СТАНОК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕКРУГЛЫХ ДЕТАЛЕЙ
MACHINE TOOL FOR MAKING NONCIRCULAR PARTS

Изобретение относится к операционному станку для некруглых деталей, в частности токарному станку для некруглых деталей, с вибрирующим рабочим инструментом и держателем инструмента и движущимся в противоположном относительно него направлении компенсационным телом, служащим для устранения толчков, причем движение инструмента возбуждается или выполняется благодаря приводу, установленному между держателем инструмента и компенсационным телом.
Такие операционные станки известны, например, из патента DE 19810996 А1 и применяются, в частности, для высокоскоростного изготовления некруглых точеных деталей или вообще в динамичных унифицированных механизмах подачи инструмента. При этом устранение толчков служит для того, чтобы с помощью динамичных движений инструмента к корпусу или анкерному креплению на корпусе в полной мере предотвратить передачу толчков, которые отрицательно сказываются на точности обработки.
Из работы М.Week, J.Hennig „Entwicklung und Einsatz einer hochdy-namischen Werkzeugzustelleinheit mit hydrostatischer Lagerung, Abschluβbe-reich», Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik e. V., Aachen, Oktober 2002, известно, что во избежание трения сцепления в направляющих держателя инструмента, так называемого движения рывками, аэростатические или гидростатические направляющие отвечают требованиям точности и равномерности движений, тогда как из-за высокой динамики системы при одновременно ограниченной величине перемещений применение подшипников качения не принимается в расчет.
Гидростатические направляющие требуют, однако, значительных конструкционных затрат на подводящие линии, устройства обеспечения и меры по предотвращению неплотностей. В результате этих повышенных конструкционных расходов операционные станки становятся дорогими, чувствительными при работе в сырых условиях и требуют тщательного ухода.
В основе изобретения стоит задача создания операционного станка для некруглых деталей, имеющего простую конструкцию.
Задача решается в изобретении за счет того, что в операционном станке указанного типа держатель инструмента установлен при помощи тел качения, что компенсационное тело навешено по направляющим элементам на часть корпуса операционного станка и что компенсационное тело имеет в несколько раз большую массу, чем масса держателя инструмента с инструментом, что ходы компенсации компенсационного тела, соответствующие колебательным движениям держателя инструмента, находятся в области гибкой деформации направляющих элементов. Тем самым выгодным образом ходы компенсации воспринимаются благодаря гибкой деформации направляющих элементов, и можно отказаться от дополнительных или аэростатических опор для компенсационного тела. Изобретение использует, в частности, неожиданный вывод о том, что движений рывками непременно можно избежать только при установке компенсационного тела в подшипниках, тогда как установка в подшипниках держателя инструмента обязательно будет иметь трение сцепления, так как его можно преодолеть путем выбора соответствующих размеров привода. Выяснилось, что для устранения отрицательного влияния на точность обработки в результате реакции опоры достаточно, чтобы компенсационное тело могло мгновенно среагировать на реакцию опоры. Это достигается за счет того, что предлагается такая установка компенсационного тела в подшипниках, которая не сопровождается трением сцепления. Вместо установки в обычных гидростатических или аэростатических опорах в изобретении предлагается навесить компенсационное тело по направляющим элементам на часть корпуса, причем направляющие элементы при ходах компенсации внутри определенного количества ходов могут гибко деформироваться. С помощью формирования соотношений масс компенсационного тела и подвижных элементов, т.е. инструмента с держателем инструмента, выгодным образом достигается то, что ходы компенсации компенсационного тела так коротки, что способность к гибкой деформации направляющих элементов не выходит за установленный предел.
Согласно выгодной форме выполнения изобретения можно предусмотреть, чтобы масса компенсационного тела была, по меньшей мере, в три раза, в частности, по меньшей мере, в пять раз или, по меньшей мере, в десять раз больше массы держателя инструмента с инструментом. Опыты показали, что для указанных соотношений масс происходит достаточное преобразование ходов инструмента, имеющих место при обычном применении операционного станка, в ходы компенсации компенсационного тела, так что ходы компенсации находятся в области способности к гибкой деформации направляющих элементов. Направляющие элементы способствуют поэтому, с одной стороны, направлению движения компенсационного тела, а с другой стороны, вызывают возвращающую силу, которая направлена против ходов компенсации. От других опор для направления или от средств для возвращающих сил можно отказаться.
Наиболее прямолинейное направление движений компенсации компенсационного тела достигается тогда, когда направляющие элементы имеют в состоянии покоя такую форму, при которой их растяжение в направлении ходов компенсации значительно меньше, чем их растяжение поперек направления ходов компенсации, в частности составляет меньше десятой части растяжения поперек направления ходов компенсации. Благодаря этому задано предпочтительное направление отклонения направляющих элементов, которое совпадает с направлением ходов компенсации. Движения поперек направлению ходов компенсации предотвращаются, следовательно, для компенсационного тела, благодаря чему достигается высокая точность движения с незначительными отклонения от прямого направления.
Особенно хорошо, если направляющие элементы прикреплены по обеим сторонам рабочей плоскости, заданной ходами компенсации, к части корпуса, и между этими точками прикрепления контактируют с компенсационным телом. Направляющие элементы могут быть при этом выполнены цельными или прерываться на компенсационном теле.
Согласно одной из форм выполнения изобретения можно предусмотреть, чтобы направляющие элементы препятствовали движению компенсационного тела в сторону или поперек направлению ходов компенсации. Для этого, например, направляющие элементы могут иметь соответствующую геометрическую форму и/или соответствующим образом контактировать с компенсационным телом и/или могут быть установлены по одной оси. Воспрепятствование движению поперек направления ходов компенсации необходимо для достижения определенной направленности держателя инструмента и тем самым самого инструмента относительно детали, которая зафиксирована относительно части корпуса.
Особенно простая форма выполнения получается тогда, когда направляющие элементы выполнены частично или полностью в виде полосовидных упругих элементов, которые противодействуют отклонению компенсационного тела, вызванному ходами компенсации.
Согласно одной из форм выполнения изобретения можно предусмотреть, чтобы каждый направляющий элемент был выполнен плоским или в виде планки и в состоянии покоя находился по существу в плоскости, к которой ходы компенсации направлены перпендикулярно или поперек, причем крепление, форма и ориентирование направляющих элементов затрудняют их движение и тем самым движение компенсационного тела в этой плоскости или препятствуют ему, т.е. благодаря этому направлено само компенсационное тело. Таким образом, описана простая форма выполнения, благодаря которой возникает препятствие для движений компенсационного тела в сторону или поперек направлению ходов компенсации.
Направление ходов компенсации компенсационного тела с особенно незначительными отклонениями от прямой или вообще без них получается тогда, когда направляющие элементы попарно контактируют с концами компенсационного тела, находящимися в направлении ходов компенсации друг против друга. Благодаря этому выгодным образом достигается то, что направляющие элементы удерживают в направлении ходов компенсации наибольшее возможное расстояние между собой, в результате чего достигается особенно точное по углу направление ходов компенсации. Предпочтительно можно предусмотреть, чтобы направляющие элементы в состоянии покоя были предварительно взаимно натянуты. Благодаря этому предварительному натяжению достигается особенно хорошее направление движения с самого начала.
Еще лучшая устойчивость против отклонений в сторону компенсационного тела достигается тогда, когда с концом компенсационного тела контактирует пара направляющих элементов, разнесенных между собой и проходящих параллельно друг другу и действующих так же параллельно. При этом дистанция ориентирована предпочтительно поперек направлению ходов компенсации.
Согласно одной из форм выполнения изобретения можно предусмотреть, чтобы направляющие элементы были прикреплены своими концами к части корпуса операционного станка и областью, находящейся в его середине между концами соответствующего направляющего элемента, контактировали с компенсационным телом. Альтернативно или дополнительно можно предусмотреть, чтобы направляющие элементы попарно одним концом каждый раз контактировали с компенсационным телом, причем другие, свободные концы направляющих элементов пары направлены в разные стороны, в частности указывают в разных направлениях, и прикреплены к части корпуса операционного станка.
Для выполнения быстрых и точных ходов инструмента, находящегося в своем держателе, можно предусмотреть, чтобы приводом был электродвигатель с линейно движущимся ротором или якорь поступательного перемещения или т.п. Предпочтительно при этом можно предусмотреть, чтобы привод включался от цепи управления и регулирования, когда положение инструмента относительно детали и/или части корпуса представляет собой управляемую величину.
Для достижения благоприятных соотношений масс между держателем инструмента и компенсационным телом и, следовательно, для достижения желаемого преобразования ходов держателя инструмента в ходы компенсации можно предусмотреть, чтобы статор или элемент привода, возбуждаемый током, был соединен с компенсационным телом, а возбуждаемый от постоянных магнитов элемент привода - с держателем инструмента. Установлено, что возбуждаемый током элемент привода имеет зачастую большую массу, чем элемент привода, возбуждаемый от постоянных магнитов, в результате чего описанное расположение благоприятно сказывается на формировании заявленного соотношения масс между держателем инструмента с инструментом и компенсационным телом.
Особенно благоприятно, если держатель инструмента со своими конструктивными элементами имеет наиболее ограниченную массу, так как тогда нужно выбирать не слишком большую и общую массу компенсационного тела. Можно, например, предусмотреть, чтобы на держателе инструмента был установлен ползун, на котором находятся постоянные магниты электродвигателя с линейно движущимся ротором. Благодаря этому получается компактная и экономная в отношении массы конструкция.
Предпочтительно можно предусмотреть, чтобы ползун имел даже облегченную конструкцию.
Дальнейшее уменьшение собственного веса держателя инструмента и его конструктивных элементов получается тогда, когда постоянные магниты придают жесткость ползуну. Постоянные магниты, таким образом, берут на себя двойную функцию, и можно сэкономить на дополнительных элементах жесткости для ползуна для приема электромагнитных движущих сил или вообще отказаться от них.
Особенно легкое и надежное для работы выполнение элемента привода, возбуждаемого постоянными магнитами, получается тогда, когда постоянные магниты с обеих сторон, обращенных к статору электродвигателя с линейно движущимся ротором, укрыты защитным покрытием, предпочтительно пластиной из углеродного волокна, и/или соединены с замыканием материала. Благодаря пластине из углеродного волокна повышается стабильность всей конструкции при одновременно минимальном увеличении массы. Благодаря наличию покрытия площадь, необходимая для развития достаточной движущей электромагнитной силы привода, используется для устойчивости ползуна.
Еще одно легкое и одновременно надежное выполнение ползуна получается тогда, когда промежуточная камера, находящаяся между покрытиями и принимающая постоянные магниты, залита герметизирующим составом. Благодаря герметизирующему составу получается дополнительная стабилизация ползуна.
Для повышения устойчивости соединения ползуна можно предусмотреть, чтобы постоянные магниты были введены в несущую структуру.
Простое, надежное и достаточное для необходимой точности направление движений держателя инструмента получается тогда, когда тела качения контактируют с ползуном. Предпочтительно тела качения контактируют с направляющей, соединенной с частью корпуса, или жестко соединены с частью корпуса. Тела качения образуют, таким образом, подшипник качения, с помощью которого держатель инструмента установлен на части корпуса или на части станка, жестко соединенной с этой частью корпуса.
Согласно одной из форм выполнения изобретения можно предусмотреть, чтобы ход колебательного движения инструмента был меньше, чем окружность тел качения подшипника качения. Установлено, что при назначении необходимых для этого размеров тел качения трение в подшипнике держателя инструмента не превышает значения, необходимого для выполнения требований точности направления движения.
Особенно выгодно можно применять изобретение, если ход движения вибрации составляет от 0,01 мм до 45 мм, а ход компенсации одновременно не превышает 2 мм.
Изобретение описывается теперь более подробно на основе примера выполнения, однако не ограничивается этим примером. Другие примеры выполнения даны в сочетании пунктов формулы между собой и/или с признаками примера выполнения.
Фиг.1 унифицированный механизм подачи инструмента операционного станка (вид спереди держателя инструмента);
Фиг.2 вид сечения по линии А-А унифицированного механизма подачи инструмента фиг.1;
Фиг.3 сечение по линии В-В унифицированного механизма подачи инструмента фиг.1.
Унифицированный механизм подачи инструмента операционного станка для некруглых деталей, в целом обозначенный цифрой 1, имеет держатель инструмента 2, который выполнен для приема инструмента с возможностью совершать колебательные движения.
Для устранения толчков служит компенсационное тело 3, причем движение инструмента возбуждается или выполняется благодаря приводу 4, установленному между держателем инструмента 2 и компенсационным телом 3. В результате ускорений держателя инструмента 2, которые с помощью привода инициируются или выполняются, возникают реакции опоры, которые воспринимаются соответствующими движениями компенсационного тела 3. Эти реакции опоры не действуют, таким образом, на другие компоненты операционного станка и тем самым не могут отрицательно влиять на точность обработки.
Держатель инструмента 2, состоящий из нескольких компонентов или соединенный с несколькими компонентами, установлен с помощью тел качения 5 и направлен таким образом, что остается только степень свободы движения, т.е. подача инструмента, зажатого в держателе инструмента 2.
Компенсационное тело 3 навешено по направляющим 6 на часть корпуса 7 унифицированного механизма подачи инструмента 1 и тем самым операционного станка.
Компенсационное тело 3 состоит из нескольких компонентов и имеет массу, которая в несколько раз больше массы держателя инструмента 2 с инструментом.
Направляющие элементы 6 выполнены в виде полосовидных упругих элементов, которые в состоянии покоя находятся по существу в одной плоскости, к которой ходы компенсации направлены перпендикулярно. Направление ходов компенсации, так же как и направление хода подачи держателя инструмента проходят на фиг.1 перпендикулярно плоскости чертежа.
Таким образом, определяется горизонтальная рабочая плоскость, которая стоит перпендикулярно плоскости чертежа и в которой находится средняя ось держателя инструмента, а направляющие элементы закреплены на части корпуса по обеим сторонам этой плоскости, т.е. вверху и внизу. Поэтому компенсационное тело 3 навешено между верхними и нижними точками крепления каждого направляющего элемента 6.
На фиг.2, представляющей сечение, видно, что направляющие элементы 6 попарно контактируют с противоположными друг другу концами 8 компенсационного тела 3 в направлении ходов компенсации, которое проходит на фиг.2 в плоскости чертежа. Таким образом, компенсационное тело 3 навешено на часть корпуса 7.
На фиг.1 видно, что направляющие элементы 6 попарно разнесены между собой и проходят параллельно друг другу и действуют параллельно. В частности, в паре направляющих элементов 6 каждый направляющий элемент контактирует с боковым внешним - относительно ходов компенсации - концом компенсационного тела 3.
На фиг.3 показано, что тем самым направляющий элемент 6 касается угла компенсационного тела 3, имеющего прямоугольную основную форму.
На фиг.2 видно, что направляющие элементы 6 прикреплены своими концами 9 к части корпуса 7 унифицированного механизма подачи инструмента 1 и тем самым операционного станка, и областью 10, находящейся в его середине между концами 9 соответствующего направляющего элемента 6, контактируют с компенсационным телом 3. Свободные концы 9 направляющих элементов 6, напрямую не контактирующие с компенсационным телом 3, указывают в разные стороны и закреплены для навешивания на часть корпуса 7 операционного станка 1.
На изображении в сечении согласно фиг.2 виден электродвигатель с линейно движущимся ротором 11, который приводит в действие привод 4 для движения держателя инструмента 2.
Статор 12 электродвигателя с линейно движущимся ротором 11 является частью компенсационного тела 3 и частью его массы.
Возбуждаемый от постоянных магнитов элемент 13 привода 4, напротив, жестко соединен с держателем инструмента 2.
Таким образом, воздействие тока на статор 12 вызывает отклонение возбуждаемого от постоянных магнитов элемента 13, в результате чего держатель инструмента 2 приводится в движение.
Для приема возбуждаемого от постоянных магнитов элемента 13 привода 4 имеется ползун 14, на котором находятся постоянные магниты 15 электродвигателя с линейно движущимся ротором 11 и на котором укреплен держатель инструмента 2.
Ползун 14 имеет облегченную конструкцию, причем постоянные магниты 15 придают жесткость ползуну 14 и закрыты с обеих сторон, обращенных к статору 12 электродвигателя с линейно движущимся ротором 11, защитным покрытием 16 из композиционного материала на основе углеродного волокна.
Промежуточная камера 17, которая расположена между защитными покрытиями и в которой находятся постоянные магниты 15, дополнительно залита герметизирующим составом для соединения постоянных магнитов 15 и защитного покрытия 16 с замыканием материала.
Для повышения прочности соединения ползуна 14 последний имеет в основе решетчатую структуру, которая подробно не рассматривается.
На фиг.1 видно, что ползун 14 установлен в подшипниках, и с ним контактируют тела качения 5. Тела качения катятся при этом по группе направляющих 18 и ведут ползун в направлении рабочих ходов держателя инструмента 2.
Диаметр тел качения 5 выбран таким, чтобы ход вибрирующего движения инструмента при работе операционного станка 1 был меньше, чем окружность тел качения 5 подшипника качения. Тела качения 5 не совершают, таким образом, в рабочем режиме держателя инструмента 2 полные обороты, а вибрируют практически на одном месте. На изображении в сечении согласно фиг.2 видно, что группы направляющих 18 укреплены на части корпуса 7, которая проходит в виде мостика в приемную камеру компенсационного тела 3, причем проходит параллельно направлению ходов компенсации компенсационного тела 3, и которая обходит полую камеру, выполненную на компенсационном теле 3.
На фиг.2 видно, что компенсационное тело 3 состоит по существу из рамы 19, полой внутри и имеющей прямоугольное внешнее поперечное сечение, и помещенных в эту раму 19 статорных пластин переменного конденсатора 12 электродвигателя с линейно движущимся ротором 11. Тем самым масса компенсационного тела 3 в значительной мере определена массой статора 12 и массой рамы 19.
В операционном станке для некруглых деталей предусмотрен унифицированный механизм подачи инструмента 1, который имеет держатель инструмента 2 для приема инструмента и компенсационное тело 3 для устранения толчков, причем рабочее движение держателя инструмента 2 инициируется с помощью привода 4, работающего между держателем инструмента 2 и компенсационном телом 3. Предлагается установить держатель инструмента 2 в подшипниках с помощью тел качения 5, а компенсационное тело 3 навесить с помощью гибко деформируемых направляющих элементов 6 на часть корпуса 7 унифицированного механизма подачи инструмента 1, причем масса компенсационного тела 3 больше массы держателя инструмента 2 с инструментом настолько, что рабочие движения держателя инструмента 2 инициируют ходы компенсации компенсационного тела 3, которые находятся лишь в области способности к упругой деформации направляющих элементов 6. Направляющие элементы 6 способствуют, таким образом, ведению и возврату в исходное положение компенсационного тела 3.