Приводы подач: ШВП, рейка, линейный двигатель и обратная связь

Что такое привод подачи

В уроке 3 мы разобрали оси станка: X, Y, Z и поворотные. Каждой линейной оси нужен привод подачи — узел, который двигает стол, колонну или суппорт по команде системы ЧПУ. Он состоит из трёх частей: двигателя, механической передачи и датчика положения.

Двигатель вращается, а стол должен ехать по прямой. Задача передачи — превратить вращение в прямое движение без зазоров и рывков. От неё зависит, насколько точно и повторяемо станок приходит в заданную точку и насколько быстро он разгоняется.

Шарико-винтовая передача

ШВП (шарико-винтовая передача) — винт с точной резьбой и гайка, между которыми катятся стальные шарики. Двигатель вращает винт напрямую через муфту или через зубчатый ремень, гайка закреплена на столе. Винт крутится — гайка со столом едет вдоль него.

Шарики дошли до конца гайки — их нужно вернуть в начало. Для этого в гайке есть система возврата шариков: трубки снаружи гайки, каналы внутри или торцевые крышки. Такая циркуляция есть в любой гайке ШВП, это не отдельный тип передачи.

Почему ШВП точная и лёгкая на ход

В обычной винтовой паре, как в тисках, гайка скользит по резьбе, и большая часть усилия уходит на трение. В ШВП шарики катятся, а не скользят. Поэтому у неё высокий КПД (коэффициент полезного действия) — доля усилия двигателя, которая идёт на движение стола, а не теряется на трение. По каталогу HIWIN КПД шарико-винтовой передачи — до 90 %: двигателю нужно меньше момента, узел меньше греется и медленнее изнашивается.

Люфт и преднатяг

Люфт — свободный ход: двигатель уже повернулся в обратную сторону, а стол ещё стоит. Он появляется из-за зазора между шариками и резьбой. При обработке люфт даёт ступеньки на контуре и ошибки размера при смене направления.

Зазор выбирают преднатягом — гайку собирают так, чтобы шарики заранее были поджаты к резьбе. По каталогу HIWIN натяг делают тремя способами: две гайки с проставкой между ними, одна гайка со смещённым шагом резьбы или шарики чуть большего размера. Там же предупреждают: слишком большой натяг повышает трение, нагрев и сокращает срок службы, слишком маленький — снижает жёсткость и возвращает люфт. Поэтому натяг подбирает производитель станка, а не покупатель.

Где кончаются возможности ШВП

Длинный винт провисает под своим весом и на высоких оборотах начинает раскачиваться. HIWIN рассчитывает для каждого винта критическую частоту вращения: чем длиннее свободный участок винта, тем она ниже. Обзор Machine Design называет типичный предел длины оси на ШВП около 6 м. Дальше применяют рейку.

Реечная передача

Реечная передача — зубчатая шестерня на валу двигателя катится по прямой зубчатой рейке, закреплённой на станине. Рейку собирают из отрезков, поэтому длина хода почти ничем не ограничена. Machine Design отмечает, что на большой длине хода рейка обходится дешевле других решений. Это решение для длинных осей: порталов, крупных расточных и раскройных станков.

У зубчатого зацепления тоже есть зазор. Его выбирают двумя шестернями на одной рейке: одна тянет ось, вторая слегка подтормаживает в обратную сторону. WITTENSTEIN называет такую схему «ведущий — ведомый» (master/slave): у каждой шестерни свой двигатель, и натяг создают сами двигатели.

Линейный двигатель

Линейный двигатель — тот же электродвигатель, только «развёрнутый» в линию. Обычно неподвижная часть с постоянными магнитами лежит вдоль всей оси, а подвижная часть с обмоткой закреплена на столе. Винта, гайки и муфты нет: двигатель сам толкает стол. Это не способ вращать ШВП, а замена ей.

Что это даёт: нет механической передачи, а значит нет её износа и люфта, ось быстро разгоняется и тормозит. Чем платят:

• Нагрев. Тепло выделяется в обмотке прямо под столом. Siemens делает свои линейные двигатели с жидкостным охлаждением, а для точных станков предлагает ещё и дополнительный «прецизионный» охладитель, чтобы тепло не уходило в станок. Machine Design отмечает, что охлаждение добавляет стоимости и сложности.
• Нужна линейка. Двигатель не вращается, поэтому мерить положение можно только линейным датчиком вдоль оси.
• Сильные магниты. Магнитная дорожка притягивает железо со стороны — при монтаже и ремонте нужна осторожность, Siemens выносит это в предупреждения по технике безопасности.
• Отдельный тормоз. Чтобы ось не сдвинулась при отключении питания, нужен тормоз. Серводвигатель ШВП бывает со встроенным тормозом, а линейному двигателю, по Machine Design, нужен отдельный, обычно более дорогой.
• Цена. Двигатель, охлаждение, линейка и тормоз делают ось дороже, чем на ШВП. Насколько — зависит от станка, спрашивайте у производителя.

Двигатель: серводвигатель или шаговый

Шаговый двигатель поворачивается на фиксированный угол на каждый электрический импульс. Система управления считает импульсы и по ним «знает», где ось. Но если нагрузка или скорость окажутся больше, чем двигатель может выдержать, он пропустит шаги (Oriental Motor называет это misstep — пропуск шага), а система без датчика об этом не узнает. HEIDENHAIN, описывая приводы подач металлорежущих станков с ЧПУ, говорит именно о серводвигателях.

Серводвигатель работает вместе с датчиком угла поворота (энкодером) и сервоусилителем. Привод всё время сравнивает, где ось должна быть и где она есть, и сразу исправляет отклонение. Если ось не смогла пройти заданный путь, система ЧПУ видит рассогласование и может остановить станок с ошибкой, а не продолжать «вслепую».

Полузамкнутый и замкнутый контур

Где стоит датчик, по которому система ЧПУ считает положение оси, — важный вопрос для точных станков. HEIDENHAIN различает два варианта.

Полузамкнутый контур — положение считают по энкодеру двигателя. Система знает, на какой угол повернулся винт, и пересчитывает это в миллиметры через шаг резьбы. Сам стол она не видит. Всё, что происходит между двигателем и столом, — погрешность шага винта, остаточный люфт, удлинение винта от нагрева — в измерение не попадает.

Замкнутый контур — на ось дополнительно ставят оптическую линейку: стеклянную или стальную шкалу с делениями и считывающую головку на подвижном узле. Теперь система меряет положение самого стола. Ошибки механики линейка видит, и система ЧПУ их исправляет.

Главная причина ставить линейку — нагрев винта. Винт греется от трения в гайке и опорах и удлиняется. HEIDENHAIN называет тепловое удлинение винта основной проблемой полузамкнутого контура: сильнее всего оно растёт сразу после включения, а устойчивое состояние наступает через час–два работы. После перерыва винт остывает, и ошибка уходит в обратную сторону. Получается, что первая деталь смены и деталь после обеда могут отличаться по размеру. Система ЧПУ умеет компенсировать удлинение программно, но HEIDENHAIN предупреждает: возможности такой компенсации часто переоценивают.

Что это значит для покупателя

• ШВП с преднатягом — стандарт и разумный выбор для большинства задач. Узнайте у производителя класс точности винта и способ натяга.
• Линейки нужны, если у клиента жёсткие допуски на больших длинах, длинные циклы, работа в несколько смен или цех без стабильной температуры. Часто это опция — уточните у производителя, на какие оси её можно поставить.
• Рейка — для длинных осей; линейный двигатель — когда важна скорость разгона и торможения и клиент готов к охлаждению и более дорогому обслуживанию.
• ШВП изнашивается и со временем теряет натяг. Проверка люфта и смазка винтов входят в плановое обслуживание станка.

Как объяснить клиенту

• «Стол двигает шарико-винтовая пара: шарики катятся, а не скользят, поэтому трения мало, а зазор выбран натягом».
• «Серводвигатель всё время сверяет, где ось должна быть и где она есть. Если ось отстала, система это увидит, а не будет работать вслепую».
• «Без линейки станок знает, как повернулся двигатель. С линейкой — где на самом деле стоит стол. Разница видна, когда винт прогреется».
• «Линейный двигатель быстрее разгоняется и тормозит, но греется, требует охлаждения и стоит дороже. Для ваших деталей важнее скорость или простота обслуживания?»