Электромеханические приводы подачи с бесступенчатым регулированием

Свойства приводов

Приводами подачи с бесступенчатым регулированием оснащают станки с числовым программным управлением, гибкие производственные модули, станки с адаптивным управлением. Приводы должны обеспечивать широкий диапазон режимов обработки, максимальную производительность, высокую точность позиционирования исполнительных органов.

Благодаря регулированию электродвигателя и упрощению механической части снижается нагрузка на двигатель, повышается КПД привода, снижается его момент инерции, повышается точность исполнения команд.

Для роста производительности станка предусматривают скорость быстро­го хода исполнительных узлов 15 м/мин и более, а в легких токарных и свер­лильных станках с малыми ходами - высокое быстродействие привода (вре­мя разгона до максимальной скорости не превышает 0,2 с).

В связи с увеличением скорости быстрых перемещений и снижением ско­рости установочных движений диапазон регулирования привода подач станков с ЧПУ весьма широкий: в токарных, фрезерных и расточных станках от 100 до 10 000.

Поскольку доля силы резания в общей нагрузке на привод подачи значи­тельна и в процессе обработки сила резания изменяется в широком диапазоне, требования к статической и динамической жесткости приводов подач станков с ЧПУ намного выше, чем к приводам подач традиционных станков.

Структуры приводов

Электромеханические приводы с бесступенчатым регулированием делятся на следящие и шаговые. В состав следящего привода входит регулируемый электродвигатель, который может быть высокомоментным, имеющим воз­буждение от высокоэнергетических магнитов, вентильным (синхронным) или асинхронным. Приводы последних типов имеют лучшую механическую харак­теристику по сравнению с приводом на основе высокомоментного двигателя.

В следящих приводах с полузамкнутым контуром обратной связи тахогенератор, выполняющий функцию измерительного преобразовате­ля скорости, устанавливается на вал двигателя подачи (часто встраивается не­посредственно в двигатель). Круговой измерительный преобразователь пути устанавливают на ходовой винт или на вал двигателя. В этом случае тяговый механизм привода подачи не охвачен обратной связью, и его погрешности пе­реносятся на обработанную деталь. Такие приводы пригодны для станков нор­мальной точности.

В следящих приводах с замкнутым контуром обратной связи линейный измерительный преобразователь устанавливают на столе станка. Эти приводы характеризуются высокой точностью и пригодны для прецизион­ных станков. Однако зазоры и упругие деформации в кинематической цепи оказывают влияние на колебания привода.

В следящих приводах с гибридной структурой обратной связи круговой измерительный преобразователь обратной связи устанавливают на валу электродвигателя или на ходовом винте. Он обеспечивает позициониро­вание стола. Линейный измерительный преобразователь помещают на столе и используют для автоматической коррекции погрешностей кинематической цепи привода. Такие приводы применяют в тяжелых станках.

Простой по конструкции шаговый привод подачи находит применение в малых станках. Он хорошо согласуется со средствами вычислительной техни­ки.

Элементы исполнительного механизма приводов

Состав исполнительного механизма. В состав исполнительного механизма электромеханического привода подачи входят соединительная муфта 1, тяговое устройство 4, его опоры 3. В приводе может быть использован простой редуктор 2, предназначенный для повышения момента на тяговом устройстве или для реализации компоновочного решения.

Соединительные муфты. Вал электродвигателя соединяют с редуктором или тяговым механизмом с помощью упругой беззазорной муфты, примене­ние которой позволяет допустить их относительное смещение, снижает ампли­туду изменения крутящего момента при разгоне и торможении привода, предохраняет ходовой винт от нагрева теплотой, выделяемой электродвигателем, снижает колебания в приводе. Соединительные муфты оказывают сущест­венное влияние на точность и жесткость привода и к ним предъявляются по­вышенные требования в отношении крутильной жесткости, нагрузочной спо­собности, долговечности.

Муфта с взаимно перпендикулярными радиальными пазами, образующи­ми перемычки и упругие мембраны , передает вращающий момент разжимными упругими коническими кольцами или коническими втулками.

Полужесткая муфта с гибким диском имеет высокую крутиль­ную жесткость, позволяет компенсировать угловые и радиальные смещения валов.

Компенсирующие муфты предназначены для безлюфтового соединения винтов с электродвигателями, когда допускается взаимное радиальное смещение их осей до 0,2 мм, угловое — до 30' .

Сильфонная муфта компенсирует угловые, радиальные и осе­вые смещения валов, имеет высокую жесткость при передаче вращающего момента. Показана сильфонная муфта германской фирмы Bosch, позволяющая компенсировать значительные радиальные, угловые и осевые смещения валов. Размеры ее втулок с конусом, предназначенным для переда­чи момента с помощью трения, приведены в табл. 9.3, а параметры муфты — в табл. 9.4.

Упругую муфту выбирают по вращающему моменту и крутильной жест­кости. Собственную частоту (с^-1) крутильных колебаний механической час­ти привода определяет по зависимости.

Выбор регулируемого электродвигателя для привода подачи Исходные данные. Электродвигатель для привода подачи выбирают исхо­дя из действующих нагрузок, параметров механической характеристики при­вода, особенностей его цикла работы.

Необходимо задать минимальную и максимальную скорости рабочей по­дачи стола или суппорта, скорость быстрого хода, массу стола (суппорта), приспособления, обрабатываемой детали, диаметр, шаг и длину ходового вин­та, передаточное отношение редуктора, время разгона стола (суппорта) до скорости быстрого хода, продолжительность включения электродвигателя.

Нагрузки на привод обусловливаются силами резания, трения, инерции, тяжести перемещающихся узлов. Составляющие силы резания находят для разных операций, выполняемых на станке, для разных условий обработки (наиболее тяжелых, часто встречающихся). Параметры выбранного двигателя обусловливаются также характером законов его регулирования и управления в переходных режимах. Обычно регулирование осуществляется путем измене­ния напряжения на якоре при сохранении постоянного вращающего момента. При разгоне и торможении частота вращения ротора изменяется скачком, ли­нейно или по другому закону, задаваемому системой ЧПУ.

Определение скорости вращения ротора двигателя. Скорость движения рабочего органа станка v (мм/мин) равна скорости минутной подачи. Пере­даточное отношение редуктора » определяется как отношение частоты вра­щения его выходного вала n_в к частоте вращения n_д вала двигателя. Когда конечным звеном привода служит передача винт-гайка с шагом р, частота вра­щения вала двигателя определяется по зависимости

Определение скорости вращения ротора двигателя. Скорость движения рабочего органа станка v (мм/мин) равна скорости минутной подачи. Пере­даточное отношение редуктора » определяется как отношение частоты вра­щения его выходного вала n_в к частоте вращения n_д вала двигателя. Когда конечным звеном привода служит передача винт-гайка с шагом р, частота вра­щения вала двигателя определяется по зависимости

Определение приведенных моментов инерции. Приведенный к валу двига­теля момент инерции механической части привода

где I_д — момент инерции ротора двигателя, кг·м² (приводится в каталоге двигателей); I_п — приведенная к валу двигателя масса поступательно переме­щающихся частей механизма, кг·м²; I_в, I_м, I_р — приведенные к валу дви­гателя моменты инерции соответственно винта, соединительной муфты, редук­тора, кг·м².

Приведенная к валу двигателя маха поступательно перемещающихся час­тей (кг·м2) , когда конечным звеном привода служит передача винт—гайка,

где m — масса исполнительного органа станка (вместе с приспособлением и заготовкой), кг; р - шаг винта, м; i — передаточное отношение цепи подачи.

Приведенный к валу двигателя момент инерции винта

,

Момент инерции зубчатого колеса

Момент инерции редуктора, приведенный к валу двигателя,

Например, приведенный к валу двигателя момент инерции механизма, изо­браженного на рис.99,

Определение статического момента привода. Составляющими приведенно­го к валу двигателя момента статического сопротивления М_С являются: мо­мент М_Р от силы резания, момент M_G от силы тяжести узлов, перемещаемых в вертикальной или наклонной плоскостях, момент М_T от силы трения в меха­низмах привода. Для определения моментов М_Р и M_G находят проекции Р и G·sinα силы резания и силы тяжести перемещаемых узлов на направление D_S движения подачи (рис.95) .

Момент М_T равен сумме трех моментов, приведенных к валу двигателя: момента М_T.H от силы трения F_T.H в направляющих, момента М_T.B в винтовом механизме и момента М_T.П в опорах ходового винта. Таким образом,

Составляющие приведенного к валу двигателя момента статического со­противления определяют в зависимости от типа тягового механизма привода. Если применена винтовая передача качения, то составляющие (Нм) находят по следующим зависимостям:

Момент холостого хода шарико-винтового механизма вычисляют по за­висимости

Приведенный к валу двигателя момент трения в опорах ходового винта

Статический момент привода при установившемся движении рабочего ор­гана на быстром ходу (рис, 9.10)

при обработке резанием

Значения и приведенного момента, обусловленного трением в направляющих, различны, так как коэффициент трения в них зависит от ско­рости скольжения и нагрузки.