4.2. Приводы подачи

Назначение и основные функции приводов подачи станков. Привод подачи предназначен для обеспечения относительных перемещений заготовки и инструмента в режиме формообра­зования (контурная обработка) либо в режиме установочных перемещений (позиционирова­ние).

Используются независимо работающие приводы (по одной или нескольким координатам) либо несколько одновременно работаю­щих приводов с взаимосвязанными парамет­рами движения. Назначение одного независи­мо работающего привода подачи - обеспечить перемещения своего исполнительного органа (ИО), несущего заготовку или инструмент, по обусловленной направляющими траектории (как правило, прямолинейной или круговой) в режиме, параметры которого не зависят от параметров движения в остальных приводах подачи. Такой режим используется как при позиционировании, так и при контурной об­работке, когда участок контура детали соответ­ствует направлению движения ИО.

Назначение нескольких одновременно работающих приводов подачи с взаимосвязан­ными параметрами движения - обеспечить перемещения ИО, несущего инструмент или обрабатываемой детали, по заданной про­странственно-временной траектории (в общем случае шесть пространственных и одна вре­менная координата). Каждый из приводов подачи при этом должен обеспечивать задан­ное движение своего ИО по направляющим, установленным на станине или на ИО другого привода подачи. Данный режим используется практически при контурной обработке.

Существуют различные способы управле­ния приводом подачи: в ручном режиме, от путевой электроавтоматики, от устройства ЧПУ. Ручной режим и путевая электроавтома­тика используются, как правило, для управле­ния одним независимо работающим приводом подачи (например, при обточке цилиндриче­ской поверхности на токарном станке). Наи­более высокий уровень технологических воз­можностей станка обеспечивает управление приводом подачи от устройства ЧПУ, что свя­зано с повышенными требованиями к характеристикам элементов привода подачи. Поэтому изложенный ниже материал относится, в ос­новном, к приводам подачи, управляемым устройством ЧПУ.

Состав приводов подачи. Система приво­да подачи включает, как правило, следящий привод (часть системы, охваченная контуром обратной связи по пути), и не охваченную внешним контуром обратной связи по пути, часть механизма преобразования перемещений выходного вала двигателя (или штока цилинд­ра) в перемещения ИО.

В приводах подачи современных станков с ЧПУ используются электрический, электро­гидравлический, гидравлический и пневмати­ческий следящие приводы. Электрический привод обеспечивает удобство регулирования скорости в широком диапазоне с высокой точностью и быстродействием. Следящий электропривод представляет собой сложную многоконтурную систему автоматического регулирования с обязательной обратной свя­зью по положению одного или нескольких ("полузамкнутый" следящий привод) элемен­тов механизма преобразования перемещений. В состав следящего электропривода конструк­тивно входят электродвигатель, силовой пре­образователь (питающий электродвигатель), регуляторы, обеспечивающие требуемое каче­ство регулирования, датчики обратных связей. Структурно следящий электропривод подачи станка содержит регулируемый привод и внешний контур обратной связи по положе­нию.

В отечественных станках различных ти­пов наиболее широкое применение в настоя­щее время получил привод подачи с высоко-моментными электродвигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, имеющий хорошие регулировочные свойства, умеренные габаритные размеры, высокую по­стоянную времени нагрева, хорошее быстро­действие.

Большое внимание уделяется также соз­данию широкорегулируемых станочных при­водов подачи с двигателями переменного тока: синхронными (СД) и асинхронными (АД). Следящий электрогидропривод основ­ным своим преимуществом имеет высокую энергонасьпценность конструктивного объема гидродвигателя. Электрогидропривод состоит, как правило, из электронных усилителей, электромагнитных управляющих элементов, гидравлических золотниковых устройств, гид­родвигателей (вращательного или поступатель­ного движения), гидравлических и электрон­ных (или гидравлических) цепей обратных связей. Использование этих элементов в сле­дящем приводе дает простоту сопряжения с устройством ЧПУ, малые габаритные размеры привода и возможность получения на выход­ном элементе (вале двигателя или штоке гид­роцилиндра) большие движущие усилия, что определяет область применения следящего электропривода - точные перемещения узлов в станках с ЧПУ с большими усилиями, как в следящем режиме, так и в режиме позиционирования.

Элементы механизма перемещения ИО следящего привода, охватываемые обратной связью по положению, должны иметь мини­мальные зазоры, что снижает вероятность воз­никновения автоколебаний, и достаточную жесткость (чтобы не снижать полосу пропус­кания следящего привода). Механическая сис­тема (МС) привода подачи включает элементы механизма перемещения ИО, не охватываемые обратной связью по положению следящего привода.

Характеристики приводов подачи. Харак­теристики приводов подач обусловлены требованиями, предъявляемыми к ним конструкто­ром при создании того или иного станка, ко­торые в свою очередь определяются его режи­мом работы: режимом установочных переме­щений (позиционированием, выходом в нуле­вую точку и т.п.) или режимом контурной обработки (следящим режимом).

Характеристики привода по­дачи, работающего в режиме установочного перемещения, должны обеспечивать малое время, затрачи­ваемое на перемещение из исходной точки в заданную, и высокую точность позициониро­вания в заданной точке.

Уменьшение времени на перемещение из исходной точки в заданную достигается путем увеличения скорости установившегося движе­ния, а также уменьшения времени переходных процессов (разгона, и торможения). Ограни­чениями для роста скорости являются пре­дельная скорость вращения вала двигателя, предельная скорость прохождения информа­ции по каналу датчика обратной связи по по­ложению, допустимые скорости вращения валов механизма привода подачи и т.п. Уменьшение времени переходных процессов ограничивается предельным динамическим моментом на валу электродвигателя (в электроприводе подачи) и допустимыми динамическими нагрузками в механических элементах привода подачи. Минимальная скорость привода определяется технологическими требованиями, дискретностью управления и чувствительностью привода. Особо высокие требования предъявляются к динамическим характеристикам привода по управляющему и возмущающему воздействию.

Точность позиционирования в станках с ЧПУ характеризуют следующие показатели, определяемые в нескольких точках по длине хода ИО: точность двустороннего позиционирования, повторяемость двустороннего позиционирования, максимальная зона нечувствительности, точность одностороннего позиционирования, повторяемость одностороннего позиционирования, средняя зона нечувствительности.

Вероятностные характеристики позиционирования в значительной степени определяются стабильностью характеристик звеньев следящей системы привода и устройства с ЧПУ. Наибольшая относительная нестабиль­ность имеет место при малых скоростях. При апериодическом переходном процессе при движении в одну сторону и наличии определенных постоянных сил сопротивления не происходит раскрытие зазоров в механических узлах, а также отсутствует влияние гистерезиса, что обусловливает существенное повышение стабильности позиционирования.

Указанные выше характеристики режима установочных перемещений в достаточной мере могут быть обеспечены регулируемым электроприводом с введением команд на нача­ло движения, изменения скорости, начало торможения и останов в зависимости от сигналов датчиков положения (перемещения).

Характеристики привода подачи, работающего в режиме контурной обработки, должны обеспечивать усилия, соответствующие силовым характеристикам процесса резания, и малую величину составляющей контурной ошибки на изделии, обусловленной особенностями рабо­ты приводов подачи.

Силовые характеристики применяемого двигателя должны обеспечивать преодоление сил резания, сил трения в механизме привода, а также необходимые динамические усилия, соответствующие требуемым значениям уско­рений в переходных процессах контурной обработки.

Контурную ошибку на детали, вызван­ную работой приводов подачи, по форме про­явления можно представить тремя основными составляющими: макроотклонениями контура, обусловленными совместной работой приводов подачи по нескольким координатам; макроот­клонениями контура, обусловленными низко­частотными колебаниями ИО по нормали к обработанной поверхности при наличии пе­риодических управляющих и возмущающих воздействий в приводе подачи и существенном влиянии координатных связей в механической системе ИО; микроотклонениями контура, обусловленными высокочастотными колеба­ниями ИО по нормали к обработанной по­верхности при наличии соответствующих воз­действий в приводе подачи и координатных связей в ИО.

Макроотклонения контура при совмест­ной работе нескольких приводов подачи, из­меряемые по нормали к обрабатываемому контуру, формируются геометрически из оши­бок слежения в приводах подачи по каждой из координат. Ошибки слежения определяют­ся отклонением положения рабочего органа от заданного в результате воздействий по управ­лению (скоростная ошибка при постоянной скорости и динамическая ошибка при пере­менной скорости) и по нагрузке (моментная ошибка при постоянной нагрузке и динамиче­ская ошибка при переменной нагрузке). Вели­чина скоростной ошибки слежения зависит от скорости (подачи) по касательной к контуру, его угла наклона а и коэффициентов усиления по скорости (добротности).

Поскольку скорость по касательной к обрабатываемой поверхности формируется в результате геометрического сложения скоро­стей по координатным осям минимальная скоростная ошибка обеспечивается при равен­стве коэффициентов усиления. В случае обработки окружности ошибки слежения при неравенстве коэффици­ентов усиления приводят к эллипсности, при их равенстве - к увеличению радиуса окружно­сти.

Величина моментной ошибки в статике обратно пропорциональна коэффициенту уси­ления следящего привода по моменту. Дина­мические ошибки слежения зависят от инер­ционности привода и его жесткостных и демпфирующих характеристик.

Макроотклонения и микроотклонения контура, обусловленные колебаниями ИО по нормали к обработанной поверхности детали, возрастают при попадании частот периодиче­ских управляющих и возмущающих воздейст­вий в следящем приводе в полосу его пропус­кания и при наличии сильной связанности в механической системе (большие вылеты инструмента от центра тяжести и центра жестко­сти). Известно, например, что в современных конструкциях токарных станков (наклонная станина, наличие резцовой и револьверной головки) внешние воздействия в следящей системе электрогидравлического привода по­дачи вдоль первой координатной оси винта влияют на относительные смещения инстру­мента и детали вдоль второй координатной оси из-за наличия координатной связи. Коли­чественная оценка этого влияния в токарном станке средних размеров, работающем в режи­ме обточки цилиндрической детали, показыва­ет, что при амплитуде эквивалентного внеш­него воздействия по управлению на двигателе 0,07 рад, амплитуда относительных колебаний инструмента и детали по нормали к обрабо­танной поверхности доходит до 2 мкм при диаметре изделия 60 мм. При этом увеличение диаметра изделия от 60 до 320 мм ведет к уве­личению амплитуды указанных колебаний в 2,5 раза. Правильный выбор полосы пропус­кания в следящим приводе позволяет практи­чески устранить указанные выше колебания ИО (в первую очередь высокочастотные). Ука­занные характеристики режима контурной обработки могут быть обеспечены только сле­дящим приводом.

Конструктивные особенности механиче­ских элементов в приводах подачи. Связь вала двигателя с выходным звеном может быть не­посредственной или осуществляться через редукторы, предназначенные для смещения в требуемую область диапазона скоростей рабо­чей подачи и быстрых ходов.

Общим требованием к механическим элементам привода подачи является обеспече­ние прочности, высокой надежности и беззазорности. Это достигается рациональным вы­бором размеров элементов и способов их со­единения и использованием специальных уст­ройств для выборки зазоров.

Основные способы регулирования зазоров:

1. Использование составных шестерен, обеспечивающих возможность их относитель­ного углового смещения с закреплением после регулировки или с силовым упругим замыканием.

2. Осевое смещение двух соосных вен­цов, зацепляемых с одной шестерней в косо-зубчатой паре с закреплением после регули­ровки или с силовым упругим замыканием.

3. Введение дополнительного ведущего элемента в кинематической паре шестерни с возможностью принудительного углового смещения относительно основной ведущей шестерни или червяка с возможностью осевого перемещения (нагружения). Устройства с за­креплением после регулировки используются при больших нагрузках и при невысоких тре­бованиях к точности. Предельные скорости вращения валов, шестерен, червяков и ходо­вых винтов ограничиваются допускаемым теп­ловыделением, вибрацией и шумом. Характеристики основных выходных звеньев приводов подачи приведены в табл. 2.

Таблица 2