УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ТЕПЛОВЫХ И СИЛОВЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТОКАРНОГО СТАНКА
DEVICE TO COMPENSATE FOR LATHE HEAT AND POWER ERRORS

Изобретение относится к металлообрабатывающей промышленности, в частности к токарным станкам с повышенной точностью изготовления деталей.
Наиболее близким решением из уровня техники по технической сущности является устройство для компенсации тепловых погрешностей, содержащее датчики перемещения оси шпинделя и оси пиноли в плоскости формообразования и элемент, осуществляющий смещение оси пиноли, соответствующее перемещению оси шпинделя. Для повышения точности обработки элемент, осуществляющий смещение оси пиноли, выполнен в виде гидроцилиндра, закрепленного на станине станка с упором его штока в пиноль, а устройство снабжено двумя цифровыми приборами для указания величины смещения оси шпинделя и оси пиноли в плоскости формообразования, соединенными с двумя датчиками перемещения, и редукционным клапаном для регулировки давления масла в гидроцилиндре (Патент РФ №2245765, В23В 25/06, 2005 г.).
К недостаткам известного технического решения следует отнести то, что в нем не компенсируются силовые погрешности шпинделя и суппорта, которые возникают от воздействия резца на деталь при обработке резанием.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении точности обработки деталей за счет компенсации выявленных тепловых и силовых погрешностей в совокупности их воздействия донастройкой станка в процессе обработки деталей.
Технический результат, соответствующий поставленной технической задаче, достигается за счет совокупности признаков, изложенных заявителем в формуле изобретения.
А именно, за счет того что в устройстве компенсации тепловых и силовых погрешностей токарного станка, содержащем измерительную систему в виде средств съема и передачи информации, систему обработки измерительной информации, а также систему коррекции, функционально обеспечивающую посредством программно-аппаратных средств по полученным данным корректировку процесса металлообработки, согласно изобретению средства съема информации выполнены в виде двух лазерных датчиков перемещения, один из которых установлен с возможностью фокусировки луча непосредственно на поверхность шпинделя, а второй - на диагональную поверхность отражателя, выполненного в виде прямоугольной призмы и расположенного на державке резца в зоне металлообработки перед передней поверхностью резца.
Поставленная задача решается также и посредством того, что заявленное устройство выполнено с возможностью автоматической компенсации погрешностей в процессе металлообработки, настройки и управления станка.
Полученное новое качество по заявленной совокупности признаков ранее не было известно из уровня техники и достигается только в данном устройстве.
Заявленное устройство поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 схематично изображено устройство компенсации тепловых и силовых погрешностей токарного станка (вид сверху);
- на фиг.2 схематично изображено устройство компенсации тепловых и силовых погрешностей токарного станка (вид сбоку).
Заявленное устройство содержит следующие конструкционные элементы: систему коррекции выявленных погрешностей 1, снабженную программно-аппаратными средствами для автоматической корректировки положения резца в процессе металлообработки, шпиндель 2, закрепленный на станине 3, патрон 4, в котором устанавливается обрабатываемая заготовка 5. На кронштейне 6, установленном на станине 3, смонтирован лазерный датчик 7 перемещения, который измеряет перемещение шпинделя 2 в горизонтальной плоскости формообразования в процессе обработки посредством фокусировки луча непосредственно на его поверхности. Для измерения перемещения резца 8 в процессе обработки под воздействием силовых и тепловых факторов на нем закреплен отражатель 9, выполненный в виде прямоугольной призмы, а на суппорте 10 закреплен кронштейн 11, на котором смонтирован лазерный датчик 12, который измеряет перемещение резца 8 в горизонтальной плоскости формообразования детали. При этом луч лазерного датчика 12 сфокусирован на диагональной поверхности усеченной призмы отражателя 9.
Устройство компенсации тепловых и силовых погрешностей токарного станка работает следующим образом.
При металлообработке на токарном станке сила резания через заготовку 5 воздействует на консольную систему «заготовка 5 - патрон 4 - шпиндель 2», которая подвергается наибольшей деформации в области контакта резца 8 с поверхностью обрабатываемой заготовки 5. Кроме этого та же сила резания воздействует на другую консольную систему «суппорт 10 - резцедержательная головка - резец 8», которая также подвергается наибольшей деформации в области контакта резца 8 с поверхностью обрабатываемой заготовки 5. Деформации этих двух главных консольных систем приводят к искажению обрабатываемой поверхности заготовки 5. С другой стороны в процессе работы токарного станка в его опорах в результате трения выделяется теплота, которая приводит к тепловому расширению стенок шпиндельной бабки, в результате чего ось шпинделя 2 перемещается, главным образом, в горизонтальной плоскости формообразования. Кроме этого при резании выделяемая теплота нагревает переднюю поверхность резца 8, что приводит к его локальному термическому расширению и, как следствие, к перемещению режущей кромки резца 8 в сторону заготовки 5, в результате чего за счет возникающих тепловых и силовых погрешностей нарушается начальная настройка резца на размер. Заготовка 5 обрабатывается уже не по цилиндрической, а по криволинейной поверхности.
Текущий радиус геометрического образа обработанной поверхности в поперечном сечении рассчитывается по формуле:
.
pi
pi
дi
дi
Это выражение является обобщенной функцией геометрического образа при токарной обработке. Определив экспериментально траекторию оси заготовки 5, то есть текущие координаты X и Y, и траекторию режущей кромки, то есть текущие координаты X и Y, по углу поворота шпинделя 2 можно построить геометрический образ поперечного сечения обработанной поверхности с настроечным диаметром D.
В уравнении первый член на три-четыре порядка больше второго. Это значит, что влиянием второго члена формулы на искажения геометрического образа обрабатываемой поверхности можно пренебречь. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что перемещение оси шпинделя в вертикальной плоскости никак не влияет на форму обрабатываемой поверхности заготовки 5.
Таким образом, при реализации заявленного устройства для достижения заявленного технического результата достаточно учитывать смещение оси шпинделя 2 и резца 8 только в плоскости формообразования (XOZ).
Поэтому в системе измерения перемещения шпинделя используется только один лазерный датчик 7, луч которого сфокусирован на поверхность консольной части шпинделя 2, с возможностью измерения перемещения шпинделя в плоскости формообразования заготовки 5. А в системе измерения перемещения резца 8 достаточно использовать также один лазерный датчик 12, луч которого сфокусирован на диагональную поверхность отражателя 9, выполненного в виде прямоугольной призмы и расположенного на державке резца 8 в зоне металлообработки перед передней поверхностью резца 8. Рассеянное на поверхностях шпинделя 2 и отражателя 9 излучение собирается на CCD-линейках лазерных датчиков 7 и 12. Процессоры лазерных датчиков 7 и 12 рассчитывают расстояние до поверхности шпинделя 2 и отражателя 9 и полученные данные направляют в систему коррекции выявленных интегральных погрешностей 1, например в СПЧУ станка, где программно-аппаратными средствами производится автоматическая коррекция положения резца 8 в горизонтальной плоскости формообразования (XOZ).
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата, а именно: для повышения точности обработки деталей за счет компенсации выявленных тепловых и силовых погрешностей в совокупности их воздействия донастройкой станка в процессе обработки деталей.
Свойства и элементы конструкции, регламентированные в заявленном устройстве отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для компенсации силовых и тепловых погрешностей на токарных станках и может быть отнесен к области металлообработки и измерительной техники;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки и 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, заявленный объект, по мнению заявителя, соответствует требованиям условия патентоспособности «новизна», «уровень техники» и «промышленная применимость» по действующему законодательству и может быть классифицирован как объект промышленной собственности «изобретение».