CZ2002347A3

CZ2002347A3 - Výrobní stroj, zejména obráběcí

Info

Publication number: CZ2002347A3
Application number: CZ2002347A
Authority: CZ
Inventors: Jaromír Ing. Csc. Zelený; Pavel Doc. Ing. Drsc. Souček
Original assignee: Vcsvtt-Výzkumné Centrum Strojírenské Techniky A Te
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-01-28
Publication date: 2003-09-17

Abstract

Na nehybný základ (1)je uloženo ve vodorovné rovině X-Y posuvně i rotačně volně pohyblivé lože (20), nesoucí pracovní hlavici (19) a křížový a otočný stůl, sestávající ze středního dílu (3), stolu (7) a otočného stolu (11) a opatřený pohony posuvných i rotačních pohybů, pro vyvození pracovních pohybů nástroje vzhledem k obrobku v souřadných osách X, Y a C. Příslušný pohon každého posuvného i rotačního pohybového směruje zapojen mezi dvě protiběžně se pohybující hmoty aje opatřen akčním a reakčním členem, pro řízený vzájemný pohyb příslušné dvojice protisměrně se pohybujících hmot nezávisle na jejich poloze, kterou zaujímají vůči nehybnému základu (1).

Description

Vynález se týká nového konstrukčního řešení výrobních strojů u nichž je požadováno vyvození vysokých posuvových rychlostí a zrychlení pracovní hlavice - nástroje vzhledem k obrobku. Typickou aplikační oblastí vynálezu jsou vysokorychlostní obráběcí a jiné výrobní stroje u nichž jsou požadovány vysoké posuvové rychlosti a zrychlení posuvných i úhlových pohybů mezi nástrojem a obrobkem.

Dosavadní stav techniky

Běžně užívaná řešení výrobních strojů realizují posuvné i rotační pohyby, rychlosti a zrychlení nástroje vůči obrobku vyvozením sil mezi nepohyblivou částí stroje a pohyblivými nosnými tělesy pracovní hlavice -nástroje a obrobku. Pohon posuvu, na příklad lineární motor s přímým přenosem síly, nebo servomotor s kuličkovým šroubem nebo pastorkem zabírajícím do hřebene, se přitom opírá o nepohyblivé lože stroje a reakcí zrychlující síly rozechvívá základy.

K dosažení vysokých rychlostí a zrychlení jsou minimalizovány pohyblivé hmoty strojů a vyvíjeny nové typy pohonů posuvu, jako na příklad rotační servomotory s jedno- i vícechodými posuvovými pohony se stojícími přímé lineární motory.

šrouby s vysokým stoupáním závitu, šrouby a rotujícími maticemi nebo Používá se i vyvození protisměrného pohybu dvou hmot pomocí jediného šroubu s levým a pravým závitem. Hmotnost pohyblivých těles lze na příklad snížit

-2použitím lehkých hmot ve výrobě pohyblivých těles nebo použitím tenkostěnných svařovaných těles. Je známo i řešení seismický vyvážených výrobních strojů v jedné, případně ve dvou posuvných souřadných osách se zvýšeným využitím posuvové síly pohonů a redukcí rázů do základů.

Tato známá dílčí řešení však nepřinášejí zásadní pokrok ve využití síly pohonných motorů a eliminaci rázů do základů pro vzájemný obecný rovinný pohyb pracovní hlavice -nástroje a obrobku který zahrnuje posuvné i otočné pohyby pohyblivých strojních skupin zejména v horizontální souřadné rovině.

Předmět vynálezu

Řešení podle vynálezu přináší zvýšení dosažitelného zrychlení a eliminaci silových i momentových rázů do základu při obecném rovinném pohybu pracovní hlavice -nástroje vůči obrobku v jedné souřadné rovině. Vynález i

spočívá momentů zrychlujících posuvných sil tak, že zatímco působící zrychlující momenty urychlují posuvné ve využití reakcí jednotlivých pohonů síly a zrychlující rotující hmoty jedné části stroje v jednom směru, jejich reakce urychlují pohyblivé hmoty druhé části ve směru opačném. Popsaný efekt účinkuje při všech posuvných i otočných pohybech v jedné souřadné rovině stroje a je dosažen jeho originálním uspořádáním, kdy lože stroje je volně otočné i posuvné ve všech směrech v této souřadné rovině.

Do základu se při užití tohoto principu prakticky žádné zrychlující ani pracovní (řezné) síly a momenty nepřenášejí, neboť síly všech pohonů s výjimkou třecích sil a momentů jsou síly vnitřní.

• · • · • ·♦

-3 Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude podrobněji popsán na příkladech konkrétních provedení s pomocí přiložených výkresů. Na obr. 1 je řez konvenčním strojem se souřadnými pohyby ve osách X a Y a v otočné souřadné k souřadné rovině X-Y. Na obr.

posuvných je kolmá odpovídajícím strojem v provedení podle vynálezu.

vodorovných ose C, která je řez Obr. 3 a 4 ukazují schématické podle obr. 1 a 2 axonometrické pohledy na stroje

Příklady provedení vynálezu

Rozdílnost provedení stroje podle vynálezu proti odpovídajícímu konvenčnímu stroji s křížovým a otočným stolem vyplývá ze srovnání obr. 1 a obr. 2.

Na obr.l je schéma konvenčního výrobního stroje se svislým vřetenem, křížovým stolem se dvěma kolmými posuvnými osami X (podélně v rovině nákresny) a Y (kolmo k nákresně) a otočným stolem pro otočné pohyby na něm upnutého obrobku okolo svislé osy C. Pohon posuvu v obou posuvných osách se v tomto případě děje lineárními motory na valivých vedeních. Pohon otočného stolu se děje přímým velkoprůměrovým rotačním motorem. Ve všech třech osách však může být použit i jiný typ pohonů i vedení.

Svislé vřeteno může být doplněno naklápěcí hlavou, čímž se ze čtyřosého výrobního stroje stane stroj pětiosý aniž by se vyšlo z platnosti vynálezu.

V obr.l značí: základ 1 stroje zakotvený do podlahy, lože 2 se stojanem, spojené pevně se základem 1, střední díl 3 křížového

stolu pohyblivý kolmo k nákresně v posuvné ose Y, vedení 4 středního dílu 3 vůči loži, primární díl 5 lineárního motoru osy Y, sekundární díl 6 lineárního motoru osy Y, stůl 7 pohyblivý vodorovně v rovině nákresny v posuvné ose X, vedení 2 stolu vůči střednímu dílu 3, primární díl 9 lineárního motoru osy X, sekundární díl 10 lineárního motoru osy X, otočný stůl 11 nesoucí obrobek, rotační vedení 12 otočného stolu vůči stolu 7, primární díl 13 rotačního motoru osy C, sekundární díl 21 rotačního motoru osy C, odměřovací systém 15 polohy pro pohon v ose Y, odměřovací systém 16 polohy pro pohon v ose X, odměřovací systém 17 natočení pro pohon v ose C, obrobek 18 a svislé vřeteno 19 s nástrojem nebo jinou pracovní hlavicí.

Z hlediska posuvné pohyblivosti ve vodorovném směru se stroj dá rozdělit na tři skupiny těles:

1) Skupina těles MX, zahrnující tělesa 7, 10, 11, 22/ 14 a 18, která má celkovou hmotnost m_x a je pohyblivá jako celek v ose X .

2) Skupina těles	MY,	zahrnující tělesa 3,	5	a 9,	která má
celkovou hmotnost m_Y	a spolu se skupinou MX	je	pohyblivá jako
celek v ose Y.
3) Skupina těles	M0,	zahrnující tělesa 2,	6	a 2%	která má
celkovou hmotnost m₀	a je	nepohyblivá s možnou	výj imkou	svislého

pohybu svislého vřetena 19.

Motory v obou souřadných osách X,Y vyvozují síly F_X,F_Y a dosažitelná vzájemná zrychlení pracovní hlavice vůči obrobku jsou v obou souřadných osách X,Y tato:

m_x + m_Y • · · · to · to · · toto • · · · · toto· · ·· · • ·· · · · ·· ·

-5Reakční síla k síle F_Y je přenesena přes lože 2 do základu 2/ který má nekonečnou hmotnost. Reakční síla k síle F_x působí přes těleso 3 kolmo k vedení 4, je jím zachycena a přenesena přes lože 2 opět do základu 2· Obě reakční síly se tedy na užitečném urychlování pohybu nástroje vůči obrobku neprojeví a jsou přivedeny do základu 2 přes lože 2, čímž vzniká jeho rozkmitávání, které poškozuje regulaci polohy motorů, přesnost stroje a ruší okolí.

Z hlediska rotační pohyblivosti se stroj dá rozdělit na dvě skupiny těles:

1) Skupina těles MCI, zahrnující tělesa 11, 13 a 22' která má hmotový moment setrvačnosti J_C1 k souřadné ose rotačního pohybu C v rovině X,Y a je jako celek v ose C otočně pohyblivá.

2) Skupina všech zbývajících těles MC2, která zahrnuje tělesa 2, 3, 5, 6,_7, 9, 22' 14 a 22' která má hmotový moment setrvačnosti J_C2 v otočné ose C a je v ose C otočně nepohyblivá.

Rotační motor v souřadné ose C vyvozuje svojí silou F_c na příslušném rameni R kroutící moment M = F_CR a dosažitelné úhlové zrychlení otočného stolu s obrobkem vůči pracovní hlavici je:

M ^Gc ~ J

Reakční moment k momentu M se opět přenáší postupně přes příslušná tělesa do základu 2' kde způsobuje škodlivé chvění a na užitečném urychlování hmot se neprojeví.

* ·· ·· ♦ φ · φ · · · • · · · • · ·

-6Na obr. 2 je příklad analogického výrobního stroje v provedení podle vynálezu. Většina vztahových značek je obdobná s konvenčním strojem podle obr. 1.

V obr. 2 tedy opět značí: základ jL stroje zakotvený do podlahy střední díl 3 křížového stolu pohyblivý kolmo k nákresně v posuvné ose Y, vedení 4 středního dílu vůči loži, primární díl _5 lineárního motoru osy Y, sekundární díl 6 lineárního motoru osy Y, stůl 7 pohyblivý vodorovně v rovině nákresny v posuvné ose X, vedení 8_ stolu vůči střednímu dílu 3, primární díl 9_lineárního motoru osy X, sekundární díl 10 lineárního motoru osy X, otočný stůl 11 nesoucí obrobek, rotační vedení 12 otočného stolu vůči stolu 7, primární díl 13 rotačního motoru osy C, sekundární díl 14 rotačního motoru osy C, odměřovací systém 15 polohy pro pohon v ose Y, odměřovací systém 16 polohy pro pohon v ose X, odměřovací systém 17 natočení pro pohon v ose C, obrobek 18 a svislé vřeteno 19 s nástrojem nebo jinou pracovní hlavicí.

Nově je označeno lože 20 se stojanem, volně posuvné i otočné na základu 1. a přídavné uložení 21, umožňující volný posuvný i rotační pohyb lože 20 po základu 1 ve vodorovné rovině. Zásadní změna podle vynálezu spočívá proti obr.l právě v přidání tohoto přídavného uložení 21, umožňujícího volně plovoucí obecný rovinný pohyb lože 20 a tím i celého stroje ve vodorovné rovině. Tuto funkci mohou na příklad splňovat plošné valivé, hydrostatické nebo pneumostatické opěry, uspořádané na spodní ploše lože, které nesou váhu celého stroje na hladké rovině základu _1 . V obrázcích 2 a 4 je přídavné uložení 21 znázorněno ve formě hydrostatických opěr.

Na obrázcích 3 a 4 jsou ukázány schématické axonometrické pohledy strojů podle obr. 1 a 2. V obrázku 4 je nově • · · · · · · ·· · * • · · · 9 · 9 · · » · ·

99 9 · 9 · 9 · »·9· ·· ·· ··· ·· ····

-7označeno kompenzační zařízení 22 pro kompenzaci posuvných i úhlových pohybů lože 20 na základu 1.

Reakční síly k silám motorů F_X,F_Y jsou nyní využity i pro urychlování skupiny těles MO, která zahrnuje tělesa 2, 6 a 19. Dosažitelná vzájemná posuvná zrychlení pracovní hlavice nástroje vůči obrobku se nyní v obou souřadných osách X,Y zvětšila na tyto hodnoty:

m_x m₀ + m_Y m_x + m_Y m₀

Podobně i reakční moment k momentu M je nyní využit i pro úhlové urychlování skupiny těles MC2 a dosažitelné vzájemné úhlové zrychlení pracovní hlavice (nástroje) vůči obrobku v ose C j e nyní:

Μ M a_r =--h^c J J

Ύ ^d c.i

Do základu 1. se při použití tohoto principu nepřenášejí žádné reakce zrychlujících ani řezných sil nebo momentů, neboť síly i momenty pohonů posuvů jsou nyní vnitřními silami vícehmotové soustavy stroje. To mimo jiné zároveň znamená, že těžiště celé soustavy těles nebude měnit svoji polohu a hybnost celé soustavy hmotných těles stroje bude stále nulová. Při pohybu v každé ose se tedy příslušné skupiny těles pohybují působením pohonů protisměrně takto:

- v ose X se posouvají spolu skupiny MY a MO proti skupině

MX • ·

-8- v ose Y se posouvají spolu skupiny MX a MY proti skupině MO

- v ose C se otáčí skupina MCI proti skupině MC2.

Nahodilé změny třecích sil, síly od přívodů energií nebo změna v rozložení hmot při obrábění způsobí nepodstatné posuvné pohyby těžiště stroje v rovině X-Y a rovněž nepodstatné natáčení stroje v rovině X-Y okolo jeho těžiště. Tyto nepodstatné a pomalé posuvné a rotační pohyby stroje na kluzné vodorovné rovině základu 2 mohou být jednoduše kompenzovány slabým vnějším silovým zásahem pomocí kompenzačního zařízení 22, znázorněného na obr. 4 v případě, že by stroji hrozilo opuštění vymezeného prostoru na kluzné rovině základu 2· Jako kompenzační zařízení 22 lze například použít soustavu slabých pružin, permanentních magnetů, elektrických, pneumatických nebo hydraulických motorů, jejichž silové působení mezi ložem 20 a základem 2 bude trvalé nebo bude aktivováno jen ve vhodně zvolené době.

Řízení polohy pohonů v souřadných osách X,Y,C využívá zpětnovazební signály od snímačů, které odměřují vzájemnou polohu u každé ze všech tří dvojic protisměrně se pohybujících skupin těles:

- v ose Y je odměřovací systém 15 umístěn mezi tělesem 2 a tělesem 3,

- v ose X je odměřovací systém 16 umístěn mezi tělesem 3 a tělesem 7 a

- v ose C je odměřovací systém 17 umístěn mezi tělesem Ί_ a tělesem 11.

W 2ooZ - _v

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Výrobní stroj, zejména obráběcí, u něhož vzniká výrobek vzájemným pohybem pracovní hlavice-nástroje vůči obrobku, vyznačující se tím, že na nehybný základ (1) je uloženo ve vodorovné rovině X - Y posuvně i rotačně volně pohyblivé lože (20), nesoucí pracovní hlavici (19) a křížový a otočný stůl sestávající ze středního dílu (3), stolu (7) a otočného stolu (11), opatřený pohony posuvných i rotačních pohybů pro vyvození pracovních pohybů nástroje vzhledem k obrobku v souřadných osách X, Y a C přičemž příslušný pohon každého posuvného i rotačního pohybového směru je zapojen mezi dvě protiběžně se pohybující hmoty a je opatřen akčním a reakčním členem pro řízení vzájemný pohyb příslušné dvojice protisměrně se pohybujících hmot nezávisle na jejich poloze kterou zaujímají vůči nehybnému základu (1).
2. Výrobní stroj podle nároku 1 vyznačující se tím, že mezi jeho nehybný základ (1) a na rovině základu volně posuvně i rotačně pohyblivé lože (20) je mechanicky napojeno kompenzační zařízení (22) pro silové působení na posuvnou i rotační polohu lože v rovině X-Y a pro omezení jeho posuvných a rotačních pohybů na vymezený pracovní prostor na základu (1).