Устройство для обнаружения тепловой деформации шпинделя станка

Изобретение относится к области станкостроения, в частности к устройству металлорежущего станка и его шпинделя, и предназначено для обнаружения тепловой деформации шпинделя в шпиндельном узле. Устройство для обнаружения тепловой деформации шпинделя содержит сигнальный элемент и определительное средство, прикрепленное к крышке шпиндельного узла и предназначенное для определения положения сигнального элемента шпинделя в отведенном положении. Обеспечивается надежное обнаружение тепловых деформаций шпинделя. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Объектом настоящего изобретения является устройство для обнаружения тепловой деформации шпинделя станка.

В области станков, в частности станков, имеющих большие размеры, пользователи испытывают значительную потребность в изготовлении механических деталей со все более жесткими производственными допусками. Эта потребность учитывается изготовителями таких станков, которые прилагают большие усилия, проводя научно-исследовательские работы для улучшения характеристик станков.

На величину допусков на обработку, которую можно получить для механической детали, сильно влияют тепловые и механические деформации, которым подвергаются опорные детали станка, поддерживающие обрабатывающий инструмент в требуемом положении в пространстве.

Станок содержит главную направляющую и подвижную группу, состоящую из подвижного суппорта, скользящего по этой направляющей, шпиндельный узел, скользящий в поперечном направлении относительно движущегося суппорта, шпиндель, скользящий параллельно шпиндельному узлу и выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси вращения, и инструментальную оправку, выполненную с возможностью соединения с обрабатывающим инструментом и расположенную на переднем конце шпинделя.

В то время, как главную направляющую, особенно на станках большого размера, оснащают системами компенсации деформаций, до сих пор считавшимися надежными, подвижные группы станка в настоящее время не имеют столь же эффективных систем для устранения деформаций тепловой природы, которые характерны для этой зоны.

Существует несколько решений для обнаружения деформаций, которым подвержены эти опорные детали станка.

Задачей настоящего изобретения является создание улучшенного устройства для обнаружения тепловой деформации шпинделя станка, обеспечивающего более надежное обнаружение возникающих тепловых деформаций.

Согласно изобретению создано устройство для обнаружения тепловой деформации шпинделя станка, содержащего шпиндельный узел, выполненный с возможностью перемещения в осевом направлении и имеющий внутреннее пространство, открытое спереди через отверстие в шпиндельном узле, шпиндель, по меньшей мере, частично расположенный во внутреннем пространстве шпиндельного узла, установленный с возможностью вращения вокруг оси вращения и оперативно соединенный со шпиндельным узлом с возможностью перемещения в осевом направлении между отведенным положением и выдвинутым положением, которое предназначено для выполнения механической обработки и в котором шпиндель выступает из передней части шпиндельного узла через отверстие в шпиндельном узле на большее расстояние, чем в отведенном положении, при этом шпиндель содержит сигнальный элемент, и указанное устройство содержит крышку шпиндельного узла, выполненную с возможностью соединения спереди со шпиндельным узлом для, по меньшей мере, частичного закрывания отверстия в шпиндельном узле с обеспечением возможности перемещения шпинделя, и определительное средство, прикрепленное к крышке шпиндельного узла и предназначенное для определения положения сигнального элемента шпинделя для обнаружения тепловой деформации шпинделя в отведенном положении.

Определительное средство может содержать лазерное средство, способное излучать лазерный луч для определения положения сигнального элемента, выключатель, выполненный с возможностью замыкания и размыкания при воздействии на него сигнального элемента, датчик приближения для определения положения сигнального элемента.

Устройство может содержать средство обнаружения деформации крышки, которое может содержать стержень, выполненный из материала, по существу, не подверженного тепловому расширению, например Invar®.

Согласно изобретению создан блок шпинельного узла со шпинделем станка, содержащий шпиндельный узел, выполненный с возможностью перемещения в осевом направлении, имеющий внутреннее пространство, открытое спереди через отверстие в шпиндельном узле, шпиндель, по меньшей мере, частично расположенный во внутреннем пространстве шпиндельного узла, установленный с возможностью вращения вокруг оси вращения и оперативно соединенный со шпиндельным узлом с возможностью перемещения в осевом направлении между отведенным положением и выдвинутым положением, которое предназначено для выполнения механической обработки и при котором шпиндель выступает из передней части шпиндельного узла через отверстие в шпиндельном узле на большее расстояние, чем в отведенном положении, при этом шпиндель содержит сигнальный элемент, и вышеописанное устройство для обнаружения тепловой деформации шпинделя станка.

Блок может содержать выполненное за одно целое со шпинделем первое измерительное средство для измерения осевого перемещения шпинделя между неподвижным исходным положением на шпиндельном узле и подвижным относительно шпиндельного узла положением.

Измерительное средство может содержать первую оптическую линейку, способную перемещаться вместе со шпиндельным узлом и прикрепленную к шпиндельному узлу в положении линейки для шпинделя, которое определяет фиксированное исходное положение шпиндельного узла, и первый датчик линейки, способный вращаться совместно со шпинделем и взаимодействовать с первой оптической линейкой для определения осевого перемещения шпинделя.

Согласно изобретению создана подвижная группа станка, содержащая подвижный суппорт, связанный с неподвижной направляющей с возможностью перемещения в ее продольном направлении, и вышеописанный блок шпиндельного узла со шпинделем, соединенный с подвижным суппортом с возможностью перемещения.

Группа может содержать второе измерительное средство для измерения осевого перемещения шпиндельного узла, которое может содержать вторую оптическую линейку, способную перемещаться вместе с подвижным суппортом и прикрепленную к подвижному суппорту в положении линейки для шпиндельного узла, и второй датчик линейки, способный вращаться совместно со шпиндельным узлом и взаимодействовать со второй оптической линейкой для определения осевого перемещения шпиндельного узла.

Группа может содержать второе определительное средство, выполненное с возможностью обнаружения деформации шпиндельного узла, которое может содержать стержень, выполненный из материала, по существу, не подверженного тепловому расширению, проходящий в основном в осевом направлении и имеющий передний конец, прикрепленный к шпиндельному узлу рядом с передним концом шпиндельного узла, и задний конец, и датчик стержня, выполненный за одно целое со шпиндельным узлом и способный измерять осевое расстояние до заднего конца стержня.

Согласно изобретению создан станок, содержащий вышеописанную подвижную группу.

Признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего описания иллюстративного и не ограничивающего примера со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 изображает схематический вид станка, содержащего устройство обнаружения деформации шпинделя по настоящему изобретению, когда шпиндель и шпиндельный узел находятся в отведенном положении;

фиг.2 - схематический вид станка по фиг.1, в котором шпиндель находится в выдвинутом положении;

фиг.3 - схематический вид станка согласно варианту настоящего изобретения, содержащего устройство обнаружения деформации шпинделя по настоящему изобретению.

На фиг.1 показан станок 1 согласно первому варианту выполнения, содержащий неподвижную направляющую 2, которая проходит в продольном направлении, например вертикальном, то есть перпендикулярно поверхности земли, на которой установлен станок.

Кроме того, станок 1 содержит подвижную группу, соединенную с направляющей 2. Подвижную группу может перемещать, по меньшей мере, в этом продольном направлении направляющей 2. Подвижная группа содержит подвижный суппорт 4, оперативно соединенный с направляющей 2 для смещения в указанном продольном направлении, и блок шпиндельного узла со шпинделем, установленный на подвижном суппорте 4 и перемещающийся вместе с ним. Указанный блок содержит шпиндельный узел 6 и шпиндель 8.

Шпиндельный узел 6 установлен на подвижном суппорте 4 и оперативно соединен с ним с возможностью перемещения относительно подвижного суппорта 4 в осевом направлении, перпендикулярном продольному направлению, в котором подвижный суппорт 4 может перемещаться относительно направляющей 2.

В частности, шпиндельный узел 6 выполнен с возможностью перемещения между отведенным положением и выдвинутым положением, приспособленным для осуществления обработки механической детали, в котором шпиндельный узел 6 выступает от подвижного суппорта 4 на большее расстояние, чем в отведенном положении.

Шпиндельный узел 6 имеет внутреннее пространство, открытое спереди через отверстие в шпиндельном узле. Шпиндель 8, по меньшей мере, частично установлен во внутреннем пространстве шпиндельного узла с возможностью вращения вокруг своей оси вращения и с возможностью перемещения относительно шпиндельного узла 6 в осевом направлении между отведенным положением и выдвинутым положением, приспособленным для выполнения обработки механической детали, в котором он выступает спереди из шпиндельного узла через отверстие в шпиндельном узле на большее расстояние, чем в отведенном положении.

Шпиндель 8 содержит сигнальный элемент 10, перемещающийся вместе со шпинделем и расположенный рядом с передним концом шпинделя. Сигнальный элемент располагается в зависимости от характеризующих его минимальных конструктивных размеров рядом с инструментальной оправкой, обычно соединенной с передним концом шпинделя. Например, сигнальный элемент 10 может быть выполнен в форме отверстия или канавки в шпинделе или в форме упорной стенки, выступающей из шпинделя.

Шпиндельный узел 6 содержит крышку 12, съемно установленную на нем и соединенную с передней частью шпиндельного узла 6, чтобы закрывать, по меньшей мере, частично отверстие в шпиндельном узле, в любом случае обеспечивая возможность выдвижения шпинделя 8.

В частности, когда для выполнения операции механической обработки требуется использовать шпиндель 8, крышку 12 устанавливают на шпиндельный узел для защиты системы интерфейсов для принадлежностей станка (например, для головки с квадратом, универсальных головок и пр.). С другой стороны, когда шпиндель не используется, крышку 12 снимают со шпиндельного узла 6 и на его переднюю часть устанавливают обрабатывающее приспособление, например фрезерную головку.

Шпиндельный узел содержит определительное средство, прикрепленное к крышке 12 для определения положения сигнального элемента 10 шпинделя для обнаружения тепловой деформации этого шпинделя в убранном положении.

Определительное средство может содержать лазерное средство, выполненное с возможностью излучения лазерного луча для определения положения сигнального элемента 10, выключатель, выполненный с возможностью замыкания и размыкания под воздействием сигнального элемента 10, датчик приближения для обнаружения положения сигнального элемента.

В нижеследующем описании два типичных состояния станка называются "холодным" состоянием, которое характерно для станка после более или менее длительного простоя, когда он имеет, по существу, те же размеры, которые предусмотрены проектом, и "горячим" состоянием, которое характерно для станка после цикла прогревания, обычно выполняемого после простоя и до операции обработки или после операции обработки, когда размеры в станке отличаются от проектных, особенно из-за возникшей тепловой деформации.

Отведенное положение шпинделя определяется определительным средством. Когда определительное средство обнаруживает наличие сигнального элемента 10, объединенного со шпинделем, положение шпинделя во время появления такого сигнала определяется как отведенное положение шпинделя. Таким образом, когда горячий шпиндель перемещается в отведенное положение, определительное средство определяет положение сигнального элемента 10 шпинделя, преимущественно расположенного рядом с передним концом шпинделя.

Крышка 12 и определительное средство во взаимодействии с сигнальным элементом, расположенным на шпинделе, образуют устройство для обнаружения и последующей компенсации тепловой деформации шпинделя.

Согласно предпочтительному варианту подвижная группа станка содержит средство для обнаружения деформации крышки 12. Например, средство обнаружения деформации крышки содержит термозонд или накладной стержень, выполненный из материала, по существу не подверженного тепловой деформации, например Invar®.

Дополнительно шпиндельный узел 6 содержит первое измерительное средство для измерения осевого перемещения шпинделя 8 между фиксированным исходным положением 14 на шпиндельном узле 6 и подвижным положением 16, перемещающимся относительно шпиндельного узла 6 вместе со шпинделем 8. Согласно предпочтительному варианту первое измерительное средство содержит первую оптическую линейку 18, перемещающуюся вместе со шпиндельным узлом 6 и прикрепленную к шпиндельному узлу в положении линейки для шпинделя, которое определяет это фиксированное исходное положение 14 на шпиндельном узле, и первый датчик 20 положения линейки, вращающийся вместе со шпинделем 8 и взаимодействующий с первой оптической линейкой 18 для определения осевой подачи шпинделя.

При стандартной работе станка 1, когда шпиндель перемещается, положение, занимаемое первым датчиком 20 положения линейки, определяют по оптической линейке 18, тем самым измеряя осевое перемещение шпинделя относительно шпиндельного узла. Система обратной связи позволяет позиционировать шпиндель по оси соответствующим образом.

Подвижная группа станка содержит второе измерительное средство для измерения осевого перемещения шпиндельного узла 6 относительно подвижного суппорта 4. Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения второе измерительное средство содержит вторую оптическую линейку 22, перемещающуюся вместе с подвижным суппортом 4 и прикрепленную к подвижному суппорту в положении линейки для шпиндельного узла 24, и второй датчик 26 положения линейки, вращающийся вместе со шпиндельным узлом и взаимодействующий со второй оптической линейкой 22 для обнаружения осевого перемещения шпиндельного узла относительно подвижного суппорта. Система обратной связи позволяет позиционировать шпиндельный узел в осевом направлении соответствующим образом.

При стандартной работе станка 1, когда шпиндельный узел 6 перемещается, положение, занимаемое вторым датчиком 26 положения линейки, обнаруживается оптической линейкой 22, тем самым измеряющей осевое перемещение шпиндельного узла 6 относительно движущегося суппорта 4.

Отведенное положение шпиндельного узла определяется вторым измерительным средством. Когда шпиндельный узел полностью отведен, линейка показывает максимальный ход шпиндельного узла, когда шпиндельный узел полностью выдвинут, линейка показывает "нуль", и это положение также соответствует нулю линейки. Кроме того, подвижная группа содержит второе определительное средство для обнаружения тепловой деформации шпиндельного узла 6. Согласно предпочтительному варианту второе определительное средство содержит стержень 28, выполненный из материала, по существу не подверженного тепловой деформации. Термин "материал, по существу не подверженный тепловой деформации" означает материал с коэффициентом теплового расширения, значительно меньшим такого коэффициента материала, из которого выполнен шпиндельный узел 6, например менее чем в десять раз. Например, стержень 28 может быть выполнен из Invar®.

Стержень 28 проходит, в основном, в осевом направлении и имеет передний конец, прикрепленный к шпиндельному узлу рядом с передним концом шпиндельного узла, и задний конец. В холодном состоянии задний конец стержня 28 выровнен с положением второго датчика 26 положения линейки средства измерения перемещения шпиндельного узла.

Помимо этого второе определительное средство содержит датчик 30 положения стержня, выполненный за одно целое со шпиндельным узлом 6 и способный определять осевое расстояние до заднего конца стержня 38.

При стандартной работе во время выполнения механической обработки второе определительное средство непрерывно отслеживает "горячее" расстояние между задним концом стержня 28 и датчиком 30. На основе этих измерений определяется тепловая деформация, которую испытывает шпиндельный узел, и благодаря этому можно компенсировать такую тепловую деформацию.

В одном варианте положение крепления второго датчика 26 линейки совпадает с положением линейки для шпинделя 14. С другой стороны, в предпочтительном варианте положение крепления второго датчика 26 линейки отнесено в осевом направлении от положения линейки для шпинделя 14.

Предпочтительно, но не исключительно, подвижная группа станка содержит дополнительное определительное средство, выполненное с возможностью обнаруживать тепловую деформацию шпиндельного узла между положением крепления второго датчика 26 положения линейки и положением линейки 14 для шпинделя (фиг.3). Это определительное средство выполнено отдельно и независимо от второго определительного средства и содержит еще один стержень 32, выполненный из материала, по существу не подверженного тепловой деформации, например Invar®. Это дополнительное определительное средство дополнительно содержит датчик 34 положения стержня, выполненный за одно целое со шпиндельным узлом 6 и способный определять осевое расстояние до заднего конца дополнительного стержня 32.

В холодном состоянии задний конец дополнительного стержня 32 выровнен с положением линейки 14 для шпинделя. С другой стороны, в горячем состоянии шпиндельный узел испытывает тепловую деформацию, и задний конец дополнительного стержня 32 находится на некотором осевом расстоянии от положения линейки 14 для шпинделя.

Во время обычных механических обработок второе определительное средство отслеживает положение заднего конца первого стержня 28 и положение крепления второго датчика 26 положения линейки, дополнительное определительное средство определяет расстояние между задним концом дополнительного стержня 32 и положением линейки 14 для шпинделя, тем самым позволяя с высокой точностью определять общую деформацию, возникшую в подвижной группе.

Шпиндельный узел, описанный выше, позволяет с высокой эффективностью обнаруживать его тепловую деформацию, поскольку сигнальный элемент расположен очень близко к концу шпинделя рядом с местом соединения с инструментальной оправкой.

Кроме того, первое определительное средство установлено под крышкой, являясь защищенным от стружки, грязи, смазочно-охлаждающей жидкости и других загрязнений, возникающих в ходе технологического процесса.

Еще одно преимущество состоит в том, что, когда шпиндель не используется и на шпиндельный узел установлено технологическое приспособление, первое определительное средство не находится в рабочей зоне и, таким образом, защищено.

Еще одно преимущество состоит в том, что первое определительное средство перемещается вместе со шпиндельным узлом, что позволяет обнаруживать деформации шпинделя, не убирая шпиндельный узел, сокращая время некоторых технологических операций и повышая надежность обнаружения деформации шпинделя без фактического изменения положения, которое занимает шпиндельный узел.

Специалистам понятно, что в вышеописанное устройство обнаружения деформации шпинделя могут быть внесены различные изменения и модификации, входящие в объем защиты, определенный приложенной формулой изобретения.

1. Устройство для обнаружения тепловой деформации шпинделя станка, содержащего шпиндельный узел, выполненный с возможностью перемещения в осевом направлении и имеющий внутреннее пространство, открытое спереди через отверстие в шпиндельном узле, шпиндель, по меньшей мере, частично расположенный во внутреннем пространстве шпиндельного узла, установленный с возможностью вращения вокруг оси вращения и оперативно соединенный со шпиндельным узлом с возможностью перемещения в осевом направлении между отведенным положением и выдвинутым положением, которое предназначено для выполнения механической обработки и при котором шпиндель выступает из передней части шпиндельного узла через отверстие в шпиндельном узле на большее расстояние, чем в отведенном положении, при этом шпиндель содержит сигнальный элемент, а указанное устройство содержит крышку шпиндельного узла, выполненную с возможностью соединения спереди со шпиндельным узлом для, по меньшей мере, частичного закрывания отверстия в шпиндельном узле с обеспечением возможности перемещения шпинделя, и определительное средство, прикрепленное к крышке шпиндельного узла и предназначенное для определения положения сигнального элемента шпинделя в отведенном положении.

2. Устройство по п.1, в котором определительное средство содержит лазерное средство, способное излучать лазерный луч для определения положения сигнального элемента.

3. Устройство по п.1, в котором определительное средство содержит выключатель, выполненный с возможностью замыкания и размыкания при воздействии на него сигнального элемента.

4. Устройство по п.1, в котором определительное средство содержит датчик приближения для определения положения сигнального элемента.

5. Устройство по любому из пп.1-4, которое содержит средство обнаружения деформации крышки.

6. Устройство по п.5, в котором средство обнаружения деформации крышки содержит стержень, выполненный из материала, по существу, не подверженного тепловому расширению, например Invar®.

7. Блок шпиндельного узла со шпинделем станка, содержащий шпиндельный узел, выполненный с возможностью перемещения в осевом направлении и имеющий внутреннее пространство, открытое спереди через отверстие в шпиндельном узле, шпиндель, по меньшей мере частично расположенный во внутреннем пространстве шпиндельного узла, установленный с возможностью вращения вокруг оси вращения и оперативно соединенный со шпиндельным узлом с возможностью смещения в осевом направлении между отведенным положением и выдвинутым положением, которое предназначено для выполнения механической обработки и при котором шпиндель выступает из передней части шпиндельного узла через отверстие в шпиндельном узле на большее расстояние, чем в отведенном положении, при этом шпиндель содержит сигнальный элемент и устройство для обнаружения тепловой деформации шпинделя станка, выполненное по одному из пп.1-6.

8. Блок по п.7, который содержит выполненное за одно целое со шпинделем первое измерительное средство для измерения осевого перемещения шпинделя между неподвижным исходным положением на шпиндельном узле и подвижным относительно шпиндельного узла положением.

9. Блок по п.8, в котором первое измерительное средство содержит первую оптическую линейку, способную перемещаться вместе со шпиндельным узлом и прикрепленную к шпиндельному узлу в положении линейки для шпинделя, которое определяет фиксированное исходное положение шпиндельного узла, и первый датчик линейки, способный вращаться совместно со шпинделем и взаимодействовать с первой оптической линейкой для определения осевого перемещения шпинделя.

10. Подвижная группа станка, содержащая подвижный суппорт, связанный с неподвижной направляющей с возможностью перемещения в ее продольном направлении, и блок шпиндельного узла со шпинделем, выполненный по п.7 и соединенный с подвижным суппортом с возможностью перемещения.

11. Группа по п.10, содержащая второе измерительное средство для измерения осевого перемещения шпиндельного узла.

12. Группа по п.11, в которой второе измерительное средство содержит вторую оптическую линейку, способную перемещаться вместе с подвижным суппортом и прикрепленную к подвижному суппорту в положении линейки для шпиндельного узла, и второй датчик линейки, способный вращаться совместно со шпиндельным узлом и взаимодействовать со второй оптической линейкой для определения осевого перемещения шпиндельного узла.

13. Группа по п.10, содержащая второе средство определения, выполненное с возможностью обнаружения деформации шпиндельного узла.

14. Группа по п.13, в которой второе определительное средство содержит стержень, выполненный из материала, по существу, не подверженного тепловому расширению, проходящий в основном в осевом направлении и имеющий передний конец, прикрепленный к шпиндельному узлу рядом с передним концом шпиндельного узла, и задний конец, и датчик стержня, выполненный за одно целое со шпиндельным узлом и способный измерять осевое расстояние до заднего конца стержня.

15. Станок, содержащий подвижную группу по п.10.