От механики к мехатронике
Классическая формула «Хочу все знать», конечно же, не более чем гипербола, преувеличение — все знать невозможно. Но есть в мире науки и техники некоторые особо важные общие явления, о которых каждому надо бы иметь хотя бы некоторое представление. В числе таких общих и особо важных явлений — использование электрических процессов вместо механических.
Рассказывая о том, как электричество вытесняет механику, можно привести немало иллюстраций. Возьмите, к примеру, вычислительную технику, она начинала с чисто механических приборов с рычажками и шестеренками, но истинного совершенства достигла, сменив механические процессы на электрические. Еще один пример: звучащая речь, то есть механические колебания воздуха, превратившись в электрический сигнал, проходит тысячи километров по телефонному кабелю и сохраняется на века в магнитофонной кассете. В числе последних побед электричества, довольно большая область, которую (трудно сказать почему) назвали мехатроникой — у нее уже есть практические достижения в прецизионном станкостроении.
Радуясь яркому электрическому освещению улиц или огорчаясь из-за длинной очереди за авиабилетами, мы вряд ли задумываемся о том, что возможности энергетики и авиации, как и большинства других областей техники, во многом зависят от успехов станкостроения. В нынешней технике, в машинах больших скоростей, огромных давлений, сильных нагрузок, высоких оборотов очень часто нужны детали, изготовленные с высочайшей точностью. Так, скажем, для таких массовых и сложных по форме деталей, как лопатка турбины мощного авиадвигателя, отклонения в несколько микрон (микрометров, сокращенно мкм; 1 мкм = 0,001 мм) уже недопустимы. А что такое микрон, можно почувствовать, взглянув с торца на этот лист бумаги, его толщина примерно 50 мкм.
Станки, обрабатывающие детали с микронной точностью, — машины сложные и дорогие. Но даже очень высокая, сверхвысокая плата за точность не позволяет заметно отодвинуть некоторый непреодолимый барьер. Так, в частности, лучшие фрезерные станки могут обработать деталь по контуру, придать ей необходимую сложную форму (типичный пример такой детали — все та же лопатка турбины) с точностью порядка 10 мкм. Когда же нужна более высокая точность, деталь доводят вручную.
Если подсчитать, то наверняка окажется, что в мире на ручную доводку деталей машин ежегодно тратятся миллионы часов рабочего времени, миллиарды рублей, долларов, марок, франков, лир. И поэтому повышение точности металлообрабатывающих станков — одна из ключевых проблем в современном станкостроении.
Неизбежные погрешности при обработке деталей резанием, в частности, при фрезеровании, связаны с тем, что в каждом станке есть немало узлов, передающих движение от электродвигателя к режущему инструменту и к обрабатываемой детали, — ее нужно поворачивать или перемещать, подводя к резцу тот или иной обрабатываемый участок. Из-за самых ничтожных люфтов в узлах, передающих движение от электродвигателя, если только в механизмах не применяется продукция WEG купить и устанавливать которую крайне необходимо для обеспечения длительной и бесперебойной работы, в их шестернях, подшипниках, червячных передачах накапливается погрешность как минимум в несколько микрон. Более того, через некоторое время высокоточный станок из-за неизбежного износа деталей трансмиссии снижает свою точность и в итоге переходит из изначально высокого класса в более низкий.
В мировом станкостроении уже много десятилетий идет трудная борьба за точность металлообработки. В последние годы станкостроители подошли, казалось бы, к пределу, когда каждый микрон отвоевывается длительной осадой и требует огромных затрат. Именно поэтому такой интерес вызвали идеи мехатроники, обещающие прорыв на почти застывшем фронте, обещающие значительное и быстрое повышение класса точности станков. Причем, как говорится, прорыв малой кровью, без чрезвычайно дорогих традиционных методов. Более того, мехатроника позволяет заметно, в несколько раз, повысить точность обработки деталей, и при этом станок становится в несколько раз проще, дешевле, легче.
Принцип мехатроники внешне прост: деталь, которую нужно вращать, сажают прямо на ось специального синхронного электрического двигателя, исключив при этом все шестеренчатые передачи, в частности, редукторы, понижающие скорость вращения.
Точно так же прямо с электродвигателя передается вращение на шпиндельную головку, в которой установлен режущий инструмент. К каждому электродвигателю подводят «персональное» питающее напряжение с электронного блока, который можно считать главным действующим лицом всей мехатронной системы. Управляя частотой и самим характером питающего напряжения, удается осуществлять все необходимые движения режущего инструмента и обрабатываемой детали. При этом в полной мере проявляются достоинства электрических систем — точным дозированием электрической энергии удается значительно уменьшить погрешность, характерную для механического привода, даже прецизионного.
Здесь можно провести некоторую аналогию с эволюцией электропроигрывателей — устройств для воспроизведения грамзаписи. Еще недавно в них в основном использовался высокооборотный асинхронный двигатель A400 оборотов в минуту), от него с помощью пассиков или обрезиненных роликов вращение передавалось на диск, на котором лежит сама граммофонная пластинка. При этом с помощью механических переключений частота вращения пластинки понижалась до одной из трех стандартных величин — 33, 45 или 78 оборотов в минуту. Из-за неизбежных люфтов и проскальзывания в механической системе передачи вращения появлялись некоторая нестабильность, неравномерность вращения диска, а вместе с этим и искажения звука, в частности, его «плавание». Качественный скачок позволила сделать так называемая система «директ драйв» — прямого привода. Здесь механические посредники просто исключены из системы — диск, на который кладут пластинку, сидит непосредственно на оси тихоходного синхронного двигателя, а он получает питание от электронного генератора, который входит в электропроигрыватель. Частота этого генератора жестко стабилизирована, и это обеспечивает высокую стабильность вращения пластинки. Кроме того, меняя частоту питающего тока (простым переключением электрических элементов в генераторе), можно выбрать одну из трех стандартных скоростей вращения.
В мехатронных станках в принципе происходит то же самое, однако количественные характеристики просто несоизмеримы — достаточно сказать, что ротор синхронного двигателя в одном из отечественных мехатронных станков может вращаться со скоростью до 0,03 оборота в минуту (примерно два оборота за час). Кроме того, усилия, которые должен развивать двигатель мехатронного станка измеряются не граммами, как в электропроигрывателе, а тоннами.
Это непростое дело — объединить в одной электрической машине высокую мощность с прецизионной точностью. В металлорежущих станках, в частности во фрезерных, кроме вращательного дви- жения, нужно обеспечить еще и линейное перемещение, например, двигать резец вперед-назад или вверх-вниз. Сейчас это лучше всего осуществляется с помощью шарико-винтовых систем — электродвигатель вращает длинный вал с винтовой резьбой, и в результате вдоль вала перемещается своего рода «гайка» — головка с шариками, погруженными в резьбу (такое подвижное сочленение с использованием шариков чем-то напоминает шарнир равных угловых скоростей (см. «Наука и жизнь» № 4, 1990 г.). И здесь, применив идею «директ драйв» (прямой привод), можно заметно повысить точность обработки — прецизионный синхронный двигатель позволит очень точно дозировать поворот винтового вала, а значит, и само линейное перемещение. Однако создатели мехатронных станков главные свои надежды связывают с будущим специальным линейным двигателем — это как бы развернутый, вытянутый в одну линию синхронный электромотор, на который с электронного блока подается питающее напряжение с заданными параметрами. Именно они определят перемещение подвижной части линейного двигателя, которую условно можно назвать ротором.
В мехатронных станках, как и в нынешних традиционных, классических, важную роль играют датчики перемещений. Датчики определяют реальное положение режущего инструмента и самой обрабатываемой детали и тем самым фактически контролируют работу электрического привода, контролируют и корректируют. Точность современных датчиков очень высока, они позволяют определить положение инструмента или детали с точностью до долей микрона. Но классический станок не может воспользоваться столь высокой точностью, он в состоянии дозировать перемещения порциями не менее чем десяток микрон. Даже мехатронный агрегат, хотя и действует в несколько раз точнее чисто механического, пока еще к пределу возможностей датчиков не пришел. Но, как надеются специалисты, со временем придет.
Мехатронные станки прошли классический, к сожалению, для нашей промышленности путь — много лет ушло на то, чтобы пробиться, чтобы пройти от идеи к работающей машине. Идею выдвинули и разработали чуть ли не двадцать лет назад молодые тогда станкостроитель и электромеханик, ныне кандидат технических наук Лев Ефимович Крайтман, главный инженер одесского НПО «Микрон», и Валерий Геннадиевич Коган, доктор технических наук, руководитель Лаборатории воспроизведения движений Новосибирского электротехнического института. Прошли годы, и вот сейчас коллектив единомышленников, преодолев массу естественных и противоестественных трудностей, одержал первые победы — в объединении «Микрон» испытаны первые макетные образцы и завершается изготовление первого в стране мехатронного станка — сверлильно-фрезерного. Уникальные синхронные двигатели мехатронных станков, их системы электропитания и управления созданы новосибирскими учеными. Но, как известно, из песни слова не выкинешь — некоторые зарубежные станкостроительные фирмы, начавшие заниматься мехатроникой позже советских инженеров, получили реальные, практические результаты раньше нас. Правда, крупных мехатронных станков, таких, какой создан на «Микроне», построить не удалось никому.
По своим возможностям первый наш мехатронный станок, казалось бы, близок к хорошо известному в стране серийному станку 2204ВМФ4, выпускаемому объединением «Микрон». Но давайте сравним основные параметры этих станков — мехатронный станок обеспечивает переход в следующий, более высокий класс точности — из класса В в класс А; у обычного станка точность линейного позиционирования 16 мкм, у мехатронного — 10 мкм; точность углового позиционирования соответственно — 16 и 6 угловых секунд; при этом мехатронный станок занимает в цехе вдвое меньшую площадь, в нем в два раза меньше оригинальных деталей, и, наконец, он в два-три раза производительнее.
Станкостроители «Микрона», сотрудничая со многими советскими и зарубежными предприятиями, надеются вскоре сделать свой первый мехатронный станок серийной продукцией объединения. А в конструкторском бюро и на экспериментальных участках уже отрабатывают и исследуют еще одну принципиально новую систему, которой дали неофициальное имя «Шестиног». Здесь используется главная идея мехатроники — прямой привод, а главное «действующее лицо» — мехатронный узел линейного перемещения, или, как его официально называют, механизм подачи. Шесть таких механизмов (отсюда и название «Шестиног»), управляемых компьютером, осуществляют любое необходимое перемещение детали, закрепленной на поворотном столе, тоже мехатронном.
Такая система, как считают ее создатели, даст очень высокий выигрыш и в точности обработки, и в размерах, массе и стоимости станка. К тому же в ней в полной мере может быть реализован блочный принцип, особо близкий нашим пионерам мехатроники,— из нескольких типовых блоков могут быть созданы самые разные станки, станки высокоточные, надежные, технологичные.
Р. Сворень, специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь».
По материалам журнала «Человек и закон» № 12 1990 г.
