Структурные схемы следящих приводов: а — с полузамкнутым кон- туром обратной связи по пути; б — то же с замкнутым контуром; в — с гиб- ридной схемой обратной связи; 1 — основной блок УЧПУ; 2 — узел управле- ния приводом; 3 — блок привода; 4 — двигатель подачи; 5 —тахогенератор; 6

— стол станка; 7 — круговой датчик обратной связи по пути; 8 — линейный датчик обратной связи по пути

В станках нормальной точности датчик обратной связи по пути выполняют круговым и устанавливают на ходовой винт или на вал двигателя (рис. 2.11, а); поскольку пара винт—гайка не охвачена об- ратной связью, погрешности этой пары переносятся на изделие. Сис- тематическую слагаемую этих погрешностей, повторяющуюся ста- бильно, можно компенсировать с помощью заранее программируе-

мых корректирующих сигналов. Следящие приводы с такой струк- турной схемой, называемой схемой с полузамкнутым контуром об- ратной связи по положению, обеспечивают точность позиционирова- ния ± 10 мкм.

В микропроцессорных системах ЧПУ обратные связи по пути замыкаются в УЧПУ, а обратные связи по скорости — в блоке управ- ления приводом. Таким образом, в следящих системах используют регулируемый привод с введением обратной связи по пути.

В прецизионных станках устанавливают на столе станка высо- коточный линейный датчик 8 (рис. 2.11, б). Такая структурная схема называется замкнутой по положению. При этой схеме зазоры в кине- матической цепи и упругие деформации влияют на колебания приво- да.

Поэтому в ряде случаев (например, в тяжелых станках) приме- няют гибридную схему обратной связи (рис. 2.11, б), в которой ис- пользуют два датчика: круговой, установленный на вал двигателя или ходовой винт, и линейный, установленный на стол станка.

При этом круговой датчик используют для позиционирования, а линейный — для автоматической коррекции погрешностей кинема- тической цепи.

Привод подачи выбирают с учетом моментов инерции элемен- тов кинематической цепи и нагрузки, нагрузочных моментов (резания и холостого хода), скоростей перемещения и времени переходных процессов (пуска, торможения, реверса).

Для уменьшения величины выбега (т. е. пути, который проходит рабочий орган после получения команды на остановку) используют способы интенсивного торможения. Подходить к позиции точной ос- тановки можно лишь на очень низкой скорости. Поэтому между пер- вой (на торможение) и второй (на отключение) командами в позиции точной остановки приходится вводить промежуточную скорость. В цикловых системах управления при одноступенчатом графике пози- ционирования после получения команды на торможение рабочий ор- ган станка, например координатный стол, может остановиться в лю- бой точке участка, который называется участком разброса тормозно- го пути при одноступенчатой остановке. Если рабочий орган остано- вится в начале этого участка, то весь участок придется проходить на ползучей скорости. Чаще всего остановка происходит в середине это- го участка и оставшуюся половину проходят на ползучей скорости.

По сравнению с одноступенчатым двухступенчатый график (показан жирными линиями на рис. 2.12) позволяет значительно (примерно в три раза) сократить время позиционирования: после получения пер- вой команды (на торможение) выполняется переход рабочего органа на промежуточную скорость, с которой он перемещается до получе- ния команды на второе торможение; затем скорость снижается до уровня ползучей и рабочий орган попадает на участок, называемый участком разброса тормозного пути при втором торможении.

 

 

V 0

 

 

 

V 1

 

V 2

Ра зб р о с пу т и

то р м о ж ен и я до п р ом е ж ут очно й ск о р о ст и

 

Ра зб р о с

пут и вт ор ог о т о рм ож е н и я

 

1 2

Ра зб р о с вы б е г а пр и о д н о сту п ен ч а то м т орм ож е н и и

 

Ра зб р о с вы бе г а - ош и б ка ос т а н о в а

 

Рис. 2.12. Траектория одноступенчатого и многоступенчатого позиционирования: 1 — команда на торможение; 2 — команда на снижение скорости; 3 — команда на остановку; V0, V1, V2 — скорость быстрого хода, промежуточная и ползучая соответственно

Увеличивая число ступеней, переходят к графику с непрерыв- ным позиционированием, который называется «оптимальным» и обеспечивает заданную точность позиционирования при минималь- ных затратах времени. Осуществление оптимального графика реша- ется в системах ЧПУ со следящим приводом; в этих системах реали- зуются также двух- и трехступенчатые циклы позиционирования.