CZ23257U1 - Zařízení pro vyvažování vertikálních lineárních pohybových os obráběcích strojů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro vyvažování vertikálních lineárních pohybových os obráběcích strojů.

Dosavadní stav techniky

Pohony vertikálních lineárních pohybových os jsou zatíženy kromě obvyklých sil, jako je řezná síla, dynamické účinky urychlované hmoty a podobně, také tíhou skupin, které se po ose pohybují. Tato tíha vynucuje potřebu použití větších součástí pohonů. Protože tíha působí v jednom směru, jsou komponenty pohonu nestejnoměrně zatěžovány. Tyto nepříznivé vlivy je možno odstranit tzv. vyvažováním lineárních pohybových hmot. To znamená, že do silového okruhu pohybovaná hmota - pohon - rám je přidán další zdroj síly, který působí trvale proti směru gravitačního zrychlení silou blízkou tíze pohybované hmoty a tak snižuje požadavky na dimenzování komponent hlavního pohonu lineární osy. V současné době existuje několik základních typů vyvažování vertikálních lineárních pohybových os.

Jedním řešením je vyvažování pomocí protizávaží. Pohybovaná hmota vertikální lineární osy stroje je spojena pomocí ocelových lan pres kladkový mechanismus umístěný v horní části stroje s protizávažím. Hmotnost protizávaží ve většině případů odpovídá hmotnosti pohybované hmoty, popř. je tato hmota snížena v důsledku kladkového převodu. Výhodou je konstrukční jednoduchost a spolehlivost. Hlavními nevýhodami řešení je zvýšení hmotnosti celé skupiny o hmotnost protizávaží. U horizontálních frézovacích a vyvrtávacích strojů dosahuje hmotnost vyvažované skupiny a potažmo protizávaží až 40 000 kg, což podstatně zvýší celkovou hmotnost stroje. Protizávaží je většinou umístěno uvnitř stojanu pomocí kluzných elementů, které zapříčiňuje nedokonalé uložení protizávaží. V důsledku zvýšení hmotnosti stroje dojde k zhoršení dynamických vlastností horizontální pohybové osy, na které je vertikální pohybová osa postavena a k omezení maximálních zrychlení vertikální pohybové osy na hodnotu tíhového zrychlení. Dalším aspektem je i omezená životnost lan v důsledku stálého ohýbám přes vodicí kladku.

Nevýhodami uvedeného řešení je zvýšená hmotnost stroje o hmotnost protizávaží, v některých případech až o 40 000 kg. Rovněž bývá problematické uchycení protizávaží, protože se obvykle jedná o kluzné uložení s vůlí. Nevýhodou jsou rovněž horší dynamické vlastnosti stroje dané vysokou hmotností stroje. Dále se vyskytují problémy s namáháním vyvažovacího lana, dané poloměrem jeho ohybu.

Dalším řešením je vyvažování fluidním lineárním motorem. Pohybová hmota vertikální lineární osy je spojena s lineárním hydromotorem nebo pneumotorem, ve kterém vzniká vyvažovači síla tlakem média na plochu pístu. Výhodou tohoto řešení je konstrukční jednoduchost a možnost snadno řídit velikost vyvažovači síly. Hlavními nevýhodami řešení jsou velké zástavbové rozměry, především celková délka fluidního lineárního motoru a omezení zdvihu pohybové osy maximálním zdvihem motoru. Kritická hodnota zdvihu se pohybuje okolo 2,5 m, jelikož celková délka motoru je minimálně dvojnásobná, což je značné konstrukční omezení. Kompaktního řešení je možno dosáhnout použitím teleskopických fluidních lineárních motorů - válců. Teleskopické fluidní motory lze používat do zdvihu okolo 6 m, kde nastává omezení spojené i s vyvažovanou hmotou a to namáhání pístnice na vzpěr. Další nevýhodou teleskopických válců je skoková změna síly pří výsunu jednotlivých segmentů motoru, což dokáží eliminovat motory v synchronním provedení. Motory v synchronním provedení jsou značně konstrukčně náročné a tomu odpovídá i vysoká pořizovací cena.

Nevýhodami jsou velké zástavbové rozměry - jednostupňové cca do 2,5 m a teleskopické cca do 6 m. U teleskopických válců nastává problém se skokovou změnou síly při výsuvu jednotlivých částí teleskopu, toto neplatí pro synchronní teleskopické válce. Další nevýhodou je omezený zdvih, protože z konstrukčního hlediska je třeba zohlednit namáhání na vzpěr.

- 1 CZ 23257 Ul

Jako další používané řešení vyvažování se využívá sil od elektrického motoru. Jedná se především o využití elektropohonu ve spojení s kuličkovým šroubem, který v momentové vazbě minimalízuje silové účinky, tzv. nevyvanu, ve vertikálním směru. Hlavními nevýhodami řešení je zvýšená cena skupiny pohybové lineární osy, což je důsledkem instalování další pohybové dvoji5 ce, motoru a měniče. Další nevýhodou tohoto provedení je zástavbová a především i energetická náročnost. Obdobně jako u varianty s fluidním motorem se musí zohlednit namáhání kuličkového šroubu na vzpěr.

Podstatnými nevýhodami je omezený zdvih v závislosti na maximální délce kuličkového šroubu a energetická náročnost vyplývající z instalovaného příkonu a zapojení motoru vyvažování v hj momentové vazbě. Dalšími nevýhodami je velká náročnost na zástavbu do konstrukce a omezený zdvih, protože z konstrukčního hlediska je třeba zohlednit namáhání na vzpěr.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro vyvažování vertikálních lineárních pohybových os obráběcích strojů, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že je tvořeno rotační hydraulickou jednotkou s hydromotorem, připojenou k vyvažované pohybové skupině prostřednictvím pohybové dvojice pro transformaci rotačního pohybu hydromotoru na lineární pohyb vyvažované pohybové osy. Jedna část pohybové dvojice je připojena ke stojanu obráběcího stroje a druhá Část pohybové dvojice je připojena k vyvažované skupině. Hydromotor je připojen k uzavřenému hydraulicko-dusíkovému obvodu.

Jedna část pohybové dvojice je s výhodou tvořena pastorkem připojeným k rotačnímu hydromotoru hydraulické jednotky a druhá Část pohybové dvojice je tvořena ozubenou tyčí, připojenou ke stojanu obráběcího stroje.

Uzavřený hydraulicko-dusíkový obvod je s výhodou opatřen přídavným hydrogenerátorem.

Podstatou řešení je vyvození vyvažovacího kroutícího momentu rotačním hydromotorem, který je transformován do vyvažovači síly pomocí převodu pastorek-ozubená tyč. Hydromotor je součástí vyvažované pohybové skupiny. Ozubená tyč je připevněna na stojan stroje, který tvoří základ vertikální lineární pohybové osy. Hydromotor je připojen na uzavřený hydraulicko-dusíkový obvod. Uzavřený okruh znamená snížení celkové energetické náročnosti celého systému vyvažování. Ztráty hydraulického obvodu způsobené především průsakem, tj. lekáží, na hydromotoru pokrývá přídavný hydrogenerátor, který do obvodu dodává ztracený objem oleje. Přídavným hydrogenerátorem lze měnit tlak v soustavě, a tak snížit hodnotu nevývažku téměř až na nulovou hodnotu. Hlavními výhodami nového řešení je možnost realizace prakticky neomezeného zdvihu vertikální lineární pohybové osy, nízká energetická náročnost, jednoduchá a kompaktní konstrukce s nízkými náklady na komponenty, snadné řízení velikosti vyvažovači síly změnou tlaku v soustavě, vysoká bezpečnost systému zajištěná jistícím blokem v obvodu a možnost aplikace na jakýkoliv stroj.

Výhodami tohoto řešení je neomezený zdvih - uvažovaná pohybová dvojice není z konstrukčního hlediska omezena zdvihem. Další výhodou je nízká energetická náročnost, protože uzavřený hydraulický obvod pracuje s vysokou účinností, ztráty v systému jsou způsobeny pouze lekáží hydromotoru a případně dovyvažováním systému na konstantní tlak pomocí hydrogenerátoru. Celá konstrukce vyniká svou jednoduchostí. Řízení je rovněž jednoduché - provádí se pomocí tlaku v soustavě. Celý systém je bezpečný - jedná se o robustní řešení konstrukce s bezpečnostním provedením v případě výpadku elektrické energie pomocí hydraulických prvků. Další výhodou jsou malé zástavbové rozměry dané možností jejího umístění jak na novou konstrukci, tak i do stávající zástavby s mírnou modifikací konstrukce stroje. Jedná se o ekonomicky výhodné řešení, například v porovnání s fluidním motorem, pri zdvihu 5 m, vychází náklady poloviční. Navrhované řešení je možné aplikovat s mírnou modifikací na jakýkoliv stroj. V neposlední řadě je výhodou jednoduchá údržba systému, která spočívá v kontrole tlaku množství kapaliny v systému, kontrole tlakových lahví a vizuální kontrole mechanického stavu pohybové dvojice.

-2CZ 23257 Ul

Objasnění obrázků na výkresech

Zařízení pro vyvažování vertikálních lineárních pohybových os obráběcích strojů, bude podrobněji popsáno na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je hydraulické schéma zařízení, na obr. 2 je v řezu znázorněno schéma pohonu a na obr. 3 je apli5 kace vyvažování na stroji.

Příklady uskutečněni technického řešení

Příkladné zařízení pro vyvažování vertikálních lineárních pohybových os obráběcích strojů, je tvořeno hydraulickou jednotkou 31 s rotačním hydromotorem 5 připojenou k vyvažované pohybové skupině 33 prostřednictvím pohybové dvojice 6 pro transformaci rotačního pohybu hydroio motoru 5 na lineární pohyb vyvažované pohybové osy. Jedna část pohybové dvojice 6 je připojena ke stojanu 34 obráběcího stroje a druhá část pohybové dvojice 6 je připojena k uzavřenému hydraulicko-dusíkovému obvodu. Rotační hydromotor 5 je opatřen pastorkem, který je v kontaktu s ozubenou tyčí 32, připojenou ke stojanu 34 obráběcího stroje.

Na obr. 1 je schematicky zobrazeno zapojení hydraulického obvodu. Fluidní část systému se skládá z jednoho akumulátoru 1, dvou dusíkových tlakových lahví 2. Nastavení tlaku v soustavě je omezeno tlakovým ventilem 3. Bezpečnostním prvkem při výpadku elektrického proudu je jistící blok 4. Připojený hydromotor 5 napájený tlakovým olejem z fluidní části systému vytváří kroutící moment, který je transformován přes pohybovou dvojici 6 na vyvažovači sílu. Manometr 7 slouží ke kontrole tlaku v soustavě. Hydrogenerátor 8 kompenzuje hydraulické ztráty a případ20 ně vyrovnává tlak v soustavě tak, aby snížil rozdíl nevývahy mezi krajními polohami. Elektromotor 9 slouží k pohonu hydrogenerátoru 8, Tlakový spínač 10 slouží k regulaci tlaku v soustavě. Jednocestný ventil 11 odděluje vyrovnávací větev hydraulického systému. Uzavírací ventil 12 umožňuje odstavení systému od tlakových lahví 2. Odpadní nádrž F3 zachycuje hydraulický olej po průchodu hydrogenerátorem 8.

Na obr. 2 je schematicky zobrazena skupina nového hydraulického vyvažování aplikovaného na vertikální pohybovou osu horizontálního vyvrtávacího stroje. Rám 21 zařízení slouží jako interface pro připojení na vyvažovanou část vertikální osy stroje a zároveň pro připojení ostatních komponent vyvažování. Ozubené kolo 22 slouží pro přenos kroutícího momentu na pastorek, který je v kontaktu s ozubenou tyčí 32. Ozubené kolo 22 je torzně i axiálně spojeno s pomocným hřídelem 24 mechanismu. Pomocný hřídel 24 mechanismu je uložen ve skupině ložisek 23, které zachycují radiální i axiální síly od šikmého ozubení. Spojení pomocného hřídele 24 a rotačního hydromotoru 5 zabezpečuje torzní spojka 25. Hydromotor 5 je připevněn k rámu 21 zařízení, který je součástí hydraulické jednotky 31.

Na obr. 3 je zobrazen konkrétní případ připojení hydraulické jednotky 31 vyvažování na hori35 zontální vyvrtávací stroj. Nová hydraulická jednotka 31 vyvažování je připevněna na horní část vyvažované skupiny 33 v místě styku s vertikálně umístěnou ozubenou tyčí 32. Ozubená tyč 32 je připevněna v definovaném místě ke stojanu 34 stroje. Umístění ozubené tyče 32 je zvoleno v optimální poloze oproti poloze lineárním vedením. Stojan 34 je pomocí lineárních vedení spojen s ložem 35 stroje.

Pro provedení vyvažování o uvažované hmotnosti nevývažku 12 000 kg a zdvihu 5 000 mm je využito rotačního hydromotoru 5 s pohybovou dvojicí 6 transformující rotační pohyb na lineární s uvažovanou transformací pohybu v poměru 1/502 [ot/mm]. Hodnota nevývažku při použití dvou tlakových lahví 2 2 * 75 litrů, a jednoho akumulátoru 1 50 litrů o celkovém objemu 200 litrů se pohybuje ±725 kg. Při zapojení přídavného hydrogenerátoru 8 lze nevývažek snížit až téměř na nulovou hodnotu v závislosti na seřízení tlakového spínače 10.

-3CZ 23257 Ul

Průmyslová využitelnost

Pohon rotačních os podle tohoto teclmického řešení nalezne uplatnění zejména ve strojírenství pri konstrukci obráběcích strojů, robotů, manipulátorů a podobně.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   5 1. Zařízení pro vyvažování vertikálních lineárních pohybových os obráběcích strojů, vyznačující se tím, že obsahuje rotační hydraulickou jednotku (31) s hydromotorem (5) připojenou k vyvažované pohybové skupině (33) prostřednictvím pohybové dvojice (6) pro transformaci rotačního pohybu hydromotoru (5) na lineární pohyb vyvažované pohybové osy, kde první část pohybové dvojice (6) je připojena ke stojanu (34) obráběcího stroje a druhá část ío pohybové dvojice (6) je připojena k vyvažované skupině (33), přičemž hydromotor (5) je připojen k uzavřenému hydraulicko-dusíkovému obvodu.
2. 2, Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhá část pohybové dvojice (6) je tvořena pastorkem připojeným k rotačnímu hydromotoru (5) hydraulické jednotky (31) a první část pohybové dvojice (6) je tvořena ozubenou tyčí (32), připojenou ke stojanu (34) obrá15 běcího stroje.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že uzavřený hydraulickodusíkový obvod je opatřen přídavným hydrogenerátorem (8).