Исполнительные механизмы в цепях управления механообработкой

Общие требования к приводам подач, приводам главного движения и вспомогательным механизмам механообрабатывающих станков.

Исполнительные механизмы в устройствах переработки и использования технологической информации предназначены для воздействия на регулируемый процесс — непосредственно или через регулирующий орган.

Выходным параметром исполнительных устройств в технологическом оборудовании машиностроительных производств, как правило, является перемещение того или иного рабочего исполнительного органа. По характеру перемещения, создаваемого исполнительными устройствами, они могут быть разделены на приводы поступательного, вращательного или поворотного (в пределах одного оборота) перемещения.

В зависимости от своей физической природы каждое из вышеназванных исполнительных устройств может быть электрическим, гидравлическим или пневматическим. Электрические исполнительные устройства, в свою очередь, подразделяются на электродвигатели и электромагнитные исполнительные устройства. Соответствующая классификация исполнительных устройств приведена на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Классификация исполнительных устройств.

Исполнительные устройства различной физической природы, называемые также сервоприводами, применяются в технологическом оборудовании машиностроения, конкретно в станкостроении, для осуществления следующих движений:

• • координатных перемещений подач;
• • главного движения;
• • вспомогательных движений механизмов станков.

К каждому из этих видов исполнительных устройств предъявляются свои технические требования и находятся пути для выполнения этих требований.

Координатные приводы подач бывают двух видов: дискретные (шаговые) и следящие. В свою очередь, приводы подач дискретного типа делятся на приводы с силовым шаговым двигателем (ШД), соединенным через кинематическую цепь с исполнительным механизмом, и на приводы, в которых управляющий шаговый двигатель (ШД), играющий роль задатчика угла поворота, сочетается с усилителем крутящего момента, выполненным в виде автономной следящей системы, обычно гидравлической. Область применения следящего привода подач особенно расширилась после создания высокомоментных электродвигателей с постоянными магнитами. Для управления скоростью вращения таких двигателей применяют тиристорные преобразователи, что будет более подробно рассмотрено в дальнейшем. Использование реверсивных тиристорных преобразователей, построенных по многофазной мостовой схеме, позволяет реализовывать реверсивные приводы подач с высокими динамическими качествами.

От координатных приводов подач требуются:

• • высокая точность перемещения;
• • независимость точности перемещения от того, на каком участке полного перемещения осуществляется заданное движение;
• • возможность регулирования скорости движения в достаточно широком диапазоне;
• • возможность реверсирования (движения в обратном направлении);
• • независимость скорости и точности перемещения от нагрузки на исполнительный привод.

В приводах главного движения применяют преимущественно регулируемые электроприводы с двигателем постоянного тока (обычно с тиристорным преобразователем). При этом мощность привода главного движения изменяется в зависимости от числа оборотов шпинделя. Статистические исследования загрузки станков показывают, что от нижней границы до примерно середины диапазона регулирования зависимость потребляемой мощности от числа оборотов шпинделя близка к прямо пропорциональной, и регулирование привода следует производить при постоянном моменте. Затем потребляемая мощность растет, вблизи от верхнего предела диапазона регулирования достигает максимума, а затем при наибольших числах оборотов даже несколько снижается (это соответствует чистовой обработке). На этом участке (верхней половине диапазона регулирования) привод можно регулировать при постоянной максимальной мощности. Такое регулирование принято называть двухзонным.

От приводов главного движения требуются:

• • высокая точность поддержания заданной скорости;
• • возможность регулирования скорости движения в достаточно широком диапазоне;
• • возможность реверсирования (движения в обратном направлении);
• • независимость скорости движения от нагрузки на исполнительный привод.

К вспомогательным движениями современных станков относятся реверсирование и остановка шпинделя, в том числе и в заданном положении, переключение поддиапазонов частоты вращения приводов главного движения, а также подача, поиск и смена инструмента, коррекция и фиксация его положения, установка рабочих органов в исходное положение, позиционирование заготовки, зажим и освобождение заготовки, фиксация и высвобождение подвижных узлов станка, включение и выключение систем смазки, охлаждения, удаления стружки и др.

Для выполнения этих функций в конструкции станка предусматриваются специальные вспомогательные механизмы, имеющие свои сервоприводы. Сервоприводы вспомогательных механизмов могут иметь как постоянную, так и регулируемую скорость. Регулируемые сервоприводы вспомогательных механизмов служат для выполнения точных делительных и/или установочных перемещений.

От приводов вспомогательных механизмов требуются:

• • высокие динамические качества;
• • большие рабочие усилия;
• • высокая кратность пускового момента (или усилия) по отношению к номинальному;
• • способность достаточно просто сочетаться с разнообразными по конструктивному исполнению механизмами.

Этим требованиям в наибольшей мере отвечают гидроприводы (поступательного, вращательного и поворотного движений). Там, где требуется высокая мощность, применяют пневматические и пневмоэлектрические приводы.

В электроприводах вспомогательных механизмов используют двухи трехфазные асинхронные нерегулируемые двигатели, а также шаговые двигатели (ШД) и двигатели постоянного тока (в том числе малоинерционные и высокомоментные). Соответствующая классификация приводов, используемых в станкостроении, приведена на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Классификация приводов в станкостроении.

Для описания свойств любого привода независимо от его физической природы используются следующие три характеристики.

• 1. Рабочая характеристика двигателя представляет собой зависимость числа оборотов двигателя п и момента М на валу двигателя от полезной мощности Р этого двигателя (л_ном и Р_ном — номинальные число оборотов и мощность).
• 2. Механическая характеристика двигателя определяет зависимость числа оборотов двигателя п от развиваемого им момента М при различных значениях параметра, определяющего его обороты, например, напряжения питания двигателя. Следует говорить о семействе механических характеристик двигателя.
• 3. Регулировочная характеристика двигателя определяет зависимость числа оборотов, развиваемых двигателем, от той величины, изменением которой устанавливают эти обороты. Регулировочные характеристики двигателя также представляют собой семейство кривых, у которого параметром является величина нагрузки. Регулирующей величиной, например для электродвигателей, может являться напряжение, подаваемое на якорь двигателя постоянного тока, или ток его обмотки возбуждения.

Примеры названных характеристик приведены на рис. 12.3, а, б ив.

Рассмотрим несколько подробнее семейство механических характеристик двигателя при различных нагрузках, приведенное на рис. 12.3, б. Из приведенного графика видно, что характеристики этого семейства можно считать прямыми линиями с отрицательным наклоном, исходящими из одной точки. Это значит, что, во-первых, когда двигатель не развивает никакого полезного мо;

Рис. 12.3. Характеристики двигателей мента (М- 0), его обороты максимальны, а, во-вторых, под нагрузкой при прочих равных условиях (например, при неизменности напряжения, которое подается на двигатель) обороты будут снижаться. Как говорят, двигатель «проседает» под нагрузкой. Характеристику, при которой двигатель сильно снижает свои обороты под нагрузкой, принято называть мягкой; а когда двигатель незначительно снижает свои обороты под нагрузкой, характеристику принято называть жесткой.

Естественно, что для задач, решаемых в станкостроении, желательно использовать двигатели с жесткой характеристикой. Будет ли характеристика того или иного двигателя мягкой или жесткой, зависит от конструктивных параметров данного двигателя. Однако схемным путем при соответствующем включении данного двигателя можно, не меняя его конструкции, сделать его механическую характеристику жесткой. Более подробно это будет описано в дальнейшем.