«الزامات و اقدامات بهینه‌سازی برای مکانیزم انتقال تغذیه ماشین‌های ابزار CNC»
در تولید مدرن، ماشین‌های ابزار CNC به دلیل مزایایی مانند دقت بالا، راندمان بالا و درجه بالای اتوماسیون، به تجهیزات پردازش کلیدی تبدیل شده‌اند. سیستم انتقال تغذیه ماشین‌های ابزار CNC معمولاً با یک سیستم تغذیه سروو کار می‌کند که نقش حیاتی ایفا می‌کند. طبق پیام‌های دستورالعمل ارسالی از سیستم CNC، این سیستم حرکت اجزای محرک را تقویت و سپس کنترل می‌کند. این سیستم نه تنها باید سرعت حرکت تغذیه را به طور دقیق کنترل کند، بلکه باید موقعیت و مسیر حرکت ابزار نسبت به قطعه کار را نیز به طور دقیق کنترل کند.
یک سیستم تغذیه کنترل‌شده حلقه بسته معمولی برای یک ماشین ابزار CNC عمدتاً از چندین بخش مانند مقایسه موقعیت، اجزای تقویت، واحدهای محرک، مکانیسم‌های انتقال تغذیه مکانیکی و عناصر بازخورد تشخیص تشکیل شده است. در میان آنها، مکانیسم انتقال تغذیه مکانیکی، کل زنجیره انتقال مکانیکی است که حرکت چرخشی موتور سروو را به حرکت تغذیه خطی میز کار و نگهدارنده ابزار تبدیل می‌کند، از جمله دستگاه‌های کاهنده، جفت‌های پیچ و مهره سربی، اجزای راهنما و قطعات نگهدارنده آنها. به عنوان یک حلقه مهم در سیستم سروو، مکانیسم تغذیه ماشین ابزارهای CNC نه تنها باید از دقت موقعیت‌یابی بالایی برخوردار باشد، بلکه باید از ویژگی‌های پاسخ دینامیکی خوبی نیز برخوردار باشد. پاسخ سیستم به سیگنال‌های دستورالعمل ردیابی باید سریع و پایداری آن خوب باشد.
برای اطمینان از دقت انتقال، پایداری سیستم و ویژگی‌های پاسخ دینامیکی سیستم تغذیه مراکز ماشینکاری عمودی، مجموعه‌ای از الزامات سختگیرانه برای مکانیسم تغذیه مطرح شده است:
I. الزام به عدم وجود فاصله
شکاف انتقال نیرو منجر به خطای معکوس ناحیه مرده شده و بر دقت پردازش تأثیر می‌گذارد. برای از بین بردن شکاف انتقال نیرو تا حد امکان، می‌توان از روش‌هایی مانند استفاده از شفت رابط با حذف شکاف و جفت‌های انتقال نیرو با اقدامات حذف شکاف استفاده کرد. به عنوان مثال، در جفت پیچ و مهره سربی، می‌توان از روش پیش بارگذاری دو مهره برای از بین بردن شکاف با تنظیم موقعیت نسبی بین دو مهره استفاده کرد. در عین حال، برای قطعاتی مانند گیربکس‌های دنده‌ای، می‌توان از روش‌هایی مانند تنظیم شیم‌ها یا عناصر الاستیک نیز برای از بین بردن شکاف استفاده کرد تا از دقت انتقال نیرو اطمینان حاصل شود.
شکاف انتقال نیرو منجر به خطای معکوس ناحیه مرده شده و بر دقت پردازش تأثیر می‌گذارد. برای از بین بردن شکاف انتقال نیرو تا حد امکان، می‌توان از روش‌هایی مانند استفاده از شفت رابط با حذف شکاف و جفت‌های انتقال نیرو با اقدامات حذف شکاف استفاده کرد. به عنوان مثال، در جفت پیچ و مهره سربی، می‌توان از روش پیش بارگذاری دو مهره برای از بین بردن شکاف با تنظیم موقعیت نسبی بین دو مهره استفاده کرد. در عین حال، برای قطعاتی مانند گیربکس‌های دنده‌ای، می‌توان از روش‌هایی مانند تنظیم شیم‌ها یا عناصر الاستیک نیز برای از بین بردن شکاف استفاده کرد تا از دقت انتقال نیرو اطمینان حاصل شود.
دوم. الزام به اصطکاک کم
اتخاذ یک روش انتقال کم اصطکاک می‌تواند اتلاف انرژی را کاهش دهد، راندمان انتقال را بهبود بخشد و همچنین به بهبود سرعت پاسخ و دقت سیستم کمک کند. روش‌های رایج انتقال کم اصطکاک شامل راهنماهای هیدرواستاتیک، راهنماهای غلتشی و پیچ‌های ساچمه‌ای است.
اتخاذ یک روش انتقال کم اصطکاک می‌تواند اتلاف انرژی را کاهش دهد، راندمان انتقال را بهبود بخشد و همچنین به بهبود سرعت پاسخ و دقت سیستم کمک کند. روش‌های رایج انتقال کم اصطکاک شامل راهنماهای هیدرواستاتیک، راهنماهای غلتشی و پیچ‌های ساچمه‌ای است.
راهنماهای هیدرواستاتیک لایه‌ای از فیلم روغن تحت فشار را بین سطوح راهنما تشکیل می‌دهند تا لغزش بدون تماس با اصطکاک بسیار کم حاصل شود. راهنماهای غلتشی از غلتیدن عناصر غلتشی روی ریل‌های راهنما برای جایگزینی لغزش استفاده می‌کنند و اصطکاک را تا حد زیادی کاهش می‌دهند. پیچ‌های ساچمه‌ای اجزای مهمی هستند که حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می‌کنند. ساچمه‌ای‌ها بین پیچ سربی و مهره با ضریب اصطکاک کم و راندمان انتقال بالا می‌غلتند. این اجزای انتقال کم اصطکاک می‌توانند به طور موثری مقاومت مکانیسم تغذیه را در حین حرکت کاهش داده و عملکرد سیستم را بهبود بخشند.
III. الزام به اینرسی کم
برای بهبود وضوح ابزار ماشین و شتاب‌دهی هرچه بیشتر میز کار برای دستیابی به هدف ردیابی دستورالعمل‌ها، گشتاور اینرسی تبدیل شده به شفت محرک توسط سیستم باید تا حد امکان کوچک باشد. این الزام را می‌توان با انتخاب نسبت انتقال بهینه محقق کرد. انتخاب منطقی نسبت انتقال می‌تواند گشتاور اینرسی سیستم را کاهش دهد و در عین حال الزامات سرعت حرکت و شتاب میز کار را برآورده کند. به عنوان مثال، هنگام طراحی یک دستگاه کاهنده سرعت، با توجه به نیازهای واقعی، می‌توان نسبت دنده یا نسبت قرقره تسمه مناسبی را انتخاب کرد تا سرعت خروجی سروو موتور با سرعت حرکت میز کار مطابقت داشته باشد و همزمان گشتاور اینرسی کاهش یابد.
برای بهبود وضوح ابزار ماشین و شتاب‌دهی هرچه بیشتر میز کار برای دستیابی به هدف ردیابی دستورالعمل‌ها، گشتاور اینرسی تبدیل شده به شفت محرک توسط سیستم باید تا حد امکان کوچک باشد. این الزام را می‌توان با انتخاب نسبت انتقال بهینه محقق کرد. انتخاب منطقی نسبت انتقال می‌تواند گشتاور اینرسی سیستم را کاهش دهد و در عین حال الزامات سرعت حرکت و شتاب میز کار را برآورده کند. به عنوان مثال، هنگام طراحی یک دستگاه کاهنده سرعت، با توجه به نیازهای واقعی، می‌توان نسبت دنده یا نسبت قرقره تسمه مناسبی را انتخاب کرد تا سرعت خروجی سروو موتور با سرعت حرکت میز کار مطابقت داشته باشد و همزمان گشتاور اینرسی کاهش یابد.
علاوه بر این، می‌توان از یک مفهوم طراحی سبک وزن نیز استفاده کرد و موادی با وزن سبک‌تر را برای ساخت اجزای انتقال قدرت انتخاب کرد. به عنوان مثال، استفاده از مواد سبک وزن مانند آلیاژ آلومینیوم برای ساخت جفت‌های پیچ و مهره و اجزای راهنما می‌تواند اینرسی کلی سیستم را کاهش دهد.
IV. الزام به سختی بالا
یک سیستم انتقال قدرت با سختی بالا می‌تواند مقاومت در برابر تداخل خارجی را در طول فرآیند پردازش تضمین کرده و دقت پردازش پایدار را حفظ کند. برای بهبود سختی سیستم انتقال قدرت، می‌توان اقدامات زیر را انجام داد:
کوتاه کردن زنجیره انتقال قدرت: کاهش پیوندهای انتقال قدرت می‌تواند تغییر شکل الاستیک سیستم را کاهش داده و سفتی را بهبود بخشد. به عنوان مثال، استفاده از روش هدایت مستقیم پیچ لید توسط موتور، پیوندهای انتقال قدرت میانی را حفظ می‌کند، خطاهای انتقال قدرت و تغییر شکل الاستیک را کاهش می‌دهد و سفتی سیستم را بهبود می‌بخشد.
بهبود سختی سیستم انتقال قدرت با پیش بارگذاری: برای ریل‌های غلتشی و جفت‌های پیچ ساچمه‌ای، می‌توان از یک روش پیش بارگذاری برای ایجاد پیش بارگذاری مشخص بین عناصر غلتشی و ریل‌های راهنما یا پیچ‌های لید استفاده کرد تا استحکام سیستم بهبود یابد. تکیه‌گاه پیچ لید به گونه‌ای طراحی شده است که در هر دو انتها ثابت باشد و می‌تواند دارای ساختار پیش کشیده باشد. با اعمال پیش کشش مشخص به پیچ لید، می‌توان نیروی محوری در حین کار را خنثی کرد و سختی پیچ لید را بهبود بخشید.
یک سیستم انتقال قدرت با سختی بالا می‌تواند مقاومت در برابر تداخل خارجی را در طول فرآیند پردازش تضمین کرده و دقت پردازش پایدار را حفظ کند. برای بهبود سختی سیستم انتقال قدرت، می‌توان اقدامات زیر را انجام داد:
کوتاه کردن زنجیره انتقال قدرت: کاهش پیوندهای انتقال قدرت می‌تواند تغییر شکل الاستیک سیستم را کاهش داده و سفتی را بهبود بخشد. به عنوان مثال، استفاده از روش هدایت مستقیم پیچ لید توسط موتور، پیوندهای انتقال قدرت میانی را حفظ می‌کند، خطاهای انتقال قدرت و تغییر شکل الاستیک را کاهش می‌دهد و سفتی سیستم را بهبود می‌بخشد.
بهبود سختی سیستم انتقال قدرت با پیش بارگذاری: برای ریل‌های غلتشی و جفت‌های پیچ ساچمه‌ای، می‌توان از یک روش پیش بارگذاری برای ایجاد پیش بارگذاری مشخص بین عناصر غلتشی و ریل‌های راهنما یا پیچ‌های لید استفاده کرد تا استحکام سیستم بهبود یابد. تکیه‌گاه پیچ لید به گونه‌ای طراحی شده است که در هر دو انتها ثابت باشد و می‌تواند دارای ساختار پیش کشیده باشد. با اعمال پیش کشش مشخص به پیچ لید، می‌توان نیروی محوری در حین کار را خنثی کرد و سختی پیچ لید را بهبود بخشید.
V. الزام به فرکانس رزونانس بالا
فرکانس رزونانس بالا به این معنی است که سیستم می‌تواند در صورت مواجهه با تداخل خارجی به سرعت به حالت پایدار بازگردد و مقاومت خوبی در برابر ارتعاش داشته باشد. برای بهبود فرکانس رزونانس سیستم، می‌توان جنبه‌های زیر را آغاز کرد:
طراحی ساختاری اجزای انتقال قدرت را بهینه کنید: شکل و اندازه اجزای انتقال قدرت مانند پیچ‌های هدایت و ریل‌های راهنما را به طور معقول طراحی کنید تا فرکانس‌های طبیعی آنها بهبود یابد. به عنوان مثال، استفاده از پیچ هدایت توخالی می‌تواند وزن را کاهش داده و فرکانس طبیعی را بهبود بخشد.
انتخاب مواد مناسب: موادی با مدول الاستیسیته بالا و چگالی کم، مانند آلیاژ تیتانیوم و غیره را انتخاب کنید که می‌توانند سفتی و فرکانس طبیعی اجزای انتقال قدرت را بهبود بخشند.
افزایش میرایی: افزایش مناسب میرایی در سیستم می‌تواند انرژی ارتعاش را مصرف کند، پیک رزونانس را کاهش دهد و پایداری سیستم را بهبود بخشد. میرایی سیستم را می‌توان با استفاده از مواد میراگر و نصب میراگرها افزایش داد.
فرکانس رزونانس بالا به این معنی است که سیستم می‌تواند در صورت مواجهه با تداخل خارجی به سرعت به حالت پایدار بازگردد و مقاومت خوبی در برابر ارتعاش داشته باشد. برای بهبود فرکانس رزونانس سیستم، می‌توان جنبه‌های زیر را آغاز کرد:
طراحی ساختاری اجزای انتقال قدرت را بهینه کنید: شکل و اندازه اجزای انتقال قدرت مانند پیچ‌های هدایت و ریل‌های راهنما را به طور معقول طراحی کنید تا فرکانس‌های طبیعی آنها بهبود یابد. به عنوان مثال، استفاده از پیچ هدایت توخالی می‌تواند وزن را کاهش داده و فرکانس طبیعی را بهبود بخشد.
انتخاب مواد مناسب: موادی با مدول الاستیسیته بالا و چگالی کم، مانند آلیاژ تیتانیوم و غیره را انتخاب کنید که می‌توانند سفتی و فرکانس طبیعی اجزای انتقال قدرت را بهبود بخشند.
افزایش میرایی: افزایش مناسب میرایی در سیستم می‌تواند انرژی ارتعاش را مصرف کند، پیک رزونانس را کاهش دهد و پایداری سیستم را بهبود بخشد. میرایی سیستم را می‌توان با استفاده از مواد میراگر و نصب میراگرها افزایش داد.
VI. الزام نسبت میرایی مناسب
یک نسبت میرایی مناسب می‌تواند باعث شود سیستم پس از ایجاد اختلال، بدون تضعیف بیش از حد ارتعاش، به سرعت پایدار شود. برای به دست آوردن نسبت میرایی مناسب، کنترل نسبت میرایی را می‌توان با تنظیم پارامترهای سیستم مانند پارامترهای میراگر و ضریب اصطکاک اجزای انتقال قدرت به دست آورد.
یک نسبت میرایی مناسب می‌تواند باعث شود سیستم پس از ایجاد اختلال، بدون تضعیف بیش از حد ارتعاش، به سرعت پایدار شود. برای به دست آوردن نسبت میرایی مناسب، کنترل نسبت میرایی را می‌توان با تنظیم پارامترهای سیستم مانند پارامترهای میراگر و ضریب اصطکاک اجزای انتقال قدرت به دست آورد.
به طور خلاصه، برای برآورده کردن الزامات سختگیرانه ماشین‌های ابزار CNC برای مکانیزم‌های انتقال تغذیه، باید مجموعه‌ای از اقدامات بهینه‌سازی انجام شود. این اقدامات نه تنها می‌توانند دقت پردازش و کارایی ماشین‌های ابزار را بهبود بخشند، بلکه می‌توانند پایداری و قابلیت اطمینان ماشین‌های ابزار را نیز افزایش دهند و پشتیبانی قوی برای توسعه تولید مدرن فراهم کنند.
در کاربردهای عملی، همچنین لازم است عوامل مختلف را با توجه به نیازهای خاص پردازش و ویژگی‌های ابزار ماشین به طور جامع در نظر گرفت و مناسب‌ترین مکانیسم انتقال تغذیه و اقدامات بهینه‌سازی را انتخاب کرد. در عین حال، با پیشرفت مداوم علم و فناوری، مواد، فناوری‌ها و مفاهیم طراحی جدید دائماً در حال ظهور هستند که فضای گسترده‌ای را برای بهبود بیشتر عملکرد مکانیسم‌های انتقال تغذیه ابزارهای ماشینی CNC فراهم می‌کند. در آینده، مکانیسم انتقال تغذیه ابزارهای ماشینی CNC در جهت دقت بالاتر، سرعت بالاتر و قابلیت اطمینان بالاتر به توسعه خود ادامه خواهد داد.