اسپیندل

اسپیندل الکتروموتور دور بالا

در ماشین های تراشکاری/برشکاری اسپیندل محور دوار است. لغت “اسپیندل” به معنای چرخنده است و تمام محورهای یک ماشین CNC که دوران میکنند را اسپیندل میگویند. البته در تئوری اسپیندل به شفت ( میله انتقال نیرو ) چرخنده اطلاق میشود ولی عموما به تمام سیستم چرخشی اسپیندل گفته می شود. اسپیندل اصلی دستگاه معمولا موتوری است که برای چرخاندن فرز CNC مورد استفاده قرار میگیرد. در دستگاه های تراشکاری اسپیندل فرعی محور دواری است که قطعه را میچرخاند. اسپیندل ها انواع مختلفی دارند، بسته به گشتاور و سرعت نهایی و البته سیستم تغذیه شان به دسته های متنوعی تقسیم میشوند.

معمولا برای دستگاه های برش اسپیندل های با ۲۰۰۰۰ دور در دقیقه ( حداکثر سرعت ) استفاده میشوند و در حین کار سرعت اسپیندل متغیر است. هر چه سرعت اسپیندل بیشتر باشد می تواند راحتتر براده برداری کند ولی گرمای بیشتری روی فرز ایجاد میشود و عمر آن را کوتاه میکند.

در جدول زیر چند نمونه اسپیندل نمایش داده شده است:

  • موتور و اسپیندل کوچک DC برای دستگاه CNC های کوچک خانگی – پژوهشی
  • اسپیندل به همراه تُرک متر ( Torque Meter )
  • اسپیندل به همراه تُرک متر ( Torque Meter )

ساختار اسپیندل

ساختار کلی اسپیندل شامل:

  • سنسورهای فشار، لرزش، دما برای فیدبک به کنترلر – البته بعضی از کنترلرها از تمام این سنسورها پشتیبانی میکنند.
  • موتور و شَفت و استاتور – بخش حرکتی را تشکیل میدهند.
  • یاتاقان های نگه دارنده شَفت

اسپیندل ها معمولا توسط VFD ( اینورتر ) ها کنترل میشوند و با تغییر فرکانس ورودی سرعت گردش آنها تغییر می کند. اسپیندل ها برای کارهای سنگین مورد استفاده قرار میگیرند و معمولا با بلبورینگ های سرامیکی عرضه میشوند که در مقابل بارهای زیاد مقاومت خوبی دارند. همچنین لنگی شفت بسیار پایینی دارند.

در اندازه ها و شکل های مختلف یافت می شوند و با گشتاور ثابت میتوانند میزان اسب بخاری که روی آنها درج شده را ایجاد کنند.

اسپیندل الکتروموتور دور بالا

اینورتر همیشه در کنار اسپیندل

  • اینورتر یا (dc to ac inventer) در واقع یک نوع مبدل فرکانس برای برق متناوب میباشد.
  • برق متناوب معمولا با فرکانس پنجاه یا شصت هرتز در شبکه وجود دارد.با تغییر فرکانس میتوان میزان دور یک موتور القایی را تغییر داد یعنی وقتی میگوییم موتور سه هزار دور این موتور تنها در فرکانس 50 هرتز سه هزار دور میچرخد اما با تغییر فرکانس میتوان این دور چرخش را تغییر داد.یکی از مهمترین کاربردهای اینورتر در صنعت سی ان سی همین است.یعنی کنترل دور اسپیندل دستگاه سی ان سی.در این مقاله به چگونگی این عملکرد میپردازیم.
  • اینورتر در CNC در بازار چیست . در واقع آن چیزی که در بازار به عنوان اینورتر معروف است بطور دقیق یک درایو فرکانس متغیر میباشد.
  • “درایو فرکانس متغیر یا VFD یک سیستم برای کنترل کردن سرعت چرخش یک موتور AC با کنترل کردن فرکانس برق اعمال شده به موتور الکتریکی است.
  • اینورتر وظیفه کنترل برق را بعهده می گیرد.
  • در اغلب موارد ، درایو فرکانس متغیر شامل یک یکسوساز است به طوری که برق DC مورد نیاز اینوتر از برق AC اصلی تامین می شود. از آنجا که در اینجا اینورتر یک عنصر اصلی است، بعضی اوقات درایو فرکانس متغیر به نام درایو اینورتر یا کلا اینورتر نامیده می شود.”
  • این سیستم برق متناوب 50 هرتز را توسط یک یکسو کننده که با ادوات الکترونیک قدرت مثل دیاک و تریستور کار میکند به یک برق جریان ثابت یا دی سی تبدیل میکند.
  • سپس قسمت اینورتر که با قطعات قدرتی مثل ای جی بی تی یا ماسفت کار میکنند دوباره به یک جریان متناوب و اینبار با فرکانسی دلخواه تبدیل میکند.
  • میزان فرکانس خروجی را میتووان از طریق مدار فرمانیکه به قطعات قدرت فرمان روشن و خاموش شدن میدهد(مدار تریگر) به دلخواه تنظیم نمود.
  • موتورهایی مثل اسپیندلها که با دورهای بالایی بین مثلا 5000 تا 40000 دور میچرخند برای راه اندازی و کار کردن در دور نامی خود نیاز به اینورتر دارند.
  • فرکانس خروجی اینورترهایی که برای کنترل دور موتورهای سریعی مثل اسپیندلها بکار میروند معمولا بین 0 تا 400 و یا0 تا 900 هرتز میباشد.

استفاده از اینورتر برای کنترل دور موتورها مزایای زیادی دارد که مهمترین آنها عبارتند از :

  • 1-امکان کنترل جهت سریع و آسان موتور
  • 2-ذخیره انرژی تا 50% لذا کاهش مصرف و هزینه برق
  • 3-نبودن شوک راه اندازی(موتورها در حالت عادی جریان راه اندازی زیادی لازم دارند)
  • 4-حفاظت موتور در برابر اضافه جریان یا تغییرات ولتاژ
  • 5-امکان کنترل سرعت دقیق موتور و برنامه های مختلف راه اندازی
  • 6-امکان استفاده از برق تکفاز برای راه اندازی موتور سه فاز(معمولا در اسپیندلهای کمتر از 4 کیلووات)

اسپیندل الکتروموتور دور بالا

اسپیندل الکتروموتور دور بالا

 بررسی اسپیندل های built-in و کوپل مستقیم direct drive ، تسمه ای belt-type و گیربکسی gearbox

  • اسپیندل هر دستگاه cnc  ، قلب آن محسوب میگردد.
  • که شامل بخش دوار ( cartridge ) با قابلیتی برای گرفتن ابزار بر روی آن میباشد.
  • موتور ها به عنوان انتقال دهنده نیرو به اشکال مختلف موجب حرکت اسپیندل می شوند.
  • انتخاب یک اسپیندل مناسب و متناسب با کارکرد شما می تواند در بهبود شرایط تولید و هزینه ها نقش مهمی را ایفا نماید.
  •  اسپیندل ها باید بر اساس توان و گشتاور دستگاه در نظر گرفته شوند.
  • از موارد مهم در گزینش اسپیندل ، توجه به توان در خواستی و وزن آن است.
  • در شکل ظاهری،  اسپیندل وظیفه خاصی بر عهده ندارد،
  •  ابزار فلز را ماشینکاری ، میز حرکت می نماید
  • سیستم کنترل، حرکت را هماهنگ میکند
  • و نرم افزار همه این موارد را run می کند
  • و اسپیندل تنها به عنوان نگهدارنده ابزار به واسطه یک موتور نقش ایفا می نماید.
  • ولی اهمیت اسپیندل فراتر از این مباحث است چرا که میزان دقت نهایی قطعه و نحوه و سطح بازدهی کل دستگاه به قابلیت ها و کیفیت اسپیندل مربوط است.
  • به درستی اسپیندل هسته اصلی و قلب دستگاه cnc میباشد.

سیستم بیرینگ ها در اسپیندل

  • سیستم بسیاری از بیرینگ ها از ساچمه هایی استیل برای حفاظت از جدار داخلی و خارجی بهره می برند.
  • دمای عملیاتی ، میزان لرزش ها و طول عمر اسپیندل به جنس قطعات بسیار مرتبط است.
  • استفاده از برینگ های ترکیبی ( هیبریدی ) سرامیکی ، به طور حتم بهتر از ساچمه های استیلی میباشند.
  • جرم کمتر ساچمه های سرامیکی 60 درصد سبک تر از مشابه استیلی میباشند.
  • این بسیار مهم است چرا که ساچمه ها دائما در حال چرخش هستند به ویژه در سرعت های بالا.  نیروی گریز از مرکز  ساچمه ها را در خلاف جهت به سمت لایه بیرون فشار می دهند و این اصطکاک موجب تغییر شکل ساچمه ها میگردد و این تغییر شکل باعث تخریب سریع تر آن می شود. چون ساچمه های سرامیکی سبک ترند بنابراین در شرایط یکسان با موارد مشابه کمتر آسیب می بینند به همین دلیل ساچمه های سرامیکی 30 درصد سریع تر از موارد مشابه میباشند.

ساچمه های سرامیکی عامل تخریب “چسبندگی” را خنثی می نمایند. یکی از عوامل مهم در تخریب بیرینگ ها عامل چسبندگی است. این امر زمانی اتفاق می افتد که به واسطه خردگی سطح فلز ، ایجاد چسبندگی های میکرونی و حرکت مستمر بیرینگ ها در پوسته آن باعث ایجاد سطح ناصاف و زبری می شود . در نهایت با افزایش دما بیرینگ به طور کامل تخریب می گردد. به واسطه همین امر بیرینگ های سرامیکی دمای کمتری را در بازده ی طولانی تری ایجاد می کنند.

تست ها نشان می دهند اسپیندل هایی که از بیرینگ سرامیکی بهره می برند صلب تر هستند و رزونانس کمتری دارند. بنابراین به لرزش ها حساس تر هستند و عمر بیشتری خواهند داشت.

مکانیزم بیرینگ ها در اسپیندل :

جدا از بحث استفاده از بیرینگ های سرامیکی و یا استیل شکل . بیرینگ ها اساسا برای تحمل فشار های مختلف طراحی شده اند. استفاده از بیرینگ های با تماس زاویه دار در فشار های محوری و شعاعی که سرعت های بالای اسپیندل اعمال میگردد از موارد عام میباشد.  این نوع زاویه تماس دقت بیشتر، ظرفیت تحمل بار بیشتر و سرعت متناسب برای ماشینکاری را فراهم می نمایند.  بیرینگ ها در داخل جدار طراحی شده به نحوی قرار میگیرند که پایدار ترین وضعیت هندسی را ایجاد می کنند.

روغنکاری اسپیندل و بیرینگ ها :

این امر از حیاتی ترین موارد قابل توجه برای سازندگان ماشین ابزار است که راه های مختلفی را در بر میگیرد.  مانند oil-mist  ، oil jet  ، oil-air و انواع دیگر.

بررسی اسپیندل های مختلف :

اسپیندل ها بر اساس نوع کاربرد و نیاز متفاوت هستند :

  1. اسپیندل های تسمه ای belt-type
  2. اسپیندل های کوپل مستقیم direct drive) DDS type)
  3. اسپیندل های گیربکسی gearbox type
  4. اسپیندل های یکپارچه built-in type
  5. اسپیندل های HF

هر کدام از موارد فوق مزایا و معایب خاص خود را دارند

1-اسپیندل های تسمه ای به ترتیبی هستند که انتقال نیرو به واسطه یک تسمه  از موتور به اسپیندل انجام میگردد.

مزایا :

I.            تعمیر و نگهداری آسان

II.            هزینه نگهداری کمتر

III.            قیمت پائین تر

معایب :

I.            لرزش بیشتر

II.            صدای بیش تر نسبت به گزینه های DDS و built-in

III.            خرابی زودتر تسمه

IV.            عدم رسیدن به دقت مناسب در مقایسه با گزینه های DDS و built-in

V.            عدم رسیدن به دور های بیش از 12.000 rpm

VI.            دقت موقعیت یابی و سرعت کمتر و در نتیجه صافی سطح کمتر

VII.            جبران جرم پولی ( pulley ) به وسیله موتور و در نتیجه فشار بیشتر به موتور

VIII.            ایجاد اصطکاک بواسطه تسمه و کاهش بهره وری

2- اسپیندل های کوپل مستقیم به ترتیبی هستند که انتقال نیرو از روی موتور به واسطه کوپلینگ مستقیم و بدون تسمه انجام میگردد.

مزایا :

  1.                   افزایش بهره وری بدون اتلاف انرژی در اصطکاک
  2.                   عدم جبران وزن قطعه واسط مانند تسمه و …
  3.                   صدای کمتر
  4.                   طول عمر بیشتر
  5.                   گشتاور بیشتر در دور های پائین
  6.                   سرعت و دقت بیشتر موقعیت یابی ( گشتاور بالا و اینرسی کمتر موجب افزایش سرعت موقعیت یابی می شود  ) رسیدن به سرعت های بالا 12.000-20.000 rpm
  7.                   خطای عملیات ماشینکاری کمتر

معایب :

  1.                   اصلی ترین مشکل این نوع استفاده از یک موتور خاص میباشد موتور در این سری باید بزرگتر استفاده گردند.
  2.                   قیمت بالا
  3.                   وزن بالای اسپیندل
  4.                   گشتاور کمتر نسبت به built-in

3- اسپیندل های گیربکسی انتقال بوسیله یک موتور و گیبرکس برای رسیدن به حداکثر میزان گشتاور صورت می پذیرد.

مزایا :

I.            گشتاور بیشتر

II.            سطح براده برداری بیشتر

معایب :

I.            هزینه تعمیرات بالا

II.            قیمت بالا

III.            سرعت کم

4-اسپیندل های یکپارچه و یا buit-in البته این سری با  نام های دیگری همچون motorized spindle  و یا  integrated spindle نیز شناخته میگردند.در این مدل  اسپیندل ،  موتور در داخل پک اسپیندل قرار دارند و موتور به عنوان روتور بدون هیچ واسطه به انتقال نیرو می پردازد.

مزایا :

I.            وزن سبک

II.            سرعت و دقت موقعیت یابی بسیار بالا

III.            رسیدن به دور های 35000-50000 rpm

IV.            ایجاد گشتاور بیشتر با استفاده از موتور های double wound

V.            صدای بسیار کم

VI.            اتلاف انرژی کمتر

 

معایب :

I.            قیمت بالا

II.            هزینه تعمیرات بالا

مورادی که در ساخت یک اسپیندل بسیار مهم است عبارتند از :

I.            مرحله ماشینکاری پوسته

II.            مرحله سنگ زنی

III.            مرحله مونتاژ