В металлорежущих станках с ручным управлением кинематические связи исполнительных органов между собой и источником движения осуществляется через цепи механических элементов и передач. Такие станки называют станками с механическими связями. В них широко используют коробки скоростей и передач, гитары сменных зубчатых колес, реверсы, управляемые в ручную.

Применение в станках систем числового программного управления (ЧПУ) приводит к замене традиционных нерегулируемых источников движения на управляемые по программе двигатели (асинхронные частотно-токовым управлением, постоянного тока и т.д.), позволяющие регулировать скорость, направление, а иногда и путь создаваемого ими движения. В связи с этим происходит упрощение механической части кинематической структуры станка (а следовательно, и его конструкции) но при этом улучшаются его характеристики.

Отличительные особенности станков с ЧПУ:

Ш Мощный привод главного движения до 20-40 и более кВт. Используются двигатели постоянного тока, позволяющие осуществить бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя, или трехфазные двигатели переменного тока с большим числом ступеней регулирования (18-20 и более). Верхние пределы частоты вращения шпинделя достигают 2000 об/мин. Пределы регулирования частоты вращения шпинделя изменяются до 200 раз.

Ш Бесступенчатый привод движения подачи с очень широкими пределами регулирования величины подачи. У некоторых станков величина подачи изменяется от 1 до 1200 мм/мин, т.е. в 1200 раз. У других моделей еще больше. Например, существуют станки пределы регулирования подач которых 0,1-10000 мм/мин. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбрать оптимальную по условиям обработки подачу.

Ш Станки с ЧПУ имеют две координаты с независимым управлением по каждой из них. Это позволяет реализовать очень сложные траектории перемещения рабочих органов, недостижимые для нечисловых систем управления (например, копировальной).

Ш Большинство станков имеет скорость установочных перемещений суппорта 4,8 м/мин, а некоторые до 10 м/мин. Это позволяет максимально сократить время холостых перемещений суппорта.

Ш Обычно станки с ЧПУ имеют высокую точность изготовления и повышенную жесткость по сравнению с обычными станками аналогичного назначения. Это позволяет обеспечить высокую точность обработки.

Ш Станки снабжены развитыми инструментальными системами с числом инструментов 12 и более.

14. Патентно-поисковые исследования конструкций приводов главного движения и подач станков с ЧПУ и их элементов

14.1 Патентно-поисковые исследования

14.1.1 Шпиндельная головка RU 2053044

Шпиндельная головка содержащая корпус, полый шпиндель с инструментом и стружкоограничитель, включающий крышку и шайбу с внутренним фигурным отверстием, расположенную в крышке, отличающаяся тем, что стружкоограничитель расположен на шпинделе головки, при этом его крышка жестко соединена со шпинделем.

14.1.2 Шпиндельная бабка расточного станка SU 1618509

Шпиндельная бабка расточного станка с выдвижным шпинделем и планшайбой, несущей радиальный суппорт, в верхней стенке которого выполнены гнезда для резцедержателей и окно для прохода выдвижного шпинделя, отличающаяся, тем, что, с целью повышения производительности, в верхней стенке радиального суппорта выполнены дополнительные гнезда, предназначенные для хранения инструментальных оправок.

14.1.3 Шпиндельная бабка расточного станка RU 20275591

ШПИНДЕЛЬНАЯ БАБКА, включающая в себя установленный в корпусе шпиндель, устройство для регулирования положения шпинделя в плоскости, перпендикулярной оси последнего, выполненное в виде эксцентрично размещенных одна в другой планшайб с круговыми направляющими, первая из которых установлена в корпусе, а вторая несет эксцентрично размещенный в ней шпиндель, при этом величина эксцентриситета расположения планшайб равна величине эксцентриситета расположения шпинделя, а планшайбы снабжены механизмами их поворота с приводами и датчиками положения планшайб, и приводной вал механизма поворота второй планшайбы, размещенный в полом двухвенцовом блоке кинематической цепи, соединяющей шпиндель с приводом его - вращения, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности в работе и точности при обработке, в качестве датчиков использованы датчики с предназначенными для взаимодействия друг с другом ротором и статором с кабелем подвода тока, при этом приводной вал механизма поворота второй планшайбы выполнен полым для размещения в нем введенной в бабку тяги, одним концом соединенной с первой планшайбой, а другим - с ротором датчика положения первой планшайбы, статор которого закреплен на корпусе бабки, которая снабжена дополнительным полым валом, кинематически связанным с шпинделем и двухвенцовым блоком, и размещенной в дополнительном полом залу дополнительной тягой, одним концом соединенной с первой планшайбой, а другим - с ротором датчика положения последвитки червячного колеса 18 и полной выборки зазора.

14.1.4 Шпиндельный узел металлорежущего станка SU 1634369

Шпиндельный узел металлорежущего станка, содержащий шпиндель, установленный в корпусе на подшипниках качения, и механизм регулирования натяга, выполненный в виде деформируемого элемента, инерционных масс и нажимных колец, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности шпиндельного узла путем повышения точности и стабильности регулирования натяга в подшипниках, деформируемый элемент, инерционные массы и нажимные кольца выполнены за одно целое, причем деформируемой элемент выполнен с арочным профилем а продольном сечении, а центры инерционных масс расположены в плоскости симметрии арочного профиля.

14.1.5 Шпиндельный узел расточного станка SU 1779474

Шпиндельный узел расточного станка, содержащий закрепленную на фланце, полого шпинделя планшайбу, размещенным на ней радиальный суппорт, несущий оправку с инструментом, установленную с возможностью перемещения, механизм подачи, размещенный в корпусе отверстии полого шпинделя и соединенный с выдвижным шпинделем, причем механизм подачи включает две кинематические пары, одна из которых выполнена зубчато-реечного типа, отличающийся тем. что, с целью повышения производительности обработки, вторая кинематическая пара выполнена в виде расположенной соосно указанным шпинделям втулка, причем на валу, связанном с выдвижным шпинделем, выполнены наклонные шлицы, на втулке, установленной в корпусе в подшипниках соответственно шлицевые пазы, а на ее наружной части выполнена зубчатая шестерня первой кинематической пары, рейка которой закреплена на радиальном суппорте со стороны боковой базовой направляющей, при этом зубья рейки расположены параллельно оси шпинделя.

14.1.6 Шпиндельный узел металлорежущего станка RU 2116165

Шпиндельный узел металлорежущего станка с адаптивным управлением для сверления глубоких отверстий, содержащий корпус, в котором через промежуточную втулку размещена опора шпинделя, при этом на поверхности промежуточной втулки размещены датчики измерения осевой составляющей силы резания, связанные с системой адаптивного управления станком, отличающийся тем, что промежуточная втулка выполнена с фланцем на торце, предназначенным для ее крепления на передней торцевой поверхности так, чтобы была образована консоль относительно стенки корпуса, при этом упомянутые датчики расположены на наружной консольной части промежуточной втулки.

14.1.7 Беззазорная червячная передача и способ нарезания зубьев червячного колеса беззазорной червячной передачи RU 2291337

Беззазорная червячная передача, содержащая рабочий червяк с переменной толщиной витка, обеспечиваемой разностью осевых модулей для правой и левой сторон витка, и червячное колесо, активные поверхности зубьев которого выполнены как огибающие производящей поверхности червячной фрезы, отличающаяся тем, что осевые углы профиля для правой и левой стороны витка рабочего червяка выполнены различными между собой и при этом угол профиля витка червяка на стороне с большим значением модуля выполнен большим, чем угол профиля на противоположной стороне витка, а осевые модули и углы профиля для обеих сторон витка производящей поверхности фрезы для обработки зубьев червячного колеса выполнены равными между собой, причем указанные углы и модули связаны между собой зависимостями.

14.1.8 Опора качения SU 1640465

Опора качения, содержащая неподвижное основание, корпус с рабочим, возвратным и переходными каналами, в которых размещены тела качения, и механизм регулирования натяга между телами качения и стенкой рабочего канала, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности путем уменьшения трения и исключения заклинивания тел качения, она снабжена установленными у концов рабочего канала соплами для подачи рабочей среды и бесприводными звездочками, шаг зубьев которых равен расстоянию между телами качения в рабочем канале, и электропневматическим блоком реверса.

14.1.9 Винтовая передача RU 2279595

Винтовая передача, содержащая ходовой винт, закрепленный в подшипниках, гайку, шток, соединенный с гайкой, и обоймы, отличающейся тем, что гайка выполнена в виде пакета гибких нитей, который размещен между обоймами.

14.1.10 Направляющие качения для стола металлорежущего станка RU 2083344

Направляющие качения для стола металлообрабатывающего станка, содержащие основные роликовые опоры с закрепленными осями и механизм предварительного натяга, отличающиеся тем, что механизм предварительного натяга выполнен в виде дополнительных роликовых опор с закрепленными осями, установленных на упругих элементах и расположенных зеркально над основными опорами, при этом основные и дополнительные роликовые опоры размещены в несущих направляющих элемента С-образной формы.

В качестве приводного двигателя в станках с ЧПУ обычно применяются регулируемые двигатели постоянного и переменного тока. Последние проще по конструкции и обладают большей надежностью в виду отсутствия щеточных узлов (особенно в области высоких частот вращения, которые требуются для главного движения). Диапазон регулирования двигателя с постоянной мощностью (Rд) р ограничен величиной 3.5 (в последних моделях двигателей 6.8), что требует, как правило, применения в приводе главного движения механических устройств (коробок скоростей) и диапазоном регулирования Rк и числом ступеней скорости ZК = 2,3 или 4.

Приводами подачи с бесступенчатым регулированием оснащают станки с ЧПУ, гибкие производственные модули, станки с адаптивным управлением. Приводы должны обеспечивать широкий диапазон режимов обработки, максимальную производительность, высокую точность позиционирования исполнительных органов.

Для роста производительности станка предусматривают скорость быстрого хода исполнительных узлов 15 м/мин и более, а в легких токарных и сверлильных станках с малыми ходами - высокое быстродействие привода (время разгона до максимальной скорости не превышает 0,2 с).

Благодаря регулированию электродвигателя и упрощению механической части снижается нагрузка на двигатель, повышается КПД привода, снижается его момент инерции, повышается точность исполнения команд. Поскольку доля силы резания в общей нагрузке на привод подачи значительна и в процессе обработки сила резания изменяется в широком диапазоне, требования к статической и динамической жесткости приводов подач станков с ЧПУ намного выше, чем к приводам подач традиционных станков.

Сейчас в главном приводе вместо автоматических коробок скоростей с электромагнитными муфтами используют регулируемые электродвигатели постоянного тока или асинхронные частотно-регулируемые, что существенно упрощает конструкцию привода и позволяет автоматически поддерживать постоянную скорость резания путем бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя.

В приводах станков с ЧПУ в настоящее время применяются высокомоментные, регулируемые электродвигатели постоянного тока; на шариковом винте или непосредственно на валу двигателей, перемещающих суппорт в поперечном и продольных направлениях, устанавливают фотоимпульсные датчики, следящие за исполнением заданных перемещений и сообщающие эту информацию в УЧПУ. Последнее выдает соответствующие команды приводам подач. В результате повысилась точность позиционирования, а скорость быстрых перемещений суппорта возросла до 30 м/мин.

Привод продольного перемещения суппорта (рисунок 14.1) включает в себя шариковую винтовую передачу, опоры 2 винта, редуктор 1 (передаточное отношение 1:

1), электродвигатель 6 постоянного тока и датчик 3 обратной связи, связанный с винтом посредством муфты 4.

Если станок оснащен частотно-регулируемым асинхронным двигателем, то устанавливают редуктор с передаточным отношением 1: 2, а датчик обратной связи встраивают в электродвигатель. Зазор в зубчатом зацеплении редуктора выбирается перемещением переходной плиты 5 (с установленным на ней электродвигателем) относительно корпуса редуктора.

При конструировании приводов подач в современных станках нашли широкое применение комплектующие (направляющие скольжения, шариковинтовые механизмы, линейные модули, соединительные муфты) таких известных фирм как Star, Micron, THK.

Рисунок 14.1 Привод продольного перемещения суппорт.

Еще одна конструкция привода продольных подач представлена на рисунке 14.2.

Рисунок 14.2 Привод подач станка с числовым управлением.

1 - двигатель, 2 - кронштейн, 3 - соединительная муфта, 4 - шариковый винт, 5 - шариковая гайка, 6 - суппорт, 7 - защитная гармошка.

Механизм линейного перемещения

Механизм сообщает линейное перемещение рабочему блоку по сигналу, поступающему по проводу. Механизм содержит линейный двигатель 12 и удлинений шток 13 несущий рабочий орган Линейный двигатель снабжен средствами передачи движения сбоку от двигателя 14. Линейный двигатель соединен со штоком, который имеет продольный канал для питающего провода. Линейная направляющая для штока крепится к линейному двигателю 12.

Рисунок 14.3 - Механизм линейного перемещения.

Данные механизмы линейного перемещения нашли широкое применение при проектировании крестовых столов, обеспечивающих перемещение по осям X-Y, X-Z. Возможные варианты конструкций составленные из линейных модулей приведены рисунке.

При использовании линейных шариковых или роликовых направляющих на каждой шине возможна установка гофрированных рукавов (рисунок 14.4), монтаж которых наглядно не составляет особой сложности.

Рисунок 14.4 - Типовые конструкции шарико-винтовых передач предлагаемых фирмой Micron: а-OMB01,OMB05; б-OMB10, OMB15; в-OMB20; г-OMB25, OMB30, OMB35; д-OMB45; е-OMB50

Рисунок 14.5 - Шариковинтовая пара фирмы THK

Рисунок 14.6 Шарико-винтовые приводы Star.

Узел крепления корпуса гайки ходового винта

Формула изобретения:

Узел крепления корпуса гайки ходового винта металлорежущего станка, содержащий корпус с установленными в нем двумя полугайками, размещенный в отверстии салазок станка с возможностью взаимодействия с корпусом посредством наклонной базовой поверхности фиксирующий палец, отличающийся тем, что, с целью повышения жесткости при одновременном уменьшении габаритов и упрощении монтажа и регулировки, узел снабжен дополнительным фиксирующим пальцем с гранью, размещенных в салазках с возможностью взаимодействия с торцом корпуса посредством упомянутой грани.

Рисунок 14.7 - Узел крепления корпуса гайки ходового винта.

Устройство для защиты направляющих станков с быстрым движением подвижных узлов

Цель изобретения_ обеспечение надежности в работе устройства. Поставленная цель достигается тем, что устройство для защиты направляющих, содержащее телескопически соединенные щитки, связанные между собой пантографным механизмом, и опорные ролики, взаимодействующие с направляющей, снабжено поперечными планками, установленными на осях средних шарниров пантографного механизма, и упругими элементами, при этом щитки соединены с планками через упругие элементы, а упорные ролики установлены на планках.

Рисунок 14.8 - Устройство защиты направляющих

Шпиндельная бабка, корпус которой снабжен опорами, расположенными в приводной и инструментальной зонах шпинделя, первые из которых предназначены для схватывания в вертикальной, а вторые - в горизонтальной плоскостях базовых направляющих и содержат регулирующие элементы, определяющие положение оси шпинделя, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности обработки путем уменьшения погрешности ориентации положения шпинделя в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, регулирующие элементы выполнены в виде планок, снабженных гидростатическими карманами, причем регулирующие элементы в опорах приводной зоны шпинделя установлены с двух сторон, а в инструментальной - с одной стороны относительно базовых направляющих, при этом регулирующие элементы каждой опоры предназначены для изменения положения оси шпинделя в вертикальной плоскости, перпендикулярной поверхности опор, несущих эти элементы.

Рисунок 14.9 Шпиндельная бабка

Цель изобретения - повышение точности обработки путем уменьшения погрешности ориентации положения шпинделя в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рисунок 14.9 изображена шпиндельная бабка, общий вид; - на рисунке 14.10 - то же, вид сбоку.

Шпиндельная бабка 1, установленная на неподвижных направляющих 2 базового узла, содержит шпиндель 3. Корпус шпиндельной бабки 1 имеет замкнутые гидростатические направляющие, которые в нижней части корпуса состоят из базовой опоры 4 и параллельной ей замыкающей опоры 5, базовой опоры 6 и параллельной ей замыкающей опоры 7, расположенных перпендикулярно к опорам 4 и 5.

В верхней части корпуса шпиндельной бабки i замкнутые гидростатические направляющие состоят из дополнительной базовой опоры 8, замыкающей опоры 9, вспомогательной опоры. Опоры 7-9, снабжены регулировочными элементами, выполненными в виде жестких планок, установленных парами на каждой опоре с базированием на корпус, например, с помощью клиновых поверхностей.

В замыкающей опоре 7 установлены регулировочные элементы 11 и 12, зафиксированные в корпусе с помощью ступенчатых компенсаторов 13 и 14.