Источники движения МС
Двигатели приводов главного движения
В приводах главного движения со ступенчатым регулированием преимущественное распространение получили асинхронные односкоростные электродвигатели в связи с их небольшой стоимостью, высокой надежностью, возможностью значительных перегрузок и жесткостью механической характеристики. Они не требуют применения специальных преобразователей, усилителей, имеют небольшие габариты и массу. Однако привод содержит сложную многоступенчатую коробку скоростей, затруднена также автоматизация переключения скоростей.
Иногда применяются многоскоростные асинхронные электродвигатели, в которых частота вращения изменяется за счет переключения числа пар полюсов. Чаще всего применяются двухскоростные двигатели, при этом упрощается коробка скоростей за счет исключения соответствующего двойного блока. Однако стоимость, габариты и масса многоскоростных двигателей существенно выше, чем односкоростных.
В приводах главного движения с бесступенчатым регулированием, особенно станков с числовым программным управлением, применяют регулируемые электродвигатели постоянного тока с двухзонным регулированием, синхронные или асинхронные регулируемые двигатели. В этом случае регулирование частоты вращения двигателя до номинальной происходит при постоянном моменте.
Недостатки двигателя постоянного тока связаны с наличием коллекторно-щеточного узла, что снижает его надежность и ограничивает максимальные частоты вращения. Поэтому в последнее время в станках применяются синхронные и асинхронные регулируемые двигатели, характер изменения момента и мощности которых такой же, как у двигателей постоянного тока.
Регулируемые двигатели и системы их управления существенно упрощают привод, механическая часть привода также упрощается.
Двигатели приводов подачи
В приводах подачи со ступенчатым регулированием традиционно применяют нерегулируемые асинхронные двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Главными достоинствами этого двигателя являются его простота, высокая надежность (объясняемая отсутствием трущихся частей), относительно высокие механические характеристики, низкая стоимость и способность потреблять электроэнергию непосредственно из промышленной сети без дополнительных преобразователей.
Как упоминалось ранее, приводы подачи с бесступенчатым регулированием можно подразделить на шаговые и следящие. Это деление обусловлено типом используемых в них двигателей.
Основой шагового привода является шаговый двигатель (ШД). По принципу работы он является синхронным двигателем. Отличие от классического синхронного двигателя заключается в том, что магнитное поле перемещается в воздушном зазоре дискретно (шагами). Вследствие этого движение ротора представляет собой последовательность элементарных шагов.
Дискретность ШД приводит к возникновению вибраций во время перемещения и к ограничению точности позиционирования.
В следящих приводах подачи широко используются два типа двигателей: высокомоментные двигатели постоянного тока и синхронные (вентильные) электродвигатели. Асинхронные двигатели с частотным регулированием скорости пока не находят широкого применения в приводах подачи.
Высокомоментные двигатели имеют лучшие характеристики, чем двигатели с электромагнитным возбуждением. Эти двигатели имеют меньшую массу и габариты, способны развивать большой номинальный момент. Отсутствие потерь на возбуждение в статоре снижает нагрев двигателя. Они имеют высокую тепловую постоянную времени, что обеспечивает возможность значительных перегрузок по току в кратковременном и повторно-кратковременном режимах. Малая чувствительность к перегрузкам позволяет значительно увеличить кратковременно действующий момент (до 10 раз по сравнению с номинальным) при небольших скоростях, следовательно, обеспечивается высокое быстродействие привода, определяемое отношением вращающего момента к моменту инерции.
Высокомоментные двигатели имеют малую чувствительность к динамическим возмущениям по нагрузке, собственную устойчивость в переходных режимах и достаточную механическую прочность (благодаря значительным размерам якоря и большому диаметру вала). Это позволяет устанавливать их непосредственно на винт.
В последнее время высокомоментные двигатели вытесняются бесколлекторными синхронными (вентильными) электродвигателями, превосходящими их практически по всем технико-экономическим показателям.
Вентильным называется двигатель, в котором коммутация секций (фаз) обмотки статора осуществляется с помощью полупроводникового коммутатора, управляемого сигналами датчика положения ротора. Коммутатор вместе с датчиком положения ротора выполняет те же функции, что и коллектор в двигателе постоянного тока.
По сравнению с высокомоментными синхронные двигатели имеют много преимуществ. Обеспечивается высокая надежность двигателя и меньший уровень шума благодаря отсутствию щеточно-коллекторного узла. Момент инерции ротора в 2…5 раз меньше, чем высокомоментного двигателя, чем обеспечивается больший диапазон регулирования за счет повышенной максимальной частоты вращения. Двигатель имеет лучшие массогабаритные показатели (удельный номинальный момент до 1,2 Н . м/кг) и более высокий КПД. Обеспечиваются хороший отвод тепла и возможность выполнения обмоток двигателя, рассчитанных на высокое напряжение, благодаря их размещению на статоре.
По сравнению с асинхронным двигателем с частотным регулированием вентильный двигатель имеет следующие преимущества: лучший КПД ввиду отсутствия потерь на скольжение; малый момент инерции ротора; высокое быстродействие и лучшую управляемость.
К недостаткам вентильного двигателя следует отнести его относительно высокую стоимость и относительную сложность конструкции по сравнению с асинхронными двигателями.
Перечисленные преимущества синхронных двигателей по сравнению с другими типами двигателей предопределили широкую область их применения в механизмах подач станков.
Гидравлические двигатели довольно широко использовались в приводах с бесступенчатым регулированием первых станков с ЧПУ и тяжелых станков. Приводы с гидравлическими двигателями имеют более низкий КПД, однако позволяют весьма просто осуществлять бесступенчатое регулирование скорости перемещения исполнительных узлов и обладают хорошими динамическими характеристиками.
Механизмы изменения передаточных отношений
Для изменения скоростей исполнительных органов станка или изменения их соотношения у зависимых друг от друга органов служат механизмы изменения передаточных отношений (органы настройки). К таким механизмам относятся коробки скоростей и подач, в которых изменение их передаточного отношения осуществляется за счет сменных зубчатых колес (рис. 3.16, а), передвижных колес или блоков зубчатых колес (рис. 3.16, б), не передвигаемых вдоль вала колес, но сцепляемых с ним при включении кулачковых (рис. 3.16, в), фрикционных (рис. 3.16, г) или электромагнитных муфт, а также за счет комбинирования способов.
Механизмы со сменными зубчатыми колесами называются гитарами сменных зубчатых колес, которые могут быть однопарными (рис. 3.16, а) и двухпарными с постоянным или переменным (рис. 3.16, д) межцентровым расстоянием a и b между последовательными валами. Однопарные гитары могут передавать большие нагрузки, и поэтому их применяют в цепях главного движения и тяжело нагруженных цепях подач.
Комплект сменных колес таких гитар состоит из шести-восьми зубчатых колес, обеспечивающих три-четыре повышающие передачи (i >1) и столько же понижающих. Двухпарные гитары сменных колес обеспечивают большее число возможных значений передаточных отношений, причем гитары с переменным межцентровым расстоянием (рис. 3.16, д) обладают практически неограниченным диапазоном на стройки цепей как по числу, так и по точности значения передаточных отношений, хотя сам по себе диапазон ограничен габаритами гитары и условиями сцепляемости ее обеих пар зубчатых колес.
Гитары с переменным межцентровым расстоянием не могут передавать больших нагрузок из-за нежесткости их конструкции. Комплект сменных зубчатых колес у двухпарных гитар может содержать до 70 колес и более.
Коробки передач с передвижными колесами и блоками колес просты по конструкции, надежны в эксплуатации и удобны в управлении. Они могут передавать большие нагрузки при сравнительно небольших радиальных размерах, но не допускают переключения в процессе вращения валов. Передачи с постоянным зацеплением колес и включаемые для передачи через них полезной нагрузки с помощью фрикционных и электромагнитных муфт позволяют быстро и плавно переключать передачи на ходу и под нагрузкой. Передачи же, включаемые с помощью кулачковых муфт, не позволяют переключать их на ходу. В коробках передач с управляемыми муфтами могут использоваться косозубые и шевронные колеса. Нередко встречаются случаи сочетания коробок передач 1 с переборным устройством 2 (рис. 3.16, е), увеличивающим число скоростей коробки в 2 раза.
Рис. 3.16. Механизмы изменения передаточных отношений: а — однопарная гитара сменных зубчатых колес; б — двухвенцовой передвижной блок зубчатых колес; в — кулачковые муфты; г — двухсторонняя фрикционная муфта; д — двухпарная гитара сменных зубчатых колес с переменным межцентровым расстоянием в каждой паре; е — переборное устройство
Механизмы обгона
Обгонные муфты (рис. 3.22) необходимы в случаях, когда движущемуся звену или органу станка требуется придать движение с более высокой скоростью, не прерывая цепь привода медленного движения. По принципу действия применяются обгонные фрикционные и храповые муфты.
Обгонная фрикционная роликовая муфта (рис. 3.22, а) состоит из диска 1 с угловыми вырезами, в которых располагаются подпружиненные пальцами 2 ролики 3 и кольца-обоймы 4. Ведущим элементом муфты может быть диск или обойма.
Принцип работы муфты следующий. Если ведущим звеном является обойма 4, то при вращении ее по направлению, указанному стрелкой, ролики увлекаются трением в узкую часть выемки и заклиниваются между кольцом-обоймой и диском. В этом случае диск 1 и связанный с ним вал будут вращаться с угловой скоростью обоймы 4. Если теперь при продолжающемся вращении обоймы по часовой стрелке валу с диском 1 сообщить по другой кинематической цепи вращение в ту же сторону, но с большей скоростью, ролики переместятся в широкую часть выемки и муфта окажется расцепленной, а диск будет обгонять обойму.
Если ведущим будет диск с валом, то муфта будет сцеплена при его вращении против часовой стрелки, или в том случае, когда он имеет большую скорость, чем обойма, вращаясь в том же направлении. Если же обойме притом же рассматриваемом направлении вращения придать большую скорость вращения, чем диску, то произойдет расцепление муфты.
Обгонная храповая муфта (рис. 3.22, б) позволяет передать ведомому валу 4 более быстрое движение, чем то, которое передается ему от свободно сидящего на валу колеса 2 с закрепленной на нем собачкой 3, упирающейся в зуб храпового колеса 1, жестко сидящего на валу, и медленно его вращает. При включении быстрого вращения вал с храповым колесом будет обгонять собачку, и медленное вращение от колеса 2 на вал передаваться не будет. Обгонные муфты используются в токарных, многорезцовых, сверлильных и других станках для передачи рабочих и ускоренных вспомогательных движений.
