RU2116165C1

RU2116165C1 - Spindle assembly of metal-cutting machine tool

Info

Publication number: RU2116165C1
Application number: RU96120818/02A
Authority: RU
Inventors: В.М. Терехов; В.П. Полев; Л.К. Ребров
Original assignee: Акционерное общество "Подольский машиностроительный завод"
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 1998-07-27

Abstract

FIELD: automatically controlled metal-cutting machine tools. SUBSTANCE: auxiliary bush 6 with flange 10 is secured on front end surface of body 1 so that cantilever is formed relative to body 1. Sensors of measuring the axial component of cutting force are positioned on external surface of cantilever part of auxiliary bush 6. Wall of body 1 at plate of installation of spindle support is provided with variable-section boss 14, hole of which receives auxiliary bush 6. Boss hole intended for arrangement of sensors 11 has circular groove 15 with diametric holes 16 for connection of sensors 11 to adaptive control system. Construction is simplified due to arrangement of sensors on auxiliary bush cantilever which also allows use of standard measuring transducers. EFFECT: higher efficiency of construction. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к обработке металлов резанием, и может быть использовано преимущественно в автоматизированных металлорежущих станках с адаптивным управлением - сверлильных, расточных, фрезерных, токарных и т. п. с вращающимся инструментом или обрабатываемым изделием. The invention relates to mechanical engineering, in particular to the processing of metals by cutting, and can be used mainly in automated metal-cutting machines with adaptive control - drilling, boring, milling, turning, etc. with a rotating tool or a workpiece.

Шпиндельные узлы металлорежущих станков с динамометрическим устройством для измерения осевой составляющей силы резания являются наиболее распространенными в станках с системами адаптивного управления, так как позволяют производить прямое измерение параметра, непосредственно влияющего на производительность и точность обработки. Динамометрические устройства этого типа можно устанавливать в непосредственной близости от зоны резания в узлах крепления инструмента или детали, или на некотором удалении от них, например, в механизмах подачи или в передней опоре шпиндельного узла. Spindle assemblies of machine tools with a dynamometric device for measuring the axial component of the cutting force are the most common in machines with adaptive control systems, since they allow direct measurement of a parameter that directly affects productivity and processing accuracy. Dynamometric devices of this type can be installed in the immediate vicinity of the cutting zone in the attachment points of the tool or part, or at some distance from them, for example, in the feed mechanisms or in the front support of the spindle unit.

Известен шпиндельный узел сверлильного станка с динамометрическим устройством для измерения осевой составляющей силы резания, собранным в передней подшипниковой опоре шпинделя. Наружные кольца обоймы подшипников этого узла жестко закреплены в упругом чувствительном элементе в виде специальной втулки, установленной в корпусе и снабженной тензодатчиками, работающими на растяжение-сжатие, а внутренние кольца упомянутых подшипников - на переднем конце шпинделя. Втулка крепления наружных колец обоймы подшипников представляет собой сложную конструкцию в виде двух соосно расположенных полых цилиндров, соединенных между собой несколькими радиальными перемычками по длине втулок. Наружные кольца обоймы подшипников закреплены во внутреннем полом цилиндре втулки, а тензодатчики установлены между крайними торцами внутреннего полого цилиндра втулки и внутренними кольцевыми выступами наружного полого цилиндра втулки. Такая промежуточная втулка обладает высокой радиальной жесткостью, а входящий в ее конструкцию внутренний полый цилиндр остается податливым в осевом направлении и служит чувствительным элементом, который под действием осевой составляющей силы резания в зоне обработки, передаваемой через шпиндель и подшипники, получает осевое перемещение пропорционально величине нагрузки и оказывает соответствующее воздействие на тензодатчики, включенные в систему адаптивного управления станком и преобразующие механическое воздействие в электрический сигнал (Михайлов О.П. и Цейтлин Л.Н. Измерительные устройства в системах адаптивного управления станком. М. : Машиностроение, 1978, с.32 - 33, рис. 10). Основным недостатком шпиндельного узла с описанным динамометрическим устройством для измерения осевой составляющей силы резания в зоне обработки является сложность конструкции чувствительного элемента и использование тензодатчиков специальной конструкции, что затрудняет их применение в серийном оборудовании, усложняет тарировку динамометрического устройства. Known spindle assembly of a drilling machine with a dynamometric device for measuring the axial component of the cutting force, assembled in the front bearing support of the spindle. The outer rings of the cage of the bearings of this assembly are rigidly fixed in the elastic sensing element in the form of a special sleeve installed in the housing and equipped with tensile-compression strain gauges, and the inner rings of the said bearings are at the front end of the spindle. The sleeve for mounting the outer rings of the bearing race is a complex structure in the form of two coaxially arranged hollow cylinders interconnected by several radial jumpers along the length of the bushings. The outer rings of the bearing cage are fixed in the inner hollow cylinder of the sleeve, and the load cells are installed between the extreme ends of the inner hollow cylinder of the sleeve and the inner annular protrusions of the outer hollow cylinder of the sleeve. Such an intermediate sleeve has a high radial rigidity, and the internal hollow cylinder included in its design remains axially flexible and serves as a sensitive element that, under the action of the axial component of the cutting force in the machining zone transmitted through the spindle and bearings, receives axial displacement in proportion to the load and has a corresponding effect on load cells included in the adaptive control system of the machine and transforming the mechanical effect into electric sky signal (OP Mikhailov and L. Zeitlin measuring devices in adaptive control systems, machine MG: Mechanical Engineering, 1978, p.32 - 33, Figure 10..). The main disadvantage of the spindle assembly with the described dynamometric device for measuring the axial component of the cutting force in the processing zone is the complexity of the design of the sensitive element and the use of strain gauges of a special design, which complicates their use in serial equipment, complicates the calibration of the dynamometric device.

Техническая задача изобретения - упрощение конструкции чувствительного элемента динамометрического устройства передней опоры шпинделя, обеспечение возможности использования в нем стандартных измерительных преобразователей и расширения их использования в серийном оборудовании без снижения качения динамометрического узла и всей системы адаптивного управления станком. The technical task of the invention is to simplify the design of the sensitive element of the dynamometric device of the front spindle support, providing the possibility of using standard measuring transducers in it and expanding their use in serial equipment without reducing the rolling of the dynamometer assembly and the entire adaptive control system of the machine.

Указанная задача достигается тем, что в шпиндельном узле металлорежущего станка с адаптивным управлением для сверления глубоких отверстий опора шпинделя через промежуточную втулку размещена в корпусе. Промежуточная втулка выполнена с фланцем на торце, который предназначен для крепления втулки на передней торцевой поверхности таким образом, чтобы была образована консоль относительно стенки корпуса. На наружной поверхности консольной части промежуточной втулки размещены датчики измерения осевой составляющей силы резания, связанные с системой адаптивного управления станком. В месте установки опоры шпинделя стенка корпуса выполнена с бобышкой с отверстием, в котором выполнена для размещения датчиков кольцевая канавка с диаметральными отверстиями для подключения датчиков к системе адаптивного управления станком. Бобышка выполнена с переменным сечением боковой стенки, увеличивающимся к стенке корпуса. This task is achieved by the fact that in the spindle unit of a metal cutting machine with adaptive control for drilling deep holes, the spindle support through the intermediate sleeve is placed in the housing. The intermediate sleeve is made with a flange at the end, which is designed to mount the sleeve on the front end surface so that a cantilever is formed relative to the wall of the housing. Sensors for measuring the axial component of the cutting force associated with the adaptive control system of the machine are placed on the outer surface of the cantilever part of the intermediate sleeve. At the installation site of the spindle support, the housing wall is made with a boss with a hole in which an annular groove with diametrical holes is made to accommodate the sensors for connecting sensors to the adaptive control system of the machine. The boss is made with a variable cross-section of the side wall, increasing to the wall of the housing.

Действительно, выполнение промежуточной втулки крепления подшипникового узла передней опоры шпинделя в виде полого цилиндра с фланцем на одном торце, которым она жестко закреплена в передней торцевой стенке корпуса, превращает саму втулку в чувствительный элемент, воспринимающий передаваемые через шпиндель механические осевые нагрузки в зоне обработки. При этом на свободной наружной боковой поверхности втулки могут быть установлены как тензорезисторные, так и индуктивные или магнитоупругие измерительные преобразователи. Это существенно упрощает не только конструкцию чувствительного элемента, но и всего динамометрического устройства станка с адаптивным управлением, расширяет возможную базу использования измерительных преобразователей и позволяет использовать такие динамометрические устройства в серийном оборудовании разного назначения без усложнения тарировки динамометрического устройства и ухудшения качества измерений, а следовательно чувствительности и надежности системы адаптивного управления. Indeed, the implementation of the intermediate sleeve for mounting the bearing assembly of the front spindle support in the form of a hollow cylinder with a flange at one end, with which it is rigidly fixed in the front end wall of the housing, turns the sleeve itself into a sensitive element that receives mechanical axial loads transmitted through the spindle in the processing zone. At the same time, both strain gauge resistors and inductive or magnetoelastic measuring transducers can be installed on the free external lateral surface of the sleeve. This greatly simplifies not only the design of the sensitive element, but also the entire dynamometric device of the machine with adaptive control, expands the possible base for the use of measuring transducers and allows the use of such dynamometric devices in serial equipment for various purposes without complicating the calibration of the dynamometric device and deteriorating the quality of measurements, and therefore the sensitivity and reliability of adaptive control system.

Дополнительное выполнение на корпусе шпиндельного узла опорной втулки позволяет увеличить радиальную жесткость передней подшипниковой опоры шпинделя без ухудшения чувствительности динамометрического устройства по крайней мере в отношении осевой составляющей силы резания в зоне обработки изделия, что может иметь значение для фрезерных и шлифовальных станков. The additional execution on the housing of the spindle assembly of the support sleeve allows you to increase the radial stiffness of the front bearing support of the spindle without compromising the sensitivity of the dynamometer at least with respect to the axial component of the cutting force in the product processing area, which may be important for milling and grinding machines.

На фиг. 1 изображен шпиндельный узел, его установка в передней опоре, продольный разрез; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - вариант выполнения передней опоры шпиндельного узла. In FIG. 1 shows a spindle unit, its installation in the front support, a longitudinal section; in FIG. 2 is a view along arrow A in FIG. one; in FIG. 3 - an embodiment of the front support of the spindle assembly.

Шпиндельный узел металлорежущего станка с системой адаптивного управления для глубокого сверления содержит смонтированные в корпусе 1 шпиндель 2 и элементы передачи вращения шпинделя от главного привода (редуктор и привод не показаны). Опора шпинделя выполнена в виде блока радиально-упорных подшипников. Внутренние обоймы 3 радиально-упорных подшипников посажены на шпиндель 2 и от относительного осевого смещения зафиксированы, например, разрезным кольцом 4, а их наружные обоймы 5 закреплены в промежуточной втулке 6 (фиг. 1) между ее внутренним кольцевым выступом 7 на одном конце и упорным выступом крышки 8 с уплотнительным элементом 9 на другом конце промежуточной втулки 6. Промежуточная втулка 6 выполнена с фланцем 10, которым жестко закреплена в корпусе 1. При этом сама втулка 6 в виде полого цилиндра является чувствительным элементом динамометрического устройства, на свободной наружной боковой поверхности которой установлены (закреплены) измерительные преобразователи одного из известных типов, например, тензорезисторные датчики 11, для измерения осевой составляющей силы резания в зоне обработки изделия. Датчики 11 по одной из известных схем включены в измерительную систему, выходной сигнал которой используется в системе адаптивного управления станком. В переднем конце шпинделя 2 закреплена оправка 12 для установки в ней сменного инструмента 13 - сверла. Для измерения осевой составляющей силы резания датчики 11 на чувствительном элементе - промежуточной втулке 6 располагают вдоль направления действия силы и поперек (фиг. 2) и обычно включают по мостовой схеме. В этом случае общее количество датчиков на чувствительном элементе для измерения одного параметра должно быть кратно четырем. The spindle assembly of a machine tool with an adaptive control system for deep drilling includes spindle 2 mounted in the housing 1 and elements for transmitting spindle rotation from the main drive (gearbox and drive are not shown). The spindle bearing is made in the form of a block of angular contact bearings. The inner race 3 of the angular contact bearings are mounted on the spindle 2 and are fixed, for example, by a split ring 4 from relative axial displacement, and their outer race 5 is fixed in the intermediate sleeve 6 (Fig. 1) between its inner annular protrusion 7 at one end and the stop the protrusion of the cover 8 with a sealing element 9 on the other end of the intermediate sleeve 6. The intermediate sleeve 6 is made with a flange 10, which is rigidly fixed in the housing 1. In this case, the sleeve 6 in the form of a hollow cylinder is a sensitive element dynamometer nical device on the free outer side surface which is set (fixed) transducers of a known type, for example, strain gauges 11 for measuring the axial component of the cutting force in the product treatment zone. The sensors 11 according to one of the known schemes are included in the measuring system, the output signal of which is used in the adaptive control system of the machine. At the front end of the spindle 2, a mandrel 12 is fixed for installing an interchangeable tool 13 - drill. To measure the axial component of the cutting force, the sensors 11 on the sensing element - the intermediate sleeve 6 are arranged along the direction of action of the force and across (Fig. 2) and are usually switched on according to the bridge circuit. In this case, the total number of sensors on the sensor for measuring one parameter should be a multiple of four.

По второму варианту выполнения передней опоры шпиндельного узла (фиг. 3) в месте установки передней опоры шпинделя стенка корпуса 1 выполнена с бобышкой 14, в отверстии которой без зазора размещена промежуточная втулка 6. В бобышке 14 выполнена внутренняя кольцевая канавка 15 с диаметральными отверстиями 16 для подключения датчиков 11, размещенных в кольцевой канавке 15, к системе адаптивного управления станком (не показана). According to the second embodiment, the front support of the spindle assembly (Fig. 3) at the installation site of the front spindle support, the wall of the housing 1 is made with a boss 14, in the hole of which an intermediate sleeve 6 is placed without a gap 6. In the boss 14, an inner annular groove 15 is made with diametrical holes 16 for connecting sensors 11 located in the annular groove 15 to the adaptive control system of the machine (not shown).

Шпиндельный узел работает следующим образом. The spindle assembly operates as follows.

При включении шпиндельного узла в работу, после контакта сверла с изделием, на сверло в зоне резания начинают действовать реактивный крутящий момент и осевое усилие, причем последнее зависит от ряда технологических параметров обработки и от величины подачи в частности. Осевая составляющая усилия резания передается от сверла через оправку 12, шпиндель 2 и блок подшипников через наружные обоймы 5 последних промежуточной втулке 6. Это усилие вызывает появление растягивающих напряжений в материале промежуточной втулки 6, под действием которых происходит ее упругая деформация - удлинение и уменьшение диаметра - пропорционально величине нагрузки. Эти изменения механических параметров воспринимаются тензорезисторными датчиками 11, закрепленными на чувствительном элементе - промежуточной втулке 6 (могут быть установлены и другие датчики - индукционные, магнитоупругие и др.). При этом тензорезисторные датчики 11, расположенные вдоль направления действия силы, растягиваются, а расположенные поперек - сжимаются, если нагрузка возрастает. С уменьшением осевой нагрузки тензорезисторные датчики 11 возвращаются в исходное состояние. При изменении состояния датчиков 11 происходит соответствующее изменение их сопротивления, регистрируемое измерительной системой, выходной сигнал которой после соответствующего усиления и преобразования поступает в систему адаптивного управления станком. Эта система обеспечивает поддержание оптимального технологического режима (с учетом и величины крутящего момента, получаемого с других динамометрических устройств шпинделя), обеспечивающего максимальную производительность, необходимую точность обработки, защиту инструмента и привода от перегрузок и выхода из строя. When the spindle unit is turned on, after the drill contacts the product, reactive torque and axial force begin to act on the drill in the cutting zone, the latter depending on a number of technological processing parameters and on the feed rate in particular. The axial component of the cutting force is transmitted from the drill through the mandrel 12, the spindle 2 and the bearing block through the outer race 5 of the last intermediate sleeve 6. This force causes the appearance of tensile stresses in the material of the intermediate sleeve 6, under the action of which its elastic deformation occurs - elongation and reduction in diameter - in proportion to the load. These changes in the mechanical parameters are perceived by the strain gauge sensors 11 mounted on the sensitive element - the intermediate sleeve 6 (other sensors can also be installed - induction, magnetoelastic, etc.). In this case, the strain gauge sensors 11, located along the direction of action of the force, are stretched, and located across - are compressed, if the load increases. With a decrease in axial load, the strain gauge sensors 11 return to their original state. When the state of the sensors 11 changes, a corresponding change in their resistance occurs, recorded by the measuring system, the output signal of which, after appropriate amplification and conversion, enters the adaptive control system of the machine. This system ensures the maintenance of the optimal technological mode (taking into account the magnitude of the torque received from other spindle dynamometric devices), which provides maximum productivity, the necessary machining accuracy, protection of the tool and drive from overloads and failure.

Что касается работы других инструментов конструкции шпиндельного узла, то она остается традиционной для соответствующих типов станков. As for the work of other tools of the spindle assembly design, it remains traditional for the corresponding types of machines.

При использовании описанной выше конструкции шпиндельного узла с динамометрическим устройством в некоторых типах металлорежущих станков - фрезерных, шлифовальных и других - подшипниковая опора переднего конца шпинделя может оказаться недостаточно жесткой в радиальном направлении. Наличие бобышки в стенке корпуса в месте установки передней опоры создает дополнительную опору промежуточной втулке 6 в радиальном направлении без ограничения ее подвижности в осевом направлении. Это повышает радиальную жесткость подшипниковой опоры и исключает его деформацию от действия изгибающих моментов, вызванных усилием резания, несовпадающим с осью шпинделя, что имеет место в некоторых типах металлорежущих станков - фрезерных, шлифовальных и других, и способствует сохранению требуемой точности обработки. Причем эти конструктивные изменения практически не влияют на работу динамометрического устройства для измерения осевой составляющей силы резания и системы адаптивного управления станком в целом. When using the above-described design of a spindle assembly with a dynamometer in some types of metal-cutting machines - milling, grinding and others - the bearing support of the front end of the spindle may not be sufficiently rigid in the radial direction. The presence of the boss in the wall of the housing at the installation site of the front support creates additional support for the intermediate sleeve 6 in the radial direction without limiting its mobility in the axial direction. This increases the radial stiffness of the bearing support and eliminates its deformation from the action of bending moments caused by a cutting force that does not coincide with the axis of the spindle, which occurs in some types of machine tools - milling, grinding and others, and helps to maintain the required machining accuracy. Moreover, these structural changes practically do not affect the operation of the dynamometer for measuring the axial component of the cutting force and the adaptive control system of the machine as a whole.

Описанные варианты конструктивного выполнения шпиндельного узла существенно упрощают изготовление передней подшипниковой опоры шпинделя с динамометрическим устройством для измерения осевой составляющей силы резания, входящим в систему адаптивного управления станком, позволяют использовать стандартные преобразователи разных типов и расширить использование измерения радиальной составляющей силы резания на серийных металлорежущих станках разных типов с системой адаптивного управления. The described options for the structural execution of the spindle assembly greatly simplify the manufacture of the front bearing support of the spindle with a dynamometer for measuring the axial component of the cutting force included in the adaptive control system of the machine, allow the use of standard transducers of various types and expand the use of measuring the radial component of the cutting force on serial metal-cutting machines of various types with adaptive control system.

Claims

1. Spindle assembly of a machine tool with adaptive control for drilling deep holes, comprising a housing in which a spindle support is placed through an intermediate sleeve, while sensors on the surface of the intermediate sleeve are equipped with axial components of the cutting force associated with the adaptive control system of the machine, characterized in that the intermediate sleeve is made with a flange at the end intended for its fastening on the front end surface so that the cantilever is formed relative to the wall housing, while the said sensors are located on the outer cantilever part of the intermediate sleeve.

2. The assembly according to claim 1, characterized in that at the place of installation of the spindle support in the housing, the wall of the latter is made with a boss with a hole designed to accommodate the intermediate sleeve without a gap, in which an internal annular groove with diametrical holes for connecting sensors placed in the annular groove boss, to the adaptive control system of the machine.

3. The node according to claim 2, characterized in that the boss is made with a variable cross-section of the side wall, increasing towards the wall of the housing.