Развитие станков стало переживать бурный рост с применением в компоновке станка программного управления (ПУ). Однако на первых порах развития систем программного управления конструкции станков оставались традиционно неизменными, т. е. на них как бы просто «навешивались» узлы программного управления - двигатели подач с соответствующими редукторами и различные датчики обратной связи. При этом оставались неизменными все формы ручного управления станком: маховики, рукоятки и т. п.
По сути дела первые этапы развития станков можно рассматривать как модернизацию станков под программное управление.
Первое поколение станков
Такой подход к созданию станков с программным управлением не дал ощутимого эффекта как по точности, так и по производительности, так как станки, управляемые вручную, давали лучшие результаты. Основной причиной снижения точности были большие зазоры в кинематических цепях первых станков c программным управлением и нежесткость конструкций как в целом, так и отдельных узлов. Это привело к тому, что обратная связь всей кинематики станка не может дать приемлемые динамические характеристики следящих приводов подач, что сказывается главным образом на производительности станков, так как скорости подач весьма низки.
Обратная связь только двигателей следящих приводов или шаговых приводов, что фактически одно и то же, зазоры в кинематических цепях и нежесткость станков приводили к большой погрешности обработки. Поэтому путь модификации и модернизации станков оказался несовершенным и от него отказались, создавая станки второго поколения.
Развитие станков второго поколения
Развитие станков с ЧПУ второго поколения привело к возможности работы в автоматическом режиме, при помощи следящих приводов подач, смены инструмента, смены скорости главного движения и т. п.
Из-за сложности контроля размеров детали в зоне обработки на большинстве станков применяют адаптирующие устройства и целые системы, косвенно характеризующие деформацию элементов конструкции станка и инструмента, а также вносят соответствующие коррективы в законы управления. Однако адаптивные системы в силу сложности пока не получили широкого применения и поэтому основным средством получения высокой точности на станках с ЧПУ является повышение жесткости элементов станка, включая инструмент. Обратную связь по положению стремятся получить поближе к конечному звену - рабочему органу, пытаясь охватить как можно больше кинематических элементов станка. На рис. 1 показаны возможные места включения датчика обратной связи (ДОС).
Рис. 1. Места размещения датчиков обратной связи
Датчики обратной связи в виде обычного вращающегося трансформатора (ВТ) можно включить непосредственно на вал двигателя м (рис. 1, α), при этом вся кинематическая цепь окажется разомкнутой и все ее погрешности скажутся на точности обработки. При включении вращающегося трансформатора на ходовой винт (рис. 1, б) после редуктора (иногда вращающийся трансформатор включают внутри редуктора для обеспечения необходимого передаточного отношения между вращающемся трансформатором и столом станка) обратная связь учитывает погрешности редуктора, включая небольшие по сравнению с зазорами пары винт - гайка. Такая схема развития станков оказалась тоже малоэффективной.
Вращающийся трансформатор можно подключить (рис. 1, в) через измерительный мультипликатор 1 (повышающий редуктор) к измерительному колесу 2, сцепленному с измерительной рейкой 3, которая укреплена на столе 4. Все эти элементы могут быть изготовлены с достаточно высокой точностью. При этом для снижения зазоров можно применять специальный моментный двигатель Мдв, работающий в тормозном режиме при пониженном напряжении питания. Такая схема учитывает пару винт - гайка и обеспечивает высокую точность.
Основные особенности конструкций при развитии станков, особенно координатно - расточных станков второго поколения предназначенных для позиционной обработки, являются:
- поворотные столы, управляемые по программе;
- инструментальные магазины с автоматической сменой инструмента в шпинделе станка по программе. Для этого нужны специальные манипуляторы и устройства автоматического зажима инструмента, а также устройства для ориентации шпинделя.
Для получения оптимальных режимов резания при смене инструмента возникает необходимость изменения скорости шпинделя. Кроме того, при больших скоростях установочных перемещений требуется высокая точность (как в контурных станках), поэтому чаще всего используют обратную связь по конечному положению на индуктоксинах.
Развитие таких станков привело к появлению многооперационных станков, в которых осуществляются не только сверлильно - расточные, но и фрезерные операции, включая контурную обработку, а иногда и токарную с помощью специальных сменных шпинделей.
Третье поколение в развитии станков
Увеличение степени автоматизации привело к созданию станков с ЧПУ третьего поколения - многошпиндельных и многокоординатных станков для контурной обработки, причем каждый из шпинделей, помещенных на многокоординатной каретке, может работать по своей программе одновременно с другими.
На всех современных станках с программным управлением для увеличения производительности реализуют максимально возможные режимы резания, применяя высокостойкий инструмент, настраиваемый вне станка, например, на специальных оптических устройствах.
Развитие станков четвертого поколения
Для развития станков с ЧПУ четвертого поколения характерны модульный принцип компоновки, короткие передачи в системе привод - рабочий орган, координатные модули (столы координатные, стойки, крестовые суппорты и т. д.). Появились многооперационные станки со сменой много шпиндельных головок и насадок, столов, зажимных патронов, планшайб, т. е. со сменой целевых узлов станка.
Можно также выделить 4 поколения развития приводов подач станков с ЧПУ:
- привод с частотой fmax ≤ 1000 Гц (шаговый и двигатели постоянного тока);
- шаговый с fmax = 8000 Гц (f наброса - 2000 Гц);
- шаговый с fmax = 16000 Гц;
- привод от высокомоментных двигателей постоянного тока с тиристорным управлением и силовых шаговых двигателей (fmax = 16000 Гц); дискретность 0,001мм; vбп = 10...20 м/мин.
