Аеростатични направляващи за металорежещи машини с ЦПУ

Механични системиСп. Инженеринг ревю - брой 2/2018 • 21.03.2018

Аеростатични направляващи за металорежещи машини с ЦПУ
Аеростатични направляващи за металорежещи машини с ЦПУ

Принципът за разделяне на работните повърхнини и пълно избягване на механичния контакт между тях, заложен в хидростатичните направляващи, намира качествено ново развитие в аеростатичните направляващи. При тях носещият филм се създава от подаван под високо налягане атмосферен въздух.

Особености на конструкцията
Подобно на хидростатичните, аеростатичните направляващи позволяват равномерно движение при малки скорости, отработване на малки премествания, отсъствие на стик-слип ефект, отсъствие на механичен хистерезис при реверс на движението, практически неограничен експлоатационен ресурс. Свойствата на въздуха се проектират върху характеристиките на аеростатичните направляващи, придавайки им специфични количествени и качествени характеристики.

На фиг.1а е показана схема на отворена аеростатична направляваща; по неподвижната направляваща 1 се движи подвижният орган 2. Въздухът се подава под налягане рД, при което възниква аеростатичната сила FАС, която повдига подвижния орган. Между него и неподвижната направляваща се образува въздушен филм с дебелина h, чиято носеща способност е достатъчна да понесе експлоатационното натоварване F.

За осигуряване на необходимата носеща способност работните повърхнини се разделят на отделни секции с дължина L с независимо подаване и разпределяне на въздуха (фиг.1б). С цел предотвратяване на протичането на въздух от една секция в друга между тях се правят дренажни канали 3. За разлика от хидростатичните направляващи, при които носещите джобове са с големи размери, аеростатичните направляващи изискват подаване на въздуха в значително по-малки по размер канали 4 с дължина l.

Това се прави с цел да се намали риска от възникване на самовъзбуждащи се трептения от типа “пневматичен чук”. Каналите обикновено имат напречно сечение във формата на равностранен триъгълник с височина t = 0,5...1 mm (фиг.1в). За по-равномерно разпределяне на налягането канавките могат да се изработват и с по-сложна форма. На фиг.1г е показана секция, в която каналът е оформен във вид на затворен контур. Преди да стигне до канала, въздухът преминава през дросел, в който налягането се намалява до рД, което способства за повишаване на стабилността на направляващата.

Захранване на аеростатичните направляващи
Захранването на аеростатичните направляващи може да се извърши по три начина: магистрален, компресорен и акумулаторен.
При магистралния начин на захранване се използва въздухът, подаван в цеховата магистрала за сгъстен въздух.
Компресорният начин на захранване осигурява автономност на подаването на въздух. Тъй като е по-скъп, заема повече място, има допълнителни експлоатационни разходи и генерира допълнителен шум, този начин се използва в случаите, когато налягането на цеховата магистрала не е достатъчно, а също така тогава, когато надеждността на подаването и параметрите на работния газ не могат да се гарантират по магистралния начин. Един от тези параметри е постоянството на работното налягане на въздуха.

Акумулаторното захранване се използва при аварийните режими и е предназначено да изстреля с минимално забавяне към работната зона на направляващите такъв обем сгъстен въздух, който да осигури постоянство на филма до окончателното спиране на подвижния орган.
Подаваният въздух трябва да бъде подготвен предварително, като от него се отстраняват вредните за работата на направляващите компоненти. На първо място това е влагата, поради което въздухът преминава през филтър за влагоотделяне. На второ място това са твърдите механични замърсители. Тъй като отворите за подаване на въздух към направляващите и работните сечения на дроселите са по-малки, отколкото при хидростатичните направляващи, опасността от задръстване е по-голяма.

Това изисква по-прецизно очистване на въздуха, отколкото това става при маслото. На трето място е съдържащото се масло в подавания през цеховата магистрала въздух, предназначено по принцип да маже пневмоапаратурата. Но при аеростатичните направляващи това масло може да затрудни преминаването на въздуха или да запуши малките сечения поради по-големия си вискозитет. Предназначен за общоцехово ползване, магистралният въздух не притежава нужната чистота на смесеното с него масло и чрез него могат да се внесат замърсители в направляващите. Поради това въздухът се пропуска през филтър за обезмасляване.

Схеми на работа
Схемите на работа на аеростатичните направляващи принципно повтарят тези при хидростатичните – отворени, затворени и с принудително уравновесяване. Опитът от експлоатацията показва, че отворените направляващи са много чувствителни към променящото се натоварване; обхватът на използването им се ограничава от невъзможността да понасят моменти.

От друга страна, носещата способност и стабилността на затворените аеростатични направляващи се влошават силно от промяната на големината и особено на формата на въздушната междина – при промяна на едната въздушна междина реципрочно се променя другата. Промяната на формата се проявява преди всичко под действието на силовите и, особено, на топлинните деформации. Така в практиката от последните години вниманието се насочва към схемите с принудително уравновесяване, като се търсят различни физически принципи за създаване на уравновесяващата сила. Приложение получават схеми с вакуумно, електромагнитно и магнитно уравновесяване.

Предимства, недостатъци и области на използване
В сравнение с хидростатичните, аеростатичните направляващи имат следните предимства и недостатъци:
• Значително по-ниска носеща способност.
• Значително по-нисък коефициент на триене.
• По-трудно фиксиране на подвижния орган в заетата позиция. 
• По-ниска статична и динамична стабилност. 
• Необходимост от по-голяма площ на работните повърхнини за осигуряване на необходимата носеща способност и статична стабилност.
• Значително по-ниско демпфиране.
• По-голяма склонност към автотрептения; автотрептенията се проявяват чрез явлението “пневматичен чук” при по-високи налягания и динамични натоварвания.
• По-високи изисквания към точността на работните повърхнини, което е следствие от по-малката дебелина на носещия филм.
• Отсъствие на необходимост от херметизация на конструкцията и на магистрала за събиране на отработилия въздух. При пневмосистемите не се прилага циркулация на въздуха като работен газ. Изтичащият въздух е екологично безвреден.
• Пожарна и взривобезопасност.
• Надеждност на работа в широк температурен диапазон, в условията на запрашена и влажна околна среда. Въздушният поток има свойството да почиства работната зона на направляващите, увличайки със себе си и извеждайки навън попадналите там замърсявания.
• Необходимост от система за сгъстяване и очистване на въздуха.

Рационалните области на използване на аеростатичните направляващи са следните: 
• Прецизните и свръхпрецизните металорежещи машини с ЦПУ от малък типоразмер, в които отсъстват големи статични и динамични натоварвания.
• Координатно-измервателните машини. Това е типична област на използване на аеростатичните направляващи, работното натоварване при които може да се разглежда по-скоро като статично. 
• Измервателни уреди, в т.ч. уреди за извънмашинно настройване на режещи инструменти, тестери и монтажни машини за електронната промишленост (производството на микропроцесори и др.). 
• Технологично и измервателно оборудване за реализиране на нанотехнологии.

Аеростатични направляващи с вакуумно уравновесяване
Силата на принудителното уравновесяване се създава във вакуумна камера, оформена в същата работна повърхнина, в която са разположени каналите на аеростатичната направляваща и в съседство с тях.
На фиг.2а е показано принципното устройство на аеростатична направляваща с вакуумно уравновесяване. Въздухът под налягане се подава в каналите 1 и 5; по този начин се реализира аеростатичната компонента на направляващата. Във вакуумната камера 3 се създава подналягане, като въздухът се евакуира от нея; така се създава вакуумната компонента. За да се предотврати връзката между въздуха под налягане и вакуума, между каналите 1 и 5 и вакуумната камера 3 се разполагат дренажните канали 2 и 4.

В резултат на едновременното действие на въздуха под налягане и вакуума, върху подвижния орган действат аеростатичната сила FAC и силата FВАК, създавана от вакуума (фиг.2б), насочени в противоположни посоки – FAC издига подвижния орган нагоре, докато FВАК го притиска към неподвижната направляваща. При правилно подбиране на баланса между FAC и FВАК подвижният орган може да възприема следното експлоатационно натоварване: притискаща и откъсваща сила FZ и моменти МХ и МY. Схемата на аеростатичната направляваща с вакуумно уравновесяване е достатъчно широко използвана в конструкциите на особено точни уреди и машини.

Гранитът е предпочитан материал за изработване на основните корпусни детайли, изграждащи аеростатичните направляващи. Неговото основно предимство е отсъствието на остатъчни напрежения, което е условие за запазването на стабилността на формата на детайла в течение на неограничено време. Освен това гранитът лесно се шлифова и полира, не корозира, немагнитен е, има сравнително голяма коравина и якост (модул на еластичност E = 4,81.1010 Pa), добро демпфиране и висока термична инертност.

Аеростатични направляващи с електромагнитно уравновесяване
Това решение е особено подходящо за прецизни и свръхпрецизни металорежещи машини с ЦПУ, подвижните органи на които се задвижват от линейни двигатели. Уравновесяващата сила се създава по естествен път от постоянните магнити на линейния двигател.
По неподвижната гранитна направляваща 1 върху аеростатичните опори 4 и 7 (работещи в радиално направление) и 2 и 8 (работещи в странично направление) се движи подвижният орган 3 (фиг.3). Аеростатичните опори са изпълнени във вид на пети с кръгло напречно сечение, които се настройват и закрепват към подвижния орган. Линейният двигател се състои от постоянните магнити 6, монтирани в канала на направляващата 1, и намотката 5, монтирана към подвижния орган.

Аеростатичните пети създават аеростатични сили, които в странично направление взаимно се уравновесяват FАС1 = FАС4. В радиално направление аеростатичните сили FАС2 и FАС3 се уравновесяват от равнодействащата на електромагнитната сила FЕМ и теглото на подвижните маси G. Електромагнитната сила FЕМ възниква в резултат на взаимодействието между постоянните магнити 6 и намотката 5.

Недостатък на конструкцията са колебанията на дебелината на въздушния филм при изменение на електромагнитния поток, създаван от намотката 3, което се наблюдава при преходните режими – старт, стоп, ускоряване, забавяне. Колебанията на дебелината се отразяват върху положението на подвижния орган в радиално направление и влияят негативно върху точността на обработката. Въпреки че тези колебания са в рамките на няколко микрона, използването на тази схема не е най-подходящото решение за свръхпрецизни машини и уреди, работещи с нанометрична точност.

Идеята за аеростатичните пети позволява те да се предлагат като покупни изделия с дефинирани технически характеристики и да се влагат в различни по конструкция и предназначение подвижни органи.
Аеростатични направляващи с магнитно уравновесяване
За да се избегнат колебанията на подвижния орган под влияние на изменящата се по големина уравновесяваща сила се прилага схема с постоянни магнити. Прието е аеростатичната направляваща с магнитно уравновесяване да се нарича за краткост аеромагнитна направляваща. Рационалните области на използване на аеромагнитните направляващи са:

• свръхпрецизни металорежещи машини с ЦПУ;
• електронно оборудване за съхраняване на данни;
• микроскопия, метрология - предметни маси и системи за позициониране на микроскопи, координатно-измервателни машини и др.;
• оптика, фотоника, лазерни системи - задвижване на органите за настройване;
• производство на дисплеи - оборудване за производство и технически контрол на OLED и LCD дисплеи;
• лънчева енергетика – оборудване за производство и технически контрол на фотосоларни елементи.

За транслиране на заявените експлоатационни параметри на аеростатичните направляващи върху подвижния орган е необходимо да се промени цялата елементна база на задвижването. Препоръчително е да се използват винт-гайка и радиално-аксиален лагер за нея, реализирани върху аеростатичен принцип. По този начин се създават условия за постигане на инкременти от порядъка на няколко нанометри.

Статията е разработена по материали на доц. д-р инж. Пламен Угринов

Новият брой 2/2018

брой 2-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top