2.5 Электроприводы прямого действия для металлорежущих станков нового поколения

2.5.1Высокоскоростная обработка - важнейшее направление развития станкостроения

Появление новых режущих материалов (поликристаллические алмазы, керметы, мелкозернистые твердые сплавы) позволяет осуществлять высокоскоростную обработку. Высокоскоростная обработка кроме существенного повышения производительности за счет сокращения основного времени дает следующие преимущества: уменьшаются силы резания, уменьшается нагрев изделия, повышается качество изделия, сокращается объем отделочной обработки, снижается возможность возникновения вибрации (скорость резания смещается в закритическую зону), появляется возможность обработки филигранных (мельчайших) отверстий.

Областью применения высокоскоростной обработки фрезерованием является изготовление пресс-форм и штампов. Высокоскоростная обработка применяется также при: точении, шлифовании, сверлении, растачивании, зенкеровании и развертывании. Высокоскоростной обработке могут подвергаться практически все материалы: сталь, чугун, легкие и цветные металлы, трудно обрабатываемые металлы и сплавы, пластмассы и др. Так скорость резания при обработке алюминиевых сплавов может быть увеличена с 1000 м/мин до 10000 м/мин, при обработке серого чугуна и стали с 800 м/мин до 8000 м/мин, при обработке высоколегированной стали с 100 м/мин до 2000 м/мин, при обработке титановых сплавов с 80 м/мин до 1000 м/мин и при обработке никелевых сплавов с 20 м/мин до 200 м/мин. Очевидна экономическая целесообразность применения высокоскоростной обработки. По данным швейцарской фирмы Mikron при изготовлении крупногабаритной литейной и штамповой оснастки на высокоскоростном фрезерном станке в сравнении с обычным стоимость обработки детали снижается на 50%. Применение технологий высокопроизводительной обработки требует как высоких частот вращения механизма главного движения (шпинделя), так и высоких динамических характеристик механизма подачи.

2.5.2Электроприводы прямого действия для механизмов главного

движения Конструкции и элементы шпиндельных узлов, предназначенных

для скоростной обработки, существенно отличаются от традиционных. В конструкциях привода главного движения высокоскоростных станков при максимальных частотах вращения шпинделя более 10000 об/мин практически невозможно использовать электродвигатель с механической редукцией. Поэтому, в этих станках применяются устройства типа «моторшпиндель», в которых ротор электродвигателя смонтирован

Лист

непосредственно на валу шпинделя.

Рисунок 2.4 – Мотор – шпиндель.

Устройства типа «мотор-шпиндель» относятся к приводу прямого действия (Direct Drive). Данные устройства состоят из следующих основных узлов (рисунок 2.4): шпиндельный вал с узлом крепления инструмента /1/, статор и ротор электродвигателя /2/, шпиндельные опоры (подшипники) /3/, система охлаждения /4/, датчики (частоты вращения и положения ротора /5/, температуры), разъемы и каналы связи (электрических сигналов, системы охлаждения, системы смазки) /6/.

При создании скоростных шпиндельных узлов возникают жесткие требования к статической и динамической устойчивости. Шпиндельные опоры конструируются как на базе подшипников качения, так и на базе гидростатических, гидродинамических и электромагнитных подшипников.

В скоростных шпиндельных узлах целесообразно использование радиально-упорных подшипников качения со специальными методами смазки (импульсный, масляно-воздушный) и контролем предварительного преднатяга в собранном узле. Перспективным является использование гибридных (со стальными кольцами и керамическими шариками) подшипников, а также применение в подшипниках стальных колец с твердосплавным покрытием.

Другим вариантом является использование гидравлических или воздушных опор. Для шпинделя, работающего в широком диапазоне изменения частоты вращения, целесообразно применение комбинированных гидростатических/гидродинамических опор. В данных опорах при низких частотах вращения реализуется гидростатический режим смазки - в опоры закачивается масло; а при высоких частотах вращения (до 20000 об/мин) реализуется гидродинамический режим смазки - с помощью масляного давления, динамически создаваемого конструкцией опоры. Комбинированные опоры более жесткие, что уменьшает биение и вибрации, а также повышает срок службы опор. Альтернативой подшипникам качения являются бесконтактные подшипники, в т.ч. электромагнитные. Электромагнитные подшипники позволяют обеспечить более высокие скорости вращения, длительный

Лист

срок службы, а также за счет активной регулировки исключить возникновение вибраций. К недостаткам электромагнитных опор относится низкая перегрузочная способность и высокая стоимость устройств. Как показывает анализ, при применении подшипников качения максимальная частота вращения может быть увеличена за счет специальных материалов для колец и шариков, оптимальной системы смазки, модифицированной конструкции сепаратора. Однако, максимальная частота вращения при использовании радиально-упорных подшипников ограничивается физическими границами, в особенности при перегрузке в зоне контакта наружного кольца шариков, где наблюдается перегрев и разрушение смазки. Повышение частот вращения шпинделя выше этих границ возможно за счет применения бесконтактных электромагнитных опор. Другие типы бесконтактных опор, например, аэростатические и гидродинамические, из-за высоких потерь на трение в рабочей среде обеспечивают максимальную частоту вращения на выше чем при применении подшипников качения. Сравнительный анализ различных опор шпинделя показывает, что применение магнитных опор позволяет повысить максимальную частоту вращения шпинделя более чем на 30%. По данным фирмы Renault Automation (Франция) в настоящее время 90% высокоскоростных станков оснащаются классическими или гибридными подшипниками качения с адаптивной системой смазки, 8% - оснащаются гидравлическими или воздушными опорами и 2% - оснащаются электромагнитными опорами. Мотор-шпиндели требуют применения систем эффективного охлаждения из-за повышенного тепловыделения в электродвигателе и опорах. Конструкция моторшпинделя и системы охлаждения должны обеспечивать осе симметричное температурное поле, обеспечивая требуемую точность узла. В настоящее время широко применяются системы принудительного воздушного и жидкостного охлаждения. Ведутся также разработки по созданию систем электронного охлаждения. В таких системах биметаллические блоки, использующие эффект Холла, с помощью электронных систем управляют перемещением тепловых потоков к периферийной (внешней части) шпиндельного узла.

Конструкции мотор-шпинделей предусматривают также различные устройства, обеспечивающие технологические задачи металлообработки: узел крепления инструмента, система подачи смазочно-охлаждающей жидкости и др.

В мотор-шпинделях применяются, в основном, встроенные асинхронные двигатели с широким диапазоном регулирования частоты вращения с постоянством мощности. Имеются также разработки специальных конструкций синхронных (вентильных) двигателей для мотор-шпинделя. Вентильный двигатель имеет более высокую стоимость в сравнении с асинхронным. Однако меньшее тепловыделение вентильного двигателя (машина с холодным ротором) обеспечивает более высокую

Лист

точность мотор-шпинделя и высокий крутящий момент при малых частотах вращения. Для регулирования частоты вращения моторшпинделя применяются цифровые системы векторного управления с системой ориентации вала.

Промышленным производством мотор-шпинделей занимаются специализированные фирмы, имеющие многолетний опыт создания станочных электромеханических прецизионных узлов. Швейцарская фирма IBAG выпускает широкую гамму высокочастотных моторшпинделей для высокоскоростной обработки (см.табл.1). Основная серия мотор-шпинделей HF имеет керамические подшипники. В моторшпинделях типа HF170 применены керамические гибридные подшипники с диаметром 65 или 55 мм с биением менее 3 мкм, осевой жесткостью 230 Н/мкм, радиальной жесткостью 270 Н/мкм. В мотор-шпинделях серии HF применены специальные двигатели, обеспечивающие минимальные потери при высоких удельных показателях и высокий момент при малых частотах вращения. Мотор-шпиндели имеют встроенную тепловую защиту от перегрева - термистор и систему водяного охлаждения. Управление двигателем обеспечивает ориентацию шпинделя при останове.

Фирма PRECISE (США) поставляет широкую гамму специализированных мотор-шпинделей, предназначенных для скоростной прецизионной обработки заготовок из металла, дерева, пластмасс. Фирма имеет серии мотор-шпинделей с жидкостным охлаждением и шарикоподшипниками с маспяно-воздушной системой смазки: для сверлильных и фрезерных работ (табл.2); для шлифовальных работ (табл.3). Специальная модель ASC 33 с воздушными опорами (рабочее давление - 5,6 бар) предназначена для сверления печатных плат (табл.2).

Фирма CYTEC Systems (Германия) разработала гамму моторшпинделей CySpeed мощностью от 10 до 60 кВт и максимальной частотой вращения до 30000 об/мин, а также специальную систему управления (контроллер) CyCon K11, регулирующую подачу масла и воздуха в шпиндельный узел.

Фирма S2M (Франция) разработала гамму мотор-шпинделей с электромагнитными опорами. Система управления положением ротора формирует воздействие на электромагниты в зависимости от управляющего сигнала и сигнала от датчиков положения ротора. Моторшпиндель с электромагнитными опорами является наглядным примером упрощения механической части привода (функции подшипников выполняет электроника). Мотор-шпиндели фирмы S2M имеют следующие характеристики: мощность 1 кВт, максимальная частота вращения 180000

об/мин; 3 кВт - 90000 об/мин; 15 кВт - 60000 об/мин; 25 кВт - 30000

об/мин.

Для станков, рассчитанных на обработку широкой номенклатуры заготовок, в т.ч. средних и больших габаритов и из труднообрабатываемых материалов, фирма SIEMENS (Германия) разработала гамму мотор-

Лист

шпинделей на базе специальных асинхронных двигателей мод. 1РНЗ (табл.4). Данные мотор-шпиндели обеспечивают широкий диапазон изменения частоты вращения с постоянством мощности - до 8:1. Биение шпинделя - 3-4мкм, осевая жесткость - от 350 Н/мкм для 1 РНЗ 225, до 850 Н/мкм для 1 РНЗ 456, радиальная жесткость - от 200 Н/мкм для 1 РНЗ 225, до 550 Н/мкм для 1РНЗ 456. Также фирма SIEMENS выпускает серию бескорпусных высокоскоростных асинхронных двигателей, предназначенных для встройки в конструкции мотор-шпинделей 1РН2 (табл.5). Данные двигатели характеризует широкий диапазон изменения частоты вращения с постоянством мощности - до 16:1 и высокие максимальные частоты вращения - до 18000 об/мин.

2.5.3 Электроприводы прямого действия для механизмов подачи Анализ наиболее перспективных экспонатов на выставке «ЕМО-99»

(г.Париж, Франция) показал, что в механизмах подачи линейных перемещений высокоскоростных станков все большее применение находят электроприводы с линейными двигателями. Традиционные электроприводы механизмов подачи включают в себя двигатель вращательного движения и механическую передачу, преобразующую вращательное движение в поступательное (шарико-винтовая передача (ШВП), зубчатая рейка, зубчатый ремень, ленточная передача, фрикционная передача и др.). Двигатели вращательного движения в сочетании с механическими передачами в механизмах линейных перемещений уступают электроприводам с линейными двигателями по ряду технических характеристик. Предельные характеристики таких приводов: максимальное перемещение -6м, максимальная скорость - 60м/мин, ускорение - до 1 g ограничивают производительность и точность ряда станков. В станках и машинах, реализующих концепцию высоких технологий, целесообразно применение перспективных электроприводов на базе линейных двигателей, имеющих значительно более высокие технические характеристики: максимальное перемещение - не ограничивается, максимальная скорость - 150-210 м/мин, ускорение - до 5 g. Приводы на базе линейных двигателей позволяют обеспечить более высокую точность в механизмах подачи станков в сравнении с приводами

сдвигателями вращательного движения.

Кнедостаткам электроприводов с линейными двигателями следует отнести: большие потери и соответственно невысокий КПД, выделение двигателем большого количества тепла непосредственно в зоне обработки станка, возникновение паразитных магнитных полей, усложнение отвода стружки, более высокая стоимость в сравнении с традиционными приводами.

Линейные двигатели, исключающие необходимость использования механических передач в приводе подачи, реализуют концепцию приводов прямого действия (Direct Drive), в которых имеет место конструктивное объединение приводного и исполнительного элементов механизма

Лист

линейных перемещений.

Линейные двигатели предыдущего поколения (разработки 80-х годов), основанные на классической технологии электромеханического линейного привода, имели ограниченную область применения из-за невысоких удельных силовых характеристик. С появлением новых магнитных материалов (Ne-Fe-B) и специальных методов охлаждения двигателя (в т.ч. жидкостного) создались предпосылки создания экономичного высокоточного и высоко динамичного силового линейного двигателя, отвечающего высоким техническим требованиям механизмов подачи станков и машин.

По принципу электромеханического преобразования энергии линейные двигатели механизмов подачи разделяются на четыре вида:

а) постоянного тока (с щеточно-коллекторным узлом), б) асинхронные (индукторные), в) синхронные (вентильные), г) шаговые.

По конструкции линейные двигатели подразделяются на бескорпусные (штриховые) и закрытые (с выдвижным штоком). В зависимости от требований к удельным показателям, двигатели могут иметь воздушную или жидкостную систему охлаждения.

Линейные двигатели постоянного тока находят крайне ограниченное применение из-за наличия щеточно-коллектроного узла. Шаговые линейные двигатели имеют низкий КПД и развивают относительно небольшое усилие. Областью применения шаговых линейных двигателей являются графопостроители, измерительные и гравировочные машины, станки для лазерной резки, раскроечные машины.

Рисунок 2.5 – Линейный двигатель.

Наиболее широко в электроприводах механизмов подачи металлорежущих станков применяются синхронные (вентильные) и асинхронные линейные двигатели. Данные устройства состоят из следующих основных узлов (рисунок 2.5): направляющие /1/, вторичная

Лист

часть электродвигателя /2/, первичный модуль электродвигателя /3/, линейная измерительная система (датчик положения) /4/.

Синхронные бескорпусные линейные двигатели состоят из первичного и вторичного модулей. 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 и набирается из отдельных унифицированных модулей. В синхронных двигателях не требуется охлаждение вторичного модуля (машина с холодным ротором). Линейные бескорпусные асинхронные двигатели состоят из первичного модуля, имеющего трёхфазную обмотку и одного или нескольких вторичных модулей, имеющих короткозамкнутую обмотку типа «беличья клетка». Линейные закрытые асинхронные двигатели состоят из неподвижной части с трехфазной обмоткой и выдвижного штока с обмоткой в виде короткозамкнутых колец.

При сравнении синхронного и асинхронного линейных двигателей следует учитывать следующие преимущества синхронного: высокое постоянное усилие подачи, большой воздушный зазор между первичным и вторичным модулем, вторичный модуль, не требует охлаждения. К недостаткам синхронного двигателя относится: наличие во вторичном модуле постоянных магнитов, что усложняет сборку и удорожает двигатель (особенно при большой длине перемещения); необходимость применения абсолютной измерительной системы или датчика Холла (система ориентации ротора). К достоинствам асинхронного двигателя относится отсутствие магнитных сил при обесточенном двигателе, что облегчает его сборку. К недостаткам асинхронного двигателя относится: меньший воздушный зазор между первичным и вторичным модулями; необходимость принудительного охлаждения вторичного модуля; меньшее усилие подачи. Система управления линейными двигателями, как правило, - цифровая, микропроцессорная, адаптивная, с дискретностью менее 0,5 мс, с полосой пропускания частот более 2 кГц. Датчик положения - линейный, с жестким закреплением к механизму, с высокой разрешающей способностью (< 0,1мм).

Другой разновидностью приводов прямого действия для механизмов подачи являются моментные двигатели вращательного движения. Эти двигатели обеспечивают непосредственное (безредукторное) перемещение механизмов вращательного движения.

Моментные двигатели имеют низкую частоту вращения и высокий момент, что дает возможность использовать его в качестве непосредственного привода. Питание двигателя током синусоидальной формы и адаптивное управление обеспечивает минимум потерь в двигателе, отсутствие зазоров и люфтов повышает точность механизма.

Лист

Вентильный (синхронный) моментный двигатель имеет постоянные магниты на роторе и обмотку на статоре. Бандаж (кольца) статора - алюминиевый или стальной крепит обмотки статора и шихтованный стальной пакет. Пазы водяного охлаждения объединены с бандажом статора. Ротор имеет стальные кольца в качестве бандажа и постоянные магниты на основе неодим-железо (NdFe).

Рисунок 2.6 – Асинхронный линейный двигатель.

Принцип действия асинхронного линейного двигателя реализуется в двигателях вращательного движения с осевым воздушным зазором (рисунок 2.6). В этой конструкции: 1 - изогнутый короткий статор, 2 - воздушный зазор, 3 - круглый ротор. Короткий статор - выполнен в виде гребня, изогнутый по радиусу ротора, в радиальные пазы которого заложена обмотка трехфазного двигателя с полуобмоточным полюсным выводом. Для устранения вихревых токов применен шихтованный магнитопровод.

Ряд ведущих зарубежных электротехнических фирм:

-Indramat GmbH, Германия;

-Siemens AG, Германия;

-Krauss Maffei Automationstechnik GmbH, Германия;

-Mitsubishi Electric Corporation,Япония;

-Etel Sa, Швейцария;

-Cleveland Prazisions-systeme GmbH, Германия;

-Hiwin Technologies Corp., Тайвань;

-Renault Automation, Франция;

-El More s.r.L, Италия

наладили промышленное производство электроприводов с линейными двигателями.

Фирма Indramat (Германия) разработала наиболее полную гамму

Лист

линейных двигателей, включающую бескорпусные синхронные двигатели LSF, бескорпусные асинхронные двигатели LAF и закрытые асинхронные двигатели IAR. Системы управления двигателями имеют стандартный интерфейс SERCOS (IEC1491), который обеспечивает совместимость с цифровыми преобразователями и программируемыми контроллерами различных модификаций.

Фирма Siemens (Германия), разработала гамму электроприводов подачи на базе линейных двигателей серии 1FN1. Синхронные (вентильные) линейные двигатели серии 1FN1 с постоянными магнитами (SE) имеют максимальную длину перемещения до 50 м. В двигателях используется система водяного принудительного охлаждения. Степень защиты двигателей IP54. Двигатели управляются от цифрового преобразователя SIMODRIVE 611. В табл.6 приведены технические характеристики двигателей серии 1FN1.

Фирма Krauss Maffei Automationstechnik (Германия) представила гамму электроприводов с

линейными двигателями серии LIMES TS (Thermo-Sandwich). Двигатели этой серии имеют специальную систему жидкостного охлаждения: сдвоенный охладитель с изолирующим слоем. Линейные синхронные двигатели серии LIMES TS имеют степень защиты IP65.

2.5.4 Конструкции станков с линейными двигателями Можно сформулировать следующие требования, предъявляемые к

конструкции отдельных узлов станка, имеющего линейные двигатели. Салазки должны иметь облегченную конструкцию и большую жесткость. Собственные частоты колебаний подвижных узлов станка должны быть выше полосы пропускания частот привода. Так как полоса пропускания частот у линейного двигателя выше, чем у обычного электромеханического привода, повышаются требования к базовым деталям станка. Направляющие должны иметь малое трение и обеспечивать восприятие больших сил по нормали к поверхности. Рекомендуются профильные направляющие качения, обеспечивающие низкое трение. Базовые детали станка должны иметь максимально облегченную конструкцию для обеспечения высокого ускорения привода. Если в приводе подачи с двигателем вращательного движения и ШВП ускорение зависит от моментов инерции ротора двигателя и винта, а также от шага винта, то в линейном приводе достижимая величина ускорения обратно пропорциональна величине перемещаемых масс. В конструкции станка должно быть предусмотрено уравновешивание вертикально перемещаемых узлов. Конструкция должна иметь систему жидкостного охлаждения и теплоизоляции, предотвращающие термическую деформацию станка. Для теплоизоляции применяется слой текстолита, при котором система становится термически инерционной.

Применение электроприводов с линейными двигателями позволяют обеспечить ряд принципиально новых технологических возможностей

Лист

станков и машин. Станки, оснащенные линейными двигателями, имеют неоспоримые преимущества по сравнению со станками с двигателями вращательного движения в механизмах линейных перемещений. Эти преимущества в первую очередь, проявляются в и обрабатывающих центрах, фрезерных, токарных и шлифовальных станках с режимами высокоскоростной обработки; станках для лазерной резки; станках для струйной резки. Линейные приводы позволяют существенно упростить конструкции станков и создать принципиально новые компоновки.

На базе линейных двигателей могут быть сконструированы многокоординатные станочные узлы. Примером двухосевого модуля может служить крестовой стол, разработки фирмы Siemens. Двигатель оси X модели 1FN1 072... обеспечивает максимальное усилие 1720Н, скорость до 120 м/мин, ускорение до 100 м/с2. Двигатель оси Υ модели 1FN1 122...

обеспечивает максимальное усилие 3250Н, скорость до 120 м/мин, ускорение до 35 м/с2.

Рисунок 2.7 - Обрабатывающий центр фирмы Ingersoll(CLLJA)

Примером создания принципиально новой компоновки станка с использованием линейных двигателей может служить, предназначенный для обработки резанием крупногабаритных интегральных деталей. Данный станок имеет возможность обрабатывать детали длинной до 30м (фрезерование профилей крыльев больших самолетов из целой заготовки). В представленной компоновке (рисунок 2.7) предусмотрена вертикальная установка изделия, что обеспечивает сход стружки под действием силы тяжести в станину, откуда она может быть удалена транспортером стружки. При классической горизонтальной установке детали при большом объеме снимаемой стружки возникли бы проблемы с ее удалением, а скопление стружки в зоне обработки отрицательно сказывается на точности и качестве обработанной поверхности. На станке используются линейные двигатели на всех осях, благодаря чему достигается максимальная скорость подачи 75 м/мин. В приводе перемещения полеты применяется линейный двигатель с профильными

Лист

направляющими качения. На базе данной компоновки возможно создание станка с практически неограниченной длиной изделия, т.к. вторичные элементы синхронного линейного двигателя могут быть просто добавлены.

Для высокоскоростной обработки фирма WZH (Германия) предлагает принципиально новую компоновку станка, позволяющую обрабатывать изделие с пяти сторон (рисунок 2.8) . Станок содержит мотор-шпиндель, перемещающийся в плоскости осей X-Y. Перемещение по оси Ζ осуществляется кареткой, несущей программируемый поворотный стол, ось вращения которого расположена под углом 450 к оси Ζ. На столе устанавливается полета с изделием.

Подвижность шпиндельного узла по осям X и Υ и его жесткость по оси Ζ осуществляются с помощью W - образного механизма, в шарнирах которого расположены подшипники качения, обеспечивающие жесткость при малой силе трения.

Рисунок 2.8 – Компоновка станка для высокоскоростной обработки фирмы WZH (Германия).

Приводы осевых перемещений содержат линейные электродвигатели, вторичные элементы которых образуют подвижные салазки. Салазки одним концом присоединены к шпиндельному узлу, а другим - к кулисам, имеющим возможность качания. На кулисах установлены первичные элементы двигателей, смонтированные на профильных направляющих качения. Исходя из принятых величин максимальных ходов по осям X и Υ по 500мм, длина звеньев механизма - 1450 мм. Благодаря сравнительно простой компоновке станка и возможности использования стандартных изделий для опор качения появляется возможность создания сравнительно недорогого высокопроизводительного станка. Высокие динамические характеристики станка обеспечиваются линейными двигателями. При реализации данной компоновки представляет определенную сложность соединение связующих звеньев с корпусом шпиндельного узла.

Лист

Рисунок 2.9 - Современные компоновки лазерных станков.

Использование линейных двигателей в станках, осуществляющих лазерную обработку, позволило создать ряд принципиально новых компоновок. При лазерной обработке развиваемые приводами подачи скорости и ускорения имеют такое же решающее значение, как и при обработке резанием. Традиционные компоновки лазерных станков повторяли классические компоновки металлорежущих станков. Однако они не учитывали специфику лазерной обработки - отсутствие усилий при обработке и большие скорости перемещений. На рисунке 2.9 приведены принципиально новые компоновки лазерных станков: 1 - «Двойные ножницы», 2 -«Простые ножницы», 3 - Построитель эллипсов, 4 - Кулисные салазки, разработанные фирмой 15У/(Германия). В данных структурах станков применены линейные двигатели. Эти компоновки используют принцип спаренных осей и обеспечивают плоское перемещение рабочей головки станка. Благодаря принятому расположению осей в этих механизмах удалось сократить движущие массы, что обеспечивает сверхвысокие скорости и ускорения.

Таблица 2.2 - Мотор-шпиндели фирмы IBAG

Лист

Таблица 2.3 - Сверлильные и фрезерные мотор-шпиндели фирмы

PRECISE