CZ33761U1 - Zařízení pro určení tepelné dilatace vřetene obráběcího stroje - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

Zařízení pro určení tepelné dilatace vřetene obráběcího stroje

Oblast techniky

Řešením je zařízení k určení tepelné délkové dilatace vřetene obráběcího stroje. U obráběcích strojů, kde je větší délka vřetene, jako u horizontálních vyvrtávaček, dochází vlivem tepelné délkové dilatace k nepřesnostem při obrábění. Přesné zjištění tepelné délkové dilatace vřetene je předpokladem pro následnou kompenzaci přírůstku délky vřetene.

Dosavadní stav techniky

V důsledku ohřevu vřetene obráběcího stroje, jednak odvodem části tepla vzniklého při obrábění a dále tepelnými ztrátami jednotlivých konstrukčních prvků, jakými jsou kupříkladu ložiska, dochází k délkové dilataci. Tím je ovlivněna přesnost obrábění. Zásahem lidského činitele lze kompenzovat vzniklou tepelnou délkovou dilataci, ale jedná se o zásah s nezaručeným výsledkem, protože skutečnou velikost tepelné délkové dilatace lze pouze odhadnout.

Rovněž lze využít tepelně ustáleného režimu dosaženého kupříkladu vícesměnným provozem. Dosažení teplotně ustáleného režimu se dosáhne dlouhodobým provozem. Časový úsek při náběhu studeného stroje, kdy je stroj nepřipravený pro přesnou práci, značně snižuje celkovou produktivitu výrobního procesu.

Pro přesnější určení tepelné délkové dilatace dle spisu DE 10348568 AI 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 rovněž 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. To se snaží upravit řešení ve spisu CZ 2018391 A3, kde je referenční tyč umístěna mimo osu rotace vřetene.

Je známo řešení popsané v EP 0349783, které využívá pro určení tepelné délkové dilatace vřetene sadu ekvidistantně rozmístěných rezistoru v celé délce vřetene. Pro určení tepelné délkové dilatace je využito přímé úměry mezi velikostí tepelné délkové dilatace a velikostí změny odporu rezistoru, který se lineárně mění s teplotou. Nezbytnost ekvidistantního rozložení měřicí odporové sítě neumožňuje respektovat konstrukční specifika rotorové sestavy obráběcího stroje. Uvažovaná jednoduchá přímá úměra mezi změnou odporu a tepelnou délkovou dilataci rovněž nedovoluje zpřesnit výslednou informaci o tepelné délkové 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.

Způsob určení tepelné délkové dilatace uvedený ve spisu US 2014379117 AI 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 tepelné délkové dilataci. Tento způsob určení tepelné délkové 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.

Podstata technického řešení

Pro zjištění rozložení teplot je vřeteno opatřeno alespoň jednou sadou teplotních senzorů napojených na rozhraní mezi vřetenem a statorem. Propojení přes rozhraní je provedeno

- 1 CZ 33761 U1 napájecím kabelem a komunikačním kabelem ze strany teplotních senzorů na vřetení, a napájecí sběrnicí a komunikační sběrnicí s řídicí jednotkou na statoru.

V případě poruchy některého z teplotních senzorů je možné jeho údaj o teplotě vynechat a rozložení teplotního pole v daném úseku interpolovat. Z každého teplotního senzoru lze číst informaci o teplotě separátně díky komunikačnímu kabelu. Významně se tím zvyšuje spolehlivost zařízení, neboť není závislé na striktně sériovém uspořádání teplotních senzorů.

Rozhraní může být tvořeno sestavou sběrných kroužků s kartáči. V jiném provedení je rozhraní tvořeno soustavou bezdrátového přenosu tvořenou anténami uspořádanými mezi vřetenem a statorem, neboje rozhraní tvořeno soustavou indukčního přenosu sestávající z indukčních cívek uspořádanými mezi vřetenem a statorem. Různé možnosti konfigurace přenosu komunikačního a napájecího signálu z vřetene na stator 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.

Mezi rozhraním a sadou teplotních senzorů je včleněn elektronický modul na vřetenu a mezi rozhraním a řídicím systémem je včleněn elektronický modul na statoru.

Elektronické moduly na vřetení a na statoru se využívají pro přenos elektrické energie mezi vřetenem a statorem a pro bezdrátový přenos dat. Elektronický modul na vřetení slouží pro napájení sad teplotních senzorů a zpracování údajů z jednotlivých teplotních senzorů. Data z teplotních senzorů transformuje na formát vhodný pro přenos na stator.

Elektronický modul na statoru zpracovává datový signál přenesený z rotujícího vřetene a slouží k modulaci vysílaného napájecího signálu tak, aby udržel co nej efektivnější přenos energie mezi anténami nebo indukčními cívkami. Získaná data přenáší do řídicího systému.

Objasnění výkresů

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 senzorů na vřetenu a přenos naměřených hodnot na řídicí jednotku znázorňuje obr. 3.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na vřetení 1 v drážce 11 je umístěna sada teplotních senzorů 2. Teplotní senzory 2 jsou propojeny napájecím kabelem 21 a komunikačním kabelem 22. Napájecí kabel 21 a komunikační kabel 22 jsou zapojeny do elektronického modulu 10a na vřetení L Elektronický modul 10a na vřetení 1 je propojen s anténami na vřetení Rl, jak znázorňuje obr. 1. Pokud to konstrukce stroje umožňuje, lze použít místo antén Rl indukční cívky R2. jak znázorňuje obr. 2.

Na statoru 3 jsou antény Rl propojeny napájecí sběrnicí 31 a komunikační sběrnicí 32 s elektronickým modulem 10b na statoru 3. Elektronický modul 10b na statoru 2 je propojen napájecí sběrnicí 31 a komunikační sběrnicí 32 s řídicí jednotkou 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 L

-2CZ 33761 Ul

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 R1 na vřetení Energie přenesená ze statoru 3 na vřeteno 1 přes rozhraní R pomocí antén R1 slouží k napájení elektronického modulu 10a na vřetení 1 a k dodání energie k napájení teplotních senzorů 2, které jsou umístěny v drážce 11 vřetene

Elektronický modul 10a na vřetení 1 napájí teplotní senzory 2 pomocí napájecího kabelu 21 a získává informace z jednotlivých teplotních senzoru 2 přes komunikační kabel 22. Elektronický modul 10a na vřetení 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.

Z aktivovaného teplotního senzoru 2 přečte elektronický modul 10a na vřetení 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.

Získané teploty elektronický modul 10a na vřetení 1 transformuje na modulovaný elektrický signál vhodný pro přenos přes rozhraní R z vřetene 1 na stator 3. Tento signál se přenese pomocí antén R1 Data z elektronického modulu 10a na vřetení J_jc možné přenést také jiným nezávislým datovým kanálem.

Modulovaný datový signál je přijat anténou R1 na statoru 3 a 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 10b na statoru 3 přes komunikační sběrnici 32 do řídicí jednotky 4. V řídicí jednotce 4 se na základě získaných informací určí tepelná délková dilatace s využitím modelu rozložení teplot podél vřetene. Hledaná tepelná délková dilatace vřetene se vypočítá integrací modelu rozložení teplot v celé délce vřetene dle vztahu:

Δ1 _v = J^ivra(T,l)[T(l,0)-T_r]dl kde Δ1 v je tepelná délková dilatace vřetene, l_vr je délka vřetene, T_r je referenční teplota, při které má vřeteno délku l_vr, a je koeficient teplotní roztažnosti a Τ(1,Θ) je teplota vřetene v místě l 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.

Následně je tepelná délková dilatace vřetene 1 reprezentována v řídicí jednotce 4 jako rozdíl vůči 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.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro určení délkové dilatace vřetene, vyznačující se tím, že vřeteno (1) je opatřeno alespoň jednou sadou teplotních senzorů (2) napojených na rozhraní (R) mezi vřetenem (1) a statorem (3), a to jak napájecím kabelem (21), tak komunikačním kabelem (22), kde rozhraní (R) je propojeno napájecí sběrnicí (31) a komunikační sběrnicí (32) s řídicí jednotkou (4).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozhraní (R) je tvořeno sběrnými kroužky s kartáči.
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozhraní (R) je tvořeno soustavou bezdrátového přenosu tvořenou anténami (Rl) uspořádanými mezi vřetenem (1) a statorem (3).
4. 4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozhraní (R) je tvořeno soustavou indukčního přenosu tvořenou indukčními cívkami (R2) uspořádanými mezi vřetenem (1) a statorem (3).
5. 5. Zařízení podle některého z nároků 1, 2, 3 nebo 4, vyznačující se tím, že mezi rozhraním (R) a sadou teplotních senzorů (2) je včleněn elektronický modul (10a) na vřetenu (1) a mezi rozhraním (R) a řídicím systémem (4) je včleněn elektronický modul (10b) na statoru (3).