УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПРОИЗВОДСТВА РЕЖУЩИХ ДИСКОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА С ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКОЙ И БАЛАНСИРОВКОЙ

Полезная модель относится к области производства режущего инструмента из листовых стальных заготовок, получаемых на прокатном стане, в частности режущих дисков большого диаметра (от 2000 до 3000 мм), которые применяются в пилах горячей и холодной резки металла, качество которых существенно зависит от качества их балансировки.
Из патентной литературы известны технологические комплексы производства режущих дисков RU1013075, RU 1199341, RU 1581443, RU 2127174, US 6634186.
Недостатками этих устройств являются низкая производительность, низкая точность изготовления режущей части из-за деформации и остаточных напряжениях металла, отсутствие балансировки, что снижает эффективность использования режущего инструмента и его долговечность, большая трудоемкость и длительность цикла изготовления.
Из патентной литературы известны технологические комплексы балансировки RU 171621, RU 567984, RU 1244521, RU 1787268, US 4945763, US 6342030, US6493311, US 6778353, US 7008360, US 7020950, US 7099112.
Недостатками этих данных устройств являются отсутствие оперативно доступных данных о параметрах балансирования, низкая точность определения мест снятия избыточного материала из-за большого влияния человеческого фактора на точность и качество балансировки, а также высокие трудозатраты, невозможность накопления, хранения и использования статистической информации.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного полностью автоматизированного технологического комплекса производства режущих дисков и расширение арсенала технологических комплексов производства режущих дисков.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в обеспечении универсальности комплекса для последовательного выполнения одним режущим средством (машина лазерной резки) формообразования диска без деформации и остаточных напряжений металла и последующей балансировки изделия, сокращении времени изготовления готового
диска за счет минимального транспортирования и быстрого расчета параметров балансирования, повышении точности определения мест снятия избыточного материала и снижении трудозатрат при резке и балансировке, обеспечении накопления, хранения и оперативного использования статистической информации.
Сущность полезной модели заключается в том, что технологический комплекс производства режущих дисков содержит стол резки и стол балансировки, а также машину лазерной резки мостового типа, режущая головка лазера которой располагается на горизонтальной части моста с возможностью перемещения по ней режущей головки лазера над столом резки или над столом балансировки, а вертикальные опоры моста установлены на рельсах с возможностью перемещения моста с машиной лазерной резки от стола резки к столу балансировки, комплекс содержит также управляющую вычислительную машину резки, вычислительную машину балансировки и микропроцессорный контроллер, причем стол балансировки снабжен соединенными с указанным контроллером датчиком угла поворота и весовыми тензодатчиками с точностью не менее 0,01% веса диска, а также подключенным через микропроцессорный контроллер к вычислительной машине балансировки приводом с электродвигателем, кинематически соединенным с опертым на упорный подшипник в установленном на столе посадочным узлом для установки балансируемого диска.
В предпочтительных частных случаях реализации стол балансировки снабжен от 4 до 6 весовыми тензодатчиками, равномерно распределенными по окружности вокруг диска, микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью определения радиус-вектора диска с наибольшим весом, комплекс снабжен кран-балкой, а последняя снабжена магнитными или вакуумными захватами, а рельсы снабжены зубчатыми рейками, а вычислительная машина балансировки выполнена с возможностью считывания данных от микропроцессорного контроллера, определения избыточного веса для радиус-векторов, исходящих из центра диска к весовым тензодатчиками при измерении веса диска по радиус-векторам в неподвижном состоянии и при вращении, представления результатов балансировки в виде круговых диаграмм и графиков зависимости веса диска по радиус-векторам от угла поворота, а также формирования и передачи программы управления резкой для снятия излишков металла при балансировке на столе балансировке в управляющую вычислительную машину резки.
На чертеже фиг.1 изображена общая схема универсального технологического комплекса производства режущих дисков большого диаметра с лазерной резкой и балансировкой, на фиг.2 - диск на столе балансировки, на фиг.3 - схема узла балансировки, на фиг.4 - схема размещения весовых тензодатчиков по окружности диска, на фиг.5 - пример круговой диаграммы, иллюстрирующей определение радиус-вектора небаланса веса при неподвижном состоянии диска, на фиг.6 - круговые диаграммы, аналогичные фиг.5, при вращении диска.
Универсальный технологический комплекс производства режущих дисков большого диаметра с лазерной резкой и балансировкой содержит по меньшей мере, два рабочих стола: неподвижные стол (1) резки и стол (2) балансировки, а также машину лазерной резки мостового типа, режущая головка (3) лазера которой располагается на горизонтальной части моста (4) с возможностью перемещения по ней режущей головки (3) лазера над столом (1) резки или над столом (2) балансировки. Вертикальные опоры (5, 6) моста (4) установлены на рельсах (7, 8) с возможностью перемещения моста (4) с машиной лазерной резки лазера над столом (1) резки или над столом (2) балансировки или от стола (1) резки к столу (2) балансировки. Комплекс снабжен управляющей вычислительной машиной (9), управляющей процессом резки (УВМ), и вычислительной машиной (19) для балансировки (ПВЭМ) и микропроцессорным контроллером (10). Стол (2) балансировки снабжен соединенными с указанным контроллером (10) датчиком (11) угла поворота и, например, четырьмя весовыми тензодатчиками (12) с точностью не менее 0,01% веса диска (13), а также подключенным к вычислительной машине (19) приводом (14) с электродвигателем (15), кинематически соединенным ременной передачей (16) с установленным на столе (2) в стакане (18) и опертым на упорный сферический роликоподшипник (17) [с роликом в виде конуса со слабовыраженной сферической формой под углом 45 градусов от горизонтали] и зафиксированным радиальным шарикоподшипником (20) посадочным узлом (21) для установки балансируемого диска (13). Датчик (11) угла поворота может быть установлен на электродвигателе (15).
Стол (2) балансировки может быть снабжен до шести весовыми тензодатчиками (12), равномерно распределенными по окружности вокруг диска (13).
Комплекс снабжен кран-балкой (не изображена), а последняя снабжена магнитными или вакуумными захватами (не изображены), а рельсы (7,8) снабжены зубчатыми рейками (не обозначены).
Вычислительная машина (19) выполнена в виде ПВЭМ с возможностью вращения диска (13) на столе (2) балансировки, определения избыточного веса для радиус-векторов, исходящих из центра диска (13) к весовым тензодатчикам (12) при измерении веса диска (13) по радиус-векторам в неподвижном состоянии и при вращении, а также представления результатов балансировки в виде круговых диаграммы и графиков зависимости веса диска по радиус-векторам от угла поворота.
В комплект машины лазерной резки входит шкаф с электронным оборудованием, в котором находится в том числе упомянутая управляющая вычислительная машина (9) резки (УВМ), выполняющая программу резки. Это специализированная вычислительная машина, которая отличается по своим характеристикам от ПЭВМ (19). Ее нецелесообразно использовать для балансировки, поскольку программное обеспечение и аппаратная реализация УВМ не допускают одновременное выполнение на столах (1, 2) работ по резке и балансировке. ПЭВМ и УВМ объединены в локальную сеть (не изображена).
Универсальный технологический комплекс производства режущих дисков большого диаметра с лазерной резкой и балансировкой эксплуатируется следующим образом.
Режущие диски большого диаметра (от 2000 мм до 3000 мм, далее "диски") применяются в пилах горячей и холодной резки металла. Они изготавливаются из листовых стальных заготовок, получаемых на прокатном стане. Например, диск диаметром 2500 мм вырезается из квадратной заготовки 2550х2550 мм толщиной 12 мм весом около 450 кг. При использовании любого метода изготовления дисков (13) из-за неравномерностей стального листа заготовки, получаемого на прокатном стане, необходима последующая балансировка. Задачей является обеспечение отклонения веса диска (13) по четырем радиусам (с шагом через 90 градусов) не более 1/1000 от общего веса диска (13). Этим обусловлен выбор весовых тензодатчиков (12) с точностью не менее 0,01% веса диска (13).
Поскольку размеры заготовок очень велики и материал имеет большую толщину, необходимым условием является обеспечение большого рабочего пространства, что обеспечивается мостовой схемой размещения режущей головки (3) лазера, а также высокой мощностью лазера (для газового - от 2500 Вт). При
высокой мощности лазера оказывается возможным получить высокое качество обработки кромок зубьев диска (13), сравнимое с получаемым при фрезеровании. В машине лазерной резки мостового типа используются неподвижные рабочие столы (1, 2), а режущая головка (3) лазера располагается на горизонтальной части моста (4) и перемещается по горизонтали перпендикулярно направлению рельсов (7, 8) по которым перемещаются вертикальные опоры (5, 6). При этом за зубчатые рейки рельсов (7, 8) "цепляется" зубчатая передача привода (не изображен), осуществляющего точное позиционирование комплекса при перемещении по рельсам (7, 8).
Последовательность перемещений при выполнении технологических операций по изготовлению диска с балансировкой состоит в следующем.
Мост (4) перемещается в безопасное положение за столом (1), в котором в случае перемещения диска (13) (или его заготовки) при помощи кран-балки (не изображена) нельзя было задеть мост (4) с лазером или что-либо уронить на него. На стол (1) устанавливается заготовка. Мост (4) перемещается на стол (1). Машина лазерной резки запускается и осуществляет резку диска (13) на столе (1). Процессом резки в автоматическом режиме управляет УВМ (9). На столе (2) при этом выполняются операции калибровки измерительной системы (10, 19). После завершения резки на столе (1) мост (4) перемещается в безопасное положение.
Диск (13) перемещается со стола (1) на стол (2). На стол (1) устанавливается следующая заготовка. Мост (4) перемещается на стол (1). Машина лазерной резки запускается и осуществляет резку следующего диска (13) на столе (1). На столе (2) при этом выполняются измерительные операции балансировки первого диска (13).
Мост (4) перемещается на стол (2).
Информация о выполнении операции резки (снятия излишков металла, необходимые для балансировки) на столе (2) в виде кодов программы резки, сформированной на ПЭВМ (19), передается по сети на УВМ (9).
На столе (2) выполняются операции резки (снятия излишков металла, необходимые для балансировки). После завершения этих операций балансировки на столе (2) повторно выполняются измерительные операции балансировки. При необходимости повторно выполняются операции резки (снятия излишков металла, необходимые для балансировки), иначе:
Мост (4) перемещается в безопасное положение.
Готовый диск (13) снимается со стола (2).
Далее вышеописанные операции повторяются.
Последовательность операций, выполняемых на балансировочном устройстве.
Перед началом технологических операций выполняется калибровка измерительной системы без установленного диска (13) на столе (2), при которой выполняются следующие действия. С помощью весовых тензодатчиков (12) при помощи микропроцессорного контроллера (10) определяется начальный вес, соответствующий каждому тензодатчику (12). По датчику (11) угла поворота при помощи контроллера (10) определяется начальный угол поворота. ПЭВМ (19) получает данные от контроллера (10) и запоминает их как начальные для последующих вычислений.
Измерительные операции балансировки после установки диска (13) на столе (2) производятся следующим образом.
С помощью тензодатчиков (12) при помощи контроллера (10) определяется вес, соответствующий каждому тензодатчику (12). Далее измерения повторяются после изменения положения диска (13), его вращение выполняется электродвигателем (15) на угол, равный 360 градусам, деленным на количество танзодатчиков (12). Количество измерений и поворотов диска (13) определяется требованиями заданной точности балансировки, наилучшие результаты даст среднее измерение по каждому тензодатчику (12) за 60 мсек со скоростью не ниже 5000 измерений в секунду (для наиболее качественной фильтрации помех от питающего синусоидального напряжения частотой 50 Гц) при повороте к тензодатчику (12) от 5 до 10 раз. Процессом измерений управляет ПЭВМ (19), считывающая данные от контроллера (10) и управляющая приводом (14). Данные балансировки диска в неподвижном состоянии запоминаются на ПЭВМ (19) и представляются в виде круговой диаграммы.
При этом ПЭВМ (19) определяется избыточный вес для радиус-векторов, исходящих из центра диска (13), количество которых равно количеству тензодатчиков (12).
После вышеописанных измерений при неподвижном состоянии диска осуществляется вращение диска (13) на посадочном узле (21) электродвигателем (15) с заданным набором скоростей зависящим от веса диска (13), до 60 об/мин с шагом 10 об/мин. При вращении диска контроллер (10) выполняют операции измерений параллельно по каждому тензодатчику (12) (средние за 20 мсек со скоростью не
ниже 5000 измерений в секунду, для фильтрации помех) и датчику (11), полученные данные запоминаются на ПЭВМ (19) и наглядно представляются в виде набора графиков в координатах (вес на тензодатчике (12), угол поворота) и в виде круговых диаграмм для всего набора скоростей.
Фиг.5 иллюстрирует пример наличия небаланса веса диска (13) между соседними тензодатчиками (12). На осях обозначены значения w1, w2, w3 и w4, соответствующие средним значениям измеренного небаланса веса по четырем тензодатчикам (12) в диапазоне от разности между средними и минимальными измеренными до разности между максимальными измеренными по всем тензодатчикам (12). Угол а радиус-вектора R, исходящего из центра указывает на радиус-вектор диска (13) с максимальным небалансом.
При вращении диска (13) из-за смещенной оси вращения при наличии неравномерностей с увеличением числа оборотов n средние значения небаланса веса увеличиваются, что показано на фиг.6. Точка снятия металла для устранения неравномерности находится на радиус-векторе R со средним значением угла а. Чем больше расстояние точки от центра диска (13), тем больше ее вклад в значения w1 и w2, пропорциональный расстоянию точки небаланса от центра. Вес удаляемого металла определяется приблизительно как квадратный корень из суммы квадратов разности w1 и w3 и разности w2 и w4.
На ПЭВМ (19) по вышеперечисленным результатам измерений определяется точка (или точки) небаланса на определенных в результате расчетов радиус-векторах с избыточным весом.
Точки могут быть определены в области режущих зубцов или близко к посадочному отверстию диска (13), в этом случае точка переносится ближе к центру или дальше от центра диска (13) соответственно, но без выхода за диапазон от 1/3 до 3/4 радиуса диска (13). В наиболее типичном случае расположение точек снятия металл определяется технологическими требованиями на изготовление диска (13): их следует располагать на одинаковом расстоянии от центра, заранее оговоренном Техническими Условиями на изделие, и тогда вес удаляемого металла рассчитывается исходя из этих условий.
ПЭВМ (19) представляет результирующие данные оператору в наглядной форме для ручной настройки машины лазерной резки для резки (снятия металла в точках небаланса), а также управляющие коды программы машины лазерной резки для выполнения операций в полуавтоматическом режиме для УВМ (9). Результаты
измерений не только представляются в графическом виде для восприятия их оператором, но оператор также получает в результате расчетов на вычислительной машине (19) координаты точек диска (13) с неравномерностями и указания по снятию излишком металла в расчетных точках, которыми пользуется для выполнения операций резки при удалении неравномерностей.
Операции резки (снятие металла) при балансировке производятся следующим образом.
Оператор устанавливает диск (13) на ранее определенную начальную позицию на столе (2), используя данные от датчика (11). Мост (4) перемещается на стол (2). Выполняются операции резки отверстия расчетного диаметра в выявленных расчетных точках неравномерности, либо снятие заданного верхнего слоя металла на технологически определяемой площади (выбор операции определяется технологическими требованиями Заказчика на изготовление дисков).
Универсальный технологический комплекс производства режущих дисков большого диаметра с лазерной резкой и балансировкой позволяет использовать один из столов для балансировки диска после его вырезания из заготовки, установив на столе балансировочное устройство, а для снятия излишков металла при балансировке использовать машину лазерной резки, при помощи которой был изготовлен диск, формировать задание машине лазерной резки на снятие излишков металла по расчетам на основе результатов измерения веса диска по нескольким радиальным направлениям в неподвижном положении и при вращении. Изготовление дисков при помощи машины лазерной резки (далее "МЛР") дает наилучшее качество продукции (высокий срок службы и малый риск разрушения диска, продлевает срок службы механизмов пил резки металла), поскольку отсутствуют деформации и остаточные напряжения металла, присущие вырезке зубьев методом фрезерования. Вышеописанный комплекс позволяет проводить процесс балансировки итеративно, до достижения желаемой точности.