Проблема демпфирования особенно важна при организации промежуточных точек позиционирования. Для решения этой задачи были созданы оснащенные специальными малогабаритными фрикционными демпферами [6] управляемые упоры типов УП-20 и УП-21. Они аналогичны по конструкции и различаются только монтажными деталями, обеспечивающими возможность их различной пространственной установки на модули типов ИМЛ-31 и ИМЛ-50. На модулях типов ИМУ21 и ИМУ-30 такие упоры выполнены встроенными.

Кинематика механизма управляемого упора типа УП-20 позволяет позиционировать подвижное звено модуля в одной и той же (относительно базы модуля) точке при движении как в прямом, так и в обратном направлении, а после промежуточного позиционирования возобновить движение в любом направлении. Опыт эксплуатации модулей, оснащенных такими упорами, показал эффективность их работы.

Входящие в состав комплекса "Каскад" захватные устройства (см. поз. 12 на рисунке 2.16) предназначены для манипулирования деталями типа валов (втулок) и фланцев различных размеров, а комплекты монтажных деталей позволяют потребителю строить различные по системе координат, числу степеней подвижности и грузоподъемности манипуляторы.

2.9 Некоторые зарубежные электроприводы для станков с ЧПУ

Среди основных производителей электроприводов для станков с ЧПУ и систем управления следует выделить:

-Пекинскую аэрокосмическую компанию числового управления (CASNUC) — системы программного управления, синхронные и асинхронные электроприводы;

-Пекинскую компанию оборудования с ЧПУ - системы ЧПУ, сервоприводы, частотные инверторы, асинхронные двигатели;

-Шанхайскую компанию по производству двигателей (СЕМА) - трехфазные асинхронные регулируемые двигатели, преобразователи;

— Уханьскую Хуазхон компанию числового управления - системы ЧПУ, сервоприводы и серводвигатели;

-Шанхайскую компанию GREENLAND электрических двигателей

-асинхронные двигатели, специальные асинхронные двигатели для механизмов главного движения станков.

Продукция фирмы HIWIN.

Новой продукцией фирмы HIWIN являются синхронные плоские LMS- и пазовые LMC-линейные двигатели (рисунок 2.20).

Лист

Рисунок 2.20 - Пазовый LMC-линейный двигатель фирмы HIWIN.

Двигатели мод. LMS развивают номинальное усилие от 188 до 714 Η и пиковое усилие в течение 1 с от 377 до 1482 Н. Двигатели мод. LMC развивают номинальное усилие от 38 до 114 Η и пиковое усилие в течение 1 с от 91,2 до 273,6Н. Линейные синхронные двигатели управляются цифровой сервосистемой управления мод. LMDS, оснащенной цифровым сигнальным процессором DSP мод. TMS320C32.

Продукция фирмы FAGOR.

Гамма синхронных (бесщеточных двигателей постоянного тока) мод. FXM с постоянными магнитами (самарий-кобальт) предназначена для механизмов подачи металлорежущих станков с ЧПУ. Двигатели с естественной вентиляцией имеют диапазон номинальных моментов от 2,1 до 51,1 Нм, диапазон пиковых моментов от 6 до 255 Нм; макс, частота вращения 4000 об/мин. Принудительная вентиляция двигателя повышает номинальный момент на 20-30%. Степень защиты двигателя - IP64 или

IP65.

Гамма асинхронных двигателей мод. SPM предназначена для механизмов главного движения металлорежущих станков с ЧПУ. Номинальная мощность двигателей в режиме 51 от 2,2 до 37 кВт; номинальная мощность двигателей в режиме 56 40% от 3,3 до 55 кВт; номинальный момент от 14 до 285 Нм; номинальная частота вращения 1500 об/мин; максимальная частота вращения от 6500 до 9000 об/мин. Степень защиты двигателя - IP54.

Для управления двигателями механизмов станков используются цифровые модульные преобразователи, в том числе выпрямительный блок питания XPS, осевой блок AXD для управления синхронным двигателем механизма подачи; осевой блок SPD для управления асинхронным двигателем механизма главного движения, конденсаторный блок СМ-60 предназначен для накопления энергии, при торможении содержит конденсатор емкостью 4 мФ; резисторный блок ER используется для выделения энергии при торможении в случаях, когда использование конденсаторного блока и встроенных в осевые модули конденсаторов недостаточно; фильтр ЕМК, который при необходимости подключается между питающей сетью и блоком питания; программный модуль PC предназначен для автономного управления электроприводом.

Лист

На основании изучения экспонатов выставки ССМТ 2002 можно сделать следующие выводы:

— продемонстрированное на выставке новейшее металлообрабатывающее оборудование с ЧПУ соответствует тенденциям мирового развития станкостроения, в т.ч. создание станков с комбинированной обработкой за один установ, реализация режимов скоростного резания, создание на базе станков с ЧПУ гибких производственных модулей;

-в качестве комплектующих на станках широко применяются мехатронные модули, в т.ч. специальные обрабатывающие головки, обеспечивающие перемещение инструмента по нескольким осям; комбинированные револьверные обрабатывающие головки с резцами и вращающимся инструментом (фрезами, сверлами); мотор-шпиндели; поворотные и координатные столы; линейные двигатели;

-китайскими предприятиями и фирмами разработаны и производятся серийно аналоговые электроприводы механизмов главного движения и подачи для станков с ЧПУ, имеются разработки цифровых синхронных (brushless) приводов подачи однако, в КНР практически отсутствуют перспективные разработки цифровых асинхронных электроприводов с системой векторного управления.

2.10 Современное оборудование для сверхскоростной обработки

Внастоящее время концепция сверхскоростной обработки охватывает станок в целом, включая его направляющие, опоры, приводы. УЧПУ, а также режущий инструмент. Достижимые при сверхскоростной обработке скорости резания в значительной мере определяются инструментальным материалом.

Впоследнее время для сверхскоростной обработки применяют сверхтвердые инструментальные материалы, в частности керамику на базе нитрида кремния и кубический нитрид бора, что позволяет в 2—3 раза повысить производительность.

Сверхскоростные станки, преимущественно многоцелевые (МС), выпускаются серийно и по заказу главным образом европейскими (ФРГ, Швейцария, Франция) и японскими фирмами.

Частота n вращения шпинделя в таких станках достигает 20 000 об/мин (станки моделей FX-5 и FXH-45 фирмы Matsuura (Япония)) и даже

25 000 об/мин (станок мод.D1C-4S фирмы Shir Nippon Koki (Япония)).

Некоторую долю среди сверхскоростного оборудования составляют обычные фрезерные станки и МС, дополнительно оснащаемые высокоскоростными шпинделями. Так, фрезерный станок серии В фирмы Ferrari (Италия) оснащен дополнительным шпинделем с n = 20 000 об/мин

Лист

(мощность N — 8,5 кВт), а фрезерные станки моделей FP3 NC фирмы Deckel (ФРГ) и 600 фирмы Mafco ΦΡΓ, а также МС мод. BFZ5 фирмы

Steinel (ФРГ) — шпинделями с n = 35 000 об/мин.

Наглядным примером эффективности сверхскоростной обработки является фрезерование алюминиевой заготовки на МС мод. W53 фирмы Wahli (Швейцария) цельной двузубой фрезой диаметром 12мм из твердого сплава на основе карбида вольфрама (n = 26 000 об/мин: глубина резания t

=10 мм: подача s=2 м/мин). Этой же фрезой обрабатывают заготовки из сернисто-свинцовистой стали при n = 11000 об/мин, t = 5 мм и s = 1 м/мин. При фрезеровании резьбы в медной заготовке скорость v= 200 м/мин.

Фрезы, устанавливаемые на этом станке, имеют специальную геометрию, благодаря которой интенсивность съема достигает 1000 см3/мин. Шпиндель станка (N= 12 кВт), рассчитан на n= 30000 об/мин; УЧПУ (мод. 15 CNC) и приводы поставлены фирмой Fanuc Япония.

Сверхскоростные расточно-фрезерные станки . выпускаются швейцарскими фирмами Aciera (мод. F45) и SIR (мод. AFX). В первом из них шпиндель( N=5 кВт) фирмы Ibag (Швейцария) обеспечивает n = 350035000 об/мин, а во втором n= 30000 об/мин.

Малогабаритный горизонтальный МС мод C200H фирмы Realmeca (Франция) оснащен восьмипозиционным магазином приспособленийспутников и шпинделем с .N = 7 кВт, развивающим n = 45 000 об/мин при s< 10 м/мин. Это позволяет примерно в 5 раз сократить время обработки заготовок размерами до 200x300x200 мм по сравнению: обработкой при обычных режимах.

Двухстоечный трехкоординатный МС мод. CND 4000 фирмы Dubus (Франция) с подвижной стойкой оснащен шпинделем, рассчитанным на n

=18000 или 25000 об/мин. и предназначен для сверления, фрезерования и резьбонарезания композиционных материалов и легких сплавов. Фирма Boston Digital (Великобритания) модернизировала свой давно выпускаемый пятикоординатный ΜС мод. Bosto-Matic 405, оснастив его несколькими поворотно-наклоняемыми шпиндельными головками (n = 40000 об/мин) с водяным охлаждением При обработке на станке достигается v = 140 м/мин; s = 1.27 м/мин.

МС мод. HBZ 2/6CO фирмы Nodier-Emag (ФРГ) для комплексной обработки графитовых электродов и других изделий из пылеобразующих материалов имеет полимербетонную станину и оснащен высокоскоростным (n = 60 000 об/мин) фрезерным шпинделем фирмы Fortuna (ΦΡΓ) и мощной системой пылеотсоса.

Некоторые фирмы сочетают в своих станках сверхскоростные шпиндели с обычными. Так, на фрезерном станке фирмы Gambin (Франция) обычный шпиндель установлен вместе с высокоскоростным (n

=60000 об/мин) фирмы Precise (Швейцария). Последний используется при обработке пресс-форм и других аналогичных деталей.

Важнейшую роль в станках для сверхскоростной обработки играют

Лист

шпиндельные узлы. Главными их свойствами являются способность к работе на повышенной мощности не только при высоких, но и при низких частотах вращения, а также возможность длительной эксплуатации в установившемся режиме. Многие производители гарантируют минимальный срок эксплуатации таких шпиндельных узлов 2000 ч.

Впоследнее время получают распространение высокочастотные электрошпиндели, в частности фирмы Ibag, которая предлагает электрошпиндели серии МА на магнитных опорах. У самого малого электрошпинделя этой серии (мод. HF120MA80) при мощности 10 кВт достигается n = 80 000 об/мин, а у среднего (мод. BF 170 MA6G) — 60 000 об/мин. Мощность электрошпинделя мод. HF 200 МА40 при n = 40 000 об/мин составляет 40 кВт в стабильном режиме и 52 кВт в пиковом. В нем можно установить инструмент с максимальным диаметром 25 мм.

Высокочувствительные датчики, встроенные в этот шпиндель, с частотой 10 кГц измеряют положение ротора и вала шпинделя вместе с системой крепления. Сигналы датчиков передаются для обработки на сверхбыстродействующий процессор, посредством которого через 10канальный усилитель мощности регулируются силы, действующие в магнитных опорах. Система регулирования защищена от выключения питания, неправильного программирования, поломки инструмента и т.д. В течение всего процесса обработки оператор получает визуальную информацию: на экран дисплея выводятся значения усилий, действующих

восевом и радиальном направлениях, а также дисбаланса шпинделя и данные о состоянии режущей кромки инструмента.

Вдругих высокоскоростных шпинделях фирмы Ibag использованы подшипники с керамическими шариками. Инструмент в таких шпинделях крепится посредством системы конусов SKI 40. Натяг в этой системе осуществляется пакетом тарельчатых пружин, а крепление — с помощью усилителя мощности, что позволяет получить приложенное к концу инструментальной оправки растягивающее усилие, равное 20 кН. и избежать таким образом вибраций. Системой крепления управляет УЧПУ станка.

Фирмой Precise совместно с фирмой Hermann Guhring Spanntechnik (ФРГ) разработана новая система смены инструментов, установленных в шлифовальных и фрезерных шпинделях с n = 15 000 - 50 000 об/мин. Ее особенность состоит в том, что внутренние зажимные кулачки с помощью отведенного назад тягового болта, находящегося в быстросменном устройстве, разжимаются при подаче этого болта вперед и фиксируются таким образом в валу, а усилие зажима инструментов возрастает по мере увеличения центробежных сил.

Среди других разработок фирмы Precise — шпиндель с n = 160 000 об/мин. а также шпиндель диаметром 100 мм с n = 10 000 - 45 000 об/мин.

Магнитные опоры Actidyne, разработанные фирмой S2M (Франция), обеспечивают n = 180 000 об/мин. Контролируемые

Лист

перемещения ротора такой опоры и, следовательно, инструмента могут образовывать эллиптическую траекторию, компенсируя таким образом изгиб инструмента, составляющий несколько микрометров.

Рисунок 2.21 - Электрошпиндель мод. HF 200 МА40 фирмы Ibag (Швейцария) на магнитных опорах: 1 - инструментальная оправка: 2 - аварийные подшипники: 3 - радиально-осевой датчик положения; 4 - радиальные магнитные опоры: 5 - осевая магнитная опора; 6 - статор; 7 - механизм зажима; 8 - радиальный датчик положения: 9 - подвод охлаждения: 10 - датчик зажима инструмента; 11 - гидроили пневмоцилиндр: 12 - ротор: 13 - вал.

Рисунок 2.21 - Мотор-шпиндель CySpeed фирмы СуТес

Zylindertechnik GmbH(Германия).

Мотор-шпиндель CySpeed фирмы СуТес Zylindertechnik GmbH,

Германия, предназначен для использования в качестве электропривода механизма главного движения новейших высокоскоростных фрезернорасточных станков. Мотор-шпиндель имеет следующие характеристики: мощность - 34 кВт, максимальная частота вращения - 24 000 об/мин, момент - 54 Н·м.

Практически все производители обрабатывающих центров представили на ЕМО-97 станки для высокоскоростной обработки деталей, созданные на базе ММД с высокооборотными электрошпинделями (мощность 15-40 кВт, частота вращения 12 000-30 000 мин-1). Фирма FIDIA (Италия) продемонстрировала станки серии DIGIT с электрошпинделями мощностью до 4 кВт и частотой вращения 75 000 мин- 1, предназначенные для обработки штампов.

Лист

Требования к приводам подач, обусловленные высокой скоростью обработки, а также необходимость сокращения межоперационного времени способствовали широкому внедрению линейных электродвигателей.

На выставке можно было увидеть около 15 примеров применения линейных электродвигателей, в том числе для обрабатывающих центров, станков для лазерной обработки, шлифовальных станков.

Здесь следует отметить, что промышленные экспонаты ММД, а также примеры их применения в новых станках традиционных компоновок и НПМ полностью соответствуют перспективной номенклатуре ММД, разрабатываемых в рамках работ по мехатронике ГНТП "Технологии, машины и производства будущего" Миннауки РФ при участии Правительства Москвы, а также в рамках ряда международных проектов НПГ "Мехатроника".

На ЕМО-97 были широко представлены все основные типы мехатронных модулей движения.

Линейные электродвигатели - прецизионные мехатронные модули и узлы линейного движения - представляли около 10 фирм, среди которых

Krouss Moffei, SIEMENS, Indramat (Германия), FANUC, MITSUBISHI ELECTRIC (Япония), ETEL (Швейцария) и др. Кроме того, фирма HIWIN (Тайвань) продемонстрировала пленарные столы. В основном все показанные линейные электродвигатели, в том числе в составе станков и роботов, - это синхронные машины, позволяющие развивать максимальное усилие до 20 000 Н, максимальную скорость 100-200 м/мин и ускорение до

4g.

Для оценки сравнительных возможностей линейных двигателей и обычного привода подачи с ШВП (шаг 10 мм) можно привести предельно достижимые в настоящее время параметры для среднего обрабатывающего центра (размер детали до 1000x1000x1000 мм): максимальные усилия приводов подачи , соответственно 15 и 75 кН, ускорение 5g и g, скорость 300 и 60 м/мин, добротность 50 и 10.

Высокоскоростные электрошпиндели - мехатронные узлы главного движения - были представлены всеми ведущими европейскими производителями подобного оборудования:

GMN, Precise, FORTUNA, KAVO (ФРГ), IBAG (Швейцария), GAMFIOR, OMLAT (Италия), Seiko Seiki (Япония). Диапазон скоростей предлагаемых этими фирмами электрошпинделей 12 000...120 000 миг1 при мощности соответственно 70...0,2 кВт. В подобных шпинделях в основном используются асинхронные двигатели и комбинированные подшипники качения (с керамическими шариками). Одна из характерных черт современных высокоскоростных электрошпинделей - использование в них новой системы крепления инструмента типа HSK.

Высокоскоростные электрошпиндели с активными электромагнитными подшипниками были показаны на ЕМО-97 тремя

Лист

фирмами: IBAG (Швейцария), S2M (Франция) совместно с SEIKO SEIKI (Япония) и ГАМЕМ/Мехатроника (Россия), кроме того, специалистами фирм S2M и SEIKO SEIKI был проведен семинар по использованию технологии магнитных подшипников.

Все перечисленные электрошпиндели управляются с помощью цифровых преобразователей частоты с векторным управлением на базе

IGBT.

Среди новых мехатронных узлов были представлены также низкооборотные мехатронные модули с максимальной частотой вращения от 4 до 300 мин-1, моментом от 10 до 2500 Η · м и точностью позиционирования ±2" для поворотных столов станков и измерительных машин, многоцелевых инструментальных головок, узлов роботов, сварочного и сборочного оборудования, а также для электронного машиностроения.

Лист

Таблица 2 – Основные характеристики транспортных ММД

Таблица 3 – Технические характеристики электромеханизмов

Производство этих электроприводов освоено на российско-итальянском предприятии "Мехатрон".

В связи с расширением рынка высокопроизводительных машин и оборудования традиционной и нетрадиционной компоновок и освоением производства указанных ММД практически всеми ведущими электротехническими фирмами мира осуществляется постепенный перевод специальных ММД в модули движения общепромышленного применения.

Лист