Tri požiadavky, ktoré odlišujú rotačné osi CNC od všeobecných servo aplikácií
Väčšina metodík výberu presných planétových prevodoviek je napísaná pre všeobecnú servo automatizáciu – dopravníky, roboty, deliace zariadenia. Rotačné osi CNC obrábacích strojov zavádzajú tri ďalšie požiadavky, ktoré tieto príručky neriešia, a nezohľadnenie ktorejkoľvek z nich vedie k špecifikácii prevodovky, ktorá je technicky správna pre krútiaci moment a rýchlosť, ale nesprávna pre danú aplikáciu.
Špecifikácie presnosti CNC uvádzajú tolerancie na obrobku – pri skutočnom polomere rezu, ktorý môže byť 10 mm (malý otvor) alebo 300 mm (veľké čelné obrábanie). Tá istá vôľa 8 oblúkových minút vytvára tangenciálnu chybu 23 μm pri R = 10 mm, ale 1 163 μm pri R = 500 mm. Špecifikácie CNC sa musia vždy vyhodnocovať pri skutočnom polomere rezu, nie pri reprezentatívnej medzihodnote. Vôľa, ktorá je prijateľná pre jednu operáciu, môže úplne zlyhať pri inej na tom istom stroji.
CNC rezné zaťaženia sú vysoko variabilné – krútiaci moment sa mení okamžite s hrúbkou triesky, zmenami materiálu a vstupom/výstupom nástroja. Pri špičkovom reznom krútiacom momente 380 N·m sa EP-ZDE-160 (Ct=38 N·m/arcmin) elasticky vychýli o 10 arcmin – viac ako je špecifikovaná vôľa – čo spôsobí chybu polohy nástroja, ktorú spätná väzba serva nedokáže zistiť ani opraviť, pretože kódovač motora je na vstupnej strane prevodovky. Táto chyba závislá od zaťaženia je pre servo neviditeľná, priamo sa hromadí v obrobku a zhoršuje sa s amplitúdou reznej sily.
CNC obrábacie stroje používajú zaplavovaciu chladiacu kvapalinu s tlakom 2 – 8 barov, hmlu z rezného oleja a pravidelné vnútorné umývanie stroja. Prevodovka nainštalovaná na externom otočnom stole umiestnenom pod vretenom môže prijímať priamy prúd chladiacej kvapaliny pri plnom tlaku čerpadla. Stupeň krytia IP54 (štandard pre EP-ZDE/ZDF/ZDWE/ZDWF) chráni pred smerovým striekaním, ale nie pred trvalými priamymi prúdmi. Iba stupeň krytia IP65 (EP-ZDS) odoláva testu IPX5 – tryska s priemerom 6,3 mm pri prietoku 12,5 l/min z akéhokoľvek smeru – čo sa približuje podmienkam zaplavovacej chladiacej kvapaliny na exponovaných rotačných upínacích prípravkoch.
Vôľa na vašom polomere rezu – stôl, ktorý potrebujú CNC inžinieri
Nasledujúca tabuľka prepočítava štandardné špecifikácie vôle planétovej prevodovky na tangenciálnu chybu polohovania pri reprezentatívnych CNC polomeroch rezania. Všetky hodnoty používajú presný vzorec: E_tangenciálna = R × tan(BL / (60 × 180/π)). Pri vyvrtávacích a sústružníckych operáciách, kde nástroj sleduje kruhovú dráhu, sa táto tangenciálna chyba prejavuje priamo ako odchýlka kruhovitosti na obrobenom povrchu.
| Negatívna reakcia | R=10 mm Malý otvor |
R=25 mm Vŕtanie s priemerom Φ50 mm |
R=50 mm Vrt Φ100 mm |
R=100 mm Φ200 mm tvár |
R=200 mm Stôl s priemerom Φ400 mm |
Séria EP |
|---|---|---|---|---|---|---|
| <3 uhlových minút | 8,7 μm | 21,8 μm | 43,6 μm | 87,3 μm | 174,5 μm | Zákazková / špeciálna objednávka |
| <8 oblúkových minút ★ | 23,3 μm | 58,2 μm | 116,4 μm | 232,7 μm | 465,4 μm | EP-ZDE/ZDF (60–160 mm) · EP-ZDS (všetky) |
| <12 oblúkových minút | 34,9 μm | 87,3 μm | 174,5 μm | 349,1 μm | 698,1 μm | EP-ZDE-40 jednostupňový; 2-stupňové jednotky |
| <25 oblúkových minút | 72,7 μm | 181,8 μm | 363,6 μm | 727,3 μm | 1 454 μm | EP-ZDWE/ZDWF – iba pravouhlý vstup |
★ Štandardný rad EP-ZDE/ZDF/ZDS. Hodnoty predstavujú maximálnu chybu vôle pred kompenzáciou vôle CNC. Pri aktívnej kompenzácii vôle Fanuc/Siemens je zvyšková chyba pri nízkych posuvoch typicky <10% nekompenzovanej hodnoty. Hodnoty zvýraznené tučnou červenou farbou presahujú toleranciu IT7 pre daný priemer otvoru – aplikácia vyžaduje buď menšiu vôľu, kompenzáciu, alebo väčšiu špecifikáciu tolerancie otvoru.
Vŕtanie otvoru s priemerom Φ100 mm (R=50 mm) na 4. osi na VMC s EP-ZDE-120 (<8 arcmin) vytvára maximálnu chybu kruhovitosti vyvolanú vôľou 116,4 μm na otáčku. S kompenzáciou vôle Fanuc Series 0i sa táto chyba znižuje na približne 12 – 20 μm – čo je kompatibilné s toleranciou IT8. Bez kompenzácie zlyháva rovnaký otvor s toleranciou IT7 (25 μm pre otvor s priemerom Φ100 mm). Zadajte kompenzáciu vôle v CNC programe alebo prejdite na EP-ZDS, aby ste znížili príspevok vôle k rozpočtu chýb.
Špecifikácie rotačnej osi CNC – os B/C/A a 4./5. os, os po osi
Päť typov rotačných osí používaných v kórejských CNC obrábacích strojoch má odlišné primárne konštrukčné ovládače. Tá istá jednotka série EP, ktorá je správna pre čap 4. osi na vertikálnom obrábacom centre, bude nedostatočná pre os B na 5-osovom obrábacom centre a nesprávna pre os C na sústružnícko-frézovacom centre, ktoré zažíva plné krútiace momenty. Nižšie uvedená analýza jednotlivých osí rieši správnu špecifikáciu pre každú z nich.
Rozsah sklonu ±90° alebo ±110°
Maximálny rezný krútiaci moment: 150–600 N·m v závislosti od veľkosti
Ťažké prerušované rezy v titáne/Inconeli
Upínací moment: 2–3× rezný krútiaci moment
Minimálne IP54 (chladiaca hmla); IP65 pre externé svietidlo
Torzná tuhosť dominuje nad krížovým krútiacim momentom
Krútiaci moment ZDS-142: 352 N·m (BL × Ct = 8 × 44)
Výhybka ZDE-160: 304 N·m (8 × 38)
Pre T_cut > 304 N·m: elastická chyba prevyšuje vôľu
→ prísnejšie špecifikácie vôle nepomôžu; vyššie Ct áno
Stredná 5-osová (T_cut ≤ 250 N·m):
→ EP-ZDS-115, 20:1, Ct=20 N·m/oblúková minúta
Ťažká 5-osová (T_cut 250 – 600 N·m):
→ EP-ZDS-142, 20:1, Ct=44 N·m/oblúková minúta
Veľmi ťažké (T_cut > 600 N·m):
→ EP-ZDS-190, 20–25:1, Ct=130 N·m/oblúková minúta
Režim sústruženia: Os C je pohon vretena – vysoký krútiaci moment, plynulá rotácia, nie je potrebná presnosť polohy
Režim frézovania/polohovania: os C indexuje presný uhol pre frézovanie mimo stredu – presnosť polohy je kritická
Presnosť indexu: ±5–15″ oblúka (oblúkové sekundy)
8 oblúkových minút = 480 oblúkových sekúnd – príliš široký uhol pre cieľ ±5″
Presnosť osi C: vyžaduje uzatvorenú slučku prevodovky + enkodéra
Prevodovka nastavuje spodnú hranicu presnosti, ktorú musí snímač prekonať korekciou v uzavretej slučke.
Polohovanie osi C (frézovanie-sústruženie):
→ EP-ZDE-160 alebo EP-ZDS-115 v čase 10–16:1
BL <8 arcmin; v kombinácii s enkodérom Heidenhain/Renishaw pre presnosť ±15″
Expozícia chladiacej kvapaliny pri zaplavení: špecifikujte EP-ZDS-115/142
Rozsah sklonu ±45° až ±90°
Zostava vretena a hlavy: 40 – 120 kg
Tiažové zaťaženie pri maximálnom náklone: plná hmotnosť hlavy pri R=200–400 mm
Počas rezania musí držať polohu proti gravitácii
Zvyčajne bez upínacej brzdy – prevodovka musí držať staticky
Vretenová hlava s hmotnosťou 60 kg, R = 300 mm pri plnom sklone:
T_gravitácia = 60 × 9,81 × 0,3 = 176,6 N·m
Požadovaný uťahovací moment (s SF=2,0): 353 N·m
Toto je statické zaťaženie – pridajte dynamický rezný krútiaci moment
Celková požiadavka často 400 – 700 N·m
Ľahká portálová hlava (40 – 60 kg):
→ EP-ZDS-115 alebo ZDE-160, 16–20:1
Ťažká portálová hlava (80 – 150 kg):
→ EP-ZDS-142, 16:1, Ct=44 N·m/oblúková minúta
Veľmi ťažké (150 kg+):
→ EP-ZDS-190, 16–20:1, Ct=130 N·m/oblúková minúta
Samostatné prídavné otočné stoly (4. os) alebo dvojosový čap (4. + 5. os)
Priemer stola: Φ200–Φ400 mm
Hmotnosť obrobku: typicky 20 – 80 kg
Často sa používa pri plnom zaplavení chladiacou kvapalinou – krytie IP65
Iba polohovanie (bez plynulého otáčania)
Indexovanie 4. osi: typicky ±10–30″ uhlový bod
V kombinácii so závitovkovým alebo planétovým prevodom a enkodérom
Planetárny prístup: kompaktný, efektívny, s nízkym BL
EP-ZDE-120 (Ct=12 N·m/arcmin, BL <8): vhodné pre väčšinu VMC 4. os
Ťažký obrobok alebo prerušovaný rez: upgrade na EP-ZDS-115
Ľahký stôl (obrobok 20 – 40 kg):
→ EP-ZDE-120, 10–16:1 (IP54 v prípade interného stroja)
Stredný stôl (40 – 80 kg, s chladiacou kvapalinou):
→ EP-ZDS-115, 16–20:1, IP65
Ťažký stôl (> 80 kg alebo ťažký prerušovaný rez):
→ EP-ZDS-142, 16:1, IP65, Ct=44
Prečo torzná tuhosť určuje toleranciu súčiastky v ťažkých CNC operáciách
Pri prerušovaných frézovacích rezoch, čelnom frézovaní s veľkými frézami a sústružení náročných materiálov sa rezný krútiaci moment rýchlo mení medzi takmer nulovou hodnotou (pri rezaní vzduchom) a plným rezným krútiacim momentom (pri plnom zábere). Každý cyklus záberu/rozberu aplikuje impulz na prevodovku, ktorý spôsobuje elastické navíjanie a spätný ráz výstupného hriadeľa. Táto elastická oscilácia – ktorá sa deje pri kontaktnej frekvencii frézy – spôsobuje drsnosť povrchu, polygónové stopy na vyvŕtaných otvoroch a vibrácie na sústružených povrchoch.
| Scenár rezania | T_peak (N·m) | ZDE-160 elastická chyba |
ZDS-142 elastická chyba |
ZDS-190 elastická chyba |
Pri R=100 mm Výhoda ZDS-190 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ľahký hliníkový obklad | 80 N·m | 2,1 uhlovej minúty 0,122 mm pri R=100 |
1,8 oblúkových minút 0,105 mm pri R=100 |
0,6 oblúkovej minúty 0,035 mm pri R=100 |
3,4× |
| Hrubé frézovanie ocele | 200 N·m | 5,3 uhlových minút 0,308 mm pri R=100 |
4,5 oblúkových minút 0,262 mm pri R=100 |
1,5 oblúkovej minúty 0,087 mm pri R=100 |
3,4× |
| Ťažké oceľové vŕtanie | 380 N·m | 10,0 uhlových minút 0,581 mm pri R=100 |
8,6 oblúkových minút 0,500 mm pri R=100 |
2,9 oblúkových minút 0,169 mm pri R=100 |
3,4× |
| Prerušovaný rez Inconel | 600 N·m | 15,8 oblúkových minút 0,919 mm pri R=100 |
13,6 oblúkových minút 0,791 mm pri R=100 |
4,6 oblúkových minút 0,267 mm pri R=100 |
3,4× |
Elastická chyba = T_peak / Ct. ZDE-160: Ct=38; ZDS-142: Ct=44; ZDS-190: Ct=130 N·m/arcmin. Pri R=100 mm s použitím E = R × tan(θ/3438). Enkóder servomotora nedokáže detekovať túto elastickú výchylku – tá sa priamo akumuluje ako rozmerová chyba obrobku.
Dôsledky dizajnu: Pri CNC operáciách, kde polomer rezu presahuje 50 mm a špičkový krútiaci moment presahuje 200 N·m, chyba elastického vychýlenia zo ZDE-160 (0,308 mm pri R=100 mm, T=200 N·m) presahuje toleranciu IT8 pre väčšinu veľkostí otvorov. ZDS-190 ju znižuje na 0,087 mm – v rámci tolerančného rozsahu IT7. Rovnaká špecifikácia vôle (<8 arcmin) platí pre obe série; rozdiel v tuhosti samotný spôsobuje zlepšenie presnosti, ktoré nie je možné replikovať pri prísnejšej špecifikácii vôle.
Chladiaca kvapalina a stupeň krytia IP – prispôsobenie ochrany realite CNC
Rozhodnutie o triede krytia IP pre prevodovku s rotačnou osou CNC nie je všeobecnou voľbou „vnútri stroja = IP54“. Skutočné vystavenie chladiacej kvapaline závisí od polohy prevodovky vzhľadom na dráhu prúdenia chladiacej kvapaliny, od konštrukcie krytu stroja a od toho, či je rotačná os integrovaná do stroja alebo pridaná externe. Nesprávna voľba stupňa krytia IP vedie k poruche spôsobenej kontamináciou opísanej v príručke príčin porúch – ktorá sa v prostredí CNC zvyčajne prejaví do 2 000 – 4 000 hodín.
- Integrovaná 5-osová hlava (os B) vo vnútri plne uzavretého stroja – chladiaca kvapalina je konštrukciou stroja odvádzaná od pohonu osi B
- Čap 4. osi VMC namontovaný mimo priameho výstupu chladiacej kvapaliny vretena
- Polohovanie v osi C na sústružnícko-frézovacích centrách s uzavretou chladiacou komorou pod prevodovkou
- EDM rotačná os C (dielektrická kvapalina, nie chladiaca kvapalina na vodnej báze)
- Akákoľvek os, kde je prevodovka nad chladiacou kvapalinou a prijíma iba hmlu, nie priame prúdy
- Externé otočné stoly umiestnené na stole VMC – priamo v zóne výstupu chladiacej kvapaliny stroja
- Rotačná paleta horizontálneho obrábacieho centra (HMC) – rotácia palety presúva pohonnú jednotku cez chladiacu zónu
- Rotačné deliace zariadenia na prenosovej linke s umývaním v súlade s HACCP (potravinárske/medicínske)
- Akákoľvek rotačná os CNC pod stredovou čiarou vretena v stroji bez ochranného krytu proti striekajúcej vode, ktorý by špecificky chránil pohon
- Vonkajšie CNC rezanie (vodný lúč, plazma, laser s hladinou podzemnej vody)
- Integrovaná os B v stroji bez úplného krytu – závisí od toho, či systém riadenia chladiacej kvapaliny chráni pohonnú jednotku
- Dodatočná 4. os pridaná do stroja, ktorý na to pôvodne nebol navrhnutý – vedenie chladiacej kvapaliny nemusí zodpovedať polohe novej jednotky
- Stroje s vysokotlakovým chladením cez vreteno (TSC), kde sú vzory rozstreku chladiacej kvapaliny nepredvídateľné
- V prípade pochybností: špecifikujte IP65 (EP-ZDS). Príplatok za IP65 je oveľa nižší ako náklady na poruchu spôsobenú kontamináciou a neplánované zastavenie linky.
Kompletná matica výberu série EP s rotačnými osami CNC
| CNC aplikácia | T_peak (N·m) |
Pomer | IP adresa | Min. Ct (N·m/uhlovú minútu) |
Odporúčaná séria EP | Primárny ovládač špecifikácií |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5-osová os B, stredná (stôl 50 kg) | 150 – 300 | 20:1 | IP54 | 20 | EP-ZDS-115 | Tuhosť + zotrvačnosť pri 20:1 |
| 5-osová os B, ťažká (stôl 100 kg) | 300 – 600 | 20:1 | IP54/65 | 44 | EP-ZDS-142 | Kríženie pri 352 N·m; ťažký Inconel/Ti |
| Otočný stôl HMC, zaplavenie chladiacou kvapalinou | 400 – 900 | 16–25:1 | IP65 | 44 – 130 | EP-ZDS-142/190 | IP65 + najvyšší Ct + vysoký krútiaci moment |
| Sústružnícko-frézovacia os C, presné indexovanie | 50 – 200 | 10–16:1 | IP54 | 12 – 38 | EP-ZDE-160 | BL <8; enkodér poskytuje presnosť ±15″ |
| Portálový mlynček s osou A, hlava 60 kg | 250 – 500 | 16–20:1 | IP54 | 20 – 44 | EP-ZDS-115/142 | Gravitačné držanie + rezný krútiaci moment |
| VMC 4. os, obrobok s hmotnosťou 30 kg | 80 – 200 | 10–16:1 | IP54 | 12 | EP-ZDE-120 | Nákladovo efektívne; ľahký prerušovaný rez |
| 4. os VMC, odkrytá chladiaca kvapalina | 100 – 250 | 16:1 | IP65 | 20 | EP-ZDS-115 | Primárne krytie IP65; Ct postačujúce pre záťaž |
| EDM rotačná os C (presná) | 10 – 50 | 5–10:1 | IP54 | 38 | EP-ZDE-160 | BL <8; dielektrická kvapalina, nie chladiaca kvapalina |
| Laserový rotačný nadstavec (svetlo) | 5–30 | 3–8:1 | IP54 | 4.5 | EP-ZDE-80 | Priorita rýchlosti + nízkej hmotnosti; ľahké zaťaženie |
| Indexovanie prenosového potrubia, oplachovanie IP65 | 500 – 1 800 | 16–25:1 | IP65 | 44 – 130 | EP-ZDS-142/190 | Najvyšší krútiaci moment + IP65 + Ct |
Kompenzácia vôle CNC – čo dokáže a čo nemôže opraviť
Moderné CNC riadiace systémy (Fanuc séria 30i/31i/32i, Siemens SINUMERIK 840D, Heidenhain TNC 640) obsahujú kompenzáciu vôle, ktorá pri každej zmene smeru naprogramuje protipohyb, aby sa pred obnovením zadanej trajektórie zabezpečila mŕtva zóna. Táto schopnosť však nevylučuje potrebu nízkej vôle – rozširuje presnosť danej špecifikácie vôle na vyššie posuvy a zložitejšie trajektórie.
- Statická chyba polohovania pri nízkych posuvoch (<500 mm/min), kde má servo slučka čas na vykonanie kompenzačného impulzu pred obnovením trajektórie
- Systematická uhlová chyba počas pomalej kruhovej interpolácie – riadenie presne vie, kedy sa smer zmení a v tomto bode použije kompenzáciu
- Opakovateľnosť medzi indexmi pri nízkej rýchlosti – každý index sa dokončí z rovnakého smeru priblíženia s aktívnou kompenzáciou
- Elastické torzné vychýlenie pri reznom zaťažení – ide o problém tuhosti, nie o problém s vôľou, a kompenzačný algoritmus nemá žiadne informácie o aplikovanom krútiacom momente.
- Chyby kruhovej interpolácie pri vysokých rýchlostiach kontúry (> 2 000 mm/min) vytvára kompenzačný impulz diskontinuitu rýchlosti, ktorá sa prejavuje ako povrchová stopa
- Vibrácie z rezonancie hnacieho ústrojenstva vyvolané samotným kompenzačným impulzom
- Akékoľvek dynamické zníženie presnosti – kompenzácia pôsobí iba v kvázistatických bodoch zmeny smeru
Praktické rady pre kórejských výrobcov CNC obrábacích strojov: V CNC programe štandardne zadajte kompenzáciu vôle pre všetky operácie s rotačnými osami. Nastavte hodnotu kompenzácie z certifikátu výrobcu prevodovky (napríklad: 7,5 oblúkových minút meraných pri menovitom krútiacom momente ±3%). Znovu zmerajte pri intervale údržby 5 000 hodín a aktualizujte hodnotu kompenzácie, ak došlo k nárastu vôle – zastaraná hodnota kompenzácie je horšia ako žiadna kompenzácia, pretože nadmerne kompenzuje a zavádza systematickú chybu polohovania v opačnom smere.
Kontrolný zoznam špecifikácií prevodovky s rotačnou osou CNC – 8 parametrov, ktoré je potrebné overiť pred objednaním
Vypočítajte maximálny rezný krútiaci moment pri najhoršom prípade prevádzky (najväčší rezný nástroj, najtvrdší materiál, najväčšia hĺbka rezu). Použite SF = 1,5 pre hladké rezy, 2,0 pre prerušované rezy, 2,5 pre ťažké prerušované rezy v náročných materiáloch.
Z tolerancie dielu a polomeru rezu: θ_max = arctan(tolerancia/R). Potom Ct_required = T_peak / θ_max. Ak Ct_required presiahne 38 N·m/arcmin (maximum ZDE-160), špecifikujte sériu EP-ZDS.
Pomocou tabuľky v module 2 zistite, či je hodnota <8 arcmin (štandard EP-ZDE/ZDS) dostatočná pre váš polomer rezu a toleranciu. Ak nie, overte, či sa použije kompenzácia vôle a či je výsledná kompenzovaná chyba v rámci tolerancie.
Určite, či je prevodovka vystavená priamemu pôsobeniu chladiacej kvapaliny, nepriamemu striekaniu alebo iba hmle. IP54 len pre hmlu/striekanie. IP65 pre akýkoľvek priamy prúd alebo záplavu chladiacej kvapaliny.
Vypočítajte J_zaťaženie pre všetky rotujúce prvky plus odrazenú lineárnu hmotnosť. Nájdite i_optimálne = √(J_zaťaženie / J_motor). Vyberte najbližší štandardný pomer EP, ktorý spĺňa požiadavky na zotrvačnosť aj krútiaci moment.
V prípade otočných stolov a čapov: overte, či zložka gravitácie pri maximálnom uhle sklonu v kombinácii s radiálnou zložkou reznej sily nepresahuje limity výstupného ložiska prevodovky. Axiálne EP-ZDS: 12 000 – 28 000 N. Axiálne EP-ZDE-160: 3 000 N.
Overte, či n_motora = n_výstup × i ≤ 3 000 ot./min (odporúčané) a ≤ 4 500 ot./min (maximálne) pri maximálnej požadovanej rýchlosti indexovania. Rotačné osi CNC zriedka pracujú s výstupnou rýchlosťou nad 100 ot./min – rýchlosť zvyčajne nie je záväzným obmedzením.
Pri objednávke uveďte model motora pre sériu EP, aby ste dodali zodpovedajúcu vstupnú prírubu. Pre pravouhlé konfigurácie (ZDWE/ZDWF) uveďte smer výstupu motora (L/R/U/D). Pri inštalácii overte súosovosť ≤ 0,02 mm TIR, aby ste predišli poruche vstupného ložiska.
Spoločnosť Korea Ever-Power, ktorá sa zaoberá aplikačným inžinierstvom, poskytuje kompletnú špecifikáciu rotačných CNC osí vrátane požiadavky na Ct z tolerancie vášho dielu, tabuľky presnosti vôle pre váš polomer rezu, posúdenia krytia IP a optimalizácie prevodového pomeru – v kórejčine a angličtine. Pre kompletné odporúčanie špecifikácie uveďte typ osi, rezný krútiaci moment, požiadavky na toleranciu a chladiace prostredie.
Zobraziť špecifikácie →
Redaktor: Cxm
