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

Комплекс включает металлорежущий станок на станине 1 которого размещена исполнительная система (ИС) позиционирования и относительного перемещения заготовки 13 и инструмента. Исполнительная система включает: установленные на станине 1 станка основной стол 9 для базирования заготовки 13, а также средство установки узлов и механизмов исполнительной системы, кинематически организующих рабочие перемещения непосредственно режущего инструмента. В состав указанных узлов и механизмов входит инструментальная головка 5 с вращающимся по круговой координате C шпинделем 12, которая организована с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате Z. Кроме того, комплекс включает систему ЧПУ упомянутой ИС. Особенностями заявленного комплекса является следующее. Упомянутое средство установки узлов и механизмов ИС конструктивно организовано в виде жестко установленной на станине 1 траверсы 2, оснащенной горизонтальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси X. В окне станины 1 размещен поворотный магазин 10 инструментов, конструктивно организованный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль координатной оси Y. Основной стол ИС установлен с возможностью ограниченного поворота по круговой координате В и оснащен поворотным столом, кинематически связанным с основным с возможностью осуществления поворота по круговой координате A. Кроме того, исполнительная система дополнительно оснащена: кареткой 3 с горизонтальными направляющими, ориентированными ортогонально направляющим траверсы 2 вдоль координатной оси Y.; ползуном 4, установленным на горизонтальных направляющих каретки 3 и оснащенным вертикальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси Z. При этом инструментальная головка 5 кинематически связана с ползуном 4 с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения по координате Y совместно с ползуном 4 и независимого перемещения по координате Z. 1 н.п. и 1 з.п. ф-лы, 6 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 комплекс 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, 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 C 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, B23D 5/02, 2008 г.).

К недостаткам данного известного из уровня техники программно-аппаратного комплекса 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 комплекса 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 и чистоты обработки поверхности изделия.

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

Поставленный технический результат обеспечивается посредством того, что в многофункциональном программно-аппаратном комплексе 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, 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 C шпинделем, которая организована с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате Z; кроме того, комплекс 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, согласно полезной модели, упомянутое средство установки узлов и механизмов исполнительной системы конструктивно организовано в виде траверсы, оснащенной горизонтальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси X, в окне станины размещен поворотный магазин инструментов с набором инструментальных оправок, конструктивно организованный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль координатной оси У; основной стол исполнительной системы установлен с возможностью ограниченного поворота по круговой координате В и оснащен поворотным столом, кинематически связанным с основным с возможностью осуществления поворота по круговой координате А; кроме того, исполнительная система дополнительно оснащена: кареткой с горизонтальными направляющими, ориентированными ортогонально направляющим траверсы вдоль координатной оси У, установленной на горизонтальных направляющих траверсы; ползуном, установленным на горизонтальных направляющих каретки и оснащенным вертикальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси Z; при этом инструментальная головка кинематически связана с ползуном с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения по координате У совместно с ползуном и независимого перемещения по координате Z.

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, выполненной с конической посадочной поверхностью для базирования оправки режущего инструмента в виде строгального 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 комплекса (вид сбоку в разрезе).

Фиг.2 - общий вид программно-аппаратного комплекса (вид слева по фиг.1).

Фиг.3 - общий вид программно-аппаратного комплекса (вид сверху по фиг.2).

Фиг.4 - фрагмент программно-аппаратного комплекса по фиг.2 с основным столом в разрезе.

Фиг.5 - общий вид (в разрезе) разгрузочного устройства программно-аппаратного комплекса с установленной оправкой строгального резца.

Фиг.6 - общий вид (в разрезе) разгрузочного устройства программно-аппаратного комплекса с установленной оправкой сверла.

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

1 - станина;

2 - траверса (неподвижная с горизонтальными направляющими - координатная ось X);

3 - каретка (с горизонтальными направляющими - координатная ось Y);

4 - ползун (установленный на горизонтальных направляющих каретки 3);

5 - головка (инструментальная шпиндельная);

6 - узел разгрузки (шпинделя инструментальной головки 5);

7 - ось (поворота основного стола 9);

8 - опоры (оси 7 поворота основного стола 9);

9 - стол (основной поворотный);

10 - магазин инструментов (поворотный);

11 - стол (установленный с возможностью поворота по круговой координате по стрелке A относительно основного стола 9 поворотного);

12 - шпиндель (установленный с возможностью поворота по стрелке C в шпиндельной головке 5);

13 - заготовка (обрабатываемая);

14 - устройство (разгрузочное);

15 - корпус (разгрузочного устройства 14);

16 - втулка (с конической установочной поверхностью для базирования оправки 18 строгального 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 комплекс для формирования резанием структуры поверхности сложного профиля в функциональном слое изделия включает следующие системы, узлы и агрегаты.

Многофункциональный программно-аппаратный комплекс для формирования резанием структуры поверхности сложного профиля в функциональном слое изделия включает непосредственно металлорежущий станок на станине 1 которого размещена исполнительная система позиционирования и относительного рабочего перемещения заготовки 13 и инструмента, оснащенная координатно организованной системой главного формообразующего перемещения и позиционирования инструмента относительно поверхности функционального слоя изделия. Исполнительная система металлорежущего станка включает: установленные непосредственно на станине 1 станка основной стол 9 для базирования обрабатываемого изделия (заготовки 13), а также средство установки узлов и механизмов исполнительной системы, кинематически организующих рабочие перемещения непосредственно режущего инструмента. В состав указанных узлов и механизмов входит инструментальная головка 5 с вращающимся по круговой координате C шпинделем 12, которая организована с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате Z. Кроме того, комплекс включает систему числового программного управления (ЧПУ, в графических материалах условно не показана) упомянутой исполнительной системой, обеспечивающую возможность формирования интегрального формообразующего относительного перемещения изделия (заготовки 13) и инструмента по заданной программе в процессе технологического цикла.

Отличительными особенностями заявленного комплекса является следующее.

Упомянутое средство установки узлов и механизмов исполнительной системы конструктивно организовано в виде жестко установленной на станине 1 траверсы 2, оснащенной горизонтальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси X. В окне станины 1 размещен поворотный магазин 10 инструментов с набором инструментальных оправок, конструктивно организованный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль координатной оси Y. Основной стол исполнительной системы установлен с возможностью ограниченного поворота по круговой координате B и оснащен поворотным столом, кинематически связанным с основным с возможностью осуществления поворота по круговой координате A. Кроме того, исполнительная система дополнительно оснащена: кареткой 3 с горизонтальными направляющими, ориентированными ортогонально направляющим траверсы 2 вдоль координатной оси Y (каретка 3 установлена на горизонтальных направляющих траверсы 2); ползуном 4, установленным на горизонтальных направляющих каретки 3 и оснащенным вертикальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси Z. При этом инструментальная головка 5 кинематически связана с ползуном 4 с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения по координате Y совместно с ползуном 4 и независимого перемещения по координате Z. 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 резца.

Обрабатываемая заготовка 13 базируется на поворотном столе 9.

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 комплекс работает следующим образом.

В исходном положении инструментальная шпиндельная головка 5 находится в крайнем правом положении, магазин 10 инструментов входит в рабочую зону таким образом, что ось загружаемого инструмента совмещается с осью шпинделя 12. При подходе шпиндельной головки по оси Z к инструменту, находящемуся в соответствующем гнезде магазина 10, срабатывает фиксирующее зажимное устройство в направлении стрелки F. Таким образом, инструмент, например, оправка 18 со строгальным резцом (фиг.5), базируется в конусе втулки 16 и по ее торцу, а зубцы 19 входят в паз шпинделя 12, магазин 10 возвращается в исходное положение, оставляя инструмент в шпинделе станка. Благодаря наличию у шпинделя 12 возможности поворота по круговой координате C и поводковым зубцам 19, входящим в паз шпинделя 12, по соответствующей программе резцом, зафиксированным в определенном угловом положении, осуществляется токарная или строгальная обработка заготовки 13. 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.

Следует отметить, что 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.

Фрезерно-расточные операции осуществляются инструментами в оправке показанной на фиг.6.

Вся последовательность перемещений по соответствующим координатам как рабочих органов, несущих режущий инструмент, так и столов 9 и 11 с обрабатываемой заготовкой 13 (устанавливаемой с возможностью поворота по круговым координатам A и B) програмнно 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.

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, где осуществляется его фиксация в гнезде шпинделя 12 вышеописанным способом.

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

Таким образом, заявленный программно-аппаратный комплекс 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 комплекс для формирования резанием структуры поверхности сложного профиля в функциональном слое изделия, содержащий 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, при этом исполнительная система содержит установленные непосредственно на станине станка основной стол для базирования обрабатываемого изделия, 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 выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения по координате Z, систему числового программного управления для управления исполнительной системой позиционирования и относительного рабочего перемещения заготовки и инструмента с обеспечением возможности формирования интегрального формообразующего относительного перемещения изделия и инструмента по заданной программе в процессе технологического цикла, отличающийся тем, что средство установки узлов и механизмов исполнительной системы конструктивно выполнено в виде траверсы с горизонтальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси X, при этом в окне станины металлорежущего станка размещен поворотный магазин инструментов с набором инструментальных оправок, конструктивно выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль координатной оси Y, основной стол исполнительной системы установлен с возможностью ограниченного поворота по круговой координате В и оснащен поворотным столом, кинематически связанным с основным столом с возможностью осуществления поворота по круговой координате А, исполнительная система снабжена кареткой с горизонтальными направляющими, ориентированными ортогонально направляющим траверсы вдоль координатной оси Y, установленной на горизонтальных направляющих траверсы, ползуном, установленным на горизонтальных направляющих каретки и оснащенным вертикальными направляющими, ориентированными вдоль координатной оси Z, при этом инструментальная головка кинематически связана с ползуном с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения по координате Y совместно с ползуном и независимого перемещения по координате Z.

2. Многофункциональный комплекс по п.1, отличающийся тем, что инструментальная головка снабжена жестко связанным с ней разгрузочным устройством, конструктивно выполненным 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.