Классификация ЧПУ-станков

1. В зависимости от того, какой вид основных операций обработки имеют ЧПУ-станки, их можно классифицировать на технологические группы: токарные, фрезерные станки, станки сверлильного типа, координатно-расточные станки, сверлильно-фрезерные или фрезерно-расточные, станки сверлильно-фрезерно-расточного типа, шлифовальные, а также многоцелевые или многооперационные станки, зубообрабатывающие, электрообрабатывающие (электроэрозионные и пр.) станки и т.д.

2. Исходя из принципа управления движением, определяемого ЧПУ-системой, выделяют 3 группы станков: имеющих позиционные СЧПУ, контурные СЧПУ и комбинированные СЧПУ.

3. В зависимости от количества применяемого инструмента —  одно- и многоинструментальные. Ко второй группе относят станки, имеющие число инструментов не более 12. Станки, позволяющие обеспечивать очень высокую концентрацию операций, оснащенные более чем 12-ю инструментами и снабженные специальным магазином для расположения инструментов, считаются многоцелевыми. Особенностью таких станков является наличие стола либо делительного устройства с непрерывным согласно программе движением или периодическим движением.

При этом, исходя из принципа смены инструмента, ЧПУ-станки классифицируют по следующим типам:

— с возможностью ручной смены инструмента, имеющие крепеж ручного типа;

— с возможностью ручной сменой инструмента, имеющие механизированный крепеж инструмента;

— с возможностью автоматической смены инструмента, оснащенные револьверной головкой;

— с возможностью автоматической смены инструмента, оснащенные манипулятором из магазина инструментов.

ЧПУ-станки разделяют и по прочим признакам, к примеру, по количеству управляемых координат.

Современным достижением считается комплекс оборудования, называемый модулем ГПС (гибкой производственной системы). К модулю ГПС также могут относить роботизированный технологический комплекс, гибкий производственный модуль, робототехнический комплекс, станочный комплекс и пр. В ГПС в качестве модуля понимается обрабатывающая ячейка, состоящая из ЧПУ-станка, промышленного робота, предназначенного для загрузки/выгрузки деталей, а также устройств накопления и ориентирования заготовок и деталей.

Рис. 1. Классификация станков с ЧПУ

Индексация ЧПУ-станков

В общепринятой системе основное обозначение модели ЧПУ-станка содержит еще и добавочные индексы: Ф1-станки, имеющие цифровую индикацию положения рабочих органов и ручной ввод данных; Ф2- станки, оснащенные позиционным устройством ЧПУ; Ф3 – станки, имеющие контурное устройство ЧПУ; Ф4- станки, оснащенные комбинированным УЧПУ и Т – станки с оперативным устройством ЧПУ.

При этом вводятся индексы, предназначенные для отражения  конструктивных особенностей станков, которые связаны с автоматическим способом смены инструмента: индекс Р — смена инструмента посредством поворота револьверной головки; индекс M — смена инструмента из магазина. Указанные индексы записываются непосредственно перед индексами Ф2, Ф3 и Ф4.

Приведем примеры. Станок 2Р135Ф2 – модель сверлильного станка (2) с позиционным устройством ЧПУ (Ф2), оснащенный револьверной инструментальной головкой (P); модель 1725МФ3 – станок токарного патронно-центрового типа с контурным управлением ЧПУ, оснащенный инструментальным магазином. Индекс МФ4 указывает, что станок многоцелевой: 2623ПМФ4 оснащен устройством ЧПУ комбинированного типа и магазином инструментов.

Определенные модели ЧПУ-станков имеют индексацию в виде буквенных индексов заводов-изготовителей и порядковым  номером. К примеру, модель  ГФ1813-С1 представляет собой станок, произведенный на Горьковском  заводе фрезерных станков. Станки с ЧПУ сохраняют индексацию по точности, принятую для станков универсального типа: нормальная точность относится  к классу Н, повышенная – к классу П, высокая — к классу В, особая  — к классу А, особо высокая (мастер-станки) — к классу С. Запись индекса класса точности (исключая Н) производится в обозначении станка после всех индексов-цифр, к примеру, модель 6Б76ПМФ4 представляет собой многоцелевой станок, имеющий повышенную точность (индекс П). Индексация станка может содержать его основные параметры: максимальный диаметр обрабатываемого и устанавливаемого изделия над станиной (в случае патронных станков); максимальный диаметр обрабатываемого элемента над суппортом (в случае  центровых и патронных станков); максимальный диаметр обрабатываемого прутка (в случае прутковых станков); ширина рабочей поверхности станочного стола,  диаметр встроенного круглого стола; максимальный условный диаметр сверления и пр.

Рис. 2. Обозначение станков с ЧПУ

Типы металлорежущих ЧПУ-станков

Исходя из технологических возможностей ЧПУ-станков, определяются их типы. Токарные ЧПУ-станки служат для обработки наружных или внутренних поверхностей деталей для тел вращения, имеющих прямолинейные и криволинейные контуры, сложные внутренние полости, наружную и внутреннюю резьбу (валы, фланцы, втулки, крышки и пр.).

Токарные станки бывают центровыми, патронными, патронно-центровыми и карусельными. Максимально распространены станки, имеющие горизонтальную ось шпинделя, горизонтальную, вертикальную или наклонную станину, на которой размещен суппорт и каретка. Направляющие продольного передвижения находятся, как правило, на станине, поперечного передвижения — на суппорте. Станки токарного типа оснащаются одной револьверной головкой, двумя на 3-8 позиций, имеющими горизонтальную или вертикальную ось поворота, а также цепными/барабанными магазинами для 8-16 инструментов. В промышленности широко используются станки патронно-центрового типа 16К20Ф3 разнообразных модификаций. Станки карусельного типа служат для обработки крупногабаритных элементов  (1512Ф3 и пр.).

Фрезерные ЧПУ-станки предназначаются для проведения процедур фрезеровки объемного и контурного типа плоскостных и корпусных деталей усложненной конфигурации, а также для целей сверления, растачивания, зенкерования, нарезки резьбы и пр. Исходя из компоновки, фрезерные станки подразделяются на вертикально- и горизонтально-фрезерные. Обе группы станков могут быть бесконсольными и консольными, оснащаться автоматической и ручной сменой инструмента, иметь один или несколько шпинделей, а также число управляемых координат от трех и более. Используются и продольно-фрезерные станки.  Предприятия отдают предпочтение вертикально-фрезерным станкам — моделям 6Р13Ф3, МА655Ф3 и 6520Ф3, а также горизонтально-фрезерным — моделям 6Б444Ф3 и пр. Сверлильные, расточные ЧПУ-станки служат в целях обработки отверстий разными инструментами в деталях плоскостного и корпусного типа. Сверлильные станки зачастую оснащены револьверной головкой. Расточные станки классифицируются на горизонтально-расточные, а также координатно-расточные. Некоторые станки позволяют выполнять фрезерование. Широко распространенными являются вертикально-сверлильные станки — модели 2Р135Ф2, а также горизонтально-расточные станки (модель 2А622Ф2 и пр.).

Многоцелевые станки (или многофункциональные, многооперационные, станки типа «обрабатывающий центр») позволяют обеспечить комплексную обработку усложненных деталей с любой стороны без их перебазирования. Данные типы станков производятся для обработки корпусных, плоскостных элементов, реже – с целью обработки тел вращения; оснащаются инструментальными магазинами. Некоторые виды станков оснащены устройствами автоматической смены заготовок.

Исходя из компоновки, выделяют многоцелевые станки, имеющие горизонтальное расположение шпинделя и оснащенные поворотным столом (модели ИР500ПМФ4 и ИР320ПМФ4), а также станки, имеющие вертикальное расположение шпинделя (модель 243ВМФ2 и пр.).  Многоцелевой прецезионный станок модель ИР200АМФ4 позволяет производить не только традиционные работы, но и шлифование, в т.ч. по контуру. Кроме описанных станков токарного, фрезерного, сверлильного типа и многоцелевых, существуют и другие типы ЧПУ-станков для металлорезки, к примеру, шлифовальные, зубообрабатывающие, предназначенные для электрообработки, однако их применяют гораздо реже.

Рис. 3. Основные типы станков с ЧПУ

Система координат ЧПУ-станков

Координатная ось ЧПУ-станка – это направление, которое совпадает с передвижением рабочего органа.

Единой системой координат для любого ЧПУ-станка принято считать стандартную (правую) систему, при которой X, Y, Z-осями указывается положительное перемещение инструментов относительно статичных частей станка (см. рисунок 4). X’, Y’, Z’-осями указываются положительные направления перемещения заготовки относительно статичных частей станка;  направление противоположно X, Y, Z-осям.

Принято обозначение круговых перемещений инструмента (к примеру, поворот оси шпинделя станка для фрезерования): буквами А  — перемещения вокруг Х-оси, буквами В  — вокруг Y-оси, буквами С — вокруг Z-оси. Обозначение  круговых перемещений заготовки, к примеру, управляемый согласно программы поворот стола расточного станка — буквами А’,В’ и С’. Понятие «круговые перемещения» не включает вращение шпинделя токарного станка,  шпинделя с инструментом.

Направления движения вдоль одной прямой 2-х рабочих органов обозначают с помощью так называемых вторичных осей: U,V и W (параллельны соответственно X,Y и Z); в случае 3-х перемещений в одном направлении — P,Q и R  — третичные оси.

Определение положительных направлений осей координат в данной стандартной системе координат производится согласно правилу правой руки: направление большого пальца — положительное направление Х-оси (абсцисс), указательного – Y-оси (ординат), среднего – Z-оси (аппликат). Определение положительного направления вращения вокруг данных осей выполняется по следующему правилу: большой палец располагается в направлении оси, а остальные согнутые пальцы показывают положительное направление вращения.

Положительным направлением перемещения является то, при котором происходит отступление инструмента и заготовки друг от друга. В таком случае Х-ось всегда лежит горизонтально, а Z-ось является совмещенной с осью вращения инструмента (в станках токарного типа — с осью шпинделя).

Станки разных типов и моделей имеют по-разному размещенные системы координат, однако всегда выдерживаются требования стандарта. Далее на рисунке представлены контуры станков разных типов с указанием расположения и направления осей, координатных систем: а — токарных

Рис 4. Стандартная система координат ЧПУ-станков

Рис. 4а. Контуры станков: а — токарного, б – фрезерного со стационарным столом, сверлильного; в — объемно-фрезерного с горизонтальной осью шпинделя, г — горизонтально-расточного

 Способ и начало отсчета перемещений

В ЧПУ-станках применяются два способа отсчета движения: абсолютный, относительный (в приращениях). В случае применения абсолютного способа отсчета, расположение начала координат фиксируется (остается неподвижным) полностью для всей программы обработки. Точка, принятая за начало отсчета станочной системы координат, называется нулевой точкой станка (нуль станка (М)). Иногда началом координат может быть избрано любое место в диапазоне ходов рабочих органов. В таком случае эта точка называется «плавающим нулем» (W). Т.о., в случае обработки на данном станке детали с применением абсолютного отсчета, все ее координаты необходимо определить относительно (М) – нулевой точки  станка, или относительно (W) – «плавающего нуля».

В системах, имеющих относительный способ отсчета координат,  нулевым всякий раз принимается позиция рабочего органа, которую он занимал перед тем, как начать очередное перемещение. В программе в таком случае записано приращение координат инструмента для последовательного перемещения от точки к точке. Абсолютный способ отсчета является более точным, поскольку в нем нет накопления погрешностей движения.

Рис 5. Система координат станка (ХMY) и детали (X_ДWY_Д)

 Число программируемых движений

Исходя из числа программируемых движений, ЧПУ-станки подразделяются на двухкоординатные (токарные и сверлильные), трехкоординатные (фрезерные, сверлильные и расточные), четырехкоординатные (токарные с двумя суппортами или фрезерные, оснащенные возможностью дополнительного движения инструмента/заготовки), пятикоординатные  (в основном фрезерные), многокоординатные (специализированные станки).

В случае, когда управление по какой-либо координате станка возможно лишь при отсутствии перемещения по любой другой координате, число управляемых координат этого станка условно берут за десятичное дробное число, при этом половина координаты вычитается из полного числа координат. Так,  в случае четырехкоординатного фрезерного станка программируемый поворот заготовки (четвертая координата) может выполняться только при отсутствии перемещения по 3-м основным координатам, и  подобный станок можно охарактеризовать как 3.5-координатный.

Структурная схема ЧПУ-станка

Современные станки содержат ряд кинематических цепей, замененных на электромеханические. Внутренняя связь ЧПУ-станка токарного типа с электромеханическими цепями выполнена в виде 2-х кинематических пар (см. рисунок 7): шпинделя (1) – передней бабки (2), каретки суппорта (3) – станины (4), кинематической цепи (8), электродвигателя (6), каретки  суппорта (3),  электрических цепей, соединяющих шпиндель (1) и управляющее устройство (5), электродвигатель (6) и датчик (7) перемещений каретки суппорта и управляющее устройство (5).

Внешняя связь представляет кинематическую цепь (10) между двигателем (11) и шпинделем (1).

Настройки параметров исполнительного движения Ф (В1, П2):

— траектория – на шаг резьбы —  двигателем (6), качественно (левозаходная или правозаходная) — двигателем (6);

— скорость – посредством коробки передач iv и двигателем (10);

— направление — двигателем (10).

Путь, напряду с исходным положением, отсчитывается системой управления.

Рис. 6. Структурная схема токарного ЧПУ-станка

Особенности обработки на ЧПУ-станках

ЧПУ (числовое программное управление) станком – это управление обработкой детали на станке посредством управляющей программы, в которой все данные хранятся в цифровом виде.

Основной особенностью станков с ЧПУ является то, что программа, содержащая данные о величине, направлении и скорости перемещения рабочих элементов задается в виде определенных символов, записанных на программоносителях. Процедура подготовки программы для ЧПУ-станка отделена от процедуры обработки деталей в пространстве и времени.

Управляющей программой (УП) является совокупность команд, записанных на языке программирования, которая соответствует заданному алгоритму работы станка для осуществления мер по обработке конкретной заготовки. Запись УП производится на программоноситель (перфоленту, магнитные ленту или диск, ЗУ различных типов) и включает кадры, содержащие не менее одной управляющей команды для станка.

Устройство ЧПУ – это устройство, которое выдает управляющее воздействие на органы исполнения станка согласно управляющей программе и информации о состоянии объекта управления.

На ЧПУ-станке для обработки детали новой конфигурации зачастую достаточно установки в УЧПУ новой управляющей программы, содержащей необходимую задающую информацию (ЗИ). Программа считывается посредством устройства ввода программы (УВП), то есть происходит ее преобразование в электросигналы и переход в устройство отработки программ (УОП), и далее посредством устройства управления приводом (УУП) выполняется воздействие на объект регулирования, а именно – станочный привод подач (ПП). Заданное передвижение, к примеру, по X,Y, Z-осям подвижных станочных узлов, которые связаны с приводом подач, контролируется датчиками обратной связи (ДОС). Посредством устройства обратной связи (УОС) происходит поступление информации с датчиков в УОП, где фактическое  перемещение узла подачи сравнивается с заданным программой в целях коррекции произведенных перемещений. Для выполнения дополнительных действий электросигналы поступают с УВП на устройство технологических команд или УТК, воздействующее на элементы исполнения технологических команд (ИЭТК).

Выполняется включение/выключение электродвигателей, электромагнитов, электромагнитных муфт и пр.

Рис. 1. Станок с ЧПУ: а – схема изготовления деталей; б – функциональная схема системы с  ЧПУ-станком

Виды числового программного управления

1. Исходя из технологического признака или характера перемещения исполнительных станочных механизмов (определяется геометрической информацией, находящейся в программе), числовое программное управление подразделяется на позиционное, контурное и комбинированное (см. рисунок 2).

Рис. 2. Виды ЧПУ станками: а, б – позиционное управление, в – контурное управление

Позиционное ЧПУ позволяет перемещать рабочие органы станка в определенные точки, при этом траектории движения не задаются. Такое управление широко используется на сверлильно-расточных станках. При позиционном ЧПУ кроме позиционирования имеет место составление программ для скорости перемещения, что зависит от характера производимых технологических операций, при этом сами перемещения происходят только в направлении, параллельном осям координат и поочередно. Данное управление применяется в токарных, фрезерных, шлифовальных станках, функционирующих по прямоугольному циклу.

В случае контурного ЧПУ движение рабочих органов станков выполняется по определенной траектории и с определенной скоростью в целях получения заданного контура обработки.

Сложные траектории обеспечиваются посредством совместного и взаимосвязанного движения ряда исполнительных органов. Для определения траектории в случае контурного управления применяются алгоритмы круговой, линейной или другой  интерполяции.

Интерполяция представляет  собой автоматическое получение или расчет координат для промежуточных точек траектории движения рабочего станочного органа, исходя из координат крайних точек и функции интерполяции. Выполнение алгоритмов интерполяции обеспечивает  интерполятор – специальное вычислительное устройство, преобразующее записанную на носителе программы или заданную компьютером информацию воздействия управления на электродвигатели приводов подач в целях обеспечения необходимой траектории и скорости перемещения рабочего органа, оснащенного  инструментом, вдоль необходимого контура.

Контурное управление используется на станках фрезерного и токарного типа, ведущих обработку деталей, отличающихся криволинейными поверхностями и сложной конфигурацией.

ЧПУ комбинированное или универсальное является совокупностью позиционного и контурного управления. Управление такого типа существенно расширяет технологические возможности оборудования. Комбинированное  ЧПУ станками используют на многоцелевых фрезерно-расточных станках.

2. Исходя из информационного признака или по количеству потоков информации для управления станком, ЧП управление подразделяется на замкнутое и разомкнутое.

В случае разомкнутого управления существует только один информационный поток, который направляется от УП на РО — рабочий орган. Станки, имеющие такое управление, оснащены ШД М.

В случае замкнутого управления существует два информационных потока: один идет от УП, другой — от ДОС (датчиков обратной связи).

Конструктивно наиболее сложными являются замкнутые системы управления, однако они и функционируют точнее последних, поскольку в них фактическая отработка передвижений сравнивается с заданной,  а также выполняется коррекция УЧПУ по информации датчиков обратной связи. Как правило, все модернизированные ЧПУ-станки оснащены именно таким управлением.

В системах управления замкнутого типа выделяются адаптивные или самонастраивающие системы. Такие системы содержат дополнительные информационные потоки, способные корректировать процедуру обработки в зависимости от реальных условий (колебания припуска, затупление инструмента и пр.).

Рис. 2а. Виды ЧПУ станками: а – разомкнутая, б – замкнутая

 Комплекс «ЧПУ-станок»

Структура комплекса «ЧПУ-станок» в общем случае представляется в виде 3-х блоков, выполняющих свою определенную задачу: управляющей программы (УП), ЧПУ-устройства (УЧПУ) и собственно станка.

УП состоит из укрупненного кодированного описания геометрического и технологического создания деталей на всех стадиях. В ЧПУ-устройствах управляющая информация транслируется в соответствии с УП,  а затем применяется в ходе вычислительного цикла. В результате формируются оперативные команды в настоящем масштабе машинного времени.

Станок – это основной потребитель управляющей информации, а также исполнительная часть, объект управления, и конструктивно – несущая  конструкция, на которой установлены механизмы, имеющие автоматическое управление, приспособленные к восприятию оперативных команд ЧПУ-устройства: приспособления координатных подач, привод главного передвижения с возможностью регулировки, механизмы смены инструментов, зажимные устройства заготовки и пр.

Функции, выполняемые ЧПУ-системой (CЧПУ) в ходе управления оборудованием, приведены на рисунке, где СПО – это системное программное обеспечение, а ПР — промышленный робот.

CЧПУ представляет собой совокупность связанных функционально программных и технических средств, которые являются обеспечением ЧПУ станком.

Ввод УП может выполняться в СЧПУ с пульта управления, перфоленты, посредством каналов связи ЭВМ высшего уровня. Системы ЧПУ высших классов оснащаются управляющей программой, как правило, сразу и полностью, она записывается в оперативной памяти системы. Но в некоторых СЧПУ применяется и метод покадрового ввода программы управления – через поэтапное (покадровое) чтение перфоленты посредством фотосчитывающего устройства системы управления.

В некоторых системах введенную УП после процедуры отладки и редактирования с применением УЧПУ можно вывести на внешние устройства: на перфоратор, графопостроитель, дисплей, на печатающее автоматическое устройство и пр.

Рис. 3. Функциональная схема управления станком с ЧПУ

Так как РНК имеют более высокую стоимость по сравнению с другими типами направляющими, описанными в предыдущих статьях, сегодня они используются, как правило, в оборудовании высокого технического уровня. Так, сегмент металлорежущих станков применяет РНК преимущественно для обрабатывающих центров. Для них сформулированы количественные показатели технических требований.

Направляющие должны иметь возможность воспринимать на себя нагрузки, не нарушая при этом работоспособности в процессе определенного суммарного пути хода каретки, который можно пересчитать в ресурс работоспособности по времени. Имеется определенный признак нарушения работоспособности — это возникновение питтинга или усталостного нарушения на телах качения (рельсовых дорожках) каретки.

В ходе эксплуатации станка происходит действие сил и моментов на направляющие, и в общем случае это:

— силы вертикальные и горизонтальные, направленные перпендикулярно перемещению каретки (действие сил происходит вдоль направления движения каретки на привод перемещения узла или зажимные устройства);

— моменты, оказывающее воздействие вокруг трех координатных осей.

Приведем на рисунке 1 схему действия нагрузок.

Рис. 1. Схема действующих на направляющие нагрузок:  1 — радиальная; 2 — обратная радиальная; 3 — тангенциальная; 4 – МY-момент; 5 – МZ-момент; 6 – МX-момент

Параметры направляющих, характеризующие их способность к восприятию  нагрузок, — это такие базовые силовые нагрузки, как статическая (С_o) и динамическая (С), допустимый статический момент M_o, а также статический запас прочности f_s.

С_o (базовая статическая нагрузка) представляет собой нагрузку константной величины и направления, в результате воздействия которой показатель суммарных остаточных деформаций тела качения и поверхностей дорожки в зоне контакта, где напряжение максимально, равен 0,0001 от диаметра тела качения (определение «базовые» приведено в соответствие с терминологией ГОСТ 18855 на подобные нагрузки подшипников качения). Итак, величина С_o является  максимально возможной статической  нагрузкой.

С (базовая динамическая нагрузка) представляет собой нагрузку константной величины и направления, при воздействии которой с 90%-ной вероятностью  работоспособность шариковых направляющих сохраняется после не менее чем 50км-го пробега, а направляющих роликового типа — не менее 100км-го. М_o (допустимый статический момент) является моментом постоянной величины и направления. Здесь суммарное значение поверхностей дорожек и деформаций тел качения в зонах контакта, где имеет место максимальное  напряжение (на телах качения эти зоны – концы каретки), равно 0,0001 диаметра тел качения.

Показатели С, С_o и М_o для определенного типоразмера направляющих, а также исходя из направления действия нагрузки, приведены в фирменных каталогах. Так как в ходе эксплуатации направляющих происходит воздействие аналогичных по величине и направлению нагрузок, и могут возникать толчки, вибрации, удары, фирмами по производству РНК рекомендовано ограничивать максимальные действующие нагрузки Р и моменты М в сравнении с их базовыми величинами С_o и М_o.

Величину ограничения можно охарактеризовать статическим запасом прочности f_s, выраженным в формуле (1):

Рекомендованная величина f_s в обоих случаях зависит от эксплуатационных условий и также приводится в каталогах продукции. К примеру, для шариковых направляющих ТHK и SВC f_s лежит в диапазоне 1-5. Величина f_c, называемая фактором контакта, находится в зависимости от количества  кареток, расположенных на одном рельсе и имеющих подвижный узел. В случае одной каретки f_c=1, а при нескольких каретках показатель  f_c будет меньше единицы. К примеру, для шариковых направляющих от ТНK и SВC, когда количество кареток составляет 2-5, значение величины f_c находится в диапазоне 0,81-0,61 соответственно.

Если известны действующая нагрузка Р, а также величина С определенного типоразмера РНК, в таком случае безотносительно к ряду определенных факторов, указанных ниже, можно вычислить номинальную долговечность направляющей L_н, которая измеряется величиной пути перемещения каретки до возникновения питтинга (2).

Конкретные факторы, оказывающие влияние на реальную долговечность, — это твердость рельсовых дорожек (фактор f_н), фактор контакта (f_с) и нагрузочный фактор (f_w), формируемый с учетом характера действующих сил (отсутствуют или нет удары, вибрации, рывки) и скоростных условий функционирования направляющих (скорость и ускорение перемещения каретки). Фирменные каталоги содержат сведения о величинах данных факторов. К примеру, для шариковых направляющих от ТНК и SВC при твердости НRC=60 показатель f_н=1, а в случае, когда НRC=50,  величина f_н=0,52 (диапазон величин f_с был приведен ранее).

Фактор f_w имеет значение, лежащее в диапазоне 1-1,5 (функционирование без вибраций, ударов при скоростях перемещения каретки,  меньших чем 15 м/мин,  и ускорениях, не превышающих 5 м/с²) до 2-3,5 (при условии наличия вибраций  и ударов, скоростях более 60 м/мин и ускорениях в диапазоне 10-20 м/с²). Так как работа станков ведется, как правило, при температуре менее 100⁰С, рабочие температурные условия не оказывают влияния на долговечность направляющих.

Таким образом, показатель реальной долговечности L_н можно определить по формулам (3):

Способ защиты РНК от загрязнений, а также качество смазки оказывают влияние на реальную долговечность. Применяя рекомендуемые компанией-изготовителем (зависит от типа РНК и эксплуатационных условий) способы защиты направляющих, смазочные материалы и методы смазки, нет необходимости выполнять расчет дополнительных факторов, оказывающих влияние на долговечность. В случае эксплуатации РНК как компонентов станков, нагрузка Р постоянно меняется по величине и направлению, поэтому, выполняя расчет реальной долговечности, необходимо применять  показатель Р_э — эквивалентную динамическую нагрузку, вычисляемую согласно методам, приводимым в каталогах фирм-производителей. Для определения L_h — долговечности РНК в часах эксплуатации – применяется формула (4):

где коэффициент Ls – это усредненная длина перемещения каретки (м), L—долговечность (км),n₁ -усредненное число двойных ходов (мин-1)

РНК представляет собой промежуточный элемент между статичной частью, к которой крепится рельс, и подвижной, обычно устанавливаемой на каретке станка. Станочный узел в таком случае опирается на 2 или более РНК. При этом важнейшей функцией РНК является обеспечение с определенной точностью прямолинейности и постоянного углового положения подвижной станочной части (узла станка).

Прямолинейность передвижения станочного узла отвечает за геометрическую точность (прямолинейность осей отверстий, плоскостность и пр.) детали обработки. Постоянное угловое положение обеспечивает точность взаиморасположения обрабатываемых поверхностей (к примеру, параллельность осей отверстий), точность позиционирования всего рабочего объема станка (регулярно «уплывает» из-за проявления принципа Аббе).

Для того, чтобы обеспечить требуемые характеристики, определяющие в результате класс станка, точностью должны обладать обе (или более) РНК, должна быть точная обработка поверхности станка, которая предназначена для монтажа РНК, и с высокой точностью должен быть  произведен монтаж РНК (их взаиморасположение). Точность самих РНК характеризуется такими параметрами (см. рисунок  2), как:

— допуск на высоту Н, разность ΔН высот в комплекте кареток, установленных на одном рельсе

— допуск на размер W2, разность ΔW размера в комплекте кареток, установленных на одном рельсе

— допуск ΔС на параллельность А-плоскости рельса траектории движения поверхности С каретки по всей длине ее хода

— допуск ΔD на параллельность плоскости В рельса траектории движения поверхности D каретки по всей длине ее хода

Рис. 2. Поверхности, определяющие параметры точности РНК

Величины допусков зависят от класса точности РНК и описываются в каталогах компаний-производителей для каждого из типоразмеров направляющих.

Контроль за параллельностью перемещений С и D поверхностей выполняется согласно схеме, изображенной на рисунке 3. Контроль прямолинейности вертикального и горизонтального движения каретки может выполняться или стрелочным измерительным прибором с применением эталонной линейки, расположенной параллельно рельсу, или с применением автоколлиматора. Применение автоколлиматора позволяет измерять постоянство углового расположения каретки в вертикальной и горизонтальной плоскостях при ее движении по рельсу. Компании-производители РНК не рекомендуют выполнять проверку прямолинейности движения каретки и постоянства углового положения каретки на автономной РНК и не регламентируют посредством допусков погрешности таких передвижений, так как точность передвижения подвижного станочного узла определяется с помощью минимум двух РНК и зависит от точности установки.

Рис. 3. Схемное изображение контроля параллельности базовым рельсовым поверхностям траектории перемещений каретки

Для нормального функционирования РНК монтажные поверхности на статичной и подвижной частях станка необходимо обрабатывать с особой  точностью. Каталоги фирм-производителей РНК обычно содержат  допустимые погрешности поверхностей монтажа по разновысотности – по отклонению данных поверхностей от нормали в рамках одной плоскости — для 2-х рельсов и 4-х кареток (или более). Имеется также информация о  допустимых отклонениях рельсов по параллельности, дается подробное описание различных возможных методов обеспечения точного взаиморасположения рельсов и кареток в ходе их установки. Допустимые погрешности монтажа определяются типоразмерами РНК, расстоянием  между рельсами и величиной преднатяга в направляющей.

Шариковые РНК, имеющие круговую форму  сечения дорожек качения, обладают характерной особенностью – это существенная компенсационная способность, дающая возможность уменьшить действие погрешностей производства направляющих и их установки на плавность и точность хода подвижной станочной части. Благодаря этому существенно повышается точность передвижения подвижной части станка с применением РНК при прочих равных условиях, если сравнивать с направляющими скольжения.

Станку необходима высокая жесткость для обеспечения устойчивости процессов (к примеру, резания) и для высокой точности обработки. Определяется жесткость станка в существенной мере жесткостью подвижных стыков в станочных узлах, в состав которых включаются направляющие линейных перемещений узлов. В системе РНК жесткость определяется габаритами, формой конструкций, величиной преднатяга между кареткой и рельсом.

Необходимые величины жесткости РНК определяют типы станка, его размеры, условия эксплуатации, точность и прочие параметры. Они являются существенным критериев при определении типоразмера и варианта РНК. На жесткость конкретной направляющей влияет величина предварительного натяга, обеспечиваемого при производстве направляющей. Значения могут быть различными.  При возрастании преднатяга возрастает жесткость системы (направляющая/каретка) сначала довольно интенсивно, затем замедляется, что проиллюстрировано на примере (см. рисунок 4). Здесь  на оси ординат отмечена упругая деформация, т. е. при предварительном натяге, к примеру, 14 мкм, показатель жесткости  будет равен 2450 Н/2,5 мкм, т.е. ф1000 Н/мкм.

Рис. 4. График зависимости упругой деформации δ от преднатяга: 1 — преднатяг; 2 — упругая деформация

Задачей минимального натяга является обеспечение отсутствия зазора по длине каретки при воздействии расчетной внешней нагрузки, в т. ч. и  знакопеременной. Лимитация максимального натяга выполняется прочностью поверхностных слоев. На нее влияет наличие действующих нагрузок (ударов, вибраций); ограничивается повышением эквивалентной нагрузки и уменьшением срока эксплуатации направляющих.

В зависимости от того, какую форму имеет поперечное сечение и как расположены дорожки качения РНК, величина жесткости и базовых силовых нагрузок в разных направлениях приложения могут  быть или одинаковыми, или лежать в значительных пределах. Основная масса шариковых РНК оборудована двумя основными типами расположения дорожек качения (см. рисунок 5). Согласно рисунку 5б, расположение дорожек обеспечивает почти одинаковые жесткости и базовые силовые нагрузки, что касается и обратного радиального, и тангенциального направлений (см. рисунок 1), и немного различающиеся с радиальным направлением. При дорожках, расположенных согласно рисунку 5а, разница данных величин очень большая, что показывают данные таблицы 1.

Рис. 5. Дорожки качения на рельсе: основные типы расположения

Таблица 1. Характеристики базовой нагрузки в разных направлениях 

Помимо того, что преднатяг оказывает влияние на жесткость, он также  позволяет обеспечивать отсутствие угловой переориентации подвижной станочной части в случае реверса направления ее передвижения или в случае реверса направления воздействия сил резания, что нужно в целях обеспечения максимальной точности как контурной, так и объемной обработки деталей.

Отметим, что благодаря близости радиуса кривизны дорожек качения к радиусу шариков, контактная поверхность шариковых РНК в случае приложения нагрузки более контактной поверхности у РН роликового типа. Таким образом, жесткость и нагрузочная способность шариковых РНК (в типах с повышенной жесткостью, к примеру, SNR и SNS) не ниже, а зачастую и выше роликовых РНК. Отмечается также безотказность при работе шариковых РНК в сравнении с роликовыми из-за возможности возникновения у них перекоса роликов.

Величина предварительного натяга определенных серий и типоразмеров РНК указана к каталогах компаний-изготовителей или в абсолютной форме (микрометры), или в форме указания силы предварительного натяга (как правило, доли от показателя С — базовой динамической нагрузки). Величина жесткости указывается в форме зависимостей упругой деформации каретки и рельса от нагрузки в разных направлениях ее приложения (сбоку, вниз, вверх).

Задача РНК — обеспечивать возможность максимально высоких скоростей передвижения станочных узлов с высокими ускорениями вместе с возможностью осуществления безскачковых субмикронных передвижений.

Современные высокоскоростные обрабатывающие центры имеют скорость быстрых перемещений узлов порядка 40-60 м/мин и даже более; ускорения составляют 8-10 м/с2 и более. При этом такие скорости и ускорения выполняют требования точности позиционирования узлов до нескольких микрометров при дискретности передвижений в 1 микрометр и менее (до 0,1 микрометра). Соответствовать совокупности таких требований в случае высоких силовых нагрузок на подвижные узлы могут лишь модернизированные направляющие качения. Так как РНК и служат для применения на подобных станках, описанные требования можно полностью отнести к данному типу направляющих.

Направляющие качения имеют малые потери на трение. К примеру, по данным производителя ТНК и SВС, все основные серии шариковых РНК имеют коэффициент трения μ в диапазоне 0,002-0,003, не зависящий от скорости движения каретки. Поэтому перемещения каретки выполняются с небольшими усилиями F согласно формуле (5):

F = μР + q    (5)

Здесь μ — это коэффициент трения, Р — нагрузка на каретку, а показатель q — это сопротивление защитных устройств (уплотнений, скребков, прокладок), зависящее от их конструктивных особенностей; определяется производителем в определенных каталогах направляющих.

Так как каретка сопряжена с рельсом без зазоров, у данных направляющих при возрастании скорости передвижения не происходит характерного для основной массы направляющих скольжения всплывания у подвижного станочного узла. А значит, направляющие практически не ограничивают скорости и ускорения перемещения подвижных узлов. К примеру, у станка Genius 500 от GrossНulleer скорость быстрых передвижений узлов составляет 180 м/мин; у станка Vision от Chiron ускорения достигают и 30 м/с². Все же существуют ограничения по скорости, но не из-за характеристик самих элементов качения, а из-за наличия вспомогательных элементов РНК. К примеру, параметры скорости передвижения для направляющих RexrothStar ограничиваются 5 м/с (300 м/мин), а ускорения — 250 м/с² (запредельная для металлорежущих станков), и только ввиду опасности резкого увеличения износа вспомогательных элементов, изготовленных из синтетических материалов, а также поломки смазочной системы.

Основной причиной появления скачкообразности передвижения для стандартных (относящихся к смешанному трению) направляющих скольжения считается падающая характеристика сил трения в случае малых скоростей перемещения и трогании с места. Направляющие качения имеют характеристику трения, практически не зависящую от скорости; при применении РНК нет скачков в результате трогания узла с места, а также при невысоких скоростях передвижения;  возможны передвижения с субмикронной дискретностью, что отмечают компании-производители подобных направляющих.

Благодаря применению РНК на основной массе новых моделей отечественных и зарубежных обрабатывающих центров, показатель дискретности перемещений составляет 0,1 микрометр и менее.

Возможность высокопроизводительного резания

Возможности высокопроизводительного резания не должны ограничиваться направляющими качения РНК, даже если имеют невысокую демпфирующую способность.

Существенный недостаток РНК (если сравнивать с направляющими скольжения) —  это их относительно небольшая демпфирующая способность, что является следствием небольшого рассеивания энергии качения роликов (шариков) вследствие невысоких потерь на трение. Мера демпфирования – это логарифмический декремент затухания колебаний, описываемый формулой (6):

Здесь А1 и А2 — это А 2-х колебаний, которые следуют друг за другом в одну сторону.

Определение величины δ, порождаемой направляющими в динамической станочной системе в ходе резания, довольно проблематично. В этой связи ни один известный нам источник не приводит величины δ ни для одного из типов направляющих. Известно, что с увеличением жесткости направляющих качения возрастает и их демпфирующая способность, и современная практика применения РНК в обрабатывающих центрах говорит, что при преднатяге 0,08-0,1 С, где С — это базовая динамическая нагрузка, и при использовании рекомендуемых производителями уплотнений и смазок, подобные направляющие дают возможность эффективно выполнять процедуру резания с применением главного привода аналогичной мощности, что и в станках такого же размера и технологического назначения, оснащенных направляющими скольжения (станки с шириной стола 800-1200 мм имеют мощность около 30-40 кВт).

Защита персонала

Действующим законодательством по охране труда предъявляются серьезные требования, направленные на защиту обслуживающего персонала от негативных для здоровья факторов и на создание комфортных рабочих условий. Выполняется жесткая лимитация допустимых величин шумов при эксплуатации станков. Так как одним из компонентов суммарного станочного шума является шум от функционирования направляющих, особенно в приведенных в статье высоких скоростях передвижения узлов, изготовители РНК предпринимают существенные меры, направленные на  снижение шума от перемещения тел качения в случае высоких скоростей перемещения. Основные источники шума при функционировании РНК – это  металлический звук от касания друг с другом тел качения, а  также с кареткой во время перехода из возвратного канала. К примеру, если скорость  движения каретки составляет 120 м/мин, направляющая типоразмера HSR 45_LR от ТНК имеет уровень шума более  70 дБ, что значительно повышает общий показатель уровня шума работы станка.

В целях снижения шума при работе направляющих их конструкция снабжается, к примеру, гибким сепаратором, устройство которого представлено на рисунке 6. Сепаратор не позволяет контактировать шарикам, что не только способно существенно снизить шум, но и предотвратить трение между шариками. Происходит улучшение условий смазки и снижение  выделения тепла, а также уменьшается износ тел качения. Снижение трения между шариками к тому же дает возможность повысить показатель С — базовую динамическую нагрузку (у определенных типоразмеров шариковых направляющих и до 40%).

 Рис. 6. Схема РНК, оснащенных  гибким сепаратором

В целях дополнительного снижения уровня шума, поверхности каналов возврата зачастую покрывают специальным полимерным материалом, способным заглушать звук, возникающий в результате контакта шариков и каретки. В итоге такие конструктивные изменения, к примеру, у направляющих ТНК, имеющих типоразмер SNS 45_LR (сопоставимый с HSR 45_LR) позволили снизить уровень шума на скорости 120 м/мин с 72 до 62 дБ.

 Обеспечение безотказного функционирования

В рыночных условиях и условиях конкуренции постоянно возрастают требования к безотказности функционирования и сохранению первоначальной точности станков, что выражается, в частном случае, в повышении многими производителями гарантийного эксплуатационного  срока станков от года до трех и даже пяти лет. Безотказную работу шариковых РНК в период гарантийной эксплуатации обеспечивают с помощью средств их защиты от засоров и механических повреждений, а длительность сохранения начальной точности — качеством производства и предохранением от износа.

Качество своей продукции производители подтверждают сертификатами отдельных серий, определяющими соответствие точности, износоустойчивости, малошумности и пр.; декларируются в каталогах продукции, ТУ, прочей документации, или в целом производства — ISO:9001 и пр.

Защитой от механических повреждений являются для РНК, как правило,  в основном те же средства, что и для направляющих скольжения: козырьки, телескопические щитки и ленты. Средства защиты производятся  в широком ассортименте специализированными компаниями. Защитой от загрязнений служат такие средства, как уплотнения, скребки, гофрированные меха и пр., разрабатываемые применительно к отдельно взятому типоразмеру РНК. Имеется несколько их исполнений, в зависимости от условий эксплуатации направляющих; поставки осуществляются по выбору заказчика. Каталоги РНК всех производителей содержат информацию о номенклатуре средств защиты от загрязнений, здесь  же представлены рекомендации по их монтажу и сферам применения. Средства защиты для любого из типов направляющих качения (и РНК) являются очень важным фактором, влияющим на безотказность работы.

От износа направляющие предохраняются не только посредством  защиты от загрязнения, но и с помощью износостойких покрытий, физико-химической обработкой компонентов РНК, выбором материалов, принятием комплексных мер, направленных на обеспечение  смазки и охлаждения, таких, как выбор смазки, конструкция и расположение смазочных устройств, состав смазочных материалов, объем и временный режим смазки. Методы и средства предохранения от износа, а также рекомендации подробно приводятся в каталогах и прочей технической документации по РНК.

При условии соблюдения всех требований производителя будет обеспечена безотказная работа и длительная сохранность первоначальной точности направляющих согласно расчетным срокам эксплуатации.