UKŁADY NAPĘDOWE 1

1.1.1. Parametry ruchów podstawowych

.

Najważniejszymi parametrami ruchów podstawowych są:

1.1. Parametry procesu roboczego obrabiarki

1000

n

d

V









•

prędkość liniowa ruchu głównego zwana prędkością skrawania V
wyrażona w [m/min] lub przy szlifowaniu w [m/s],

•

prędkość ruchu posuwowego p

t

wyrażana w [mm/min] lub [m/min].

Pomiędzy prędkością skrawania V [m/min], średnicą d [mm]
przedmiotu obrabianego lub narzędzia i prędkością obrotową n
[obr/min] charakteryzującą ruch główny obrotowy zachodzi związek
określony zależnością (1.1), której obraz graficzny przedstawia rys. 1.

[m/min]

(1.1)

Rys. 1. Wykres V = f (d, n) we współrzędnych logarytmicznych: ciąg

prędkości obrotowych, średnic i prędkości skrawania o ilorazie φ = 1,41

11 16 22 32 45 63 90 125 180 250 355 500 710 1000

2000

1400

1000

710

500

355

250

180

125

90

63

45

1000

1400

2000

2800

4000

5600
00

8000
00

11200

16000

22000

710

500

355

250

180

125

90

63

45

Średnica d [mm]

Prędkość

skrawania

V [m/min]

Prędkość obrotowa wrzeciona n [1/min]

 posuw na obrót p

o

[mm/obr], wyrażający drogę ruchu posuwowego

przebytą w czasie jednego obrotu przedmiotu (przy toczeniu) lub
narzędzia (przy wierceniu),
 posuw na skok p

skok

[mm/skok] wyrażający drogę ruchu posuwowego

przypadającą na jeden lub dwa skoki elementu roboczego wykonującego
okresowo ruch główny prostoliniowy (np. przy struganiu i szlifowaniu),
 posuw na ostrze p

Z

[mm/ostrze],

określający przemieszczenie

względne narzędzia i przedmiotu obrabianego, odpowiadające obróceniu
narzędzia wieloostrzowego (freza, piły) o kąt podziałki międzyostrzowej,
 posuw minutowy p

t

[mm/min], określający prędkość ruchu

posuwowego.

Z podanych definicji wynika związek:

[mm/min] (1.2)

Parametrami charakteryzującymi ruch posuwowy, zależnie od sposobu
obróbki, mogą być:

n

z

p

n

p

p

z

o

t











•

Siły, momenty i moc skrawania.

W procesie skrawania narzędzie działa na przedmiot obrabiany z

siłą, której towarzyszy równa lecz przeciwnie zwrócona siła obciążająca
narzędzie. Siłę tę, zwaną wypadkową siłą skrawania, rozkłada się na trzy
wzajemnie prostopadłe składowe (rys. 1): główną albo styczną P

z

,

odporową P

y

,

posuwową (boczną) P

x

.

Rys. 1. Siły obciążające narzędzie podczas skrawania: a) toczenie wzdłużne,

b) frezowanie frezem o zębach prostych - pokazano dodatkowo rozkład

wypadkowej siły skrawania P na dwie składowe: posuwową P

p

i normalną do

obrobionej powierzchni P

n,

c) wiercenie - siły obwodowe działające na ostrze

wiertła zastąpiono momentem M

Znając główną siłę skrawania P

Z

[N] i szybkość skrawania V [m/s],

można wyznaczyć moc skrawania:

[kW]

(1.3)

1000

V

P

N

z

e





(1.4)

]

kW

[

9850

n

M

10

3

n

M

]

W

[

M

N

4

e





















1.2. Technologiczna charakterystyka obciążenia

napędu głównego obrabiarki

Rys. 2. Technologiczna charakterystyka obciążenia obrabiarki

ogólnego przeznaczenia o ruchu głównym obrotowym

N [log]

M [log]

M=const

N=const

n

min

n` n

max

n

wr

[log]

4

n

min

R

n

'

n





min

max

n

n

n

R 

Rys. 3. Technologiczna charakterystyka obciążenia napędu

głównego tokarki o średnicy nominalnej toczenia 140 [mm]

0

1

0

2

0

3

0

4

0

5

0

6

0

7

0

50

10

0

15

0

20

0

Toczenie wzdłużne zgrubne

Toczenie wzdłużne wykończeniowe

Toczenie rowków

Toczenie gwintów

Wiercenie

56

56

31

18

10

5,6

3,15

1,8

31,5

56

31

18

10

5,6

3,15

1,8

0

18

31

18

10

5,6

3,15

1,8

0

10

31

18

10

5,6

3,15

5,6

31

18

10

5,6

3,15

3,2

31

18

10

5,6

1,8

31

18

0,6

10

5,6

18

31

315

31

18

5600

31

18

100000

31

18

591 977

Prędkość obrotowa n [1/min]

Moc N [KW]

aluminium

stal i żeliwo

n´

Nominalna

średnica

toczenia

Moc

efektywna

N

max

Prędkość

obrotowa

wrzeciona

n

min

Prędkość

obrotowa

wrzeciona

n

max

Prędkość

obrotowa

obliczeniowa

n’

Prędkość

obliczona

wg wzoru

(1,4) n

obl

’

mm

kW

obr/min

obr/min

obr/min

obr/min

63

8,2

560

12 000

2180

1200

140

31,7

300

9100

980

700

200

31,7

175

6400

530

430

315

31,7

110

4000

430

270

400

31,7

90

3200

340

220

Tab. 1. Istotne punkty technologicznej charakterystyki obciążenia napędów

głównych tokarek

Rys. 4. Technologiczna charakterystyka obciążenia napędu głównego

frezarki z gniazdem wrzeciona HSK 50

1
0

5 0

1 5 0

2 0 0

F r e z o w a n i e s t a l i 4 5

F r e z o w a n i e ż e l i w a

F r e z o w a n i e a l u m i n i u m

W i e r c e n i e s t a l i 4 5

W i e r c e n i e ż e l i w a

W i e r c e n i e a l u m i n i u m

5 6

5 6

3 1

1 8

1 0

5 , 6

3 , 1 5

1 , 8

3 1 , 5

3 1

1 8

1 0

5 , 6

3 , 1 5

1 , 8

0

1 8

3 1

1 8

1 0

5 , 6

3 , 1
5

1 0

3 1

1 8

1 0

5 , 6

3 , 1 5

5 , 6

3 1

1 8

1 0

5 , 6

3 , 1 5

3 , 2

1 8

1 0

5 , 6

3 , 1 5

1 , 8

3 1

1 8

1 8

3 1

1 8

1 0 0 0 0 0

3 1

1 8

3 1 5 5 0 9 6 9 2

P r ę d k o ś ć o b r o t o w a n [ o b r / m i n ]

M o c N [ K W ]

n ´

s t a l w ę g l o w a 4 5

ż e l i w o i a l u m i n i u m

5 6 0 0

Tab. 2. Istotne punkty technologicznej charakterystyki obciążenia napędów

głównych frezarek

Gniazdo

wrzeciona

Moc

efektywna

N

max

Prędkość

obrotowa

wrzeciona

n

min

Prędkość

obrotowa

wrzeciona

n

max

Prędkość

obrotowa

obliczeniowa

n’

Prędkość

obliczona

wg wzoru

(1,4) n

obl

’

kW

obr/min

obr/min

obr/min

obr/min

HSK 40,

8,8

920

8 000

2270

1680

HSK 50

37,4

160

4100

690

360

1.3. Klasyfikacja i charakterystyka napędów

głównych

Nowoczesne napędy główne obrabiarek powinny

cechować się:

dużą sztywnością charakterystyki mechanicznej, czyli małym
spadkiem

prędkości obrotowej wału silnika przy wzroście

momentu obciążenia,
dużym zakresem bezstopniowej zmiany (nastawiania) prędkości
obrotowej silnika do n = 20.000 - 40.000 obr/min,
takim przebiegiem dopuszczalnego obciążenia w funkcji prędkości
obrotowej,

który dostosowany jest do technologicznej

charakterystyki obciążenia

obrabiarki,

szybkim rozruchem, zwłaszcza przy wysokich prędkościach
obrotowych, w celu

krótkiego “dochodzenia” do zadanej

prędkości - w celu skrócenia

czasów pomocniczych,

zdolnością do pracy serwonapędowej i możliwością pozycjonowania
przy

hamowaniu.

Rys. 5. Klasyfikacja

napędów wykonawczych w

obrabiarkach i

urządzeniach

technologicznych

NAPĘDY GŁÓWNE OBRABIAREK

stopniowa

skrzynka

prędkości

przekładnia

zwielokrotniająca

komutatorowy

silnik prądu stałego

silnik asynchroniczny

regulator prędkości

tyrystorowy

zasilacz prądu stałego

regulator prędkości

układ prostowniczy

falownik

prądu przemiennego

prądu stałego

elektromechaniczne

elektryczne

hydrauliczne

silnik

asynchroniczny

elektrowrzeciono

element wykonawczy

(wrzeciono)

element wykonawczy

(wrzeciono)

przekładnia

pasowa

zasilacz hydrauliczny

elektrozawory

siłownik

liniowy

silnik

obrotowy

element wykonawczy

(wrzeciono)

mechaniczna

przekładnia

bezstopniowa

silnik

synchroniczny

element wykonawczy

(wrzeciono)

przekładnia

zwielokrotniająca

Rys. 6. Stopniowy (18-stopni) napęd główny: a) schemat kinematyczny, b)

wykres przełożeń: I – sprzęgła nawrotnicy, a, b – koła wymienne

Rys. 7. Schemat kinematyczny elektromechanicznego bezstopniowego

napędu głównego

Rys. 8. Struktura napędu głównego z silnikiem prądu stałego i 2 stopniową

przekładnią rozszerzającą zakres prędkości wrzeciona: a) schemat

kinematyczny, b) wykres prędkości

Rys. 9. Struktura napędu głównego z silnikiem prądu przemiennego

Silnik

WR

Wrzeciennik

n

0min

- n

0max

Przekładnia

pasowa

D

2

D

1

Układ zaciskający
zapewniający bardzo
wysoką nośność przez
zastosowanie
hydromechanicznej
blokady zacisku

Jednostka obrotowa
posiadająca niekiedy
wewnętrzny przepływ
czynnika chłodzącego

Chłodzenie wału
wrzeciona i silnika

Łożyska wrzeciona

Styk powierzchni
narzędzia

Interfejs narzędzia,
np. HSK

Uzwojenia stojana silnika
elektrowrzeciona

Rys. 10. Budowa elektrowrzeciona napędu głównego obrabiarki

1.4. Klasyfikacja i charakterystyka napędów ruchu

posuwowego

Wymagania szczegółowe stawiane napędom ruchu posuwowego w

nowoczesnych obrabiarkach można przedstawić następująco:



szeroki zakres bezstopniowej zmiany prędkości silnika, umożliwiający
realizację zarówno posuwu roboczego w zakresie p

t

= 0 - 4 m/min, jak

i szybkiego przesuwu do ok. 20 - 40 m/min,



szybki rozruch i hamowanie, czyli duże przyspieszenie i opóźnienie
ruchu, które uwarunkowane jest dużym momentem rozwijanym przez
silnik w stanach przejściowych i małymi momentami bezwładności
napędzanych elementów,



duża sztywność mechanicznych elementów przenoszących napęd od
silnika do zespołu przesuwnego obrabiarki i duża odporność na
pojawianie

się

zjawiska

“stick-slip”,

czyli

ciernych

drgań

relaksacyjnych,



małe opory ruchu uwarunkowane niewielkimi siłami tarcia w
połączeniach prowadnicowych i przekładniach, co jest istotne
szczególnie ze względu na zjawisko “stick-slip” i oszczędność energii
przy ruchach przesuwnych,



wysoka równomierność ruchu (małe wahania prędkości), zwłaszcza dla
niskich prędkości posuwu,



duża dokładność pozycjonowania, czyli mały elementarny krok
umożliwiający zrealizowanie elementarnego przemieszczenia rzędu
2m.

Rys. 5. Klasyfikacja napędów

ruchu posuwowego w

obrabiarkach

układ prostowniczy

NAPĘDY POZYCJ ONUJ ĄCE OBRABIAREK I MASZYN TECHNOLOGICZNYCH

silnik prądu stałego

komu- bezkomu-

tatorowy tatorowy

obrotowy

silnik skokowy

silnik asynchroniczny

silnik synchroniczny

regulator

zasilacz prądu stałego

tyrystorowy tranzysto-

rowy

regulator

układ prostowniczy

falownik

skokowe

prądu przemiennego

prądu stałego

elektryczne

impulsowy

zasilacz

elektroniczny

regulator

serwozawór

zasilacz hydrauliczny

elektrohydrauliczne

siłownik

liniowy

silnik

obrotowy

liniowy

obrotowy

liniowy

obrotowy

liniowy

obrotowy

liniowy

obrotowy

Rys. 7. Napęd posuwu z

przekładnią śrubowo-

toczną z obracającą się

śrubą: a – silnik

bezpośrednio napędza

śrubę, b - silnik napędza

śrubę przez przekładnię

pasową zębatą

V

Zespół

przesuwny

Silnik

Przekładnia

śrubowo- toczna

Przekładnia

paskowo-zębata

Silnik

Przekładnia

śrubowo-toczna

V

i

n

s

Zesół

przesuwny

a)

b)

1

2

Rys. 8. Napęd posuwu z przekładnią śrubowo-toczną z obracającą się śrubą

(widok)

Rys. 9. Napęd posuwu z przekładnią śrubowo-toczną z obracającą się śrubą

(widok)

Wady i zalety napędu mechanizmem śrubowo - tocznym z obracającą się

śrubą :

Zalety

•

odsunięcie źródła ciepła
jakim jest silnik od
struktury obrabiarki,

•

możliwość
optymalizowania
konstrukcji przez
stosowanie silników o
dużej prędkości obrotowej
współpracujących z
mechaniczną przekładnią,

•

możliwość wariantowania
konstrukcji przy
stosunkowo niewielkich
kosztach

Wady

•

ograniczona trwałość
spowodowana
zużywaniem się
elementów napędu,

•

nieliniowość w
elementach
mechanicznych,

•

nagrzewanie się śruby i
związane z tym
odkształcenia cieplne.

Rys. 10. Napęd posuwu z przekładnią śrubowo-toczną z nieruchomą śrubą i

nakrętką napędzaną paskiem zębatym

n

s

Przekładnia

paskowo-zębata

Silnik

Przekładnia śrubowo-

toczna

Zespół

przesuwny

i

V

Rys. 11. Napęd posuwu z przekładnią śrubowo-toczną z nieruchomą śrubą i

nakrętką napędzaną paskiem zębatym (widok)

Rys. 12. Moduł posuwowy z elektronakrętką: a – widok, b -

przekrój

Śruba

Elektronakrętka

a)

b)

Rys. 13. Moduł posuwowy z elektronakrętką

Wady i zalety napędu posuwu mechanizmem śrubowo - tocznym z

nieobracającą się śrubą

Zalety

•

brak łożysk – śruba
nieruchoma,

•

duża sztywność –
zamocowanie śruby na
jej obu końcach i
wstępne jej napięcie

•

prędkości liniowe do
120 m/min,

•

przyśpieszenia do 20
m/s

2

,

Wady

•

ograniczenie
geometryczne wynikające
ze średnicy śruby tocznej,
średnica śruby musi być
od 2 do 3 razy mniejsza od
średnicy nakrętki.

Napęd zębatkowy

Zębatkowy napęd jest stosowany w obrabiarkach, w których jest duży

zakres przesuwu (powyżej 3 m), a jednocześnie potrzebna duża

dokładność i powtarzalność pozycjonowania.

Rys. Zębatkowy napęd posuwu: 1 – zespół

przesuwny, 3 - dwa silniki momentowe, 6 –

zębatka segmentowa

Wirnik

Stojan

Rys. 7.8. Wymagania kinematyczne stawiane nowoczesnym

napędom ruchu głównego i posuwowego wynikające z

kryteriów technologicznych dotyczące: a) prędkości,

b) przyśpieszeń w ruchu posuwowym

a
)

b
)

Zalety i wady zastosowania napędów liniowych

Zalety

•

bardzo wysoka
powtarzalność i
dokładność
pozycjonowania,

•

wysoka niezawodność
(brak części zużywających
się),

•

możliwość uzyskania
wysokich prędkości ruchu
posuwowego i
przesuwowego.

Wady

•często zbyt duża objętość i
duża masa własna
(niekorzystny stosunek masy
do siły napędowej),

•źródło ciepła znajduje się
wewnątrz maszyny,

•konieczność zastosowania
obcego chłodzenia,

•wrażliwość na zmienne
obciążenia,

•utrudnienia w zastosowaniu
w osiach pionowych,

•wysoki koszt.

Tab. 7.1. Maksymalne parametry serwonapędów posuwu

Rodzaj napędu

Max przyśpieszenie

a

m/s

2

Max prędkość

przesuwu

(posuwu)

V

m/min

Współczynnik

wzmocnienia

prędkościowego

K

V

1/s

Sztywność

osiowa

k

S

N/m

Silnik obrotowy

napędzana

śruba toczna

<10

więcej tylko dla dużych

skoków śruby

ok. 60

20 -100

<100

Elektronakrętka

śruba toczna

nieobrotowa

<15

więcej tylko dla dużych

skoków śruby

120

>100

>100

Bezpośredni

napęd liniowy

25-40

z chłodzeniem

powietrzem

50-140

z chłodzeniem cieczą

> 90

200 - 500

_