+7 (495) 797-88-66

Сделать заказ
Skype Me™!
Сделать заказ

Хороший координатный стол – основа Вашего производственного и коммерческого успеха

Появление первых станков можно отнести к древнейшим временам, когда наши предки, обладавшие примитивными орудиями-инструментами (главным образом из камня), просверливали отверстия, например, для насаживания молота или топора на палку. С тех пор прошли многие сотни лет, но до сих пор такие слова как «промышленность», «завод», «цех» и др. ассоциируются в первую очередь с большими тяжелыми станками, за которыми стоят рабочие. И хотя в наши дни многие уже слышали про существование координатных столов, не все представляют их устройство, и для каких именно целей можно эти столы использовать.

Данная статья даст наиболее полное представление о координатных столах, их устройстве и применении, а также расскажет о работе и предназначении основных элементов стола, чтобы впоследствии было проще подобрать необходимые составляющие для конкретной задачи.

Что такое координатный стол и для чего он нужен?

Во многих сферах производства возникает необходимость осуществлять точное и плавное движение рабочего органа или обрабатываемой детали по требуемым траекториям. При этом часто не требуется иметь огромный станок с многотонной и невероятно жёсткой станиной, например, при реализации лазерных и плазменных технологий, т.к. на рабочий орган и деталь не действуют значительные силы. В этом случае можно решить задачу более простыми средствами, применение которых и технически, и экономически оказывается оправданным. В этом случае речь идёт о координатных столах. И при этом создаваемый технологический комплекс будет удовлетворять всем предъявляемым к нему требованиям. Так что же такое координатный стол?

Координатный стол представляет собой мехатронную производственную установку, оснащается приводами, информационно-измерительными устройствами и компьютерной системой управления и предназначен для точного перемещения рабочего органа относительно обрабатываемой детали в процессе выполнения той или иной технологической операции. По конструкции координатные столы близки одновременно и к механическим системам простейших станков, и к портальным манипуляторам и обычно имеют две или три поступательные степени подвижности. Примером координатного стола является показанная на рис.1 установка консольного типа КСКМ-301, обеспечивающая перемещение рабочего органа по трём декартовым координатам.

Благодаря своей универсальности, а также сочетанию высокой точности и большой производительности, координатные столы широко используются в разных отраслях промышленности. Часто их применяют при построении комплексов, осуществляющих лазерную резку и сварку, прошивку отверстий, маркировку изделий, плазменный раскрой листового материала и упрочнение поверхности. Нередки случаи использования координатных столов для выполнения операций фрезерования, например, в виде фрезерных плоттеров для 2D-обработки деталей. Для выполнения полезной работы на координатном столе устанавливается рабочий орган, в качестве которого может выступать фрезерная, шлифовальная или сверлильная головка, лазерный или плазменный резак, аппарат для контактно-точечной или дуговой сварки, сканер для выявления дефектов и определения качества поверхности деталей и другие технологические устройства. В тех случаях, когда рабочему органу необходимо обеспечить дополнительные степени подвижности, координатный стол может перемещать манипулятор, дающий возможность изменять ориентацию в пространстве закреплённого на нём рабочего органа. Являясь основой полноценной технологической установки, для повышения производительности координатный стол может быть оборудован несколькими рабочими органами, магазином инструментов, автоматической системой смазки и охлаждения, удаления вредных газов, пыли и стружки, а также поворотным столом.

Координатный стол консольного типа КСКМ-301
Рис.1 Координатный стол консольного типа КСКМ-301

Использование средств компьютерного управления и подготовки управляющих программ позволяет практически полностью автоматизировать процесс производства на базе координатного стола и существенно повысить производительность и стабильность качества выпускаемой продукции.

Диапазон перемещений объекта манипулирования может быть достаточно широк и в зависимости от назначения координатного стола находиться в диапазоне от 100 до 3000 мм. Грузоподъёмность координатных столов также сильно различается. Есть столы, переносящие объекты массой до 1 кг, и столы, способные с высокой точностью перемещать рабочие органы массой до 100 кг, преодолевая при этом силы, обусловленные, в том числе, и процессом фрезерования. Максимальная скорость движения определяется особенностями реализуемой технологической операции и требуемой производительностью и может достигать 1…2 м/с. Погрешность позиционирования высококачественных координатных столов не превышает 20 … 50 мкм. Современные координатные столы представляют собой высоконадёжные и долговечные устройства. Средний срок их жизни в реальных условиях производства может достигать 15 тысяч часов, что при их использовании ежедневно в одну смену позволяет рассчитывать примерно на 7 лет эксплуатации.

Из чего состоит координатный стол?

Являясь мехатронной системой, современный координатный стол объединяет несущую конструкцию, направляющие, следящие электромеханические приводы и систему компьютерного управления движением, обеспечивающие высокоточное и плавное перемещение механических элементов стола.

Несущая конструкция координатного стола. Несущая конструкция является основой координатного стола, обеспечивает его механическую прочность и жёсткость и, в конечном счёте, существенно влияет на точность движений рабочего органа. Выбор того или иного варианта несущей конструкции зависит от назначения и требований к технологическому комплексу, в котором предполагается использовать координатный стол. Для координатных столов, предназначенных для выполнения металлообработки, например, фрезерования, рекомендуется массивная несущая конструкция в виде станины, получаемой литьём или сваркой. Несмотря на то, что такая станина имеет большую массу и дороже других вариантов несущих конструкций, она обладает важным преимуществом, состоящим в том, что такая конструкция имеет большую жёсткость и обеспечивает высокую точность движений рабочего органа при значительных силах, действующих на рабочий орган при выполнении технологической операции. Для координатных столов, служащих основой комплексов для выполнения операций, сопровождающихся меньшими силами, например, для обработки изделий из дерева и пластмасс, целесообразнее использовать сварную несущую конструкцию, которая легче и дешевле литой станины. И, наконец, в состав координатных столов для выполнения технологических операций, осуществляемых без силового контакта инструмента с обрабатываемой деталью, например, для лазерной и плазменной обработки, могут включаться опорные рамы, которые собираются из тянутых алюминиевых профилей, которые крепятся с помощью резьбовых соединений. Это позволяет получить легкую, недорогую и, в то же время, жёсткую и надёжную основу координатного стола.

Координатные столы могут иметь различные конструктивные схемы. Наиболее распространёнными схемами являются крестовая и портальная. Крестовая конструктивная схема применяется обычно для обработки деталей со сложной пространственной геометрией, когда необходим доступ к детали с трёх сторон, например, при фрезеровании, шлифовании и трехмерном сканировании объектов. Портальная схема применяются для обработки плоских изделий, например, при лазерном или плазменном раскрое листовых материалов или при сверлении. Кроме того, такая схема обеспечивает большую точность обработки при возникновении сил, обусловленных взаимодействием инструмента с деталью и действующих на рабочий орган.

Направляющие. Важными компонентами, обеспечивающими точные линейные перемещения, являются рельсовые направляющие (рис. 2), по которым перемещаются каретки. Рельсы могут иметь различную длину и допускают стыковку однородных элементов без ухудшения характеристик системы движения. Это даёт возможность строить координатные столы, имеющие значительный ход, который соответствует длинномерным обрабатываемым изделиям. Предусмотрена возможность крепления рельсов как со стороны размещения каретки, так и со стороны станины. По заказу рельсы могут поставляться с антикоррозийным покрытием. Каретки имеют две конфигурации: увеличенной ширины с фланцем для крепления на узел координатного стола снизу (со стороны основания рельса) и обычной ширины без фланца для крепления на узел координатного стола на расположенные сверху резьбовые отверстия.

Рельсовая направляющая SBC
Рис. 2 Пример рельсовой направляющей

Механические передачи. Существенную роль в обеспечении качества координатных столов играют механические передачи, преобразующие вращательное движение выходных валов исполнительных приводов в поступательные перемещения кареток. При построении координатных столов применяются три вида передач: шарико-винтовые, зубчато-реечные и зубчато-ремённые передачи. При выборе механической передачи учитываются её нагрузочная способность, кинематическая точность и допустимая скорость перемещения.

Долговечным прецизионным преобразователем вращательного движения в поступательное является шарико – винтовая передача, обладающая высоким значением коэффициента полезного действия. Шарико-винтовые передачи (ШВП) состоят из ходового винта и гайки с интегрированными шариками (рис. 3). В гайку встроен механизм возврата шариков. Для построения координатных столов доступны ШВП с диаметрами винта от 6 до 80 мм. Шаг винта зависит от типоразмера ШВП и лежит в диапазоне от 1 до 40 мм. Типовыми значениями шага можно считать 5 и 10 мм. Достоинствами ШВП также являются высокая нагрузочная способность при малых габаритах, равномерное поступательное перемещение с высокой точностью, плавный и бесшумный ход. Низкий уровень шума при работе обеспечивается высоким качеством обработкой рабочих поверхностей. Вместе с тем, ШВП имеют и недостатки, к которым можно отнести ограничение скорости вращения винта, проявляющееся при длине винта более 1500 мм, и относительно высокую стоимость.

Шарико-винтовая передача SBC
Рис. 3 Примеры шарико-винтовых передач

ШВП принадлежат к классу высокоточных преобразователей движения. Они делятся на две группы: катаные, которые получают методом проката, и шлифованные, которые получают методом многоступенчатого шлифования. Шлифованные ШВП обладают значительно более высокой точностью. Но при этом их цена выше, чем цена катаных ШВП. Применяемые в координатных столах ШВП, например, производимые Южнокорейской компанией SBC Linear Co., Ltd, имеют класс точности ISO P5, для которого накапливаемая погрешность не превышает 23 мкм на перемещении 300 мм. Для снижения кинематической погрешности ШВП шарико-винтовые передачи собирают с предварительным натягом, например, путём установки двух гаек в одном корпусе с последующим их относительным смещением. При этом вариант конструкции с двумя гайками обеспечивает возможность регулирования натяга с учётом требований потребителя.

Передачи зубчатая рейка - шестерня получили широкое распространение благодаря удачному сочетанию высокой нагрузочной способности, точности, способности работать с большой скоростью, надежности, простоты конструкции и удобства монтажа. Отличительная особенность механических передач, применяемых компанией «Сервотехника» для построения координатных столов, заключается в низком уровне шума. Важным показателем качества зубчато-реечной механической передачи является её точность. Она зависит от погрешности, накопленной при перемещении на заданную длину, например, на 1 м, и характеризуется классом точности. Компания "Сервотехника" поставляет зубчатые передачи производства Германии и Швейцарии, имеющие классы точности от 5 до 12. В качестве примера можно отметить, что погрешность, накопленная на длине 1 м, для передачи пятого класса точности составляет 23 мкм, а для седьмого класса точности лежит в диапазоне от 60 до 80 мкм. Прецизионные шлифованные пары рейка-шестерня подбираются индивидуально и проходят операцию подгонки.

Одним из наиболее продвинутых решений для систем линейных перемещений является комплект Alpha Solution от компании Wittenstein. Он состоит из зубчатой косозубой рейки и редуктора с установленной на его выходном валу шестерней (рис. 4).

Передача рейка – шестерня с редуктором компании Wittenstein
Рис. 4 Передача рейка – шестерня с редуктором компании Wittenstein

В бюджетных вариантах координатных столов целесообразно использовать механические передачи на основе зубчатых ремней. Они не столь точны, как рассмотренные выше ШВП и передачи рейка-шестерня (погрешность может составлять 50 … 100 мкм), но значительно дешевле и позволяют работать на достаточно больших скоростях, достигающих 1 м/с. Недостатки передач на основе зубчатых ремней обусловлены ограничением допустимого ускорения и относительно быстрым износом ремня. В то же время, существуют прецизионные решения на основе так называемых приводов прямого действия. Это приводы поступательного типа, непосредственно перемещающие рабочий орган или другие подвижные механические элементы рабочего стола. В этом случае нет необходимости в использовании механических передач, и это значит, что отсутствуют и привносимые ими кинематические погрешности. Поэтому точность координатного стола с приводами прямого действия существенно повышается, и погрешность позиционирования может составлять лишь несколько микрометров.

Приводы. Значительную роль в обеспечении высокого качества функционирования координатного стола играют приводы, преобразующие энергию источника питания в механическую энергию движения подвижных элементов стола и рабочего органа. Выбор типа привода координатного стола существенно влияет на его качество, определяя не только развиваемые скорости и усилия, но и точность и плавность движений. Для создания координатных столов применяются как разомкнутые приводы на основе шаговых двигателей, так и замкнутые приводы, охваченные отрицательной обратной связью по положению выходного звена исполнительного электродвигателя. Последние называются следящими приводами и способны с высокой точностью воспроизводить движение подвижных элементов координатного стола на основании информации, содержащейся во входном воздействии, поступающем на привод из устройства компьютерного управления. Другое, достаточно распространённое название таких приводов – сервоприводы. Они представляют собой мехатронное устройство, состоящее из исполнительного электродвигателя, к которому, как правило, пристроен датчик положения ротора, и сервоусилителя, включающего в свой состав микропроцессорный контроллер привода, датчики токов, выпрямитель с фильтром и транзисторный инвертор (частотный преобразователь), преобразующий постоянный ток внутреннего источника питания в переменные токи, протекающие в фазных обмотках двигателя. Такие сервоусилители реализуют векторное управление – наиболее эффективный способ управления двигателем переменного тока, обеспечивающий самые высокие показатели качества приводов. Следящие приводы (сервоприводы) в основном строятся на базе синхронных двигателей. Но могут быть варианты и на основе асинхронных двигателей. Разомкнутые приводы на основе шаговых двигателей проще и дешевле сервоприводов на базе синхронных двигателей. Однако шаговые двигатели по сравнению с синхронными имеют более низкие скоростные и динамические характеристики и меньшую мощность. Достижимая точность у приводов с шаговыми двигателями ниже, чем у сервоприводов. Кроме того, для шаговых двигателей характерно такое негативное явление, как пропуск шагов, которое может привести к возникновению брака, а в некоторых случаях и к аварийной ситуации.

Самым совершенным техническим решением для координатных столов на сегодняшний день является прямой привод, состоящий из линейного синхронного двигателя и сервоусилителя. Такие приводы не нуждается в применении механических передач и непосредственно создают поступательное движение элементов координатного стола. Этим обусловлены их главные преимущества – существенно более высокие точность и скорость движения по сравнению с другими типами приводов. Погрешность привода с линейным двигателем не превышает нескольких микрометров. Такой привод обладает прекрасной динамикой разгона и торможения. Максимальная скорость движения может достигать нескольких метров в секунду. Прямой привод весьма долговечен. Это объясняется тем, что в линейных двигателях нет элементов, подверженных действию трения и потому испытывающих износ. В результате характеристики прямого привода стабильны, не меняются в процессе эксплуатации. Но у прямого привода есть и недостаток – это его высокая цена. Однако для построения высокоточных и высокоскоростных координатных систем применение прямых приводов на основе линейных двигателей вполне оправдано.

При создании координатных столов компания «Сервотехника» использует только высококачественные компоненты приводов. Это широкий ряд исполнительных двигателей немецкой компании KEB, которые могут комплектоваться тормозной системой, интегрированной в корпус двигателя, серводвигатели южнокорейской компании Mecapion, обладающие диапазоном мощностей от 30 Вт до 37 кВт и имеющие исполнения с полым валом, сервомоторы фирмы Паркер, представляющие собой новую линейку бесконтактных двигателей постоянного тока. Среди сервоусилителей можно отметить устройства, выпускаемые компаниями KEB, Bosch Rexroth и ControlTechniques. В частности, Unidrive SP компании ControlTechniques – это новейшая серия сервоусилителей, реализующих векторное управление синхронными и асинхронными двигателями. Благодаря гибкой системе настройки параметров Unidrive SP могут управлять прямым приводом.

Особую роль играют так называемые комплектные сервоприводы. Они содержат все необходимые компоненты, характеристики которых полностью согласованы, что упрощает ввод в эксплуатацию таких приводов и проектирование координатных столов на их основе. В качестве примера таких приводов можно привести комплектные приводы компании Mecapion. Представляет интерес разработанный и серийно производимый ЗАО «Завод мехатронных изделий» универсальный комплектный сервопривод СПС на основе синхронного двигателя (рис. 4).

Универсальный комплектный сервопривод СПС на базе синхронного двигателя
Рис. 4 Универсальный комплектный сервопривод СПС на базе синхронного двигателя

Привод СПС содержит синхронный двигатель с присоединённым к нему энкодером и сервоусилитель. Энкодер выполняет функцию датчика положения ротора, необходимого для управления двигателем, и одновременно используется как источник информации о положении управляемого приводом подвижного элемента координатного стола. Для расширения возможностей привода в состав сервоусилителя помимо частотного преобразователя и встроенного блока питания введены внутренний программируемый логический контроллер и контроллер движения. Контроллеры позволяют создать высокоточную быстродействующую следящую систему, реализовав главный контур регулирования положения вала двигателя и внутренние корректирующие контура регулирования скорости вращения и токов в обмотках двигателя в соответствии с методом векторного управления. Встроенные средства управления дают возможность реализовать функции плавного разгона и торможения.

Следует отметить, что функциональные возможности привода достаточно широки. В частности, специально разработанная для сервопривода СПС программа управления движением позволяет использовать сервопривод без применения дорогостоящей системы ЧПУ. При этом опционально для привода СПС доступен интерпретатор G-кодов.

Особо следует отметить так называемые интегрированные приводы, которые оказываются весьма эффективным средством для построения координатных столов. К их числу принадлежат приводы СПШ, построенные на базе шаговых двигателей и представляющие собой высокопроизводительные сервоприводы с векторным управлением (рис. 5). Привод СПШ является уникальной разработкой специалистов компании «Сервотехника», не имеет российских аналогов и превосходит большинство иностранных аналогов по техническим характеристикам и функциональным возможностям. При этом он выгодно отличается от них по цене.

Главная особенность интегрированного привода СПШ состоит в том, что в одном компактном прочном конструктиве объединены и шаговый двигатель с габаритами NEMA 23 или 34, оснащённый датчиком позиции вала мотора, и сервоусилитель, что упрощает проектирование технологических машин на его основе и монтаж привода на объекте, снижает количество кабелей. Несмотря на то, что в составе привода СПШ используется шаговый двигатель, он относится к классу прецизионных приводов. Точность позиционирования составляет от 6 угловых минут до 8 угловых секунд в зависимости от разрешающей способности датчика.

Интегрированный сервопривод СПШ
Рис. 5 Интегрированный сервопривод СПШ

Высокая точность и многофункциональность привода гарантируется благодаря наличию в его составе блока управления на основе высокопроизводительного DSP процессора и программируемого логического контроллера. Благодаря тому, что СПШ – это следящий привод, в нём гарантируется полное отсутствие пропуска шагов. Кроме того, средства управления обеспечивают исключение резонансных явлений, расширение рабочего диапазона скоростей, повышение плавности хода, максимальной скорости вращения и механической мощности.

Компьютерное управление движениями координатного стола. Управление движением подвижных частей координатного стола осуществляется системами числового программного управления (СЧПУ), содержащими управляющие ЭВМ и контроллеры. Они функционируют в режиме жёсткого реального времени, исполняют предварительно составленную пользователем управляющую программу и выдают на приводы управляющие воздействия, содержащие информацию о желаемом движении по каждой управляемой координате стола. При этом осуществляется контурное управление движением рабочего органа технологической машины путём согласования движений различных подвижных частей координатного стола. Одним из вариантов СЧПУ, широко применяемым при создании координатных столов, является высокопроизводительная СЧПУ Delta Tau Advantage 400 (рис. 6), предназначенная для управления производственными системами, имеющими до 5 управляемых координат. Основой этой СЧПУ является контроллер движения PMAC2 Delta Tau, интегрированный со встроенным компьютером PC104. На передней панели установлен 8.4" цветной TFT дисплей с разрешением 640 x 480, штурвал и стандартная буквенно-цифровая клавиатура с функциональными клавишами для быстрой активизации основных функций СЧПУ, стандартные клавиши станочного пульта, корректор рабочих подач, штурвал с разрешением 50 имп/об, USB- и Ethernet-порты.

СЧПУ Delta Tau Advantage 400
Рис. 6 СЧПУ Delta Tau Advantage 400

Для использования в координатных столах компанией «Сервотехника» разработана СЧПУ «СервоКон» (рис. 7). Она способна работать с шестью сервоприводами СПС и СПШ, обмениваясь с ними сигналами по цифровому каналу связи со скоростью передачи 1 МБит/с. По сравнению с аналогами она имеет меньшую стоимость и более высокие технические характеристики. СЧПУ «СервоКон» является высокопроизводительной системой и обеспечивает управление приводами в режиме жёсткого реального времени с частотой выдачи сигналов управления до 2 кГц. Программное обеспечение СЧПУ построено таким образом, что благодаря применению функции «Look-a-head», позволяющей перед отработкой учесть особенности нескольких кадров управляющей программы, удаётся исключить рывки при прохождении изломов траектории и повысить производительность за счёт увеличения средней скорости контурной обработки.

Система числового программного управления «СервоКон»
Рис. 7 Система числового программного управления «СервоКон»

Примеры координатных столов

Компания «Сервотехника» обладает большим опытом проектирования и внедрения в промышленности разнообразных координатных столов. Ниже приведены краткие сведения о некоторых, наиболее характерных типах таких столов.

Для перемещения в плоскости небольших объектов незначительной массы может быть рекомендована компактная система прецизионного двухкоординатного позиционирования (рис. 8). Несущая конструкция стола сделана облегчённой. Она выполнена из промышленного алюминиевого профиля. Для передачи движения применены шариковые винтовые передачи и рельсовые направляющие качения. Максимальные перемещения по осям X и Y составляют 200 и 150 мм соответственно. Большими функциональными возможностями обладает координатный стол СМ-1, способный перемещать обрабатываемые изделия в пространстве по трём координатам (рис. 9). Для снижения массы координатного стола его станина выполнена из промышленного алюминиевого профиля. Применены шариковая винтовая передача и цилиндрические направляющие качения. Перемещения по осям X, Y, Z составляют 300, 400, 100 мм, соответственно.

В координатном столе КСШ301 (рис. 10) для повышения точности обработки применена массивная жёсткая стальная конструкция станины. Движение передаётся с помощью шариковых винтовых передач и рельсовых направляющих качения. Перемещения по координатам X, Y, Z равны 1500 / 750 / 200 мм соответственно.

Компактная система прецизионного двухосевого позиционирования
Рис. 8 Компактная система прецизионного двухосевого позиционирования
Координатный стол СМ-1 на базе алюминиевого профиля
Рис. 9 Координатный стол СМ-1 на базе алюминиевого профиля
Координатный стол КСШ301
Рис. 10 Координатный стол КСШ301

На базе координатного стола, обладающего достаточной жёсткостью, может быть построен универсальный фрезерный станок. Примером такого решения является фрезерный станок с ЧПУ серии Моделист 1 (рис. 11).

Универсальный фрезерный станок с СЧПУ серии Моделист 1
Рис. 11 Универсальный фрезерный станок с СЧПУ серии Моделист 1

Он выполнен на основе массивной стальной станины, шариковых винтовых передач и рельсовых направляющих качения. Перемещения по осям X, Y, Z равны 1000, 1000 и 350 мм соответственно.

Заключение

Приведённые сведения о координатных столах свидетельствуют о том, что они являются важными компонентами современных производственных систем, и от их свойств существенно зависит качество производимой продукции. Опираясь на накопленный опыт проектирования и внедрения в производство разнообразных видов координатных столов, специалисты компании «Сервотехника» готовы предложить Вам тот вариант, который в полной мере соответствует конкретной постановке задачи и отвечает специфике Вашего производства. При этом гарантируется высочайший уровень качества и надёжность координатного стола, основанные на применении самой современной элементной базы и передовых технических решений.

Важно учесть, что помимо серийно выпускаемых координатных столов, компания «Сервотехника» проектирует и собирает нестандартные координатные столы в соответствии с техническими требованиями заказчика. Кроме того, к Вашим услугам высококлассные специалисты в области компьютерных систем управления, приводов и механических систем, а также опытные менеджеры проектов, имеющаяся у компании производственная база по сборке, монтажу и наладке координатных столов, качественный сервис и безупречное гарантийное обслуживание.

Специалист компании «Сервотехника» доктор технических наук Ю.В. Илюхин

Другие статьи из категории