Конструктивные элементы станков с ЧПУ

Механические базовые узлы станков с ЧПУ изготовляют с повышенной точно­стью,

жесткостью, виброустойчивостью, надежностью, так как станки с ЧПУ, будучи дорогостоящим автоматизированным оборудованием, должны работать более двух смен в сутки.

Станины. Станины станков с ЧПУ являются основными базовыми элемента­ми, поскольку на них размещают на­правляющие станков Встречаются сле­дующие разновидности этих деталей:

1) чугунные станины, оснащенные стальными закаленными и шлифован­ными направляющими (как роликовыми направляющими качения, так и гидростатическимд);

2) сварные станины и стойки, имею­щие закаленные направляющие, чаще всего прямоугольной формы, специаль ная технология сварки и термообработ­ки обеспечивает сохранение первоначаль ной точности на длительное время;

3) станины токарных станков с ЧПУ, имеющие вертикальное или наклонное расположение плоскости направляющих для обеспечения схода стружки.

Направляющие. Различают направ ляющие скольжения, качения и комби­нировавшие В станках с ЧПУ наибольшее распространение получили направляющие качения и комбинированные. В таких направляющих используют стальные закаленные приворачиваемые массивные планки, по которым переме­щаются предварительно нагруженные роликовые опоры (направляющие ка­чения с циркулирующими роликами).

Роликовые опоры (их иногда назы­вают танкетками) монтируют на ста­нине 11 с помощью различных регулирующих устройств (рис 13.1) Опора 1 закреплена на клине 2, который может смещаться в продольном направлении с помощью двух винтов 15 Вторая опора 6, расположенная с другой стороны станины, может перемещаться с по­мощью винта 8, связанного с клиновой опорой 5. Клинья 2 и 5 опираются на клиновые опоры 3 и 7, которые с боковых сторон ограничены планками 14 и 9 и опираются на штифты 10, 13 со сфе­рической головкой. Между опорами размещена прокладка 4.

После окончательной выверки узла в сборе (регулирования положения всех опор) полости 12 заливают жидкой быстротвердеющей пластмассой Когда она затвердеет, путем перемещения клиньев 2 и 5 создается предварительный натяг, обеспечивающий жесткость узла.

Рис. 13.1. Схема установки роликовых опор на станине

К недостаткам направляющих каче­ния можно отнести некоторое удорожание конструкции, а также пониженную демпфирующую способность в направ­лении перемещений. Для устранения последнего недостатка в станках исполь­зуют комбинированные направляющие. При обработке деталей перемещающиеся элементы станков в ряде слу­чаев необходимо закреплять. Это осуще­ствляется различными зажимными уст­ройствами. Достаточно оригинальным является трубчатый зажим (рис 13.2), используемый в станке 2623ПМФ4 Под действием давления масла трубки 1 де­формируются и через планки 2 создают натяг, фиксирующий исполнительный орган станка 3 относительно направ­ляющих 7. Трубчатый зажим обеспечи­вает быстродействие, жесткость фикса­ции, надежность, исключает задиры. В станках с ЧПУ находят доста­точно широкое применение направляю­щие других типов: гидростатические, аэростатические_и др.

Главный привод. К главному приводу станков с ЧПУ предъявляют требования повышенной мощности и бесступенча­того регулирования скорости при управ­лении от УЧПУ Используют различные типы главного привода с асинхронным электродвигателем, с регулируемым элек­тродвигателем постоянного тока, с элек­тродвигателем, применяемым совместно с гидроусилителями.

Шпиндель. К шпинделю станка с ЧПУ предъявляют требования повышенной жесткости и высокой точности вращения Особое значение в шпиндельных узлах станков уделяется теплоотводу, который осуществляется обычно специальной си­стемой смазки и охлаждения.

Привод подач. Привод подач для станков с ЧПУ должен удовлетворять следующим требованиям: 1) иметь расширенный диапазон регулируемых по­дач - от 1 до 10 000 мм/мин, 2) обладать повышенной жесткостью

Рис. 13.2. Комбинированные нап- кинематических цепей и плавностью хода,

равляющие (качения-скольжения): особенно при медленных перемещениях, 3) иметь

1 – трубки; 2 – планки; 3 - подвижный повышенную долговечность и возможность

стол; 4 - направляющая скольжения дистанционного управления от УЧПУ.

стола; 5 – роликовая опора; 6 – прижимная Типы приводов подач, используемых в станках

планка; 7 - накладная направляющая ЧПУ: привод от асинхронного двигателя

станины; 8 – станина через коробку подач (механический) с

переключением от электромагнитных муфт;

привод от электродвигателя постоянного тока с преобразователями для регулирования частоты вращения в ши­роких пределах, например c тиристорным регулировалием; электрический привод с использованием низкооборотного двигателя по­стоянного тока (1000 об/мин) на высокоэнергетических постоянных магнитах; этот привод в металлорежущих станках с ЧПУ часто соединяют непосредственно с ходовым винтом

станка без проме­жуточного редуктора; гидропривод - от гидроцилиндров или гидродвигателей, при этом гидро­двигатель обычно устанавливают на ко­нечное звено привода (чащевсего это пара винт-гайка качения). Передача винт - гайка качения в приводах подач станков с ЧПУ нашла широкое применение благодаря тому, что посравнению с винтовымипарами сколь­жения у них более высокий КПД, хотя коэффициенты трения покоя и движения почти одинаковы, а силы трения не зави­сят отскорости движения. При выборе зазора в паре образуется беззазорная передача с достаточновысокой осевой жесткостью. У передач свинтами класса 0 накопленная ошибка составляет 3 мкм на 300 мм и 7 мкм на 1000 мм, а класса 1 -10 мкм на 300 мм и 20 мкм на 1000 мм.

В станках с ЧПУ звеном привода по­дачи могут быть также передачи с авто­матическим регулированием натяга. Это позволяет при быстрых перемещениях (до 20 м/мин) избежать нагрев за счет уменьшения натяга, а при рабочих пере­мещениях обеспечить высокую жесткость путем увеличения натяга. Используются также конструкции передач с самоуста­навливающейся гайкой.

В целях осуществления адаптивного управления разработаны приводы подач, снабженные датчиками осевой состав­ляющей силы резания. Кроме шариковых пар в приводах подач тяжелых станков с ЧПУ применяют и гидростатические передачи винт — гайка.

Присоединительные размеры. В на­стоящее время основные и присоедини­тельные размеры для большинства ти­пов станков с ЧПУ определены стандартами. Например, фланцевые концы шпинделей токарных, револьверных и других станков с ЧПУ, а также размеры столов и Т-образных пазов столов расточных и координатно-расточных, фрезерных и других станков с ЧПУ соответствуют стандартам на ме­таллорежущие станки общего назначения.

Датчики обратной связи. В настоя­щее время все станки с ЧПУ являются замкнутыми системами управления (с об­ратной связью) и имеют датчики обрат­ной связи. В станках с ЧПУ нашли приме­нение датчики самых различных конст­рукций: магнитные, фотоэлектрические, индукционные, электрические, оптиче­ские, ультразвуковые и др. Из них посте­пенно выделяются предпочтительные типы. Кроме того, в целях унификации систем управления предполагается переход на единую конструкцию многоотсчетного устройства.

Датчики обратной связи делят на ли­нейные и круговые. Предпочтительными являются: из линейных - линейный индуктосин (0,01 мм) и оптическая шкала (0,001 мм), из круговых - круговой индуктосин (0,01 мм) и вращающийся трансформатор, или резольвер (0,01 мм). В последнее время интенсивно ведутся работы по созданию лазерных датчиков (0,001 мм) на основе интерферометра, которые будут применять для точных станков с ЧПУ.

Линейный индуктосин (рис. 13.3, а) состоит из линейки 1, жестко закрепляе­мой на неподвижной части станка, и движка (слайдера) 11, перемещаемого вместе с подвижной частью станка. Ос­новой линейки индуктосина является несущая деталь 1, изготовляемая из алюминия или изоляционного материала. Эту деталь покрывают слоем изоляцион­ного материала 2, на который наносят медную обмотку 3 (меандр с шагом 2 мм). Сверху медную обмотку покрывают слоем лака 4. Слайдер 11оснащен экраном 5, представляющим собой медную полоску. На слайдере выполняют две печатные обмотки С1-СЗ и С2-С4, сдвинутые относительно друг друга на 1/4 шага, или на 90° по фазе (рис. 13.3,б).

Слайдер является статором, и его обмотки питаются переменным напряже­нием с частотой 4000 Гц. Линейка индуктосина является ротором, и с ее обмоток снимается сигнал U _a в виде синусоидального напряжения (рис. 13.3, в). Магнитное поле слайдера перемещается с начала до конца и возвращается к началу, чтобы снова идти до конца. Сдвиг по фазе напряжения, индуцированного на линейках, зависит от положения обмоток линеек относительно обмоток слай­дера. Смещение слайдера периодически приводит к изменению сдвига фаз от максимума до минимума, что обеспечи­вает соответствующий электрический сигнал-импульс в системе преобразова­теля сдвига фаз в импульсы (в код). Сумма импульсов, подсчитанная счетчи­ком, за любой промежуток времени дает перемещение исполнительного органа станка.

Оптическая шкала - это линейная оптическая измерительная система, имеющая существенное преимущество перед индуктосинами. Она нечувстви­тельна к загрязнению и требует менее точного регулирования расстояния меж­ду головкой считывания и линейкой. Работа системы основана на считыва­нии отраженного луча фотодиодами преобразователя.

Вращающийся трансформатор (ре­зольвер) - это микромашина перемен­ного тока, служащая для преобразования угла поворота ротора в синусоидаль­ное напряжение.

Статор вращающегося трансформа­тора (рис. 13.3, г) имеет две однофазные обмотки С 1- С 2 и С З- С 4, сдвинутые на 90° относительно диффузора. Ротор так­же имеет две обмотки, включенные по­следовательно (на рисунке для упроще­ния показана одна обмотка Р 1- Р 2). Магнитопровод изготовляют из листов электрической стали или пермоллоя. На роторе и статоре равномерно располо­жены пазы, в которых размещены взаим­но перпендикулярные обмотки. Первич­ными обмотками вращающегося транс­форматора (ВТ) чаще всего являются обмотки статора, а вторичными - об­мотки ротора, который связан с переме­щающимся элементом При повороте ротора, который собственно и является первичным датчиком, с него снимается синусоидальное напряжение.

Токосъем с обмоток ротора происхо­дит с помощью контактных колец и ще­ток. Статорные обмотки ВТ питаются переменным напряжением с частотой 400, 1000, 2000 или 4000 Гц. Закон из­менения напряжения питания может быть синусоидальным или прямоугольным. При подключении обмоток статора к сети переменного тока образуется

Рис. 13.3. Датчики обратной связи:

а - в - линейный индуктосин; г - вра­щающийся трансформатор

вра­щающееся магнитное поле. Стрелка на рис. 13.3, г показывает результирующий магнитный поток, проходящий через ротор в данный момент времени. Маг­нитное поле вращается со скоростью, соответствующей частоте питания обмо­ток статора. Вращающееся магнитное поле индуцирует в обмотке ротора пере­менное напряжение, амплитуда которого почти постоянная.

Индуцированное в обмотке ротора напряжение является выходным сигна­лом, фаза которого сдвинута относитель­но синусоидального входного сигнала статора. Этот сдвиг фазы зависит от по­ложения ротора. Если ротор расположен вертикально, то в нем будет индуциро­ваться положительное максимальное на­пряжение, тогда и его синусоидаль­ная обмотка будет иметь положительное максимальное возбуждение. В этом слу­чае фазы выходного и входного сигналов совпадают. Таким образом, при повороте вала ротора механический угол вращения преобразуется в электрический, т. е. в сдвиг фаз.

Широкое применение находят много­полюсные ВТ. Принцип действия десятиполюсного ВТ такой же, как и двух­полюсного. Различие этих двух ВТ со­стоит в электрическом сдвиге фаз отно­сительно механического угла вращения.

Электрический шаговый двигатель. Такой двигатель широко используют в приводе подач металлорежущих станков с ЧПУ. Он представляет собой синхрон­ную машину с

сосредоточенными обмот­ками и реактивным ротором.

Шаговые двигатели для приводов металлорежущих станков (ШД-4, ШД-5) строят по трехфазной схеме. Принцип работы такого двигателя следующий. Статор 1(рис. 13.4, а) имеет три пары полюсов и обмоток ( Ι–ΙΙΙ ). Ротор 2 также разделен на три секции, но каждая из них смещена по окружности относительно смежной на 1/3 межполюс­ного расстояния. Таким образом, когда полюса первой секции ротора совмеще­ны с полюсами статора, полюса второйсекции смещены относительно полюсов статора на 1/3, а полюса

Рис. 13.4. Шаговый двигатель:

а - устройство; б, в - схема действия

третьей сек­ции - на 2/3 межполюсного расстояния.

Если в обмотки первой фазы (Ι) ста­тора подан постоянный ток, а в других обмотках тока нет, то ротор двигателя установится в такое положение, что его полюс будет находиться напротив полюса статора. Если затем выключить ток в пер­вой фазе и одновременно включить ток во второй фазе, ротор повернется на 1/3 шага (рис. 13.4,б). При последователь­ной подаче тока в обмотки Ι,ΙΙ,ΙΙΙ ротор будет вращаться по часовой стрелке (рис. 13.4, в). Если включить фазы в обратном порядке ( Ι,ΙΙ,ΙΙ ), ротор будет вращаться в обратную сторону.

Угол поворота ротора может состав­лять соответственно 1,5° или 3°, мак­симальная частота импульсов в двига­теле ШД-4 с шестиконтактным включе­нием 800 Гц. Такой двигатель обеспе­чивает скорость подачи (при цене им­пульса 0,01 мм) до 1200 мм/мин. В на­стоящее время разработаны и серийно выпускаются шаговые двигатели с боль­шой частотой импульсов тока, они обе­спечивают скорости подач до 5- 10 м/мин.

Электрогидравлический шаговый привод. Ввиду того, что выпускаемые шаговые электродвигатели обладают небольшой мощностью, усиление крутя­щего момента обеспечивают гидравличе­ские усилители. Крутящий момент увели­чивается за счет использования энергии масляного потока от гидростанции. В станках с ЧПУ используют гидроусили­тели момента с шаговым электродви­гателем и малоинерционным высокомо-

ментным гидроприводом.

Рис. 13.5. Гидроусилитель крутящего момента

Гидроусилитель (ГУ) представляет собой аксиально-поршневой -гидромотор со следящим управлением (рис. 13.5, а). Он обеспечивает увеличение крутящего момента, развиваемого шаговым дви­гателем. В роторе 3 гидромотора располо­жены поршни 2, которые могут переме­щаться в осевом направлении. Под давлением масла, поступающего в двига­тель через полукольцевой паз Р 1 распре­делителя 4, поршни 2 упираются в кольцо 1 упорного шарикоподшипника. Кольцо расположено наклонно, и поршни, сколь-

зя по наклонной плоскости, образован­ной подшипником, заставляют ротор по­ворачиваться в направлении, показанном на рисунке стрелкой. Когда поршень зай­мет положение А, приток масла к нему прекращается, так как отверстие ротора попадает на перемычку распределителя. При дальнейшем повороте масло из-под поршня через полукольцевой паз Р 2 распределителя поступает на слив. Таким образом, каждый поршень за половину оборота ротора совершает рабочий ход, а за другую половину — обратный (хо­лостой) ход.

Для изменения направления враще­ния ротора масло под давлением подают в паз Р 2, а из паза Р 1 направляют на слив. Управление потоком масла обеспе­чивает следящее устройство (СУ), управ­ляемое шаговым двигателем (ШД). Вал этого двигателя соединен с плун­жером 6 следящего устройства. На плун­жере имеются кольцевые канавки K 1 и К 2 и продольные пазы П 1 и П 2. Плун­жер вставлен во втулку 5, соединен­ную с валом гидроусилителя. Втулка 5 заключена в корпус 7, имеющий кольце­вые канавки В 1, В 2, В З, В 4. К кольцевой канавке В 2 по каналу Д подводится масло под давлением; канавки В З слу­жат для отвода масла на слив (канал С); канавки В 1 и В 4 соединены каналами с полостями распределителя 4. В поло­жении, показанном на рис. 13.5, а, плунжер 6 перекрывает доступ масла к гидроусилителю, и он не работает.

Но достаточно повернуть плунжер на очень небольшой угол (рис. 13.5,6), чтобы масло от гидронасоса по каналу Д, кольцевой канавке корпуса следящего устройства и отверстию 0 1 втулки 5 попало в паз П 1 плунжера и далее через канавки K l, B 1 и распредели­тель 4 в ротор гидроусилителя, повора­чивая его в том же направлении, что и плунжер. Масло на слив удаляется из гидроусилителя через кольцевую канавку В 4, паз П 2 плунжера, отверстие 0 2 втул­ки 5, канавку В З и канал С (рис. 13.5, в). Если вращать плунжер с помощью ша­гового двигателя непрерывно, то одновре­менно («догоняя» его) будет вращаться и ротор гидроусилителя, а вместе с ним и ходовой винт привода подач. Останавливаясь, плунжер перекроет отверстия втулки, движение потоков масла прекра­тится, и ротор гидроусилителя немедлен­но остановится. Для реверсирования гид­роусилителя достаточно переключить на­правление вращения вала шагового дви­гателя: направление потоков масла в следящем устройстве изменится на про­тивоположное.

Следящий электропривод. Основной особенностью электродвигателей, применяемых в следящих приводах, является широкий и плавный диапазон регулиро­-

вания скоростей с изменением направле­ния вращения Наибольшее распро­странение для этих целей получили элек­тродвигатели постоянного тока, обладаю­щие наряду с плавностью регулирова­ния скоростей в широком диапазоне и достаточно высоким КПД.

Регулируемый электропривод посто­янного тока для механизмов главного движения станков с ЧПУ обеспечивает возможность выбора скорости резания с любым знаменателем ряда, коррекцию скорости во время резания с примене­нием адаптивных устройств, упрощение управления изменением скорости.

В ряде новых моделей станков в механизмах главного движения установ­лен привод с тиристорными преобразо­вателями.

Сейчас разработаны серии следяще-регулируемых тиристорных электроприводов и для механизмов подач станков с ЧПУ.

Рис. 13.6. Схема смены инструмента Помимо быстродействующих

при соосности его и шпинделя элек­троприводов постоянного тока в стан­ках

с ЧПУ применяют и регулируемые

электроприводы переменного тока.

Устройства автоматической смены инструмента. Автоматическая смена ин­струмента — одна из главных особен­ностей многоцелевых и многоинструмен­тальных станков с ЧПУ. В общем случае для автоматизации смены инструмента используют систему устройств и меха­низмов, состоящую из двух основных элементов: магазина, служащего для создания запаса инструментов, доста­точного для обработки одной или несколь­ких заготовок; устройства автоматиче­ской смены инструмента (АСИ), передающего инструмент из магазина в шпин­дель станка и обратно.

При соосном расположении инстру­ментов в гнезде магазина и шпинделе станка для их смены достаточно повер­нуть магазин до совмещения гнезда ма­газина с осью шпинделя, а затем, пере­мещая шпиндель вдоль оси, вытолкнуть инструмент из магазина и закрепить в шпинделе. Отработавший инструмент возвращают в шпиндель в обратном по­рядке. Способ привлекает своей просто­той, так как не требуеттранспортирующих механизмов.

Схема действия таких устройств по­нятна из рис. 13.6.В устройстве на 12 инструментов магазин М выполнен в виде массивного барабана с наклоннойосью поворота. Ось инструментального гнезданаходящегося в момент смены инстру­мента внижнем положении, совмещается с осью

Рис. 13.7. Схемы смены инстру ментов шпинделяШ. При движении пиноли вниз

при параллельном расположении шпиндельзахватывает ин­струмент за

инструментов в магазине и шпинделе оправку и перемещаетего к заготовке.

Оправка в шпинделе зажимаетсяавтоматически. При ходе пиноли в верхнееположение инструмен­тальная оправка синструментом автома­тически отсоединяется отшпинделя и остается в гнезде магазина. При край­нем верхнем положении шпинделя мага­зин поворачивается, происходит поиск следующего заданного программой ин­струмента. Угол поворота определяется номером гнезда, в котором находится нужный инструмент. После использова­ния инструмент возвращается в то же гнездо. Поиск инструмента происходит при остановленном шпинделе (в его верх­нем положении). Время на поворот ма­газина не совмещается с машинным временем. В некоторых станках магазин (револьверная головка) перемещается вместе сошпинделем при его рабочей подаче. Рассмотренный способ имеет суще­ственны недостатки: 1) пиноль шпин­деля совершает

длительные вспомога­тельные ходы, необходимые для подачи инструмента в рабочую зону; из-за уве­личенного вылета жесткость шпиндель­ного узла недостаточна для точной об­работки

чугунных и стальных заготовок; 2) максимальная

емкость магазина при допустимых габаритных размерах ог­раничена необходимостью размещения

Рис. 13.8. Схема смены инструментов

Дата добавления: 2014-01-04