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 - жестких роторов (в том числе, шпинделей станков), конструкция которых позволяет производить диагностику и балансировку как в дорезонансном, так и в зарезонансном режиме эксплуатации.
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 автоматизированного программно-аппаратного комплекса, посредством которых обеспечивается статическая и динамическая (комплексная) балансировка тел вращения - жестких 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 в сборе, 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 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 на опорных плитах установлены жестко закрепленные опорные стойки, функционально являющиеся средством жесткого 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, стойки, на каждой из которых установлен роликовый блок с обоймой или текстолитовая призма, функционально являющиеся базовыми элементами для установки исследуемого тела вращения, каждая стойка состоит из неподвижного корпуса, на котором базируется подвижная, в плоскости, перпендикулярной оси вращения, часть в виде подвески маятникового типа, оснащенная регулируемыми средствами ограничения амплитуды ее колебаний в упомянутой плоскости, при этом верхняя часть упомянутой подвески оснащена призматическим кронштейном, функционально являющимся базовым элементом для установки непосредственно упомянутых роликового блока или призматической призмы, 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 реперной 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 спереди, без защитного экрана);
Фиг.3 - фрагмент общего вида комплекса (вид сбоку по фиг.2);
Фиг.4 и фиг.5 - варианты проводки приводного ремня.
В последующем описании полезной модели узлы и компоненты комплекса обозначены следующими позициями:
1 - основание (комплекса);
2 - опора (регулируемая основания 1);
3 - панель (управления комплексом);
4 - направляющие (для перемещения опорного кронштейна 5 привода комплекса и опорного кронштейна 6 держателя фотоотметчика);
5 - кронштейн (опорный главного привода комплекса);
6 - кронштейн (опорный держателя фотоотметчика);
7 - столешница (основания);
8 - плита (опорная для направляющих 9);
9 - направляющие (для опорных стоек 10 и 11);
10 - стойка (опорная левая);
11 - стойка (опорная правая);
12 - винты (стопорные стоек опорных 10 и 11);
13 - корпус (неподвижный стойки);
14 - фиксатор (подвески маятникового типа);
15 - винт (регулируемый для ограничения хода подвески маятникового типа);
16 - кронштейн (для установки роликового блока или текстолитовой призмы для установки ротора);
17 - обойма (роликового блока);
18 - ролик (высокоточный роликового блока);
19 - болты (фиксирующие обоймы 17);
20 - шарикоподшипник (конечный элемент осевого упора для ротора с одной его стороны);
21 - пластина (плоская пружинная - осевой упор для ротора с другой его стороны);
22 - штанга (для регулировки осевого положения упоров для ротора);
23 - зажимы (фиксирующие для штанг 22);
24 - штанга (начальная штанги 22 с концевым элементом «шарикоподшипник»);
25 - рукоятка (винта для фиксации опорного кронштейна 5 главного привода);
26 - штанга (круглая для установочного кронштейна 27 главного привода);
27 - кронштейн (установочный для установки и перемещения электродвигателя 29 главного привода);
28 - рукоятка (винта для фиксации кронштейна 27);
29 - электродвигатель (главного привода);
30 - шкив (приводной механизма проводки приводного ремня);
31 - рычаг (регулировочный механизма проводки приводного ремня);
32 - винт (для фиксации заданного положения рычага 31);
33 - ремень (приводной механизма проводки);
34 - шкив (натяжной механизма проводки);
35 - шкивы (направляющие механизма проводки);
36 - шкив (вспомогательный механизма проводки);
37 - рейки (для перемещения направляющих шкивов 35);
38 - коромысло (для поднатяжения приводного жесткого синтетического ремня);
39 - разъем (датчика вибрации);
40 - фотоотметчик;
41 - датчик (угловых перемещений - углового положения);
42 - дисплей.
Программно-аппаратный комплекс включает следующие детали, узлы и механизмы.
Основание 1 представляет собой рамную сварную несущую конструкцию, на которой монтируются все основные узлы комплекса.
Основание является базовым узлом комплекса, в состав которого входят:
- регулируемые опоры;
- направляющие;
- опорные плиты.
Основание 1 представляет собой несущую конструкцию, внутри которой располагается блок питания и система регулирования частоты вращения привода комплекса.
По углам основания расположены четыре регулируемые по высоте опоры 2, с помощью которых комплекс может быть выровнен в горизонтальной плоскости.
На лицевой стороне основания 1 находится панель 3 управления комплексом, на задней стороне находятся панель подключения сетевого электропитания и кабелей измерительной системы комплекса.
Также с задней стороны основания находятся направляющие 4, по которым перемещаются опорный кронштейн 5 главного привода комплекса и опорный кронштейн 6 держателя фотоотметчика, которые могут перемещаться вдоль оси исследуемого тела вращения (ротора).
На верхней плоскости основания 1 на столешнице 7 установлены две опорные плиты 8 для крепления направляющих 9, по которым перемещаются опорные стойки комплекса.
Перемещение вдоль горизонтальных направляющих
необходимо для балансировки роторов различной длины.
На боковой поверхности основания 1 крепится кронштейн с установленным на нем блоком управления комплексом и сенсорным дисплеем для ввода исходных данных и вывода результатов измерений.
В верхней части основания 1 установлен подъемный защитный экран рабочей зоны (в графических материалах условно не показан).
Опорные стойки (левая стойка 10 и правая стойка 11) предназначены для восприятия силы тяжести и периодических колебаний ротора, вызванных его остаточной неуравновешенностью.
Стойки 10 и 11 могут вручную перемещаться по двум направляющим вдоль основания 1 по всей его длине для того, чтобы обеспечить требуемое положение ротора относительно главного привода.
После установки опорных стоек 10 и 11 в требуемое положение они могут быть зафиксированы от руки двумя стопорными винтами 12, расположенными с обеих сторон стоек 10 и 11.
Каждая опорная стойка 10 и 11 состоит из неподвижного корпуса 13, на котором базируется подвижная часть, выполненная в виде подвески маятникового типа.
При вращении ротора под действием динамических сил, вызываемых его дисбалансом, маятниковая подвеска совершает возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора.
В нерабочем состоянии, а также при переноске, транспортировании, смене роликового блока на призму и т.п.случаях маятниковые подвески необходимо стопорить, для чего в конструкции комплекса на каждой опорной стойке 10 и 11 предусмотрен фиксатор 14 подвески маятникового типа.
Ручка фиксатора 14, установленная вертикально, отключает фиксатор и освобождает подвеску маятникового типа, включение фиксатора поворотом на 90° против часовой стрелки блокирует упомянутую подвеску.
В случае значительного исходного дисбаланса, колебания подвесок маятникового типа могут достичь значительных величин, при этом подвески и корпуса 13 стоек 10 и 11 могут соударяться, вызывая повреждения механизма подвески.
Для ограничения максимального хода подвески (примерно 3 мм) в стойках имеются регулируемые винты 15 из капролона.
Торцы этих винтов 15 со шлицами выведены на лицевую и заднюю поверхность стоек 10 и 11.
В верхней части каждой подвески к ней привинчен установочный кронштейн 16, на который (по выбору оператора) устанавливаются либо роликовый блок, либо текстолитовая призма.
Роликовый блок обычно используется:
- для балансировки относительно тяжелых роторов;
- для балансировки роторов с относительно невысокими требованиями к точности.
Роликовый блок крепится непосредственно к подвеске и в его направляющих устанавливается обойма 17 с двумя высокоточными роликами 18.
Горизонтальность оси ротора является одним из основных условий качественной балансировки.
Для выставления оси ротора в горизонтальном положении, в том числе, в случае балансировки роторов с разным диаметром опорных шеек ротора, в обоймах 17 роликовых опор выполнены два продольных паза дающих возможность регулирования высоты установки исследуемого ротора. Обоймы 17 фиксируется на установочных кронштейнах 16 двумя болтами 19.
Функциональное назначение осевых упоров ротора - ограничение перемещения ротора в продольном направлении, причиной которого может стать осевое аэродинамическое усилие, возникающего при балансировке роторов с открытыми лопатками, либо наклон ротора и др. причины.
В качестве конечного элемента осевого упора в конструкции станка может использоваться либо шарикоподшипник 20, либо плоская пружинная пластина 21 двух типоразмеров.
Упоры регулируются при помощи штанг 22 и фиксирующих зажимов 23, таким образом, чтобы один концевой элемент находился в контакте с торцом ротора, а с противоположной стороны должен быть гарантированный зазор между торцом ротора и концевым упором.
Начальная штанга 24 осевого упора с концевым элементом «шарикоподшипник» 20 вворачивается в одно из резьбовых отверстий на корпусе соответствующей опорной стоки 10, а начальная штанга 24 осевого упора «пластина» 21 - в резьбовые отверстия на маятниковой подвеске.
Целесообразно отметить, что собственная частота () первой формы колебаний опор заявленного балансировочного комплекса определяется длинной подвеса маятниковой опоры L=0,065 м и равна:
Главный привод с помощью пассика либо плоского приводного ремня, проходящего через систему шкивов, обеспечивает передачу вращения от электродвигателя на ротор, а также его торможение.
В состав главного привода комплекса входят следующие сборочные единицы:
- опорный кронштейн 5 со штангой 26;
- установочный кронштейн 27;
- асинхронный электродвигатель 29, установленный на подвижном регулируемом кронштейне 27;
-система шкивов с механизмом натяжения и фиксации;
- приводной элемент - плоский ремень 33;
- механизм натяжения ремня 33 в виде блока шкивов, расположенных на раме-кронштейне с винтовым регулятором-натяжителем;
- частотно-регулируемый преобразователь с коммутационной аппаратурой, располагающийся в электрошкафу.
Опорный кронштейн 5 служит для перемещения привода вдоль оси вращения ротора с тем, чтобы привод мог быть установлен в выбранное оператором положение.
Фиксация опорного кронштейна 5 на направляющей производится винтом с рукояткой 25.
В зажим опорного кронштейна 5 вставлена круглая штанга 26, вдоль которой может перемещаться установочный кронштейн 27, фиксация которого на штанге 26 также производится винтом с рукояткой 28.
На установочном кронштейне 27 находится асинхронный электродвигатель 29 с приводным шкивом 30, а также рычаг с направляющими шкивами 35.
Рычагом 31 можно осуществлять его угловые перемещения для того, чтобы обеспечить оптимальные точки касания поверхности ротора с пассиком (приводным ремнем 33), для чего в опорном кронштейне 5 выполнен продольный дугообразный паз.
Фиксация рычага 31 в выбранном положении производится двумя винтами 32.
Привод, как правило, устанавливается между стойками 10 и 11, но, при необходимости, он может быть установлен с внешней стороны любой из них.
Для этого необходимо ослабить два винта 32, поднять рычаг до упора вверх, отпустить винт 25, и (придерживая рычаг), переместить привод в нужное положение.
После этого рычаг необходимо установить в первоначальное положение и зафиксировать опорный кронштейн 5 привода.
Для передачи крутящего момента с электродвигателя 29 на ротор в комплексе обычно используются резиновый ремень 33 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 33 является важным условием обеспечения точности измерения дисбаланса.
Для регулировки степени натяжения в конструкции комплекса предусмотрена система перемещаемых шкивов, в которую входят: приводной шкив 30; натяжной шкив 34; два направляющих шкива 35; вспомогательный шкив 36.
В комплект комплекса для всех шкивов 34 и 35 (кроме приводного и вспомогательного шкивов 30 и 36, соответственно) входят сменные бандажи, предназначенные для пассиков (с ручьевым сечением) и бандажи для плоских ремней.
Для замены бандажей, необходимо отвернуть 4 крепежных винта, а для того, чтобы заменить приводной шкив 30, установленный на вал электродвигателя 29, необходимо выполнить, соблюдая указанную последовательность, следующее:
- снять электродвигатель 30 с установочного кронштейна 27, вывернув 4 винта на его фланце;
- отвернуть ключом S=10 мм специальную гайку, находящуюся в полости шкива 30;
- ослабить два стопорных винта и снять шкив 30 с вала.
- надеть на вал новый шкив 30;
- затянуть стопорные винты и только после этого затянуть специальную гайку.
- установить электродвигатель 29 на кронштейн 27, завернуть крепежные винты.
Вспомогательный шкив 36 крепится на рычаге 31 винтом, ввернутым в ось шкива 36.
После замены шкивов следует проверить их на легкость вращения.
Натяжение ремня 33 регулируется перемещением направляющих шкивов 35 установленных на рейках 37, а также натяжного шкива 34, для чего в рейках 37 и рычаге 31 выполнены продольные пазы.
Освобождение и фиксация шкивов и реек 37 производится винтами.
Поворотом реек 37 можно также осуществить одновременное сведение/разведение рабочих, т.е. касающихся ротора, ветвей ремня.
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 38 с пружиной, причем натяжной шкив 34 устанавливается на рычаге этого коромысла 38.
Правилами эксплуатации комплекса предусмотрены две схемы расположения (проводки) приводного ремня 33.
Схема, показанная на фиг.4 является более предпочтительной при необходимости частой и быстрой установки и снятия ротора, что обычно характерно в условиях серийной балансировки.
Для вращения роторов большой массы или в случае большого диаметра охватываемой ремнем поверхности может быть применена схема по фиг.5. В этом случае вспомогательный шкив 36 не задействуется.
Взаимное расположение направляющих шкивов 35 на хоботе можно считать оптимальным в том случае, когда набегающий на ротор и сбегающий с него рабочие участки ремня 33 близки к вертикальному положению или симметрично сходятся под ротором.
При эксплуатации ременного привода следует стремиться к такому наименьшему усилию натяжения ремня 33, при котором в режимах «разгон-торможение» не происходит его проскальзывания ни по поверхности ротора, ни по приводному шкиву 30.
Система управления комплексом основана на базе промышленного компьютера с интегрированной системой измерений, которая включает в себя соответствующие датчики (датчик 41 углового положения - угловых перемещений, вибраций, фотоотметчик 40, преобразователь сигнала и измерительный прибор).
С помощью специально разработанной программы производится обработка данных измерений и визуализация ввода предварительных данных и вывода результатов на экран.
Система управления устанавливается на кронштейне и имеет сенсорный экран - монитор 42. Также имеются устройства коммутации (ввода и вывода данных) с периферийными устройствами.
Измерительный блок (система) комплекса включает в себя следующие компоненты: датчики вибрации; фотоотметчик; датчик углового положения; виброизмерительный прибор.
Датчики вибрации, прикрепленные к маятниковой подвеске измеряют амплитуду колебаний в ее плоскости, и (в виде переменного напряжения) передают эту информацию на виброизмерительный прибор.
Разъем датчика вибрации (поз.39) находится на задней стенке стойки.
Назначение фотоотметчика (поз.40) - фиксация момента начала и окончания цикла измерения амплитуды вибрации за один оборот ротора, что достигается за счет контакта светоотражающей метки, установленной на роторе, с лучом лазера, находящегося в фотоотметчике.
Важным условием правильной работы комплекса является однократное считывание метки за один оборот ротора.
При возможных вторичных срабатываниях фотоотметчика от соприкосновения луча с различными элементами внешней поверхности ротора (риски, натиры и т.п.) или же при «засветке» фотоотметчика внешним светом может иметь место неправильный расчет корректирующих грузов, (они могут не соответствовать реальному дисбалансу) или даже отказ в работе привода комплекса.
При помощи держателя, состоящего из штанг и зажимов, фотоотметчик подобно осевому упору может быть установлен в нужное положение по отношению к плоскости вращения контрольной метки.
Датчик угловых перемещений (поз.41) предназначен для определения углового положения ротора относительно метки. Датчик соединяется с валом электродвигателя привода резиновым пассиком.
Виброизмерительный прибор (на рисунке не показан) служит для измерения вибрации опор станка, возникающей при вращении ротора, расчета величин корректирующих масс и углов их установки по отношению к контрольной метке.
В качестве виброизмерительного прибора обработки зарегистрированных параметров вибрации могут быть использованы, например, измерительные приборы «МОРИОН» или «САПФИР» фирмы «ДИАМЕХ 2000» (в графических материалах условно не показаны), посредством которых (методом коэффициентов влияния) производится расчет величин корректирующих масс и углов их установки.
Результаты расчетов выводятся на монитор 41 блока отображения информации 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.
Технические характеристики комплекса.
Таблица
№п/п
Параметр
ед. измер.
величина
1.
Масса балансируемого ротора
- минимум
кг
0,03
- максимум
кг
10,0
2.
диаметр балансирумого ротора
- максимум
мм
170
- минимум
мм
5
3.
длина балансируемого ротора
- максимум
мм
500
- минимум
мм
40
4.
Максимально допустимое усилие, прикладываемое на одну опору
H
45
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 5000
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
120
минимум
10
11.
диаметр опорной шейки
максимум
мм
50
минимум
2
12.
разница диаметров опорных шеек
максимум
мм
80
минимум
0
13.
длина основания
мм
500
14.
Электропривод балансировочного шпинделя с регулируемой частотой вращения
об/мин
от 300 до 3000
15.
Электропитание однофазного переменного тока
220 В, 50 Гц
16.
тип электродвигателя
Асинхронный
17.
Мощность электродвигателя
кВт 0,25