RU2690625C2 - Test bench for intelligent system of adaptive control of cutting process on metal cutting machines with spindle assembly with active magnetic bearings - Google Patents
Test bench for intelligent system of adaptive control of cutting process on metal cutting machines with spindle assembly with active magnetic bearings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690625C2 RU2690625C2 RU2017115646A RU2017115646A RU2690625C2 RU 2690625 C2 RU2690625 C2 RU 2690625C2 RU 2017115646 A RU2017115646 A RU 2017115646A RU 2017115646 A RU2017115646 A RU 2017115646A RU 2690625 C2 RU2690625 C2 RU 2690625C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spindle
- rotor
- sled
- stand
- spindle assembly
- Prior art date
Links
- 230000020347 spindle assembly Effects 0.000 title claims abstract description 87
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 title claims abstract description 43
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title abstract description 18
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 53
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 claims description 19
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000011835 investigation Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 16
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 13
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 10
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 8
- 238000011161 development Methods 0.000 description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 5
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 4
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 4
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 241000233866 Fungi Species 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 3
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 2
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 2
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 2
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 2
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 241000208202 Linaceae Species 0.000 description 1
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000036461 convulsion Effects 0.000 description 1
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000007791 dehumidification Methods 0.000 description 1
- 230000005662 electromechanics Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002262 irrigation Effects 0.000 description 1
- 238000003973 irrigation Methods 0.000 description 1
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Turning (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в левитационных роторных механизмах на электромагнитных опорах. Более конкретное использование - в качестве экспериментального стенда для исследования и испытания образца интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках со шпиндельным узлом с активными магнитными подшипниками АМП (электрошпинделем/моторшпинделем/).The invention relates to the field of electromechanics and can be used in levitational rotary mechanisms on electromagnetic supports. A more specific use is as an experimental stand for researching and testing a sample of an intelligent adaptive control system for the cutting process on metal-cutting machines with a spindle assembly with active AMP magnetic bearings (electrical spindle / motor spindle /).
Магистральным направлением развития металлообрабатывающих станков с ЧПУ является модульный принцип построения станков (мехатронных комплексов) на базе единых интеграционных платформ с широким использованием мехатронных блочно-модульных систем и модулей, сочетающих информационные, энергетические и управляющие функции в едином конструктивном блоке. В электронном (программно-аппаратном) блоке обеспечивается согласованный интеллектуальный выбор параметров отдельных подсистем системы числового программного управления (ЧПУ), подчиненных общей задаче - достижение требуемых, технологически заданных, параметров точности механической лезвийной обработки на металлорежущих станках.The main direction of development of metalworking machines with CNC is the modular construction of machine tools (mechatronic complexes) based on single integration platforms with extensive use of mechatronic modular systems and modules that combine information, energy and control functions in a single structural unit. In the electronic (software and hardware) block, a coordinated intelligent selection of parameters of individual subsystems of the numerical control system (NC) is ensured, subordinated to the common task - achieving the required, technologically defined, precision parameters of mechanical blade processing on metal-cutting machines.
Для повышения технического уровня и уровня качества обработки механообрабатывающих станков, как базовых слагаемых конкурентоспособности, на передний план выступают следующие факторы: надежность, точность, производительность, интеллект.To improve the technical level and quality level of machining of machining machines, as the basic components of competitiveness, the following factors come to the fore: reliability, accuracy, productivity, and intelligence.
Надежность работы станка - одно из основных требований, предъявляемое потребителем, и часто служит превалирующим критерием оценки качества. Среди мехатронных систем станков (таких как: поворотные и наклонно-поворотных столы, револьверные головки, приводы подач) электрошпиндели (шпиндели со встроенным мотором - моторшпиндели) являются самыми важными узлами, определяющими качество оборудования и точность обработки на нем. Электрошпиндели наиболее полно иллюстрируют свои специфические особенности построения конструкции, проектирования, основные проблемы и задачи мехатронных систем станков.The reliability of the machine - one of the basic requirements of the consumer, and often serves as the prevailing criterion for assessing quality. Among the mechatronic systems of machine tools (such as: rotary and tilt-swivel tables, turrets, feed drives) electrical spindles (spindles with built-in motor - motor spindles) are the most important components that determine the quality of equipment and precision machining on it. Electric spindles most fully illustrate their specific features of construction, design, basic problems and tasks of mechatronic systems of machine tools.
Современный высокоскоростной или высокомоментный электрошпиндель является сложной вращательной мехатронной системой с высоким уровнем интеграции в конструкцию функциональных компонентов - интеллектуальных мехатронных модулей (встраиваемый двигатель, шпиндельные опоры, охлаждение двигателя и опор, система смазки, механизм зажима инструмента и т.д., см. фиг. 18).A modern high-speed or high-torque electrical spindle is a complex rotational mechatronic system with a high level of integration into the design of functional components — intelligent mechatronic modules (built-in engine, spindle supports, engine and bearing cooling, lubrication system, tool clamping mechanism, etc., see fig. 18).
К главным преимуществам такой мехатронной системы элекрошпинделя относятся:The main advantages of such a mechatronic system of the elecro spindle include:
- прямое преобразование энергии и информации, полное исключение или упрощение кинематических цепей и, следовательно, высокая точность и улучшенные статические и динамические характеристики;- direct transformation of energy and information, complete elimination or simplification of kinematic chains and, therefore, high accuracy and improved static and dynamic characteristics;
- компактность единой конструктивной схемы системы и, следовательно, улучшенные массогабаритные показатели;- compactness of the unified structural scheme of the system and, therefore, improved weight and size parameters;
- возможность объединения и встройки электрошпинделя в более сложные мехатронные системы (угловые шпиндельные головки) и комплексы (многоцелевые обрабатывающие центры), допускающие быструю перенастройку (системы автоматической смены электрошпинделей /мотор-шпинделей/);- the possibility of combining and integrating the electrical spindle into more complex mechatronic systems (angular spindle heads) and complexes (multi-purpose machining centers) allowing for quick reconfiguration (systems for automatic changing of electro-spindles / motor-spindles /);
- относительно низкую стоимость монтажа, обслуживания и настройки системы благодаря блочно-модульной конструкции, унификации программных и аппаратных средств;- the relatively low cost of installation, maintenance and system configuration due to the block-modular design, the unification of software and hardware;
- способность выполнять сложное, высокоточное, пространственно регулируемое (т.е., регулируемое в трехкоординатной системе) вращательное движение исполнительного устройства (т.е., ротор-шпинделя электрошпинделя), благодаря применению методов и средств интеллектуального и адаптивного управления исполнительным устройством посредством, раскрываемой в описании настоящего технического решения образца интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках.- the ability to perform complex, high-precision, spatially adjustable (i.e., adjustable in a three-coordinate system) rotational motion of the actuator (i.e., the rotor-spindle of the electric spindle), due to the application of methods and means of intelligent and adaptive control of the actuator by means of in the description of the present technical solution of a sample of the intelligent system of adaptive control of the cutting process on metal-cutting machines.
Из современного уровня техники известен стенд для исследования (испытания) интеллектуальной системы адаптивного управления магнитным подвесом ротор-шпинделя шпиндельного узла, включающий следующие электромеханические узлы и структуры.From the current level of technology known stand for the study (testing) of the intelligent system of adaptive control of the magnetic suspension of the rotor-spindle spindle assembly, including the following electromechanical components and structures.
Базовую мехатронную структуру с системой числового программного управления (ЧПУ), включающей аппаратную платформу с технологически заданным программным обеспечением, и шпиндельным узлом с активными магнитными подшипниками (АМП), функционально являющимися передней и задней опорами ротор-шпинделя шпиндельного узла. Шпиндельный узел конструктивно сформирован с возможностью размещения в концевых зонах его ротор-шпинделя и, соответственно, зонах расположения активных магнитных подшипников, контрольно-измерительных структур в виде двух пар бесконтактных датчиков пространственного положения оси вращения ротор-шпинделя и, соответственно, зазора в АМП, которые функционально являются средствами регистрации и передачи данных в упомянутую систему ЧПУ посредством аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователей исследуемой интеллектуальной системы адаптивного управления ротор-шпинделем шпиндельного узла в процессе резания. Конструкция шпиндельного узла предусматривает установку упомянутых структур, в плоскостях, перпендикулярных оси вращения ротор-шпинделя шпиндельного узла парами, со смещением один относительно другого на 90° в окружном направлении в каждой паре.Basic mechatronic structure with a numerical control system (CNC), including a hardware platform with technologically specified software, and a spindle assembly with active magnetic bearings (AMP), which are functionally the front and rear supports of the spindle rotor-spindle assembly. The spindle assembly is structurally formed with the possibility of accommodating its rotor-spindle in the end zones and, accordingly, the location of active magnetic bearings, instrumentation structures in the form of two pairs of contactless sensors of the spatial position of the rotor-spindle rotation axis and, accordingly, the gap in the AMP, which functionally are the means of recording and transmitting data into the aforementioned CNC system by means of analog-digital and digital-analog converters of the studied intellectual systems adaptive control of the rotary spindle of the spindle unit during the cutting process. The design of the spindle assembly provides for the installation of these structures, in planes perpendicular to the axis of rotation of the rotor-spindle of the spindle assembly in pairs, offset by 90 ° from one another in the circumferential direction in each pair.
Кроме того, стенд, также, включает средство динамического нагружения ротор-шпинделя шпиндельного узла внешней нагрузкой, соответствующей рабочей нагрузке в реальных условиях эксплуатации шпиндельного узла имитатор типовых нагрузок (см. С.А. Тогузов, Е.К. Евдокимов, Т.А. Изосимова, публикация «Стенд для исследования системы автоматического регулирования магнитным подвесом ротора высокоэнергетической установки», материалы XII Всероссийского совещания по проблемам управления ВСПУ-2014, стр. 4807-4814, Москва, 2014 г., УДК 681.52) - прототип.In addition, the stand also includes a means of dynamically loading the rotor-spindle of the spindle assembly with an external load corresponding to the working load under actual operating conditions of the spindle assembly simulator of typical loads (see S.A. Toguzov, EK Evdokimov, Т.А. Izosimova, the publication “Stand for the study of the automatic control system of the rotor magnetic suspension of a high-energy installation”, materials of the XII All-Russian meeting on the problems of VSPU-2014 control, pp. 4807-4814, Moscow, 2014, UDC 681.52) - a prototype.
К недостаткам данного известного технического решения следует отнести невозможность его использования для исследования интеллектуальной системы адаптивного управления конкретно процессом резания на металлорежущих станках со шпиндельным узлом с АМП (электрошпинделем) при реальных, возникающих при лезвийной обработке эталонной детали, нагрузках на ротор-шпиндель шпиндельного узла в режиме реального времени.The disadvantages of this known technical solution include the impossibility of using it to study the intelligent adaptive control system specifically for the cutting process on metal-cutting machines with a spindle assembly with an AMP (electric spindle) with real ones resulting from the blade processing of the reference part, loads on the spindle rotor-spindle assembly in the mode real time.
Это объясняется тем, что схема динамического нагружения ротор-шпиделя со стороны используемого в известном техническом решении нагружающего устройства не соответствует динамическим условиям нагружения ротор-шпиделя аналогичного шпиндельного узла (электрошпинделя) в условиях лезвийной механической обработки на металлорежущих станках с вертикальным расположением электрошпинделя.This is due to the fact that the dynamic loading of the rotor-fender from the side of the loading device used in the well-known technical solution does not correspond to the dynamic loading conditions of the rotor-fender of the analogous spindle assembly (electric spindle) under the conditions of blade machining on metal-cutting machines with an vertical electric spindle.
Задачей заявленного технического решения является создание научно-технического задела в области построения интеллектуальных систем адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках с электрошпинделем в масштабе реального времени (т.е., при механической лезвийной обработке на стенде реальной эталонной заготовки).The objective of the claimed technical solution is the creation of a scientific and technical reserve in the field of building intelligent systems for adaptive control of the cutting process on metal-cutting machines with an electrical spindle on a real-time basis (that is, with mechanical blade processing on the stand of a real reference workpiece).
Более конкретно, поставлены следующие основные технические задачи:More specifically, the following main technical tasks are set:
- разработка и создание схем кинематических, электрических, пневматических соединений и подключений в соответствии с ГОСТ 2.701-84 экспериментального стенда для испытания образца интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания, обеспечивающих устойчивую и надежную работу электрошпинделя при испытаниях;- development and creation of kinematic, electrical, pneumatic connections and connections in accordance with GOST 2.701-84 experimental bench for testing a sample of the intelligent adaptive control system of the cutting process, ensuring stable and reliable operation of the electrical spindle during testing;
- выбор необходимой компоновки и конструкций основных узлов стенда для выполнения прикладных научно-технических исследований;- selection of the necessary layout and design of the main components of the stand for performing applied scientific and technical research;
- разработка и создание схем кинематических, электрических, пневматических соединений и подключений в соответствии с ГОСТ 2.701-84 экспериментального образца интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания на станках со шпиндельным узлом с активными магнитными подшипниками (т.е. с электрошпинделем /моторшпинделем/).- development and creation of kinematic, electrical, pneumatic connections and connections in accordance with GOST 2.701-84 experimental model of an intelligent adaptive control process for cutting on machines with a spindle assembly with active magnetic bearings (i.e. with electrical spindle / motor spindle /).
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение надежности за счет быстродействия (чувствительности) системы адаптивного управления и, соответственно, динамической точности пространственного позиционирования оси вращения электромагнитного подвеса ротор-шпинделя шпиндельного узла (электрошпинделя), а также концевой части инструментальной оправки (т.е. в конечном итоге - инструмента) применительно к реальным условиям резания.The technical result of the claimed technical solution is to increase the reliability due to the speed (sensitivity) of the adaptive control system and, accordingly, the dynamic accuracy of the spatial positioning of the axis of rotation of the electromagnetic suspension of the rotor-spindle of the spindle assembly (electric spindle), as well as the end result is a tool) as applied to actual cutting conditions.
Поставленный технический результат достигается посредством того, что в стенде для испытания (исследования) интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках со шпиндельным узлом с АМП, включающем:The technical result is achieved by the fact that in the test bench for (testing) an intelligent system of adaptive control of the cutting process on metal-cutting machine tools with a spindle assembly with an AMP, including:
- базовую мехатронную структуру с системой числового программного управления (ЧПУ), включающей аппаратную платформу с технологически заданным программным обеспечением, и шпиндельным узлом с активными магнитными подшипниками, которые функционально являются передней и задней опорами его ротор-шпинделя;- a basic mechatronic structure with a numerical control system (CNC), including a hardware platform with technologically specified software, and a spindle assembly with active magnetic bearings, which are functionally the front and rear supports of its rotor-spindle;
- шпиндельный узел, конструктивно сформирован с возможностью размещения в концевых зонах его ротор-шпинделя и, соответственно, зонах расположения активных магнитных подшипников, контрольно-измерительных структур в виде двух пар бесконтактных датчиков пространственного положения оси ротор-шпинделя и, соответственно, зазора в активных магнитных подшипниках, которые, т.е. упомянутые структуры, устанавливаются в плоскостях, перпендикулярных оси вращения ротор-шпинделя шпиндельного узла парами, со смещением один относительно другого на 90° в окружном направлении в каждой паре и функционально являются средствами регистрации и передачи данных в упомянутую систему ЧПУ посредством аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователей исследуемой интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания;- spindle assembly, structurally formed with the possibility of placing in the end zones of its rotor-spindle and, respectively, areas of the location of active magnetic bearings, control and measuring structures in the form of two pairs of contactless sensors of spatial position of the rotor-spindle axis and, accordingly, the gap in the active magnetic bearings which, i.e. these structures are installed in planes perpendicular to the axis of rotation of the rotor-spindle of the spindle assembly in pairs, offset from each other by 90 ° in the circumferential direction in each pair, and functionally are the means of recording and transmitting data into the above-mentioned CNC system using analog digital and analogue converters of the studied intellectual adaptive cutting process control systems;
- а также средство нагружения ротор-шпинделя шпиндельного узла внешней нагрузкой, соответствующей рабочей нагрузке в реальных условиях эксплуатации шпиндельного узла, согласно изобретению:- as well as a means of loading the rotor-spindle of the spindle assembly by an external load corresponding to the working load in actual operating conditions of the spindle assembly, according to the invention:
на рабочем конце ротор-шпинделя закреплена инструментальная оправка, которая функционально является средством динамического нагружения ротор-шпинделя шпиндельного узла упомянутой внешней нагрузкой за счет восприятия ею действительных рабочих динамических нагрузок от инструмента в процессе реальной механической лезвийной обработки эталонного образца заготовки в реальном масштабе времени испытания вышеупомянутой интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания;At the working end of the rotor-spindle, an instrumental mandrel is fixed, which is functionally a means of dynamically loading the rotor-spindle of the spindle assembly with the mentioned external load due to its perception of the actual working dynamic loads from the tool during the actual mechanical blade processing of the reference sample of the workpiece in real time testing the above-mentioned intellectual adaptive cutting process control systems;
- корпусная сборочная единица шпиндельного узла оснащена средствами для размещения в зоне рабочего конца инструментальной оправки, а также, в зоне заднего конца ротор-шпинделя, двух пар дополнительных бесконтактных датчиков, функционально являющихся средствами регистрации и контроля пространственного положения конца инструментальной оправки, а значит - пространственного положения непосредственно инструмента, и заднего конца ротор-шпинделя, соответственно, коммутативно связанными через соответствующие преобразующие структуры исследуемой интеллектуальной системы адаптивного управления с программно-аппаратной платформой упомянутой системы ЧПУ;- the case assembly unit of the spindle assembly is equipped with means for placing in the area of the working end of the tool holder, as well as, in the area of the rear end of the rotor-spindle, two pairs of additional non-contact sensors, functionally being the means of recording and monitoring the spatial position of the end of the tool holder, and hence the spatial the positions of the tool itself, and the rear end of the rotor-spindle, respectively, are commutatively connected through the corresponding transformative structures tivity intelligent adaptive control system with software and hardware platform of said CNC system;
- упомянутые средства, конструктивно выполнены с возможностью обеспечения установки упомянутых датчиков в каждой паре в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротор-шпинделя шпиндельного узла со смещением один относительно другого на 90° в окружном направлении;- the mentioned means are structurally designed to provide installation of said sensors in each pair in a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor-spindle of the spindle assembly with an offset of 90 ° relative to one another in the circumferential direction;
- передняя опора шпиндельного узла выполнена в виде радиально-упорного активного магнитного подшипника; базовая мехатронная структура конструктивно организована на основе трехкоординатного металлорежущего станка особо высокой точности, т.е., класса точности С, с системой ЧПУ и вертикальным расположением оси ротор-шпинделя шпиндельного узла;- the front support of the spindle assembly is made in the form of a radial-resistant active magnetic bearing; The basic mechatronic structure is structurally organized on the basis of a three-coordinate metal cutting machine of particularly high accuracy, i.e., accuracy class C, with a CNC system and a vertical arrangement of the rotor-spindle axis of the spindle assembly;
- упомянутый станок включает управляемые посредством системы ЧПУ вспомогательные функциональные системы, а также следующие основные конструктивные узлы:- the above-mentioned machine includes auxiliary functional systems controlled by the CNC system, as well as the following main structural units:
- станину с плоской и V-образной направляющими, поверхности которых оснащены текстолитовым покрытием, а также имеют средства защиты от загрязнения в виде ленточной структуры со средством регулировки натяжения ленты;- a bed with flat and V-shaped guides, the surfaces of which are equipped with a textolite coating, and also have means of protection against contamination in the form of a tape structure with means of adjusting the belt tension;
- установленные на направляющих станины салазки стола-салазок с управляемым системой ЧПУ прецизионным приводом их перемещения, при этом, верхние направляющие салазок, предназначенные для установки стола, также оснащенного управляемым системой ЧПУ прецизионным приводом его перемещения, выполнены конструктивно идентично вышеописанным направляющим станины и также оснащены аналогичным средством защиты от загрязнения в виде ленточной структуры со средством регулировки натяжения ленты, которая, т.е., ленточная структура, конструктивно-пространственно организована с возможностью обеспечения регулировки натяга прижатия направляющих стола стола-салазок к ответным направляющим с текстолитовым покрытием салазок, за счет охвата упомянутой лентой роликов, смонтированных в салазках стола-салазок;- mounted on the guides of the bed, the slide of the slide table with the CNC-controlled precision drive of their movement, while the upper slide guides intended for mounting the table also equipped with the CNC-controlled precision drive of its movement are made structurally identical to the above-described bed guide and are also equipped with the same a means of protection against pollution in the form of a tape structure with a means of adjusting the tension of the tape, which, i.e., the tape structure, is constructive ostranno organized with the possibility of adjusting the tightness of pressing the guide table table-sled to counter-guides with textolite sled coating, due to the coverage mentioned by the tape rollers mounted in the sled table-sled;
- вертикальную стойку с передними и задними направляющими и установленную на передних направляющих стойки шпиндельную бабку с управляемым системой ЧПУ прецизионным приводом ее перемещения, конструктивно включающую в себя коробку скоростей и шпиндельный узел, размещенный в конструктивной структуре средства для установки шпиндельного узла в шпиндельной бабке, при этом шпиндельная бабка оснащена уравновешивающими грузами, установленными с возможностью рабочего перемещения по задним направляющим стойки посредством регулируемых по длине гибких связей, концы которых закреплены на корпусе шпиндельной бабки и, соответственно, на уравновешивающих грузах, а задние направляющие стойки оснащены средством их защиты от загрязнения в виде пластинчатой телескопической структуры;- a vertical stand with front and rear guides and a spindle head mounted on the front rails of the rack with a CNC-controlled precision drive for its movement, structurally including a speed box and a spindle unit placed in the structural structure of the means for installing the spindle unit in the spindle head, the headstock is equipped with balancing weights installed with the possibility of working movement along the rear rails of the stand by means of adjustable no flexible couplings, the ends of which are fixed to the body and headstock, respectively, on the balance weights, and rear rack rails are equipped with means of protection against pollution in the form of a telescopic plate structure;
- кроме того, структура средства для установки шпиндельного узла в шпиндельной бабке конструктивно сформирована с возможностью установки на шпиндельной бабке как шпиндельного узла в виде типового механического шпиндельного узла, так и шпиндельного узла мехатронного типа, выполненного в виде электрошпинделя с активными магнитными подшипниками, оснащенного вышеупомянутами контрольно-измерительными структурами на основе соответствующих датчиков пространственного положения оси вращения его ротор-шпинделя.- in addition, the structure of the means for mounting the spindle assembly in the spindle headstock is structurally formed with the possibility of mounting on the spindle headstock both a spindle assembly in the form of a typical mechanical spindle assembly and a spindle assembly of mechatronic type, made in the form of an electrical spindle with active magnetic bearings, equipped with the above mentioned controls - measuring structures based on the respective sensors of the spatial position of the axis of rotation of its rotor-spindle.
Оптимально, чтобы вышеупомянутые прецизионные приводы перемещения основных конструктивных узлов были бы выполнены в виде передачи ходовой винт - гайка качения и оснащены электродвигателями, преимущественно, серводвигателями.Optimally, the aforementioned precision drives for displacing the main structural units would be made in the form of a drive screw - rolling gear transmission and equipped with electric motors, mainly servomotors.
Целесообразно, чтобы упомянутые взаимоподвижные основные конструктивные узлы были бы оснащены: средствами автоматического отключения их прецизионных приводов в крайних положениях; средствами автоматического аварийного отключения этих приводов; автоматическими средствами обеспечения выхода в референтную точку - то есть, в нулевую точку отсчета движения соответствующего узла; средствами для отсчета перемещения соответствующих узлов, выполненными в виде линейных преобразователей, коммутативно связанных с системой ЧПУ.It is advisable that the mentioned mutually movable basic structural units would be equipped with: means for automatically turning off their precision drives in extreme positions; means of automatic emergency shutdown of these drives; automatic means to ensure access to the reference point - that is, to the zero point of reference of the movement of the corresponding node; means for counting the movement of the corresponding nodes, made in the form of linear transducers, commutatively connected with the CNC system.
Шпиндельный узел может быть выполнен, например, в виде электрошпинделя модели «IBAG 200 MA 40 K»The spindle unit can be made, for example, in the form of an electrical spindle of the model “IBAG 200 MA 40 K”
Как правило, вышеупомянутые вспомогательные функциональные системы стенда должны быть выполнены в виде:As a rule, the aforementioned auxiliary functional systems of the stand should be made in the form:
- гидросистемы, функционально являющейся средством отжима инструмента в шпинделе, переключения диапазонов скоростей привода главного движения стенда, смазки коробки скоростей и подачи масла в систему централизованной периодической смазки;- the hydraulic system, which is functionally a means of pressing the tool in the spindle, switching the speed ranges of the main drive of the stand, lubricating the gearbox and supplying oil to the centralized system of periodic lubrication;
- системы централизованной смазки, функционально являющейся средством периодической централизованной смазки: на стойке - подшипников ходового винта перемещения шпиндельной бабки; на станине - подшипников ходового винта перемещения салазок стола-салазок; на шпиндельной бабке - гайки ходового винта перемещения шпиндельной бабки по направляющим и обратных планок; на салазках стола-салазок - подшипников ходового винта перемещения стола, гайки ходового винта перемещения салазок, направляющих пары салазки-станина; на столе - гайки ходового винта перемещения стола, направляющих стол-салазки;- centralized lubrication systems, functionally being a means of periodic centralized lubrication: on the rack - bearings of the spindle moving the headstock; on the frame - bearings of the lead screw for moving the sled of the sled-table; on the headstock - spindle nuts move the headstock along the guides and reverse slats; on the sled of the sled table - bearings of the lead screw for moving the table, nuts for the running screw for moving the sled, guides the pairs of the sled-bed; on the table - the lead screw for moving the table, guides the table-sled;
- системы пневмооборудования, функционально являющейся средством охлаждения шпиндельного узла;- pneumatic equipment system, functionally being a means of cooling the spindle assembly;
Гидросистема, в разумном исполнении, должна быть выполнена в виде конструктивно и технологически взаимосвязанных:The hydraulic system, in reasonable performance, should be made in the form of a constructive and technologically interconnected:
- гидростанции (например, типа СВ-М5А-40-Н-1,1-3-6,3), включающей: насос, фильтр, аккумулятор, реле давления, гидроблок с аппаратурой модульного типа;- hydraulic stations (for example, type CB-M5A-40-H-1.1-3-6.3), including: pump, filter, accumulator, pressure switch, hydraulic unit with modular equipment;
- гидроаппаратуры, установленной на стенде;- hydraulic equipment installed on the stand;
- исполнительных органов в виде гидроцилиндра переключения скоростей и гидроцилиндра отжима инструмента.- executive bodies in the form of a hydraulic cylinder for switching speeds and a hydraulic cylinder for pressing the tool.
Система централизованной смазки, как правило, включает: распределитель; клапан редукционный; центральный питатель, в состав которого входит узел со штоком-индикатором, функционально являющийся средством контроля работы упомянутого питателя визуально и автоматически; микропереключатель; вторичные питатели, которые расположены на салазках, на столе, на стойке и на шпиндельной бабке.The system of centralized lubrication, as a rule, includes: distributor; pressure reducing valve; the central feeder, which includes a node with a rod-indicator, functionally being a means of controlling the work of said feeder visually and automatically; microswitch; secondary feeders, which are located on the sled, on the table, on the rack and on the spindle headstock.
Система пневмооборудования, как правило, включает: компрессор с ресивером, станцию осушения и охлаждения воздуха, а также панель подготовки воздуха и пневмораспределители.The system of pneumatic equipment, as a rule, includes: a compressor with a receiver, an air drying and cooling station, as well as an air preparation panel and pneumatic distributors.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление сведений об аналогах заявленного технического решения, не обнаружил аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными или эквивалентными всем существенным признакам заявленного технического решения. Выбранный из выявленных аналогов прототип (как наиболее близкий по совокупности признаков аналог) позволил выявить в заявленном объекте совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков, изложенных в формуле.Conducted by the applicant's analysis of the level of technology, including a search for patent and scientific and technical sources of information and the identification of information about the analogues of the claimed technical solution, did not find analogues characterized by signs and relationships between them, identical or equivalent to all the essential features of the claimed technical solution. The prototype chosen from the identified analogues (as the closest analogue in terms of the totality of features) made it possible to identify in the claimed object a set of essential (with respect to the technical result perceived by the applicant) distinctive features set forth in the formula.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.Therefore, the claimed technical solution meets the condition of patentability "novelty" under the current legislation.
Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:The invention is illustrated by the following graphic materials:
Фиг. 1 - общий вид стенда (фронтальный вид);FIG. 1 - a general view of the stand (front view);
Фиг. 2 - общий вид стенда (вид сбоку /справа/ по фиг. 1);FIG. 2 - a general view of the stand (side view / right / in Fig. 1);
Фиг. 3 - общий вид стенда (вид сверху по фиг. 1);FIG. 3 - a general view of the stand (top view on Fig. 1);
Фиг. 4 - кинематическая схема стенда;FIG. 4 - kinematic scheme of the stand;
Фиг. 5 - станина (фронтальный вид);FIG. 5 - bed (front view);
Фиг. 6 - станина (вид сверху по фиг. 5);FIG. 6 - bed (top view on Fig. 5);
Фиг. 7 - стол-салазки (фронтальный вид, частичный разрез);FIG. 7 - skid table (frontal view, partial cut);
Фиг. 8 - стол-салазки (сечение А-А по фиг. 7);FIG. 8 - table-sled (section aa in Fig. 7);
Фиг. 9 - стойка (фронтальный вид);FIG. 9 - stand (front view);
Фиг. 10 - стойка (сечение Б-Б по фиг. 9);FIG. 10 - stand (section BB in Fig. 9);
Фиг. 11 - шпиндельная бабка (фронтальный вид);FIG. 11 - headstock (front view);
Фиг. 12 - шпиндельная бабка (вид сбоку /слева/ по фиг. 11);FIG. 12 - headstock (side view / left / according to Fig. 11);
Фиг. 13 - коробка скоростей шпиндельной бабки (вид сбоку, продольный разрез);FIG. 13 - gearbox of spindle head (side view, longitudinal section);
Фиг. 14 - сечение В-В по фиг. 13;FIG. 14 is a sectional view BB of FIG. 13;
Фиг. 15 - узел (шпиндельный, типовой механический, продольный разрез);FIG. 15 - knot (spindle, standard mechanical, longitudinal section);
Фиг. 16 - блок-схема интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках со шпиндельным узлом с активными магнитными подшипниками (АМП);FIG. 16 is a block diagram of an intelligent adaptive process control system for cutting machines with a spindle assembly with active magnetic bearings (AMP);
Фиг. 17 - схема управления типовым активным магнитным подшипником (АМП);FIG. 17 is a control circuit of a typical active magnetic bearing (AMP);
Фиг. 18 - блок-схема системы электрошпинделя (основные подсистемы гаммы типовых электрошпинделей приводов главного движения);FIG. 18 is a block diagram of an electrical spindle system (main subsystems of a range of typical electrical spindles of main motion drives);
Фиг. 19 - фотоснимок типовой конструкции электрошпинделя (с частичным продольным вырезом, аксонометрия);FIG. 19 is a photograph of a typical electrical spindle design (with partial longitudinal notch, axonometry);
Фиг. 20 - структурная схема высокоскоростной шпиндельной системы (шпиндельного узла) фирмы «Ibag» на активных магнитных подшипниках (АМП);FIG. 20 is a block diagram of a high-speed spindle system (spindle assembly) made by Ibag on active magnetic bearings (AMP);
Фиг. 21 - продольный разрез общего вида электрошпинделя с АМП модели «IBAG HF 200 MA 40 K»;FIG. 21 is a longitudinal section of the general appearance of the electrical spindle with the AMP of the IBAG HF 200 MA 40 K model;
Системы, агрегаты, узлы, механизмы и иные конструктивные элементы заявленного экспериментального стенда в графических материалах обозначены следующими позициями:Systems, units, assemblies, mechanisms and other structural elements of the declared experimental test bench in graphic materials are indicated by the following positions:
Общий вид стенда (фиг. 1 - фиг. 3):General view of the stand (Fig. 1 - Fig. 3):
1 - станина;1 - bed;
2 - стол-салазки;2 - table-sled;
3 - стойка;3 - stand;
4 - бабка (шпиндельная);4 - grandma (spindle);
5 - коробка скоростей (шпиндельной бабки 4);5 - gearbox (spindle head 4);
6 - гидроцилиндр (переключения скоростей в коробке 5 скоростей);6 - hydraulic cylinder (switching speeds in the
7 - гидроцилиндр (отжима инструмента);7 - hydraulic cylinder (pressing tool);
8 - кожух (защиты гидроцилиндра 7 отжима инструмента);8 - a casing (protection of the
9 - кронштейн (для уравновешивающего груза-противовеса);9 - bracket (for balancing load-counterweight);
10 - станция СОЖ;10 - coolant station;
11 - передача (ходовой винт-гайка качения привода 12);11 - transmission (drive screw-nut drive drive 12);
12 - привод (перемещения стола 21);12 - drive (movement of the table 21);
13 - ограждение (защитное рабочей зоны стола-салазок 2);13 - fencing (protective working area of the table-sled 2);
14 - узел (шпиндельный, типовой механический);14 - node (spindle, standard mechanical);
15 - ящик (для инструмента);15 - box (for the tool);
16 - стол (универсальный);16 - table (universal);
17 - гидростанция;17 - hydraulic station;
18 - электрошкаф;18 - electrical cabinet;
19 - система ЧПУ (с пультом управления).19 - CNC system (with control panel).
20 - салазки (стола-салазок 2);20 - sled (table-sled 2);
21 - стол (стола-салазок 2).21 - table (table-sled 2).
Кинематическая схема стенда (фиг. 4):Kinematic scheme of the stand (Fig. 4):
22 - привод (перемещения салазок 20);22 - drive (movement of the slide 20);
23 - привод (перемещения шпиндельной бабки 4);23 - drive (movement of the spindle head 4);
24 - привод (вращения зубчатых колес 29-33 коробки 5 скоростей);24 - drive (rotation gears 29-33
25 - электродвигатель (привода перемещения салазок 20);25 - motor (drive movement of the slide 20);
26 - электродвигатель (привода перемещения стола 21);26 - motor (drive movement of the table 21);
27 - электродвигатель (привода перемещения бабки 4 шпиндельной);27 - electric motor (drive movement of the
28 - электродвигатель (привода 24 коробки 5 скоростей);28 - electric motor (drive 24
29, 30, 31, 32, 33 - колеса (зубчатые коробки 5 скоростей);29, 30, 31, 32, 33 - wheels (
34 - муфты (безлюфтовые для соединения приводов 12, 22, 23, 24 с соответствующими электродвигателями).34 - couplings (no backlash for connecting the
Станина стенда (фиг. 5 и фиг. 6):Stand bed (Fig. 5 and Fig. 6):
35 - лента (защиты ленточной направляющих станины 1);35 - tape (protection belt guides of the bed 1);
36 - винты (для жесткого закрепления одного конца ленты 2 защиты ленточной направляющих станины 1);36 - screws (for rigid fastening of one end of the
37 - планка (для закрепления ленты 2 посредством винтов 11);37 - bar (for fastening the
38 - винт (натяжной для второго конца ленты 2 защиты ленточной направляющих станины 1);38 - screw (tension for the second end of the
39 - поверхность (станины 1);39 - surface (bed 1);
40 - поверхность (станины 1);40 - surface (bed 1);
41, 42 - опоры (станины 1 регулируемые виброгасящие);41, 42 - supports (
43 - головка (считывающая линейного преобразователя, закрепленная на станине 1);43 - head (reading linear transducer, mounted on the base 1);
44 микровыключатели (крайних положений перемещения салазок 20 стола-салазок 2);44 microswitches (extreme positions of movement of a
45 - микровыключатель (выхода салазок стола-салазок 2 в референтную точку /т.е., в нулевую точку отсчета перемещения данного органа).45 - microswitch (output of the slide of the table-
46 - микровыключатели (аварийной остановки салазок стола-салазок 2);46 - microswitches (emergency stop sled table-sled 2);
47 - окно (для стока отработанной смазки в лоток станины 1);47 - window (for the drain of used lubricant in the bed tray 1);
48 - крышка (для транспортировочного отверстия стенда);48 - cover (for the transport opening of the stand);
Стол-салазки стенда (фиг. 7 и фиг. 8).Table-sled stand (Fig. 7 and Fig. 8).
49 - лента (ленточной защиты направляющих салазок 20 стола-салазок 2;49 - tape (tape protection of the
50 - датчик (отсчета перемещения стола 21 в виде линейного преобразователя).50 - sensor (reference movement of the table 21 in the form of a linear transducer).
Стойка 3 стенда (фиг. 9 и фиг. 10):
51 - щитки (пластинчатой /щитковой/ защиты направляющих скольжения стойки);51 - flaps (lamellar / flap / protection guides sliding racks);
52 - планки (направляющие для щитков 51);52 - strips (guides for flaps 51);
53 - электродвигатель (высокомоментный для привода 23 перемещения шпиндельной бабки 4);53 - electric motor (high torque to drive 23 move spindle head 4);
54 - кронштейны (блоков для тросов противовеса 55);54 - brackets (units for counterweight ropes 55);
55 - противовес;55 - counterweight;
56 - винты (регулировки длины тросов противовеса 55);56 - screws (adjusting the length of the counterweight cables 55);
57 - микровыключатель (для отключение перемещения шпиндельной бабки 4 в крайних верхнем и нижнем положениях);57 - microswitch (to disable the movement of the
58 - микровыключатель (аварийного отключения перемещения шпиндельной бабки 4);58 - microswitch (emergency shutdown of the movement of the spindle head 4);
59 - микровыключатель (обеспечения выхода шпиндельной бабки 4 в референтную /нулевую/ точку);59 - microswitch (to ensure the output of the
60 - линейка (датчика /в виде линейного преобразователя/ отсчета перемещений шпиндельной бабки 4);60 - ruler (sensor / in the form of a linear transducer / reference of the movements of the spindle head 4);
Шпиндельная бабка 4 стенда (фиг. 11 и фиг. 12):
61 - головка (датчика перемещений /в виде линейного преобразователя/ шпиндельной бабки 4);61 - head (displacement sensor / in the form of a linear converter / headstock 4);
62 - зажим (инструмента);62 - clamp (tool);
63 - блоки (для тросов уравновешивающего груза);63 - blocks (for cables of balancing load);
64 - пульт (управления шпиндельной бабкой 4);64 - remote control (headstock control 4);
65 - кулачок (отключения соответствующих перемещений шпиндельной бабки 4);65 - cam (turn off the corresponding movements of the spindle head 4);
66 - микровыключатель (подачи сигнала о зажатом инструменте);66 - microswitch (signal about the clamped tool);
67 - микровыключатель (подачи сигнала об отжатом инструменте);67 - microswitch (signal about the pressed tool);
68 - кулачок (для микровыключателей 66 и 67, соединенный со штоком гидроцилиндра зажима инструмента);68 — cam (for
69 - муфта (для соединения шпиндельного устройства 14 с коробкой 5 скоростей);69 - coupling (for connecting the
70 - опора (для установки двигателя 28).70 - support (for installation of the engine 28).
Коробка 5 скоростей стенда (фиг. 13 и фиг. 14):
71 - гидроцилиндр (гидросистемы для переключения диапазонов скоростей коробки 5 скоростей);71 - hydraulic cylinder (hydraulic systems for switching the speed ranges of the
72 - шток (гидроцилиндра 71);72 - rod (hydraulic cylinder 71);
73 - шарик (подпружиненный шарикового фиксатора положения штока 72);73 - ball (spring-loaded ball lock position of the rod 72);
74, 75, 76 - микровыключатели (подачи сигнала в систему ЧПУ о том, что переключение диапазона скоростей шпинделя произведено);74, 75, 76 - microswitches (signals to the CNC system that the spindle speed range was switched);
77 - отверстие (для слива смазки).77 - hole (to drain the grease).
Типовая конструкция механического шпиндельного узла 14 стенда (фиг. 15).Typical design of the
78 - гильза (типового шпиндельного узла);78 - sleeve (standard spindle assembly);
79 - шпиндель (типового шпиндельного узла);79 - spindle (standard spindle assembly);
80, 81 - роликоподшипники (прецизионные радиальные двухрядные);80, 81 - roller bearings (precision radial double row);
82 - шарикоподшипник (упорно-радиальный двухрядный);82 - ball bearing (radial-thrust two-row);
83 и 84 - гайки (для осуществления натяга подшипников);83 and 84 - nuts (for the implementation of the tension of the bearings);
85 и 86 - клеммы (для стопорения гаек 83 и 84);85 and 86 - terminals (for locking the nuts 83 and 84);
87 - пружины (тарельчатые);87 - spring (cup);
88 - толкатель;88 - pusher;
89 - цанга;89 - collet;
90 - втулка (обжима лепестков цанги 89, запирающих грибок 91);90 - sleeve (crimping
91 - грибок (инструментальной оправки);91 - fungus (tool holder);
92 - выступ (фиксирующий);92 - protrusion (locking);
Блок-схема исследуемой интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания (фиг. 16):The block diagram of the investigated intellectual system of adaptive control of the cutting process (Fig. 16):
93 - датчики (передние, пространственного положения ротор-шпинделя 100, бесконтактные, например, оптические, для контроля и измерения отклонения оси вращения ротор-шпинделя 100 /и, соответственно, радиального зазора в АМП 97 /переднем радиально-упорном/, от технологически заданного пространственного положения в процессе резания /механообработки эталонной заготовки в режиме реального времени/, в количестве двух штук, пространственно расположенных в плоскости, перпендикулярной оси вращения шпинделя шпиндельного узла со смещением один относительно другого в окружном направлении на 90° /второй датчик на фиг. 16 условно не показан, вследствие двумерного изображения схемы/);93 - sensors (front, the spatial position of the rotor-
94 - датчики (задние, положения ротор-шпинделя 100, и, соответственно, радиального зазора в АМП 98 /заднем/, бесконтактные, например, оптические, для контроля и измерения отклонения оси вращения ротор-шпинделя 100 от технологически заданного пространственного положения в процессе резания /механообработки эталонной заготовки в режиме реального времени/, в количестве двух штук, пространственно расположенных в плоскости, перпендикулярной оси вращения шпинделя шпиндельного узла со смещением один относительно другого в окружном направлении на 90° /второй датчик на фиг. 16 условно не показан, вследствие двумерного изображения схемы/);94 - sensors (rear, rotor-
95 - датчики (бесконтактные, например, оптические, для контроля частоты вращения и пространственного положения заднего конца ротор-шпинделя 100, т.е., отклонения его конца от технологически заданного пространственного положения в процессе резания /механообработки эталонной заготовки в режиме реального времени/, в количестве двух штук, пространственно расположенных в плоскости, перпендикулярной оси вращения шпинделя шпиндельного узла со смещением один относительно другого в окружном направлении на 90° /второй датчик на фиг. 16 условно не показан, вследствие двумерного изображения схемы/);95 - sensors (contactless, for example, optical, to control the rotational speed and the spatial position of the rear end of the rotor-
96 - датчики (бескконтактные, например, оптические, для контроля пространственного положения переднего конца инструментальной оправки, т.е., измерения пространственного отклонения оси вращения конца инструментальной оправки (за счет изгиба и вибраций) от ее технологически заданного пространственного положения в процессе резания /механообработки эталонной заготовки в режиме реального времени/, в количестве двух штук, пространственно расположенных в плоскости, перпендикулярной оси вращения шпинделя шпиндельного узла со смещением один относительно другого в окружном направлении на 90° /второй датчик на фиг. 16 условно не показан, вследствие двумерного изображения схемы/);96 - sensors (contactless, for example, optical, for monitoring the spatial position of the front end of the tool holder, i.e., measuring the spatial deviation of the axis of rotation of the end of the tool holder (due to bending and vibrations) from its technologically specified spatial position during cutting / machining reference blank in real time /, in the amount of two pieces, spatially located in a plane perpendicular to the axis of rotation of the spindle of the spindle assembly with one offset . In relative each other in the circumferential direction by 90 ° / second sensor in FIG 16 is not shown, circuits /) due to the two-dimensional image;
97 - подшипник (активный магнитный /АМП/, передний, радиально-упорный);97 - bearing (active magnetic / AMP /, front, angular contact);
98 - подшипник (активный магнитный /АМП/, задний, радиальный);98 - bearing (active magnetic / AMP /, rear, radial);
99 - электромотор (асинхронный);99 - electric motor (asynchronous);
100 - ротор-шпиндель (шпиндельного узла в виде электрошпинделя);100 - rotor-spindle (spindle assembly in the form of an electrical spindle);
101 - преобразователь (аналого-цифровой, /АЦП/);101 - converter (analog-digital, / ADC /);
102 - преобразователь (цифро-аналоговый /ЦАП/);102 - converter (digital-analog / D / A);
103 - усилитель (мощности по току);103 - amplifier (power over current);
104 - контроллер (цифровой управления интеллектуальной системой адаптивного управления процессом резания);104 - controller (digital control of the intelligent system of adaptive control of the cutting process);
105 - преобразователь (аналого-цифровой, /АЦП/);105 - converter (analog-digital, / ADC /);
106 - контроллер (цифровой управления электромотором 99);106 - controller (digital control of the electric motor 99);
107 - подсистема (измерения и регистрации пространственного положения конца инструментальной оправки);107 — subsystem (measuring and recording the spatial position of the end of the tool holder);
108 - система (числового программного управления /ЧПУ/ испытательного стенда);108 - system (numerical control / CNC / test bench);
109 - преобразователь (аналого-цифровой, /АЦП/)109 - converter (analog-digital, / ADC /)
Типовая конструкция шпиндельного узла в виде электрошпинделя/моторшпинделя/ - фиг. 19:The typical design of the spindle assembly in the form of an electric spindle / motorspindle / - FIG. nineteen:
110 - устройство (зажима инструмента);110 - device (tool clamping);
111 - подшипники (гибридные керамические);111 - bearings (hybrid ceramic);
112 - фланец;112 - flange;
113 - щетки (антистатические);113 - brushes (antistatic);
114 - средство (гидравлического разжима инструмента);114 - tool (hydraulic unclenching tool);
115 - датчики (контроля положения шпинделя /ротора/);115 - gauges (spindle / rotor position monitoring);
116 - датчик (контроля положения поршня);116 - sensor (control position of the piston);
117 - дренаж117 - drainage
118 - средство (автоматической компенсации осевого расширения шпиндельного вала /шпинделя/);118 means (automatic compensation of axial expansion of the spindle shaft / spindle /);
119 - датчики (измерения температуры гибридных керамических подшипников 111);119 - sensors (temperature measurement of hybrid ceramic bearings 111);
120 - регистратор (данных);120 - recorder (data);
121 - датчик (вибраций ротора электрошпинделя);121 - sensor (rotor vibrations of the electrical spindle);
122 - конфигурация (установки подшипников для оптимально высокой осевой жесткости);122 - configuration (installation of bearings for optimally high axial stiffness);
123 - средство (для обеспечения гидравлического преднатяга);123 — means (for providing hydraulic preload);
124 - энкодер (для векторного контроля и пространственной ориентации ротора /шпинделя/ электрошпинделя /шпиндельного узла);124 - encoder (for vector control and spatial orientation of the rotor / spindle / electric spindle / spindle assembly);
125 - устройство (подачи смазочно-охлаждающей жидкости /СОЖ/ через центр шпинделя /ротора электрошпинделя/);125 - device (supply of coolant / coolant / through the center of the spindle / rotor of the electric spindle /);
126 - удлинение (шпинделя /ротора электрошпинделя/);126 - elongation (spindle / rotor of the electrospindle /);
Конструкция стенда для испытания (исследования) интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках включает следующие основные и вспомогательные конструктивно-технологические механизмы, узлы и системы (см. фиг. 1-фиг. 16).The design of the test bench (research) of the intelligent system of adaptive control of the cutting process on metal-cutting machines includes the following main and auxiliary structural and technological mechanisms, components and systems (see Fig. 1-Fig. 16).
Базовую мехатронную структуру с системой 19 (фиг. 3) или 108 (фиг. 16) числового программного управления (ЧПУ), включающей аппаратную платформу с технологически заданным программным обеспечением, и шпиндельным узлом 14 с активными магнитными подшипниками (АМП) 97 и 98, функционально являющимися передней и задней опорами ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла, а также с закрепленной на рабочем конце ротор-шпинделя 100 инструментальной оправкой. Шпиндельный узел 14 конструктивно сформирован с возможностью размещения в концевых зонах его ротор-шпинделя 100 и, соответственно, зонах расположения АМП 97 и 98, контрольно-измерительных структур в виде двух пар бесконтактных датчиков 93 и 94 пространственного положения оси ротор-шпинделя 100 и, соответственно, зазора в АМП 93 и 94. Упомянутые структуры, устанавливаются в плоскостях, перпендикулярных оси вращения ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла 14 парами, со смещением один относительно другого на 90° в окружном направлении в каждой паре и функционально являются средствами регистрации и передачи данных в упомянутую систему 19 (фиг. 3) или 108 (фиг. 16) ЧПУ посредством аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователей 101, 105, 109 и 102, соответственно, исследуемой интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания.The basic mechatronic structure with system 19 (Fig. 3) or 108 (Fig. 16) of numerical control (CNC), including a hardware platform with technologically specified software, and
Стенд также включает средство нагружения ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла 14 внешней нагрузкой, соответствующей рабочей нагрузке в реальных условиях эксплуатации шпиндельного узла 14 в виде электрошпинделя с ротор-шпинделем 100, установленным на опорах с АМП 97 и 98.The stand also includes a means of loading the rotor-
Средством нагружения ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла 14 (в виде электрошпинделя) упомянутой внешней нагрузкой функционально является закрепленная на рабочем конце ротор-шпинделя 100 инструментальная оправка, за счет восприятия ею действительных рабочих динамических нагрузок от инструмента в процессе реальной механической лезвийной обработки эталонного образца заготовки в реальном масштабе времени испытания вышеупомянутой интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания.The means of loading the rotor-
Корпусная сборочная единица непосредственно шпиндельного узла 14 в виде электрошпинделя оснащена, также, средствами для размещения в зоне рабочего конца установленной в ней инструментальной оправки, а также, в зоне заднего конца ротор-шпинделя 100, двух пар дополнительных бесконтактных датчиков 96 и 95, соответственно. Упомянутые средства конструктивно выполнены с возможностью обеспечения установки упомянутых датчиков 96 и 95, в каждой паре, в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла 14 со смещением один относительно другого на 90° в окружном направлении. Датчики 96 и 95 функционально являются средствами регистрации и контроля пространственного положения конца инструментальной оправки, а значит - пространственного положения непосредственно инструмента, и заднего конца ротор-шпинделя 100, соответственно, коммутативно связанными через соответствующие преобразующие структуры исследуемой интеллектуальной системы адаптивного управления с программно-аппаратной платформой упомянутой системы 19 (фиг. 3) или 108 (фиг. 16) ЧПУ.The body assembly unit of the
Передняя опора шпиндельного узла 14 выполнена в виде радиально-упорного АМП 97.The front
Базовая мехатронная структура конструктивно организована на основе трехкоординатного металлорежущего станка особо высокой точности (т.е., класса точности С) с системой 19 (фиг. 3) или 108 (фиг. 16) ЧПУ и вертикальным расположением оси ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла 14.The basic mechatronic structure is structurally organized on the basis of a three-coordinate metal-cutting machine of especially high accuracy (i.e., accuracy class C) with system 19 (Fig. 3) or 108 (Fig. 16) CNC and vertical arrangement of the rotor-
Упомянутый станок включает управляемые посредством системы 19 (фиг. 3) или 108 (фиг. 16) ЧПУ вспомогательные функциональные системы, а также следующие основные конструктивные узлы:The mentioned machine includes managed by the system 19 (Fig. 3) or 108 (Fig. 16) CNC auxiliary functional systems, as well as the following main structural units:
- станину 1 с плоской и V-образной направляющими, поверхности которых оснащены текстолитовым покрытием, а также имеют средства защиты от загрязнения в виде ленточной структуры со средством регулировки натяжения ленты 35;-
- установленные на направляющих станины 1 салазки 20 стола-салазок 2 с управляемым системой ЧПУ прецизионным приводом 22 их перемещения, при этом, верхние направляющие салазок 20 (предназначенные для установки стола 21, также оснащенного управляемым системой 19 /фиг. 3/ или 108 /фиг. 16/ ЧПУ прецизионным приводом его перемещения) выполнены конструктивно идентично вышеописанным направляющим станины 1 и также оснащены аналогичным средством защиты от загрязнения в виде ленточной структуры со средством регулировки натяжения ленты; данная ленточная структура, конструктивно-пространственно организована с возможностью обеспечения регулировки натяга прижатия направляющих стола 21 стола-салазок 2 к ответным направляющим с текстолитовым покрытием салазок 20, за счет охвата упомянутой лентой роликов, смонтированных в салазках 20 стола-салазок 2;- mounted on the guides of the
- вертикальную стойку 3 с передними и задними направляющими и установленную на передних направляющих стойки 3 шпиндельную бабку 4 с управляемым системой 19 (фиг. 3) или 108 (фиг. 16) ЧПУ прецизионным приводом 23 ее перемещения, конструктивно включающую в себя коробку 5 скоростей и шпиндельный узел 14, размещенный в конструктивной структуре средства для установки шпиндельного узла 14 в шпиндельной бабке 4; при этом шпиндельная бабка 4 оснащена уравновешивающими грузами - противовес 55, установленными с возможностью рабочего перемещения по задним направляющим стойки 3 посредством регулируемых по длине гибких связей, концы которых закреплены на корпусе шпиндельной бабки 4 и, соответственно, на уравновешивающих грузах (противовесе 55), а задние направляющие стойки 3 оснащены средством их защиты от загрязнения в виде пластинчатой телескопической структуры;- a
- кроме того, структура средства для установки шпиндельного узла 14 в шпиндельной бабке 4 конструктивно сформирована с возможностью установки на шпиндельной бабке 4 как шпиндельного узла 14 в виде типового механического шпиндельного узла (фиг. 15), так и шпиндельного узла мехатронного типа, выполненного в виде электрошпинделя с АМП (фиг. 16, фиг. 18 - фиг. 21), оснащенного вышеупомянутами контрольно-измерительными структурами на основе соответствующих датчиков 93, 94, 95, 96 пространственного положения оси вращения его ротор-шпинделя 100.- in addition, the structure of the means for mounting the
Оптимально, чтобы вышеупомянутые прецизионные приводы перемещения основных конструктивных узлов стенда были бы выполнены в виде передачи ходовой винт - гайка качения и были бы оснащены электродвигателями, преимущественно, серводвигателями.Optimally, the aforementioned precision drives for moving the main structural components of the stand would be made in the form of a drive screw - rolling gear transmission and would be equipped with electric motors, mainly servo motors.
Целесообразно, чтобы упомянутые взаимоподвижные основные конструктивные узлы были бы оснащены: средствами автоматического отключения их прецизионных приводов в крайних положениях; средствами автоматического аварийного отключения этих приводов; автоматическими средствами обеспечения выхода в референтную точку - то есть, в нулевую точку отсчета движения соответствующего узла; средствами для отсчета перемещения соответствующих узлов, выполненными в виде линейных преобразователей, коммутативно связанных с системой ЧПУ.It is advisable that the mentioned mutually movable basic structural units would be equipped with: means for automatically turning off their precision drives in extreme positions; means of automatic emergency shutdown of these drives; automatic means to ensure access to the reference point - that is, to the zero point of reference of the movement of the corresponding node; means for counting the movement of the corresponding nodes, made in the form of linear transducers, commutatively connected with the CNC system.
Шпиндельный узел может быть выполнен, например, в виде электрошпинделя модели «IBAG 200 МА 40К».The spindle unit can be made, for example, in the form of an electrical spindle of the “IBAG 200 MA 40K” model.
Как правило, вышеупомянутые вспомогательные функциональные системы стенда должны быть выполнены в виде:As a rule, the aforementioned auxiliary functional systems of the stand should be made in the form:
- гидросистемы, функционально являющейся средством отжима инструмента в шпинделе, переключения диапазонов скоростей привода главного движения стенда, смазки коробки скоростей и подачи масла в систему централизованной периодической смазки;- the hydraulic system, which is functionally a means of pressing the tool in the spindle, switching the speed ranges of the main drive of the stand, lubricating the gearbox and supplying oil to the centralized system of periodic lubrication;
- системы централизованной смазки, функционально являющейся средством периодической централизованной смазки: на стойке - подшипников ходового винта перемещения шпиндельной бабки; на станине - подшипников ходового винта перемещения салазок стола-салазок; на шпиндельной бабке - гайки ходового винта перемещения шпиндельной бабки по направляющим и обратных планок; на салазках стола-салазок - подшипников ходового винта перемещения стола, гайки ходового винта перемещения салазок, направляющих пары салазки-станина; на столе - гайки ходового винта перемещения стола, направляющих стол-салазки;- centralized lubrication systems, functionally being a means of periodic centralized lubrication: on the rack - bearings of the spindle moving the headstock; on the frame - bearings of the lead screw for moving the sled of the sled-table; on the headstock - spindle nuts move the headstock along the guides and reverse slats; on the sled of the sled table - bearings of the lead screw for moving the table, nuts for the running screw for moving the sled, guides the pairs of the sled-bed; on the table - the lead screw for moving the table, guides the table-sled;
- системы пневмооборудования, функционально являющейся средством охлаждения шпиндельного узла;- pneumatic equipment system, functionally being a means of cooling the spindle assembly;
Гидросистема, в разумном исполнении, должна быть выполнена в виде конструктивно и технологически взаимосвязанных:The hydraulic system, in reasonable performance, should be made in the form of a constructive and technologically interconnected:
- гидростанции (например, типа СВ-М5А-40-Н-1,1-3-6,3), включающей: насос, фильтр, аккумулятор, реле давления, гидроблок с аппаратурой модульного типа;- hydraulic stations (for example, type CB-M5A-40-H-1.1-3-6.3), including: pump, filter, accumulator, pressure switch, hydraulic unit with modular equipment;
- гидроаппаратуры, установленной на стенде;- hydraulic equipment installed on the stand;
- исполнительных органов в виде гидроцилиндра переключения скоростей и гидроцилиндра отжима инструмента.- executive bodies in the form of a hydraulic cylinder for switching speeds and a hydraulic cylinder for pressing the tool.
Система централизованной смазки, как правило, включает: распределитель; клапан редукционный; центральный питатель, в состав которого входит узел со штоком-индикатором, функционально являющийся средством контроля работы упомянутого питателя визуально и автоматически; микропереключатель; вторичные питатели, которые расположены на салазках, на столе, на стойке и на шпиндельной бабке.The system of centralized lubrication, as a rule, includes: distributor; pressure reducing valve; the central feeder, which includes a node with a rod-indicator, functionally being a means of controlling the work of said feeder visually and automatically; microswitch; secondary feeders, which are located on the sled, on the table, on the rack and on the spindle headstock.
Система пневмооборудования, как правило, включает: компрессор с ресивером, станцию осушения и охлаждения воздуха, а также панель подготовки воздуха и пневмораспределители.The system of pneumatic equipment, as a rule, includes: a compressor with a receiver, an air drying and cooling station, as well as an air preparation panel and pneumatic distributors.
Стенд устанавливается на фундаменте на четырех регулируемых виброгасящих опорах 41, 42 что обеспечивает необходимые динамические характеристики в соответствии с техническими условиями.The bench is installed on the foundation on four adjustable vibration-suppressing
Более детальное описание основных узлов стенда приведено ниже.A more detailed description of the main components of the stand is given below.
Базовая структура стенда включает: станину 1; стол-салазки 2 (с взаимоподвижными салазками 20 и столом 21); стойку 3 вертикальную; бабку 4 шпиндельную; коробку 5 скоростей (шпиндельной бабки 4); гидроцилиндр 6 переключения скоростей (коробки 5 скоростей); шпиндельный узел 14 (в, частности, типовой механический); гидроцилиндр 7 отжима инструмента шпиндельного узла 14; кожух 8 защиты гидроцилиндра 7 отжима инструмента; кронштейн 9 для уравновешивающего груза-противовеса 55; станцию 10 СОЖ; передачу 11 ходовой винт-гайка качения привода 12; привод 12 перемещения стола 21 стола-салазок 2; ограждение 13 рабочей зоны стола-салазок 2; 15 - ящик 15 для инструмента; стол 16 универсальный; гидростанцию 17; электрошкаф 18; систему 19 ЧПУ с пультом управления.The basic structure of the stand includes:
Базовая структура стенда оснащена отечественной системой ЧПУ FlexNC, которая позволяет контролировать параметры процесса лезвийной обработки и организовывать адаптивное управление в соответствии заданными технологическими характеристиками.The basic structure of the stand is equipped with a domestic CNC system FlexNC, which allows you to control the parameters of the blade processing process and organize adaptive control in accordance with the specified technological characteristics.
Конструкция станины 1 показана в графических материалах на фиг. 5 и фиг 6.The construction of the
Станина 1 выполнена в виде элемента коробчатой формы с внутренними ребрами жесткости. В верхней части станины 1 расположены V-образная и плоская горизонтальные направляющие скольжения для салазок 20 стола-салазок 2. Ответные рабочие поверхности V-образной и плоской формы горизонтальных направляющих скольжения салазок 20 стола-салазок 2 оснащены фторопластовым покрытием (например, в виде наклеенных полос из фторопласта), что обеспечивает плавность перемещения салазок 20 стола-салазок 2 по направляющим станины 1.The
Направляющие станины 1 защищены от попадания грязи и стружки ленточной защитой в виде ленты 35.The
На станине 1, с одного из ее торцев, лента 35 ленточной защиты закреплена жестко винтами 36 через планку 37, другой конец ленты 35 натягивается регулировочным натяжным винтом 38. Лента 35 огибает ролики, смонтированные в салазках 20 стола-салазок 2. Стружка со стола 21 стола-салазок 2 попадает на поверхности 39 и 40 станины 1, откуда удаляется вручную (щеткой). Утечки масла с направляющих стойки 3, опор ходового винта, направляющих салазок 20 и стола 21 стола-салазок 2 сливаются через окно 47 в станине 1 и собираются в лоток.On the
Между направляющими станины 1 установлен привод 22 перемещения салазок 20 стола-салазок 2. Привод 22 состоит из пары ходовой винт-гайка качения, соединенной безлюфтовой муфтой с высокомоментным электродвигателем мод. АИР M100L4Y2.Between the guides of the
Благодаря этому обеспечивается весь диапазон подач рассматриваемых взаимоподвижных узлов без применения редукторов. Ходовой винт установлен в двух опорах на подшипниках качения.This ensures the entire range of feeds considered mutually movable nodes without the use of gearboxes. The lead screw is installed in two bearings on rolling bearings.
Для отсчета перемещения салазок 20 стола-салазок 2 применен датчик в виде линейного преобразователя. Линейка датчика закреплена на салазках 20 стола-салазок 2, считывающая головка 43 - на станине 1. Координата фактического положения подвижного органа (салазок 20) высвечивается на экране устройства 19 ЧПУ базовой структуры (стенда).To count the movement of the slide of the table-
Для отключения перемещения салазок 20 стола-салазок 2 в крайних положениях, установлены по 2 микровыключателя: микровыключатели 44 - для отключения перемещения салазок 20 в их крайних положениях; микровыключатели 46 - для аварийного отключения привода 22 перемещения салазок 20 стола-салазок 2.To disable the movement of the slide of the table-2
Микровыключатель 45 обеспечивает выход салазок 20 в референтную точку (т.е. в нулевую точку отсчета движения данного органа стенда).The
В корпусе станины 1 предусмотрены два сквозных отверстия для транспортировки стенда. Отверстия закрыты крышками 48.In the case of the
Конструкция стола-салазок 2 показана в графических материалах на фиг. 7 и фиг 8.The design of the sled table 2 is shown in the graphic materials in FIG. 7 and FIG. 8.
Стол 21 стола-салазок 2 имеет прямоугольную форму, на рабочей поверхности стола 21 прорезаны Т-образные пазы для закрепления заготовки. Стол 21 устанавливается на салазках 20 стола-салазок 2.Table 21 of the table-
Привод 12 перемещения стола 21 аналогичен приводу перемещения салазок 20 стола-салазок 2 (см. в предыдущем разделе "описание конструкции станины").The
Стол 21 перемещается по направляющим салазок 20 стола-салазок 2. Применяемые в стенде направляющие скольжения дают возможность плавно, без рывков перемещать стол 21 и салазки 20 стола-салазок 2.The table 21 moves along the guides of the
Направляющие скольжения стола 21 оснащены ленточной защитой в виде ленты 49 от попадания грязи и стружки. Принцип защиты направляющих стола 21 тот же, что и направляющих салазок 20 стола-салазок 2 и описан в предыдущем разделе "описание конструкции станины". Лента 49 ленточной защиты направляющих стола 21 имеет и другое назначение - она функционально является и средством поджима поверхности направляющих стола 21 к поверхности направляющих салазок 20. Натяжением ленты 49 посредством регулировочных винтов осуществляется поджим стола 21 к салазкам 20 стола-салазок.The slide guides of the table 21 are equipped with tape protection in the form of a
Для отключения перемещения стола 21 в крайних положениях и перевода его в референтную точку (т.е. в нулевую точку отсчета движения данного органа стенда) установлены микровыключатели (в графических материалах позициями условно не обозначены).To turn off the movement of the table 21 in extreme positions and transfer it to the reference point (i.e., to the zero point of reference of the movement of this stand body), microswitches (conventionally not indicated in the graphic materials).
Принцип работы микровыключателей аналогичен работе микровыключателей описанных в предыдущем разделе "описание конструкции станины".The principle of operation of microswitches is similar to the operation of microswitches described in the previous section, "description of the bed construction".
Для отсчета перемещения стола 21 применяется датчик 50 в виде линейного преобразователя. Линейка датчика 50 закреплена на столе 21, считывающая головка - на салазках 20 стола-салазок 2.To count the movement of the table 21 is used, the
Конструкция стойки 3 показана в графических материалах на фиг. 9 и фиг. 10.The structure of the
Стойка 3 представляет собой коробчатую отливку с вертикальными V-образной и плоской направляющими скольжения для перемещения шпиндельной бабки 4. Для предотвращения попадания грязи на направляющие скольжения предусмотрена пластинчатая (щитковая) телескопическая защита. Щитки 51 защиты скользят по пазам планок 52. В верхней части стойки установлен высокомоментный двигатель 53 ДАТ100-4,0-1500-У2, кинематически связанный посредством муфты с ходовым винтом привода 23 перемещения шпиндельной бабки 4. Опоры ходового винта закреплены на стойке 3. Гайка ходового винта привода 23 закреплена на шпиндельной бабке 4.The
Кроме того, имеются два кронштейна 54 с блоками для скольжения тросов, к которым подвешивается противовес 55, предназначенный для уравновешивания шпиндельной бабки 4.In addition, there are two
Противовес 55 перемещается внутри стойки 3. Для получения равной длины обоих тросов имеются регулировочные винты 56. Отключение движения шпиндельной бабки 4 в крайних положениях осуществляется микровыключателями 57, 58, 59.The
Микровыключатели 57 - предназначены для отключение перемещения шпиндельной бабки 4 в крайних верхнем и нижнем положениях. Микровыключатели 58 - предназначены для аварийного отключения перемещения шпиндельной бабки 4. Микровыключатели 59 - обеспечивают выход шпиндельной бабки 4 в референтную (нулевую) точку.Microswitches 57 - are designed to disable the movement of the
Для отсчета перемещений шпиндельной бабки 4 используется линейный преобразователь, линейка 60 которого закреплена на стойке 3.To count the movements of the
Конструкция шпиндельной бабки 4 показана в графических материалах на фиг. 11 и фиг. 12.The design of the
Шпиндельная бабка 4 перемещается в вертикальном направлении по направляющим стойки 3 с помощью привода 23 конструктивно организованного в виде передачи ходовой винт-гайка качения. Ходовой винт смонтирован в опорах, установленных на стойке 3, гайка качения закреплена на корпусе шпиндельной бабки 4. Отсчет перемещений шпиндельной бабки 4 производится датчиком в виде линейного преобразователя, линейка которого закреплена на стойке 3, а головка 61 установлена на шпиндельной бабке 4.
В шпиндельную бабку 4 входят следующие основные узлы: шпиндельное устройство 14, зажим 62 инструмента, коробка 5 скоростей. По блокам 63 перемещаются тросы, на которых висит уравновешивающий груз противовес 55 шпиндельной бабки 4. На фронтальной стороне шпиндельной бабки 4 расположен пульт 64 управления.The
Для отключения перемещения шпиндельной бабки 4 в крайних положениях на корпусе шпиндельной бабки 4 закреплен кулачок 65.To disable the movement of the
Микровыключатели 57, 58 и 59 установлены на стойке 3 (см. фиг. 9).
Отключение движения шпиндельной бабки 4 в крайних положениях осуществляется микровыключателями 57, 58, 59 (см. фиг. 9).The shutdown of the
Микровыключатели 57 - предназначены для отключение перемещения шпиндельной бабки 4 в крайних верхнем и нижнем положениях. Микровыключатели 58 - предназначены для аварийного отключения перемещения шпиндельной бабки 4. Микровыключатели 59 - обеспечивают выход шпиндельной бабки 4 в референтную (нулевую) точку.Microswitches 57 - are designed to disable the movement of the
Микровыключатели 66 и 67 предназначены для подачи сигнала об отжатом или зажатом инструменте.Microswitches 66 and 67 are designed to signal the pressed or clamped instrument.
Если кулачок 68, соединенный со штоком гидроцилиндра зажима инструмента, нажимает на микровыключатель 66 - инструмент зажат, если кулачок 68 нажимает на микровыключатель 67 - инструмент отжат.If the
Шпиндельный узел 14 соединяется с коробкой 5 скоростей гибкой безлюфтовой муфтой 69.The
Привод главного движения (вращение шпинделя) осуществляется от высокомоментного электродвигателя 28 модели ДАТ100-4,0-1500-У2, установленного на опоре 70.The main drive (spindle rotation) is driven from a high-
Конструкция коробки 5 скоростей показана в графических материалах на фиг. 13 и фиг. 14.The design of the
Коробка 5 скоростей обеспечивает два диапазона чисел оборотов выходного вала, соединенного непосредственно со шпинделем шпиндельного узла 14. Переключение с диапазона на диапазон осуществляется от гидросистемы с помощью гидроцилиндра 71.
Подавая давление в нижнюю или верхнюю часть гидроцилиндра 71 получаем три положения штока 72. Эти положения фиксируются подпружиненным шариком 73 шарикового фиксатора.By applying pressure to the lower or upper part of the
Верхний диапазон чисел оборотов шпинделя 79 достигается введением в зацепление зубчатого колеса 30 с зубчатым колесом 31.The upper range of numbers of revolutions of the
Диапазон чисел оборотов 6,3…800 достигается введением в зацепление зубчатого колеса 32 с зубчатым колесом 33. При среднем положении зубчатого колеса 30, когда оно выведено из зацепления с зубчатым колесом 31 и не введено в зацепление с зубчатым колесом 33, передачи вращения на шпиндель 79 нет. В пределах каждого диапазона изменение чисел оборотов - бесступенчатое от привода постоянного тока.The speed range 6.3 ... 800 is achieved by introducing into gearing the
Верхний, нижний диапазоны скоростей вращения шпинделя 79 и среднее положение (нулевое) фиксируются микровыключателями 74, 75, 76. Микровыключатели 74, 75, 76 подают сигнал в систему 19 ЧПУ о том, что переключение диапазона скоростей шпинделя 79 произведено.The upper, lower ranges of spindle speeds 79 and the middle position (zero) are fixed by
Смазка зубчатых колес и подшипников коробки 5 скоростей осуществляется централизовано поливом от системы смазки. Слив масла из коробки 5 скоростей осуществляется через отверстие 77 в полость корпуса шпиндельной бабки 4, откуда оно сливается в гидростанцию. Частота вращения шпинделя 79 задается на пульте управления ЧПУ. Система 19 ЧПУ дает сигнал на включение гидравлики и в соответствующую полость гидроцилиндра 71 подается под давлением масло.Lubrication of gears and bearings of the
Конструкция типового механического шпиндельного узла 14 показана в графических материалах на фиг. 15.The design of a typical
Механический шпиндельный узел 14 устанавливается в корпусе шпиндельной бабки 4 и крепится к ней винтами.
Механический шпиндельный узел 14 состоит из неподвижной гильзы 78 и шпинделя 79. В качестве опор шпинделя 79 использованы прецизионные радиальные двухрядные роликоподшипники 80 и 81, а для восприятия осевых усилий - упорно-радиальный двухрядный шарикоподшипник 82 с углом контакта 60°. Натяг подшипников производится с помощью гаек 83 и 84. Фиксация гаек от самопроизвольного откручивания осуществляется клеммами 85 и 86. Подшипники смазываются консистентной смазкой. Для предотвращения случайного попадания жидкой смазки из коробки 5 скоростей в подшипники шпиндельного устройства 14 предусмотрены лабиринтные и резиновые уплотнения.The
Устройство зажила инструмента смонтировано внутри шпинделя 79. Зажим инструмента осуществляется тарельчатыми пружинами 87.The device healed tool is mounted inside the
При зажиме, тарельчатые пружины 87 передают осевое усилие через толкатель 88 цанге 89, лепестки которой, заходят во втулку 90 сжимаются и запирают грибок 91, ввернутый в инструментальную оправку. Коническая посадочная поверхность инструментальной оправки подтягивается к ответной конической поверхности шпинделя 79. Усилие зажима инструмента Р=7000 Н. Для предотвращения проворота инструмента в шпинделе 79, в процессе обработки детали, на торце шпинделя 79 имеются два фиксирующих выступа 92.When clamping, the cup springs 87 transmit an axial force through the
Вспомогательные системыAuxiliary systems
Гидросистема стенда выполняет следующие функции:Stand hydraulic system performs the following functions:
- отжим инструмента в шпинделе;- spin tool in the spindle;
- переключение диапазонов скоростей привода главного движения стенда;- switching the speed ranges of the main drive of the stand;
- смазка коробки скоростей;- grease gear box;
- подача масла в систему централизованной периодической смазки.- oil supply to the system of centralized periodic lubrication.
Гидросистема стенда состоит из:Stand hydraulic system consists of:
- гидростанции;- hydro;
- гидроаппаратуры, установленной на стенде;- hydraulic equipment installed on the stand;
- исполнительных органов: гидроцилиндра переключения скоростей, гидроцилиндра отжима инструмента.- executive bodies: hydraulic cylinders for switching speeds, hydraulic cylinders for pressing the tool.
В гидросистеме стенда использована гидростанция СВ-М5А-40-Н-1,1-3-6,3.Hydraulic station CB-M5A-40-H-1.1-3-6.3 is used in the hydraulic system of the stand.
Основные узлы гидростанции: насос, фильтр, аккумулятор, реле давления, гидроблок с аппаратурой модульного типа.The main components of the hydraulic station: pump, filter, accumulator, pressure switch, hydraulic unit with modular equipment.
Гидросистема работает на масле ИГП-20 ТУ38 101798-79.The hydraulic system works on oil IGP-20 TU38 101798-79.
В гидросистему масло подается от насоса производительностью 3 л/мин, через фильтр. Давление регулируется предохранительным клапаном и контролируется манометром при включении тумблера. После измерения давления тумблер выключают.Oil is supplied to the hydraulic system from a pump with a capacity of 3 l / min, through a filter. Pressure is regulated by a safety valve and controlled by a pressure gauge when the toggle switch is turned on. After measuring the pressure switch toggle off.
Питание гидросистемы и системы централизованной смазки осуществляется от аккумулятора, который начинает заряжаться при включении насоса и электромагнита гидрораспределителя.The power supply of the hydraulic system and the centralized lubrication system is carried out from the battery, which starts charging when the pump and the hydraulic distributor electromagnet are turned on.
Описание работы смазочной системы.Description of the lubrication system.
Система предназначена для периодической централизованной смазки:The system is designed for periodic centralized lubrication:
- на стойке 3 - подшипников ходового винта перемещения шпиндельной бабки 4;- on the rack 3 - the bearings of the spindle movement of the
- на станине 1 - подшипников ходового винта перемещения салазок 20;- on the base 1 - bearings of the lead screw for moving the
- на шпиндельной бабке 4 - гайки ходового винта перемещения шпиндельной бабки 4, на направляющих и обратных планок;- on the spindle headstock 4 - the nuts of the spindle screw for moving the
- на салазках-подшипников ходового винта перемещения стола, гайки ходового винта перемещения салазок, направляющих салазки-станина;- on the sled-bearings of the chassis movement of the table, the nut of the chassis screw of movement of the sled, guides of the sled-bed;
- на столе - гайки ходового винта перемещения стола, направляющих стол-салазки.- on the table - the lead screw of the displacement of the table, guides the table-sled.
Питание системы смазки осуществляется от гидросистемы станка. Блок управления системой смазки включает в себя распределитель, клапан редукционный, центральный питатель, в комплект которого входит узел со штоком-индикатором, позволяющий контролировать его работу визуально и автоматически, микропереключатель, вторичные питатели, расположенные на салазках, на столе, на стойке, на шпиндельной бабке.The lubrication system is powered by the hydraulic system of the machine. The control unit of the lubrication system includes a distributor, a reducing valve, a central feeder, complete with a node with a rod indicator, which allows to control its operation visually and automatically, a microswitch, secondary feeders located on the slide, on the table, on the rack, on the spindle grandmother.
Система работает следующим образом: с помощью системы 19 ЧПУ включается электромагнит гидрораспределителя. Масло от насоса начинает поступать к центральному питателю, секции которого подают смазку к вторичным питателям, а от них к смазываемым точкам. После отсчета необходимого количества ходов штока-индикатора центрального питателя, т.е числа импульсов, электромагнит отключается и подача масла прекращается.The system works as follows: using the
Через необходимый интервал времени система ЧПУ повторно включает электромагнит и вновь происходит смазка. Если шток-индикатор делает недостаточное или чрезмерное число ходов, то на пульте станка индикатируется авария смазки.After the required time interval, the CNC re-activates the electromagnet and lubricates again. If the stock indicator makes an insufficient or excessive number of strokes, a lubrication failure is indicated on the machine control panel.
Пневмооборудование стенда предназначено для охлаждения шпинделя 79 стенда.The pneumatic equipment of the stand is designed to cool the
Пневмооборудование стенда состоит из компрессора с ресивером, станции осушения и охлаждения воздуха, а также панели подготовки воздуха и пневмораспределителей.The pneumatic equipment of the stand consists of a compressor with a receiver, a dehumidification and air cooling station, as well as an air preparation panel and pneumatic distributors.
Для проведения испытаний экспериментального образца интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках с электрошпинделем, помимо установки на стенде механического шпиндельного узла 14 реализована возможность установки мехатронного шпиндельного узла (электрошпинделя /моторшпинделя/), преимущественно, модели «IBAG HF 200 MA 40 K» (см. фиг. 20 и фиг. 21).To test an experimental model of an intelligent adaptive process control system on a metal-cutting machine with an electrical spindle, in addition to installing a
Кроме того, конструктивное формирование структуры средства для установки шпиндельного узла 14 в шпиндельной бабке 4 с возможностью установки на шпиндельной бабке 4 как шпиндельного узла 14 в виде типового механического шпиндельного узла (фиг. 15), так и шпиндельного узла мехатронного типа, выполненного в виде электрошпинделя с АМП (фиг. 16, фиг. 18 - фиг. 21), оснащенного вышеупомянутами контрольно-измерительными структурами на основе соответствующих датчиков 93, 94, 95, 96 пространственного положения оси вращения его ротор-шпинделя 100, позволяет осуществлять сравнительный анализ параметров обработки реальных идентичных эталонных заготовок с использованием того или иного шпиндельного узла 14.In addition, the constructive formation of the structure of the means for installing the
Интеллектуальная система адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках со шпиндельным узлом с активными магнитными подшипниками, исследуемая посредством патентуемого стенда, включает следующие функционально-технологические структуры (фиг. 16):The intelligent system of adaptive control of the cutting process on metal-cutting machines with a spindle assembly with active magnetic bearings, investigated by means of a patented test bench, includes the following functional and technological structures (Fig. 16):
- базовую пространственно регулируемую электромеханическую структуру в виде шпиндельного узла, ротор-шпиндель 100 которого установлен на опорах с активными магнитными подшипниками - АМП 97 и 98 с возможностью управления его пространственным положением через контуры регистрации, управления и регулирования посредством системы 108 числового программного управления - ЧПУ, структурно организованной в виде аппаратной платформы, оснащенной технологически заданным программным обеспечением и коммутативно взаимодействующей с упомянутыми контурами системы адаптивного управления;- basic spatially adjustable electromechanical structure in the form of a spindle unit, the rotor-
- размещенную в зоне ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла, и, соответственно, в зоне расположения его активных магнитных подшипников 97 и 98, двухканальную контрольно-измерительную структуру в виде двух пар бесконтактных датчиков 93 и 94, функционально являющуюся контуром регистрации, каналы которого функционально организованы с возможностью осуществления (при посредстве аналаго-цифрового преобразователя 101 и цифрового контроллера 104 управления адаптивной системой) обратной коммутативной связи с системой 108 ЧПУ, при этом, упомянутый цифровой контроллер 104 управления адаптивной системой коммутативно связан через цифроаналоговый преобразователь 102 и усилитель 103 мощности с электрическими обмотками активных магнитных подшипников 97 и 98, а каждая пара упомянутых бесконтактных датчиков 93 и 94 установлена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла, со смещением один относительно другого на 90° в окружном направлении;- placed in the zone of the rotor-
- а также средство динамического нагружения ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла внешней нагрузкой, соответствующей рабочей нагрузке в реальных условиях эксплуатации шпиндельного узла.- as well as a means of dynamic loading of the rotor-
Шпиндельный узел конструктивно сформирован в виде электрошпинделя с закрепленной на рабочем конце его ротор-шпинделя 100 инструментальной оправкой, и пространственно организован с вертикальной осью расположения его ротор-шпинделя 100, причем, в качестве нижней опоры последнего используется радиально-упорный АМП 97.The spindle unit is structurally formed as an electro-spindle with an instrumental mandrel fixed on the working end of its rotor-
Средством динамического нагружения ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла упомянутой внешней динамической нагрузкой функционально является закрепленная на рабочем конце шпиндельного узла инструментальная оправка, за счет восприятия ею действительных рабочих динамических нагрузок от инструмента в процессе механической обработки (т.е., в процессе резания) эталонного образца заготовки в реальном масштабе времени.The means of dynamic loading of the rotor-
Упомянутая контрольно-измерительная структура оснащена двумя дополнительными, размещенными в зоне рабочего конца инструментальной оправки, бесконтактными датчиками 96, установленными в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла со смещением один относительно другого на 90° в окружном направлении, и функционально являющимися средством регистрации и контроля пространственного положения рабочего конца инструментальной оправки, и, соответственно, пространственного положения непосредственно инструмента. Данное средство коммутативно связано через собственный аналогоцифровой преобразователь 109 с подсистемой 107 измерения положения конца инструментальной оправки, которая, т.е., подсистема 107, коммутативно связана с программно-аппаратной платформой упомянутой системы 108 ЧПУ.The mentioned measuring structure is equipped with two additional, placed in the area of the working end of the tool holder,
Кроме того, система снабжена цифровым контроллером 106 управления электромотором 99. Данный контролер 106 коммутативно связан (через собственный аналогоцифровой преобразователь 105, со средством регистрации частоты вращения и углового положения ротор-шпинделя 100 шпиндельного узла, выполненным в виде двух бесконтактных датчиков 95, установленных в зоне заднего конца ротор-шпинделя 100 в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора-шпинделя, со смещением один относительно другого на 90° в окружном направлении. При этом, упомянутый цифровой контроллер 106 связан обратимым коммутативным взаимодействием с программно-аппаратной платформой упомянутой системы 108 ЧПУ и управляющей электрической обмоткой электромотора 99.In addition, the system is equipped with an
В контурах управления и регулирования данной интеллектуальной системы, как правило, предусмотрено использование встроенных аппаратных средств на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), функционально являющихся средством реализации технологически заданных алгоритмов управления с большим быстродействием в режиме жесткого реального времени.The control and regulation circuits of this intelligent system, as a rule, provide for the use of embedded hardware based on programmable logic integrated circuits (FPGAs), which are functionally a means of implementing technologically defined control algorithms with high speed in hard real-time mode.
Принципы функционирования основных конструктивных узлов и систем патентуемого стенда являются широкоизвестными из современного уровня техники, поскольку они являются типовыми, вследствие этого Заявитель считает нецелесообразным подробно раскрывать их в рамках настоящей заявки.The principles of the functioning of the main structural units and systems of the patented stand are widely known from the current level of technology, since they are typical, therefore the Applicant considers it inappropriate to disclose them in detail in the framework of this application.
Функционирование интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках с электрошпинделем осуществляется в соответствии с принципиальной блок-схемой, приведенной на фиг. 16 графических материалов.The operation of the intelligent system of adaptive control of the cutting process on metal-cutting machines with an electrical spindle is carried out in accordance with the principal block diagram shown in FIG. 16 graphic materials.
Для управления электромагнитными подшипниками 97 и 98 используется цифровой контроллер 104 управления адаптивной системой с активной обратной связью. Первоначально, парные оптические датчики 93, 94 положения ротор-шпинделя 100 измеряют его отклонение от оси вращения. Через АЦП 101 сигнал с датчиков передается на цифровой котроллер 104 управления адаптивной системой, который рассчитывает управляющий сигнал, необходимый для возврата ротор-шпинделя 100 в нормальное положение. Управляющий сигнал проходит через цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП 102 и усилитель 103 мощности, где формируется управляющий ток. Ток управления поступает на обмотки электромагнитов АМП 97 и 98, которые создают электромагнитное поле, необходимое для возврата и удержания ротор-шпинделя 100 в технологически заданном положении. Данная система, как правило, работает с частотой порядка килогерца что позволяет стабилизировать ротор-шпиндель 100 во время вращения, а так же регулировать жесткость и демпфирующие свойства ротор-шпинделя.To control the
Система ЧПУ 108 стенда через контроллер управления 106 управляет вращением электромотора 99. Информация о частоте вращения и угловом положении ротор-шпинделя 100 поступает с пары датчиков 95 через АЦП 105 обратно в контроллер 106, а затем в систему 108 ЧПУ стенда. При неисправности адаптивная система подает сигнал ошибки, запрещая вращение ротор-шпинделя 100.The
Для наблюдения за отклонением и вибрациях на рабочем конце ротор-шпинделя 100 (точнее, на конце закрепленной в нем инструментальной оправки) от оси вращения в процессе резания предусмотрены парные датчики 96. Через АЦП 109 сигнал с датчиков поступает в подсистему 107 измерения положения конца инструментальной оправки и далее в систему 108 ЧПУ стенда.To monitor the deviation and vibrations at the working end of the rotor-spindle 100 (more precisely, at the end of the tool holder fixed in it) from the axis of rotation, paired
Создание научно-технического задела, ориентированного на разработку интеллектуальных систем адаптивного управления с комплектным электрошпинделем на активных магнитных подшипниках, позволяет приступить к созданию и производству нового класса конкурентноспособных обрабатывающих комплексов и станков для высокопроизводительной лезвийной и абразивной обработки современных и перспективных конструкционных материалов, в том числе для микро- и нанообработки конструкционных наноструктурированных материалов.The creation of a scientific and technical basis focused on the development of intelligent adaptive control systems with a complete electrical spindle on active magnetic bearings allows us to start creating and producing a new class of competitive processing complexes and machines for high-performance blade and abrasive machining of modern and advanced structural materials, including for micro- and nano-processing of structural nanostructured materials.
Процесс с развитием дефектов во времени можно контролировать с помощью первичных преобразователей той или иной физической величины, например, износ - с помощью датчиков перемещений, неустойчивость - с помощью датчиков ускорения (акселерометров), повышенное трение - с помощью датчиков температуры и т.п. Введение сенсорных элементов в конструкцию опорного узла превращает его в чисто мехатронный модуль, состоящий из механической части (деталей подшипника), электрической (сенсоры, микроконтроллеры управления) и программной (программное обеспечение по адаптивному управлению сигнальной системой).A process with the development of defects in time can be monitored using primary transducers of one or another physical quantity, for example, wear - using displacement sensors, instability - using acceleration sensors (accelerometers), increased friction - using temperature sensors, etc. The introduction of sensor elements into the design of the reference node transforms it into a purely mechatronic module consisting of the mechanical part (bearing parts), electrical (sensors, control microcontrollers) and software (adaptive control software for the signal system).
В заявленном изобретении выбрано компоновочное решение стенда, обеспечивающее надежную работу интеллектуальной адаптивной системы. В стенде используются современные узлы и комплектующие отечественного и импортного производства.In the claimed invention, the layout solution of the stand was selected, ensuring reliable operation of the intelligent adaptive system. The stand uses modern components and components of domestic and imported.
Целью выполнения научных-практических исследований является создание научно-технического задела, ориентированного на разработку интеллектуальных систем адаптивного управления с комплектным электрошпинделем на электромагнитных подшипниках, позволяющего приступить к созданию и производству нового класса конкурентоспособных обрабатывающих комплексов и станков для высокопроизводительной лезвийной и абразивной обработки современных и перспективных конструкционных материалов, в том числе для микро- и нанообработки конструкционных наноструктурированных материалов.The purpose of the implementation of scientific research is the creation of a scientific and technical foundation focused on the development of intelligent adaptive control systems with a complete electrical spindle on electromagnetic bearings, which allows to start the creation and production of a new class of competitive processing complexes and machines for high-performance cutting and abrasive machining of modern and advanced structural materials, including for micro- and nano-processing of structural nanostructured materials.
Результаты проведенных научно-практических исследований будут использованы при проведении исследований электрошпинделя на электромагнитных подшипниках на патентуемом экспериментальном испытательном стенде с участием иностранного партнера (Fraunhofer IWU, Германия) в рамках совместного научно-технического сотрудничества.The results of scientific and practical research will be used in conducting research on the electrical spindle on electromagnetic bearings on a patented experimental test bench with the participation of a foreign partner (Fraunhofer IWU, Germany) in the framework of joint scientific and technical cooperation.
Созданный в результате проектирования изобретения научно-технический задел способствует повышению научно-технического потенциала отечественного станкостроения и усилению конкурентных позиций России в мировом сообществе производителей и исследователей станкоинструментальной продукции.The scientific and technical background created as a result of the invention of the invention contributes to the improvement of the scientific and technical potential of the domestic machine-tool industry and to the strengthening of Russia's competitive position in the global community of manufacturers and researchers of machine tool products.
Основной областью применения АМП в настоящее время является высокоскоростное машиностроение - от небольших турбомолекулярных насосов до турбогенераторов и компрессоров мощностью десятки МВт. Преимуществом АМП для данной области является возможность управления вибрациями, демпфирования упругих колебаний, а также получение четко определенных динамических характеристик. Другие важные особенности, которые были подтверждены практическими исследованиями, - возможность обеспечения контроля и диагностики, низкие затраты на техническое обслуживание, а также низкое потреблением энергии. Благодаря высокопроизводительной силовой электронике для мощного высокоскоростного машиностроения применение АМП является перспективным и обоснованным. Также в настоящее время ведутся исследования возможности использования АМП в авиационных электрических машинах в качестве тяговых двигателей или генераторов электрической энергии для всех электрических самолетов.The main field of application of the AMP is currently high-speed mechanical engineering, from small turbomolecular pumps to turbine generators and compressors with a capacity of tens of MW. The advantage of AMP for this area is the ability to control vibrations, damping elastic vibrations, as well as obtaining well-defined dynamic characteristics. Other important features that have been confirmed by practical research are the ability to provide monitoring and diagnostics, low maintenance costs, and low energy consumption. Thanks to the high-performance power electronics for high-power high-speed mechanical engineering, the use of the AMP is promising and justified. Also, research is currently being conducted on the possibility of using the AMP in aircraft electrical machines as traction engines or generators of electrical energy for all electric aircraft.
Развитие современной машиностроительной отрасли предъявляет повышенные требования к точности обработки, производительности, надежности металлообрабатывающего оборудования и уровню его автоматизации. Исследованиями по оценке влияния различных факторов на точность обработки установлено, что ее до 80% определяет шпиндельный узел (ШУ). Выходные характеристики ШУ в основном зависят от типа применяемых в них опор, так как последние обеспечивают необходимую быстроходность, точность вращения шпинделя, нагрузочную способность и долговечность ШУ. В современных быстроходных ШУ (dxn свыше 1 млн мм/мин) используют опоры качения, гидростатические, газовые и магнитные. Высокоскоростным ШУ на опорах качения свойственны тепловые деформации, нестабильность траектории движения шпинделя, связанная с изменением угла поворота сепаратора с комплектом тел качения и погрешностью изготовления колец, а также ограниченный ресурс работы.The development of modern engineering industry places high demands on the machining accuracy, productivity, reliability of metalworking equipment and the level of its automation. Studies assessing the influence of various factors on the accuracy of processing have established that a spindle assembly (CI) determines it to 80%. The output characteristics of the SHU mainly depend on the type of supports used in them, since the latter provide the necessary rapidity, accuracy of spindle rotation, load capacity and durability of the SHU. In modern high-speed SHU (dxn over 1 million mm / min) use rolling bearings, hydrostatic, gas and magnetic. High-speed SHU on rolling bearings are characterized by thermal deformations, instability of the trajectory of the spindle, associated with a change in the angle of rotation of the separator with a set of rolling elements and the error in the manufacture of rings, as well as limited service life.
Перспективным является применение электромагнитных подшипников ЭМП с адаптивной системой управления. Действие ЭМП основано на принципе электромагнитной стабилизации положения ферромагнитного тела установленного с зазором между диаметрально расположенными электромагнитами, каждый из которых притягивает тело к себе. Очевидно, если не регулировать ток в обмотках электромагнитов, то положение тела не будет устойчивым даже при равенстве притягивающих сил.The application of electromagnetic bearings with an adaptive control system is promising. The action of an electromagnetic field is based on the principle of electromagnetic stabilization of the position of a ferromagnetic body installed with a gap between diametrically located electromagnets, each of which attracts the body to itself. Obviously, if you do not adjust the current in the windings of electromagnets, then the position of the body will not be stable even if the attracting forces are equal.
Ток регулируется электронной следящей системой, датчики перемещения которой контролируют отклонение тела от положения равновесия. Сигнал с датчиков усиливается, детектируется и подается на усилитель мощности, который питает током обмотки электромагнитов. При уменьшении зазора между телом и электромагнитом индукция в зазоре уменьшается, и наоборот. Под действием результирующей силы тело возвращается в исходное положение, для обеспечения устойчивого равновесия тела в следящую систему дополнительно вводят сигнал, пропорциональный скорости смещения тела, а для увеличения статической жесткости опоры - сигнал, пропорциональный интегралу от величины перемещения.The current is regulated by an electronic tracking system, the displacement sensors of which control the deviation of the body from the equilibrium position. The signal from the sensors is amplified, detected and fed to a power amplifier that supplies current to the windings of the electromagnets. When the gap between the body and the electromagnet decreases, the induction in the gap decreases and vice versa. Under the action of the resultant force, the body returns to its original position, to ensure stable body balance, a signal proportional to the velocity of the body is additionally introduced into the tracking system, and to increase the static rigidity of the support, a signal proportional to the integral of the displacement.
На фиг. 18 схематично показаны основные подсистемы гаммы электрошпинделей приводов главного движения.FIG. 18 schematically shows the main subsystems of the gamma of electrical spindles of main motion drives.
Состав подсистем необязательного уровня может варьироваться и несколько отличаться из-за особенностей отдельных подсистем, условий эксплуатации и требований заказчика.The composition of subsystems of an optional level may vary and differ slightly due to the characteristics of individual subsystems, operating conditions and customer requirements.
Электрошпиндели включают два вида подсистем:Electrical spindles include two types of subsystems:
- встроенные подсистемы в один конструктивный блок (собственно электрошпиндель);- embedded subsystems in one structural unit (the electrical spindle itself);
- обслуживающие и вспомогательные подсистемы, которые устанавливаются в непосредственной близости к электрошпинделю.- service and auxiliary subsystems, which are installed in close proximity to the electrical spindle.
Активный магнитный подшипник является классическим мехатронным объектом (фиг. 17), который практически не имеет базовых недостатков, присущих подшипникам качения и скольжения. В таком подшипнике центрирование ротора и передача нагрузки на корпус идет за счет активного магнитного поля, напряженность которого регулируется контрольной системой в зависимости от перемещений ротора, фиксируемых датчиками перемещений. Такие повышенные характеристики работоспособности и безопасности влияют на стоимость, в сравнении со стандартными подшипниками качения и относительно простыми конструкциями гидростатических подшипников, из-за высоких требований к точности и быстродействию элементов контрольно-измерительной системы. Высокая стоимость, большие радиальные габариты, сложность монтажа обуславливает применение активных магнитных подшипников только в самых ответственных узлах металлорежущих станков - опорах шпинделя. Исходя из преимуществ активных магнитных подшипников, обосновывается целесообразность их использования вместо традиционных подшипниковых узлов в отрасли станкостроения, где их применение наиболее эффективно.An active magnetic bearing is a classic mechatronic object (Fig. 17), which has practically no basic drawbacks inherent in rolling and sliding bearings. In such a bearing, the centering of the rotor and the transfer of the load to the housing is due to the active magnetic field, the intensity of which is regulated by the control system depending on the rotor movements recorded by the displacement sensors. Such increased performance and safety characteristics affect the cost, in comparison with standard rolling bearings and relatively simple designs of hydrostatic bearings, due to the high demands on accuracy and speed of the elements of the instrumentation system. The high cost, large radial dimensions, the complexity of installation causes the use of active magnetic bearings only in the most critical nodes of machine tools - spindle bearings. Based on the advantages of active magnetic bearings, it is justified that they are used instead of traditional bearing assemblies in the machine tool industry, where their use is most effective.
Повышение частоты вращения за счет применения активных магнитных подшипников существенно повышает производительность оборудования и улучшает чистоту обработки.Increasing the rotational speed through the use of active magnetic bearings significantly improves the performance of the equipment and improves the cleanliness of processing.
Перспективной является возможность комбинированного движения инструмента совместно с инструментальной оправкой и, соответственно, ротор-шпинделя при использовании адаптивно управляемых шпиндельных узлов с ротор-шпинделем на опорах в виде АМП (например, при микродолбежке при сверлении, микроколебании при шлифовании, сверлении отверстий некруглой формы и т.п.), что существенно повышает технологические возможности оборудования. Сфера применения - высокопроизводительные прецизионные металлообрабатывающие станки.A promising is the possibility of combined tool movement together with a tool holder and, accordingly, a rotor-spindle when using adaptively controlled spindle assemblies with a rotor-spindle on the AMP supports (for example, during micromachining when drilling, micro-oscillation when grinding, drilling holes of non-circular shape and t .), which significantly increases the technological capabilities of the equipment. Scope of application - high-performance precision metalworking machines.
Сфера применения - высокопроизводительные прецизионные металлообрабатывающие станки.Scope of application - high-performance precision metalworking machines.
На основе проведенного анализа публикаций в области АМП и систем управления можно сделать следующие выводы:Based on the analysis of publications in the field of AMP and control systems, we can draw the following conclusions:
Публикации в области магнитного подвеса вращающихся роторов в подавляющем большинстве относятся к роторным машинам, где рабочими нагрузками является вращающий момент.Publications in the field of magnetic suspension of rotating rotors in the overwhelming majority relate to rotary machines, where the working loads are torque.
Данные теоретических и экспериментальных исследований электрошпинделей с АМП для металлорежущих станков, отличительной особенность которых являются нагрузки по трем осям координат, практически отсутствуют.The data of theoretical and experimental studies of electrical spindles with AMP for machine tools, the distinguishing feature of which are the loads on three axes of coordinates, are practically absent.
Немногочисленные исследования относятся к электрошпинделям небольшой мощности (0,4-0,6 кВт), имеющим относительно узкую область применения. Из сказанного следует, что для расширения областей применения АМП в металлорежущих станках в целях широкого внедрения технологий высокоскоростной лезвийной и абразивной обработки материалов необходимо проведение дальнейших теоретических и экспериментальных исследований электрошпинделей с АМП, направленных на расширение их технологических возможностей и повышения энергоэффективностиA few studies relate to small-size electrical spindles (0.4-0.6 kW), which have a relatively narrow scope. From the above it follows that in order to expand the fields of application of AMP in metal-cutting machines in order to widely introduce high-speed blade and abrasive processing of materials, it is necessary to conduct further theoretical and experimental studies of electrical spindles with AMP aimed at expanding their technological capabilities and improving energy efficiency
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:The above information shows that the following set of conditions is fulfilled when using the claimed technical solution:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его промышленной реализации, предназначен для использования в роторных механизмах на электромагнитных опорах, а, более конкретно, в качестве экспериментального стенда для испытания образца интеллектуальной системы адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках со шпиндельным узлом с активными магнитными подшипниками (электрошпинделем);- an object embodying the claimed technical solution for its industrial implementation, is intended for use in rotor mechanisms on electromagnetic bearings, and more specifically, as an experimental stand for testing a sample of an intelligent system of adaptive control of the cutting process on machine tools with a spindle assembly with active magnetic bearings (electrical spindle);
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the declared object, as it is described in the independent clause of the formula below, it is confirmed that it can be implemented using the means and methods described in the application or known from the prior art on the priority date;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата: повышение надежности за счет быстродействия (чувствительности) системы адаптивного управления и, соответственно, динамической точности пространственного позиционирования оси вращения электромагнитного подвеса ротора шпиндельного узла (электрошпинделя), а также концевой части инструментальной оправки (т.е., в конечном итоге - инструмента) применительно к реальным технологическим условиям резания.- an object embodying the claimed technical solution in its implementation, is able to achieve the technical result perceived by the applicant: improving the reliability due to the speed (sensitivity) of the adaptive control system and, accordingly, the dynamic accuracy of spatial positioning of the axis of rotation of the electromagnetic rotor suspension of the spindle assembly (electric spindle), also the end part of the tool holder (i.e., ultimately, the tool) as applied to real technological their cutting conditions.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed technical solution meets the condition of patentability "industrial applicability" under the current law.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017115646A RU2690625C2 (en) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | Test bench for intelligent system of adaptive control of cutting process on metal cutting machines with spindle assembly with active magnetic bearings |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017115646A RU2690625C2 (en) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | Test bench for intelligent system of adaptive control of cutting process on metal cutting machines with spindle assembly with active magnetic bearings |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017115646A RU2017115646A (en) | 2019-01-28 |
RU2017115646A3 RU2017115646A3 (en) | 2019-04-15 |
RU2690625C2 true RU2690625C2 (en) | 2019-06-04 |
Family
ID=65270655
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017115646A RU2690625C2 (en) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | Test bench for intelligent system of adaptive control of cutting process on metal cutting machines with spindle assembly with active magnetic bearings |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2690625C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU199618U1 (en) * | 2019-12-03 | 2020-09-09 | Акционерное общество "Завод N9" (АО "Завод N9") | Beat measuring stand |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112496859B (en) * | 2020-12-07 | 2024-09-24 | 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 | Dynamic measurement device and method for comprehensive performance of hydrostatic guideway |
CN115056036B (en) * | 2022-07-13 | 2024-05-07 | 浙江金火科技实业有限公司 | Main spindle box part detection device on numerical control lathe |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU565780A1 (en) * | 1975-09-08 | 1977-07-25 | Ленинградский Ордена Красного Знамени Механический Институт | Testing stand for studying deep bore machining process |
SU975333A1 (en) * | 1981-05-04 | 1982-11-23 | Ленинградский Ордена Красного Знамени Механический Институт | Stand for measuring static and dynamic characteristics of tool at working process |
SU1263497A2 (en) * | 1985-04-11 | 1986-10-15 | Ленинградский Ордена Ленина И Ордена Красного Знамени Механический Институт | Measuring bench |
WO2013014615A2 (en) * | 2011-07-28 | 2013-01-31 | Diamonde | Measurement and test bench for rotary tools for working wood or a similar material |
RU149110U1 (en) * | 2013-12-30 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | STAND FOR DETERMINING THE QUALITY OF THE SPINDLE ASSEMBLY IN A REAL TECHNOLOGICAL PROCESS |
CN204843713U (en) * | 2015-07-14 | 2015-12-09 | 南京工程学院 | Test bench is measured at machine to high accuracy gear |
-
2015
- 2015-12-30 RU RU2017115646A patent/RU2690625C2/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU565780A1 (en) * | 1975-09-08 | 1977-07-25 | Ленинградский Ордена Красного Знамени Механический Институт | Testing stand for studying deep bore machining process |
SU975333A1 (en) * | 1981-05-04 | 1982-11-23 | Ленинградский Ордена Красного Знамени Механический Институт | Stand for measuring static and dynamic characteristics of tool at working process |
SU1263497A2 (en) * | 1985-04-11 | 1986-10-15 | Ленинградский Ордена Ленина И Ордена Красного Знамени Механический Институт | Measuring bench |
WO2013014615A2 (en) * | 2011-07-28 | 2013-01-31 | Diamonde | Measurement and test bench for rotary tools for working wood or a similar material |
RU149110U1 (en) * | 2013-12-30 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | STAND FOR DETERMINING THE QUALITY OF THE SPINDLE ASSEMBLY IN A REAL TECHNOLOGICAL PROCESS |
CN204843713U (en) * | 2015-07-14 | 2015-12-09 | 南京工程学院 | Test bench is measured at machine to high accuracy gear |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU199618U1 (en) * | 2019-12-03 | 2020-09-09 | Акционерное общество "Завод N9" (АО "Завод N9") | Beat measuring stand |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2017115646A (en) | 2019-01-28 |
RU2017115646A3 (en) | 2019-04-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20230250501A1 (en) | Robot machining system and control method for ultrasonic surface rolling process of aircraft engine blade | |
US10252388B2 (en) | Feed axis device of a machine tool | |
US5439431A (en) | Machining centre constructed from assemblies | |
Altintas et al. | Machine tool feed drives | |
EP1609549B1 (en) | Spindel apparatus comprising a withdrawable subassembly | |
RU2690625C2 (en) | Test bench for intelligent system of adaptive control of cutting process on metal cutting machines with spindle assembly with active magnetic bearings | |
CN106768770B (en) | Reliability test bed and test method for rolling linear guide rail pair damper | |
CN103213034A (en) | Multi-axis machining center structure | |
CN102445340A (en) | Loading running-in device for ball screw pair and running-in testing method thereof | |
CN104117858A (en) | Five-axis linkage vertical machining centre | |
RU170795U1 (en) | INTELLIGENT SYSTEM OF ADAPTIVE CONTROL OF THE CUTTING PROCESS ON METAL-CUTTING MACHINES WITH SPINDLE ASSEMBLY WITH ACTIVE MAGNETIC BEARINGS | |
CN203863344U (en) | Connecting rod bolt hole and step face finishing machine | |
CN112881047A (en) | Five-axis swing head test platform | |
CN201926548U (en) | Testing device for dynamic characteristics of sliding joint surfaces | |
CN109352353A (en) | A kind of dynamic complex guide rail | |
CN101125403B (en) | Pneumatic load-removing plastic-sticking guiding rail | |
Ivanov et al. | Flexible fixtures for CNC machining centers in multiproduct manufacturing | |
CN104259991B (en) | Power control module based on stiffness variable compliant mechanism | |
CN210677202U (en) | Numerical control gear milling machine | |
CN202305208U (en) | Loading running-in device of ball screw assembly | |
US20170160728A1 (en) | High-precision manufacturing control method of electromechanical equipment | |
CN212310946U (en) | Milling head box for processing crankshaft journal and end faces of balance blocks on two sides of journal | |
CN103894864A (en) | Vertical machining center | |
CN209021736U (en) | A kind of dedicated numerical control scrapes bed | |
Jędrzejewski et al. | Development of high performance machine tools |