Приводы станков с ЧПУ предназначены для осуществления движений: главного, подач и вспомогательных. Эти движения могут быть независимые и строго согласованные, определяющие простую или сложную разветвляющиеся структуры. Обобщенная структура привода металлорежущего станка с ЧПУ включает (рис. 1): 1) двигатель (Дв) вращательного или поступательного действия; 2) звенья, устройства и механизмы передачи движения - передаточные механизмы (ПдМ); 3) звенья, устройства и механизмы преобразования движения - преобразовательные механизмы (ПрМ); 4) исполнительный рабочий орган (РО); 5) устройства управления (УУ), обеспечивающие включение, выключение, реверсирование, измерение и регулирование движения.
Рис. 1. Обобщенная структура привода металлорежущего станка с ЧПУ
Наиболее простой структура будет тогда, когда двигатель выполнен как одно целое с рабочим органом или непосредственно связан с ним. Примером могут служить шпиндельные модули фирмы «Fanuc» (Япония) (рис. 2). Однако в большинстве случаев привод станка с ЧПУ имеет звенья для передачи, согласования и преобразования движения от двигателя к рабочему органу. Для приводов с вращательным главным движением рабочего органа могут быть зубчатые или ременные передачи, для приводов подач с поступательным движением - различные тяговые устройства.
Рис. 2. Примеры модульных приводов главного движения фирмы «Fanuc», где шпиндель является ротором электродвигателя постоянного тока: α - для токарных станков; б - для многооперационных станков, обрабатывающих корпусные детали
Приводы большинства станков с ЧПУ должны обеспечивать обработку с постоянной мощностью в определенной части RN общего диапазона регулирования привода Rn, что зависит от диапазона размеров обрабатываемых деталей и режимов резания. Для многих станков RN = 5...20 (иногда до 40), а общий диапазон регулирования привода зависит от его назначения: Для главного движения -4 ≤ Rn ≤ 100; для подач - 1,5 ≤ Rn ≤ 150. Если двигатель подач используется и как вспомогательный для быстрых перемещений, то диапазон может достичь Rn ≤ 3000. Диапазоны регулирования некоторых двигателей приведены в таблице (рис. 3).
Рис. 3. Диапазоны и способ регулирования некоторых двигателей приводов станков с ЧПУ
Входные данные приводов станков с ЧПУ
Входными параметрами приводов станков являются характеристики двигателя: мощность, моменты (номинальный, пусковой и максимальный), тяговое усиление, момент инерции ротора, частота (номинальная и максимальная), скорость, максимальное ускорение, постоянные времени (электромагнитная и электромеханическая) и др. Среди них основными являются силовые и скоростные параметры.
Характеристики передаточных механизмов выражаются Кинематическими (передаточные отношения, диапазон регулирования частот или подач) и силовыми (КПД, соотношения сил, моментов, мощностей на входе и выходе) зависимостями.
Характеристики преобразовательных механизмов выражаются формулами преобразования (частот вращения в линейные скорости перемещения и наоборот, моментов в силы и наоборот) с учетом передаточных отношений и КПД.
Выходные параметры приводов станков с ЧПУ
Выходными параметрами приводов являются скоростные параметры перемещения рабочего органа (частота вращения шпинделя, число двойных ходов, скорость, подача, диапазон их регулирования) и значения внешних рабочих нагрузок (сил и моментов сопротивления), которые могут быть статическими и динамическими в зависимости от режима работы.
По характеру регулирования приводы станков с ЧПУ разделяются на ступенчатые, бесступенчатые и комбинированные.
Приводы с бесступенчатым регулированием и электродвигателями постоянного тока являются основными для станков с ЧПУ.
Регулирование приводов станков с ЧПУ
При регулировании частоты вращения двигателя изменяется развиваемый им момент Mд, и отдаваемая мощность Nд, (рис. 4). В диапазоне от минимальной частоты n min до номинальной nн (зона I) крутящий момент Мд = const, а мощность Nд изменяется (Nд = var). В диапазоне от nн до максимальной частоты n max (зона II) регулирование происходит при Nд = const и изменяющемся моменте Мд (Мд = var). В зоне III регулирование возможно до n`max, но происходит дальнейшее снижение момента и и мощности Nд.
Различают три способа регулирования: при Мд = const (зона I), при Nд = const (зона II), двухзонное (зоны I и II). Работа в зоне III позволяет полнее использовать возможности электропривода, так как в большинстве станков на механизмах главного движения при максимальных частотах шпинделя во время обработки происходит снижение требуемых момента и мощности привода станка с ЧПУ.
Для увеличения диапазона частот, в котором мощность постоянная по сравнению с диапазоном, обеспечиваемым регулируемым двигателем, используются коробки передач ступенчатого регулирования.
Рис. 4. Графики изменения мощности привода станка с ЧПУ: 1 - при регулировании двигателя постоянного тока; 2 - требуемой для эффективного резания (среднестатистический)
