СТАНОК И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВАРИАЦИЯМИ ТЕМПЕРАТУРЫ В СТАНКЕ
MACHINE AND METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE VARIATIONS IN MACHINE

Настоящее изобретение относится к станку и к способу для управления вариациями температуры в станке, и в частности к способу для предотвращения или по меньшей мере ограничения вариаций температуры в станке.
Как известно, станки, и в частности их структурные компоненты, которые обычно изготавливаются из металла, во время механической обработки могут подвергаться локальным температурным колебаниям благодаря вариациям в температуре окружающей среды (то есть температуры того помещения, где они расположены). Например, вариации могут быть обусловлены потоками воздуха или облучением прямым или отраженным солнечным светом.
Это приводит к двум эффектам, которые оба связаны с удельной теплопроводностью материала, формирующего структуру:
– температура структур машины может изменяться от одного момента времени к другому; и
– в один и тот же момент времени температура в одной точке машины или в одной из структур, формирующих ее, может отличаться от температуры в другой точке.
Следовательно, в зависимости от коэффициента теплового расширения металлических материалов, формирующих эти структуры, они расширяются или сжимаются в соответствии с вариацией температуры.
Эти вариации температуры вызывают переменное расширение, и следовательно геометрическую деформацию структуры, и поэтому оказывают прямое влияние на точность механической обработки, которая требуется от станков. Фактически очень часто размерный допуск на изготавливаемое изделие является чрезвычайно малым, зачастую всего несколько сотых долей миллиметра.
Следовательно, как вариации температуры с течением времени, так и локальные разности температур приводят к деформациям, которые в свою очередь приводят к неточному позиционированию режущего инструмента, а следовательно к потере точности, которая может стать недопустимой с точки зрения фактических результатов механической обработки, получаемых по сравнению с теоретическими характеристиками механической обработки.
Для того, чтобы преодолеть этот серьезный недостаток, известная мера заключается в том, чтобы располагать машину в окружающей среде с кондиционированным воздухом, температура которого поддерживается постоянной в максимально возможной степени.
Однако поддержание более или менее постоянной температуры в окружающей среде большого объема является непростым, и в частности очень дорогостоящим делом.
Фактически, обычно окружающая среда, в которой располагается машина, сообщается со смежной окружающей средой, и даже с внешней средой, посредством точек доступа, которые закрыты дверцами или затворами для входа людей и/или средств, необходимых для работы станка. Всякий раз, когда дверца или затвор открывается, воздух входит из смежной окружающей среды или снаружи, и это вызывает вариацию температуры кондиционированной среды.
Поддержание температуры на постоянном уровне, в дополнение к большим капитальным затратам, также приводит к высоким эксплуатационным расходам.
Также известно решение, предложенное в европейском патенте EP 1405695, где компоненты структуры машины заключаются в корпуса. Воздух, забираемый снаружи структуры и подходящим образом охлаждаемый, циркулирует между структурой и корпусом и проходит через отверстия, управляемые клапанами, которые работают в зависимости от температуры той зоны структуры, которая должна охлаждаться. Другими словами, кондиционирование переносится из окружающей среды в гораздо меньшее пространство, в котором находится только машина (или один из ее компонентов).
Это решение, хотя и является выгодным, но не лишено недостатков; фактически для него необходимо:
– обеспечить несколько температурных датчиков, помещенных в различные точки машины;
– полностью закрыть машину, создавая в пространстве между машиной и корпусом каналы, через которые может проходить охлажденный воздух;
– установить управляемые клапаны для регулирования воздушного потока; и
– обеспечить блок кондиционирования воздуха, в частности блок охлаждения, для охлаждения воздуха, забираемого снаружи, а также средства для циркуляции воздуха между структурой и корпусом.
Кроме того, регулирование управляемых клапанов также является непростым делом, так как трудно установить степень и продолжительность открытия или закрытия клапана в зависимости от обнаруженных температур.
Следовательно, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы по существу устранить недостатки предшествующего уровня техники.
Первой задачей настоящего изобретения является предложить станок с числовым программным управлением, который в минимальной степени зависит от вариаций температуры окружающей среды, которые могут вызывать геометрические деформации структуры.
Второй задачей настоящего изобретения является предложить решение, которое было бы простым, эффективным и дешевым, чтобы не увеличивать значительно окончательную стоимость станка.
Эти задачи решаются с помощью станка по п. 1 и способа для ограничения вариаций температуры в станке по п. 13 формулы изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере один компонент станка, но предпочтительно весь станок или по меньшей мере его главные части, теплоизолируются посредством слоя изолирующего материала, нанесенного на его наружную поверхность, и этот компонент также герметизируется, чтобы предотвратить связь по текучей среде между внутренней частью компонента и внешней средой. Станок может содержать средства для перемещения или принудительной циркуляции воздуха в структуре по меньшей мере одного компонента.
Преимущества и характерные особенности настоящего изобретения станут более понятными из следующего подробного описания ряда примеров варианта осуществления, данного посредством неограничивающего примера со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает в схематической форме продольный разрез через один компонент структуры в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 показывает в схематической форме продольный разрез через один компонент структуры в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 показывает в схематической форме продольный разрез через один компонент структуры в соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 показывает в схематической форме поперечное сечение возможного варианта осуществления компонента в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 5 показывает в схематической форме продольный разрез по линии A–A, показанной на Фиг. 4; и
Фиг. 6 показывает в схематической форме продольный разрез втулки станка в соответствии с настоящим изобретением, расположенной горизонтально.
Фиг. 1 показывает компонент станка в соответствии с настоящим изобретением, который обозначен ссылочной цифрой 12. В частности, Фиг. 1 показывает в схематической форме балку, которая предназначена для перемещения над двумя боковыми опорными структурами (не показаны), и на которой скользящим образом перемещается каретка.
Станок в соответствии с настоящим изобретением содержит структуру, в которой по меньшей мере компонент 12 снабжен обшивкой 14, предназначенной для обеспечения теплоизоляции компонента 12 от внешней среды, и в которой этот компонент 12 герметизируется для того, чтобы предотвратить связь по текучей среде между внутренностью 16 и внешней средой компонента 12 этой машины.
Обшивка 14 может быть сделана из теплоизоляционного материала, такого как полистирол или вспененный полиуретан. В соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения обшивка 14 может включать в себя промежуточные слои конкретного изолирующего материала, такого как стекловата, минеральная вата и т.д.
Обшивка 14 может предпочтительно наноситься прямо на наружную поверхность 18 компонента 12 машины, или находиться на небольшом расстоянии.
Функцией обшивки 14 является существенно уменьшать передачу тепла от внешней среды к компоненту 12 машины и тем самым ослаблять температурные колебания, позволяя компоненту сохранять однородную температуру благодаря высокому коэффициенту теплопроводности металла, из которого он сделан.
Следовательно, если температура окружающей среды, в которой расположен компонент, подвергается локальным вариациям, эти вариации влияют на компонент отсроченным образом, что дает время для выравнивания температуры по всей структуре металла вследствие его высокой удельной теплопроводности.
Обшивка 14 может также иметь отражающий внешний слой (не показанный на чертежах), наносимый на поверхность обшивки 14 и предназначенный для отражения любого падающего на него солнечного излучения, позволяя таким образом дополнительно ослабить эффект локального нагрева, вызываемый попаданием солнечного света на структуру.
Благодаря обшивке 14 значительно снижается неравномерность температуры структуры после локального изменения температуры окружающей среды и/или солнечного света, воздействующего на нее локально.
Станок в соответствии с настоящим изобретением может содержать средство 20 для перемещения или принудительной циркуляции воздуха по меньшей мере в одном компоненте 12 машины.
Как показано на Фиг. 2, средство 20 может содержать по меньшей мере одну воздуходувку или вентилятор 22.
Фактически, теплоизоляция структуры может быть недостаточной для предотвращения различий в температуре между двумя разными зонами компонента структуры, например из–за воздушных потоков или солнечного излучения, падающего на конкретную точку структуры.
Эти различия в температуре также могут быть очень заметными в случае очень длинных компонентов, таких как балка станка, вдоль которой перемещается блок механической обработки, или в случае втулок, с которыми соединяются обрабатывающие головки.
Следовательно, перемещение или принудительная циркуляция имеют функцию обеспечения равномерной температуры во всей структуре, которая герметически изолирована от окружающей среды, гарантируя при этом непрерывную циркуляцию воздуха внутри структуры.
Воздух внутри структуры, поскольку он перемещается механически, позволяет быстро и равномерно распределять тепло по структуре. Другими словами, воздух перемещается, и проходя над более горячими зонами компонента, нагревается и отдает свое тепло более холодным частям упомянутого компонента.
Герметичность компонента необходима для того, чтобы предотвратить попадание в структуру воздуха при той же температуре, что и температура окружающей среды, уменьшая тем самым действие изолирующего слоя.
Средство 20 для принудительной циркуляции воздуха по меньшей мере в одном компоненте структуры машины может содержать по меньшей мере один канал 24.
В соответствии с одним возможным вариантом осуществления настоящего изобретения этот по меньшей мере один канал 24 снабжается на его первом конце 26 воздуходувкой 22 и является закрытым на его втором конце 28, и поверхность 30 канала 24 снабжается множеством отверстий 32.
Воздуходувка 22 нагнетает воздух в первой конец 26 канала 24 и продвигает его внутрь канала. Воздух затем выходит из отверстий 32 в канале 24 и снова засасывается воздуходувкой 22.
В одном возможном варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на Фиг. 3, компонент 12 снабжается двумя каналами 24.
Предпочтительно по меньшей мере один канал 24 внутри по меньшей мере одного компонента 12 структуры может быть снабжен на обоих концах 26, 28 воздуходувкой 22. В этом случае поверхность 30 канала 24 также снабжается множеством отверстий 32. Этот вариант осуществления показан на Фиг. 5.
На поперечном сечении, показанном на Фиг. 4, можно видеть, что отверстия 32 предпочтительно располагаются вдоль всего поперечного сечения канала 24.
На прилагаемых чертежах канал всегда показывается с круглым поперечным сечением, но возможны и другие формы поперечного сечения, такие как эллиптическое, квадратное, прямоугольное или многоугольное поперечное сечение, а также поперечные сечения, содержащие искривленные линии.
Канал 24 может быть прямым (как показано на чертежах). Однако канал 24 также может быть искривленным, чтобы воздушный поток мог эффективно взаимодействовать со сложными внутренними структурами.
Следует отметить, что даже если воздуходувки 22 не присутствуют, циркуляция воздуха в любом случае обеспечивается в структуре в результате естественной конвекции, которая, однако, в некоторых случаях может быть недостаточной. При наличии вентиляторов конвекция становится принудительной, значительно увеличивая теплообмен между структурой и воздухом, находящимся в прямом контакте с этой структурой.
В соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения каналы 24 могут быть сформированы так, чтобы они были включены в компонент структуры станка. Другими словами, компонент может быть сконструирован так, чтобы он был снабжен внутренним каналом, через который воздух может циркулировать посредством одной или нескольких воздуходувок.
Если структура после изменения температуры окружающей среды вместо этого будет подвергаться изменению ее температуры, которое различается в разных точках, это приведет к деформациям, которые никак не могут быть предсказаны и, следовательно, не могут быть нейтрализованы.
Вместо этого, в результате действия, обеспечивающего равномерную температуру внутри структуры, эти деформации, которые в любом случае значительно уменьшаются, могут быть рассчитаны и определены экспериментально, а следовательно, могут быть учтены, а их отрицательные последствия устранены.
Поэтому ясно, что таким образом компонент будет поддерживать постоянную температуру, и поэтому изменение размеров без деформации из–за вариации заданного значения температуры имеет линейный характер. Другими словами, если структура должна расширяться, она будет расширяться одинаково в трех пространственных направлениях, что, в зависимости от температуры, достигнутой структурой, может быть легко и точно предсказано как в теории, так и на практике, и таким образом может быть легко скомпенсировано с помощью блока управления (не показан) операционной машины на основе соответствующего алгоритма.
Следовательно, возможно обеспечить таблицы или кривые компенсации которые при изменении температуры структуры могут определять соответствующие изменения размеров, так что алгоритм и выполняющий его блок управления могут учитывать это и компенсировать эти изменения путем изменения положения обрабатывающего инструмента, устраняя таким образом ошибку позиционирования.
В соответствии с одним возможным вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один компонент может быть снабжен нагревающим средством 34. Нагревающее средство 34 схематично показано в варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг. 3.
В соответствии с одним возможным вариантом осуществления настоящего изобретения упомянутое нагревающее средство 34 может представлять собой электрические сопротивления.
Предпочтительно использование нагревающего средства 34 имеет задачу поддержания постоянной температуры воздуха внутри структуры, а следовательно, в самой структуре, на уровне, равном максимальной прогнозируемой температуре окружающей среды.
Нагревающее средство может быть функционально соединено с блоком управления машины (не показан), так, чтобы им можно было управлять, например путем его включения/выключения и/или подачи питания и т.д.
Если бы максимальная прогнозируемая температура окружающей среды, в которую помещен станок, была равна, например, 25°C, то структура машины также не превышала бы эту температуру. Структура без нагревательных элементов достигла бы этой предельной температуры только в том случае, если бы температура окружающей среды в течение достаточно долгого времени оставалась равной 25°C. Во всех других случаях температура структуры была бы более низкой.
Благодаря нагревающему средству 34 можно вместо этого нагревать воздух внутри структуры, увеличивая ее температуру и поддерживая ее постоянной на уровне 25°C. Управление температурой может выполняться с использованием датчиков (не показанных на чертежах). Эти датчики могут иметь тип, известный по сути специалисту в данной области техники, и поэтому далее не будут описываться.
Датчики также могут быть связаны с блоком управления машины. Таким образом управление нагреванием машины, а следовательно управление нагревающим средством 34 и средством 20, может быть полностью автоматизировано.
Таким образом, благодаря поддержанию температуры структуры постоянной, больше нет необходимости определять кривые компенсации геометрических изменений конструкции и модифицировать программное обеспечение для контроля и управления для учета этих изменений.
Деформации благодаря локальным или временным изменениям температуры снаружи структуры практически устраняются, дополнительно упрощая машину и управление ей.
Следует также учитывать, что мощность, необходимая для электрических сопротивлений, на самом деле является минимальной, поскольку колебания температуры ограничены. По существу нагреваться должны только воздух и структура, которая является хорошо изолированной. Слой изоляционного материала ограничивает передачу тепла снаружи к внутренности структуры, но существенно ограничивает также передачу наружу тепла, вырабатываемого электрическими сопротивлениями внутри.
Фиг. 6 показывает в схематической форме втулку, снабженную обрабатывающей головкой 40, к которой были применены принципы настоящего изобретения.
Как хорошо видно на Фиг. 3, 5 и 6, компоненты 12 структуры могут также быть снабжены поперечными элементами жесткости 36, которые снабжены по меньшей мере одним отверстием 38 для пропускания воздуха, чтобы он мог возвращаться к вентиляторам, а затем подаваться в соответствующий канал.
В свете вышеприведенного описания способ предотвращения или по меньшей мере ограничения локальных вариаций температуры, а следовательно и деформации структуры станка может быть легко понят. Этот способ содержит по существу стадии:
– обеспечения изолирующей обшивки (14) вокруг по меньшей мере одного компонента (12) станка;
– герметизации упомянутого по меньшей мере одного компонента (12) так, чтобы связь по текучей среде между внутренностью (16) и внешней средой структуры компонента была предотвращена;
– и создания перемещения или принудительной циркуляции воздуха внутри компонента.
Предпочтительно способ может содержать стадию, на которой воздух, циркулирующий в компоненте, нагревается.
Как было описано выше, нагревание воздуха также может предпочтительно выполняться так, чтобы сохранять температуру внутри структуры компонента постоянной.
Таким образом, это приводит к созданию машины с системой структурной стабилизации для предотвращения вариаций температуры, которая по сравнению с машинами предшествующего уровня техники является значительно более простой, менее дорогостоящей, а ее программное управление является более простым.
Специалист в данной области техники, чтобы удовлетворить конкретные потребности, может вносить изменения в описанные выше варианты осуществления и/или заменять описанные элементы эквивалентными элементами, не выходя за рамки области охвата прилагаемой формулы изобретения.