АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ БАЛАНСИРОВКИ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ

Полезная модель относится к балансировочным средствам диагностики, а именно, к устройствам с горизонтальной осью вращения и может быть использована для статической и динамической (комплексной) балансировки тел вращения - роторов (в том числе, шпинделей станков), конструкция которых позволяет производить диагностику и балансировку как в дорезонансном, так и в зарезонансном режиме эксплуатации.
Комплекс позволяет производить статическую и динамическую балансировку роторов высокоскоростных шпинделей массой до 100 кг.
Таким образом, комплекс для статической и динамической балансировки тел вращения - жестких роторов, в т.ч., высокоскоростных шпинделей, обеспечивает оценку качества изготовления и балансировки путем анализа значимых амплитуд виброскорости и виброускорения спектра механических колебаний во всем рабочем диапазоне частот их вращения.
Из уровня техники известен автоматизированный программно-аппаратный комплекс с горизонтальной осью вращения для комплексной балансировки тел вращения, включающий: основание; средство базирования исследуемого тела вращения; главный привод, включающий двигатель, кинематически связанный с исследуемым телом вращения посредством ременной передачи; виброизмерительную систему, включающую датчики вибраций; а также систему управления (SU 729458 А1 25.04.1980).
К недостаткам данного известного из уровня техники комплекса следует отнести относительно невысокую точность балансировки.
В основу заявленного изобретения была положена задача создания таких механических и оптоэлектронных частей программно-аппаратного комплекса посредством которых обеспечивается статическая и динамическая (комплексная) балансировка тел вращения - роторов (в том числе, шпинделей станков), как в дорезонансном, так и в зарезонансном режиме эксплуатации.
Технический результат - повышение точности балансировки как непосредственно диагностируемых тел вращения, так и непосредственно изделий, изготавливаемых с использованием данных тел, например, высокоскоростных шпинделей прецизионных металлорежущих станков.
Поставленный технический результат достигается посредством того, что в заявленном автоматизированном программно-аппаратном комплексе с горизонтальной осью вращения для комплексной балансировки тел вращения, включающем: основание; средство базирования исследуемого тела вращения; главный привод, включающий двигатель, кинематически связанный с исследуемым телом вращения посредством ременной передачи; виброизмерительную систему, включающую датчики вибраций; а также систему управления, согласно полезной модели, основание представляет собой полую несущую конструкцию каркасного типа, в полости которой размещены виброизмерительный прибор, блок питания и частотно-регулируемый преобразователь с коммутационной аппаратурой, на боковой стороне основания закреплен кронштейн для установки упомянутой системы управления, основание установлено на независимо регулируемых по вертикали опорах, а на верхней плоскости основания установлены жестко закрепленные винтовые опоры, функционально являющиеся средством крепления горизонтальных направляющих для монтажа соответствующих элементов упомянутого средства базирования; средство базирования содержит установленные на упомянутых горизонтальных направляющих основания две вертикальные, установленные с возможностью независимого горизонтального перемещения по направляющим с последующей фиксацией в заданном положении, опорные стойки, на каждой из которых посредством вертушки и качалки установлен опорный роликовый блок, каждая стойка состоит из неподвижного корпуса, на котором базируются регулируемая по высоте вертушка и подвижная в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, одна из которых перпендикулярна оси вращения, качалка в виде подвески маятникового типа, функционально являющаяся базовым элементом для установки непосредственно роликового блока в виде игольчатого подшипника, функционально являющегося средством самоустановки исследуемого тела вращения, кроме того, средство базирования оснащено ограничителями осевого перемещения исследуемого тела вращения в динамическом режиме; в качестве двигателя в главном приводе используется асинхронный двигатель; виброизмерительная система дополнительно содержит фотоотметчик, датчик угловых перемещений и стандартный виброизмерительный прибор, функционально являющийся средством измерения вибрации опор комплекса, возникающей в динамическом режиме эксплуатации и расчета величин корректирующих масс и углов их установки по отношению к сформированной на поверхности тела вращения светоотражающей метке; система управления сформирована на базе промышленного компьютера, оснащенного дисплеем, а также программным обеспечением для обработки данных полученных измерений и визуализации на дисплее исходных данных и данных вывода полученных результатов, при этом, система управления интегрирована с виброизмерительной системой.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными или эквивалентными всем существенным признакам заявленного технического решения, а выбранный из выявленных аналогов прототип (как наиболее близкий по совокупности признаков аналог) позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле.
Полезная модель иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг.1 - общий вид комплекса (вид спереди, без защитного экрана);
Фиг.2 - фрагмент общего вида комплекса (вид сбоку по фиг.1);
Фиг.3 - вертикальная стойка с роликовым блоком;
Фиг.4 и фиг.5 - варианты проводки приводного ремня.
Далее по тексту детали, узлы и иные механические (в т.ч., опто-электронные средства) обозначены следующими позициями:
1 - направляющие (для перемещения вертикальных стоек 8 и 9;
2 - опора (боковая для крепления направляющих 1);
3 - основание (комплекса);
4 - опора (винтовая для установки опоры 2 для направляющих 1);
5 - опора (регулируемая основания 3);
6 - рым-болт (для опоры 2);
7 - кронштейн (для установки ЭМУ);
8 - стойка (опорная левая);
9 - стойка (опорная правая);
10 - фиксатор (винтовой для стойки 10);
11 - корпус (стойки опорной левой);
12 - ручка (фиксации механизма роликового блока 13 при транспортировке);
13 - блок (опорный роликовый);
14 - вертушка (для установки опорного блока 13);
15 - качалка (для установки роликового блока 15);
16 - ролики (сменные опорные блока 13);
17 - винт (регулировочный центральный вертушки 14);
18 - ролик (упорный для исследуемого тела вращения - осевой упор);
19 - штанга (конечная регулируемая для установки ролика 18 упорного);
20 - держатели (штанги 19 для осевых упоров);
21 - зажим (клеммный для фиксации осевого положения штанги 19);
22 - зажим (для кронштейна опорного главного привода);
23 - кронштейн (установочный главного привода);
24 - электродвигатель (главного привода);
25 - хобот (для установки шкивов);
26 - ремень (приводной главного привода);
27 - скоба;
28 - шкив (приводной);
29 - болт (центральный крепежный шкива 28);
30 - шкив (передний компенсирующий - натяжной);
31 - маховик;
32 - электрошкаф;
33 - кнопка («Включение комплекса»);
34 - кнопка («Аварийное отключение комплекса»);
35 - кнопка («Сброс защиты»);
36 - ЭМУ (с сенсорным дисплеем);
37 - разъем (внешний);
37 - фотоотметчик;
39 - датчик (угловых перемещений).
Краткое описание комплекса.
Основание 3 комплекса представляет собой сварную тумбу каркасного типа со столешницей. На верхней поверхности основания 3 установлены направляющие 1 перемещения вертикальных стоек 8 и 9, жестко закрепленные в боковых опорах 2. В нижней части основания 3 расположены четыре регулируемые опоры 5. Конструкция основания 3 предполагает размещение в ее внутренней части электрошкафа 32. На боковой поверхности основания 3 крепится кронштейн 7 с установленным электронным модулем 36 управления (ЭМУ 36) комплексом с интегрированным сенсорным дисплеем. В верхней части основания 3 установлен подъемный защитный экран рабочей зоны (в графических материалах условно не показан).
На горизонтальных направляющих 1 установлены две вертикальные стойки 8 и 9 (левая 8 и правая 9), которые могут перемещаться в горизонтальной плоскости. Перемещение вдоль горизонтальных направляющих 1 необходимо для установки роторов различной длины.
Фиксация каждой вертикальной стойки 8 и 9 выполняется винтовым фиксатором 10.
В стойках 8 и 9 расположены опорные роликовые блоки 13 со сменными опорными роликами 16, на которые производится установка балансируемого ротора.
Роликовый блок 13 имеет две степени свободы за счет установки блока 13 на качалке 15, которая установлена на вертушке 14.
Регулировка роликового блока 13 по высоте осуществляется центральным винтом 17, что позволяет проводить балансировку роторов с разными диаметрами шеек.
Фиксация механизма роликового блока 13 при транспортировке осуществляется ручкой фиксации 12.
Главный привод вращения балансируемого ротора, а также его торможение, производится с помощью пассика либо плоского приводного ремня 26, проходящего через систему шкивов, от электродвигателя 24.
В состав системы главного привода комплекса входят следующие элементы: опорный кронштейн со штангой; установочный кронштейн 23; электродвигатель 24; система шкивов с механизмом натяжения и фиксации; приводной элемент - ремень 26.
Опорный кронштейн со штангой служит для перемещения привода вдоль оси с тем, чтобы привод мог быть установлен в выбранное оператором положение.
Фиксация опорного кронштейна на направляющей производится винтом с рукояткой (зажимом 22).
В зажим опорного кронштейна вставлена круглая штанга, вдоль которой может перемещаться установочный кронштейн 23, фиксация которого на штанге также производится винтом с рукояткой.
На установочном кронштейне 23 находится электродвигатель 22 с приводным шкивом 28 и рычагом с направляющими шкивами.
Рычаг позволяет осуществлять угловые перемещения для того, чтобы обеспечить оптимальные точки касания поверхности ротора с пассиком (приводным ремнем 26, для чего в опорном кронштейне выполнен продольный дугообразный паз.
Фиксация рычага в выбранном положении производится двумя винтами.
Привод, как правило, устанавливается между стойками 8 и 9, но при необходимости он может быть установлен с внешней стороны любой из них.
Для этого необходимо ослабить два фиксирующих винта, поднять рычаг до упора вверх и переместить привод в нужное положение.
После этого рычаг необходимо установить в первоначальное положение и зафиксировать опорный кронштейн привода.
Для передачи крутящего момента с электродвигателя 24 на ротор в станке обычно используется приводной ремень. 26 круглого (пассик) и прямоугольного сечения, следующих типоразмеров:
- ремень круглый 800×3,0 мм;
- ремень круглый 900×2,0 мм;
- ремень круглый 950×2,0 мм;
- ремень плоский 700×5×2,0 мм;
- ремень плоский 780×5×2,0 мм.
Степень натяжения приводного ремня 26 является важным условием обеспечения точности измерения дисбаланса.
Для регулировки степени натяжения в конструкции комплекса предусмотрена система перемещаемых шкивов, в которую входят: приводной шкив 28; натяжной шкив 30; два направляющих шкива; вспомогательный шкив.
В комплект комплекса для всех шкивов, кроме приводного и вспомогательного, входят сменные бандажи, предназначенные для пассиков (с ручьевым сечением) и бандажи для плоских ремней.
Для замены бандажей, необходимо отвернуть четыре крепежных винта, а для того, чтобы заменить приводной шкив 28, установленный на вал электродвигателя 24, необходимо выполнить, соблюдая указанную последовательность, следующее:
- снять электродвигатель 24 с установочного кронштейна 23, вывернув 4 винта на его фланце;
- отвернуть ключом S=10 мм специальную гайку, находящуюся в полости шкива 28;
- ослабить два стопорных винта и снять шкив 28 с вала.
- надеть на вал новый шкив 28;
- затянуть стопорные винты и, только после этого, затянуть специальную гайку.
- установить электродвигатель 24 на кронштейн 23, завернуть крепежные винты.
Вспомогательный шкив крепится на рычаге винтом, ввернутым в ось шкива.
После замены шкивов следует проверить их на легкость вращения.
Натяжение ремня 26 регулируется перемещением направляющих шкивов, установленных на рейках, а также натяжного шкива 30, для чего в рейках и рычаге выполнены продольные пазы.
Освобождение и фиксация шкивов и реек производится винтами.
Поворотом реек можно также осуществить одновременное сведение/разведение рабочих, т.е. касающихся ротора ветвей ремня 26.
В некоторых случаях для вращения ротора вместо мягких резиновых ремней применяются жесткие синтетические ремни.
В этом случае в конструкции станка предусмотрен специальный механизм поднатяжения, состоящий из коромысла с пружиной, причем натяжной шкив устанавливается на рычаге этого коромысла.
Правилами эксплуатации станка предусмотрены две схемы расположения (проводки) приводного ремня фиг.4 и фиг.5.
Схема по фиг.4 является более предпочтительной при необходимости частой и быстрой установки и снятии ротора, что обычно характерно в условиях серийной балансировки.
Для вращения роторов большой массы или в случае большого диаметра охватываемой ремнем 26 поверхности может быть применена схема по фиг.5. В этом случае вспомогательный шкив не задействуется.
Взаимное расположение направляющих шкивов на хоботе 25 можно считать оптимальным в том случае, когда набегающий на ротор и сбегающий с него рабочие участки ремня 26 близки к вертикальному положению или хотя бы симметрично сходятся под ротором.
При эксплуатации ременного привода следует стремиться к такому наименьшему усилию натяжения ремня, при котором в режимах «разгон-торможение» не происходит его проскальзывания ни по поверхности ротора, ни по приводному шкиву.
Виброизмерительная система блок комплекса включает в себя следующие компоненты: датчики вибрации; фотоотметчик; датчик угла (угловых перемещений); виброизмерительный прибор.
Датчики вибрации находятся внутри опорных стоек 8 и 9 и прикреплены к маятниковой подвеске.
Датчики вибраций предназначены для измерения амплитуды колебаний маятникового повеса, передаваемые от балансируемого ротора, установленного в роликовых опорах, которые жестко связаны с маятниковыми повесами.
Датчик измерения вибраций подключается через разъем, который располагается на задней стенке стоек 8 и 9.
Как ранее указывалось, комплекс способен функционировать как в дорезонансном, так и в зарезонансном режимах эксплуатации.
При функционировании комплекса в зарезонансном режиме обеспечивается естественная виброизоляция системы. То есть, в этом в режиме эксплуатации число оборотов вращения ротора превышает собственную частоту колебательной системы более, чем в три раза.
Целесообразно отметить, что собственная частота () первой формы колебаний опор заявленного балансировочного комплекса определяется длинной подвеса маятниковой опоры L=0.15 м и равна:
Фотоотметчик 38 состоит из встроенных излучателя лазерного луча и фотоприемника. Фотоотметчик 38 предназначен для фиксации момента начала и окончания цикла измерения амплитуды вибрации за один оборот ротора, что достигается за счет отражения лазерного луча светоотражающей меткой.
Важным условием правильной работы комплекса является однократное считывание светоотражающей метки за один оборот ротора.
При возможных вторичных срабатываниях фотоотметчика за счет отражения лазерного луча от различных элементов внешней поверхности ротора (риски, натиры и т.п.) или же при «засветке» фотоотметчика внешним светом может привести к неправильному расчету корректирующих грузов или к отказу в работе привода комплекса.
При помощи держателя, состоящего из штанг и зажимов, фотоотметчик должен быть установлен в нужное положение по отношению к плоскости вращения светоотражающей метки.
Датчик угловых перемещений 39 предназначен для определения углового положения ротора относительно светоотражающей метки. Датчик 39 соединен с валом электродвигателя 24 главного привода резиновым пассиком.
Виброизмерительный прибор (в графических материалах условно не показан) встроен в электрошкаф 32 комплеса и служит для измерения вибрации опор комплекса, возникающей при вращении ротора, расчета величин корректирующих масс и углов их установки по отношению к светоотражающей метке.
Результаты расчетов выводятся на сенсорный дисплей ЭМУ 36.
Также результаты хранятся в оперативной памяти электронного модуля управления и могут быть сохранены на электронном носителе или выведены на подключаемые внешние печатающие устройства.
В качестве виброизмерительного прибора обработки зарегистрированных параметров вибрации могут быть использованы, например, измерительные приборы «МОРИОН» или «САПФИР» фирмы «ДИАМЕХ 2000».
С помощью специально разработанной программы производится обработка данных измерений и визуализация вывода результатов измерений на дисплей.
Результаты расчетов выводятся на дисплей ЭМУ 36 и, в дальнейшем, могут быть сохранены на электронном носителе или распечатаны на бумажном носителе.
Разработанная конструкция комплекса отличается простотой и технологичностью изготовления. При проектировании максимально использованы серийно производимые и зарекомендовавшие себя в процессе эксплуатации в составе других устройств узлы и комплектующие, а также использованы наиболее доступные материалы и технологии их изготовления и обработки.
Преимуществами комплекса являются:
- возможность проводить балансировку операторам средней квалификации за счет интуитивно понятного и простого интерфейса программного продукта;
- наличие автоматической индикация дисбаланса;
- одно- и двухплоскостная балансировка;
- расчет корректирующих масс для последующей коррекции дисбаланса сверлением, фрезерованием, добавлением масс и балансировочных колец.
Таким образом, разработанный комплекс позволяет:
- производить высокоточную балансировку роторов с минимальным значением остаточного дисбаланса;
- увеличить срок службы шпинделя станка;
- повысить надежность и точность процесса обработки;
- дает возможность расширить и улучшить режимы эксплуатации, реализуя максимальные скорости обработки, а следовательно, увеличить производительность обработки путем внедрения технологий высокоскоростной и высокоточной обработки.
Наибольшая эффективность внедрения комплекса будет иметь место при внедрении оборудования с высокоскоростными и тяжело нагруженными режимами эксплуатации, в том числе при изготовлении прецизионного оборудования.
Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его промышленной реализации, предназначен для использования в промышленности, а именно, для определения дисбаланса в дорезонансном и зарезонансном режимах и последующей балансировки роторов различных конфигураций на основе полученных результатов измерений.
- для заявленного объекта в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Таблица
Технические характеристики комплекса.
№ п/п
Параметр
ед. измер.
величина
1.
Масса балансируемого ротора
- минимум
Кг
10,0
- максимум
Кг
100,0
2.
диаметр балансирумого ротора над основанием
- максимум
Мм
700
- минимум
Мм
20
3.
длина балансируемого ротора
- максимум
Мм
1200
- минимум
Мм
200
4.
Максимально допустимое усилие, прикладываемое на одну опору
H
300
5.
Минимальный достижимый остаточный удельный дисбаланс при балансировке контрольного (эталонного) ротора (по ГОСТ 200076-89)
г*мм/кг
0,1
6.
чувствительность
г*мм/кг
0,05
7.
Диапазон вращения балансируемого ротора
об/мин
от 350 до 15000
8.
Длительность цикла определения корректирующих масс для двух плоскостей изделия, раскрученного до технологической частоты вращения
сек.
30
9.
Время балансировки, не более
мин.
60
10.
диаметр поверхности охвата приводного ремня (пассика)
максимум
Мм
200
минимум
20
11.
диаметр опорной шейки
максимум
Мм
200
минимум
10
12.
разница диаметров опорных шеек
максимум
Мм
80
минимум
0
13.
длина основания
Мм
1280
14.
Электропитание однофазного переменного тока
220 В, 50 Гц
15.
тип элктродвигателя
асинхронный
16.
Мощность электродвигателя
кВт
1,1