Повышение точности вращения круговых приводов подач станков с волновыми редукторами

В связи с развитием в последнее десятилетие тенденции создания технологического оборудования новых поколений блочно-модульной конструкции, в том числе, прецизионного оборудования на основе интеллектуальных мехатронных узлов и распределенных систем управления, стала актуальной задача создания прецизионных механических узлов вращательного перемещений для станкостроения, робототехники и других отраслей машиностроительного комплекса.

Требования к системам приводов в станках в последние время значительно возросли. /22/, /52/ Станки становятся все точнее и динамичнее, отсюда возрастают требования и к приводам. Те производители, которые хотят иметь успех на рынке, должны выполнить ряд требований, которые формулирует потребитель исходя из типа своего производства. Традиционные критерии оценки станков при этом — экономичность, точность, мощность, надежность. Они характеризуют станок как отдельную автономную единицу. Дополнительно, в настоящее время рассматриваются критерии, которые характеризуют станок как часть гибкой производственной системы. Это — гибкость и возможность интеграции в ГПС. Экологический критерий все чаще имеет также не последнее значение. Производители станков требуют при этом компактные быстромонтируемые механизмы, при этом эти механизмы в довольно короткое время должны быть разработаны и представлены на рынок. Качество станка определяется, в основном, двумя противоречивыми принципами: точностью и производительностью. Точность, являясь основной комплексной оценкой качества прецизионных станков, зависит от множества критериев работоспособности, а именно: от жесткости и виброустойчивости станка, точности позиционирования, теплостойкости. Для обеспечения производительности при требуемой точности нужно повышать мощность приводных систем при сохранении точности передаваемого движения. Мощность привода Р определяют крутящий момент М и частота вращения п:

Р = 2/от А/ Формула 1.

Для электродвигателей повышение мощности при повышении номинального крутящего момента означает увеличение массы и габаритных размеров привода.

Повышение мощности путем увеличения частоты вращения выходного вала намного выгоднее. Чтобы достичь высокой относительной мощности (Р/m) имеет смысл в приводах применять мотор — редукторы.

500 100.

§ зоо п ?

100 0.

10 60 110 160 210 260 310 360 410 460 510 660 010 660 710 760 810 660 910 Э60 1010.

Номинальный крутящий момент/ [Нм].

Рис. 1: Сравнительная диаграмма.

Для приводов подач необходимы, как правило, низкие частоты вращения. Это справедливо также для приводов, которые преобразуют вращательное движение в поступательное, например, через передачу винт-гайка. Особенно высокое передаточное число необходимо там, где движение передается с зубчатого колеса на зубчатую рейку или непосредственно для вращательного движения подачи, например стола фрезерного станка.

Недостатком электромеханических систем привода, с быстроходными двигателями и высокопередаточным элементом является податливость привода, которая имеет кроме того нелинейный характер. На основе высокого ветвления передаваемой мощности на параллельные элементы зацепления при низкой нагрузке возникает более низкая жесткость, чем при высокой. Обусловленные изготовлением погрешности в приводе в комбинации с нелинейной кривой крутильной жесткости привода дают в итоге типичные нелинейные отклонения передачи вращения, которые противостоят необходимой высокой точности. Такие колебания можно скомпенсировать повысив демпфирования привода при помощи системы управления, применив датчики обратной связи, однако все это.

-¦-АМКСт&Н -•—Harmonic Drive Antriebslechnik GmbH Siemens AG.

Двигатель Мотор-редуктор угаовая читана ¦ крутящий монет = мтцн (х:ТЬ = угаоеая частота ¦ голяшкиаит привода j C, D4n=M щ = Р = М ф = С,-Й)Ч),'П 04 — м м -(D1 |}'.

— ведет к применению дорогостоящих систем ЧПУ, что в свою очередь ведет к удорожанию станка.

Заключение

.

Ввиду сложности изготовления волнового редуктора важной частью общей задачи является изучение влияния определенных погрешностей и сборки на динамическую точность. В результате имитационного моделирования и практических исследований было установлено следующее:

1. Превалирующее влияние («80%) на величину динамических погрешностей передаточного отношения оказывает несовпадение осей вращающихся деталей волнового редуктора, хотя нарушения работоспособности такая погрешность не вызывает.

2. В узлах, на основе волновых редукторов, где требуется высокая точность движения (круговой привод подач) необходимо точно рассчитывать собственные частоты редуктора для оценки устойчивости системы и работать в линейной области диаграммы крутильной жесткости.

3. Нелинейность крутильной жесткости зависит от величины бокового зазора в зубчатой передаче, которая определяется неточностями изготовления зубчатых колес и характером зацепления.

4. Как показали теоретические и экспериментальные исследования уменьшить влияние зазоров можно, применив предварительное нагружение редуктора, т. е. выбрать боковые зазоры по всей области зацепления.

5. При невозможности применения предложенных выше методов снижения влияния нелинейностей, необходимо ужесточить требования к производственным допускам на составляющие элементы привода, значения которых позволяет получить имитационное моделирование на основе разработанной математической модели кругового привода подач.

6. Применение имитационного моделирования позволяет назначать предельные значения физических и геометрических параметров волнового редуктора в зависимости от режима его работы для обеспечения требуемой точности передаточного отношения волнового редуктора, входящего в состав кругового привода подач.

7. Теоретические исследования были подтверждены экспериментами на специальном испытательном стенде в лаборатории института техники управления станками и производственными приспособлениями университета г. Штуттгарта.

2. Предложенная математическая модель кругового привода подач на основе волнового редуктора позволяет при проектировании назначать важнейшие параметры элементов привода (производственные допуска, геометрические параметры элементов) для обеспечения требуемой точности вращения.

Подводя итоги, можно сказать, что проделанная работа позволяет открыть новые возможности применения волновых редукторов в современном станкостроении, а также при предварительных расчетах систем приводов.