В таблице использованы следующие сокращения: МШ - мотор-шпиндель (мехатронный модуль);

КП - система классического привода, состоящая из электродвигателя, механической передачи (ременная, зубчатая, коробка передач и т.п.) и шпиндельного узла;

ММ - мотор - муфта (двигатель присоединен к шпиндельному узлу через муфту);

ЛД - линейный двигатель (мехатронный модуль); ШВП - система классического привода, состоящая из электродвигателя,

механической передачи (ременная, зубчатая, шарико-винтовая пара и т.п.) и исполнительного узла механизма подачи;

ПС - поворотный стол (моментный мехатронный модуль).

При разработке и создании мехатронных модулей можно сформулировать следующие задачи:

-выявить области эффективного использования мехатронных модулей линейного и вращательного движения в металлообрабатывающих станках;

-разработать методы проектирования и структурного построения мехатронных модулей для станков, в том числе интеллектуальных модулей движения;

-разработать методы оптимальной настройки и управления мехатронными модулями, обеспечивающие наилучшие эксплуатационные показатели металлообрабатывающего оборудования;

-проанализировать влияние использования мехатронных модулей в станках на производительность, качество и точность обработки;

-на базе исследований создать и внедрить в производство конкретные модели мехатронных модулей линейного и вращательного движения и обеспечить их эффективное использование в металлорежущих станках.

При анализе мехатронных модулей необходимо рассмотреть общетехнические и экономические аспекты создания мехатронных модулей, а также рассмотреть мехатронные модули как элемент электромеханического преобразования, как элемент динамической системы станка.

2.3 Основные виды мехатронных модулей

Мехатронные модули обладают следующими особенностями:

-использование однотипных унифицированных узлов в различных вариантах компоновки станков, обеспечивающих агрегатно-модульное построение;

-уменьшение времени ремонта за счет поузловой замены;

-расширение и наращивание функций станков за счет добавления мехатронных модулей и узлов;

-создание разветвленных систем диагностики;

Лист

- упрощение сервисного обслуживания за счет применения однородных конструкций.

Классификация мехатронных модулей приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Основные виды мехатронных модулей.

Модули подразделяются по виду станочного механизма и по виду системы управления. Станочные механизмы в свою очередь подразделяются на механизмы главного движения, механизмы подачи и вспомогательных перемещений.

Ниже приводятся основные виды конструкций мехатронных модулей (В - модули вращательного движения, Л - модули линейного движения).

Механизмы главного движения:

-Мотор-шпиндель — шпиндельный станочный узел, на валу которого монтируется ротор приводного двигателя (В).

-Электрошпиндель - электродвигатель, непосредственно к валу которого крепится режущий инструмент (В).

-Мотор-редуктор - электродвигатель со встроенным планетарным механизмом, обеспечивающим две и более ступеней механической редукции (В).

Механизмы подачи и вспомогательных перемещений:

-Мотор-редукторы со встроенной планетарной передачей (В).

-Мотор-редукторы со встроенной волновой передачей (В).

Лист

- Модули линейного движения на базе плоских и пазовых линейных двигателей (Л).

Механизмы подачи, представляющие собой законченный станочный узел:

-Координатные и координатно-силовые столы с позиционированием по одной и двум осям со встроенным двигателем (Л).

-Поворотные столы, на валу которых располагается ротор двигателя (В).

-Плансуппорты. для внутренней расточки и объемной обработки со встроенным двигателем (В, Л).

-Электромеханические инструментальные и револьверные головки (В).

-Шарнирный узел со встроенным двигателем (В).

Технические характеристики мехатронных модулей можно разделить на следующие группы:

1.Основные электромеханические характеристики (в номинальном, максимальном и повторно-кратковременном режимах работы):

- для модулей вращательного движения -мощность, момент, частота вращения (макс., мин.), дискретность углового перемещения;

- для модулей линейного движения - мощность, усилие, скорость перемещения (макс., мин.), дискретность линейного перемещения.

2.Основные технологические характеристики - геометрические и конструктивные размеры (конус шпинделя, макс, длина рабочего хода линейного механизма, диаметр поворотного стола и т.п.).

3.Дополнительные технологические характеристики - наличие устройства подачи охлаждающей жидкости в зону резания, наличие устройства зажима-разжима крепления инструмента или детали, наличие устройств встроенного принудительного охлаждения, наличие устройств контроля геометрии обрабатываемой детали и т.п.

Принципиальной особенностью основ проектирования мехатронных модулей является то, что их следует рассматривать как станочный узел и как автоматизированный электропривод, а также как устройство· автоматизации технологического процесса металлообработки. При этом должны решаться следующие задачи.

Мехатронный модуль как станочный узел:

- статические, динамические и температурные деформации и их влияние на точность металлообработки;

- упругость механических звеньев, люфты и зазоры; - технологическая ориентированность станочного узла и особенности

узлов для станков различных технологических групп (токарная, сверлильно- фрезерно-расточная, шлифовальная и др.). Мехатронный модуль как автоматизированный электропривод:

- силовые параметры (мощность, момент, развиваемое усилие и перегрузочная способность);

- скоростные параметры (частота вращения, линейная скорость); - координатные параметры (угловое и линейное положение);

Лист

-статические и динамические характеристики;

-энергетические характеристики (потребляемая мощность КПД и др.).

Мехатронный модуль как устройство автоматики:

-обеспечение режимов регулирования скорости, позиционирования, следящих режимов;

-обеспечение режимов программирования, обучения, самонастройки и

т.п.;

-обеспечение режимов оптимизации процессов;

-реализация интеллектуальных функций.

2.4 Анализ особенностей электромеханического преобразования мехатронных модулей

Принципы электромеханического преобразования мехатронных модулей вращательного движения достаточно близки к принципам электромагнитного преобразования электродвигателей вращательного движения.

С точки зрения электромеханического преобразования энергии линейные двигатели можно разделить на:

-плоские линейные двигатели синхронные и асинхронные;

-П-образные (пазовые) линейные двигатели;

-цилиндрические линейные двигатели.

Плоские синхронные линейные двигатели.

Плоские синхронные линейные двигатели состоят из двух основных элементов: силовой подвижной части и неподвижной вторичной части. Вторичная часть включает в себя постоянные магниты, расположенные под углом к оси движения, что обеспечивает снижение колебания системы. Металлическая конструкция подвижной части, содержащая обмотку, увеличивает интенсивность электромагнитного поля.

Первичный модуль содержит трехфазную обмотку. Он имеет фиксированные размеры, зависящие от типоисполнения двигателя, и встраивается в движущуюся часть станка (машины). Вторичная часть состоит из одного или нескольких модулей с постоянными магнитами. Длина вторичной части зависит от максимальной длины перемещения координаты и набирается из отдельных унифицированных модулей. В синхронных двигателях не требуется охлаждение вторичного модуля (машина с холодным ротором).

Преимущества плоских синхронных линейных двигателей:

-малые габариты;

-высокие удельные показатели и обеспечение высокой перегрузочной способности;

-возможность обеспечения перемещения на большие расстояния (до 6 м

иболее).

Недостатки плоских синхронных линейных двигателей:

- металлическая конструкция первичной части вызывает эффект

Лист

прилипания;

-необходимость обеспечения высокой точности воздушного зазора (изменения воздушного зазора по длине двигателя ведет к изменению его силовых параметров; изменения величины силовых параметров может компенсироваться системой управления);

-трудоемкая установка;

-неэффективное использование магнитного поля;

-неэффективная теплоотдача.

Плоские асинхронные линейные двигатели.

Принцип действия плоского асинхронного линейного двигателя соответствует принципу действия развернутой асинхронной машины переменного тока. Асинхронный линейный двигатель состоит из подвижной части, в которой расположены трехфазные обмотки, и неподвижной части, представляющей собой короткозамкнутую обмотку типа «беличья клетка».

Преимущества плоских асинхронных линейных двигателей:

-отсутствие силы магнитного притяжения при сборке;

-возможность обеспечения перемещения на большие расстояния;

-развивают большие усилия.

Недостатки плоских асинхронных линейных двигателей:

-сложный алгоритм управления двигателем;

-высокие силы притяжения во время движения;

-отсутствие силы удержания при отключении питания двигателя;

-большие габаритные размеры;

-более низкий КПД (необходимость охлаждения неподвижной части).

П-образные (пазовые) линейные двигатели.

Название данного типа двигателей связано с П-образной формой сечения. Постоянные магниты расположены в неподвижной П-образной части двигателя. На рисунке 2.2 показано направление линий магнитного потока в сечении двигателя.

Рисунок 2.2 – Сечение П-образного линейного двигателя:

1 - линии магнитного потока; 2 - подвижная часть; 3 - неподвижная часть.

Преимущества П-образных линейных двигателей:

- высокая плавность перемещения, что имеет особую важность в высокоточных механизмах, например в станках для лазерной резки;

Лист

-возможность обеспечения перемещения на большие расстояния;

-отсутствие силы притяжения.

Недостатки П-образных линейных двигателей:

-тепловые ограничения, так как первичная подвижная часть двигателя с трех сторон закрыта вторичной частью, что ухудшает условия ее охлаждения;

-частая необходимость охлаждения водой или воздухом;

-неэффективное использование магнитного поля;

-низкая механическая жесткость.

Цилиндрические линейные двигатели.

Цилиндрические двигатели являются новейшей конструкцией линейного двигателя (рисунок.2.3а). Неподвижная часть, представляющая собой стержень (цилиндр), содержит постоянные магниты. Обмотки расположены на подвижной кольцевой части двигателя. Данные двигатели имеют наиболее высокие удельные показатели и КПД за счет того, что в нем линии магнитного поля пересекают линии тока обмоток двигателя под оптимальным углом (рисунок 2.3

б).

Рисунок 2.3 - Цилиндрический линейный двигатель а) Цилиндрический линейный двигатель; б) Сечение цилиндрического

линейного двигателя: 1 - линии магнитного потока; 2 - подвижная часть; 3 - неподвижная часть.

Преимущества цилиндрических линейных двигателей:

-оптимальное использование магнитного поля;

-низкие силы притяжения и отталкивания (благодаря симметричной конструкции магнитные поля сбалансированы);

-хорошие условия теплоотдачи (в цилиндрических двигателях неподвижная стержневая часть выполняет функции теплоотвода;

-в двигателях допустим большой воздушный зазор (до 1 мм). Недостатки цилиндрических линейных двигателей:

-ограниченная максимальная величина рабочего хода (в настоящее время сконструированы двигатели с величиной максимального перемещения до 2000 мм, это связано с тем, что неподвижный стержень необходимо закреплять с двух сторон и учитывать его прогиб от собственного веса);

-конструкция имеет большие габариты по сравнению с другими типами линейных двигателей.

Лист