12.2. Привод подач
Преобразование электрических сигналов в перемещения рабочих органов станка (стола, салазок, суппорта, шпиндельной бабки) осуществляется приводами подач, состоящими из приводного двигателя, передаточных механизмов и системы обратной связи с ДОС (в замкнутых системах ЧПУ) (рис.39).
Привод подачи является одним из основных элементов станка с ЧПУ, определяющим его производительность, точность, надежность работы, стоимость. Основными характеристиками привода подачи является мощность, скорость, быстродействие, точность и диапазон регулирования. Важное значение имеет также КПД, стоимость и габаритные размеры приводного двигателя.
В качестве приводных двигателей в станках с ЧПУ применяются шаговые электродвигатели (гидроцилиндр с поршнем и гидродвигатели вращения).
В связи с разработкой новых высоко моментных низкооборотных быстродействующих электродвигателей постоянного тока в приводах подач большинства станков с ЧПУ применяют электродвигатели постоянного тока.
12.2.1. Шаговый привод подач с гидроусилителем.
Шаговый привод подачи имеет разомкнутую схему управления и строится на основе несилового шагового электродвигателя (ШД) гидроусилителя (рис.39а) или с применением силового шагового электродвигателя. Первый тип шагового привода широко применяется в отечественных станках с ЧПУ. При применении шагового привода точность перемещения рабочих органов станка будет определяться погрешностью отработки ШД командных импульсов, а также зазорами и упругими деформациями кинематической цепи от двигателя до рабочего органа. Шаговые электродвигатели обеспечивают строго определенный угол поворота ротора при подаче управляющего напряжения на обмотки его статора. Принцип работы ШД напоминает работу поворотного электромагнита.
Рис. 39. Схемы приводов подач станков с ЧПУ
Схема работы ШД с гидроусилителем показана на рис.39а. При повороте ротора ШД на определенный угол винтовая часть 1 распределителя вывертывается из неподвижной в этот момент гайки 2, перемещая распределитель, например, влево. При этом масло поступает в полость гидродвигателя 3, который через зубчатую передачу 4 вращает ходовой винт 5 привода рабочего органа 6. При повороте ротора гидродвигателя поворачивается гайка 2 (при неподвижной винтовой части распределителя) и возвращает распределитель обратно в первоначальное положение до момента перекрытия в нем щелей. Последнее произойдет при повороте ротора гидродвигателя точно на такой же угол, на который повернулся распределитель от ШД.
При повороте ШД в другую сторону распределитель перемещается уже вправо и открывает каналы для прохода масла под давлением в другую полость гидродвигателя, вращая его в другую сторону.
12.2.2. Электрические приводы подач.
Наиболее часто в станках с ЧПУ применяют следящие электрические приводы подач, которые состоят из следующих элементов (рис.39б): исполнительного гидродвигателя 1; зубчатой передачи или редуктора 2; обеспечивающих снижение частоты вращения электродвигателя и увеличение Мкр на ходовом винте передачи 4; передачи винт-гайка 4, преобразующей вращательное движение в поступательное перемещение рабочего органа 6 станка, и системы обратной связи по скорости с тахогенератором 8 и по положению рабочего органа станка с датчиком обратной связи 7. Эффективность работы следующего электропривода в значительной степени зависит от свойств исполнительного электродвигателя, погрешностей механизмов кинематической цепи привода подачи и направляющих 5 рабочего органа, а также от датчиков обратной связи.
Исполнительные электродвигатели должны иметь высокие динамические качества, необходимые для создания больших ускорений, максимально возможную термическую перегрузочную способность, жесткие механические характеристики, обеспечивать большой диапазон регулирования частоты вращения с равномерным вращением при очень малых частотах (до 0,1 об/мин). При этом требуется также максимально использовать конструктивный объем электродвигателя, иметь высокий КПД, малый уровень вибрации и др.
В приводах подач станков с ЧПУ применяют:
1. Электродвигатели постоянного тока традиционного исполнения с улучшенными статистическими и динамическими характеристиками типа серии ПВС или серии 2П, имеющие уменьшительный момент инерции ротора, повышенную перегрузочную способность и уменьшенную коммутацию.
2. Малоинерционные электродвигатели с дисковым якорем и печатной обмоткой и с гладким цилиндрическим якорем, длина которого существенно превосходит его диаметр. Якорь этих электродвигателей имеет малую массу, что уменьшает постоянную времени нагрева электродвигателя и исключает сколько-нибудь длительную работу с моментом нагрузки, превышающим номинальный. Максимальное снижение момента инерции якоря обеспечивает высокое быстродействие этих электродвигателей. Малоинерционные электродвигатели, так же как и предыдущие электродвигатели традиционного исполнения, соединяются с ходовым винтом через зубчатую передачу или редуктор.
3. Высокомоментные низкооборотные электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов (керамических, литых на основе сплавов типа "Альни" и "Альнико" и керамических с использованием редкоземельных материалов). Конструкция и параметры высоко моментных электродвигателей определяются в основном компоновкой магнитной системы возбуждения и типом применяемых постоянных магнитов. Керамические магниты и литые магнитные сплавы типа "Альнико" (Al-Ni-Co) имеют примерно одинаковую удельную магнитную энергию при существенном различии их основных параметров и стоимости, а керамические магниты с использованием редкоземельных материалов имеют очень большую удельную магнитную энергию, но и очень высокую стоимость исходных материалов. Поэтому электродвигатели с керамическими магнитами, как более дешевые, применяют наиболее широко. Якорь высоко моментных электродвигателей имеет традиционное исполнение, что обеспечивает его термическую инерционность и, отсюда, возможность длительной работы электродвигателя с большим перегрузочным крутящим моментом (допускают 6-10-кратную перегрузку по крутящему моменту в течении 20-30мин).
Высокомоментные электродвигатели работают с системой тиристорного управления и обеспечивают диапазон регулирования частоты вращения порядка нескольких тысяч. При этом высокое значение крутящего момента обеспечивается на малых частотах, когда выполняются рабочие хода, а уменьшенное значение крутящего момента - при больших частотах, когда выполняются холостые хода.
Высокомоментный электродвигатель устойчиво работает при частотах вращения до 0,1 об/мин, что позволяет его установить непосредственно на ходовом винте. Это упрощает конструкцию привода подачи, уменьшает его статические и динамические погрешности за счет исключения передаточных механизмов.
Высокомоментные электродвигатели могут представить собой комплекс, состоящий из самого электродвигателя, встроенного тахогенератора, кругового ДОС (револьвера) и тормоза (рис.39). Такая конструкция облегчает проектирование привода подачи и его монтаж на станке. Одна из разновидностей тиристорного привода подач представлена на рис.40.
Точность работы следящего привода подачи в значительной степени зависит от погрешностей механизмов его кинематической цепи, а также от погрешностей направляющих 5 рабочего органа (см. рис.39б). Это зазоры и упругие деформации в зубчатой передаче или редукторе, упругие деформации в опорах 3 ходового винта, зазоры и упругие деформации в передаче винт-гайка 4, потери на трение в направляющих 5 и в передаче винт-гайка.
Погрешности механизмов кинематической цепи, не охваченных системой обратной связи (например, передачи винт-гайка на рис.39а), будут оказывать непосредственное влияние на точность перемещения рабочего органа. Для этих механизмов большое значение имеет не только их высокая начальная точность, но и ее длительное сохранение в процессе эксплуатации.
Погрешности механизмов, которые охватываются системой обратной связи, снижают статическую и динамическую точность следящего привода, ухудшают его быстродействие. Большие потери на трение в направляющих приводят к увеличению упругих деформаций в передаточных механизмах привода подачи, а также к неравномерному перемещению рабочего органа на малых скоростях за счет так называемых релаксационных колебаний.