ТОКАРНЫЙ СТАНОК С ЧПУ

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в производстве деталей типа тел вращения.
В настоящее время токарные станки с ЧПУ известны. Типичным их примером - аналогом предлагаемого станка является станок модели 1П752МФ3, описанный в книге «Станки с числовым программным управлением / Под ред. В.А. Лещенко. - М.: Машиностроение, 1979.» на стр.458-459. Указанный станок включает в себя главный привод, обеспечивающий передачу движения через 36-ступенчатую коробку скоростей к шпинделю станка от асинхронного двигателя с постоянной частотой вращения, и суппорт с механизмом его продольного перемещения электрогидравлическим шаговым приводом и с механизмом его поперечного перемещения таким же приводом. Станок обеспечивает обработку деталей с высокой точностью и более - менее удовлетворительной производительностью, но обладает существенными недостатками. У него весьма сложная кинематика главного привода, а потому невысока надежность и относительно мал межремонтный период. Наряду с этим, ему свойственен повышенный расход инструмента, что обусловлено применением шаговых приводов, работающих на малых скоростях с ударами. Последнее является причиной частых сколов режущих инструментов и необходимости их замены.
Перечисленных недостатков лишены станки с упрощенной кинематикой главного привода и следящими приводами продольного и поперечного перемещения суппорта. К таким станкам относится, в частности, станок 16К20Т1 производства Рязанского станкостроительного завода, существующий в двух модификациях. Первая из них описана в «Станок токарный с ЧПУ модели 16К20Т1: Руководство по эксплуатации. - Рязань: Рязанский станкостроительный завод, Минстанкинпром СССР, ВПО СОЮЗТЯЖСТАНКОПРОМ, 1983» в главе «Устройство и работа станка и его составных частей» на стр.8-27. Описанный станок содержит станину с направляющими, шпиндель с бесступенчатым приводом, соединенный с датчиком скорости, суппорт с приводами его продольного и поперечного перемещения по направляющим, кинематически связанный с датчиком величины продольной подачи (датчиком скорости перемещения в направлении продольной подачи) и датчиком обработанного на станке диаметра (датчиком положения суппорта в направлении поперечной подачи), и блок управления формообразованием детали. Входы блока управления формообразованием детали соединены с датчиком скорости шпинделя, с датчиком величины продольной подачи и с датчиком обработанного диаметра, а выходы связаны с приводом шпинделя и приводами суппорта. При эксплуатации станка в блок управления формообразованием вводится управляющая программа, задающая скорость шпинделя, величину продольной подачи суппорта и обработанный на станке диаметр детали (требуемый диаметр). Эти параметры задаются как функции времени (изменяющиеся во времени). Сигналы о них блок управления формообразованием передает соответствующим приводам, те их отрабатывают, но при этом отработка контролируется датчиками. Датчики передают информацию в блок управления формообразованием, а тот, в случае отклонения параметров, контролируемых датчиками, от значений, заданных программой, корректирует работу приводов.
Поскольку кинематика главного привода станка 16К20Т1 первой модификации намного проще, чем у станка 1П752МФ3, то и надежность его выше. А в связи с тем, что приводы подачи станка не шаговые, а следящие (с обратной связью от датчиков, связанных с блоком управления формообразованием), то они работают без ударов, что существенно снижает вероятность сколов режущих инструментов. Таким образом, рассмотренный станок, так же являющийся аналогом предлагаемого, надежнее первого из описанных выше аналогов в целом, причем значительно. Повышенная надежность станка обеспечивает и его повышенную производительность. Однако повышение производительности создает важный недостаток этого станка - повышенное образование стружки.
Стружка, получаемая на станке во время обработки, падает в корыто станка, расположенное под его рабочей зоной, а оттуда затем удаляется вручную. Это снижает безопасность эксплуатации станка, поскольку рабочий, убирая стружку, может травмироваться.
Для того, чтобы избавиться от отмеченного недостатка, сделать эксплуатацию станка более безопасной, его начали выпускать во второй модификации - со встроенными стружкоуборочным транспортером. Указанный станок 16К20Т1 второй модификации описан в «Станок токарный с ЧПУ модели 16К20Т1: Руководство по эксплуатации. - Рязань: Рязанский станкостроительный завод, Минстанкинпром СССР, ВПО СОЮЗТЯЖСТАНКОПРОМ, 1983» в главе «Комплект поставки» на стр.98-100. Именно этот станок принят нами за прототип. Он, так же как и станок первой модификации, содержит станину с направляющими, установленный на ней шпиндель с бесступенчатым приводом, соединенный с датчиком скорости его вращения, суппорт с приводами его продольного и поперечного перемещения по направляющим, кинематически связанный с датчиком величины продольной подачи и датчиком обработанного на станке диаметра детали, и блок управления формообразованием детали, входы которого соединены с датчиками, а выходы - с приводами шпинделя и с приводами суппорта, но дополнительно включает в себя стружкоуборочный транспортер, содержащий рабочий орган, размещенный в нижней части станины станка под его рабочей зоной (это, обычно, шнек), редуктор и электродвигатель, соединенный через редуктор с рабочим органом.
При работе станка - прототипа, так же, как и в станке первой модификации, в блок управления формообразованием вводится управляющая программа, задающая скорость шпинделя, величину продольной подачи суппорта и обработанный диаметр. Сигналы о них блок управления формообразованием передает приводам, контролируя при этом, как эти сигналы отрабатываются, и, корректируя, если требуется, работу приводов. Но вместе с вводом управляющей программы в станке - прототипе еще включается электродвигатель транспортера. Стружка, получающаяся в процессе обработки на станке, падает на транспортер и удаляется за пределы станка (на общецеховой транспортер или в специальную мобильную тару). В результате рабочий, обслуживающий станок, со стружкой не соприкасается, она удаляется без его участия и безопасность эксплуатации станка повышается. Это большое достоинство станка - прототипа. Однако, применение включаемого - выключаемого конвейера в составе станка влечет за собой и некоторые недостатки. Оно сопряжено с усложнением станка и снижением его надежности. Транспортер работает с постоянной скоростью, независимо от режимов обработки, производимой на станке. Но при разных режимах образуется различное количество стружки, а потому транспортер должен работать с разной скоростью. В таком случае он не будет работать вхолостую при малой скорости стружкообразования на станке, и не будет перегружаться, если эта скорость велика. В прототипе же перегрузка не исключена, а значит, возможны и отказы, вызываемые ею.
Задачей разработки предлагаемой полезной модели, в связи с изложенным, как раз и является повышение надежности станка - прототипа.
Технически же решение этой задачи достигается за счет того, что токарный станок с ЧПУ, содержащий станину с направляющими, установленный на станке шпиндель с приводом, соединенный с датчиком скорости его вращения, суппорт с приводами его продольного и поперечного перемещения по направляющим, кинематически связанный с датчиком величины продольной подачи и датчиком обработанного на станке диаметра детали, блок управления формообразованием детали на станке, входы которого соединены с датчиком скорости шпинделя, с датчиком величины продольной подачи и с датчиком обработанного диаметра, а выходы связаны с приводами шпинделя и приводами перемещения суппорта, стружкоуборочный транспортер, включающий в себя рабочий орган, размещенный в нижней части станины станка под его рабочей зоной, и электродвигатель, соединенный с рабочим органом через редуктор, отличается от прототипа тем, что он снабжен блоком бесступенчатого регулирования скорости электродвигателя транспортера, четырехвходовым блоком умножения, выделителем модуля сигнала, усилителем с регулируемым коэффициентом усиления, задатчиком обрабатываемого на станке диаметра заготовки и компаратором, выходы датчика скорости вращения шпинделя, датчика величины продольной подачи и задатчика обрабатываемого диаметра соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока умножения, выход компаратора соединен с его четвертым входом, прямой вход компаратора соединен с задатчиком обрабатываемого диаметра, инвертирующий вход компаратора соединен с датчиком обработанного диаметра, выход блока умножения соединен со входом выделителя модуля сигнала, выход выделителя модуля соединен со входом усилителя, а выход усилителя, подключен ко входу блока регулирования скорости электродвигателя транспортера.
Схема предлагаемого токарного станка с ЧПУ приведена на рис.1. Она содержит станину 1 с направляющими 2 (на фиг. показана продольная направляющая, а поперечная, расположенная перпендикулярно продольной, условно не показана), установленный на станине 1 шпиндель 3 с приводом 4, соединенный с датчиком 5 скорости его вращения, суппорт 6 с приводами его продольного 7 и поперечного 8 перемещения по направляющим, кинематически связанный с датчиком величины продольной подачи 9 и датчиком обработанного на станке диаметра 10 детали, блок управления 11 формообразованием детали на станке, входы которого соединены с датчиком скорости 5 шпинделя 3, с датчиком величины продольной подачи 9 и с датчиком обработанного диаметра 10, а выходы связаны с приводами 4 шпинделя 3 и приводами 7 и 8 перемещения суппорта 6, стружкоуборочный транспортер, включающий в себя рабочий орган 12, размещенный в нижней части станины 1 станка под его рабочей зоной, и электродвигатель 13, соединенный с рабочим органом 12 через редуктор 14. Он также снабжен блоком 15 бесступенчатого регулирования скорости электродвигателя 13 транспортера, четырехвходовым блоком умножения 16, выделителем модуля сигнала 17, усилителем с регулируемым коэффициентом усиления 18, задатчиком 19 обрабатываемого на станке диаметра заготовки и компаратором 20, выходы датчика 5 скорости вращения шпинделя 3, датчика величины продольной подачи 9 и задатчика обрабатываемого диаметра 19 соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока умножения 16, выход компаратора 20 соединен с его четвертым входом, прямой вход компаратора 20 соединен с задатчиком обрабатываемого диаметра 19, инвертирующий вход компаратора соединен с датчиком обработанного диаметра 10, выход блока умножения 16 соединен со входом выделителя модуля сигнала 17, выход выделителя модуля соединен со входом усилителя 18, а выход усилителя 18 подключен ко входу блока 15 регулирования скорости электродвигателя 13 транспортера.
Все перечисленные элементы имеют общеизвестную конструкцию. Датчик величины продольной подачи 9, по существу, - датчик скорости перемещения суппорта 6 в направлении продольной подачи; датчик обработанного на станке диаметра 10 - датчик положения суппорта 6 в направлении поперечной подачи; блок умножения 16, компаратор 20 и др. - устройства, описанные, в частности, в «Справочнике по средствам автоматики / Под ред. В.Э. Низе и И.В. Антика. - М.: Энергоавтомиздат; 1983.»
2
1
2
При эксплуатации предлагаемого станка с ЧПУ на нем закрепляют заготовку диаметром D1 (обрабатываемый диаметр), в блок управления формообразованием 11 вводят управляющую программу, задающую скорость шпинделя 3, величину продольной подачи суппорта 6 и, с помощью задатчика 19, обработанный диаметр D2 (диаметр, который требуется получить в результате обработки заготовки). Сигналы о введенных в него величинах блок 11 передает приводам 4, 7 и 8, контролируя при этом, как эти сигналы отрабатываются, и, корректируя, если требуется, работу приводов (контроль осуществляется датчиками 5, 9 и 10). Стружка, получающаяся в процессе обработки заготовки, падает в нижнюю часть станины 1, под рабочую зону станка и попадает на рабочий орган 12 стружкоуборочного транспортера. При этом также происходит следующее. Датчик 5 выдает сигнал, отображающий  - скорость вращения шпинделя 3 станка. Датчик 9 выдает сигнал, отображающий  - величину подачи суппорта 6 станка. Датчик 10 выдает сигнал, отображающий D - диаметр, получающийся в результате обработки (обработанный диаметр). На выходе компаратора 20 получается сигнал, отображающий D-D, то есть, глубину резания t мм (отображающий, но не равный ей, т.к. ). Все эти сигналы и сигнал от задатчика 19, поступая на блок умножения 16, дают на его выходе сигнал, отображающий
1
1
2
A=D·n·S·(D-D).
Но общеизвестно, что объем срезаемого металла в единицу времени при токарной обработке равен
θ=V·S·t,
где V - скорость резания, равная, в свою очередь,
1
V=π·D·n мм/мин.
Отсюда
.
1
2
То есть, сигнал на выходе блока 16 отображает объем металла, срезаемого на станке в минуту. Если принять во внимание, что этот объем металла уходит в стружку, то, учитывая усадку стружки и ее «рыхлость» при попадании на транспортер, скорость работы транспортера наиболее экономично и наиболее рационально с точки зрения энергопотребления (необходимую и достаточную ее величину) нужно выбирать пропорционально величине θ. Но т.к. θ пропорционально A, то сигнал, отображающий A, и должен задавать скорость электродвигателя 13 транспортера с помощью регулятора 15. Выбрав при настройке транспортера коэффициент усиления усилителя 18 (величину K) с учетом усадки стружки, ее «рыхлости» и величины π/2, это легко обеспечить. Если теперь при работе станка объем стружки будет меняться (из-за изменения n, S, D или D), то скорость работы электродвигателя 13 будет тоже меняться, оставаясь все время такой, чтобы убирать нужный объем стружки, а не работать вхолостую или с излишней нагрузкой. Это наиболее энергосберегающий режим работы транспортера, и режим, обеспечивающий наименьшее энергопотребление станка. Одновременно с этим, такой режим обеспечивает защиту станка от излишних перегрузок, а значит, и повышение его надежности. Повышение надежности и есть технический результат разработки полезной модели. Этот результат будет иметь место как при наружном точении на предложенном токарном станке, так и при растачивании отверстий, что обеспечивается использованием выделителя модуля сигнала 7.