2.2.3. Следящий привод подачи

Привод подач — один из основных узлов, определяющих производительность и точность станка с ЧПУ. Поскольку УЧПУ практически безинерционно формирует сигналы управления приводом, обеспечивающие движение по заданной траектории или позиционирование в заданной координате, большое значение приобретает совершенствование параметров исполнительного двигателя и схемы управления им с учетом особенностей кинематической цепи привода. По мере совершенствования в УЧПУ увеличения жесткости и точности узлов станка повышаются требования к быстродействию и точности привода подач: скорость быстрых перемещений в современных станках доведена до 50 м/мин, а дискретность перемещений — до 1 нм. Указанным требованиям удовлетворяют приводы и двигатели, разработанные специально для станков с ЧПУ. Высокими показателями характеризуется тиристорный привод с низкоскоростным высокомоментным двигателем постоянного тока и возбуждением от высокоэнергетических магнитов (рис. 2.12). Двигатель, имеет большой момент инерции, обеспечивает хорошие динамические характеристики, полученные в результате использования (для возбуждения) высокоэнергетических керамических магнитов, выдерживающих 10—15-кратные пиковые моменты без размагничивания. Значительная масса и теплоемкость ротора позволяют достаточно долго (до 30 мин) выдерживать значительные перегрузки.

Рис. 2.12. Конструктивная схема высокомоментного двигателя: 1 — повышающая передача (мультипликатор) револьвера; 2 — резольвер; 3 — тахогенератор; 4, 5 — коллекторы; 6 - ротор; 7 — корпус статора; 8 — ферритовыс полюсы; 9 — электромагнитный тормоз

В приводах с высокомоментными двигателями во многих случаях исключена необходимость в редукторе или значительно упростилась его конструкция, что уменьшило динамическую нагрузку приводного механизма и ее влияние на переходные процессы. Высокий КПД современных винтовых передач и направляющих обеспечивает ускоренные перемещения при крутящем моменте привода, равном 15—20 % от номинального крутящего момента, необходимого для процесса резания. В то же время резание с большими усилиями возможно лишь при скорости, равной 15—20 % от скорости быстрого перемещения. Эти особенности и определяют специфику создания привода подач станков. Однако, несмотря на все свои достоинства, высокомоментный двигатель постоянного тока не используется в современных станках. Это обусловлено наличием коллекторных узлов в конструкции двигателя. Являясь ненадежным и быстро изнашиваемым узлом, коллектор приводит к частым отказам привода. Вследствие этого наибольшее распространение в современных приводах получили синхронные элекродвигатели. Они обладают удовлетворительными характеристиками и в их конструкции полностью отсутствует коллектор, т. к. ротор такого двигателя выполнен из высокоэнергетических магнитов, а обмотки расположены в неподвижном статоре. Привод подач управляется по заранее заданной УП, определяющей входные сигналы в функции времени по каждой координате, что позволяет заранее компенсировать систематические погрешности, а также формировать в УП входные воздействия, минимизирующие переходные процессы. Следящий привод имеет, как минимум, два датчика обратной связи — по скорости (тахогенератор) и по пути. Тахогенератор всегда устанавливают на вал двигателя подачи, при этом часто встраивают непосредственно в двигатель. Что касается датчика обратной связи по пути, то существуют три варианта его установки, в зависимости от которых различают и структурные схемы следящих приводов (рис. 2.13). В станках нормальной точности датчик обратной связи по пути выполняют круговым и устанавливают на ходовой винт или на вал двигателя (рис. 16, а); поскольку пара винт—гайка не охвачена обратной связью, погрешности этой пары переносятся на изделие. Систематическую слагаемую этих погрешностей, повторяющуюся стабильно, можно компенсировать с помощью заранее программируемых корректирующих сигналов. Следящие приводы с такой структурной схемой, называемой схемой с полузамкнутым контуром обратной связи по положению, обеспечивают точность позиционирования ± 10 мкм. В микропроцессорных системах ЧПУ обратные связи по пути замыкаются в УЧПУ, а обратные связи по скорости — в блоке управления приводом. Таким образом, в следящих системах используют регулируемый привод с введением обратной связи по пути.  В прецизионных станках устанавливают на столе станка высокоточный линейный датчик 8 (рис. 2.13, б). Такая структурная схема называется замкнутой по положению. При этой схеме зазоры в кинематической цепи и упругие деформации влияют на колебания привода. Поэтому в ряде случаев (например, в тяжелых станках) применяют гибридную схему обратной связи (рис. 2.13, б), в которой используют два датчика: круговой, установленный на вал двигателя или ходовой винт, и линейный, установленный на стол станка. При этом круговой датчик используют для позиционирования, а линейный — для автоматической коррекции погрешностей кинематической цепи.

Рис. 2.13. Структурные схемы следящих приводов: а — с полузамкнутым контуром обратной связи по пути; б — то же с замкнутым контуром; в — с гибридной схемой обратной связи; 1 — основной блок УЧПУ; 2 — узел управления приводом; 3 — блок привода; 4 — двигатель подачи; 5 —тахогенератор; 6 — стол станка; 7 — круговой датчик обратной связи по пути; 8 — линейный датчик обратной связи по пути

Привод подачи выбирают с учетом моментов инерции элементов кинематической цепи и нагрузки, нагрузочных моментов (резания и холостого хода), скоростей перемещения и времени переходных процессов (пуска, торможения, реверса). Даже при низкой точности позиционирование выполняется двумя основными способами: путем предварительного снижения скорости; отключением в заданной позиции с последующим реверсом на ползучей скорости (рис. 2.14). В первом случае необходимо получение дополнительной команды, что связано в цикловых системах управления с ус¬тановкой еще одного командного органа. Поэтому в тех случаях, когда перебег за заданную точку допустим, предпочтительнее второй способ.

Рис. 2.14. Траектория одноступенчатого и многоступенчатого позиционирования: 1 — команда на торможение; 2 — команда на снижение скорости; 3 — команда на остановку; V0, V1, V2 — скорость быстрого хода, промежуточная и ползучая соответственно

Для уменьшения величины выбега (т. е. пути, который проходит рабочий орган после получения команды на остановку) используют способы интенсивного торможения. Подходить к позиции точной остановки можно лишь на очень низкой скорости. Поэтому между первой (на торможение) и второй (на отключение) командами в позиции точной остановки приходится вводить промежуточную скорость. В цикловых системах управления при одноступенчатом графике позиционирования после получения команды на торможение рабочий орган станка, например координатный стол, может остановиться в любой точке участка, который называется участком разброса тормозного пути при одноступенчатой остановке. Если рабочий орган остановится в начале этого участка, то весь участок прийдется проходить на ползучей скорости. Чаще всего остановка происходит в середине этого участка и оставшуюся половину проходят на ползучей скорости. По сравнению с одноступенчатым двухступенчатый график (показан жирными линиями на рис. 2.14) позволяет значительно (примерно в три раза) сократить время позиционирования: после получения первой команды (на торможение) выполняется переход рабочего органа на промежуточную скорость, с которой он перемещается до получения команды на второе торможение; затем скорость снижается до уровня ползучей и рабочий орган попадает на участок, называемый участком разброса тормозного пути при втором торможении. Увеличивая число ступеней, переходят к графику с непрерывным позиционированием, который называется «оптимальным» и обеспечивает заданную точность позиционирования при минимальных затратах времени. Осуществление оптимального графика решается в системах ЧПУ со следящим приводом; в этих системах реализуются также двух- и трехступенчатые циклы позиционирования.