Замкнутый контур регулирования в станках с ЧПУ

Производительность и точность станков с числовым программным управлением, являются важными аспектами конкуренции среди современных машиностроительных производств, в условиях быстро меняющихся условий эксплуатации станков. Для единичного производства вопрос стоит так же остро, как и для серийного, так как при изготовлении деталей все более малыми партиями, приходится организовывать наиболее экономичное и точное производство. Например, в аэрокосмической промышленности для черновой обработки требуется максимальная производительность резания, тогда как последующие процессы должны выполняться с максимальной точностью или для фрезерования высококачественных пресс-форм, при черновой обработке требуется скорость выборки большого объема материала, а чистовая обработка должна обеспечивать высокий уровень качества поверхностного слоя, при этом постоянно должна присутствовать максимальная скорость контурной подачи, необходимая для реализации требуемых минимальных расстояний между траекториями в пределах допустимого времени обработки.

При таких нагруженных режимах работы металлорежущего оборудования в процессе обработки выделяется большое количество энергии в виде тепла, термическая точность станков становится важным параметром, учитывая сильно меняющиеся условия эксплуатации оборудования. Это особенно важно для обеспечения стабильной точности деталей с узким полем допуска, в условиях требующих постоянно меняющихся задач обработки, так как при простоях или переналадке оборудования термически стабильное состояние станка не может быть достигнуто. Постоянные смены операций сверления, черновой и чистовой обработки, также становятся одной из причин колебаний теплового состояния станка. Следует отметить что во время черновых операций скорости фрезерования увеличиваются до значений выше 80 %, от номинальной чистовой подачи резания. Все более высокие ускорения и скорости подачи вызывают, нагрев шарико-винтовой пары при линейной подаче. Таким образом, независимое измерение положения исполнительных органов станка, играет центральную роль в стабилизации температурных характеристик станков.

Термическая стабильность станков на сегодняшний день играет важнейшую роль, чем когда-либо, во всей станкостроительной отрасли в целом. Активное охлаждение шарико-винтовой пары, симметрично спроектированная конструкция станка и измерение температуры несущей системы на сегодняшний день являются обычной практикой. Температурный дрейф в первую очередь вызывается перемещениями оси при обеспечение движений формообразования, из-за применения шарико-винтовых пар. Распределение температуры вдоль винта может быстро изменить результат финальной позиции исполнительного органа станка, к сожалению не в лучшую сторону. Аналогичная ситуация состоит с линейными приводами, которые выделяют большое количество энергии в процессе работы.

Решить данную проблему, позволяет использование замкнутого контура регулирования положения исполнительного органа станка. Основной принцип работы замкнутого контура регулирования, это измерение управляемой величины (фактического значения) и ее автоматической коррекции в зависимости от отклонения заданного значения, как правило, оно выполняется автоматически, благодаря имеющимся в системе регулирования программно-аппаратным возможностям. Благодаря наличию обратной связи и коррекции положения, которая осуществляется через исполнительный орган станка и регулятор, образуется замкнутая цепь взаимодействия (цепь регулирования, см. рисунок 1).

Рисунок 1. Замкнутый контур регулирования

На станках без линейных измерительных систем, в результате изменения длины погрешность позиционирования исполнительного органа станка обычно составляет: 100 мкм/м в течение 20 мин, что приводит к значительным дефектам готовой продукции. Система управления осуществляет контроль за исполнительным органом станка, через положение снимаемое с датчика электромотора приводящего в движение шарико-винтовую пару, в сочетании с поворотной и линейной измерительной системой закрепленной на оси станка. Если положение органа станка определяется путем пересчета шага винта и углового значения, снятые с показаний датчика вращения (см. рисунок 2), то винт должен выполнять две задачи. Не только передавать крутящий момент для обеспечения поступательного движения под высокими нагрузками, но и быть частью измерительного устройства, которому предстоит преобразовывать вращательное движение в поступательное с обеспечением точного шага для равномерного точного позиционирования на все пути перемещения оси, тем не менее, позиционный контур регулирования включает в себя только датчик вращения.

Рисунок 2. Полузамкнутый контур регулирования

Так как износ винта или температурные расширения не могут быть компенсированы в реальном времени, это называется работой полузамкнутого контура. Ошибки позиционирования оси становятся неизбежными и могут иметь значительное влияние на качество заготовки. Если для измерения используется линейная измерительная система положения оси (см. рисунок. 3), то контур регулирования положения оси включает в себя компенсацию полного комплекса накопленных погрешностей позиционирования оси, именно поэтому данный способ измерения, называется замкнутым контуром.

Рисунок 3. Замкнутый контур регулирования

Точность измерения в основном зависит исключительно от точности датчика измерения линейного перемещения и его места установки. Эта концепция прекрасно работает не только с осями, перемещающимся поступательно, но и наклонно-поворотными осями, где положение может быть измерено через механизм уменьшения скорости, соединенный с датчиком на двигателе или с высокоточным угловым датчиком, расположенным на оси станка. Высокая точность многокоординатной обработки и повторяемость позиционирования достигается за счет использования угловых датчиков для наклонно-поворотных осей. Некоторые станкопроизводители, работающие с полузамкнутым контуром применяют дополнительные меры для избежания нагрева шарико-винтовой передачи и окружающей части станка, например, применяют специальные винты имеющие полые сердечники для циркуляции охлаждающей жидкости. В полузамкнутом контуре температурные расширения влияют на точность позиционирования исполнительных органов станка, через зависимость от температурного расширения винта и таким образом, зависят от температуры охлаждающей жидкости. Повышение температуры всего на 1 K приводит к погрешностям позиционирования до 10 мкм на расстоянии в 1 м. На практике установки системы охлаждения не в состоянии ограничить колебания температуры в диапазоне значения не ниже 1 К. Станки работающие в полузамкнутом контуре, иногда аппроксимируют тепловые расширения шарико-винтовой передачи благодаря использованию математической модели компенсации в системе числового программного управления. Но это довольно не точный метод компенсации, так как станок и вся его рабочая зона в процессе обработки постоянно находятся в динамично изменяющейся среде и подвержены множеству факторов, таких как износ шарико-винтовой пары, скорость подачи, силы резания, используемый диапазон перемещения, и т. д., в таких условиях накопленная погрешность может возрастать до 50 мкм/м. Концы шарико-винтовой пары иногда крепятся в фиксированные опоры подшипников на обоих концах, чтобы повысить жесткость приводной механики. Но даже очень жесткая конструкция подшипников не может предотвратить расширения вызванные локальными нагревами. Они деформируют самые жесткие конфигурации подшипников и могут вызвать даже структурные перекосы в геометрии станка. Механические напряжения также изменяют фрикционное поведение привода, таким образом, что это отрицательно влияет на точность станка. Из-за этих ограничений нельзя сравнивать замкнутый контур, в котором применяются датчики линейных перемещений, и полузамкнутый контур. Следует отметить, что дополнительные меры, применяемые для работы в полузамкнутом контуре, не могут в полном объеме компенсировать последствия изменений, связанных с предварительным натягом подшипника из-за износа или эластичности деформации механики привода оси.