4.1.2. Виды приводов

В металлоре­жущих станках преимущественно применяют электромеханические приводы главного дви­жения, у которых электрическая часть (элект­ропривод) состоит из электродвигателя пере­менного или постоянного тока и преобразую­щих и управляющих устройств, а механическая - из отдельных передач (зубчатых, червячных, ременных, фрикционных и др.), передаточных механизмов (зубчатых редукторов, коробок скоростей, кулисных и кулачковых механиз­мов) и их комбинаций.

В станках с прямолинейным (возвратно-поступательным) главным движением - стро­гальных, долбежных, протяжных - наряду с электромеханическими приводами используют гидравлические приводы. Гидропривод глав­ного движения включает гидродвигатель (си­ловой гидроцилиндр или гидромотор) с ис­точником энергии - насосом и управляющими устройствами и передачу (устройство, меха­низм) от гидродвигателя к рабочему органу.

4.1.3. Требования к приво­дам

К приводам главного движения стан­ков предъявляется ряд требований - общих и специфических, связанных с назначением станка конкретного типа:

• соответствие основных характеристик привода (максимальных скоростей перемеще­ния, мощности, крутящего момента, характера и диапазона регулирования скорости и т.д.) технологическим требованиям, обеспечиваю­щее обработку деталей заданной номенклатуры с заданными производительностью, точностью и параметрами шероховатости поверхности;

• обеспечение заданных конструктивно-технических требований по характеристикам точности перемещений рабочего органа, уровню автоматизации управления приводом, удобству компоновки;

• достаточная надежность привода в экс­плуатации (в том числе ограничение перегру­зок при переходных процессах);

• минимальные энергетические потери (высокий кпд привода);

• ограничение уровня шума допустимым пределом;

• широкое применение унифицированных, типовых, стандартизованных, покупных узлов, агрегатов и элементов главного привода;

• рациональные габариты, материалоемкость, стоимость привода.

4.1.4. Виды и способы регу­лирования

Регулирование скорости в приводах осуществляется:

- изменением частоты вращения (скорости перемещения) двигателя;

- изменением передаточного отношения между двигателем и рабочим органом в при­водном механизме.

Регулирование может осуществляться:

1) при постоянной предельной мощно­сти во всем диапазоне скоростей;

2) при постоянном предельном моменте;

3) при комбинировании того и другого вида регулирования.

По условиям оптимального процесса об­работки деталей для подавляющего большин­ства станков требуется регулирование скорости главного движения при приблизительно по­стоянной мощности в диапазоне, определяе­мом диапазонами изменения скоростей реза­ния и размеров детали (станки токарной груп­пы) или инструмента (фрезерные, сверлильные и т.п.). В станках с универсальным характером работ постоянная мощность требуется в сред­ней части диапазона скоростей шпинделя (наибольшая мощность резания) и в верхней части диапазона (скоростные режимы с наи­большими потерями мощности в механизме), а в нижней части диапазона (вспомогательные операции) уровень используемой мощности невысокий. Поэтому для таких станков при­меняют приводы с комбинированным регули­рованием: в нижней части диапазона - с по­стоянным предельным моментом, а в осталь­ной части - с постоянной предельной мощно­стью.

Требуемые диапазоны регулирования на шпинделе:

R_шп.р до 250 - для станков универсаль­ных с широкой номенклатурой деталей, обра­батываемых в единичном и мелкосерийном производстве (токарных, карусельных, расточ­ных, фрезерных и других) общий диапазон регулирования R_шп.р до 25...40 для станков с постоянной мощностью;

R_шп.р до 15...20 - для станков универ­сальных - легких (до 1 т ) и средних (до 10 т), предназначенных для мелко- и среднесерий­ного производства;

R_шп.р до 8...12 - для станков специали­зированных, предназначенных для крупносе­рийного производства;

R_шп.р = 2...6 - для быстроходных стан­ков, оснащенных инструментом для скорост­ного резания (минералокерамика, композит и т.п.) с V_рез > 400 м/мин (токарные, револьвер­ные, фрезерные), с V_рез, > 60 м/с (шлифо­вальные), выпускаемых для эксплуатации в крупносерийном и массовом производстве (полуавтоматы и автоматы разных групп).

Для большинства станков при работе в нижней и средней части диапазона скоростей шпинделя требуется снижение частоты вращения и увеличение крутящих моментов (срав­нительно о значениями полученными на валу электродвигателя) до 3...10 раз в станках не­большого и среднего размера и до 80...100 раз в тяжелых станках.

Нужные значения диапазона R_шп.р и ре­дукции скорости получают:

1) сочетанием односкоростного нерегу­лируемого (или многоскоростного) асинхрон­ного электродвигателя переменного тока со ступенчато регулируемым механизмом (коробкой скоростей, редуктором, набором сменных зубчатых колес или шкивов и т.п.);

2) соединением бесступенчато регули­руемого электродвигателя с упрощенным сту­пенчато регулируемым механизмом (переклю­чаемыми передачами, редуктором и т.п.).

Типовые схемы построения привода главного вращательного движения металлоре­жущих станков представлены в табл. 1.

В большинстве станков без числового управления, за исключением тяжелых, широко применяют приводы с асинхронными нерегу­лируемыми электродвигателями и ступенчато регулируемыми передаточными механизмами - зубчатыми многоскоростными коробками ско­ростей (табл. 1, схемы 1...5).

В станках с ЧПУ, большинстве тяжелых и быстроходных станков, станках с коротким циклом обработки при больших моментах инерции и станках, предназначенных для тор­цового точения, применяют приводы главного движения с регулируемыми электроприводами постоянного и переменного тока.

Наибольшее распространение получили приводы с двухзонным регулированием скоро­сти двигателя в сочетании с двух- четырехсту­пенчатой коробкой скоростей (схемы 6...9). Перспективным для легких и средних станков можно считать построение главного привода по схемам 8...10 с использованием частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей, обладающих высокой надежностью, малыми потерями, простотой обслуживания.

Одной из тенденций развития приводов станков является создание интегрированных электромеханических узлов, объединяющих в едином конструктиве элементы регулируемого электродвигателя и приводного механизма.

В электромеханическом узле "мотор-редуктор" в качестве мотора применяют регулируемый электродвигатель переменного или постоян­ного тока, а пристроенный к нему механизм выполняют в виде двухступенчатого зубчатого или планетарного редуктора с двумя переда­точными отношениями (1 : 1 и 1 : 4 или 1 : 3,17) и автоматическим переключением ступеней. Такой привод позволяет обеспечить диапазон регулирования с постоянной мощностью на шпинделе до 16...20.

В станках быстроходных с небольшими крутящими моментами на шпинделе (токарных, консольно-фрезерных и др.) получают развитие безредукторные приво­ды с электромеханизмами типа "мотор-шпиндель", в которых на шпиндель насажен ротор регулируемого электродвигателя пере­менного тока (схема 12). По такой же схеме выполняют привод с высокоскоростным час­тотно-регулируемым асинхронным двигателем - электрошпиндель, применяемый для обработ­ки легких сплавов, сотовых конструкций, пе­чатных плат в фрезерных и сверлильных быст­роходных станках с n_{шп. max} ≤ (9000...10 000)

мин ^-1, а также для некоторых типов шлифо­вальных станков.

Таблица 1

Типовые схемы построения привода главного

вращательного движения

№ схемы	Схема	Узлы регулиро­вания скорости Электропривод п ередаточный механизм	Область применения
1	2	3	4
1		М ШБ	В станках то­карных, фре­зерных, сверлильных, зубо­резных и дру­гих
2
3		М АКС, ШБ	В станках то­карных, фре­зерных, свер­лильных (в том числе в станках с ЧПУ)

Продолжение табл. 1

1	2	3	4
4		М АКС, ШБ	В станках то­карных, фре­зерных, свер­лильных (в том числе в станках с ЧПУ)
5		М В, ШБ	В легких то­карных станках
6		РМ ШБ	В тяжелых станках с электродвигателем постоянного тока; в станках с ЧПУ - расточных, фрезерных, карусельных, сверлильно-фрезерно-расточных
7			В станках с ЧПУ – токар­ных, фрезер­ных, сверлильно-расточных
8		РМ АР	В токарных станках с ЧПУ, легких и сред­них
9
10		РМ-Р

Продолжение табл. 1

1	2	3	4
11		РМ ПР	В токарных и револьверных автоматах для крупносерий­ного и массо­вого производ­ства
12		РМ-Ш	В быстроход­ных станках -токарных, консольно-фрезерных, сверлильных, шлифовальных
Примечания: 1. Приняты следующие буквенные обозначения узлов привода, обеспечивающих регули­рование скорости: М - нерегулируемый асинхронный электродвигатель переменного тока (одно- или мно­госкоростной); РМ - регулируемый (бесступенчато) электропривод с двигателем переменного или по­стоянного тока; В - механический вариатор (фрикционный, цепной, зубчатый); ШБ - шпиндельная бабка с встроенной коробкой скоростей и шпиндельным узлом; Ш - шпиндельная бабка со шпиндельным узлом; АКС - автоматическая коробка скоростей с переключением зубчатых передач электро­магнитными муфтами; АР - автономный редуктор с автоматическим переключением скоростей гидравлическим устройством; РМ-Р - электромеханический узел "мотор-редуктор"; ПР - переключаемая двух-, трехступенчатая ременная передача; РМ-Ш - электромеханический узел "мотор-шпиндель" или "электрошпиндель".

Продолжение табл. 1

2. Для схем 1...5: Достоинства ступен­чато регулируемых приводов: неболь­шая стоимость, высокая надежность, простота обслужива­ния, жесткость характеристики, небольшие габариты электродвигателя, возможность полу­чения постоянства мощности во всем диапазоне скоростей шпинделя. Недостатки: потеря производительности (из-за ступенчатого ряда частот враще­ния шпинделя), сложность кинема­тики, ухудшающиеся шумовые и энергетические характери­стики, сравнительно большие динамиче­ские нагрузки и время переходных процессов в диапа­зоне высоких частот вращения, слож­ность автоматизации переключения ско­ростей. 3. Для схем 6...12: Достоинства приво­дов с бесступенча­тым регулированием: получение оптимальных по скоро­сти режимов реза­ния, плавное изме­нение скорости во время работы, удоб­ство автоматизации управления, упро­щение кинематики и конструкции при­водного механизма, улучшающие его шумовые, энергетические и динамиче­ские характеристики. Недостатки: сравни­тельно высокие стои­мость и габари­ты электропривода, ог­раничение: диапа­зона регулирования с постоянной мощ­ностью электропри­вода (обычно до 3 - 4, при специальном испол­нении до 5 - 8), мак­симальной частоты вращения (в случае двигателя постоян­ного тока), мощности привода (в случае частотно-регулируе­мого дви­гателя, пе­ременного тока). Дополнительные преимущества регулируемых приводов типа "мотор-редук­тор", "мотор-шпин­дель" и "электрошпиндель": ком­пактность, высокий КПД, снижение трудоемкости изготовления и сборки станка

По компоновке приводы глав­ного движения подразделяют на встроенные (с механизмом передач, встроенным в шпин­дельную бабку, схемы 1...7) и разделенные (в которых коробка скоростей и шпиндельная бабка являются отдельными узлами, соединен­ными ременной передачей). В разделенном приводе в шпиндельной бабке размещен толь­ко шпиндельный узел (схемы 8...11) или, иногда, зубчатый перебор.

При выборе ком­поновки руководствуются соображениями удобства размещения узлов в пространстве, требованиями параметров шероховатости по­верхности изделия и точности положения шпиндельного узла, уменьшения влияния на него источников тепловыделения и колебаний, ограничениями в передаче требуемых значе­ний мощности, крутящих моментов и скоро­сти вращения, стремлением максимально ис­пользовать унифицированные покупные узлы.

Область применения коро­бок скоростей с переключающими электро­магнитными муфтами - передача мощности до 50 кВт; зубчатых приводов с переключением ступеней передвижением зубчатых колес - без ограничения передаваемой мощности; приво­дов с ременной передачей на шпиндель: кли­новой, поликлиновой - до 50...60 кВт; зубчато-ременной до 200 кВт.

Предельные скорости ремней в главном приводе станков: клиновых - 25 м/с, поликлиновых и узких клиновых – 30...90 м/с, зубчатых – 40...45 м/с, плоских – 30...35 м/с (при особой конструкции и техно­логии изготовления до 80 м/с).