Токарный станок для чистовой обработки металлов

В заявке предлагается токарный станок для чистовой обработки металлов, содержащий главный привод, суппорт, установленный на продольных и поперечных направляющих, прецизионные механизмы продольной и поперечной подач, соединенные с суппортом, импульсные датчики перемещений суппорта в направлениях продольной и поперечной подач и устройство цифровой индикации перемещений, входы которого подключены к выходам датчиков перемещений. Отличительной особенностью станка является то, что он снабжен двумя бесступенчато регулируемыми приводами, связанными с механизмами продольной и поперечной подач суппорта; двумя сумматорами напряжений, двумя триггерами-дискриминаторами, двумя преобразователями «частота-напряжение», двумя программируемыми делителями частоты импульсов, двумя ключами, двумя сглаживающими фильтрами, аналого-цифровым преобразователем, датчиком зазора и датчиком температуры смазки в направляющих суппорта, причем главный привод выполнен в виде электрошпинделя с блоком цифрового управления, усилителем мощности и импульсным датчиком скорости вращения шпинделя, выход первого ключа соединен с импульсным входом первого делителя частоты импульсов, выход первого делителя частоты соединен с первым входом первого триггера-дискриминатора и со входом первого преобразователя «частота-напряжение», выход первого преобразователя «частота-напряжение» соединен с первым входом первого сумматора напряжений, выход которого соединен с управляющим входом привода продольной подачи, выход датчика перемещения суппорта в направлении продольной подачи соединен со вторым входом первого триггера-дискриминатора, выход которого через первый сглаживающий фильтр соединен со вторым входом первого сумматора напряжений, выход второго ключа соединен с импульсным входом второго делителя частоты импульсов, выход второго делителя частоты соединен с первым входом второго триггера-дискриминатора и со входом второго преобразователя «частота-напряжение», выход второго преобразователя «частота-напряжение» соединен с первым входом второго сумматора напряжений, выход которого соединен с управляющим входом привода поперечной подачи, выход датчика перемещения суппорта в направлении поперечной подачи соединен со вторым входом второго триггера-дискриминатора, выход которого через второй сглаживающий фильтр соединен со вторым входом второго сумматора напряжений, датчик скорости вращения шпинделя соединен с первыми входами ключей, блок управления электрошпинделем соединен со вторыми входами ключей и с программирующими входами делителей частоты импульсов, выходы датчиков зазора и температуры через аналого-цифровой преобразователь, а выходы устройства цифровой индикации перемещений напрямую соединены с блоком управления электрошпинделем.

Предлагаемая полезная модель относится к области станкостроения, а именно, к станкам для чистовой обработки металлов резанием.

Станки, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относится, в частности, токарно-винторезный станок высокой точности модели 250ИТВМ.03, описанный в работе «Станки токарно-винторезные моделей 250ИТВМ.01, 250ИТВМ.03, 250ИТВМФ1. - Ижевск: Изд. ДОАО «Ижмашстанко», 2000. Стр.4.» Данный станок содержит главный привод, состоящий из электродвигателя, ременной передачи, коробки скоростей и шпиндельного узла, суппорт, установленный на продольных и поперечных направляющих с возможностью перемещения по ним, и механизмы продольной и поперечной подач суппорта, кинематически жестко соединенные с главным приводом. Шпиндельный узел станка включает в себя прецизионные подшипники, механизмы продольной и поперечной подач также выполнены прецизионными, что и призвано обеспечить высокую точность станка. Указанная точность, однако, оказывается, все-таки, ограниченной, поскольку для отсчета перемещений суппорта в станке использованы встроенные в механизмы подач лимбы с ценой деления 0,1 мм (продольное перемещение) и 0,05 мм (поперечное перемещение). Чтобы реально обеспечить высокую точность чистовой обработки деталей на станке, необходимы пробные проходы и частое измерение размеров деталей с помощью ручного мерительного инструмента. В результате производительность станка не всегда высока.

Недостатком станка-аналога является также и то, что максимальная частота вращения его шпинделя равна 2500 об/мин. При такой частоте не исключено ее совпадение с частотой собственных колебаний технологической системы станка (системы «передняя и задняя бабка станка - обрабатываемая деталь - суппорт»), что может привести к возникновению резонанса и повышению шероховатости поверхности обрабатываемой детали.

Таким образом, станок модели 250ИТВМ.03, будучи предназначен для чистовой обработки металлов, в действительности высокие производительность и качество такой обработки обеспечивает далеко не всегда.

Более эффективным с точки зрения производительности и качества обработки является токарно-винторезный станок модели 250ИТВМФ1, принятый за прототип. Этот станок, так же, как и станок 250ИТВМ.03 (он также описан в работе «Станки токарно-винторезные моделей 250ИТВМ.01, 250ИТВМ.03, 250ИТВМФ1. - Ижевск: Изд. ДОАО «Ижмашстанко», 2000, но на стр.13-14), содержит главный привод, включающий в себя электродвигатель, ременную передачу, коробку скоростей и шпиндельный узел, имеет суппорт, выполненный с возможностью перемещения в продольном и поперечном направлениях, и прецизионные механизмы продольной и поперечной подач суппорта, кинематически жестко соединенные с главным приводом. Но дополнительно он оснащен линейными импульсными датчиками перемещений суппорта в продольном и поперечном направлениях и блоком цифровой индикации перемещений, входы которого подключены к выходам датчиков перемещений. Блок цифровой индикации в совокупности с датчиками обеспечивает дискретность отсчета перемещений суппорта 0,005 мм (по продольной координате) и 0,001 мм (по поперечной координате), что дает возможность исключить измерение размеров деталей с помощью ручного инструмента, сокращает число пробных проходов и, как следствие, реально повышает производительность и точность обработки на станке.

Вместе с изложенным, станок-прототип, подобно станку-аналогу, имеет наибольшую частоту вращения шпинделя также 2500 об/мин, что также может привести к возникновению резонанса и ухудшению качества обработки. Этого можно избежать, сделав главный привод станка высокоскоростным. Но тогда из-за интенсификации износа и снижения надежности механизмов кинематических цепей нельзя будет связать кинематически жестко главный привод и суппорт. Без такой связи, однако, в станке становится невозможной механическая подача суппорта заданной величины. Осуществлять подачу придется вручную, что производительность обработки снизит. Отсюда возникает задача повышения точности и производительности станка, а также качества обрабатываемой поверхности за счет предотвращения резонанса, с сохранением точной взаимосвязи главного движения и движений подач без жестких кинематических цепей. Таким образом, задачей предлагаемой полезной модели является создание станка, обеспечивающего комплексное повышение производительности, точности и качества поверхности при обработке без снижения надежности.

Достигается решение поставленной задачи тем, что токарный станок для чистовой обработки металлов, содержащий главный привод, суппорт, выполненный с возможностью перемещения в продольном и поперечном направлениях, соединенные с суппортом импульсные датчики перемещений суппорта в продольном и поперечном направлениях и блок цифровой индикации перемещений, входы которого подключены к выходам датчиков перемещений, снабжен первым и вторым бесступенчато регулируемыми приводами, обеспечивающими перемещение суппорта в продольном и поперечном направлениях, первым и вторым сумматорами напряжений, первым и вторым триггерами-дискриминаторами, первым и вторым преобразователями «частота-напряжение», первым и вторым программируемыми делителями частоты импульсов, первым и вторым ключами, первым и вторым сглаживающими фильтрами, аналого-цифровым преобразователем, датчиком зазора и датчиком температуры смазки в суппорте, причем главный привод выполнен в виде блока цифрового управления, усилителя мощности и электрошпинделя с импульсным датчиком скорости вращения шпинделя, выходы блока управления соединены с усилителем мощности, выходы усилителя мощности соединены с электрошпинделем, выход первого ключа соединен с импульсным входом первого делителя частоты импульсов, выход первого делителя частоты соединен с первым входом первого триггера-дискриминатора и со входом первого преобразователя «частота-напряжение», выход первого преобразователя «частота-напряжение» соединен с первым входом первого сумматора напряжений, выход которого соединен с управляющим входом привода перемещения суппорта в продольном направлении, выход датчика перемещения суппорта в продольном направлении соединен со вторым входом первого триггера-дискриминатора, выход которого через первый сглаживающий фильтр соединен со вторым входом первого сумматора напряжений, выход второго ключа соединен с импульсным входом второго делителя частоты импульсов, выход второго делителя частоты соединен с первым входом второго триггера-дискриминатора и со входом второго преобразователя «частота-напряжение», выход второго преобразователя «частота-напряжение» соединен с первым входом второго сумматора напряжений, выход которого соединен с управляющим входом привода перемещения суппорта в поперечном направлении, выход датчика перемещения суппорта в поперечном направлении соединен со вторым входом второго триггера-дискриминатора, выход которого через второй сглаживающий фильтр соединен со вторым входом второго сумматора напряжений, датчик скорости вращения шпинделя соединен с первыми входами ключей, блок управления электрошпинделем соединен со вторыми входами ключей и с программирующими входами делителей частоты импульсов, выходы датчиков зазора и температуры через аналого-цифровой преобразователь, а выходы блока цифровой индикации перемещений напрямую соединены с блоком управления электрошпинделем.

Схема предлагаемого токарного станка приведена на рисунке. Она содержит главный привод, состоящий из блока цифрового управления 1, усилителя мощности 2 и электрошпинделя 3 с импульсным датчиком 4 скорости вращения шпинделя; суппорт 5, выполненный с возможностью перемещения в продольном (ось Z, параллельная оси шпинделя) и поперечном (ось X, перпендикулярная оси шпинделя) направлениях; импульсный датчик 6 перемещения суппорта вдоль оси Z и импульсный датчик 7 перемещения суппорта вдоль оси X, через блок цифровой индикации перемещений 8 соединенные с блоком цифрового управления 1; датчик 9 зазора и датчик 10 температуры смазки в направляющих суппорта, через аналого-цифровой преобразователь 11 связанные с блоком 1; первый бесступенчато регулируемый привод 12, через муфту 13 «включения-выключения» соединенный с суппортом и обеспечивающий его перемещение по оси X, и второй бесступенчато регулируемый привод 14, через муфту 15 «включения-выключения» соединенный с суппортом и обеспечивающий его перемещение по оси Z. Кроме того, станок снабжен первым 16 и вторым 17 ключами, первые входы которых соединены с импульсным датчиком 4, а вторые - с блоком управления 1; первым 18 и вторым 19 программируемыми делителями частоты, импульсные входы которых соединены, соответственно, с выходами ключей 16 и 17, а программирующие входы - с блоком управления 1; первым 20 и вторым 21 преобразователями «частота-напряжение», входы которых подключены, соответственно, к выходам делителей частоты 18 и 19; первым 22 и вторым 23 триггерами-дискриминаторами, первые входы которых соединены, соответственно, с выходами делителей частоты 18 и 19, второй вход триггера 22 связан с выходом датчика импульсов 7, второй вход триггера 23 связан с выходом датчика импульсов 6; первым 24 и вторым 25 двухвходовыми сумматорами напряжений и первым 26 и вторым 27 сглаживающими фильтрами, причем первые входы сумматоров 24 и 25 соединены, соответственно, с выходами преобразователей «частота-напряжение» 20 и 21, вторые входы через фильтры 26 и 27 связаны, также соответственно, с выходами триггеров 22 и 23, выход сумматора 24 подключен к управляющему входу привода 12, а выход сумматора 25 - к управляющему входу привода 14.

При работе станка блок 1 цифрового управления электрошпинделем 3 воспринимает информацию о текущем положении суппорта 5 в координатах Х и Z с помощью датчиков 7 и 6 и о зазоре и температуре смазки в направляющих с помощью датчиков 9 и 10. Импульсы от датчиков 7 и 6 считаются и кодируются блоком цифровой индикации 8, а сигналы от датчиков 9 и 10 квантуются и кодируются аналого-цифровым преобразователем 11. Кодированная информация от 8 и 11, а также априорно заданная в блок 1 информация о массе, жесткости элементов станка и обрабатываемой заготовки, зависимости вязкости смазки от ее температуры и т.п., в блоке 1 перерабатывается и преобразуется в сигнал управления скоростью главного привода станка. Этот сигнал усиливается в усилители мощности 2 и заставляет электрошпиндель 3 вращаться с определенной высокой скоростью. Переработка и преобразование информации в блоке 1 при этом производится по известным алгоритмам, в ходе реализации которых непрерывно вычисляется текущая частота собственных колебаний _соб технологической системы «станок-заготовка» как функция _соб=F(X, Z, h, t) и вырабатывается сигнал управления шпинделем, задающий его скорость вращения с зарезонансной частотой (указанные алгоритмы см. в работе: Я.Л.Либерман, H.А.Меньшенина. Расчет безвибрационной скорости резания при токарной обработке. - Екатеринбург: Изд. УГТУ-УПИ, 2008).

При вращении электрошпинделя 3 датчик 4 выдает импульсы с частотой, характеризующей скорость вращения шпинделя. Если на второй вход ключа 16, на второй вход ключа 17, или на эти оба входа вместе блоком управления 1 будут поданы сигналы включения ВХ и BZ, то импульсы от датчика 4 будут поступать на делитель частоты 18, на делитель 19, или на оба вместе. В зависимости от коэффициентов деления АХ и AZ, введенных в делители 18 и 19 блоком 1 (эти коэффициенты определяются требуемой подачей суппорта 5 по координатам Х и Z), преобразователи «частота - напряжение» 20 и 21 будут получать импульсы с определенной частотой. Эта частота, будучи преобразована в напряжение, задаст нужные скорости вращения приводов 12 или 14 или того или другого одновременно (при включенных муфтах 13 и 15) и обеспечит соответствующие подачи суппорта 5 по координатам Х и Z.

Перемещение суппорта 5, как уже отмечалось, преобразуется датчиками 7 и 6 в импульсы, которые считаются блоком 8 и дают информацию о величине перемещения (положении) суппорта 5. Но вместе с этим, эти датчики дают информацию и о скорости перемещения суппорта 5. Указанная скорость по той или иной координате определяет частоту и фазу импульсов от датчиков 6 и 7. Частота и фаза импульсов от датчика 7 в триггере-дискриминаторе 22 сравнивается с частотой и фазой импульсов, выдаваемой делителем частоты.

18. Частота и фаза импульсов от датчика 6 в триггере-дискриминаторе 23 сравнивается с частотой и фазой импульсов, выдаваемых делителем частоты.

19. При равенстве частот и фаз импульсов, поступающих на входы триггера-дискриминатора, на его выходе напряжение равно нулю. Если же частоты и фазы оказываются неодинаковыми, на его выходе появляется пульсирующее напряжение, средний уровень которого пропорционален сдвигу фаз. Это напряжение от триггера 22 через фильтр 26 поступит на второй вход сумматора 24 и скорректирует сигнал, управляющий скоростью привода 12. Аналогично, от триггера 23 оно через фильтр 27 поступит на второй вход сумматора 25 и скорректирует сигнал, управляющий скоростью привода 14. В результате, подача как по координате X, так и по координате Z независимо от колебания сил сопротивления, действующих в процессе работы станка на суппорт, будет всегда оставаться такой, какая задана как программируемым делителем частоты 18, так и программируемым делителем частоты 19. Если при изменении координат Х и Z, а также величин h и t при работе станка будет изменяться частота собственных колебаний технологической системы «станок - заготовка», то при изменении скорости вращения электрошпинделя 3 до вновь требуемой зарезонансной, соответствующим образом изменятся и частоты импульсов на выходах делителей 18 и 19. Это приведет и к соответствующему изменению скоростей работы приводов 12 и 14. Это изменение будет точно согласовано с изменением скорости вращения шпинделя, что, как и в случае колебания сил сопротивления, действующих на суппорт, будет обеспечено триггерами-дискриминаторами 22 и 23, фильтрами 26 и 27 и сумматорами 24 и 25.

Выполнение главного привода станка с электрошпинделем позволяет увеличить частоту вращения шпинделя станка до 40-50 тысяч об/мин и гарантированно предотвращает резонанс при обработке. При этом обеспечивается точность и надежность согласования подачи суппорта с вращением шпинделя. Качество поверхности обрабатываемых деталей с увеличением частоты вращения шпинделя при отсутствии резонанса повышается. Необходимости в применении ручной подачи суппорта не возникает. Все это, в конечном итоге, комплексно повышает производительность, точность и качество обработки на станке без снижения его надежности, что и является результатом решения задачи, поставленной при разработке полезной модели.

Токарный станок для чистовой обработки металлов, содержащий главный привод, суппорт, выполненный с возможностью перемещения в продольном и поперечном направлениях, соединенные с суппортом импульсные датчики перемещений суппорта в продольном и поперечном направлениях и блок цифровой индикации перемещений, входы которого подключены к выходам датчиков перемещений, отличающийся тем, что он снабжен первым и вторым бесступенчато регулируемыми приводами, обеспечивающими перемещение суппорта в продольном и поперечном направлениях, первым и вторым сумматорами напряжений, первым и вторым триггерами-дискриминаторами, первым и вторым преобразователями «частота-напряжение», первым и вторым программируемыми делителями частоты импульсов, первым и вторым ключами, первым и вторым сглаживающими фильтрами, аналого-цифровым преобразователем, датчиком зазора и датчиком температуры смазки суппорте, причем главный привод выполнен в виде блока цифрового управления, усилителя мощности и электрошпинделя с импульсным датчиком скорости вращения шпинделя, выходы блока управления соединены с усилителем мощности, выходы усилителя мощности соединены с электрошпинделем, выход первого ключа соединен с импульсным входом первого делителя частоты импульсов, выход первого делителя частоты соединен с первым входом первого триггера-дискриминатора и со входом первого преобразователя «частота-напряжение», выход первого преобразователя «частота-напряжение» соединен с первым входом первого сумматора напряжений, выход которого соединен с управляющим входом привода перемещения суппорта в продольном направлении, выход датчика перемещения суппорта в продольном направлении соединен со вторым входом первого триггера-дискриминатора, выход которого через первый сглаживающий фильтр соединен со вторым входом первого сумматора напряжений, выход второго ключа соединен с импульсным входом второго делителя частоты импульсов, выход второго делителя частоты соединен с первым входом второго триггера-дискриминатора и со входом второго преобразователя «частота-напряжение», выход второго преобразователя «частота-напряжение» соединен с первым входом второго сумматора напряжений, выход которого соединен с управляющим входом привода перемещения суппорта в поперечном направлении, выход датчика перемещения суппорта в поперечном направлении соединен со вторым входом второго триггера-дискриминатора, выход которого через второй сглаживающий фильтр соединен со вторым входом второго сумматора напряжений, датчик скорости вращения шпинделя соединен с первыми входами ключей, блок управления электрошпинделем соединен со вторыми входами ключей и с программирующими входами делителей частоты импульсов, выходы датчиков зазора и температуры через аналого-цифровой преобразователь, а выходы блока цифровой индикации перемещений напрямую соединены с блоком управления электрошпинделем.