Przegląd uszkodzeń układów napędowych suportów centrów obróbczych

Z artykułu dowiesz się:

• z czego składa się układ napędowy;
• jakie są najczęstsze uszkodzenia układów napędowych;
• jakimi metodami można przeprowadzić diagnostykę uszkodzeń.

Te najważniejsze elementy centrów obróbczych, jakimi są systemy napędowe, umożliwiają skuteczną obróbkę materiałów poprzez zapewnienie ruchu poszczególnych osi, kontrolując prędkości i moment obrotowy. Kluczowym czynnikiem zapewniającym sprawne działanie centrów obróbczych jest funkcjonalność ich układów napędowych.

Stan tych układów bezpośrednio wpływa na osiągane parametry oraz dokładność wykonanych detali. Dlatego zrozumienie głównych rodzajów uszkodzeń układów napędowych oraz ich wpływu na efektywność obróbki staje się niezmiernie istotne dla utrzymania wysokiej jakości produkcji. Przejrzysta analiza problemów z napędami umożliwia szybką interwencję i minimalizuje ryzyko poważniejszych zakłóceń w procesie produkcyjnym. W konsekwencji ścisła kontrola oraz regularne konserwacje układów napędowych są nieodzowne, aby zapewnić bezproblemowe działanie centrów obróbczych i osiągać oczekiwane standardy jakości.

Podstawowe elementy układów napędowych

Układy napędowe suportów centrum obróbczego składają się z kilku kluczowych elementów. Współdziałają ze sobą w celu zapewnienia płynnego i precyzyjnego przemieszczania narzędzia obróbczego a także obrabianego materiału.

• Serwosilnik i sterownik serwonapędu: Serwosilnik jest silnikiem elektrycznym, który generuje energię mechaniczną do poruszania suportem. Sterownik serwonapędu kontroluje działanie serwosilnika, zapewniając precyzyjne pozycjonowanie i szybkość ruchu.
• Układ przekładniowy: Przekładnie przekazują energię z silnika napędowego do głównych mechanizmów poruszających suportem. Mogą to być przekładnie zębate, pasowe, łańcuchowe lub bezpośrednie układy napędowe, dostosowane do wymagań momentu obrotowego, prędkości i precyzji przemieszczeń.
• Śruba kulowa: Jest kluczowym elementem umożliwiającym płynne i precyzyjne przemieszczanie się osi centrum obróbczego. Składa się z trapezowej śruby i nakrętki kulowej, które przekształcają ruch obrotowy w ruch postępowy. Umożliwiają płynne przemieszczanie się suportu wzdłuż osi. Śruba ta łączy się z pozostałymi elementami układu z wykorzystaniem łożysk, najczęściej skośnych. Zapewniją niskie opory ruchu, odpowiednie podparcie oraz eliminując luz osiowy.
• Prowadnice liniowe: Zapewniają stabilność i płynność ruchu suportu, minimalizując tarcie i gwarantując precyzyjne prowadzenie. Składają się z prowadnicy i prowadzącego wózka. Prowadnica jest elementem sztywnym, natomiast wózek prowadzący porusza się wzdłuż prowadnicy, umożliwiając płynne przemieszczanie się suportu.

Rys. 1. Przykładowa koncepcja konstrukcji układów napędowych 5-osiowego centrum obróbczego

Typowe uszkodzenia układów napędowych

Uszkodzenia układów napędowych stanowią istotne wyzwanie dla służb utrzymania ruchu, które mają za zadanie zapewnić sprawne funkcjonowanie centrów obróbczych. W niniejszym artykule skupimy się na identyfikacji najczęstszych uszkodzeń układów napędowych a także na ich potencjalnych przyczynach.

Typowe uszkodzenia elementów elektrycznych [1-2]

Sterowniki serwonapędu są narażone na różnorodne awarie. Mogą one być spowodowane przegrzaniem, przepięciami, uszkodzeniami elektrycznymi, błędami programistycznymi lub też innymi czynnikami zewnętrznymi. Awaria sterownika serwonapędu może prowadzić do utraty kontroli nad serwosilnikiem lub choćby spowodować uszkodzenie samego serwosilnika.

Łożyska w serwosilnikach są narażone na duże obciążenia i częste cykle pracy. Ich awaria może prowadzić do nadmiernego hałasu, drgań oraz w końcu do całkowitego zatrzymania serwosilnika. Regularna konserwacja i wymiana zużytych łożysk są najważniejsze dla utrzymania sprawnego działania serwosilnika.

Hamulce serwosilnika są istotne dla zapewnienia zatrzymania się układów napędowych centrum obróbczego w sytuacji, gdy napędy zostaną wyłączone lub zasilanie zostanie odłączone. Ich awaria może prowadzić do niekontrolowanego ruchu osi centrum obróbczego. To z kolei zwiększa ryzyko uszkodzenia obrabianego materiału, maszyny lub też choćby zagrożenia dla personelu. Przyczynami awarii hamulców mogą być: zużycie materiałów, uszkodzenia mechaniczne lub też nieprawidłowa regulacja.

Uszkodzenia uzwojeń silnika lub kabli mogą prowadzić do utraty mocy, przegrzewania się silnika. W skrajnych przypadkach choćby do zwarcia czy też pożaru. Najczęściej uszkodzenia spowodowane są przez nadmierne obciążenie serwosilnika, skoki napięcia czy też nieprawidłową pracę układu chłodzenia. W przypadku okablowania najczęściej dochodzi o uszkodzeń mechanicznych. Regularna inspekcja stanu kabli i uzwojeń jak również odpowiednie zabezpieczenia przed uszkodzeniami mechanicznymi są najważniejsze dla zapewnienia niezawodności układu napędowego.

Zabrudzenia, takie jak:

• wióry metalu,
• chłodziwa,
• oleje obróbcze,
• inne zanieczyszczenia, na przykład glinki w przypadku obróbki odlewów,

mogą przedostać się do wnętrza serwosilników oraz łożysk. To prowadzi do zwiększonego zużycia, nagrzewania się oraz skracania żywotności tych elementów, a choćby może doprowadzić do zwarcia elektrycznego. Regularne czyszczenie i konserwacja są konieczne dla zapobiegania tego rodzaju uszkodzeniom.

Rys. 2. Schemat ideowy układu napędowego

Typowe uszkodzenia elementów mechanicznych [3-4]

Złuszczanie śruby kulowej jest procesem, podczas którego powierzchnia bieżni śruby kulowej oraz nakrętki kulowej, a także powierzchnia elementów tocznych, ulegają łuszczeniu się z powodu zmęczenia materiału.

Istnieje kilka potencjalnych przyczyn tego zjawiska:

• Upływ naturalnego okresu przydatności śruby kulkowej. W miarę użytkowania śruby kulowej, materiał może ulec zmęczeniu, co prowadzi do złuszczania się powierzchni.
• Niewłaściwy montaż (niewspółosiowość). jeżeli montaż śruby kulowej nie jest dokładny, może to prowadzić do niewłaściwego obciążenia oraz niejednolitego zużycia, co może skutkować złuszczaniem.
• Niedostateczne smarowanie lub niewłaściwy smar. Brak smarowania lub niewystarczające smarowanie może prowadzić do nadmiernego tarcia oraz zużycia powierzchni, co z kolei może powodować złuszczanie się elementów.
• Konsekwencja wgniecenia lub wżerów korozyjnych. Wgniecenia lub wżery korozyjne mogą powodować nieregularności na powierzchniach, co może przyczynić się do złuszczania.
• Wniknięcie zanieczyszczeń lub wody. Zanieczyszczenia, a zwłaszcza woda, mogą powodować korozję i nadmierne zużycie powierzchni, co prowadzi do złuszczania.

Zużycie śruby kulowej może być spowodowane przez silne tarcie, które prowadzi do poważnego zużycia na powierzchni styku bieżni. Poniżej przedstawiono możliwe przyczyny tego typu uszkodzenia:

• Niedostateczne smarowanie: brak smarowania lub niewystarczające smarowanie może prowadzić do nadmiernego tarcia na powierzchni styku, co przyczynia się do jego zużycia.
• Wniknięcie zanieczyszczeń: zanieczyszczenia mogą powodować uszkodzenia powierzchni przez działanie tarcia i ścierania.
• Niedokładny montaż (niewspółosiowość): montaż śruby kulowej może być przeprowadzony nieprecyzyjnie, co może prowadzić do nierównomiernego obciążenia i zużycia powierzchni.

Korozja cierna

Korozja cierna to rodzaj zużycia wywołany powtarzalnym tarciem o niewielkiej amplitudzie pomiędzy stykającymi się powierzchniami. Objawia się poprzez czerwonobrązowe lub czarne cząstki zużycia pomiędzy stykającymi się powierzchniami kulek i bieżni. Poniżej przedstawiono możliwą przyczynę korozji ciernej:

• Całkowite wyschnięcie smaru ze względu na oscylację o małej amplitudzie: Oscylacja o małej amplitudzie może powodować zbyt słabe lub nieefektywne rozprowadzenie smaru, co z kolei sprzyja korozji ciernej.