УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ВЗАИМНЫХ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОСЕЙ ИНСТРУМЕНТА И РАСТАЧИВАЕМОГО ОТВЕРСТИЯ

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно - к высокоточному станкостроению, и может быть использовано в прецизионных станках расточной и фрезерной группах с горизонтальным расположением шпинделя.
Известно устройство стабилизации силовых деформаций станины [1], 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 известного 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.
В патенте [2] 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.
Целью настоящего изобретения является повышение точности обработки на станке, путем компенсации возникающих отклонений осей инструмента и обрабатываемого отверстия, вызванных деформациями изгиба станины.
Данная цель достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве компенсации взаимных угловых перемещений осей инструмента и растачиваемого отверстия, вместо одной из трех опор, размещенной в максимальной близости к стойке или максимальном удалении от нее, 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.
1
2
На фиг.1 показан общий вид координатно-расточного станка, оснащенный устройством компенсации взаимных угловых 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 две установочные опоры 11, 12 и гидродомкрат 13 предлагаемого устройства. Устройство содержит также гидравлическую станцию 14, электрогидравлический преобразователь 15, усилитель электрического сигнала 16 и уровни электронные 18, 19 (УЭ, УЭ). Устройство использует в станке датчик перемещения по оси OZ 17 и систему ЧПУ 20 (CNC).
1
2
Уровень электронный УЭ на стойке определяет угол ее наклона α1, вследствие деформации изгиба станины, а уровень УЭ на обрабатываемой заготовке определяет угол наклона заготовки α2. Аналоговые или цифровые выходы с уровней подключаются к системе ЧПУ станка.
На фиг.2 представлено закрепление корпусной заготовки на столе и устройство гидродомкрата. Заготовка со стороны установочных опор 11 и 12 закрепляется прихватами 21 при помощи болтов к станочным пазам 22 с гайками 23 и шайбами 24. Базовая поверхность корпусной заготовки устанавливается на толкатель гидродомкрата 25 и закрепляется при помощи шпильки 26 с гайкой 27 и шайбой 28. Нижний конец шпильки ввинчивается в резьбовое отверстие толкателя, который неподвижно соединен с жестким центром 29.
Гидродомкрат состоит из основания 30, которое при помощи четырех отверстий, равномерно расположенных по окружности, крепится к Т-образным пазам стола. По упорной резьбе основания 30 ввинчивается корпус 31, который позволяет регулировать пространственное положение заготовки. Через штуцер 32 в корпус гидродомкрата 31 подается рабочая жидкость, давление которой регулируется в электрогидравлическом преобразователе. При помощи эластичной мембраны 33, изменяемое давление в гидродомкрате производит поступательное перемещение жесткого центра 29 и соответственно угловое перемещение переднего края заготовки относительно установочных опор 11 и 12. Крышка 34 прикручивается к корпусу 31 при помощи крепежных винтов, прижимает плотно эластичную мембрану и создает герметичное соединение.
На фиг.3 показана геометрия угловых перемещений. Во время движения стойки по направлению к заготовке станина испытывает изгибные деформации, которые приводят к потере точности обработки на станке. Причиной этому служат взаимные отклонения осей инструмента и растачиваемого отверстия, вследствие угловых перемещений заготовки и стойки со шпиндельным узлом.
На фиг.4 показаны структурные схемы стабилизации параллельности осей и вертикальной коррекции оси инструмента, где представлены следующие обозначения:
вx
U - входной сигнал (состояние на входе);
вых
U - выходной сигнал (состояние на выходе);
U - управляющее воздействие;
1
УЭ - уровень электронный, установленный на стойке;
2
УЭ - уровень электронный, установленный на заготовке;
α1 - угол наклона оси инструмента;
α2 - угол наклона оси растачиваемого отверстия;
CNC - система ЧПУ;
У - усилитель;
ЭГП - электрогидравлический преобразователь;
ГД - гидродомкрат;
КЗ - корпусная заготовка;
ДП - датчик перемещения;
М - электродвигатель перемещения по оси OY;
ШУ - шпиндельный узел.
При перемещении стойки по направляющим станины последняя начинает прогибаться в большей степени по мере удаления от установочной опоры станка 4 (фиг.1). Это перемещение соответствует входному сигналу, отмеченному на структурных схемах фиг.4, а и фиг.4, б. Входной сигнал или направленное движение стойки производит изгибные деформации станины, которые неравнозначно отражаются на угловых перемещениях корпусной заготовки и самой стойки. Таким образом, уровни электронные при воздействии производных от входного сигнала определяют величины угловых перемещений, т.е. при подаче входного сигнала на уровень 1, определяется угол наклона стойки и соответственно оси инструмента α1, а при подаче входного сигнала на уровень 2, определяется угол наклона заготовки и соответственно оси растачиваемого отверстия α2. Угол α1 будет положительным, так как он образуется при угловом перемещении стойки против часовой стрелки, а угол α2 будет отрицательным, так как он образуется при угловом перемещении заготовки по часовой стрелке. Оба угла подаются на сравнивающее устройство, которое на практике должно быть реализовано в программе ЧПУ, а на структурной схеме вынесено отдельным элементом. Полученная сумма соответствует разности между двумя углами, которая затем подается на вход системы ЧПУ. В системе ЧПУ будет определяться необходимая величина хода толкателя гидродомкрата для того, чтобы повернуть заготовку на угол α1+α2. Ход толкателя вычисляется по углу поворота заготовки и известному расстоянию, взятому в проекции по оси OZ между установочной опорой заготовки 11 или 12 и гидродомкратом 13. Это расстояние должно вводиться в память ЧПУ перед началом обработки как величина постоянная для каждой отдельной заготовки. Далее с выхода ЧПУ снимается величина хода толкателя, преобразованная в электрический сигнал, и подается на вход усилителя, который, усилив этот сигнал, подает его на вход электрогидравлического преобразователя. Электрогидравлический преобразователь преобразовывает электрический сигнал в пропорциональное давление рабочей жидкости, которое является управляющим воздействием на входе гидродомкрата. Гидродомкрат при изменении давления на выходе преобразователя производит подъем переднего края корпусной заготовки, что приводит ее к повороту относительно установочных опор 11 и 12 на угол α1+α2.
На выходе структурной схемы корпусная заготовка изменяет свое относительное положение и соответственно угол наклона α2, который подается обратно на уровень электронный 2 как возмущение. При этом начальный входной сигнал от перемещения стойки уже не учитывается на входе уровня 2, так как положение заготовки было изменено управляющим воздействием, и мы рассматриваем работу устройства в каждый конкретный момент времени, в котором перемещение стойки имеет какое-то конечное значение. В этом случае входной сигнал сохраняется на входе уровня электронного 1 и имеет постоянное значение до момента последующего дискретного перемещения стойки.
На уровне электронном 2 определяется величина возмущения, т.е. угол α2, который затем подается на сравнивающее устройство. Если угол α2 будет не равен углу α1, то будет происходить повторное преобразование разности углов в управляющее воздействие гидродомкрата до тех пор, пока оба угла не сравняются.
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.
Выходные сигналы с уровней электронных (α1 и α2) 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 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 деформаций в станке на точность обработки за счет компенсации взаимных угловых перемещений осей при управлении положением заготовки и с учетом независимости от контактных деформаций в стыках подсистем "станина-стол" и "стол-заготовка" повысить точность системы СПИЗ в целом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. 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. БИ №20, 2007.
2. 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.