Станок с числовым программным управлением для изготовления цилиндрических корпусов моделей ракет

Полезная модель относится к ракетно-космической отрасли, а именно к устройствам, используемым при создании корпусов действующих моделей ракет, применяемых как в образовательных целях, так и в научных целях.
Из уровня техники известно, что при создании цилиндрических корпусов моделей ракет необходимо придавать им особую прочность, лёгкость и точность в габаритных размерах. В качестве материала для реализации этих целей используют композиционно-волокнистые пряди или нити с пропиткой, наматываемые на оправку станками с ЧПУ. Известны намоточные станки, представленные в RU 2615478 C1, RU 2342308 C1, RU 46485 U1.
Однако наиболее близким аналогом предлагаемой нами полезной модели является устройство, представленное в статье: «Design of portable 3-axis filament winding machine with inexpensive control» / Quanjin Ma, M. RejabM.R., S. IdrisM., M. Amiruddin, D. Bachtiar, P. SiregarJ., I. IbrahimM. Less// Journal of mechanical engineering and sciences, v12, 2018. – p. 3479-3493. DOI: 10.15282/jmes.12.1.2018.15.0309. Портативный станок с числовым программным управлением состоит из трех блоков: блока каретки, блока вращения и блока управления. Композиционно-волокнистые нити пропускаются через расположенную на двигающейся каретке ванну со смолой и наматываются на вращающуюся оправку. Концевые выключатели используются для позиционирования каретки.
К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что вращение от валов шаговых двигателей блокам каретки и вращения передаются с помощью ременной передачи, при этом со временем ремни могут растянуться и точность намотки снизится. Возникает необходимость периодически контролировать натяжение ремня. Движение каретки осуществляется посредством роликов.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключаются в создании станка с числовым программным управлением для изготовления цилиндрических изделий. При этом, для повышения точности работы станка и упрощения его обслуживания, необходимо реализовать передачу вращения от валов шаговых двигателей, соответственно блоку каретки и блоку вращения, исключив ременные передачи. Перемещение каретки должно проходить без отклонений от траектории его движения.
Необходимость решения поставленной задачи в первую очередь обусловлена всё возрастающими требованиями к подготовке высококвалифицированных специалистов для ракетно-космической отрасли, которые должны иметь практический опыт реализации проектов по созданию действующих моделей ракет. Для этого необходим доступный для изготовления корпусов моделей ракет, надёжный, легко масштабируемый  намоточный станок с числовым программным управлением.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в предлагаемом нами станке с числовым программным управлением, состоящем из блока каретки, блока вращения и блока управления, используется композиционно-волокнистая нить, которая смачивается в ванночке со смолой, а затем под управлением микроконтроллера, с использованием шаговых двигателей, обеспечивающих подвижность намоточного узла и вращение оправки, наматывается на цилиндрическую оправку по выбранному пользователем алгоритму. Для повышения точности работы станка шаговые двигатели передают крутящий момент через муфты непосредственно валам каретки и намоточного узла, а ременная передача не используется. Точность перемещения каретки обеспечивается направляющими валами.
Устройство станка с числовым программным управлением для изготовления цилиндрических корпусов моделей ракет представлено на следующих чертежах:
фиг. 1 - Общий вид станка;
фиг. 2 - Детализированный вид станка;
фиг. 3 - Вид с боку блока  каретки и оправки;
фиг. 4 - Действующий лабораторный образец.
Станок состоит из основания 1, на котором расположены уголки 6, удерживающие посредством держателей 5 направляющие валы 7, на которые насажены кронштейны 26, соединённые общей пластиной 25 с кронштейном гайки 27 трапецеидального винта 8, проходящего через подшипники 24 и соединённого муфтой 4 с шаговым двигателем 2. Работа двигателя связана с концевыми выключателями 3 и уголками 35 на них воздействующими. На пластине 25 закреплено основание каретки 19, на которой посредством уголков 9 вертикально закреплены два отрезка конструкционного профиля 11, соединённые между собой посредством уголков 12 перекладиной выполненной из такого же конструкционного профиля, на которой также на уголке 12 закреплён отрезок конструкционного профиля с натяжителем 13. Между двумя вертикальными отрезками конструкционного профиля 11 проходит вал 14 для катушки с композиционно-волокнистой нитью, который в подшипниках 17, расположенных с двух его сторон, вращается с ограничением скорости вращения посредством устройства 10. Шайбы 16 удерживаются на валу 14 посредством держателей 15 и служат для зажима катушки, нить с которой пропускается через натяжитель 13, затем через ролики 18, расположенные на одной линии, а в месте, где закреплена ванночка для смолы 40, больший по диаметру ролик 20, удерживаемый кронштейном 36 и винтом 37, утапливает нить в смолу, которая затем отжимается валиками 38 и 39, и, далее через очередной типовой ролик 18 подаётся в распределительное устройство 21, имеющее возможность поворачиваться благодаря подшипнику 41. Намотка нити осуществляется на заготовку фиксируемую зажимами 33 и удерживаемую шайбами 34, зафиксированными в свою очередь держателями 32 на валу 23, установленном в подшипники 31 и соединённом одним своим концом через муфту 30 с шаговым двигателем 29. Механизм блока вращения оправки весь удерживается уголками 22 расположенными на станине 1. Управление шаговыми двигателями 2 и 29 осуществляется типовыми драйверами и микроконтроллером, установленными в корпус блока управления 28.
Предложенная конструкция станка реализована в действующем лабораторном образце, представленном на фиг. 4. Устройство используется следующим образом. После установки катушки с композиционно-волокнистой нитью и заправки нити, как показано на фиг. 3, а также закрепления её на оправке, запускается выполнение программы микроконтроллера блока управления, который посредством драйверов двигателей с одной стороны задаёт нужный алгоритм движения заготовки, связанный с изменением скорости её вращения. Композиционно-волокнистая нить начинает наматываться на заготовку, предварительно проходя через ванночку со смолой и пропитываясь ею, с дальнейшим удалением её излишков. Одновременно с этим процессом микроконтроллер блока управления управляет шаговым двигателем, отвечающим за перемещение каретки вдоль оправки, задавая ему необходимые направление и скорость перемещения и ограничивая это перемещение по результатам калибровки с использованием концевых переключателей. Для создания необходимой степени натяжения нити используется ограничитель скорости вращения вала катушки, а также натяжитель, высота расположения которого может регулироваться.
Техническими результатами заявленной полезной модели являются увеличение точности работы станка и упрощение его обслуживания.
В качестве основных компонентов при изготовлении станка предлагается использовать широко распространённые детали для 3D-принтеров. Отсутствие ремённой передачи и необходимости контролировать натяжение ремней позволяют увеличить точность работы станка и упростить его обслуживание.
Список использованных источников:
1. RU 2615478 C1.
2. RU 2342308 C1.
3. RU 46485 U1.
4. Design of portable 3-axis filament winding machine with inexpensive control / Quanjin Ma, M. RejabM.R., S. IdrisM., M. Amiruddin, D. Bachtiar, P. SiregarJ., I. IbrahimM. Less // Journal of mechanical engineering and sciences. 2018. Vol. 12. – P. 3479-3493. DOI: 10.15282/jmes.12.1.2018.15.0309.