Характеристика станков электроприводов

Станки. Металло-, дерево- и камнеобрабатывающие станки выполняют схожие операции по обработке материалов, отличающиеся инструментальными средствами обработки и свойствами обрабатываемых материалов.
Например, деревообрабатывающие станки выполняют продольный и поперечный раскрой досок на заготовки, формирование необходимого поперечного сечения, обработку концов деталей, выработку гнезд и отверстий, вытачивание деталей, являющихся телами вращения; обеспечивают получение деталей сложной формы с пространственно кривыми поверхностями, уменьшение шероховатости поверхности деталей в результате шлифования абразивными инструментами и т.д.
Камнеобрабатывающие станки обеспечивают получение изделий из камня заданных размеров, шлифование поверхности, выработку гнезд и отверстий и т.п.
Металлообрабатывающие станки наиболее распространены и сложны. Они выполняют все основные функции других станков. В связи с этим рассмотрим системы управления именно этими станками.
Многообразие металлообрабатывающих станков в основном обусловлено конструктивно-технологическими особенностями обрабатываемых деталей, все разнообразие которых условно можно разделить на три типа: валы, диски и корпусные детали. Для обработки тел вращения (валы и диски) используют токарные центровые и патронно-центровые станки, а для корпусных деталей — станки расточно-фрезерно-сверлильной группы. Для изготовления специальных деталей, таких как, например, зубчатые колеса, используют специализированные зубообрабатывающие, зубошлифо-вальные и другие станки. Электрофизические станки применяют для обработки высокотвердых материалов. Для обработки листовых материалов используют машины газовой, плазменной и лазерной резки.
Многооперационный сверлильно-фрезерно-расточной станок с горизонтальным шпинделем предназначен для высокопроизводительной обработки корпусных деталей, устанавливаемых на поворотном столе 2. Обработку деталей производят инструментом, закрепленным в шпинделе 3, подачей стойки 7, шпиндельной бабки б и стола в направлении осей координатной системы 0XYZ.
Стол и подвижная стойка находятся на станине 1 станка. Стол предназначен для установки и крепления обрабатываемых деталей. Он состоит из саней и встроенного поворотного делительного стола. Сани монтируются на станине стола, которая закрепляется на общей станине станка. Сани с поворотным столом могут перемещаться по направляющим станины стола в направлении оси X. Поворот на угол ау осуществляется вокруг оси Y. Стойка перемещается по направляющим станины в направлении оси Z. Шпиндельная бабка расположена внутри стойки и по ее направляющим перемещается в направлении оси Y. В ней в отдельном корпусе монтируется шпиндель.
Устройство для автоматической смены инструмента состоит из манипулятора 4 и инструментального магазина 5 и расположено вне рабочей зоны станка. Инструментальный магазин служит для хранения комплекта инструмента, используемого для обработки детали по программе и перемещения на угол уг требуемого гнезда с инструментом в зону смены инструмента. Магазин выполняется в виде поворотного барабана с фиксированными гнездами и монтируется на верхнем торце стойки. Манипулятор обеспечивает автоматический обмен инструментов между магазином и шпинделем станка. Он закрепляется на переднем торце стойки и состоит из корпуса, двухзахватной поворотной руки и механизма ее выдвижения в направлении оси Z и поворота на угол pz.
Широкий диапазон частот вращения шпинделя В станке применяются короткие жесткие кинематические связи с минимальным количеством зубчатых колес. В приводах подач (линейные перемещения стола стойки и бабки) используются высокомоментные электродвигатели и кинематические передачи типа «винт — гайка качения» В приводах поворота используются червячные передачи, в приводе шпиндельной бабки — тормозная муфта, исключающая падение бабки при снятии напряжения сети.
Станок оснащается автоматизированными системами электроприводов 1...8 и трехкоординатным комбинированным устройством числового программного управления УЧПУ на базе микро-ЭВМ, позволяющими осуществить контурное управление и позиционирование рабочего органа станка, стабилизацию частоты вращения инструмента, управление инструментальным магазином и устройством автоматической смены инструмента.
Все многообразие металлообрабатывающего оборудования можно охарактеризовать несколькими понятиями, общими для всех видов станков.
Число управляемых (осей) характеризует возможности станка по формированию траектории движения его исполнительных органов (ИО) в пространстве. Координаты ИО станка могут изменяться одновременно, формируя при этом траекторию движения, или поочередно. Число одновременно управляемых осей характеризует возможности станка обрабатывать поверхности заготовки. Эти оси называют осями геометрии. Остальные оси станка обеспечивают доступ инструмента к обрабатываемым поверхностям и выполнение вспомогательных операций, например, автоматическую смену инструмента, транспортировку заготовок в рабочую зону станка и т.д.
При обработке в плоскости достаточно перемещать исполнительный орган одновременно только по двум осям, что достаточно для управления токарным станком. Для обработки корпусных деталей требуется минимум три одновременно управляемые оси, а для сложных изделий, требующих ориентации инструмента относительно поверхности детали, осей геометрии может быть пять и более. Это характерно для многооперационных станков типа обрабатывающего центра или специализированных, выполняющих обработку изделий со сложной формой поверхности.
Главное движение — движение, обеспечивающее перемещение рабочей точки, линии или поверхности инструмента относительно заготовки и производящее при этом обработку. В токарных станках таким движением является вращение заготовки, зажатой в патроне шпинделя; во фрезерных — вращение инструмента (фрезы), установленного в шпинделе; в шлифовальных — вращение шлифовального круга. Как правило, главное движение имеет наибольшую установленную мощность привода, так как именно главный привод станка обеспечивает необходимое усилие резания.
Движения подач— движения по осям геометрии станка, обеспечивающее перемещение ИО станка по определенной плоской или пространственной траектории (контуру) с заданной скоростью. Диапазон изменения скоростей приводов подач очень велик и определяется технологическими режимами обработки. Однако для соблюдения заданных технологических режимов обработки задается контурная скорость движения точки инструмента. Требуемые при этом скорости подач по осям станка вычисляются системой управления в процессе выполнения задания.
Главное движение и движения подач называются основными движениями. Кроме основных движений, в станках имеются вспомогательные движения, непосредственно не участвующие в процессе резания, но способствующие ему или выполняющие вспомогательные операции, обеспечивающие работу станка. Они осуществляют подачу охлаждающей смазочной жидкости, зажим и отжим заготовки и механизмов станков, автоматический подвод и отвод инструментов, автоматический контроль размеров в процессе обработки и т.д.
Для обработки заготовок на станке, как правило, используется не один, а несколько инструментов. Для сложных корпусных деталей их число иногда доходит до нескольких сотен. Наиболее простыми системами смены инструмента являются револьверные головки, несущие небольшое число инструментов (шесть—десять). Смена инструмента осуществляется при этом поворотом револьверной головки, ее фиксацией и зажатием.
Более сложные системы снабжены магазинами инструментов поворотного или цепного типов и автооператорами для замены инструмента. Магазин инструментов располагается вне рабочей зоны станка, количество хранящихся в магазине инструментов не ограничено.
Современные станки оснащены станочным транспортом, обеспечивающим доставку спутников с заготовками и деталями при загрузке и выгрузке рабочего стола станка.
Основными технологическими процессами металлообработки являются: точение, расточка, строгание, сверление, фрезерование и шлифование.
Точение осуществляется на токарных станках в результате вращения обрабатываемого изделия 1 (главное движение) и перемешения резца 2 (движения подач) по осям x—s2 и у—sx.
Подача определяется перемещением резца, приходящимся на один оборот изделия. Глубина резания представляет собой разность радиусов обрабатываемой и обработанной поверхностей. Быстрое перемещение суппорта, зажим и отжатие обрабатываемого изделия, перемещение люнета, задней бабки и другие движения относятся к вспомогательным.
В процессе обработки происходит износ инструмента. При достижении оптимального износа инструмент перетачивают. Время работы инструмента между двумя переточками определяет его стойкость Т.
Перемещение резца за один двойной ход стола перпендикулярно главному движению и называется движением подачи S (мм/мин). Величина tp, на которую углубляется резец в изделие при одном проходе, называется глубиной резания. Перемещение траверсы и суппортов, подъем резца при обратном ходе, установочные медленные перемещения стола относятся к вспомогательным движениям.
Главным движением при фрезеровании является вращение фрезы; перемещение детали относительно инструмента представляет собой движение подачи. Быстрое перемещение стола, на котором укреплена деталь, и ускоренное перемещение шпиндельной бабки при наладке относятся к вспомогательным движениям.
Шлифование производится, как правило, абразивными кругами, при этом каждое абразивное зерно в зоне обработки работает как резец, снимая стружку с детали в пределах определенного угла поворота. Главное движение при шлифовании — вращение шлифовального круга; поступательное перемещение круга относительно детали представляет собой движение подачи.
Приводы. Основные и вспомогательные движения на станках выполняются от электро- и гидроприводов. При использовании в приводе электродвигательного устройства он является электроприводом. Электроприводы наиболее распространены среди приводов основных движений.
Электропривод главного движения имеет электродвигатель и коробку скоростей или редуктор в качестве устройства, передающего движения исполнительному органу станка. Возможно отсутствие передающего устройства, когда двигатель соединяется непосредственно с исполнительным органом.
Распространенными приводами главного движения станков являются приводы от одно- и многоскоростных АД с короткозам-кнутым ротором со ступенчатым регулированием скорости путем переключения шестерен коробки скоростей. Переключения производятся дистанционно различными устройствами, из которых наибольшее распространение получили устройства с фрикционными многодисковыми электромагнитными муфтами, встраиваемыми в коробку скоростей, а также с электрическими исполнительными двигателями и гидравлическими механизмами.
Использование электропривода переменного тока со ступенчатым регулированием скорости резания не может обеспечить полную производительность. Применение коробки скоростей со сложной кинематикой снижает точность работы станка и увеличивает его стоимость. Поэтому привод главного движения выполняется в виде регулируемого электропривода с простым редуктором или двухступенчатой коробкой скоростей и дистанционным переключением.
Для электроприводов главного движения шлифовальных станков и заточных станков, где требуется высокая частота вращения (6000 мин-1 и более), применяются высокооборотные электроприводы переменного тока. Для этих станков используют специальные асинхронные двигатели с частотным управлением мощностью до 100 кВт, асинхронные высокоскоростные двигатели мощностью до 4 кВт и др.
Мощность, развиваемая при резании, определяется скоростью резания и усилием резания. Усилие резания Fz определяется подачей и глубиной резания при неизменных материалах и форме резца и заготовки.
Для приводов главного движения наиболее рациональным является способ регулирования скорости с постоянной мощностью, так как большим скоростям резания соответствуют меньшие усилия резания, а меньшим скоростям — большие усилия.
Диапазон регулирования частоты вращения определяется пределами скоростей резания и диаметров обрабатываемых изделий. Это обусловлено тем, что на универсальных станках могут обрабатываться детали из различных материалов и разных размеров, в частности разных диаметров. Для обработки изделий одинакового диаметра из различных материалов необходимо обеспечить определенный диапазон регулирования скорости резания. С другой стороны, рациональная обработка изделий из одного и того же материала, но разных диаметров, требует постоянной скорости резания.
Соблюдение условия v = const достигается регулированием скорости привода с диапазоном регулирования, определяемым диапазоном диаметров. Так, для токарных станков с диаметром устанавливаемых изделий 320... 1000 мм требуемый диапазон регулирования частот вращения примерно 50:1, а для токарно-кару-сельных станков с диаметром обрабатываемого изделия от 1250 до 4000 мм он доходит до 80:1.
В станках с числовым программным управлением (ЧПУ) функции, выполняемые электроприводом главного движения, значительно усложнены. Кроме стабилизации частоты вращения, при силовых режимах резания требуются обеспечение режимов позиционирования шпинделя при автоматической смене инструмента и производстве легких долбежных и строгальных работ, а также возможность нарезания резьбы метчиками и резцами. Это неизбежно ведет к увеличению требуемого диапазона регулирования частоты вращения. Так, при требуемой точности позиционирования шпинделя 0,1 % и максимальной частоте вращения двигателя 3000...5000 мин-1 суммарный диапазон изменения частоты вращения должен быть не менее 10 000:1.
На скоростях ниже номинальных регулирование осуществляется с постоянным моментом. Таким образом получается двухзон-ное регулирование скорости. При небольшой мощности главного привода применяют однозонное регулирование скорости с постоянным моментом.
Стабильность работы привода характеризуется изменением частоты вращения при изменении нагрузки, напряжения питающей сети, температуры окружающей среды и т. п. Погрешность регулирования определяется суммированием следующих отклонений: частоты вращения при изменении тока нагрузки на 0,4/ном по сравнению со значением 0,6/ном при номинальном напряжении питания и постоянной температуре окружающей среды (20 ± 5) °С; частоты вращения при изменении температуры окружающей среды от (20 ± 5) до 45 °С при питании номинальным напряжением при номинальной нагрузке; частоты вращения при изменении напряжения питания на ±10 % от номинального напряжения при холостом ходе и постоянной температуре.
Отличительной особенностью главного привода для высокоавтоматизированных станков с ЧПУ является необходимость применения реверсивного привода даже в тех случаях, когда по технологии обработки реверс не требуется. Требование обеспечения эффективного торможения и подтормаживания при снижении частоты вращения и режимов поддержания постоянной скорости резания приводит к необходимости применения реверсивного привода с целью получения нужного качества переходных процессов.
В электроприводах подач наибольшее распространение получили передачи «винт—гайка» или «шестерня—рейка». Применяются высокомоментные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, рассчитанные на установку непосредственно на ходовой винт, что существенно сокращает механическую часть привода, снижает его момент инерции и повышает КПД.
Для повышения производительности станков перемещение исполнительных органов в зону обработки осуществляется на быстрых ходах теми же электродвигателями подачи.
Расширение технологических возможностей станков, а также использование твердосплавного и быстрорежущего инструмента обеспечили возможность проведения на одном станке различных технологических операций: фрезерования, сверления и растачивания; точения, сверления и растачивания и т.д. Это привело к усложнению электроприводов подач.
Увеличение скорости быстрых перемещений до 10 м/мин, снижение скорости установочных перемещений привело к значительному увеличению диапазона регулирования. Максимальная рабочая подача на современных многооперационных станках составляет 10...30 % скорости быстрых перемещений.
Полный диапазон регулирования скорости в станках фрезерной, расточной и токарной групп составляет 100... 10000, а в карусельных расширяется до 30 000...40 000. Реальный диапазон регулирования скорости привода подачи каждой оси в станках с ЧПУ при контурном фрезеровании бесконечен, так как минимальная подача по каждой оси в двух точках обрабатываемой окружности равна 0.
Из-за неудовлетворительных динамических свойств регулируемого электропривода, особенно при возмущении по нагрузке, появляется шероховатость поверхности, поэтому важно обеспечить высокое быстродействие привода при подключении и отключении нагрузки, а также при реверсе двигателя под нагрузкой на самых малых частотах вращения (контурное фрезерование в режиме круговой интерполяции). Для электроприводов подач изменение частоты вращения при подключении и отключении нагрузки 0,5МНОМ относительно заданного уровня не должно превышать 100% при п = 0,001«ном и времени восстановления 100 мс. Время реверса под нагрузкой МИ0и при п = 0,001ином не более 0,5 с.
К электроприводам подач предъявляются следующие основные требования:
минимальные размеры электродвигателя при высоком вращающем моменте;
высокая максимальная скорость;
значительная перегрузочная способность привода в режимах кратковременной и повторно-кратковременной нагрузки;
широкий диапазон регулирования;
высокая стабильность характеристик;
высокое быстродействие при разгоне и торможении, подключении и отключении нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых частотах вращения;
высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях вплоть до самых малых;
высокая надежность и ремонтопригодность;
удобство конструктивной установки двигателя на станке и встраивания управляемых преобразователей в шкафы и ниши станков;
малые размеры.
Этим требованиям в полной мере удовлетворяют современные сервоприводы с частотным регулированием.
Электроприводы вспомогательных движений, как правило, не требуют регулирования скорости и осуществляются от АД с передающими устройствами и без них.
При всем многообразии станков требования, предъявляемые к приводам станков, обусловлены, главным образом, не тем, к какой группе относится станок, а для какого движения предназначен привод (главного, подачи или вспомогательного). Это определяет мощность, способ и диапазон регулирования скорости, необходимую плавность регулирования, требования к жесткости и стабильности характеристик, требования к динамике.