2.2.2. Приводы главного движения

Приводы главного движения и подачи в станках с ЧПУ предназначены для обеспечения процесса съема металла с максимальной производительностью при заданных точности и качестве обработки.  В приводах главного движения иногда возникает необходимость точно и быстро остановить двигатель. Например, точно остановить шпиндель токарного станка для автоматической выгрузки изделия и загрузки новой заготовки или точно остановить резец алмазно-расточного станка напротив шпоночного паза растачиваемого отверстия для вывода резца из отверстия. В этом случае кроме увеличения диапазона регулирования используют датчики нулевого положения либо привод выполняется следящим. Для увеличения надежности и долговечности механизмов привода следует решать задачу обеспечения безударности его пуска и торможения. В некоторых станках, например токарно-винторезных, необходимо обеспечить возможность синхронного движения рабочих органов главного движения и подачи. Для этого на главном приводе устанавливается круговой импульсный датчик. Регулирование частоты вращения привода главного движения может быть ступенчатым, бесступенчатым и комбинированным. Ступенчатое регулирование явилось исторически первым способом изменения частоты вращения шпинделя станка и было обусловлено следующими факторами: изначально станки с ЧПУ проектировались на основе аналогичного универсального оборудования, имеющего регулирование частоты вращения с помощью коробки скоростей; отсутствие электронной элементной базы, позволяющей реализовать идею бесступенчатого регулирования частоты вращения мощного электродвигателя при сохранении постоянства вращающего момента в широком диапазоне частот. Ступенчатое регулирование имеет следующие преимущества – двигатель главного движения вращается с постоянной оптимальной скоростью, обеспечивая максимальный рабочий момент; применение асинхронного электродвигателя позволяет отказаться от преобразователя, что упрощает электрическую схему. Недостатки такого привода: требуется наличие сложных автоматических механических устройств изменения частоты вращения, торможения. Ступенчатое регулирование в большом диапазоне осуществлялось с помощью:  – многоваловых коробок (число ступеней 24; диапазон регулирования и мощность не ограничиваются);  ¬– ступенчато-шкивных передач с одинарным или двойным перебором (число ступеней до 12; диапазон регулирования до 30);  – многоскоростных асинхронных двигателей в сочетании с многоваловыми коробками передач. Автоматическое переключение скоростей в передачах осуществляется с помощью электромагнитных фрикционных муфт. Такие системы регулирования имеют следующие существенные недостатки: невозможность в процессе обработки поддерживать оптимальные режимы резания, высокая кинематическая сложность коробки скоростей, смена частоты вращения требует останова шпинделя, низкая надежность и недолговечность электромагнитных фрикционных муфт. Появление соответствующей электронной базы привело к созданию привода с комбинированным способом регулирования: частота вращения вала электродвигателя изменяется в ограниченном диапазоне при помощи электронных преобразователей. Расширение диапазона регулирования до требуемого при обработке осуществляется при помощи простых (обычно трехступенчатых) коробок скоростей. Такой привод позволяет оптимизировать режимы резания при обработке, поддерживать постоянную скорость резания, однако при переходе с одного диапазона частот вращения к другому требует остановки процесса обработки, а в ряде станков такой переход осуществляется вручную (16А20Ф3). Появление новых синхронных и асинхронных двигателей, обеспечивающих постоянство крутящего момента в широком диапазоне частот вращения (синхронные переменного тока — рабочая частота вращения до 40000 об/мин, асинхронные — до 12000 об/мин), позволило полностью отказаться от коробки скоростей, а в ряде случаев и от всех механических передач в цепи главного движения, и результатом явилась разработка мотор-шпинделей (непосредственно шпиндель станка является одновременно и ротором электродвигателя). С целью снижения влияния тепловыделения двигателя на шпиндель станка используется водяное охлаждение электродвигателя. В качестве таких двигателей могут быть использованы асинхронные электродвигатели 1PH2 фирмы «Сименс» (рис. 2.9)[2]. Встраиваемые двигатели 1PH2 используются на станках с повышенными требованиями к качеству обработки, точности и плавности хода (токарные станки, шлифовальные станки).

Рис.2.9. Фотография асинхронного встраиваемого электродвигателя 1PH2 Siemens

Преимущества от использования: - компактная конструкция, благодаря удалению механических компонентов: балансира двигателя, ременной передачи, редукторной коробки и шпиндельного датчика; - высокая удельная мощность, благодаря водяному охлаждению; - высочайшая точность на детали, благодаря спокойному, точному вращению шпинделя на малых оборотах, так как нет воздействия поперечных усилий привода; - ускорение разгона и торможения; - полный номинальный момент вращения доступен непрерывно и в состоянии покоя; - повышенная жесткость шпиндельного привода благодаря монтажу компонентов двигателя между главными подшипниками шпинделя; - низкий уровень шума, благодаря удалению многих ранее используемых элементов станка; - передача момента вращения на шпиндель происходит без зазора и с силовым замыканием через цилиндрическую ступенчатую прессовую посадку.  Ротор монтируется на шпиндель термической стыковкой. Прессовое соединение может быть разъединено гидравлическим методом без нарушения стыкуемых поверхностей. Находят применение и синхронные электродвигатели (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Фотография встраиваемого синхронного электродвигателя модели 1FE1 Siemens

Преимущества использования встраиваемого синхронного двигателя аналогичны преимуществам применения асинхронного, однако он имеет ряд дополнительных положительных сторон: - максимальная скорость до 40000 об/мин, моменты вращения до 820 Н·м; - ротор остается холодным, благодаря возбуждению постоянными магнитами, как следствие: значительное уменьшение потерь мощности в роторе и меньший нагрев подшипников; - требуется меньший теплоотвод при той же мощности по сравнению с 1PH2, т. е. увеличение КПД; - только один датчик (измерительная система полого вала) для определения скорости и положения шпинделя; - увеличение производительности станка: мотор-шпиндели с возбуждением постоянными магнитами увеличивают удельную мощность и рентабельность станков с ЧПУ.  Синхронные встраиваемые двигатели с водяным охлаждением 1FE1 используются там, где предъявляются повышенные требования к качеству обработки, точности, плавности хода, а также требуется наименьшее время разгона. Основной недостаток синхронных двигателей – невозможность эксплуатации без специального частотно-импульсного преобразователя. Структурная схема управления главным приводом с синхронным электродвигателем (рис. 2.11) предусматривает бестрансформаторное питание и рекуперирование энергии при торможении [25].

Рис. 2.11. Структурная схема управления главным приводом с двигателем переменного тока: Д — синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов; ТГ — тахогенератор; ШИМ — блок широкоимпульсной модуляции; ИУ — импульсный усилитель; Us — задание скорости; БР — блок регулятора; У — усилитель; 1 — цепь рекуперативного торможения; 2 — конденсатор; 3 — высоковольтные транзисторы с шунтирующими диодами; 4 — выпрямитель

Данный привод обеспечивает постоянную мощность на валу двигателя в достаточно широком диапазоне частот вращения. Двигатели, благодаря их высокой частоте вращения, позволяют использовать понижающую передачу с большим отношением. Транзисторный блок управления в сочетании с вентильным блоком рекуперации работает так, что при торможении энергия возвращается в питающую сеть переменного тока. Это позволяет реализовать высокую частоту чередования ускорения и замедления и обеспечить высокое качество процесса торможения. Электронный блок регулятора тока позволяет уменьшить вибрации и шум во всем диапазоне частот вращения, а введение в схему управления главным приводом датчика угла поворота обеспечивает ориентацию шпинделя и остановку его в фиксированном положении, что необходимо в станках с автоматической сменой инструмента.