„Wymagania i środki optymalizacji dla mechanizmu przenoszenia posuwu obrabiarek CNC”
W nowoczesnym przemyśle, obrabiarki CNC stały się kluczowymi urządzeniami obróbczymi ze względu na swoje zalety, takie jak wysoka precyzja, wysoka wydajność i wysoki stopień automatyzacji. System posuwu obrabiarek CNC zazwyczaj współpracuje z serwonapędem, który odgrywa kluczową rolę. Zgodnie z komunikatami sterującymi przesyłanymi z systemu CNC, wzmacnia on, a następnie steruje ruchem elementów wykonawczych. Musi on nie tylko precyzyjnie kontrolować prędkość posuwu, ale także precyzyjnie kontrolować położenie i trajektorię ruchu narzędzia względem przedmiotu obrabianego.
Typowy układ posuwu obrabiarki CNC ze sterowaniem w pętli zamkniętej składa się głównie z kilku części, takich jak układ porównywania położenia, elementy wzmacniające, jednostki napędowe, mechaniczne mechanizmy przenoszące posuw oraz elementy sprzężenia zwrotnego z detekcją. Wśród nich mechaniczny mechanizm przenoszący posuw to cały mechaniczny łańcuch przekładni, który przekształca ruch obrotowy serwosilnika na liniowy ruch posuwowy stołu roboczego i uchwytu narzędzia, w tym urządzenia redukujące, pary śrub pociągowych i nakrętek, elementy prowadzące i ich elementy nośne. Jako ważne ogniwo układu serwo, mechanizm posuwu obrabiarek CNC powinien charakteryzować się nie tylko wysoką dokładnością pozycjonowania, ale również dobrą dynamiką reakcji. Reakcja systemu na sygnały instrukcji śledzenia powinna być szybka, a stabilność – dobra.
Aby zagwarantować dokładność przekładni, stabilność systemu i charakterystykę dynamiki układu posuwu pionowych centrów obróbkowych, mechanizmowi posuwu stawia się szereg rygorystycznych wymagań:
I. Wymagania dotyczące braku przerw
Szczelina przekładni prowadzi do błędu martwej strefy odwrotnej i wpływa na dokładność przetwarzania. Aby maksymalnie wyeliminować szczelinę przekładni, można zastosować metody takie jak zastosowanie wału łączącego z eliminacją szczeliny oraz par przekładni z eliminacją szczeliny. Na przykład, w parze śruby pociągowej i nakrętki, można zastosować metodę podwójnego napięcia wstępnego nakrętki, aby wyeliminować szczelinę poprzez regulację względnego położenia obu nakrętek. Jednocześnie, w przypadku części takich jak przekładnie zębate, można również zastosować metody takie jak podkładki regulacyjne lub elementy sprężyste, aby wyeliminować szczelinę i zapewnić dokładność przekładni.
Szczelina przekładni prowadzi do błędu martwej strefy odwrotnej i wpływa na dokładność przetwarzania. Aby maksymalnie wyeliminować szczelinę przekładni, można zastosować metody takie jak zastosowanie wału łączącego z eliminacją szczeliny oraz par przekładni z eliminacją szczeliny. Na przykład, w parze śruby pociągowej i nakrętki, można zastosować metodę podwójnego napięcia wstępnego nakrętki, aby wyeliminować szczelinę poprzez regulację względnego położenia obu nakrętek. Jednocześnie, w przypadku części takich jak przekładnie zębate, można również zastosować metody takie jak podkładki regulacyjne lub elementy sprężyste, aby wyeliminować szczelinę i zapewnić dokładność przekładni.
II. Wymagania dotyczące niskiego tarcia
Zastosowanie przekładni o niskim tarciu może zmniejszyć straty energii, poprawić sprawność przekładni, a także przyczynić się do poprawy szybkości reakcji i dokładności systemu. Do popularnych przekładni o niskim tarciu należą prowadnice hydrostatyczne, prowadnice toczne i śruby kulowe.
Zastosowanie przekładni o niskim tarciu może zmniejszyć straty energii, poprawić sprawność przekładni, a także przyczynić się do poprawy szybkości reakcji i dokładności systemu. Do popularnych przekładni o niskim tarciu należą prowadnice hydrostatyczne, prowadnice toczne i śruby kulowe.
Prowadnice hydrostatyczne tworzą warstwę oleju pod ciśnieniem między powierzchniami prowadzącymi, co zapewnia bezkontaktowy ruch ślizgowy przy ekstremalnie niskim tarciu. Prowadnice toczne wykorzystują toczenie się elementów tocznych po szynach prowadzących, aby zastąpić poślizg, znacznie redukując tarcie. Śruby kulowe to ważne elementy, które przekształcają ruch obrotowy w ruch liniowy. Kulki toczą się między śrubą pociągową a nakrętką, zapewniając niski współczynnik tarcia i wysoką sprawność przekładni. Te elementy przekładni o niskim tarciu mogą skutecznie zmniejszyć opór mechanizmu posuwowego podczas ruchu i poprawić wydajność systemu.
III. Wymagania dotyczące niskiej bezwładności
Aby poprawić rozdzielczość obrabiarki i maksymalnie przyspieszyć stół roboczy, co pozwala na realizację celu śledzenia instrukcji, moment bezwładności przenoszony przez system na wał napędowy powinien być jak najmniejszy. Wymóg ten można spełnić poprzez dobór optymalnego przełożenia. Rozsądny dobór przełożenia może zmniejszyć moment bezwładności systemu, jednocześnie spełniając wymagania dotyczące prędkości i przyspieszenia ruchu stołu roboczego. Na przykład, projektując urządzenie redukujące, można, w zależności od potrzeb, dobrać odpowiednie przełożenie przekładni lub koła pasowego, aby dopasować prędkość wyjściową serwosilnika do prędkości ruchu stołu roboczego i jednocześnie zmniejszyć moment bezwładności.
Aby poprawić rozdzielczość obrabiarki i maksymalnie przyspieszyć stół roboczy, co pozwala na realizację celu śledzenia instrukcji, moment bezwładności przenoszony przez system na wał napędowy powinien być jak najmniejszy. Wymóg ten można spełnić poprzez dobór optymalnego przełożenia. Rozsądny dobór przełożenia może zmniejszyć moment bezwładności systemu, jednocześnie spełniając wymagania dotyczące prędkości i przyspieszenia ruchu stołu roboczego. Na przykład, projektując urządzenie redukujące, można, w zależności od potrzeb, dobrać odpowiednie przełożenie przekładni lub koła pasowego, aby dopasować prędkość wyjściową serwosilnika do prędkości ruchu stołu roboczego i jednocześnie zmniejszyć moment bezwładności.
Ponadto możliwe jest również zastosowanie koncepcji lekkiej konstrukcji i dobór lżejszych materiałów do produkcji elementów przekładni. Na przykład, użycie lekkich materiałów, takich jak stop aluminium, do produkcji śrub pociągowych i nakrętek oraz elementów prowadzących może zmniejszyć całkowitą bezwładność układu.
IV. Wymagania dotyczące dużej sztywności
Układ napędowy o wysokiej sztywności zapewnia odporność na zakłócenia zewnętrzne podczas procesu przetwarzania i utrzymuje stabilną dokładność przetwarzania. Aby poprawić sztywność układu napędowego, można podjąć następujące działania:
Skróć łańcuch przekładni: Zmniejszenie liczby ogniw przekładni może zmniejszyć odkształcenia sprężyste układu i poprawić sztywność. Na przykład, zastosowanie metody bezpośredniego napędzania śruby pociągowej przez silnik oszczędza pośrednie ogniwa przekładni, zmniejsza błędy przekładni i odkształcenia sprężyste oraz poprawia sztywność układu.
Poprawa sztywności układu napędowego poprzez naprężenie wstępne: W przypadku prowadnic tocznych i par śrub kulowych, metoda naprężenia wstępnego może być stosowana w celu wytworzenia określonego napięcia wstępnego między elementami tocznymi a szynami prowadzącymi lub śrubami pociągowymi, co poprawia sztywność układu. Podparcie śruby pociągowej jest zaprojektowane tak, aby było zamocowane na obu końcach i może mieć wstępnie naciągniętą konstrukcję. Poprzez zastosowanie określonego napięcia wstępnego do śruby pociągowej, można przeciwdziałać sile osiowej podczas pracy i poprawić sztywność śruby pociągowej.
Układ napędowy o wysokiej sztywności zapewnia odporność na zakłócenia zewnętrzne podczas procesu przetwarzania i utrzymuje stabilną dokładność przetwarzania. Aby poprawić sztywność układu napędowego, można podjąć następujące działania:
Skróć łańcuch przekładni: Zmniejszenie liczby ogniw przekładni może zmniejszyć odkształcenia sprężyste układu i poprawić sztywność. Na przykład, zastosowanie metody bezpośredniego napędzania śruby pociągowej przez silnik oszczędza pośrednie ogniwa przekładni, zmniejsza błędy przekładni i odkształcenia sprężyste oraz poprawia sztywność układu.
Poprawa sztywności układu napędowego poprzez naprężenie wstępne: W przypadku prowadnic tocznych i par śrub kulowych, metoda naprężenia wstępnego może być stosowana w celu wytworzenia określonego napięcia wstępnego między elementami tocznymi a szynami prowadzącymi lub śrubami pociągowymi, co poprawia sztywność układu. Podparcie śruby pociągowej jest zaprojektowane tak, aby było zamocowane na obu końcach i może mieć wstępnie naciągniętą konstrukcję. Poprzez zastosowanie określonego napięcia wstępnego do śruby pociągowej, można przeciwdziałać sile osiowej podczas pracy i poprawić sztywność śruby pociągowej.
V. Wymagania dotyczące wysokiej częstotliwości rezonansowej
Wysoka częstotliwość rezonansowa oznacza, że system może szybko powrócić do stanu stabilnego po wystawieniu na zakłócenia zewnętrzne i charakteryzuje się dobrą odpornością na wibracje. Aby poprawić częstotliwość rezonansową systemu, można uwzględnić następujące aspekty:
Optymalizacja konstrukcji elementów przekładni: Rozsądnie zaprojektuj kształt i rozmiar elementów przekładni, takich jak śruby pociągowe i prowadnice, aby poprawić ich częstotliwość drgań własnych. Na przykład, zastosowanie śruby pociągowej z otworami przelotowymi może zmniejszyć masę i poprawić częstotliwość drgań własnych.
Wybierz odpowiednie materiały: Wybierz materiały o wysokim module sprężystości i niskiej gęstości, takie jak stop tytanu itp., które mogą poprawić sztywność i częstotliwość drgań własnych elementów przekładni.
Zwiększenie tłumienia: Odpowiednie zwiększenie tłumienia w układzie może zmniejszyć energię drgań, zmniejszyć szczyt rezonansowy i poprawić stabilność układu. Tłumienie układu można zwiększyć poprzez zastosowanie materiałów tłumiących i montaż amortyzatorów.
Wysoka częstotliwość rezonansowa oznacza, że system może szybko powrócić do stanu stabilnego po wystawieniu na zakłócenia zewnętrzne i charakteryzuje się dobrą odpornością na wibracje. Aby poprawić częstotliwość rezonansową systemu, można uwzględnić następujące aspekty:
Optymalizacja konstrukcji elementów przekładni: Rozsądnie zaprojektuj kształt i rozmiar elementów przekładni, takich jak śruby pociągowe i prowadnice, aby poprawić ich częstotliwość drgań własnych. Na przykład, zastosowanie śruby pociągowej z otworami przelotowymi może zmniejszyć masę i poprawić częstotliwość drgań własnych.
Wybierz odpowiednie materiały: Wybierz materiały o wysokim module sprężystości i niskiej gęstości, takie jak stop tytanu itp., które mogą poprawić sztywność i częstotliwość drgań własnych elementów przekładni.
Zwiększenie tłumienia: Odpowiednie zwiększenie tłumienia w układzie może zmniejszyć energię drgań, zmniejszyć szczyt rezonansowy i poprawić stabilność układu. Tłumienie układu można zwiększyć poprzez zastosowanie materiałów tłumiących i montaż amortyzatorów.
VI. Wymagania dotyczące odpowiedniego współczynnika tłumienia
Odpowiedni współczynnik tłumienia pozwala na szybką stabilizację układu po jego zakłóceniu, bez nadmiernego tłumienia drgań. Aby uzyskać odpowiedni współczynnik tłumienia, można go kontrolować poprzez regulację parametrów układu, takich jak parametry amortyzatora i współczynnik tarcia elementów przekładni.
Odpowiedni współczynnik tłumienia pozwala na szybką stabilizację układu po jego zakłóceniu, bez nadmiernego tłumienia drgań. Aby uzyskać odpowiedni współczynnik tłumienia, można go kontrolować poprzez regulację parametrów układu, takich jak parametry amortyzatora i współczynnik tarcia elementów przekładni.
Podsumowując, aby sprostać surowym wymaganiom stawianym obrabiarkom CNC w zakresie mechanizmów posuwu, konieczne jest podjęcie szeregu działań optymalizacyjnych. Działania te mogą nie tylko poprawić dokładność obróbki i wydajność obrabiarek, ale także zwiększyć ich stabilność i niezawodność, stanowiąc solidne wsparcie dla rozwoju nowoczesnej produkcji.
W zastosowaniach praktycznych konieczne jest również kompleksowe uwzględnienie różnych czynników, w zależności od specyficznych potrzeb obróbczych i charakterystyki obrabiarki, a także dobór najodpowiedniejszego mechanizmu przenoszenia posuwu i metod optymalizacji. Jednocześnie, wraz z ciągłym postępem nauki i techniki, stale pojawiają się nowe materiały, technologie i koncepcje projektowe, co stwarza szerokie możliwości dalszej poprawy wydajności mechanizmów przenoszenia posuwu obrabiarek CNC. W przyszłości mechanizmy przenoszenia posuwu obrabiarek CNC będą nadal rozwijać się w kierunku wyższej precyzji, prędkości i niezawodności.