15.3. Классификация и конструктивные особенности станков с чпу
По технологическим признакам и технологическим возможностям станки с ЧПУ классифицируются практически так же, как и универсальные станки, на базе которых изготовляется большинство станков с ЧПУ.
Токарные станки с ЧПУ предназначены для обработки наружных и внутренних поверхностей заготовок деталей типа тел вращения, а также для нарезания наружной и внутренней резьбы.
Сверлильно-расточные станки с ЧПУ предназначены для обработки отверстий, выполняют сверление, рассверливание, зенкерование, растачивание, развертывание, обтачивание торцов, фрезерование, нарезание резьбы и др.
Фрезерные станки с ЧПУ предназначены для обработки заготовок плоских и пространственных корпусных деталей, осуществляют следующие операции: плоское, ступенчатое и контурное фрезерование с нескольких сторон и под различными углами, сверление, растачивание, развертывание, нарезание резьбы и др.
Шлифовальные станки с ЧПУ предназначены для шлифования наружных, внутренних и торцевых поверхностей деталей, имеющих прямолинейную и криволинейную форму образующей.
Многоцелевые станки с ЧПУ (обрабатывающие центры) предназначены для комплексной обработки заготовок деталей за одну установку, выполняют практически все операции обработки резанием.
Зубообрабатывающие станки с ЧПУ. Наиболее распространены зубофрезерные и зубодолбежные станки с ЧПУ, применяются также зубо-и шлицешлифовальные станки с ЧПУ.
Агрегатные станки с ЧПУ предназначены для изготовления широкой номенклатуры деталей различного служебного назначения. На них выполняют сверление, рассверливание, зенкерование, растачивание, развертывание, резьбонарезание, прямолинейное и контурное фрезерование в заготовках корпусов, плит и других деталей. Станки оснащены револьверными головками или магазином инструментов.
Станки с ЧПУ для электрических и электрофизических методов обработки.
По способу смены инструмента станки с ЧПУ подразделяются на следующие типы: с ручной сменой инструмента и его закреплением; с ручной сменой инструмента и его механическим закреплением; с автоматической сменой инструмента в револьверной головке; с автоматической сменой (манипулятором) инструмента, хранящегося в инструментальном магазине.
Показатели, характеризующие станки с ЧПУ, следующие: 1) класс точности: Н, П, В, А, С; 2) вид системы ЧПУ: Ф1 – станки с цифровой индикацией и преднабором координат, Ф2 – станки с позиционными и прямоугольными системами ЧПУ, Ф3 – станки с контурными системами ЧПУ и Ф4 – станки с универсальной системой ЧПУ для позиционной и контурной обработки; 3) выполняемые технологические операции; 4) основные параметры: наибольший диаметр изделия, устанавливаемого над станиной (для патронных станков); наибольший диаметр изделия, устанавливаемого над суппортом (для центровых и патронных станков); наибольший диаметр обрабатываемого прутка (для прутковых станков); ширина рабочей поверхности стола (для фрезерных станков); наибольший условный диаметр сверления (для сверлильных станков); диаметр шпинделя (для расточных станков) и др.; 5) величина перемещений исполнительных органов станка; суппорта по двум координатам; выдвижение шпинделя; перемещение стола по двум координатам и т. д.; 6) дискретность СЧПУ; 7) точность и повторяемость позиционирования по управляемым координатам; 8) главный привод: вид и модель, мощность, частота вращения и ее регулирование (ступенчатое и бесступенчатое); числа рабочих скоростей и автоматически переключаемых скоростей; 9) привод подач: вид и модель, мощность, пределы и числа рабочих подач, скорость быстрого перемещения; 10) число инструментов в резцедержателе, револьверной головке или в инструментальном магазине; 11) способ смены инструмента; 12) число управляемых координат и число одновременно управляемых координат; 13) обозначение координатных осей и направление движения исполнительных органов; 14) тип и модель УЧПУ; 15) вид интерполяции: линейная, линейно-круговая; 16) вид программоносителя и код программирования; 17) габариты и масса станка.
Оси координат в станках с ЧПУ. Работа станка с ЧПУ и программирование процесса обработки связаны с системами координат. Для станков с ЧПУ стандартизованы направления перемещений и их символика. Единой системой координат для всех станков с ЧПУ является правая система (рис. 15.4), в которой координатные оси X, Y, Z (сплошные линии) указывают положительное направление перемещений инструмента относительно неподвижных узлов станка.
Координатные оси X', Y', Z' (пунктирные линии) направлены противоположно осям X, Y, Z, указывают положительные направления перемещений заготовки относительно неподвижных частей станка. Ось X всегда расположена горизонтально, ось Z совмещается с осью вращения инструмента (на токарных станках – с осью вращения шпинделя). Положительными всегда являются такие движения, при котором инструмент и заготовка взаимно удаляются.
Рис. 15.4. Стандартная
система координат в станках с ЧПУ
Конструктивные особенности станков с ЧПУ. Станки с ЧПУ имеют расширенные технологические возможности при сохранении высокой надежности работы. Конструкция станков с ЧПУ должна, как правило, обеспечить совмещение различных видов обработки, удобство загрузки заготовок, выгрузки деталей (что особенно важно при использовании промышленных роботов). Высокая точность обработки определяется точностью и жесткостью станка, для чего производят сокращение длины его кинематических цепей: применяют автономные приводы, по возможности сокращают число механических передач. Приводы станков с ЧПУ должны обеспечивать высокое быстродействие. Точность станков с ЧПУ повышается в результате устранения зазоров в передаточных механизмах привода подач, снижения потерь на трение в направляющих и других механизмах, повышения виброустойчивости, снижения тепловых деформаций, применения в станках датчиков обратной связи. Для уменьшения тепловых деформаций необходимо обеспечить равномерный температурный режим в механизмах станка, чему, например, способствует предварительный разогрев станка и его гидросистемы. Температурную погрешность станка можно также уменьшить, водя коррекцию в работу привода подач от сигналов датчиков температур.
Базовые детали (станины, стойки, колонны, поперечины) выполняют более жесткими за счет введения дополнительных ребер жесткости. Повышенную жесткость имеют и подвижные несущие элементы (суппорты, столы, салазки). Столы конструируют коробчатой формы с продольными и поперечными ребрами. Базовые детали изготавливают литыми или сварными. Часто такие детали выполняют из полимерного бетона или синтетического гранита, что еще больше повышает жесткость и виброустойчивость станка.
Для улучшения условий эксплуатации при создании новых моделей станков с ЧПУ меняют традиционную компоновку, например, токарные станки выполняют с вертикальной компоновкой, что обеспечивает удобный подход для загрузки-разгрузки промышленным роботом, хороший отвод стружки.
Направляющие станков с ЧПУ имеют высокую износостойкость и малую силу трения, что позволяет снизить мощность следящего привода, увеличить точность перемещений, уменьшить рассогласование в следящей системе.
Направляющие скольжения станины и суппорта для уменьшения коэффициента трения создают в виде пары скольжения «сталь (или высококачественный чугун) – пластиковое покрытие (фторопласт и др.)» Стальные направляющие имеют твердость HRCэ 60…62, а чугунные HRCэ 52…55.
В большинстве станков с ЧПУ используют направляющие качения, комбинированные качения и скольжения, а в тяжелых станках – гидростатические направляющие.
Направляющие качения имеют высокую долговечность, низкое трение, причем коэффициент трения практически не зависит от скорости движения. В качестве тел качения используют ролики. Предварительный натяг повышает жесткость направляющих в 2…3 раза, для создания натяга используют регулирующие устройства.
Гидростатические направляющие создают масляную подушку по всей площади контакта, отсюда – малое сопротивление движению, отсутствие износа, устранение причин скачкообразного движения.
Приводы для станков с ЧПУ. Привод главного движения станков с ЧПУ может иметь ступенчатое и бесступенчатое регулирование частот вращения шпинделя. При ступенчатом регулировании применяют автоматические коробки скоростей (АКС) в сочетании с одно- или многоскоростными электродвигателями. В АКС пуск, торможение, реверс, регулирование скорости осуществляется автоматически с помощью электромагнитных муфт. 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 многоцелевых станков. Преимущества такого привода: простота конструкции и легкость управления.
Привод подач и позиционирования (перемещения исполнительного органа в требуемую позицию согласно программе) должен 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 скоростей. Эти требования можно осуществить, применив шариковые и гидростатические винтовые передачи, направляющие качения и гидростатические направляющие, беззазорные редукторы с короткими кинематическими цепями и т. д.
Точность позиционирования во многом зависит от точности срабатывания электродвигателей, электромагнитных муфт, тормозных устройств. В приводах подач используют высокомоментные двигатели постоянного тока с тиристорными преобразователями.
Тенденцией развития электропривода подач является создание электроприводов переменного тока на базе синхронных бесколлекторных (вентильных) электродвигателей с максимальной частотой вращения до 3000…5000 мин-1. Такие двигатели обеспечивают широкий диапазон регулирования и равномерность вращения, имеют малые габариты и массу.
В сочетании с гидроусилителем моментов применяются шаговые двигатели.
Передачи винт-гайка, зубчато-реечные и червячно-реечные передачи являются исполнительными механизмами привода подач. Винт-гайку скольжения почти не используют из-за наличия зазоров в резьбе, большого трения и низкого КПД. Винт-гайка качения обеспечивает высокую осевую жесткость, благодаря возможности полного устранения зазора, имеет высокий КПД.
Передачи винт-гайка применяют в приводах подач при перемещениях до 3 м. Для бóльших перемещений используют зубчато-реечные передачи с автоматической выборкой зазоров с помощью двух параллельных кинематических цепей и других способов. Находят применение и червячно-реечные передачи (см. рис. 2.1, б), обеспечивающие большую жесткость и плавность перемещения.
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 многоцелевых фрезерных станках с ЧПУ отверстие в шпинделе выполняют с конусом 7/24, в сверлильных станках – с конусом Морзе.
Опоры шпинделей должны обеспечивать точность шпинделя в течение длительного времени в переменных условиях работы, повышенную жесткость, небольшие температурные деформации. Точность вращения шпинделя обеспечивается, прежде всего, высокой точностью изготовления подшипников.
Повышение радиальной жесткости шпиндельных узлов 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 и только при наличии устройств с периодическим (ручным) или автоматическим регулированием зазора в осевом или радиальном направлении.
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.
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 отличается от аналогичных механизмов, используемых в обычных универсальных станках. Например, в результате повышения производительности станков с ЧПУ произошло резкое увеличение количества сходящей стружки в единицу времени, а отсюда возникла необходимость создания специальных устройств для отвода стружки: шнековых транспортеров, магнитных сепараторов и др. 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 (магазины, автооператор, 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 и револьверной головки.
Револьверная головка – это наиболее простое устройство смены инструмента. Револьверные головки устанавливают на токарные, сверлильные, фрезерные, многоцелевые станки с ЧПУ, в головке закрепляют от 4 до 12 инструментов. В рабочей позиции один из шпинделей приводится во вращение от главного привода станка. Установку и зажим инструмента в револьверной голове осуществляют вручную.
Электромагнитные муфты (см. рис. 2.19, а) используются в приводах главного движения, подач, вспомогательных перемещений для получения автоматических циклов обработки. Электромагнитные муфты обеспечивают быстрый разгон механизмов, интенсивное торможение, реверс, четкое переключение передач под нагрузкой, отличаются надежностью и долговечностью.