Многофункциональный программно-аппаратный центр для формирования резанием структуры поверхности сложного профиля в функциональном слое изделия

Программно-аппаратный центр включает металлорежущий станок на станине которого размещена исполнительная система (ИС) позиционирования и относительного рабочего перемещения заготовки 13 и инструмента. Исполнительная система включает установленные непосредственно на станине 3 станка основной стол 8, организованный с возможностью перемещения по координате У в направляющих станины 3, а также средство установки узлов и механизмов ИС, кинематически организующих рабочие перемещения непосредственно режущего инструмента. В состав указанных средств входит инструментальная головка 7 с вращающимся по круговой координате С шпинделем 12, которая организована с возможностью перемещения по координате Z. Кроме того, центр включает систему ЧПУ упомянутой ИС, обеспечивающей возможность формирования интегрального формообразующего относительного перемещения изделия и инструмента по заданной программе. Отличительными особенностями центра является следующее. Средство установки узлов и механизмов исполнительной системы конструктивно организовано в виде портала 2, оснащенного горизонтальными направляющими, на одной из стоек которого размещен магазин 10 инструментов. Основной стол 8 ИС оснащен поворотным столом 9, кинематически связанным с основным с возможностью осуществления поворота по круговой координате В. Кроме того, ИС дополнительно оснащена: кареткой 4 с вертикальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси Z, установленной на горизонтальных направляющих портала 2; ползуном 5, установленным на вертикальных направляющих каретки 4; а также столом 6, кинематически связанным с ползуном 5 с возможностью осуществления поворота по круговой координате А относительно ползуна 5. При этом инструментальная головка 7 жестко закреплена непосредственно на упомянутом столе 6 с возможностью осуществления совместного с ним поворота, 1 н.п. ф-лы, 4 ил.

Полезная модель относится к области станкостроения и может быть, использована в рамках реализации Государственной программы модернизации и технологического развития ведущих отраслей народного хозяйства посредством внедрения современного уровня достижений науки и техники в сфере комплексной механической обработки резанием сложнопрофильных изделий в ведущих отраслях техники, определяющих уровень экономического развития государства в целом.

То есть, преимущественное направление использования - автоматизированная мехатронная обработка резанием функционального слоя изделий со сложным пространственным профилем как формируемых в этом слое криволинейных поверхностей, так и дискретных структур, при использовании известного из уровня техники модернизированных станочного парка и вспомогательного оборудования (приспособлений).

Из уровня техники известен многофункциональный программно-аппаратный центр для формирования резанием структуры поверхности сложного профиля в функциональном слое изделия включающий непосредственно металлорежущий станок на станине которого размещена исполнительная система позиционирования и относительного рабочего перемещения заготовки и инструмента, оснащенная координатно-организованной системой главного формообразующего перемещения и позиционирования инструмента относительно поверхности функционального слоя изделия. Исполнительная система включает установленные непосредственно на станине станка основной стол для базирования обрабатываемого изделия, организованный с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате У в направляющих станины, а также средство установки узлов и механизмов исполнительной системы, кинематически организующих рабочие перемещения непосредственно режущего инструмента, в состав которых входит инструментальная головка с вращающимся по круговой координате С шпинделем, которая организована с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате Z. Кроме того, центр включает систему числового программного управления упомянутой исполнительной системой, обеспечивающую возможность формирования интегрального формообразующего относительного перемещения изделия и инструмента по заданной программе в процессе технологического цикла (RU, патент на полезную модель 72164, В23D 5/02, 2008 г.).

К недостаткам данного известного из уровня техники программно-аппаратного центра следует отнести ограниченные функциональные возможности и, как следствие, относительно невысокие производительность и класс точности обработки.

В основу заявленного технического решения была положена задача расширения функциональных возможностей программно-аппаратного центра за счет обеспечения выполнения различных технологических операций (в частности, строгания, фрезерования, сверления, растачивания, токарной обработки) при одном установе обрабатываемой заготовки на базовой поверхности, а также повышения производительности оборудования при повышении класса точности обработки и чистоты поверхности изделия.

Технический результат заключается в повышении класса точности и чистоты поверхности обработанного изделия при повышении производительности технологического оборудования.

Поставленный технический результат обеспечивается посредством того, что в многофункциональном программно-аппаратном центре для формирования резанием структуры поверхности сложного профиля в функциональном слое изделия включающем непосредственно металлорежущий станок на станине которого размещена исполнительная система позиционирования и относительного рабочего перемещения заготовки и инструмента, оснащенная координатно-организованной системой главного формообразующего перемещения и позиционирования инструмента относительно поверхности функционального слоя изделия; исполнительная система включает установленные непосредственно на станине станка основной стол для базирования обрабатываемого изделия, организованный с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате У в направляющих станины, а также средство установки узлов и механизмов исполнительной системы, кинематически организующих рабочие перемещения непосредственно режущего инструмента, в состав которых входит инструментальная головка с вращающимся по круговой координате С шпинделем, которая организована с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате Z; кроме того, включающем (относится к центру) систему числового программного управления упомянутой исполнительной системой, обеспечивающую возможность формирования интегрального формообразующего относительного перемещения изделия и инструмента по заданной программе в процессе технологического цикла, согласно полезной модели, упомянутое средство установки узлов и механизмов исполнительной системы конструктивно организовано в виде портала, оснащенного горизонтальными направляющими, на одной из стоек которого размещен магазин инструментов с набором инструментальных оправок; основной стол исполнительной системы оснащен поворотным столом, кинематически связанным с основным с возможностью осуществления поворота по круговой координате В; кроме того, исполнительная система дополнительно оснащена: кареткой с вертикальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси Z, установленной на горизонтальных направляющих портала; ползуном, установленным на вертикальных направляющих каретки; а также столом, кинематически связанным с ползуном с возможностью осуществления поворота по круговой координате А относительно ползуна, при этом инструментальная головка жестко закреплена непосредственно на упомянутом столе с возможностью осуществления совместного с ним поворота.

Кроме того, инструментальная головка может быть оснащена жестко связанным с ней разгрузочным устройством, конструктивно организованным в виде корпуса с размещенной в его полости на опорах вращения втулкой, кинематически не связанной со шпинделем и выполненной с конической посадочной поверхностью для базирования оправки режущего инструмента в виде, например, строгального или токарного резца.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленного технического решения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.

Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.

Фиг.1 - общий вид программно-аппаратного центра (вид спереди).

Фиг.2 - общий вид программно-аппаратного центра (вид сверху по фиг.1).

Фиг.3 - общий вид (в разрезе) разгрузочного устройства программно-аппаратного центра с установленной оправкой строгального резца.

Фиг.4 - общий вид (в разрезе) разгрузочного устройства программно-аппаратного центра с установленной оправкой сверла.

В графических материалах основные узлы и агрегаты программно-аппаратного центра обозначены следующими позициями:

1 - основание;

2 - портал (неподвижный с горизонтальными направляющими - координатная ось X);

3 - станина (с горизонтальными направляющими - координатная ось У);

4 - каретка (с вертикальными направляющими /координатная ось Z/, установленная на горизонтальных направляющих портала 2);

5 - ползун (установленный на вертикальных направляющих каретки 4);

6 - стол (установленный с возможностью поворота по круговой координате по стрелке А относительно ползуна 5);

7 - головка (инструментальная шпиндельная, поворачиваемая по стрелке А совместно со столом 6);

8 - стол (основной, перемещаемый по координате У в направляющих станины 3);

9 - стол (поворотный, установленный на столе 8 с возможностью осуществления поворота по стрелке В);

10 - магазин (инструментов, установленный на стойке портала 2 с возможностью поворота);

11 - набор (инструментальных оправок, установленных в магазине 10);

12 - шпиндель (установленный с возможностью поворота по стрелке С в шпиндельной головке 7);

13 - заготовка (обрабатываемая);

14 - устройство (разгрузочное);

15 - корпус (разгрузочного устройства 14);

16 - втулка (с конической установочной поверхностью для базирования оправки 18 строгального или токарного резца);

17 - подшипники (установочные для втулки 16);

18 - оправка (резца строгального);

19 -зубцы (поводковые оправки 18);

20 - паз (шпинделя 12);

21 - подшипники (установочные шпинделя 12).

Многофункциональный программно-аппаратный центр для формирования резанием структуры поверхности сложного профиля в функциональном слое изделия включает следующие системы, узлы и агрегаты.

В металлорежущем станке программно-аппаратного центра на основании 1 установлены неподвижный портал 2 с двумя стойками и горизонтальными направляющими (координатная ось X), а также станина 3 с горизонтальными направляющими (координатная ось У, ортогонально расположенная оси X). На горизонтальных направляющих портала 2 размещена каретка 4 с вертикальными направляющими (координатная ось Z, ортогональная осям Х и У), а на ее вертикальных направляющих - ползун 5. На ползуне 5 размещен стол, установленный с возможностью поворота по круговой координате (стрелка А) относительно ползуна 5 совместно с инструментальной шпиндельной головкой 7, поворачиваемой по круговой координате (по стрелке А) совместно со столом 6. Кроме того, программно-аппаратный центр включает стол 8, установленный с возможностью перемещения по координате У в направляющих станины 3, а также поворотный стол 9, установленный на столе 8 с возможностью осуществления поворота по круговой координате (по стрелке В).

На стойке портала 2 установлен с возможностью поворота магазин 10 инструментов, в котором размещен набор 11 инструментальных оправок.

Шпиндель 12 установлен с возможностью поворота по стрелке С в шпиндельной головке 7).

Обрабатываемая заготовка 13 базируется на поворотном столе 9.

Кроме того, инструментальная головка 5 может быть оснащена жестко связанным с ней разгрузочным устройством 14, конструктивно организованным в виде корпуса 15 с размещенной в его полости на опорах вращения (подшипниках 17) втулкой 16, кинематически не связанной со шпинделем 12 и выполненной с конической посадочной поверхностью для базирования оправки 18 режущего инструмента в виде строгального или токарного резца.

Совершенно очевидно, что вышеописанные системы, узлы и агрегаты программно-аппаратного центра в совокупности формируют исполнительную систему позиционирования и относительного рабочего перемещения заготовки и инструмента, оснащенную координатно-организованной системой главного формообразующего перемещения и позиционирования инструмента относительно поверхности функционального слоя изделия, которая функционирует на базе системы числового программного управления (ЧПУ) упомянутой исполнительной системой, обеспечивающей (относится к системе ЧПУ) возможность формирования интегрального формообразующего относительного перемещения изделия и инструмента по заданной программе в процессе технологического цикла.

Программно-аппаратный центр работает следующим образом. В исходном положении инструментальная шпиндельная головка 7 развернута по круговой координате (стрелка А) так, что ось шпинделя 12 расположена горизонтально на уровне нижней ячейки магазина 10 инструментов. Посредством перемещения каретки 4 в горизонтальных направляющих портала 2 (совместно с инструментальной шпиндельной головкой 7) влево (координата X), т.е. в направлении магазина 10 инструментов, соответствующая инструментальная оправка 11 помещается в гнездо шпинделя 12 и там фиксируется в направлении стрелки F. Таким образом, инструмент, например, оправка 18 со строгальным резцом (фиг.3), базируется в конусе втулки 16 и по ее торцу, а зубцы 19 входят в паз шпинделя 12.

Ходом ползуна 5 по координате Z вниз в вертикальных направляющих каретки 4 инструментальная оправка 11 забирается из магазина 10 инструментов. Инструментальная шпиндельная головка 7 готова к работе. Вся последовательность перемещений по соответствующим координатам как рабочих органов, несущих режущий инструмент, так и стола 8 совместно с поворотным столом 9 с обрабатываемой заготовкой 13 (устанавливаемой с возможностью горизонтального перемещения по координате У и поворота по круговой координате - по стрелке В) программно организована и функционирует посредством системы числового программного управления, связанной посредством пульта управления с процессором управляющего компьютера (в графических материалах условно не показаны).

При этом в технологической последовательности выполняются необходимые операции, например, строгание удлиненных узких поверхностей, доработка некоторых участков обработанной поверхности фрезерованием и обсверловка, а также токарная обработка.

Причем строгальная обработка может осуществляться не только по прямым траекториям, но и по криволинейным, в том числе трехмерным. Это обеспечивается благодаря возможности управлять по заданной программе поворотом резца таким образом, чтобы его режущая кромка всегда была ориентирована перпендикулярно касательной к траектории движения в каждой точке этой траектории.

Здесь следует отметить, что, например, в процессе строгания обеспечивается возможность осуществления технологического цикла без холостого хода режущего инструмента, за счет обеспечения возможности поворота передней поверхности резца на угол 180° в конце каждого прохода, что повышает производительность процесса и упрощает технологический цикл процесса строгания вследствие отсутствия необходимости подъема резца при обратном ходе.

При смене операций заменяется и инструмент: отработавший инструмент возвращается в магазин 10 инструментов, а необходимый для следующей операции - посредством вращения магазина 10 помещается в позицию смены, т.е., в нижнюю позицию, где осуществляется его фиксация в гнезде шпинделя 12 вышеописанным способом

Таким образом обеспечивается многофункциональность программно-аппаратного центра и повышается производительность при повышении точности и качества обрабатываемых профильных поверхностей изделия.

Следовательно, заявленный программно-аппаратный центр может быть использован для автоматизированной мехатронной обработки резанием функционального слоя изделий со сложным пространственным профилем как формируемых в этом слое протяженных криволинейных поверхностей, так и дискретных структур, при использовании известного из уровня техники модернизированных станочного парка и вспомогательного оборудования (приспособлений), что подтверждает соответствие заявленного технического решения условию патентоспособности «промышленная применимость».

1. Многофункциональный программно-аппаратный центр для формирования резанием структуры поверхности сложного профиля в функциональном слое изделия, включающий металлорежущий станок со станиной, на которой размещена исполнительная система позиционирования и относительного рабочего перемещения заготовки и режущего инструмента, оснащенная координатно-организованной системой главного формообразующего перемещения и позиционирования инструмента относительно поверхности функционального слоя изделия и содержащая установленный на станине станка основной стол для базирования обрабатываемого изделия, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате Y в направляющих станины, средство установки узлов и механизмов исполнительной системы, кинематически связанных и организующих рабочие перемещения режущего инструмента, включающих инструментальную головку с вращающимся шпинделем по круговой координате С, которая организована с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате Z, систему числового программного управления исполнительной системой, обеспечивающую возможность формирования интегрального формообразующего относительного перемещения обрабатываемого изделия и инструмента по заданной программе в процессе технологического цикла, отличающийся тем, что упомянутое средство установки узлов и механизмов исполнительной системы выполнено в виде портала с горизонтальными направляющими, на одной из стоек которого размещен магазин инструментов с набором инструментальных оправок, основной стол исполнительной системы оснащен кинематически связанным с ним поворотным столом с возможностью осуществления поворота по круговой координате В, исполнительная система оснащена кареткой с вертикальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси Z, установленной на горизонтальных направляющих портала, ползуном, установленным на вертикальных направляющих каретки, и столом, кинематически связанным с ползуном с возможностью осуществления поворота по круговой координате А относительно ползуна, на котором жестко закреплена инструментальная головка с возможностью осуществления совместного с ним поворота.

2. Многофункциональный программно-аппаратный центр по п.1, отличающийся тем, что инструментальная головка оснащена жестко связанным с ней разгрузочным устройством в виде корпуса с размещенной в его полости на опорах вращения втулкой, выполненной с конической посадочной поверхностью для базирования оправки режущего инструмента в виде строгального или токарного резца.