CZ2019793A3

CZ2019793A3 - Method of determining the thermal longitudinal expansion of a machine tool spindle and device for carrying it

Info

Publication number: CZ2019793A3
Application number: CZ2019793A
Authority: CZ
Inventors: Zdeněk PEROUTKA; Zdeněk prof. Ing. Peroutka; Tomáš Glasberger; Tomáš doc. Ing. Glasberger; Václav Šmídl; Václav doc. Ing. Šmídl; Pavel Turjanica; Pavel Ing. Turjanica; Vladimír Kindl; Vladimír doc. Ing. Kindl; Václav Kotlan; Václav doc. Ing. Kotlan; Lukáš Pušman; Lukáš Ing. Pušman; Tomáš Kavalír; Tomáš Ing. Kavalír
Original assignee: Západočeská Univerzita V Plzni
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-30
Also published as: CZ308840B6

Abstract

Zařízení pro určení teplotní délkové dilatace vřetene obráběcího stroje obsahuje alespoň jednu sadu teplotních senzoru (2) umístitelných na měřeném vřetení (1) pro následný výpočet jeho délkové dilatace integrací modelu rozložení teplot přes celou délku vřetene (1). Senzory (2) jsou napájecím kabelem (21) a komunikačním kabelem (22) napojeny na rozhraní (R), které je umístěné mezi vřetenem (1) a statorem (3) obráběcího stroje a které je napájecí sběrnicí (31) a komunikační sběrnicí (32) propojeno s řídicí jednotkou (4). Mezi rozhraním (R) a sadou teplotních senzorů (2) je včleněn elektronický modul (10a) pro postupný výběr jednotlivých teplotních senzorů na vřetení (1) a mezi rozhraním (R) a řídicím systémem (16) je včleněn elektronický modul (10b) na statoru (3) pro demodulaci datového signálu.The device for determining the temperature length expansion of a machine tool spindle comprises at least one set of temperature sensors (2) placed on the measured spindle (1) for subsequent calculation of its length expansion by integrating a temperature distribution model over the entire spindle length (1). The sensors (2) are connected by a power cable (21) and a communication cable (22) to the interface (R), which is located between the spindle (1) and the stator (3) of the machine tool and which is the power bus (31) and the communication bus ( 32) connected to the control unit (4). An electronic module (10a) is inserted between the interface (R) and the set of temperature sensors (2) for sequential selection of individual temperature sensors on the spindle (1) and between the interface (R) and the control system (16) an electronic module (10b) is inserted. stator (3) for demodulating the data signal.

Description

V důsledku ohřevu vřetene obráběcího stroje, jednak odvodem části tepla vzniklého při obrábění a dále tepelnými ztrátami jednotlivých konstrukčních prvků, kde vzniká tření, jakými jsou kupříkladu ložiska, dochází k délkové dilataci. Tím je ovlivněna přesnost obrábění. Zásahem lidského činitele lze kompenzovat vzniklou dilataci, ale jedná se o zásah s nezaručeným výsledkem, protože skutečnou velikost dilatace lze pouze odhadnout.Due to the heating of the spindle of the machine tool, on the one hand by the removal of part of the heat generated during machining and on the other hand by heat losses of individual structural elements, where friction occurs, such as bearings, longitudinal expansion occurs. This affects the machining accuracy. The intervention of a human factor can compensate for the resulting dilatation, but it is an intervention with an unguaranteed result, because the actual size of the dilatation can only be estimated.

Rovněž lze využít tepelně ustáleného režimu dosaženého kupříkladu vícesměnným provozem. Dosažení tepelně ustáleného režimu se dosáhne dlouhodobým provozem. Časový úsek při náběhu studeného stroje, kdy je stroj nepřipravený pro přesnou práci, snižuje celkovou produktivitu výrobního procesu.It is also possible to use a thermally stable mode achieved, for example, by multi-shift operation. Achieving a thermally stable mode is achieved by long-term operation. The time period during the start-up of a cold machine, when the machine is not ready for precise work, reduces the overall productivity of the production process.

Pro přesnější určení teplotní dilatace dle spisu DE 10348568 nebo CN 107009189 se využívá referenční tyč s výrazně odlišnou tepelnou roztažností oproti materiálu měřeného konstrukčního prvku. V případě rotujícího vřetene lze obtížně obě součásti porovnávat, protože i referenční tyč by musela být umístěna v rotující části stroje. Proto nelze pro zjištění výsledné dilatace vřetene takové řešení použít. Toto řešení rovněž neumožňuje využít mechanismus automatického upínání nástrojů ve středu vřetene.For a more accurate determination of the thermal expansion according to DE 10348568 or CN 107009189, a reference rod with a significantly different thermal expansion compared to the material of the measured component is used. In the case of a rotating spindle, it is difficult to compare the two components, because the reference rod would also have to be located in the rotating part of the machine. Therefore, such a solution cannot be used to determine the resulting spindle expansion. This solution also does not allow the use of an automatic tool clamping mechanism in the center of the spindle.

Je známo řešení popsané v EP 0349783, které využívá pro určení dilatace vřetene sadu ekvidistantně rozmístěných rezistorů v celé délce vřetene. Pro určení dilatace je využito přímé úměry mezi velikostí dilatace a velikosti změny odporu rezistorů, který se lineárně mění s teplotou. Nezbytnost ekvidistantního rozložení měřicí odporové sítě neumožňuje respektovat konstrukční specifika rotorové sestavy obráběcího stroje. Například v místech významných zdrojů tepla je vhodné umístit rezistory s vyšší hustotou, neboť při ekvalentním rozložení rezistorů nezanedbatelně roste chyba odhadu dilatace vřetene. Uvažovaná jednoduchá přímá úměra mezi změnou odporu a dilataci rovněž nedovoluje zpřesnit výslednou informaci o dilataci na základě dalších informací, například s ohledem na konkrétní konstrukci vřetene. Sériové spojení rezistorové sítě činí navržené řešení náchylné k poruše. Porucha kteréhokoli snímacího odporu nebo jeho spojení způsobí nefúnkčnost celého zařízení.The solution described in EP 0349783 is known, which uses a set of equidistantly spaced resistors along the entire length of the spindle to determine the spindle dilation. To determine the dilatation, direct ratios are used between the magnitude of the dilatation and the magnitude of the change in resistance of the resistors, which varies linearly with temperature. The need for an equidistant distribution of the measuring resistance network does not allow to respect the design specifics of the rotor assembly of the machine tool. For example, in places of significant heat sources, it is suitable to place resistors with a higher density, because with an equalizer distribution of resistors, the error of spindle dilatation estimation increases significantly. The considered simple direct relationship between the change in resistance and the expansion also does not allow to refine the resulting expansion information on the basis of other information, for example with regard to the specific design of the spindle. The series connection of the resistor network makes the proposed solution prone to failure. Failure of any sensing resistor or its connection will cause the entire device to fail.

Způsob určení teplotní dilatace uvedený ve spisu US 2014379117 využívá sledování zatížení hlavního pohonu stroje s vřetenem. V okamžiku zvýšení zátěže je zřejmé, že nástroj se dotkl obrobku. Rozdíl časů na začátku obrábění a v definovaném okamžiku je při znalosti rychlosti posuvu vřetene úměrný jeho délkové dilataci. Tento způsob určení dilatace je nepřímý a je velmi závislý na konstantní a známé rychlosti posuvu vřetene. Tento způsob není možné využít u technologie, kde se očekává kontinuální obrábění trvající dlouhou dobu bez oddalování a přibližování nástroje k obrobku.The method for determining thermal expansion disclosed in US 2014379117 uses load monitoring of the main drive of a machine with a spindle. When the load increases, it is clear that the tool has touched the workpiece. The difference between the times at the beginning of machining and at a defined moment, in knowledge of the feed rate of the spindle, is proportional to its longitudinal expansion. This method of determining dilatation is indirect and is highly dependent on a constant and known spindle feed rate. This method cannot be used in technology where continuous machining lasting a long time is expected without moving the tool closer and closer to the workpiece.

Řešení popisované ve spisu WO 03039810 je možné využít pouze u strojů s krátkým a zvenčí přístupným vřetenem tak, aby na něj mohl být namířeny zvenku umístěné bezkontaktní senzory. Tento princip nelze využít u stroje, kde se vřeteno libovolně zasouvá nebo vysouvá z pinoly v závislosti na technologickém postupu obrábění. Instalace bezkontaktních senzorů teploty nemusíThe solution described in WO 03039810 can only be used on machines with a short and externally accessible spindle so that contactless sensors located on the outside can be aimed at it. This principle cannot be used on machines where the spindle is arbitrarily inserted or removed from the quill, depending on the machining process. Installation of contactless temperature sensors does not have to

CZ 2019 - 793 A3 umožňovat ani velikost zástavbového prostoru ve stroji. Poloha vřetene a ložisek je ve spisu WO 03039810 předpokládána v jednom místě vůči jeho posuvnému zařízení, není tedy možné ho využít v případě, kdy se vřeteno libovolně posunuje a ložiska, a tedy i významný zdroj tepla, může mít vůči vřetenu libovolnou relativní polohu. Dále se v tomto patentu vyžaduje speciální úprava povrchu vřetene kvůli správnému vyhodnocení vyzařovaného tepelného záření. Znemožňuje to tak využití v technologiích, kde dochází k znečištění povrchu vřetene vlastním obráběním.CZ 2019 - 793 A3 also allow the size of the installation space in the machine. The position of the spindle and bearings is assumed in WO 03039810 in one place relative to its sliding device, so it cannot be used when the spindle moves arbitrarily and the bearings, and thus a significant heat source, can have any relative position relative to the spindle. Furthermore, this patent requires a special treatment of the spindle surface in order to correctly evaluate the radiated thermal radiation. This makes it impossible to use it in technologies where the surface of the spindle is contaminated by its own machining.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Pro zjištění rozložení teplot je vřeteno opatřeno alespoň jednou sadou teplotních senzoru napojených na rozhraní mezi vřetenem a statorem. Rozložení teplotních senzorů podél vřetene nemusí být provedeno ekvidistančně, ale může respektovat konstrukční specifika vřetene. Propojení přes rozhraní je provedeno jak napájecím kabelem, tak komunikačním kabelem ze strany teplotních senzorů na vřetení, tak napájecí sběrnicí a komunikační sběrnicí s řídicí jednotkou na statoru. V případě poruchy některého ze senzorů je možné jeho údaj o teplotě vynechat a rozložení teplotního pole v daném úseku interpolovat. Z každého senzoru lze číst informaci o teplotě separátně díky komunikační sběrnici. Významně se tím zvyšuje spolehlivost zařízení, neboť není závislé na striktně sériovém uspořádání senzoru.To determine the temperature distribution, the spindle is provided with at least one set of temperature sensors connected to the interface between the spindle and the stator. The distribution of temperature sensors along the spindle does not have to be done equidistantly, but can respect the design specifics of the spindle. The connection via the interface is made both by the power cable and the communication cable from the temperature sensors on the spindle, as well as by the power bus and the communication bus with the control unit on the stator. In the event of a failure of one of the sensors, it is possible to omit its temperature data and interpolate the distribution of the temperature field in the given section. Temperature information can be read separately from each sensor thanks to the communication bus. This significantly increases the reliability of the device, as it does not depend on a strictly series arrangement of the sensor.

Rozhraní může být tvořeno sestavou sběrných kroužků s kartáči.The interface may be formed by an assembly of slip rings with brushes.

V jiném provedení je rozhraní tvořeno soustavou indukčního přenosu tvořenou anténami uspořádanými mezi vřetenem a statorem nebo je rozhraní tvořeno soustavou indukčního přenosu sestávající z indukčních cívek uspořádanými mezi vřetenem a statorem. Různé možnosti konfigurace přenosu komunikačního a napájecího signálu ze statoru na rotor a zpět umožňují přizpůsobit se konstrukčnímu uspořádání stroje. Mechanický přenos je levnější variantou, ale nejméně spolehlivou, a vyžaduje průběžnou údržbu. Indukční princip je vhodný pro pomaloběžné stroje, kde konstrukce stroje umožňuje umístit protilehlé indukční cívky. Bezdrátový princip přenosu dat a energie s anténami je výhodný u strojů s vysokými otáčkami, malým zástavbovým prostorem a požadavkem na rychlý přenos dat.In another embodiment, the interface is an inductive transmission system formed by antennas arranged between the spindle and the stator, or the interface is formed by an inductive transmission system consisting of induction coils arranged between the spindle and the stator. Various configuration options for the transmission of the communication and supply signal from the stator to the rotor and back make it possible to adapt to the design of the machine. Mechanical transmission is a cheaper option, but the least reliable, and requires ongoing maintenance. The induction principle is suitable for slow-running machines, where the construction of the machine allows the placement of opposite induction coils. The wireless principle of data and energy transmission with antennas is advantageous for machines with high speeds, small installation space and the requirement for fast data transmission.

Mezi rozhraním a sadou teplotních senzorů je včleněn elektronický modul na vřetenu a mezi rozhraním a řídicím systémem je včleněn elektronický modul na statoru.An electronic module on the spindle is integrated between the interface and the set of temperature sensors, and an electronic module on the stator is integrated between the interface and the control system.

Elektronický modul na vřetenu se využívá pro příjem elektrické energie a napájení sad senzorů a zpracování údajů z jednotlivých senzorů. Data ze senzorů transformuje na formát vhodný pro přenos na statorovou část. Data mohou být získána z každého teplotního senzoru zvlášť. Elektronický modul na statoru zpracovává datový signál přenesený z vřetene. Získaná data přenáší do řídicího systému. Zároveň zajišťuje transformaci napájecího signálu pro přenos elektrické energie na vřeteno.The electronic module on the spindle is used to receive electricity and power sensor sets and process data from individual sensors. It transforms the data from the sensors into a format suitable for transmission to the stator part. Data can be obtained from each temperature sensor separately. The electronic module on the stator processes the data signal transmitted from the spindle. It transmits the acquired data to the control system. At the same time, it ensures the transformation of the supply signal for the transmission of electrical energy to the spindle.

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Příkladné provedení rozložení teplotních senzorů na vřetenu a přenos naměřených hodnot z vřetene na stator znázorňuje detailní řez vřetene a statoru na obr. 1 a obr. 2. Schematické zapojení teplotních senzoru na vřetenu a přenos naměřených hodnot na řídicí jednotku znázorňuje obr. 3.An exemplary embodiment of the layout of the temperature sensors on the spindle and the transmission of the measured values from the spindle to the stator is shown in detail in the section of the spindle and stator in Fig. 1 and Fig. 2.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention

Na vřetenu 1 v drážce lije umístěna sada teplotních senzorů 2, které jsou propojeny napájecím kabelem 21 a komunikačním kabelem 22. Napájecí kabel 21 a komunikační kabel 22 jsou zapojeny do elektronického modulu 10a na vřetenu 1. Elektronický modul 10a na vřetenu 1 je propojen sA set of temperature sensors 2 is located on the spindle 1 in the groove 11, which are connected by a power cable 21 and a communication cable 22. The power cable 21 and the communication cable 22 are connected to the electronic module 10a on the spindle 1. The electronic module 10a on the spindle 1 is connected to

CZ 2019 - 793 A3 anténami RI na vřetenu 1, jak znázorňuje obr. 1. Pokud to konstrukce stroje umožňuje, lze použít místo antén Rl indukční cívky R2, jak znázorňuje obr. 2.CZ 2019 - 793 A3 by the antennas R1 on the spindle 1, as shown in Fig. 1. If the construction of the machine allows it, it is possible to use instead of the antennas R1 the induction coil R2, as shown in Fig. 2.

Na statoru 3 jsou antény R1 propojeny napájecí sběrnicí 31 a komunikační sběrnicí 32 s elektronickým modulem 10b na statoru 3. Elektronický modul 10b na statoru 3 je propojen napájecí sběrnicí 31 a komunikační sběrnicí 32 s řídicí jednotkou 4.On the stator 3, the antennas R1 are connected by a power bus 31 and a communication bus 32 to the electronic module 10b on the stator 3. The electronic module 10b on the stator 3 is connected by a power bus 31 and a communication bus 32 to the control unit 4.

Řídicí jednotka 4 napájí pomocí napájecí sběrnice 31 elektronický modul 10b na statoru 3 a zároveň přes napájecí sběrnici 31 dodává elektronickému modulu 10b na statoru 3 elektrickou energii určenou k bezdrátovému přenosu přes rozhraní R na vřeteno 1.The control unit 4 supplies the electronic module 10b on the stator 3 via the supply bus 31 and at the same time supplies via the supply bus 31 to the electronic module 10b on the stator 3 electrical energy intended for wireless transmission via the interface R to the spindle 1.

Elektronický modul 10b na statoru 3 upravuje elektrickou energii z řídicí jednotky 4 na napájecí signál vhodný pro přenos pomocí antény R1 přes rozhraní R. Energie je přenesena přes rozhraní R pomocí antény R1 na statoru 3 a přijata anténou Rl na vřetenu 1. Energie přenesená ze statoru 3 na vřeteno 1 přes rozhraní R pomocí antén Rl slouží k napájení elektronického modulu Wa na vřetenu lak dodání energie k napájení teplotních senzorů 2, které jsou umístěny v drážce 11 vřetene 1.The electronic module 10b on the stator 3 converts the electrical energy from the control unit 4 to a supply signal suitable for transmission via antenna R1 via interface R. The energy is transmitted via interface R via antenna R1 on stator 3 and received by antenna R1 on spindle 1. Energy transmitted from stator 3 to the spindle 1 via the interface R by means of the antennas R1 serves to supply the electronic module Wa on the spindle and a power supply to supply the temperature sensors 2, which are located in the groove 11 of the spindle 1.

Elektronický modul 10a na vřetenu 1 přijímá elektrickou energii přenesenou přes rozhraní R pomocí antén RI a R2, použije ji na napájení sebe sama a transformuje ji na napájení teplotních senzorů 2 pomocí napájecího kabelu 21. Elektronický modul 10a dále získává informace z jednotlivých teplotních senzorů 2 přes komunikační kabel 22. Elektronický modul 10a na vřetenu 1 také zajišťuje postupný výběr každého teplotního senzoru 2 tím, že nastavuje na komunikačním kabelu 22 unikátní binární kódy, které postupně aktivují každý z teplotních senzorů 2.The electronic module 10a on the spindle 1 receives the electrical energy transmitted via the interface R by means of the antennas R1 and R2, uses it to supply itself and transforms it to supply the temperature sensors 2 via the power cable 21. The electronic module 10a further obtains information from the individual temperature sensors 2 via communication cable 22. The electronic module 10a on the spindle 1 also ensures the sequential selection of each temperature sensor 2 by setting unique binary codes on the communication cable 22, which in turn activate each of the temperature sensors 2.

Z aktivovaného teplotního senzoru 2 přečte elektronický modul 10a na vřetenu 1 aktuální teplotu vřetene 1 v místě vybraného aktivovaného teplotního senzoru 2 přes komunikační kabel 22. Elektronický modul 10a postupným výběrem jednotlivých teplotních senzorů 2 získá teploty po celé délce vřetene 1.From the activated temperature sensor 2, the electronic module 10a on the spindle 1 reads the current temperature of the spindle 1 at the selected activated temperature sensor 2 via the communication cable 22. The electronic module 10a obtains temperatures along the entire length of the spindle 1 by successively selecting individual temperature sensors 2.

Získané teploty elektronický modul 10a na vřetenu 1 transformuje na modulovaný elektrický signál vhodný pro přenos přes rozhraní R z vřetene 1 na stator 3. Tento signál se přenese pomocí antén Rl. Data z elektronického modulu 10a na vřetenu 1 je možné přenést také jiným nezávislým datovým kanálem.The obtained temperatures are transformed by the electronic module 10a on the spindle 1 into a modulated electrical signal suitable for transmission via the interface R from the spindle 1 to the stator 3. This signal is transmitted by means of the antennas R1. Data from the electronic module 10a on the spindle 1 can also be transmitted via another independent data channel.

Modulovaný datový signál je přijat anténou Rl na statoru 3 pomocí elektronického modulu 10b na statoru 3, je demodulován a upraven na formát komunikačního protokolu, který je vhodný pro přenos dat po komunikační sběrnici 32 do řídicí jednotky 4. Takto upravený signál je odeslán elektronickým modulem 10a na statoru 3 přes komunikační sběrnici 32 do řídicí jednotky 4. V řídicí jednotce 4 se na základě získaných informací určí teplotní délková dilatace s využitím modelu rozložení teplot podél vřetene E Hledaná teplotní délková dilatace vřetene 1 se vypočítá integrací modelu rozložení teplot v celkové délce vřetene 1 dle vztahuThe modulated data signal is received by the antenna R1 on the stator 3 by means of the electronic module 10b on the stator 3, is demodulated and adapted to a communication protocol format suitable for data transmission over the communication bus 32 to the control unit 4. The thus modified signal is sent by the electronic module 10a. on the stator 3 via the communication bus 32 to the control unit 4. Based on the obtained information, the temperature longitudinal expansion is determined in the control unit 4 using the temperature distribution model along the spindle E. The required temperature length expansion of the spindle 1 is calculated by integrating the temperature distribution model in the total spindle length 1. according to the relationship

- ^ΜΤ4)[Τ(Ιθ) -- TM kde zliv je teplotní délková dilatace vřetene, l_vr je délka vřetene, T_r je referenční teplota, při které má vřeteno 1 délku 1_νΓ, a je koeficient teplotní roztažnosti a Τ(1,Θ) je teplota vřetene 1 v místě 1 při uvažování modelu rozložení teplot s parametry Θ, přičemž model rozložení teplot může být realizován po částech polynomiální funkcí. Alternativně může být model rozložení teplot realizován funkcí tvořenou stochastickým procesem nebo numerickým modelem řešeným metodou konečných prvků.- ^ ΜΤ4) [Τ (Ιθ) - TM where the effect is the thermal length expansion of the spindle, l _vr is the length of the spindle, T _r is the reference temperature at which spindle 1 has a length of 1 _νΓ , and is the coefficient of thermal expansion and Τ (1 , Θ) is the temperature of spindle 1 at location 1 when considering the temperature distribution model with parameters Θ, whereby the temperature distribution model can be realized in parts by a polynomial function. Alternatively, the temperature distribution model can be realized by a function formed by a stochastic process or a numerical model solved by the finite element method.

Následně je teplotní délková dilatace vřetene 1 reprezentována v řídicí jednotce 4 jako rozdíl vůčiSubsequently, the thermal length expansion of the spindle 1 is represented in the control unit 4 as a difference from

CZ 2019 - 793 A3 referenčnímu souřadnému systému při začátku obrábění. Pomocí tohoto rozdílu je vykompenzována odchylka odměřovacího systému stroje v příslušné ose obrábění, a to automaticky nebo obsluhou stroje. Odchylka je kompenzována průběžně během provozu obráběcího stroje.CZ 2019 - 793 A3 to the reference coordinate system at the start of machining. By means of this difference, the deviation of the measuring system of the machine in the respective machining axis is compensated, either automatically or by the machine operator. The deviation is compensated continuously during operation of the machine tool.

Claims

Device for determining the temperature longitudinal expansion of a machine tool spindle, characterized in that it comprises at least one set of temperature sensors (2) arranged on the measured spindle (1) for subsequent calculation of its longitudinal expansion by integrating a temperature distribution model over the entire spindle length (1) , wherein the sensors (2) are connected by a power cable (21) and a communication cable (22) to the interface (R), which is located between the spindle (1) and the stator (3) of the machine tool and which is the power bus (31) and the communication a bus (32) connected to the control unit (4), an electronic module (10a) being integrated between the interface (R) and the set of temperature sensors (2) for sequential selection of individual temperature sensors on the spindle (1) and between the interface (R) and the control system (16) incorporates an electronic module (10b) on the stator (3) for demodulating the data signal.

Device according to Claim 1, characterized in that the interface (R) is formed by slip rings with brushes.

Device according to claim 1, characterized in that the interface (R) is formed by an inductive transmission system formed by antennas (R1) arranged between the spindle (1) and the stator (3).

Device according to claim 1, characterized in that the interface (R) is formed by an inductive transmission system formed by induction coils (R2) arranged between the spindle (1) and the stator (3).