CZ17403U1 - Zařízení pro automatickou kompenzaci vertikálního poklesu a úhlového sklonu předního, vysouvaného konce horizontálně výsuvné části výrobního, zejména obráběcího stroje - Google Patents

Description

Zařízení pro automatickou kompenzaci vertikálního poklesu a úhlového sklonu předního, vysouvaného konce horizontálně výsuvné části výrobního, zejména obráběcího stroje

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro automatickou kompenzaci vertikálního poklesu a úhlového sklonu předního, vysouvaného konce horizontálně výsuvné části výrobního, zejména obráběcího stroje, způsobených proměnnými váhovými i teplotními deformacemi stroje včetně základu. Jedná se o nové konstrukční řešení stroje opatřeného zejména pinolami se zabudovanými vřeteny nebo horizontálně výsuvnými vřeteníky.

Dosavadní stav techniky

U obráběcích strojů s horizontálně výsuvnými skupinami dochází vlivem váhových deformací k průhybu směrem dolů, což má za následek jednak pokles horizontálně vysouvaného členu na jeho předním, nejvíce vysunutém konci, jednak úhlové natočení koncové plochy. Slouží-li tato koncová plocha k upínání nástrojů, dochází k vertikálnímu snížení jejich polohy a k úhlovému sklonu, který vyvolává v závislosti na délce nástrojů další přídavný pokles jejich konce. Defor15 mace vlivem váhových sil se navíc kombinují s účinkem třecích sil a tepelných deformací, což výrazně snižuje pracovní přesnost strojů.

Dosavadní známé způsoby kompenzace váhových deformací předního konce horizontálně výsuvných částí výrobních strojů jsou založeny převážně na „paměťovém“ principu. Vertikální pokles konce horizontálně výsuvné části je změřen pro typické pracovní situace a jsou aplikováno ny různé mechanické, elektronické i softwarové principy kompenzace tohoto poklesu za předpokladu, že stroj se bude chovat opakovatelně jako v měřených případech a že jeho chování nebude časově závislé ani podstatněji ovlivněné dalšími nepředvídatelnými faktory. Závislost na proměnné váze a délce nástrojů ovšem znamená značnou komplikaci „paměťové“ tabulky naměřených vertikálních poklesů, přičemž ostatní vlivy jako hystereze a nepravidelné tepelné deformace jsou „paměťovými“ metodami zcela neřešitelné.

Všechny výše popsané deformace způsobují, zejména u strojů střední a větší velikosti, závažné snížení přesnosti výrobních operací. Váhové deformace horizontálně vysouvané části stroje se kombinují s váhovými deformacemi vedení vysouvacího pohybu, tělesa nosiče vysouvané části, stojanu, portálu nebo jiných nosných částí rámu, i jejich pohyblivých vedení a vliv mají nakonec i deformace základů stroje. Všechny tyto váhové deformace závisí nejen na délce okamžitého horizontálního vysunutí pinoly, která mění polohu těžiště vysouvané části, ale i na váze nástrojů a technologických hlav, upnutých na jejím konci, případně i na okamžité poloze nástroje vůči obrobku v dalších souřadných směrech.

Jako příklad známých řešení se může uvést princip vymezení odchylek a vůlí mechanických ve35 dění, modifikaci tvaru vodicích ploch například do tvaru křivky opačné průhybové čáře, eliminaci deformačních sil hydraulickým válcem či protizávažím na laně připojeném v blízkosti těžiště horizontálně výsuvné části případně jejím nadlehčením za účelem dosažení konstantních reakčních sil ve vodicích elementech. Velikost akční veličiny pak bývá většinou odvozována od polohy horizontálně výsuvné části a průběh závislosti zanesen do korekční tabulky v řídicím CNC systému.

Společnými nedostatky zmíněných systémů je zejména to, že reagují hlavně na opakované změny váhového zatížení mechanické soustavy. Stávající systémy nereagují na změny teploty a na časové změny provozních parametrů. Rovněž nereagují na deformace nosného systému a základu. Další nevýhodou je i to, že nekompenzují úhlovou odchylku konce horizontálně výsuvné části.

Známé systémy obecně nevykazují schopnost průběžného měření a aktivního vyrovnávání svislého poklesu a úhlové odchylky konce horizontálně výsuvných částí.

- 1 CZ 17403 Ul

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro automatickou kompenzaci vertikálního poklesu a úhlového sklonu předního, vysouvaného konce horizontálně výsuvné části výrobního, zejména obráběcího stroje, způsobených proměnnými váhovými i teplotními deformacemi stroje včetně základu, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že v předním konci horizontálně výsuvné části vysouvané horizontálně z nosiče výsuvné části je umístěn mechanický zpětnovazební měřicí člen pro přenos, v mechanické formě, informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce k dvojici snímačů, umístěných v prostoru nosiče výsuvné části.

Mechanický zpětnovazební měřicí člen je s výhodou vybaven teplotně stabilizačním zařízením pro zvýšení přesnosti měření redukcí nežádoucích tepelných deformací mechanického zpětnovazebního měřicího členu.

Teplotně stabilizační zařízení ve výhodném provedení obsahuje průtočný kapalinový systém s kapalinou protékající dutinami mechanického zpětnovazebního měřicího členu, teplotní senzor pro měření teploty protékající kapaliny a regulační zařízení pro regulaci teploty protékající kapaliny. Popřípadě teplotně stabilizační zařízení může obsahovat zařízení pro vzduchové ofukování mechanického zpětnovazebního měřicího členu, teplotní senzor pro měření teploty vzduchu vystupujícího ze zpětnovazebního měřicího členu a regulační zařízení pro regulaci teploty vystupujícího vzduchu.

Dvojice snímačů je s výhodou umístěna na nosném členu spolu s elektronickou libelou pro měření odchylky nosného měřicího členu od horizontální polohy. Dvojice snímačů a elektronické libely mohou být propojeny s vyhodnocovacím elektronickým zařízením výstupních signálů pro určení informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce vodorovně výsuvné části. Nosný měřicí člen je ve výhodném provedení otočně uložen na nosiči výsuvné části a je opatřen akčním členem řízeným výstupním signálem elektronické libely pro udržování horizontální polohy nosného měřicího členu.

Výstupy ze zpětnovazebního měřicího členu pro přenos informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce horizontálně výsuvné části jsou s výhodou propojeny se zařízením pro vyvození vertikálního kompenzačního pohybu nosiče výsuvné části, přičemž toto zařízení je tvořeno elektronickými obvody vyvolávajícími vertikální kompenzační pohyb nosiče horizontálně výsuvné části korekčním signálem přiváděným do CNC řízení pohonu posuvu nosiče horizontálně výsuvné části ve vertikálním směru.

Zařízení umožňuje kompenzaci celkového poklesu a úhlového sklonu horizontálně výsuvných částí strojů. Popsané řešení poklesu a úhlových odchylek předního konce může být prováděno nepřetržitě v reálném čase nebo přerušovaně, případně s dočasným uložením změřených dat do korekční tabulky. Kompenzační funkce může být také aplikována na příkaz operátora nebo CNC řídicího systému jen v určité části pracovních operací stroje. Základní princip kompenzačního systému eliminuje nejen váhové deformace nosného systému, ale i hysterezní vlivy třecích sil a vlivy tepelných deformací horizontálně výsuvné části i nosného systému. Přitom přesnost kompenzace principielně závisí pouze na tvarové přesnosti mechanického zpětnovazebního měřicího členu. Tato tvarová přesnost může být v tepelně proměnném prostředí pracovního prostoru stroje výrazně zvýšena jeho tepelnou stabilizací teplotně stabilizačním zařízením například průtokem tepelně stabilizované kapaliny jeho dutinami nebo jeho ofukováním tepelně stabilizovaným proudem vzduchu. Axiální délková dilatace horizontálně výsuvné části, která není mechanickým zpětnovazebním měřicím členem měřena může být s výhodou eliminována tím, že na tepelně stabilizovaný mechanický zpětnovazební měřicí člen je přemístěno číslicové odměřovací zařízení horizontálního výsuvného pohybu, které je takto spolu s ním tepelně stabilizováno. Tím je měřena a prostřednictvím CNC systému i řízena axiální poloha předního konce horizontálně výsuvné části nezávisle na jeho tepelné dilataci.

- ?.

CZ 17403 Ul

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže popsáno na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů. Na obr. 1 je schematicky znázorněn příkladný stroj s váhovými deformacemi. Na obr. 2 je znázorněn rám stroje po aplikování kompenzace vlivu váhových deformací. Na obr. 3 je zná5 zorněno teplotně stabilizační zařízení s průtočným kapalinovým systémem. Na obr. 4 je znázorněno teplotně stabilizační zařízení s oběhem vzduchu. Na obr. 5 je znázorněn princip zařízení s otočně umístěným nosným měřicím členem. Na obr. 6 je znázorněn princip zařízení s pevně umístěným nosným měřicím členem 6.

Příklady provedení technického řešení ío Problematika váhových a deformací dosavadních strojů je blíže znázorněna na obr. 1.

Stroj má lože 35 umístěné na základu 33 a obrobkovou část 32. Váhovými deformacemi vzniká v závislosti na vysunutí horizontálně výsuvné části 2 zaboření lože 35 do základu 33 a jeho náklon o úhel a_t. Po loži 35 pojíždí stojan 36 na vodicích prvcích 34, které, svojí poddajností vyvolávají úhlový sklon a₂. Při vysouvání těžiště výsuvné části 2 vzniká ohyb stojanu 36 tak, že v místě nosiče 3 horizontálně výsuvné části 2 je ohybem vyvolána úhlová deformace a₃. Nosič 3 horizontálně výsuvné části 2 koná vertikální pohyb po stojanu 36 stroje a jeho v obr. 1 nezobrazené vodicí prvky vertikálního pohybu vyvolají další úhlovou deformaci a₄. Horizontálně výsuvná část 2 se vysouvá z nosiče 3 výsuvné části, přičemž jejich vzájemnou polohu zajišťují prvky vedení 31, které svojí poddajností způsobují další přídavnou úhlovou deformaci a₅.

V závislosti na vysunutí horizontálně výsuvné části 2 nastává její ohyb, který vyvolá na jejím předním konci I v místě upnutí nástroje 30 přídavnou úhlovou deformaci a₆. Výsledný náklon v místě upnutí nástroje je součtem všech úhlových deformací a_t až ct6. Platí tedy:

a = ot| + a₂ + a₃ + a₄ + a₅ + a₆

V závislosti na ramenech a vzdálenostech úhlově naklápěných částí, na okamžitém výsuvu hori25 zontálně výsuvné části 2 a na hmotnosti nástroje 30 vzniká na jejím předním konci i pokles Ay. K tomu se na konci nástroje 30 o délce L přičítá pokles Ay_N v místě obrábění podle vztahu:

Ay_N = L * cosa

Výsledný pokles i úhlový náklon je ovlivňován i třecími sílami a vůlemi ve vedeních, které způsobují hysterezí souřadných pohybů v závislosti na směru pohybů i pohybových rychlostech v jednotlivých souřadných směrech.

K výsledným okamžitým odchylkám vertikální polohy i úhlu předního konce i horizontálně výsuvné části 2 se přičítají tepelné deformace rámu, nosiče 3 vysouvané části i vlastní horizontálně vysouvané části 2. Tyto deformace pocházející z vnitřních i vnějších zdrojů tepla i jeho šíření vedením, sáláním, souřadnými pohyby apod., jsou časově proměnné a závislé i na „historii“ technologického procesu, pri kterém se na příklad nepravidelně střídají výrobní operace o různém výkonu a různé intenzitě generace tepla.

Výsledkem výše uvedené nepřehledné situace i dalších vlivů je, že poloha nástroje 30 upnutého na předním konci i horizontálně výsuvné části 2 stroje vykazuje značné vertikální odchylky i úhlové sklony, přičemž kompenzace nebo eliminace těchto odchylek je nesmírně obtížná. Kromě definovatelných vlivů zde totiž působí řada vlivů nahodilých a zcela nepředvídatelných.

Zařízení pro automatickou kompenzaci vertikálního poklesu a úhlového sklonu předního konce i horizontálně výsuvné části 2 obráběcího stroje, způsobených proměnnými váhovými i teplotními deformacemi stroje včetně základu 33, má v předním konci i horizontálně výsuvné části 2 vysouvané horizontálně z nosiče 3 výsuvné části 2 umístěn mechanický zpětnovazební měřicí člen

4 pro přenos, v mechanické formě, informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce i k dvojici snímačů 5, umístěných v prostoru nosiče 3 výsuvné části 2.

- 3 CZ 17403 Ul

Mechanický zpětnovazební měřicí člen 4 je vybaven teplotně stabilizačním zařízením 20 pro zvýšení přesnosti měření redukcí nežádoucích tepelných deformací mechanického zpětnovazebního měřicího členu 4. Teplotně stabilizační zařízení 20 obsahuje průtočný kapalinový systém 21 s kapalinou protékající dutinami mechanického zpětnovazebního měřicího členu 4, teplotní senzor 25 pro měření teploty protékající kapaliny a regulační zařízení 23 pro regulaci teploty protékající kapaliny. Teplotně stabilizační zařízení 20 obsahuje zařízení pro vzduchové ofukování mechanického zpětnovazebního měřicího členu 4, teplotní senzor 25 pro měření teploty vzduchu 24 vystupujícího ze zpětnovazebního měřicího členu 4 a regulační zařízení 22 pro regulaci teploty vystupujícího vzduchu. Dvojice snímačů 5 je umístěna na nosném členu 6 spolu s elektronickou libelou 7 pro měření odchylky nosného měřicího členu 6 od horizontální polohy.

Dvojice snímačů 5 a elektronické libely 7 jsou propojeny s vyhodnocovacím elektronickým zařízením 8 výstupních signálů pro určení informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce 1 horizontálně výsuvné části 2. Nosný měřicí člen 6 je otočně uložen na nosiči 3 výsuvné části 2 a je opatřen akčním členem 9 řízeným výstupním signálem elektronické libely 7 pro udržování horizontální polohy nosného měřicího členu 6.

Informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce 1 horizontálně výsuvné části 2 jsou zpětnovazebně propojeny se zařízením JO pro vyvození vertikálního kompenzačního pohybu nosiče 3 výsuvné části 2. Zařízení W je tvořeno elektronickými obvody vyvolávajícími vertikální kompenzační pohyb nosiče 3 horizontálně výsuvné části 2 korekčním signálem přiváděným do CNC řízení pohonu posuvu nosiče 3 horizontálně výsuvné části 2 ve vertikálním směru.

Technické řešení se týká nového řešení kompenzace poklesu i vertikálního úhlového sklonu konce vodorovně výsuvných částí 2 výrobních, zejména obráběcích strojů. Jeho novost spočívá v měření a zpětnovazební kompenzaci odchylek v reálném čase a to způsobem, který je nezávislý na podstatné většině výše uvedených vlivů. Základní princip řešení výše uvedených problémů podle vynálezu je znázorněn na obrázku 2. Princip spočívá v měření poklesu a úhlového skonu předního konce I horizontálně výsuvné části 2, pomocí mechanického zpětnovazebního měřicího členu 4 spojeného s předním koncem i, který přenáší v mechanické formě informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce i k dvojici snímačů 5, umístěné společně s elektronickou libelou 7 na nosném měřicím členu 6 umístěné v prostoru nosiče výsuvné části 3.

Výstupní signály dvojice snímačů 5 a elektronické libely 7 jsou zpracovány v elektronickém zařízení 8 k určení informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce i vodorovně výsuvné části 2· Přitom informace o poklesu zpětnovazebně řídí zařízení 10 průběžné kompenzace vertikálního poklesu vyvolávající přídavný vertikální pohyb nosiče 3 a informace o úhlovém sklonu předního konce I zpětnovazebně řídí zařízení 11 průběžné kompenzace úhlového sklonu mechanického zpětnovazebního měřicího členu 4 vyvolávající přídavný úhlový sklon nosiče 3.

Po vyloučení výše popsaném vlivu proměnných faktorů váhových deformací, třecích sil, vůlí ve vedeních a tepelných deformací je možno s výhodou i použít obvody 14 paměťové korekce výrobních odchylek tvaru mechanického zpětnovazebního měřicího členu 4. Na rozdíl od známých kompenzačních zařízení u nichž je paměťová korekce aplikována v situaci, při které působí proměnné a nepředvídatelné faktory, je paměťová korekce výrobních odchylek mechanického zpětnovazebního měřicího členu 4 vysoce přesná a časově stálá neboť jeho tvar se během práce stroje tepelně ani dlouhodobě nemění.

V předchozím bylo uvedeno, že nosný měřicí člen 6, na kterém je připevněna dvojice snímačů 5 a elektronická libela 7, je umístěn v prostoru nosiče 3 horizontálně výsuvné části 2. Přitom může být zvoleno na příklad jeho otočné spojení s nosičem 3 při němž je jeho náklon vzhledem k horizontální rovině trvale eliminován akčním členem 9 řízeným signálem elektronické libely 7. V tomto uspořádání budou při přesně horizontální poloze mechanického zpětnovazebního měřicího členu 4 odchylky měřené oběma snímači 5 sobě rovny. Druhá možnost je pevné spojení nosného měřicího členu 6 s nosičem 3, při němž se úhlová odchylka měřená elektronickou libelou 7 při přesně horizontální poloze mechanického zpětnovazebního měřicího členu 4 kompenzuje urči-4CZ 17403 Ul tým rozdílem odchylek měřených jednotlivými snímači dvojice snímačů 5. Obě tato uspořádání jsou ekvivalentní pro vyhodnocení signálů o poklesu a sklonu elektronickým zařízením 8 a jsou alternativně použitelná, aniž by se vyšlo z rámce vynálezu.

Obrázek 5 ukazuje podrobněji uspořádání měřicí části zařízení podle vynálezu pro případ, že 5 nosný měřicí člen 6 je uložen otočně vzhledem k nosiči 3 výsuvné části 2.

Obrázek 6 zobrazuje podrobněji uspořádání měřicí části podle vynálezu pro případ, že nosný měřicí člen 6 je pevně spojen s nosičem 3 výsuvné části 2.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění zejména při výrobě a rekonstrukci io obráběcích strojů.

Claims (5)

1. Zařízení pro automatickou kompenzaci vertikálního poklesu a úhlového sklonu předního, vysouvaného konce (1) horizontálně výsuvné části (2) výrobního, zejména obráběcího stroje, způsobených proměnnými váhovými i teplotními deformacemi stroje včetně základu (33), vy 15 značující se tím, že v předním konci (1) horizontálně výsuvné části (2) vysouvané horizontálně z nosiče (3) výsuvné části (2) je umístěn mechanický zpětnovazební měřicí člen (4) pro přenos, v mechanické formě, informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce (1) k dvojici snímačů (5), umístěných v prostoru nosiče (3) výsuvné části (2).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že mechanický zpětnovazební

20 měřicí člen (4) je vybaven teplotně stabilizačním zařízením (20) pro zvýšení přesnosti měření redukcí nežádoucích tepelných deformací mechanického zpětnovazebního měřicího členu (4).

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že teplotně stabilizační zařízení (20) obsahuje průtočný kapalinový systém (21) s kapalinou protékající dutinami mechanického zpětnovazebního měřicího členu (4), teplotní senzor (25) pro měření teploty protékající kapaliny

25 a regulační zařízení (23) pro regulaci teploty protékající kapaliny.

4. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že teplotně stabilizační zařízení (20) obsahuje zařízení pro vzduchové ofukování mechanického zpětnovazebního měřicího členu (4), teplotní senzor (25) pro měření teploty vzduchu (24) vystupujícího ze zpětnovazebního měřicího členu (4) a regulační zařízení (22) pro regulaci teploty vystupujícího vzduchu.

30 5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dvojice snímačů (5)je umístěna na nosném členu (6) spolu s elektronickou libelou (7) pro měření odchylky nosného měřicího členu (6) od horizontální polohy.

6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dvojice snímačů (5) a elektronické libely (7) jsou propojeny s vyhodnocovacím elektronickým zařízením (8) výstupních sig35 nálů pro určení informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce (1) vodorovně výsuvné části (2).

7. Zařízení podle nároku 1, 5 nebo 6, vyznačující se tím, že nosný měřicí člen (6) je otočně uložen na nosiči (3) výsuvné části (2) a je opatřen akčním členem (9) řízeným výstupním signálem elektronické libely (7) pro udržování horizontální polohy nosného měřicího členu

40 (6).

- 5 CZ 17403 Ul

8. Zařízení podle nároku 1, 5 nebo 6, vyznačující se tím, že výstupy ze zpětnovazebního měřicího členu (4) pro přenos informace o vertikálním poklesu a úhlovém sklonu předního konce (1) horizontálně výsuvné části (2) jsou propojeny se zařízením (10) pro vyvození vertikálního kompenzačního pohybu nosiče (3) výsuvné části (2).

5 9. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že zařízení (10) je tvořeno elektronickými obvody vyvolávajícími vertikální kompenzační pohyb nosiče (3) horizontálně výsuvné části (2) korekčním signálem přiváděným do CNC řízení pohonu posuvu nosiče (3) horizontálně výsuvné části (2) ve vertikálním směru.