Устройство компенсации силовых и тепловых погрешностей токарного станка
Изобретение относится к металлообрабатывающей промышленности, в частности к токарным станкам с СЧПУ.
Устройство содержит измерительную часть и систему 1 числового программного управления (СЧПУ) токарного станка. Шпиндель 2 токарного станка 3 соединен с патроном 4, в котором закреплена заготовка 5.На станине станка 3 закреплен кронштейн 6, на котором установлен лазерный датчик 7 перемещения.
Устройство автоматической компенсации силовых и тепловых погрешностей при токарной обработке на станках с СЧПУ работает следующим образом. В процессе обработки заготовки 5 развивается сила резания, которая оказывает силовое воздействие на систему заготовка 5 - патрон 4 - шпиндель 2, которая деформируется. При этом ось системы заготовка 5 - патрон 4 - шпиндель 2 изгибается, что приводит к искажению обрабатываемой поверхности. С другой стороны в процессе работы токарного станка в его опорах в результате трения выделяется теплота, которая приводит к тепловому расширению стенок шпиндельной бабки в результате чего, ось шпинделя перемещается в пространстве. Все это приводит к тому, что заготовка обрабатывается не по цилиндрической, а по криволинейной конической поверхности. Рассеянное на поверхности шпинделя 2 излучение собирается на CCD-линейке лазерного датчика 7. Процессор сигналов лазерного датчика 7 рассчитывает расстояние до поверхности шпинделя 2 и полученный сигнал направляет в систему 1 СПЧУ станка, где производится коррекция положения резца по оси X.
Полезная модель относится к металлообрабатывающей промышленности, в частности к токарным станкам с СЧПУ.
Наиболее близким решением из уровня техники по технической сущности является устройство для компенсации теплового смещения оси шпинделя токарного станка, содержащее датчики перемещения оси шпинделя и оси пиноли в плоскости формообразования и элемент, осуществляющий смещение оси пиноли, соответствующее перемещению оси шпинделя. Для повышения точности обработки элемент, осуществляющий смещение оси пиноли, выполнен в виде гидроцилиндра, закрепленного на станине станка с упором его штока в пиноль, а устройство снабжено двумя цифровыми приборами для указания величины смещения оси шпинделя и оси пиноли в плоскости формообразования, соединенными с двумя датчиками перемещения, и редукционным клапаном для регулировки давления масла в гидроцилиндре (Патент РФ 
2245765, В23В 25/06 2005 г.).
К недостаткам известного технического решения следует отнести тот факт, что в нем не компенсируются силовые погрешности шпинделя и суппорта, которые возникают от действия силы резания.
Технической задачей полезной модели является повышение точности обработки деталей за счет компенсации смещения оси шпинделя и резца токарного станка, которое происходит в результате действия силы резания, разогрева токарного станка при работе и теплового удлинения резца в процессе резания.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве компенсации тепловых и силовых погрешностей токарного станка, содержащем измерительную систему в виде средств съема и передачи информации, систему обработки измерительной информации, а также систему коррекции, функционально обеспечивающую посредством программно-аппаратных средств по полученным данным корректировку процесса металлообработки, согласно полезной модели, средства съема информации выполнены в виде двух лазерных датчиков перемещения, один из которых установлен с возможностью фокусировки луча непосредственно на поверхность шпинделя, а второй - на диагональную поверхность отражателя, выполненного в виде прямоугольной призмы и расположенного на державке резца в зоне металлообработки перед передней поверхностью резца.
Устройство автоматической компенсации силовых и тепловых погрешностей на токарных станках с СЧПУ поясняется графическими материалами, где
- на фиг.1 изображена схема устройство автоматической компенсации силовых и тепловых погрешностей перемещения оси шпинделя на токарных станках с СЧПУ (вид сверху).
- на фиг.2 изображена схема устройство автоматической компенсации силовых и тепловых погрешностей перемещения резца на токарных станках с СЧПУ (вид сбоку).
Устройство содержит три подсистемы: подсистему измерения перемещения оси шпинделя (фиг.1), подсистему измерения перемещения резца (фиг.2) и систему 1 числового программного управления (СЧПУ) токарного станка. Измерение перемещения оси шпинделя производится следующим образом (фиг.1). Шпиндель 2 токарного станка соединен с патроном 4, в котором закреплена заготовка 5. На станине 3 станка закреплен кронштейн 6, на котором установлен лазерный датчик 7 перемещения. Измерение перемещения резца 8 производится следующим образом. На резце 8 закреплен отражатель 9, а на суппорте 10 закреплен кронштейн 11 удерживающий лазерный датчик 12 перемещения, луч которого направлен на отражатель 9.
Устройство автоматической компенсации силовых и тепловых погрешностей на токарных станках с СЧПУ работает следующим образом.
В процессе обработки заготовки 5 развивается сила резания, которая оказывает силовое воздействие на систему заготовка 5 - патрон 4 - шпиндель 2, которая деформируется а также на систему суппорт 10 - резцедержательная головка - резец 8, которая также деформируется. При этом ось системы заготовка 5 - патрон 4 - шпиндель 2 изгибается, а система суппорт 10 - резцедержательная головка - резец 8 деформируется, что приводит к искажению обрабатываемой поверхности. С другой стороны в процессе работы токарного станка в его опорах в результате трения выделяется теплота, которая приводит к тепловому расширению стенок шпиндельной бабки в результате чего, ось шпинделя перемещается в пространстве. При снятии стружки также выделяется теплота, которая приводит к тому, что передняя часть резца 8 нагревается и в результате термического расширения его режущая кромка перемещается в сторону заготовки, в результате чего нарушается настройка резца на размер. Все это приводит к тому, что заготовка обрабатывается не по цилиндрической, а по криволинейной поверхности.
Текущий радиус геометрического образа обработанной поверхности в поперечном сечении рассчитывается по формуле:
.
Это выражение является обобщенной функцией геометрического образа при токарной обработке. Определив экспериментально траекторию оси заготовки 5, то есть текущие координаты Хдi и Yдi и траекторию режущей кромки, то есть текущие координаты Хpi и Yрi , по углу поворота шпинделя 2 можно построить геометрический образ поперечного сечения обработанной поверхности с настроечным диаметром D.
Многочисленные экспериментальные исследования показали, что у токарных станков смещения заготовки Хдi и Yдi, и смещение резца Хpi и Ypi, при обработке детали составляют величины, измеряющиеся десятками микрометров и, во всяком случае, они не превышают 100 мкм. В то же время величины настроечного диаметра D для деталей, имеющих наибольшее распространение, составляет десятки и более миллиметров. Это позволяет сделать заключение о том, что в уравнении первый член на три - четыре порядка больше второго, а это значит с незначительной погрешностью можно пренебречь вторым членом до малости. Таким образом, следует учитывать смещение оси шпинделя 2 и резца 8 только в плоскости формообразования (ось X). Поэтому в подсистеме шпинделя используется только один лазерный датчик 7, луч которого направлен на поверхность консольной части шпинделя 2, а в подсистеме суппорта тоже один лазерный датчик 12, луч которого направлен на отражатель 9 закрепленный на резце 8. Рассеянное на поверхности шпинделя 2 и отражателя 9 излучение собирается на CCD-линейках лазерных датчиков 7 и 12. Процессоры сигналов лазерных датчиков 7 и 12 рассчитывают расстояние до поверхности шпинделя 2 и отражателя 9 и полученные сигналы направляют в систему 1 СПЧУ станка, где производится коррекция положения резца по оси X. Отражатель 9 установлен так, что его отражающая поверхность имеет угол с плоскостью формообразования 45°, поэтому хотя измерение расстояния между лазерным датчиком 12 и отражателем производится в плоскости перпендикулярной плоскости формообразования его изменение будет соответствовать перемещению резца в плоскости формообразования.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для автоматической компенсации силовых и тепловых погрешностей на токарных станках с СЧПУ и может быть отнесен к области измерительной техники;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условию патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Устройство компенсации силовых и тепловых смещений оси шпинделя токарного станка, содержащее измерительную систему в виде средств съема и передачи информации, систему обработки измерительной информации, а также систему коррекции процесса металлообработки, отличающееся тем, что средство съема и передачи информации выполнено в виде лазерного датчика перемещения, установленного на станине станка с возможностью фокусировки луча лазера на поверхность шпинделя станка.
