Вопрос 38: Конструкции механизмов автоматической смены инструмента в шпинделях станков с чпу.

Шпиндельные узлы МЦ являются многофункциональными механиз­мами, которые служат для установки режущего инструмента, сооб­щения ему вращения и автоматической замены. При этом требования к основным характеристикам шпиндельных узлов (точности, жесткости, диапазону регулирования частот вращения, быстроходности, надеж­ности и долговечности) постоянно повышаются. Наиболее распро­странены в МЦ невыдвижные шпиндели на подшипниках качения (рис. 5.18). Опоры шпинделя монтируются либо в корпусе шпиндельной бабки, либо в вынесенной вперед гильзе 11с фланцем для ее крепления в корпусе бабки. Такая конструкция шпинделя позволяет создать на единой конструктивной базе различные модификации шпиндельных узлов по размеру и конфигурации поверхностей для закрепления инст­румента, диапазону регулирования частот вращения, положению оси вращения шпинделя, а также облегчает монтаж, регулировку и ремонт шпиндельных узлов.

На рис. 5.18 шпиндель 8 установлен в гильзе 11 на двухрядных роли- ковых подшипниках 14 и 21, воспринимающих радиальную нагрузку. Осевую нагрузку воспринимает шариковый упорно-радиальный под- шипник 12. Натяг в переднем радиальном подшипнике регулируется изменением толщины кольца 16 и перемещением через промежуточное кольцо 13 внутреннего кольца подшипника (с конической шейкой) гай- ками 9 и 10. Натяг в аналогичном заднем подшипнике изменяется за счет толщины кольца 20 при затягивании болтов 7, в результате чего через втулку 22 смещается внутреннее кольцо подшипника.

Крутящий момент на шпиндель передается от привода главного дви- жения через зубчатую муфту 23. Крутящий момент на режущий инст- румент передается через две торцовые шпонки 17. Инструментальные оправки 15 базируются в шпинделе по коническому отверстию. Зажим оправок осуществляется тарельчатыми пружинами 24; усилие зажима можно регулировать гайкой 25. На переднем конце тяги 6 имеется замок, который при перемещении тяги соединяется посредством шари- ков 19 с хвостовиком 18 оправки. Освобождение оправки выполняется гидроблоком 28 через втулку 4, расположенную в ступице 5. В поршне 27 гидроблока на подшипнике установлен упор 29, который переме- * щает тягу 6. Освобождение оправки инструмента контролируется бес- контактными датчиками 1, 2, 3.

ние от двигателя передается на шпиндель 6 через пару конических колес 2, вращающихся с большой частостой, что обусловливает весьма высокие требования к точности их изготовления и монтажа. При угло- вой ориентации шпинделя происходит замедление вращения двигателя _и его отключение конечным выключателем 4, осуществляющим грубое позиционирование. Точное позиционирование производится с помощью гидроцилиндра 5 и ролика, попадающего во впадину кулачка 3.

На рис 5 21 приведено поперечное сечение шпиндельной бабки. Вертикальное перемещение бабки производится в направляющих каче- ния 2 и 8 с помощью шариковой винтовой передачи, гайка которой зак- репляется на фланце 1 корпуса. Переключение блока зубчатых колес 3 производится гидроцилиндром 5, через рычаг 4, а контроль положения осуществляется с помощью штока 7 и конечных выключателей 6.

На рис 5.22 показан пример привода главного движения МЦ верти- кальной компоновки. Вращение шпинделя 1 осуществляется либо через ременную передачу 7 при включенной зубчатой муфте 2 и нейтральном положении блока шестерен 3, либо через коробку скоростей при зацеп- лении колес 9 и 8. Шестерни 4 и 5 закреплены на втулке 6, связанной с хвостовиком шпинделя шпоночным соединением. Механизм переме- щения вилки 12 содержит электродвигатель 17, зубчатую передачу 11 и винт 10 Между гайкой и вилкой установлена пружина 18, которая сжимается в случае совпадения зубьев переключаемых элементов, а затем при их медленном повороте досылает муфту в рабочее положе- ние Величину перемещения вилки настраивают кулачками 13 и 14, ~ воздействующими на микровыключатели 15 и 16. Механизм перемеще- ния блока шестерен 3 устроен аналогично.

На рис 5.23 изображен вариант привода подач МЦ на примере при- вода вертикальной подачи шпиндельной бабки (см. также рис. 5.14, координата Y). Высокомоментный электродвигатель 7 закреплен на стойке МЦ с помощью основания 6; он соединен с ходовым винтом 1 винтовой пары качения через сильфонную муфту 5, которую устанав- ливают на конических втулках 9, 10 и фиксируют болтами 8. Ходовой винт 1 установлен в радиально-упорном подшипнике 3 в расточке осно- вания 6. Натяг в упорном подшипнике регулируется за счет изменения длины L втулки радиального подшипника при соответствующем пово- роте гайки 4 и последующем стопорении ее винтом 11. Гайка качения 2, работающая в паре с ходовым винтом 1, закреплена на шпиндельной бабке В электродвигатель встроена тормозная муфта, предотвраща- ющая падение шпиндельной бабки при отключении электропитания. Обратная связь по положению рабочего органа (координата Y) осуще- ствляется с помощью датчика (например, линейного индуктосина).

Вариант конструкции привода поворотного стола МЦ, показанный на рис. 5.24, содержит червячную передачу 15, 14. Червяк 15 соединен че- рез муфту с высокомоментным электродвигателем. Поворотный стол 5 вместе с фланцем 13 и гидроцилиндром 11 установлен на неподвижной оси 1 в корпусе 18 прямоугольного стола (см. также рис. 5.14, коор- дината X). Перед поворотом выводятся из зацепления полумуфты 2 и 3, фиксирующие поворотный стол относительно корпуса 18, для чего стол приподнимается поршнем 10. При этом масло подается по каналу К₄ и стол вместе с гидроцилиндром перемещается вверх до тех пор, пока не будет выбран зазор в упорном шарикоподшипнике 19. Электро- двигатель через червячную передачу поворачивает гидроцилиндр и связанный с ним шпонкой 4 стол на заданный угол. По окончании

Станочное оборудование автоматизированного производства. 2- т. Под ред. В.В Бушуева. – М.: Изд-во «Станкин», 1993. 584 с.; 1994. 656 с.

Вопрос 39: Проектирование привода главного движения станков с ЧПУ. Особенности конструкций привода главного движения станков токарой группы с ЧПУ. Особенности конструкции приводов главного движения станков с ЧПУ фрезерно-сверлильно-расточной группы.

Разработка привода главного движения станков с ЧПУ

Современные станки с ЧПУ, как правило, имеют привод шпинделя с бесступенчатым регулирования скорости во всём диапазоне регулирования скорости. В качестве двигателя используют двигатели постоянного тока типа ПФТ с широким диапазоном регулирования 1:1000 или ПБСТ (см. Справочник по электрическим машинам. Под. Ред. И. П. Кольного. Т. 1989.). Эти двигатели имеют один существенный недостаток, а именно; наличие щеточно-коллекторного узла, который требует частого обслуживания. Это снижает надёжность и производность оборудования. В последнее время стали применять двигатели переменного тока с частотным регулированием от 0 до 4000 об/ мин). Как те, так и другие двигатели имеют одинаковую картину регулирования, а именно от 0 до nном частоты вращения вала обеспечивается регулирование с постоянным моментом на валу, а от nном до nmax с постоянной мощностью (рис 1.1.).

Рис1.1

Один из основных требований к приводам главного движения является способность выдерживать заданную частоту вращения с изменением нагрузки, т. е. «добротности». Этому условию больше отвечает регулирование частоты вращения при постоянной мощности, т. е. изменения частоты вращения двигателя в диапазоне от nном до nmax (об/мин). Именно поэтому для некоторых двигателей оговаривается рекомендуемая минимальная частота вращения (рис 1.2. ).

Рис1.2

В среднем она равняется

nном · dм = nном где

dм ≈ 1,3 ÷ 1,7= dном / dном ;

dN = nmax/ nном -диапазон регулирования при постоянной мощности.

Тогда общий диапазон регулирования двигателя Dдв определяется так:

Dдв=Dm Dn

Значение Dn берётся по справочнику из таблиц технических данных двигателя. Значение Dm иногда оговаривается в тексте описания технических данных двигателя.

В общем случае диапазоны регулирования Dn и Dm в большей степени зависят не только от конструкции двигателя, сколько от конструкции всего электрического привода, включающего себя кроме двигателя, ещё и электрическую схему управления. Это зависит от вида и глубины регулирования, обработанной связи и т. п.

Тогда регулировочная характеристика электрического привода будет иметь более сложный вид (рис 1.3.).

Рис.1.3

Но тогда необходимо иметь конкретные данные всего приводов в целом. Эти данные в справочнике не приводятся, но их можно получить в специальной литературе или в информационных листах технических характеристиках на приводы.

Проектирование привода главного движения начинается с определения необходимого диапазона регулирования частот вращения шпинделя станка:

Дст = nmax /nmin (оборотов шпинделя).

Диапазон частот вращения шпинделя определяется необходимым перечнем работ, размерами заготовки, материалом заготовок, применяемым в работе инструментов. И, естественно, максимально необходимой мощностью двигателя. Так при проектировании токарных станков оговаривается максимальный и минимальный диаметр обрабатываемой заготовки max, то минимальный диаметр определяется как

Ǿmin =ǿmax /(3÷4)

Обработка деталей с меньшим диаметром должна планироваться на станке меньшего габарита. При этом диапазон чисел оборотов определяется для обработки материалов типа «Сталь 45» и Бронза. Минимальное число оборотов определяется при чёрной обработке заготовки из стали максимального диаметра. Максимальное число оборотов определяется из условия чистовой обработки из бронзы минимального рекомендуемого диаметра, т. е.

D = dmax /( 3÷4)

Но этого диапазона регулирования частоты шпинделя может оказаться недостаточно т. к. на станках с ЧПУ, кроме обработки цилиндрических поверхностей, необходимо обрабатывать отверстия свёрлами, зенкерами, нарезать резьбу резцами или специальными резьбонарезными инструментами. Поэтому необходимо составить полный перечень работ, выполняемых на станке, а затем уже определятся с необходимым диапазоном регулирования, т. е. составить полное техническое задание на проектирование и согласовать его с руководителем. Для сверлильных станков оговаривается максимальный диаметр сверла, минимальный диаметр сверла принимается как:

Ǿmin =ǿmax /4

При этом также оговаривается весь перечень операций, выполняемых на станке. Частоты вращения шпинделя определяются аналогично, как для токарных станков.

Сложно определить диапазон регулирования для станков типа обрабатывающий центр. Но в общем так же изучается перечень работ, используемый инструмент и обрабатываемые материалы, и определяется диапазон регулирования частот вращения шпинделя.

Определенный расчетами диапазон регулирования желательно увеличить на (15-20)% с учетом технического запаса.

Мощность двигателя определяется по максимальной потребной мощности при черновой обработке детали или исходя из других соображений. Так как для станков с ЧПУ типа обрабатывающий центр токарных станков с диаметром обработки более 600 мм мощность двигателя берут в 1,5 – 2 раза выше потребной с целью обеспечения высокой добротности привода, обеспечивающей устойчивое резание металла.

Итак, руководствуясь вышеизложенными рассуждениями мы определил необходимый диапазон регулирования оборотов шпинделя Дст и мощность Nст.

Далее определяем компоновку и кинематическую схему станка. Подбираем по справочнику двигатель. Определяем его значение dN и dм,. Если в задании нет особых условий , то диапазон регулирования двигателя dдв = dN * dм Если Дст >dдв то необходима коробка скоростей с диапазоном регулирования Дмех :

Дмех = =

Требуемое количество ступеней Z определяется расчетом:

Z =

Получаемая расчетная величина Z округляется до ближайшего большего значения на единицу повышает удобства управления станком вследствие широкого перекрытия ступеней. Для станков малой мощности до 4 кВт можно использовать двигатели, выпускаемые для приводов подач. Эти двигатели имеют большой диапазон регулирования от 1000 до 100 000.

Определив число механических передач Z, приступаем к разработке кинематической схемы привода и его компоновки. Кинематическая схема привода напрямую связано с его компоновкой.

Для токарных станков компоновку приводу определяет класс точности станка и поэтому выбираем встроенный или вынесенный привод и определяем кинематическую схему привода. Так, например для станка повышенной точности кинематическая схема может иметь вид (Рис. 1.4.):

Рис1.4

Если коробку скоростей имеет более сложную кинематическую схему, то для станков повышенной и высокой точности следует коробки скоростей делать отдельно от шпиндельной бабки и на шпиндель передавать вращения через ременную передачу , лучше зубчато-ременную. Для станков высокой точности желательно делать разгрузку шпинделя от изгибающего момента ременной передачей.

Строим график скоростей, на котором уточняем передаточные отношения (рис. 1.5.).

Рис.1.5

Для определения передаточных отношений кинематической схемы привода главного движения и его компоновки, построение графика скоростей, действуют те же правила и граничные значения, что и при построении коробки скоростей приводов со ступенчатым регулированием. Этот материал хорошо изложен в учебнике Т.А. Тарзиманова «Конструирование металлорежущих станков».