« Exigences et mesures d'optimisation pour le mécanisme de transmission d'avance des machines-outils à commande numérique »
Dans l'industrie manufacturière moderne, les machines-outils CNC sont devenues des équipements d'usinage essentiels grâce à leurs atouts tels que leur haute précision, leur rendement élevé et leur haut degré d'automatisation. Le système de transmission d'avance des machines-outils CNC fonctionne généralement avec un servomoteur, qui joue un rôle crucial. Selon les instructions transmises par le système CNC, celui-ci amplifie puis contrôle le mouvement des composants d'actionnement. Il doit non seulement contrôler avec précision la vitesse d'avance, mais aussi la position et la trajectoire de l'outil par rapport à la pièce.
Un système d'avance à commande en boucle fermée typique d'une machine-outil CNC se compose principalement de plusieurs éléments, tels qu'un comparateur de position, des composants d'amplification, des unités d'entraînement, des mécanismes de transmission d'avance mécaniques et des éléments de retour de détection. Parmi ces éléments, le mécanisme de transmission d'avance mécanique constitue l'ensemble de la chaîne de transmission mécanique qui convertit le mouvement rotatif du servomoteur en mouvement d'avance linéaire de la table de travail et du porte-outil, incluant les réducteurs, les paires de vis-mères et d'écrous, les composants de guidage et leurs supports. Maillon essentiel du système d'asservissement, le mécanisme d'avance des machines-outils CNC doit non seulement offrir une grande précision de positionnement, mais aussi une bonne réponse dynamique. La réponse du système aux signaux d'instruction de suivi doit être rapide et sa stabilité optimale.
Pour garantir la précision de la transmission, la stabilité du système et les caractéristiques de réponse dynamique du système d'alimentation des centres d'usinage verticaux, une série d'exigences strictes sont posées au mécanisme d'alimentation :
I. Exigence d'absence d'espace
L'écart de transmission peut entraîner une erreur de zone morte inverse et affecter la précision de l'usinage. Pour éliminer autant que possible cet écart, des méthodes telles que l'utilisation d'un arbre de liaison avec élimination de l'écart et de paires de transmission avec mesures d'élimination de l'écart peuvent être adoptées. Par exemple, pour la paire vis-mère-écrou, la méthode de précharge à double écrou permet d'éliminer l'écart en ajustant la position relative des deux écrous. Parallèlement, pour les pièces telles que les transmissions par engrenages, des méthodes telles que le réglage de cales ou d'éléments élastiques peuvent également être utilisées pour éliminer l'écart et garantir la précision de la transmission.
L'écart de transmission peut entraîner une erreur de zone morte inverse et affecter la précision de l'usinage. Pour éliminer autant que possible cet écart, des méthodes telles que l'utilisation d'un arbre de liaison avec élimination de l'écart et de paires de transmission avec mesures d'élimination de l'écart peuvent être adoptées. Par exemple, pour la paire vis-mère-écrou, la méthode de précharge à double écrou permet d'éliminer l'écart en ajustant la position relative des deux écrous. Parallèlement, pour les pièces telles que les transmissions par engrenages, des méthodes telles que le réglage de cales ou d'éléments élastiques peuvent également être utilisées pour éliminer l'écart et garantir la précision de la transmission.
II. Exigence de faible frottement
L'adoption d'une méthode de transmission à faible frottement peut réduire les pertes d'énergie, améliorer l'efficacité de la transmission et contribuer à optimiser la vitesse de réponse et la précision du système. Les méthodes de transmission à faible frottement les plus courantes comprennent les guides hydrostatiques, les guides à roulement et les vis à billes.
L'adoption d'une méthode de transmission à faible frottement peut réduire les pertes d'énergie, améliorer l'efficacité de la transmission et contribuer à optimiser la vitesse de réponse et la précision du système. Les méthodes de transmission à faible frottement les plus courantes comprennent les guides hydrostatiques, les guides à roulement et les vis à billes.
Les guides hydrostatiques forment un film d'huile sous pression entre les surfaces de guidage pour un glissement sans contact avec un frottement extrêmement faible. Les guides à roulement remplacent le glissement par le roulement d'éléments roulants sur les rails de guidage, réduisant ainsi considérablement le frottement. Les vis à billes sont des composants importants qui convertissent le mouvement rotatif en mouvement linéaire. Les billes roulent entre la vis mère et l'écrou avec un faible coefficient de frottement et une efficacité de transmission élevée. Ces composants de transmission à faible frottement peuvent réduire efficacement la résistance du mécanisme d'avance pendant le mouvement et améliorer les performances du système.
III. Exigence d'une faible inertie
Pour améliorer la résolution de la machine-outil et optimiser l'accélération de la table de travail afin de respecter les instructions, le moment d'inertie transmis à l'arbre d'entraînement par le système doit être le plus faible possible. Pour ce faire, il est nécessaire de sélectionner un rapport de transmission optimal. Un choix judicieux permet de réduire le moment d'inertie du système tout en respectant les exigences de vitesse et d'accélération de la table. Par exemple, lors de la conception d'un réducteur, un rapport de transmission ou de poulie adapté aux besoins réels peut être sélectionné pour adapter la vitesse de sortie du servomoteur à la vitesse de déplacement de la table, tout en réduisant le moment d'inertie.
Pour améliorer la résolution de la machine-outil et optimiser l'accélération de la table de travail afin de respecter les instructions, le moment d'inertie transmis à l'arbre d'entraînement par le système doit être le plus faible possible. Pour ce faire, il est nécessaire de sélectionner un rapport de transmission optimal. Un choix judicieux permet de réduire le moment d'inertie du système tout en respectant les exigences de vitesse et d'accélération de la table. Par exemple, lors de la conception d'un réducteur, un rapport de transmission ou de poulie adapté aux besoins réels peut être sélectionné pour adapter la vitesse de sortie du servomoteur à la vitesse de déplacement de la table, tout en réduisant le moment d'inertie.
De plus, une conception légère peut être adoptée et des matériaux plus légers peuvent être sélectionnés pour la fabrication des composants de transmission. Par exemple, l'utilisation de matériaux légers comme l'alliage d'aluminium pour la fabrication des paires vis-mères-écrous et des composants de guidage peut réduire l'inertie globale du système.
IV. Exigence de rigidité élevée
Un système de transmission à haute rigidité garantit la résistance aux interférences externes pendant le traitement et maintient une précision de traitement stable. Pour améliorer la rigidité du système de transmission, les mesures suivantes peuvent être prises :
Raccourcir la chaîne de transmission : la réduction du nombre de maillons de transmission permet de réduire la déformation élastique du système et d'améliorer sa rigidité. Par exemple, l'entraînement direct de la vis mère par le moteur permet d'économiser les maillons de transmission intermédiaires, de réduire les erreurs de transmission et la déformation élastique, et d'améliorer la rigidité du système.
Amélioration de la rigidité du système de transmission par précontrainte : Pour les guidages à rouleaux et les paires de vis à billes, une méthode de précontrainte permet de générer une précontrainte entre les éléments roulants et les rails de guidage ou les vis mères afin d'améliorer la rigidité du système. Le support de vis mère est conçu pour être fixé aux deux extrémités et peut être pré-étiré. L'application d'une précontrainte à la vis mère permet de contrer la force axiale en fonctionnement et d'améliorer sa rigidité.
Un système de transmission à haute rigidité garantit la résistance aux interférences externes pendant le traitement et maintient une précision de traitement stable. Pour améliorer la rigidité du système de transmission, les mesures suivantes peuvent être prises :
Raccourcir la chaîne de transmission : la réduction du nombre de maillons de transmission permet de réduire la déformation élastique du système et d'améliorer sa rigidité. Par exemple, l'entraînement direct de la vis mère par le moteur permet d'économiser les maillons de transmission intermédiaires, de réduire les erreurs de transmission et la déformation élastique, et d'améliorer la rigidité du système.
Amélioration de la rigidité du système de transmission par précontrainte : Pour les guidages à rouleaux et les paires de vis à billes, une méthode de précontrainte permet de générer une précontrainte entre les éléments roulants et les rails de guidage ou les vis mères afin d'améliorer la rigidité du système. Le support de vis mère est conçu pour être fixé aux deux extrémités et peut être pré-étiré. L'application d'une précontrainte à la vis mère permet de contrer la force axiale en fonctionnement et d'améliorer sa rigidité.
V. Exigence d'une fréquence de résonance élevée
Une fréquence de résonance élevée permet au système de revenir rapidement à un état stable en cas d'interférences externes et offre une bonne résistance aux vibrations. Pour améliorer la fréquence de résonance du système, les aspects suivants peuvent être pris en compte :
Optimiser la conception structurelle des composants de transmission : concevoir de manière rationnelle la forme et la taille des composants de transmission, tels que les vis-mères et les rails de guidage, afin d'améliorer leurs fréquences naturelles. Par exemple, l'utilisation d'une vis-mère creuse peut réduire le poids et améliorer la fréquence naturelle.
Sélectionnez des matériaux appropriés : Sélectionnez des matériaux à module d'élasticité élevé et à faible densité, tels que l'alliage de titane, etc., qui peuvent améliorer la rigidité et la fréquence naturelle des composants de transmission.
Augmentation de l'amortissement : une augmentation appropriée de l'amortissement du système permet de réduire l'énergie vibratoire, de réduire le pic de résonance et d'améliorer la stabilité du système. L'amortissement du système peut être augmenté en utilisant des matériaux amortissants et en installant des amortisseurs.
Une fréquence de résonance élevée permet au système de revenir rapidement à un état stable en cas d'interférences externes et offre une bonne résistance aux vibrations. Pour améliorer la fréquence de résonance du système, les aspects suivants peuvent être pris en compte :
Optimiser la conception structurelle des composants de transmission : concevoir de manière rationnelle la forme et la taille des composants de transmission, tels que les vis-mères et les rails de guidage, afin d'améliorer leurs fréquences naturelles. Par exemple, l'utilisation d'une vis-mère creuse peut réduire le poids et améliorer la fréquence naturelle.
Sélectionnez des matériaux appropriés : Sélectionnez des matériaux à module d'élasticité élevé et à faible densité, tels que l'alliage de titane, etc., qui peuvent améliorer la rigidité et la fréquence naturelle des composants de transmission.
Augmentation de l'amortissement : une augmentation appropriée de l'amortissement du système permet de réduire l'énergie vibratoire, de réduire le pic de résonance et d'améliorer la stabilité du système. L'amortissement du système peut être augmenté en utilisant des matériaux amortissants et en installant des amortisseurs.
VI. Exigence d'un taux d'amortissement approprié
Un taux d'amortissement approprié permet au système de se stabiliser rapidement après une perturbation, sans atténuation excessive des vibrations. Pour obtenir un taux d'amortissement approprié, il est possible de le contrôler en ajustant les paramètres du système, tels que ceux de l'amortisseur et le coefficient de frottement des composants de la transmission.
Un taux d'amortissement approprié permet au système de se stabiliser rapidement après une perturbation, sans atténuation excessive des vibrations. Pour obtenir un taux d'amortissement approprié, il est possible de le contrôler en ajustant les paramètres du système, tels que ceux de l'amortisseur et le coefficient de frottement des composants de la transmission.
En résumé, pour répondre aux exigences strictes des mécanismes de transmission d'avance des machines-outils CNC, une série de mesures d'optimisation doivent être prises. Ces mesures permettent non seulement d'améliorer la précision et l'efficacité d'usinage des machines-outils, mais aussi d'en renforcer la stabilité et la fiabilité, contribuant ainsi fortement au développement de la fabrication moderne.
Dans les applications pratiques, il est également nécessaire de prendre en compte de manière exhaustive divers facteurs en fonction des besoins d'usinage spécifiques et des caractéristiques des machines-outils, afin de sélectionner le mécanisme de transmission d'avance et les mesures d'optimisation les plus adaptés. Parallèlement, grâce aux progrès constants de la science et de la technologie, de nouveaux matériaux, technologies et concepts de conception apparaissent constamment, offrant ainsi un large champ d'amélioration des performances des mécanismes de transmission d'avance des machines-outils à commande numérique. À l'avenir, ces mécanismes continueront de progresser vers une précision, une vitesse et une fiabilité accrues.