Станки с ЧПУ обеспечивают высокую производительность и точность отработки перемещений, задаваемых программой, а также сохранение этой точности в заданных пределах при длительной их эксплуатации. Станки с ЧПУ имеют расширенные технологические возможности при сохранении высокой надежности работы.
Конструкция станков с ЧПУ должна, как правило, обеспечить:
· совмещение различных видов обработки (точение – фрезерование, фрезерование – шлифование, обработка резанием – контроль и т.д.);
· удобство загрузки заготовок, выгрузки деталей, что особенно важно при применении промышленных роботов;
· автоматическое или дистанционное управление сменой инструмента;
· возможность встройки в общую автоматическую систему управления.
Повышение точности обработки достигается высокой точностью изготовления и жесткостью станка, превышающей жесткость обычного станка того же назначения. Статическая и динамическая жесткость повышается при сокращении длины кинематических цепей. С этой целью для всех рабочих органов применяют автономные приводы, а механические передачи используют в минимально возможном количестве. Приводы станков с ЧПУ должны обеспечивать высокое быстродействие.
Повышению точности обработки способствует также устранение зазоров в передаточных механизмах, приводах подач, снижение потерь на трение в направляющих и других механизмах, повышение виброустойчивости и снижение тепловых деформаций, элементов станка, 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 гидросистемы. В высокоточных станках температурную погрешность можно в некоторой степени уменьшить, вводя коррекцию в привод подач от сигналов датчиков температур.
Базовые детали станков. Базовые детали станков с ЧПУ (станины, колонны, основания) выполняют более жесткими за счет введения дополнительных ребер жесткости. Повышенную жесткость имеют и подвижные несущие элементы (суппорты, столы, салазки). Столы, например, конструируют коробчатой формы с продольными и поперечными ребрами. Базовые детали изготавливают литыми или сварными. Наметилась
тенденция выполнять такие детали из полимерного бетона или синтетического гранита, что еще больше повышает их жесткость и виброустойчивость.
Для улучшения условий эксплуатации при создании новых моделей станков с ЧПУ часто, меняют традиционную компоновку, например токарные станки выполняют с вертикальной компоновкой, что обеспечивает удобный подход для загрузки-разгрузки промышленным роботам, хороший отвод стружки и т.д.
Направляющие станков. Направляющие станков с ПУ имеют высокую износостойкость и малую величину силы трения, что позволяет снизить мощность следящего привода, увеличить точность перемещений, уменьшить рассогласование в следящей системе.
Направляющие скольжения имеют повышенный износ и высокий коэффициент трения, особенно на малых скоростях, что приводит к скачкообразному перемещению рабочего органа при позиционировании на малой скорости. Чтобы уменьшить коэффициент трения, направляющие скольжения станины и суппорта создают в виде пары скольжения «сталь (или высококачественный чугун) – пластиковое покрытие (фторопласт и др.)».
В большинстве станков с ЧПУ используют направляющие качения, комбинированные качения и скольжения, а в тяжелых станках – гидростатические направляющие.
Направляющие качения имеют высокую долговечность, характеризуются небольшим трением, причем коэффициент трения практически не зависит от скорости движения. В качестве тел качения используют ролики. Для направляющих качения применяют те же исходные профили, что и для направляющих скольжения (прямоугольные, треугольные, трапециевидные и т.д.
Гидростатические направляющие создают масляную подушку по всей площади контакта, отсюда – малое сопротивление движению, отсутствие износа, устранение причин скачкообразного движения и т.д.
Привод главного движения. Привод главного движения станков с ЧПУ может иметь ступенчатое и бесступенчатое регулирование частот вращения шпинделя. При ступенчатом регулировании применяют автоматические коробки скоростей в сочетании с одно- или многоскоростными нерегулируемыми электродвигателями. В автоматических коробках скоростей пуск, торможение, реверс, регулирование скорости осуществляется автоматически с помощью электромагнитных муфт. Такой привод имеет высокий коэффициент полезного действия (КПД), обеспечивает передачу больших крутящих моментов при сравнительно небольших габаритах и применяется, например, в токарных станках с ЧПУ. В многоцелевых станках двух- и трехступенчатые коробки скоростей сочетают с механическими вариаторами, а переключение ступеней происходит от устройства ЧПУ электромагнитами, гидроприводом или другими способами.
Бесступенчатое регулирование частот вращения осуществляется двигателями постоянного тока с тиристорным управлением. Такие двигатели в сочетании с упрощенными двух – трехступенчатыми коробками скоростей наиболее распространены в приводах главного движения станков с ЧПУ. Преимущества такого привода: простота конструкции и легкость управления. Тенденцией их развития является применение специальных или стандартного исполнения асинхронных электродвигателей с принудительным охлаждением при мощности до 30 кВт и максимальной частоте вращения 4500 – 6000 мин-1.
Шпиндели станков. Шпиндели станков с ЧПУ выполняют точными, жесткими, с повышенной износостойкостью шеек, посадочных и базирующих поверхностей. Конструкция шпинделя значительно усложняется из-за встроенных в него устройств автоматического разжима и зажима инструмента, датчиков при адаптивном управлении и автоматической диагностике. Концы шпинделей в основном стандартизованы. В мно
гоцелевых и фрезерных станках с ЧПУ отверстие в шпинделе выполняют с конусом 7/24, в сверлильных станках – с конусом Морзе.
Опоры шпинделей. Опоры шпинделей должны обеспечить точность направлений (радиального и осевого) шпинделя в течение длительного времени в переменных условиях работы, повышенную жесткость, небольшие температурные деформации. Точность вращения шпинделя, прежде всего, обеспечивается высокой точностью изготовления подшипников. Повышение радиальной жесткости шпиндельного механизма достигается увеличением диаметра шпинделя и установкой в опорах шпинделя более жестких подшипников (роликоподшипников вместо шарикоподшипников).
Наиболее часто в опорах шпинделей применяют подшипники качения. Для уменьшения влияния зазоров и повышения жесткости опор обычно устанавливают подшипники с предварительным натягом или увеличивают число тел качения. Подшипники скольжения в опорах шпинделей применяют реже, только при наличии устройств с периодическим (ручным) или автоматическим регулированием зазора в осевом или радиальном направлениях.
Гидродинамические подшипники используют в шлифовальных и других станках. В этих подшипниках несущий масляный слой образуется при вращении вала в результате прилипания масла к поверхностям цапфы и вкладыша и затягивания его в клиновой зазор между рабочими поверхностями цапфы и вкладыша.
Гидростатические шпиндельные подшипники широко используют в опорах прецизионных станков, так как они обеспечивают высокую точность вращения, неограниченную долговечность.
В прецизионных станках применяют аэростатические подшипники, в которых между шейкой вала и поверхностью подшипника находится тонкий слой сжатого воздуха, благодаря этому снижается износ и нагрев подшипника, повышается точность вращения и т.п.
Привод подач и позиционирования. Привод подач и позиционирования, т.е. перемещения рабочего органа станка в требуемую позицию согласно программе, должен выполняться с минимально возможными зазорами и со стабильными параметрами, иметь высокую жесткость и плавность перемещения при малых скоростях, большую скорость вспомогательных перемещений рабочих органов (до 10 м/мин и более). Привод подач характеризуется также малым временем разгона и торможения, небольшими силами трения, уменьшенным нагревом элементов привода, большим диапазоном регулирования. Эти требования можно осуществить, применив шариковые и гидростатические винтовые передачи, направляющие качения и гидростатические направляющие, беззазорные редукторы с короткими кинематическими цепями и т.д.
К основным элементам любого привода подачи станка с ЧПУ относятся приводной двигатель, в качестве которого в настоящее время наиболее широко применяются электродвигатели постоянного тока и реже шаговые двигатели (ШД) и гидроприводы (гидроцилиндр с поршнем, гидродвигатель).
В зависимости от системы управления (наличия обратной связи) привод подачи в станках с ЧПУ может быть дискретным (шаговым) или следящим. Шаговый привод подачи имеет разомкнутую схему управления и строится на основе несилового ШД и гидроусилителя (ГУ) или с применением силового ШД. Несиловой шаговый привод достаточно широко применяют в отечественных станках с ЧПУ.
В современных станках с ЧПУ наибольшее применение находит привод подачи с замкнутой схемой управления, построенный на основе электродвигателей постоянного тока. Электродвигатели, применяемые в приводах подач, должны иметь хорошие динамические характеристики, необходимые для создания больших ускорений, жесткие механические характеристики, обеспечивать большой диапазон регулирования частоты
вращения с равномерным вращением при очень малой частоте (до 1 мин-1). Необходимо также максимально использовать конструктивный объем электродвигателя. Электродвигатели должны иметь высокий КПД, малый уровень вибраций и др.
В качестве приводных электродвигателей в современных станках с ЧПУ чаще всего используют высокомоментные электродвигатели постоянного тока. Применение этих электродвигателей, обладающих высокой статической точностью и быстродействием при малых массе и габаритах, позволяет исключить из привода подачи зубчатые передачи и редукторы и установить электродвигатель через муфту непосредственно на ходовой винт.
В высокомоментных электродвигателях постоянного тока в отличие от обычных электромагнитное возбуждение заменено возбуждением от постоянных магнитов, что существенно улучшило их характеристики. Такие электродвигатели могут выдерживать значительные перегрузки, имеют высокую устойчивость в работе в переходных режимах и высокое быстродействие, обусловленное способностью кратковременно развивать большой крутящий момент при малой скорости (около 1 мм/мин). В то же время они обеспечивают повышение скорости на вспомогательных ходах до 10 – 15 м/мин. Отсутствие обмотки возбуждения снижает общий нагрев электродвигателя, уменьшает его массу и габариты.
Современные высокомоментные электродвигатели постоянного тока выпускают со встроенными: устройством термической защиты, тормозом, тахогенератором (датчиком скорости) и круговым измерительным преобразователем, что позволяет существенно упростить конструирование привода подачи, повысить точность и надежность его работы.
Точность позиционирования во многом зависит от точности срабатывания электродвигателей, электромагнитных муфт, тормозных устройств. В электродвигателях подач, устанавливаемых непосредственно на станках, используют высокомоментные двигатели постоянного тока с транзисторными широтно-импульсными преобразователями. Для роботов и других быстродействующих механизмов используют специальные быстродействующие электродвигатели постоянного тока с дисковым якорем и транзисторными преобразователями.
Тенденцией развития электропривода подач является создание электроприводов переменного тока на базе синхронных бесколлекторных (вентильных) электродвигателей с естественным охлаждением, с моментами 0,1 – 90 Н×м, максимальными частотами вращения до 3000…5000 мин-1. Такие двигатели обеспечивают широкий диапазон регулирования и равномерность вращения, имеют малые габариты и массу. В качестве датчика обратной связи используют датчик положения ротора (в основном фотоимпульсный).
Шаговые двигатели имеют хорошие динамические характеристики. Несиловые ШД не обеспечивают мощности, необходимой на перемещение исполнительных механизмов станка, и поэтому применяются в сочетании с гидроусилителем моментов. Силовые ШД непосредственно связаны с винтом или редуктором механизма подач.
Исполнительные механизмы привода подач. Передачи «винт – гайка», червячно-реечные передачи являются исполнительными механизмами привода подач. Передачу винт – гайку скольжения почти не используют из-за наличия зазоров в резьбе, большого коэффициента трения и низкого КПД.
Передача «винт – гайка качения» обеспечивает высокую осевую жесткость благодаря возможности полного устранения зазора, длительно сохраняет первоначальную точность, имеет высокий КПД (больше 0,9) при полной нагрузке на передачу.
Гидростатическая передача «винт – гайка» работает в условиях жидкостного трения, передача фактически беззазорная, ее КПД равен 0,99, износ винта и гайки практически отсутствует. Передачи «винт – гайка» применяют в приводах подач при переме
щениях до 3 м. Для перемещений большей величины используют зубчато-реечные передачи с автоматической выборкой зазоров с помощью двух параллельных кинематических цепей или других способов. Находят применение и червячно-реечные передачи, обеспечивающие большую жесткость и плавность перемещения.
Вспомогательные механизмы станков. Вспомогательные механизмы станков с ЧПУ включают устройства смены инструмента, уборки стружки, смазывания, зажимные приспособления, загрузочные устройства и т.д. Эта группа механизмов в станках с ЧПУ значительно изменилась по сравнению с аналогичными механизмами в обычных универсальных станках.
Например, в результате повышения производительности станков с ЧПУ произошло резкое увеличение сходящей стружки в единицу времени, а отсюда возникла необходимость создания специальных устройств для отвода стружки: шнековых транспортеров, магнитных сепараторов и т.д. Для сокращения потерь времени при загрузке применяют приспособления, позволяющие одновременно устанавливать заготовку и снимать деталь во время обработки другой заготовки (удлиненные столы с двумя рабочими позициями, маятниковые столы и др.).
Устройства автоматической смены инструмента. Устройства автоматической смены инструмента (магазины, автооператоры, револьверные головки) должны обеспечивать минимальные затраты времени на смену инструмента, высокую надежность в работе, стабильность положения инструмента, т.е. постоянство размера вылета и положения оси при повторных сменах инструмента, иметь необходимую вместимость магазина или револьверной головки.
Револьверная головка наиболее простое устройство смены инструмента: установку и зажим инструмента осуществляют вручную. В рабочей позиции один из шпинделей приводится во вращение от главного привода станка. Револьверные головки устанавливают на токарные, сверлильные, фрезерные, многоцелевые станки с ЧПУ; в головке закрепляют от 4 до 12 инструментов. Увеличение числа позиций в револьверной головке снижает величину рабочего хода. Недостатком револьверных головок является невысокая жесткость и, как следствие, пониженная точность обработки.
Варианты компоновок револьверных головок в станках с ЧПУ; показаны на рис. 1.2. Наиболее распространена конструкция головок, показанная на рис. 1.2, а; головка, показанная на рис. 1.2, б, сложнее, но более удобна, так как позволяет неоднократно использовать каждый шпиндель за один поворот головки; конструкция головки, показанная на рис. 1.2, в, встречается реже.