„Požiadavky a optimalizačné opatrenia pre mechanizmus prenosu posuvu CNC obrábacích strojov“
V modernej výrobe sa CNC obrábacie stroje stali kľúčovými obrábacími zariadeniami vďaka svojim výhodám, ako je vysoká presnosť, vysoká účinnosť a vysoký stupeň automatizácie. Systém prenosu posuvu CNC obrábacích strojov zvyčajne pracuje so servopohonom, ktorý hrá kľúčovú úlohu. Podľa inštrukčných správ vysielaných z CNC systému zosilňuje a následne riadi pohyb akčných komponentov. Musí nielen presne riadiť rýchlosť posuvu, ale aj presne riadiť polohu a trajektóriu nástroja vzhľadom na obrobok.
Typický uzavretý riadený posuvný systém CNC obrábacieho stroja sa skladá hlavne z niekoľkých častí, ako sú komponenty na porovnávanie polohy, zosilňovanie, pohonné jednotky, mechanizmy mechanického prenosu posuvu a prvky spätnej väzby detekcie. Medzi nimi je mechanizmus mechanického prenosu posuvu celý reťazec mechanického prenosu, ktorý premieňa rotačný pohyb servomotora na lineárny posuvný pohyb pracovného stola a držiaka nástroja, vrátane redukčných zariadení, párov vodiacej skrutky a matice, vodiacich komponentov a ich nosných častí. Ako dôležitý článok v servosystéme by mal mať posuvný mechanizmus CNC obrábacieho stroja nielen vysokú presnosť polohovania, ale aj dobré dynamické charakteristiky odozvy. Odozva systému na signály inštrukcií sledovania by mala byť rýchla a stabilita by mala byť dobrá.
Na zabezpečenie presnosti prenosu, stability systému a dynamických charakteristík odozvy podávacieho systému vertikálnych obrábacích centier sa na podávací mechanizmus kladie rad prísnych požiadaviek:
I. Požiadavka na žiadnu medzeru
Prevodová medzera povedie k chybe reverznej mŕtvej zóny a ovplyvní presnosť spracovania. Na čo najväčšiu elimináciu prevodovej medzery je možné použiť metódy, ako je použitie spojovacieho hriadeľa s elimináciou medzery a prevodových párov s opatreniami na elimináciu medzery. Napríklad v páre vodiacej skrutky a matice je možné použiť metódu dvojitého predpätia matice na elimináciu medzery nastavením relatívnej polohy medzi dvoma maticami. Zároveň v prípade súčiastok, ako sú ozubené prevody, je možné na elimináciu medzery použiť aj metódy, ako je nastavenie podložiek alebo elastických prvkov, aby sa zabezpečila presnosť prevodu.
Prevodová medzera povedie k chybe reverznej mŕtvej zóny a ovplyvní presnosť spracovania. Na čo najväčšiu elimináciu prevodovej medzery je možné použiť metódy, ako je použitie spojovacieho hriadeľa s elimináciou medzery a prevodových párov s opatreniami na elimináciu medzery. Napríklad v páre vodiacej skrutky a matice je možné použiť metódu dvojitého predpätia matice na elimináciu medzery nastavením relatívnej polohy medzi dvoma maticami. Zároveň v prípade súčiastok, ako sú ozubené prevody, je možné na elimináciu medzery použiť aj metódy, ako je nastavenie podložiek alebo elastických prvkov, aby sa zabezpečila presnosť prevodu.
II. Požiadavka na nízke trenie
Použitie metódy prenosu s nízkym trením môže znížiť straty energie, zlepšiť účinnosť prenosu a tiež pomôcť zlepšiť rýchlosť odozvy a presnosť systému. Medzi bežné metódy prenosu s nízkym trením patria hydrostatické vedenia, valivé vedenia a guľôčkové skrutky.
Použitie metódy prenosu s nízkym trením môže znížiť straty energie, zlepšiť účinnosť prenosu a tiež pomôcť zlepšiť rýchlosť odozvy a presnosť systému. Medzi bežné metódy prenosu s nízkym trením patria hydrostatické vedenia, valivé vedenia a guľôčkové skrutky.
Hydrostatické vedenia vytvárajú medzi vodiacimi plochami vrstvu tlakového olejového filmu, čím sa dosahuje bezkontaktné kĺzanie s extrémne malým trením. Valivé vedenia využívajú odvaľovanie valivých prvkov na vodiacich koľajniciach na nahradenie kĺzania, čím výrazne znižujú trenie. Guľôčkové skrutky sú dôležité komponenty, ktoré premieňajú rotačný pohyb na lineárny. Guľôčky sa kotúľajú medzi vodiacou skrutkou a maticou s nízkym koeficientom trenia a vysokou účinnosťou prenosu. Tieto prevodové komponenty s nízkym trením dokážu účinne znížiť odpor posuvného mechanizmu počas pohybu a zlepšiť výkon systému.
III. Požiadavka na nízku zotrvačnosť
Aby sa zlepšilo rozlíšenie obrábacieho stroja a čo najviac sa zrýchlil pracovný stôl, aby sa dosiahol účel sledovania inštrukcií, moment zotrvačnosti prenášaný systémom na hnací hriadeľ by mal byť čo najmenší. Túto požiadavku je možné dosiahnuť výberom optimálneho prevodového pomeru. Rozumná voľba prevodového pomeru môže znížiť moment zotrvačnosti systému a zároveň splniť požiadavky na rýchlosť pohybu a zrýchlenie pracovného stola. Napríklad pri navrhovaní redukčného zariadenia je možné podľa skutočných potrieb zvoliť vhodný prevodový pomer alebo pomer remenice tak, aby výstupná rýchlosť servomotora zodpovedala rýchlosti pohybu pracovného stola a zároveň sa znížil moment zotrvačnosti.
Aby sa zlepšilo rozlíšenie obrábacieho stroja a čo najviac sa zrýchlil pracovný stôl, aby sa dosiahol účel sledovania inštrukcií, moment zotrvačnosti prenášaný systémom na hnací hriadeľ by mal byť čo najmenší. Túto požiadavku je možné dosiahnuť výberom optimálneho prevodového pomeru. Rozumná voľba prevodového pomeru môže znížiť moment zotrvačnosti systému a zároveň splniť požiadavky na rýchlosť pohybu a zrýchlenie pracovného stola. Napríklad pri navrhovaní redukčného zariadenia je možné podľa skutočných potrieb zvoliť vhodný prevodový pomer alebo pomer remenice tak, aby výstupná rýchlosť servomotora zodpovedala rýchlosti pohybu pracovného stola a zároveň sa znížil moment zotrvačnosti.
Okrem toho je možné prijať aj koncept ľahkej konštrukcie a na výrobu prevodových komponentov je možné zvoliť materiály s nižšou hmotnosťou. Napríklad použitie ľahkých materiálov, ako je hliníková zliatina, na výrobu párov vodiacich skrutiek a matíc a vodiacich komponentov môže znížiť celkovú zotrvačnosť systému.
IV. Požiadavka na vysokú tuhosť
Vysoko tuhý prevodový systém môže zabezpečiť odolnosť voči vonkajšiemu rušeniu počas procesu spracovania a udržiavať stabilnú presnosť spracovania. Na zlepšenie tuhosti prevodového systému je možné prijať nasledujúce opatrenia:
Skrátenie prevodového reťazca: Zníženie počtu prevodových článkov môže znížiť elastickú deformáciu systému a zlepšiť tuhosť. Napríklad použitie metódy priameho pohonu vodiacej skrutky motorom šetrí medziľahlé prevodové články, znižuje chyby prenosu a elastickú deformáciu a zlepšuje tuhosť systému.
Zlepšenie tuhosti prevodového systému predpätím: Pri valivých vodidlách a pároch guľôčkových skrutiek je možné použiť metódu predpätia na vytvorenie určitého predpätia medzi valivými prvkami a vodiacimi lištami alebo vodiacimi skrutkami, aby sa zlepšila tuhosť systému. Podpera vodiacej skrutky je navrhnutá tak, aby bola upevnená na oboch koncoch a môže mať predpätú štruktúru. Aplikáciou určitého predpätia na vodiacu skrutku je možné pôsobiť proti axiálnej sile počas prevádzky a zlepšiť tuhosť vodiacej skrutky.
Vysoko tuhý prevodový systém môže zabezpečiť odolnosť voči vonkajšiemu rušeniu počas procesu spracovania a udržiavať stabilnú presnosť spracovania. Na zlepšenie tuhosti prevodového systému je možné prijať nasledujúce opatrenia:
Skrátenie prevodového reťazca: Zníženie počtu prevodových článkov môže znížiť elastickú deformáciu systému a zlepšiť tuhosť. Napríklad použitie metódy priameho pohonu vodiacej skrutky motorom šetrí medziľahlé prevodové články, znižuje chyby prenosu a elastickú deformáciu a zlepšuje tuhosť systému.
Zlepšenie tuhosti prevodového systému predpätím: Pri valivých vodidlách a pároch guľôčkových skrutiek je možné použiť metódu predpätia na vytvorenie určitého predpätia medzi valivými prvkami a vodiacimi lištami alebo vodiacimi skrutkami, aby sa zlepšila tuhosť systému. Podpera vodiacej skrutky je navrhnutá tak, aby bola upevnená na oboch koncoch a môže mať predpätú štruktúru. Aplikáciou určitého predpätia na vodiacu skrutku je možné pôsobiť proti axiálnej sile počas prevádzky a zlepšiť tuhosť vodiacej skrutky.
V. Požiadavka na vysokú rezonančnú frekvenciu
Vysoká rezonančná frekvencia znamená, že systém sa dokáže rýchlo vrátiť do stabilného stavu, keď je vystavený vonkajšiemu rušeniu, a má dobrú odolnosť voči vibráciám. Na zlepšenie rezonančnej frekvencie systému je možné začať s nasledujúcimi aspektmi:
Optimalizácia konštrukčného riešenia prevodových komponentov: Rozumne navrhnite tvar a veľkosť prevodových komponentov, ako sú vodiace skrutky a vodiace lišty, aby sa zlepšili ich vlastné frekvencie. Napríklad použitie dutej vodiacej skrutky môže znížiť hmotnosť a zlepšiť vlastnú frekvenciu.
Vyberte vhodné materiály: Vyberte materiály s vysokým modulom pružnosti a nízkou hustotou, ako napríklad titánové zliatiny atď., ktoré môžu zlepšiť tuhosť a prirodzenú frekvenciu komponentov prevodovky.
Zvýšenie tlmenia: Vhodné zvýšenie tlmenia v systéme môže spotrebovať energiu vibrácií, znížiť rezonančný vrchol a zlepšiť stabilitu systému. Tlmenie systému je možné zvýšiť použitím tlmiacimi materiálmi a inštaláciou tlmičov.
Vysoká rezonančná frekvencia znamená, že systém sa dokáže rýchlo vrátiť do stabilného stavu, keď je vystavený vonkajšiemu rušeniu, a má dobrú odolnosť voči vibráciám. Na zlepšenie rezonančnej frekvencie systému je možné začať s nasledujúcimi aspektmi:
Optimalizácia konštrukčného riešenia prevodových komponentov: Rozumne navrhnite tvar a veľkosť prevodových komponentov, ako sú vodiace skrutky a vodiace lišty, aby sa zlepšili ich vlastné frekvencie. Napríklad použitie dutej vodiacej skrutky môže znížiť hmotnosť a zlepšiť vlastnú frekvenciu.
Vyberte vhodné materiály: Vyberte materiály s vysokým modulom pružnosti a nízkou hustotou, ako napríklad titánové zliatiny atď., ktoré môžu zlepšiť tuhosť a prirodzenú frekvenciu komponentov prevodovky.
Zvýšenie tlmenia: Vhodné zvýšenie tlmenia v systéme môže spotrebovať energiu vibrácií, znížiť rezonančný vrchol a zlepšiť stabilitu systému. Tlmenie systému je možné zvýšiť použitím tlmiacimi materiálmi a inštaláciou tlmičov.
VI. Požiadavka na vhodný tlmiaci pomer
Vhodný tlmiaci pomer môže zabezpečiť rýchlu stabilizáciu systému po narušení bez nadmerného útlmu vibrácií. Na dosiahnutie vhodného tlmiaceho pomeru je možné riadiť tlmiaci pomer nastavením parametrov systému, ako sú parametre tlmiča a koeficient trenia komponentov prevodovky.
Vhodný tlmiaci pomer môže zabezpečiť rýchlu stabilizáciu systému po narušení bez nadmerného útlmu vibrácií. Na dosiahnutie vhodného tlmiaceho pomeru je možné riadiť tlmiaci pomer nastavením parametrov systému, ako sú parametre tlmiča a koeficient trenia komponentov prevodovky.
Stručne povedané, na splnenie prísnych požiadaviek CNC obrábacích strojov na mechanizmy prenosu posuvu je potrebné prijať sériu optimalizačných opatrení. Tieto opatrenia môžu nielen zlepšiť presnosť obrábania a efektivitu obrábacích strojov, ale aj zvýšiť stabilitu a spoľahlivosť obrábacích strojov a poskytnúť silnú podporu rozvoju modernej výroby.
V praktických aplikáciách je tiež potrebné komplexne zvážiť rôzne faktory podľa špecifických potrieb spracovania a charakteristík obrábacích strojov a vybrať najvhodnejší mechanizmus prenosu posuvu a optimalizačné opatrenia. Zároveň s neustálym pokrokom vedy a techniky neustále vznikajú nové materiály, technológie a konštrukčné koncepty, čo tiež poskytuje široký priestor pre ďalšie zlepšovanie výkonu mechanizmov prenosu posuvu CNC obrábacích strojov. V budúcnosti sa mechanizmy prenosu posuvu CNC obrábacích strojov budú naďalej vyvíjať smerom k vyššej presnosti, vyššej rýchlosti a vyššej spoľahlivosti.