32
Компания «Oerlikon» играет важную роль в общемировом
производстве. Заказчиками «Oerlikon» являются «Европейское космическое
агентство», «Bosch», «Caterpillar», «CMC Magnetics», «Ferrari», «Kraft
Foods», «Reliance», «Sony». «Oerlikon» делает обтекатели ракет «Ariane» и
«Atlas», детали двигателей болидов «Формулы-1» и корпуса европейских
спутников.
2.2. Основные характеристики станка «Эрликон-KB3»
Технологии, которыми располагает фирма «Oerlikon», вызывают
уважение. Так, например, 90% всех компактных диском на планете делается
на оборудовании, произведенном в компании «Oerlikon». Компания
располагает технологиями изготовления не только промышленного
оборудования, но и вычислительной техники на различных физических
принципах работы (как аналоговых, так и дискретных).
Таким образом для производства станков с числовым программным
управлением у компании нет необходимости пользоваться услугами
сторонних фирм. «Oerlikon» уже больше полувека располагает полной
технологической базой для производства подобных высокотехнологичных
и наукоемких агрегатов.
Рассматриваемый в настоящей работе координатный сверлильно-
расточной станок с числовым программным управлением (далее - «станок»)
1968 года выпуска был практически полностью создан компанией
«Oerlikon», о чем свидетельствует фирменная маркировка практически на
всех электрических и механических комплектующих станка. При этом
вычислительная машина станка построена еще на релейной базе (первое
поколения ЭВМ), без применения полупроводниковых элементов (внешний
вид станка представлен в Приложении А, рисунки А.1, А.2).
33
Конструкционно станок представляет собой две закрепленные на
станине вертикальные направляющие разного диаметра (120 мм и 280 мм),
являющиеся – координатной осью «Z» станка. По вертикальным
направляющим вверх и вниз перемещается массивная горизонтальная балка
(ось «Z»), на которой расположен шпиндельный узел. Перемещаясь по
горизонтальной балке вправо и влево, шпиндельный узел представляет
собой координатную ось «Х» станка (рисунок 22).
Рисунок 22 – Оси «X» и «Z» станка «Oerlikon-KB3»
Станина станка, на которой закреплены вертикальные направляющие
оси «Z», также имеет две горизонтальные направляющие расположенные
между вертикальными направляющими оси «Z», по которым перемещается
координатный стол, являющийся осью «Y» станка.
Шпиндельный узел представляет собой коробку передач,
предназначенную для задания скорости и направления вращения шпинделя.
Коробка передач имеет механизм автоматического перемещения патрона
шпинделя параллельно оси «Z», что дает станку дополнительную ось «A».
Ось «A» дублирует ось «Z» станка, но имеет автоматический механический
привод от коробки передач, который позволяет перемещать патрон
шпинделя синхронно с его вращением, тем самым обеспечивая нужный
Направляющая
оси «Z» (толстая)
Направляющая
оси «Z» (тонкая)
Ось «Х»
(шпиндельный узел)
Ось «Z»
34
режим сверления или расточки детали. Важной особенностью работы оси
«А» заключается в том, что это единственная ось станка, которая имеет
ручной механический привод, состоящий из рукояток грубого и точного
перемещения шпинделя вверх или вниз (рисунок 23).
Рисунок 23 – Ось «А» станка с рукоятками точного (справа) и грубого
(сверху) ручного привода
Коробка передач шпиндельного узла позволяет автоматически
поднимать сверло, когда оно опустилось на заданную глубину. Глубина
опускания сверла задается оператором станка с помощью лимба до начала
сверления. Шпиндель имеет механизм центробежного сцепления, который
позволяет выполнять плавную раскрутку шпинделя независимо от
настроенной (с помощью коробки передач) рабочей скорости вращения.
Закрепление инструмента в патроне шпинделя осуществляется с
помощью конуса «Морзе» №6 [30]. Для упрощения извлечения инструмента
из конуса, в шпиндель встроен механизм автоматического выброса
инструмента.
Перемещение осей «X» и «Y» в нужную координату может быть
осуществлено с помощью пульта управления оператора или с помощью
управляющей программы. Управление перемещением оси «Z» выполняется
только с пульта оператора. Ось «А», как было сказано выше, управляется с
Рукоятка точного
ручного привода с
лимбом
Рукоятка грубого
ручного привода
Ось «А»
35
помощью коробки передач шпиндельного узла или с помощью рукояток
ручного грубого и точного привода. Таким образом станок не может
полностью в автоматическом, программном режиме выполнять сверление.
Числовая система управления станком может только переместить шпиндель
в нужную координату «Х» и «Y», после чего оператор должен выполнить
сверление (расточку) пользуясь рукоятками управления на коробке передач
или рукоятками перемещения шпинделя по оси «А».
Перед осуществлением процесса сверления или расточки отверстий
оператор станка должен выполнить фиксацию осей. Для этого станок
снабжен фиксирующими механизмами. Ось «X» (шпиндельный узел) и «Z»
(горизонтальная балка) имеют электромеханическую систему фиксации на
основе мощных трехфазных электромагнитов переменного тока [9], а ось
«Y» (координатный стол) фиксируется подпружиненными
гидравлическими цилиндрами [33]. Система фиксации работает по
обратному принципу, т.е. оси станка изначально зафиксированы при
помощи мощных пружин, но во время перемещения осей в нужную
координату, электромагниты и гидроцилиндры освобождают оси
преодолевая силу действия пружин (рисунок 24).
Рисунок 24 - Редуктор привода оси «Z» с электромагнитом фиксации оси
Электромагнит
фиксации оси «Z»
Электропривод
оси «Z»
36
Конструкторское решение сделать фиксацию координатного стола с
помощью гидравлической системы выглядит очень странно. Так как
гидравлическая система других функций не имеет, она была сделана только
для того, чтобы реализовать механизм гидравлической фиксации оси «Y».
Однако, устройство гидравлической системы станка очень сложное, оно
включает в себя множество медных трубок, соединенных тройниками,
расширительный бачок, гидравлическую помпу с приводом от
асинхронного трехфазного двигателя, электромагнитный автоматический
предохранительный клапан (защищающий от критически высокого для
системы давления масла), электромагнитный автоматический выключатель
(предохраняющий от перегрева масла), электромагнитный клапан
управления.
Вся эта сложная система нужна для выполнения функции, без которой
станок все равно сможет нормально функционировать, так как вес
координатного стола составляет более 500 килограмм и сдвинуть его с места
без специального приспособления практически невозможно. Кроме того,
стол имеет винтовой привод, не позволяющий столу перемещаться от
внешнего воздействия.
Таким же сомнительным конструкторским решением является привод
оси «Х» на основе зубчатой реечной передачи. Как известно, реечные
передачи имеют значительный люфт и редко используются на точных
станках [40]. Подобный привод вызывает проблемы при ручном и
программном позиционировании оси «Х», так как после остановки
приводной шестерни реечной передачи, ось продолжает движение по
инерции, выбирая люфт между зубьями шестерни и рейки, который может
составлять несколько десятых миллиметра, что является неприемлемым для
точного сверлильно-расточного станка, которым является «Эрликон-KB3».
Ось «Z», являющаяся массивной чугунной балкой, на которой
расположилась коробка передач шпиндельного узла, имеет винтовой
37
привод на основе двух винтов, расположенных рядом с вертикальными
направляющими оси.
В качестве электрических приводов для осей «X» и «Y» используются
коллекторные электрические двигатели постоянного тока, с питанием от
400 вольт [43]. Ось «Z» перемещается асинхронным трехфазным двигателем
переменного тока мощностью 5 киловатт [3]. Оси «X» и «Y» снабжены
двумя электромагнитными муфтами сцепления, предназначенными для
выбора рабочей или ускоренной скорости перемещения оси. Муфты
питаются постоянным током с напряжением 24 вольта. Кроме выбора
скоростного режима перемещения оси, муфты являются защитным
механизмом, предотвращающим выход станка из строя. Если ось уперлась
в мертвую точку, а концевой включатель не сработал, то происходит
проворот муфты сцепления.
Раскрутка шпинделя осуществляется асинхронным трехфазным
двигателем переменного тока мощностью 5 Киловатт. Последний,
четвертый, трехфазный асинхронный двигатель в составе
электрооборудования станка используется для привода помпы смазочно-
охлаждающей жидкости (СОЖ). Без системы подачи охлаждающей
жидкости не обходится не один металлорежущий станок.
Интересно реализована система смазки. Имеющаяся в конструкции
станка масленая гидравлическая система никак не участвует в процессе
смазки трущихся частей. Иметь в конструкции гидравлическую систему и
не использовать ее для смазки механизмов станка по современным
станкостроительным меркам, является достаточно спорным
конструкторским решением, но в данном станке это именно так.
Гидравлическая система используется только в механизме фиксации оси
«Y» и больше нигде. Смазка деталей коробки передач станка
(шпиндельного узла) осуществляется масленой помпой, которая имеет
привод от вращающегося шпинделя. Поэтому коробка передач имеет свой
38
собственный масленый бачок.
Редукторы приводов осей «X» и «Y» имеют герметичные корпуса,
которые заполняются маслом, поэтому они не нуждающиеся в системе
смазки. Смазка ходового вина оси «Z» осуществляется вручную с помощью
шприца чtрез специальные смазочные отверстия.
Важнейшей из систем любого станка является ручная система
позиционирования осей. В рассматриваемом станке она реализована на
основе оптических линеек, закреплённые на осях «X» и «Y». Линейки
выполнены из прозрачного материала и имеют риски (штрихи), нанесенные
через одну десятую миллиметра. Для визуального наблюдения рисок
оператором станка на напротив линеек установлены микроскопы, а сами
линейки подсвечиваются с противоположной стороны. Визир микроскопа
имеет нониус, теоретически позволяющий позиционировать оси с
точностью до одной тысячной миллиметра.
На практике пользоваться системой ручного позиционирования осей
одному человеку не представляется возможным, так как пульт ручного
управления находится на некотором расстоянии от станка, а для
использования микроскопа оператор должен находится в непосредственной
близости к нему. Кроме того, даже когда двигатели осей работают на
минимальной скорости, остановить ось с точностью до одной тысячной
миллиметра невозможно. Если оператору случайно удастся это сделать, то
во время срабатывания зажимного механизма, ось все равно сдвигается на
несколько десятых миллиметра. Таким образом точное позиционирование
шпинделя возможно только при работе станка в автоматическом,
программном режиме, без использования механизмов стопорения осей
(рисунок 25).
Ось «Z» не имеет никаких приспособлений для точного
позиционирования и ее перемещение возможно только «на глаз». Это
неудобство компенсируется лимбом, которым снабжена ось «А»,
39
перемещающаяся параллельно оси «Z». Лимб дает возможность
позиционировать ось с точностью до одной сотой миллиметра.
Рисунок 25 – Микроскоп и оптическая линейка оси «Х»
Двигатели осей «X» и «Y» снабжены резольверами [45],
позволяющими числовой системе управления, получать дополнительную
информацию о скорости и направлении вращения вала электродвигателя.
Однако точное позиционирование осей станка числовая система управления
выполняла, ориентируясь на данные, приходящие с оптических линеек.
Таким образом оптические линейки выполняют две функции, являясь
инструментом для ручного позиционирования осей оператором и
автоматического позиционирования числовой системой управления.
Станок имеет возможность перемещать ось «Х» на 600 мм, ось «Y» на
1000 мм, ось «Z» на 700 мм, ось «А» на 300 мм. Габариты координатного
стола станка составляют 700мм в ширину и 800 в длину. Однако между
вертикальными стойками оси «Z» расстояние составляет 1200 мм, что дает
возможность закреплять на столе заготовки аналогичного размера по
ширине. Ограничений на длину закрепляемой на столе детали нет (рисунок
26).
Микроскоп
Линейка
40
Рисунок 26 – Координатный стол (ось «Y») с закрепленной заготовкой
2.3. Система числового программного управления «Эрликон-KB3»
Собственная система числового программного управления станком
«Эрликон-KB3» (далее – система ЧПУ), представляет собой металлический
шкаф с примерно такими габаритами: высота - 2 метра, длина – 4 метра,
ширина – 0,5 метра (рисунок 27).
Рисунок 27 - Станок «Эрликон-KB3» (справа) и его система ЧПУ (слева)
41
Шкаф системы ЧПУ имеет четыре отделения, каждое из который
выполняет строго определенный функционал. Шкаф соединяется со
станком двумя шинами проводов, помещенных в металлические
гофрированные рукава, диаметром 70 мм. Одна шина отвечает за подачу
питания для электрических агрегатов станка, другая используется для
передачи между ЭВМ и станком управляющих слаботочных сигналов.
Также шкаф системы ЧПУ соединен шиной с пультом ручного управления
станком (рисунок 28).
Рисунок 28 – Пульт ручного управления станком (слева), главный
электрический щит станка (справа)
Каждый провод, идущий от станка и от пульта управления к системе
ЧПУ, имеет собственный номер. Нумерация проводов заканчивается на 836-
ом проводе!
Первое слева отделение шкафа предназначено для формирования
постоянного тока высокого напряжения - 400 вольт, 12 ампер. Это
напряжение предназначалось для питания коллекторных двигателей
постоянного тока [43], использующихся для привода осей «Y» и «Х» станка.
Особенностью конструкции системы привода осей станка является то, что
редуктор, электрические муфты сцепления [4] и двигатель собраны в одном
корпусе как единый блок, собственных корпусов электродвигатели не
имеют, корпус двигателя является частью корпуса редуктора (рисунок 29).