УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ВЗАИМНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОСЕЙ ИНСТРУМЕНТА И ОБРАБАТЫВАЕМОГО ОТВЕРСТИЯ НА КООРДИНАТНО-РАСТОЧНОМ СТАНКЕ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ШПИНДЕЛЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, преимущественно - к высокоточному станкостроению, и может быть использовано в прецизионных станках расточной и фрезерной группах с горизонтальным расположением шпинделя.
В патенте [1] представлен способ повышения точности станка путем пространственного управления положением станины со столом и обрабатываемой корпусной заготовкой относительно фундамента. Управление осуществляется с помощью четырех гидродомкратов, установленных по периметру станины. Недостатком данного способа является существенное влияние контактных деформаций в стыках подсистем "станина-стол", "стол-заготовка", влияющих на точность обработки.
Известно устройство стабилизации силовых деформаций станины [2], содержащее дополнительную опору станка, выполненную в виде гидродомкрата, устанавливаемую под место наибольшего прогиба станины и содержащее программируемый логический контроллер, который управляет усилием гидродомкрата, препятствуя появлению изгибных деформаций станины. Недостатком данного устройства является частое появление ошибки управления из-за различных возмущающих воздействий, которыми могут быть температурные деформации, износ сопрягаемых поверхностей, упругие деформации за счет увеличения сил резания и массы заготовки. Это в свою очередь приводит к повторным переналадкам, усложнению и удорожанию обслуживания технологическим оборудованием.
Устройство компенсации взаимных угловых перемещений осей инструмента и растачиваемого отверстия [3], состоящее из гидродомкрата, электрогидравлического преобразователя и станции гидравлического давления. В данном устройстве вместо одной из трех опор, на которых базируется на столе обрабатываемая корпусная заготовка, вводится гидродомкрат, а для оценки взаимных угловых перемещений осей инструмента и растачиваемого отверстия - уровни электронные, которые устанавливаются на обрабатываемой корпусной заготовке и стойке станка соответственно. Недостатком данного устройства является лишь частичная компенсация возникающих силовых деформаций, то есть компенсирует только деформаций изгиба станины станка. Следует отметить, что при обработке заготовки станина станка испытывает не только деформации изгиба, но и кручения.
Основной задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является компенсация взаимных перемещений осей инструмента и обрабатываемого отверстия, вызванных деформациями кручения станины, вследствие чего повышается точность механической обработки отверстий.
Указанная задача достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве компенсации взаимных перемещений осей инструмента и обрабатываемого отверстия на координатно-расточном станке с горизонтальным расположением шпинделя регулировка взаимных перемещений осей инструмента и обрабатываемого отверстия происходит благодаря двум гидродомкратам, установленным вместо двух из трех минимально необходимых опор. Данные опоры, на которых базируется на столе обрабатываемая корпусная заготовка, размещаются в максимальной близости к стойке. Для оценки взаимных перемещений осей инструмента и растачиваемого отверстия от деформаций кручения станины устанавливаются дополнительные электронные уровни на корпусе обрабатываемой заготовки и стойке станка соответственно.
На фиг.1 показан общий вид координатно-расточного станка с горизонтальным расположением шпинделя, оснащенный устройством компенсации взаимных перемещений осей инструмента и растачиваемого отверстия. Станок состоит из станины 1, установленной на три жесткие опоры 2, 3 и 4 относительно фундамента. По направляющим станины в направлении оси OZ перемещается стойка 5, со шпиндельной бабкой 6, обрабатывающей на станке корпусную заготовку 7, которая закреплена на столе 8 станка. Шпиндельная бабка, содержащая шпиндельный узел, с закрепленным режущим инструментом 9 (борштангой), перемещается в направлении оси OY при помощи электродвигателя 10 (М). Корпусная заготовка устанавливается на установочную опору 11 и два гидродомкрата 12, 13 предлагаемого устройства. Устройство содержит гидравлическую систему регулирования гидродомкратами, состоящую из гидравлической станции 14, электрогидравлических преобразователей 15 и 16, усилителей электрического сигнала 17 и 18. Устройство так же включает в себя уровни электронные 20, 21, 22, 23. Положение стойки 5 по оси OZ на направляющих станины 1 контролируется датчиком перемещения 24, сигнал которого поступает в систему ЧПУ 19 (CNC).
1
2
1
Уровень электронный 20 на стойке определяет угол ее наклона α, вследствие деформации изгиба станины, а уровень 21 на обрабатываемой заготовке определяет угол наклона заготовки α. В свою очередь, уровень электронный 22 на стойке и уровень электронный 23 на обрабатываемой заготовке определяет угол наклона последней φ, вследствие деформации кручения станины. Аналоговые или цифровые выходы с уровней подключаются к системе ЧПУ станка.
На фиг.2, б представлена схема установки закрепления корпусной заготовки на столе станка. Заготовка со стороны установочной опоры 11 закрепляется прихватом 26 при помощи болта к станочному пазу 27 с гайкой 28 и шайбой 29. Базовая поверхность корпусной заготовки устанавливается на толкатели гидродомкратов 30 и закрепляется при помощи шпилек 31 с гайками 32 и шайбами 33. Нижние концы шпилек ввинчиваются в резьбовые отверстия толкателей, которые неподвижно соединены с жесткими центрами 34.
Гидродомкрат (фиг.2, а) состоит из основания 35, которое при помощи четырех отверстий, равномерно расположенных по окружности крепится к Т-образным пазам стола. По упорной резьбе основания 35 ввинчивается корпус 36, который позволяет регулировать пространственное положение заготовки. Через штуцер 37 в корпус гидродомкрата 36 подается рабочая жидкость, давление которой регулируется в электрогидравлическом преобразователе. При помощи эластичной мембраны 38, изменяемое давление в гидродомкрате производит поступательное перемещение жесткого центра 34 и соответственно перемещение переднего края заготовки относительно установочной опоры 11. Крышка 39 прикручивается к корпусу 36 при помощи крепежных винтов, прижимает плотно эластичную мембрану и создает герметичное соединение.
На фиг.3 показана геометрия перемещений вершины режущего инструмента и оси отверстия вследствие деформации изгиба и кручения станины станка. Во время движения стойки по направлению к заготовке станина испытывает деформации изгиба и кручения, которые приводят к потере точности обработки на станке. Причиной этому служат взаимные отклонения осей инструмента и растачиваемого отверстия, вследствие угловых перемещений шпиндельного узла и заготовки.
На фиг.4 показаны структурные схемы компенсации отклонений от параллельности осей и вертикальной коррекции оси инструмента, где представлены следующие обозначения:
вх1
вх2
U, U - входной сигнал (состояние на входе);
вых1
вых2
U, U - выходной сигнал (состояние на выходе);
1
2
U, U - управляющее воздействие;
1
УЭ (20 фиг.1) - уровень электронный, установленный на стойке, фиксирующий изгибные деформации станины;
2
УЭ (21 фиг.1) - уровень электронный, установленный на заготовке, фиксирующий изгибные деформации станины;
3
УЭ (22 фиг.1) - уровень электронный, установленный на стойке, фиксирующий деформации кручения станины;
4
УЭ (23 фиг.1) - уровень электронный, установленный на заготовке, фиксирующий деформации кручения станины;
1
α - угол наклона оси инструмента, вследствие изгибных деформаций станины;
2
α - угол наклона оси растачиваемого отверстия, вследствие изгибных деформаций станины;
1
φ - угол наклона оси растачиваемого отверстия, вследствие деформаций кручения станины;
2
φ - угол наклона оси инструмента, вследствие изгибных деформаций станины;
CNC - система ЧПУ;
У - усилитель;
ЭГП - электрогидравлический преобразователь;
ГД - гидродомкрат;
ОУ - объект управления (корпусная заготовка);
ДП - датчик перемещения;
М - электродвигатель перемещения шпиндельной бабки на направляющих стойки по оси OY;
ШУ - шпиндельный узел.
1
1
2
1
При установке заготовки станина станка испытывает деформации кручения вследствие неравномерности распределения веса заготовки, из-за чего ось обрабатываемого отверстия смещается на угол φ (фиг.3, б). В то же время при перемещении стойки по направляющим станины последняя начинает прогибаться в большей степени по мере удаления от штатной опоры станка 4 (фиг.1). Эти перемещения соответствуют входным сигналам, отмеченным на структурных схемах фиг.4, а и фиг.4, б. Входной сигнал или направленное движение стойки производит изгибные деформации станины, которые, в сочетании с закручиванием станины, неравнозначно отражаются на угловых перемещениях корпусной заготовки а так же самой стойки. Таким образом, уровни электронные при воздействии производных от входного сигнала определяют величины угловых перемещений. При подаче входного сигнала на уровень 20, определяется угол наклона стойки и соответственно оси инструмента α, при подаче входного сигнала на уровни 21 и 23, определяется угол наклона и величина смещения заготовки и, соответственно, оси растачиваемого отверстия α и φ. Суммарное смещение оси обрабатываемого отверстия и оси инструмента представлено на фиг.3, б.
1
2
1
1
2
1
вх2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Угол α будет положительным, так как он образуется при угловом перемещении стойки против часовой стрелки, угол α будет отрицательным, так как он образуется при угловом перемещении заготовки по часовой стрелке. Характер угла φ будет зависеть от схемы установки заготовки на станке. Величины всех углов подаются на сравнивающее устройство, которое на практике должно быть реализовано в программе ЧПУ, а на структурной схеме вынесено отдельным элементом. Полученные данные обрабатываются, так сумма соответствует разности между двумя углами α и α, которая затем подается на один из входов системы ЧПУ, а разность между нулевой отметкой смещения и углом φ, на второй вход. Следует отметить, что вероятность наклона стойки по мере ее движения относительно опор 2 и 3, так же учитывается. Сигнал с электронного уровня 23 фиксируется и входной сигнал U корректируется с учетом полученных данных. Угол наклона стойки φ примем равным нулю, вследствие значительной его компенсации за счет собственного веса стойки. В системе ЧПУ будет определяться необходимая величина хода толкателя каждого гидродомкрата для того чтобы повернуть либо наклонить заготовку на уголы α+α и φ+φ. Ход толкателя вычисляется по углу поворота и велечине смещения заготовки и известным расстояниям, взятым в проекции по оси OZ и ОХ между установочной опорой заготовки 11 и гидродомкратами 12 и 13. Это расстояние должно вводиться в память ЧПУ перед началом обработки как величина постоянная для каждой отдельной заготовки. Далее с выхода ЧПУ снимаются величины хода каждого толкателя, преобразованные в электрический сигнал, и подаются на входы усилителей, которые, усилив эти сигналы, подают их на входы электрогидравлических преобразователей. Электрогидравлические преобразователи преобразовывают электрический сигнал в пропорциональное давление рабочей жидкости, которое является управляющим воздействием на входе гидродомкратов. Гидродомкраты при изменении давлений на выходе преобразователей; производят перемещение любого из опорных краев корпусной заготовки, что приводит ее к повороту или смещению относительно установочной опор 11 на уголы α+α и φ+φ.
2
1
На выходе структурной схемы корпусная заготовка изменяет свое относительное положение и соответственно углы наклона α и φ, которые подаются обратно на уровни электронные 21 и 23 как возмущение. При этом начальный входной сигнал от перемещения стойки и станины уже не учитывается на входе данных уровней. Так как положение заготовки было изменено управляющим воздействием, и мы рассматриваем работу устройства в каждый конкретный момент времени, в котором перемещение стойки и станины имеют какое-то конечное значение. В этом случае входной сигнал сохраняется на входе уровня электронного 20 и имеет постоянное значение до момента последующего дискретного перемещения стойки.
2
1
2
1
1
2
На уровнях электронных 21 и 23 определяются величины возмущений, т.е. углы α и φ, которые затем подаются на сравнивающее устройство. Если угол α будет не равен углу α, а угол φ не будет равен нулю (либо углу (φ), то будет происходить повторное преобразование разности углов в управляющее воздействие гидродомкратов до тех пор, пока условия равенства не выполнятся.
На фиг.4, б приведена структурная схема вертикальной коррекции оси инструмента относительно оси растачиваемого отверстия. На схеме показано, что входной сигнал, представленный дискретным перемещением стойки, подается помимо уровней электронных на вход датчика перемещения, который преобразовывает величину линейного перемещения стойки в электрический сигнал. Величина перемещения, измеренная датчиком, соответствует расстоянию между первоначальным положением стойки и положением, в котором проявляются взаимные угловые перемещения осей инструмента и отверстия.
1
2
Выходные сигналы с уровней электронных (α и α) и датчика перемещения подаются на входы системы ЧПУ, которая преобразовывает электрические сигналы в данные двоичного кода. Затем по этим данным вычисляется величина вертикальной коррекции. Часть данных для расчета должна определяться в управляющей программе как переменные данные, например координаты режущего инструмента. Остальную часть данных необходимых для расчета следует вводить в начале обработки каждой отдельной корпусной заготовки (габаритные размеры заготовки).
кор
Вычисленная величина вертикальной коррекции преобразовывается в электрический сигнал определенной мощности или частоты в зависимости от типа используемого электродвигателя. Электродвигатель перемещает шпиндельный узел по смещенной оси OY' на величину вертикальной коррекции у', необходимой для того, чтобы ось инструмента совпала с продолжением оси растачиваемого отверстия.
Таким образом, при установке на станину станка корпусной заготовки различной массы, а так же при перемещении стойки по станине производится автоматическая стабилизация параллельности осей инструмента и растачиваемого отверстия и вертикальная коррекция оси инструмента относительно оси отверстия. Предлагаемое устройство позволяет существенно снизить влияние упругих силовых деформаций изгиба и кручения станины на точность обработки.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Пат. 3807034 США, МПК B23Q 11/00; G05B 19/404. Method of truing up heavy workpieces on the table of a metal-cutting machine and such table for carrying said method into effect / Semen Pevzner, Viktor Koire 1974.
2. Пат. 74839 РФ, МПК В23В 25/06. Устройство стабилизации силовых изгибных деформаций станины горизонтального координатно-расточного станка / Горшков Б.М., Краснов С.В., Самохина Н.С., Лысак P.M., Вьюнов А.В., Загребин К.В. Бюл. №20, 2007.
3. Пат. 85389 РФ, МПК B23Q 23/00. Устройство компенсации взаимных угловых перемещений осей инструмента и растачиваемого отверстия / Самохина Н.С., Горшков Б.М., Денисенко А.Ф., Трубачева С.И., Маршанская О.В., Загребин К.В. Бюл. №22, 2009.