Устройство высокоточной обработки деталей на токарных станках с числовым программным управлением

Авторы патента:

B23Q15/18 - компенсация изменения положения инструмента из-за температуры или усилия резания

B23B25/06 - измерительные, контрольные или установочные устройства, служащие для наладки, подачи, управления или наблюдения за режущими инструментами или обрабатываемыми изделиями (измерительные приборы или калибры G01B)

Владельцы патента RU 2677443:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова" (RU)

Изобретение относится к области механической обработки металлов резанием на станках с ЧПУ. Устройство содержит исполнительный механизм перемещения резца, лазерный датчик с аналого-цифровым преобразователем для измерения размера обрабатываемой детали, связанный с входом компьютера, выход которого через блок усиления сигнала связан с упомянутым исполнительным механизмом. При этом устройство снабжено встроенным в резец датчиком температуры в зоне резания и бесконтактным датчиком температуры поверхности обрабатываемой детали, выходы которых подключены к входу компьютера. Использование изобретения позволяет повысить геометрическую точность обработки деталей при чистовом точении. 1 ил.

Изобретение относится к области механической обработки металлов резанием на высокоточном оборудовании с ЧПУ и активным системам контроля в режиме реального времени, в частности к способам чистовой прецизионной обработки деталей для обеспечения компенсации температурных погрешностей, возникающих в зоне резания и обусловленных влиянием температурного поля детали.

Известно устройство обеспечения геометрической точности и размерной настройки высокоточного металлорежущего станка, содержащее блок усиления сигнала, исполнительные механизмы, резец и деталь [Патент РФ №2116869, МПК В23В 25/06, В23В 41/00, 1998 г.].

К недостаткам этого устройства можно отнести невозможность компенсации возмущающих воздействий, действующих на деталь при прохождении режущего инструмента по ее поверхности в реальном времени, что снижает геометрическую точность обработки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сути (прототипом) является устройство управления точностью обработки деталей, включающее блок усиления сигнала, исполнительный механизм, резец и снабженный лазерным излучателем, содержащим сканирующий излучатель лазерного пучка, приемник отраженного сигнала, двухкоординатное измерительное устройство и компьютер [Патент РФ №2288809, МПК В23В 25/06, B23Q 15/12, 2006 г.].

Основной недостаток этого устройства - узкие функциональные возможности вследствие отсутствия управления качеством обработки поверхности детали, что обусловлено отсутствием контроля воздействия температурного поля детали на геометрическую точность обработки и недостатком информации о динамическом изменении названного параметра.

Технической задачей изобретения является обеспечение высокой геометрической точности обработки деталей при чистовом точении на токарных станках с прецизионной точностью в режиме реального времени путем коррекции положения резца на вычисленную величину температурной погрешности.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее блок усиления сигнала и исполнительный механизм, соединенный с резцом, лазерный датчик с аналого-цифровым преобразователем и компьютер, введен датчик температуры, встроенный в резец, позволяющий измерять температуру в зоне резания и бесконтактный датчик температуры поверхности обрабатываемой детали с цифровым выходом. Выход температурного датчика, встроенного в резец, соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав компьютера. Цифровой выход бесконтактного датчика температуры поверхности детали подключен к входу компьютера.

Использование этих связей в устройстве позволит определять величину коррекции, используя размер детали, полученный от лазерного датчика и значения температуры поверхности детали и температуры в зоне резания. Полученное значение величины коррекции позволяет изменять положение резца при помощи исполнительных механизмов тем самым обеспечив высокую точность обработки поверхностей деталей на оборудовании с ЧПУ в режиме реального времени.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства высокоточной обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.

Устройство высокоточной обработки деталей на токарных станках с ЧПУ содержит переднюю бабку 1, заднюю бабку 2, обрабатываемую деталь 3, датчик температуры в зоне резания 4, бесконтактный датчик температуры 5 поверхности детали с цифровым выходом, резец 6, лазерный датчик высокой точности с цифровым выходом 7, компьютер 8 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), блок усиления сигнала 9, исполнительный механизм 10 оборудования с ЧПУ.

Связи в устройстве высокоточной обработки деталей на токарных станках с ЧПУ расположены в следующем порядке: выход датчика температуры в зоне резания 4, встроенного в резец 6, соединен с аналого-цифровым преобразователем, входящим в состав компьютера 8. Цифровые выходы лазерного датчика 7 и бесконтактного датчика температуры 5 поверхности детали соединены с входом компьютера 8. Выход компьютера 8 подключен к входу блока усиления сигнала 9. Выход блока усиления сигнала 9 соединен с исполнительным механизмом 10, выход исполнительного механизма 10 соединен с резцом 6 и бесконтактным датчиком температуры 5 поверхности детали. Деталь 3 удерживается передней бабкой 1 и задней бабкой 2.

Устройство высокоточной обработки деталей на токарных станках с ЧПУ работает следующим образом. Осуществление работы устройства производилось на примере центровой токарной обработки поверхности детали на оборудовании с ЧПУ.

С момента начала вращения детали на чистовых режимах обработки в системе станок-приспособление-инструмент-деталь возникают погрешности, такие как размерный износ инструмента, удлинение резца, изменение размеров детали вследствие температурных деформаций и т.д., из-за чего уменьшается точность обработки поверхности детали. Определение разности между заданным и текущим размером обрабатываемой детали с учетом температурных деформаций резца и обрабатываемой детали, используя показания лазерного датчика и датчиков температуры, с помощью компьютера позволит выработать сигнал коррекции, передать его на исполнительный механизм оборудования с ЧПУ для изменения положения резца и устранения возникшей температурной погрешности тем самым обеспечить высокую точность заданного размера детали при ее обработке в реальном времени.

Прохождение резца 6 по поверхности детали 3 сопровождается выделением теплоты, при этом значительное повышение температуры в зоне резания вызывает удлинение резца и увеличение геометрических размеров детали. В любой момент времени изменение геометрического размера вследствие изменения температуры определяется по формуле:

где αt - температурный коэффициент линейного расширения материала, - линейный размер, Δt - изменение температуры.

В процессе обработки цифровой сигнал t_дет от датчика 5 температуры поверхности детали поступает на вход компьютера 8. Компьютер 8, используя значение размера детали и значение температуры поверхности детали в текущий момент времени, вычисляет изменение размера детали вследствие температурного расширения. Далее производится алгебраическое сложение номинального размера детали и расчетного значения температурного расширения, полученная величина принимается за требуемый размер.

Электрический сигнал с датчика температуры t_рез в зоне резания 4 подается на вход аналого-цифрового преобразователя, находящегося в составе компьютера 8, где, используя значение температуры до начала обработки t₀ по формуле (1) рассчитывается удлинение резца в зависимости от его нагрева.

Цифровой сигнал значения текущего размера обрабатываемой детали от лазерного датчика 7 подается на вход компьютера 8, где производится вычисление текущего размера детали с учетом расчетной величины удлинению резца процессе обработки детали компьютер 8 сравнивает полученную величину текущего размера с расчетным требуемым размером детали и вырабатывает сигнал коррекции ε_к.

Сигнал коррекции ε_к передается на блок усиления сигнала 9 для пропорционального усиления. Затем от блока усиления сигнала 9 подается управляющий сигнал на исполнительный механизм оборудования с ЧПУ 10 для корректировки положения резца 6 относительно детали 3, тем самым обеспечивая высокую точность обработки в реальном времени.

Таким образом, предлагаемое устройство высокоточной обработки деталей на токарных станках с ЧПУ позволяет повысить геометрическую точность обработки деталей при чистовом точении на токарных станках с прецизионной точностью в режиме реального времени.

Устройство для обработки детали на токарном станке с ЧПУ, содержащее исполнительный механизм перемещения резца, лазерный датчик с аналого-цифровым преобразователем для измерения размера обрабатываемой детали, связанный с входом компьютера, выход которого через блок усиления сигнала связан с упомянутым исполнительным механизмом, отличающееся тем, что оно снабжено встроенным в резец датчиком температуры в зоне резания и бесконтактным датчиком температуры поверхности обрабатываемой детали, выходы которых подключены к входу компьютера.

Изобретение относится к области станкостроения и может быть использовано для управления охлаждением высокоскоростных мотор-шпинделей металлорежущих станков. Способ включает регулируемую подачу хладагента к статору мотор-шпинделя и к его передней и задней подшипниковым опорам с одновременным измерением их температуры.

Устройство для измерения силовых деформаций станины координатно-расточного станка // 2575508

Изобретение относится к области высокоточного станкостроения и может быть использовано в прецизионных станках расточной и фрезерной групп для оценки силовых деформаций их станины.

Способ компенсации тепловых деформаций металлорежущих станков с чпу // 2573854

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано для компенсации тепловых деформаций рабочих органов технологических машин. Способ включает в себя измерение температуры теплоактивных узлов станка, расчет по значению измеренной температуры величин тепловых деформаций упомянутых узлов, сравнение упомянутых тепловых деформаций с их заданными допустимыми значениями и соответствующую коррекцию величин перемещений рабочих органов станка по каждой управляемой координате в случае превышения упомянутых тепловых деформаций заданных допустимых значений.

Способ компенсации тепловых деформаций исполнительных узлов металлорежущего станка с чпу // 2538884

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано для управления линейными перемещениями исполнительных узлов металлорежущего станка с ЧПУ. Управление исполнительных узлов в процессе обработки деталей осуществляется по измеренным и определенным средним избыточным температурам: ходовых винтов, противоположных стенок корпусных деталей, несущих ходовые винты, в направлении продольной оси ходовых винтов, оси вращения шпинделя и вдоль стенок шпиндельной бабки, которые расположены перпендикулярно оси вращения шпинделя.

Способ коррекции позиционирования подвижных органов станка в процессе обработки // 2516123

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к станкостроению, и предназначен для управления осевыми температурными деформациями рабочих органов металлорежущих станков.

Способ автоматической компенсации тепловых смещений шпинделя металлорежущего станка с числовым программным управлением // 2499658

Способ включает установление величин тепловых смещений шпинделя станка в процессе обработки, введение коррекции в перемещение рабочих органов станка по управляемым осям координат и определение вида и параметров функций теплового смещения шпинделя станка для каждой частоты его вращения и при простоях, по которым рассчитывают величины тепловых смещений шпинделя станка в зависимости от времени работы на различных частотах вращения и от времени простоя, а в моменты достижения рассчитанных величин установленных допустимых значений осуществляют корректировку величины перемещения рабочих органов станка.

Устройство теплового контроля точности обработки деталей // 2381888

Изобретение относится к области станкостроения, в частности к средствам активного контроля обработки детали в реальном времени на оборудовании с ЧПУ. .

Устройство для измерения межбандажного расстояния и установки фрез колесофрезерного станка // 1537469

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано для измерения расстояния между внутренними поверхностями бандажей колес железнодорожного подвижного состава и установки фрез колесофрезного станка под локомотивами и вагонами железнодорожного транспорта.

Устройство для компенсации погрешности динамической настройки системы спид металлорежущего станка // 1229017

Способ контроля температур и тепловых деформаций металлорежущего станка и устройство для его осуществления // 998092

Способ коррекции положения резца на металлорежущем станке с чпу // 2654120

Изобретение относится к области металлообработки. Способ коррекции включает имитацию нагружения резца силами резания посредством гирь, подвешенных через систему независимых блоков на тросах, расположенных в направлении действия продольной и поперечной сил резания.

Способ управления обработкой стволов артиллерийских установок // 2652295

Изобретение относится к области обработки полых длинномерных тел вращения, а именно к способам управления обработкой стволов артиллерийских установок. Способ управления обработкой стволов артиллерийских установок включает в себя сверление отверстия заготовки ствола и наружное точение.

Режущий инструмент, а также резцовая кассета для него // 2643009

Режущий инструмент включает держатель и съемную державку, имеющую сменные режущие пластины, при этом держатель включает основной корпус (10), а также опорный корпус (11) для державки (7).

Способ испытания металлорежущих станков по параметрам точности при действии термических возмущений // 2634529

Изобретение относится к области испытаний металлорежущих станков при действии термических воздействий. В качестве параметров, характеризующих термическое состояние станка, используют отклонение положения оси шпинделя станка по двум линейным координатам в горизонтальной плоскости, отклонение углового положения оси шпинделя и угловое перемещение оси шпинделя относительно базы под заготовку, которые измеряют посредством расположенных на разных уровнях шпинделя двух пар преобразователей линейных перемещений шпинделя после завершения стандартного цикла работы станка при проведении тестовых испытаний.

Способ испытания зенкера, предназначенного для обработки предварительно просверленного отверстия // 2620030

Изобретение относится к области обработки резанием и может быть использовано для испытания зенкеров и исследования обрабатываемости конструкционных материалов зенкерованием.

Способ определения жесткости металлообрабатывающего станка с чпу // 2619424

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано при проведении исследований и испытаний на жесткость металлообрабатывающих станков с ЧПУ. Осуществляют взаимную установку подвижного стола станка относительно оправки, закрепленной в его шпинделе, с их контактом через датчики силы, установленные по трем взаимно перпендикулярным координатным осям на столе, и шаром в точке с координатами, соответствующими действию силы резания.

Способ обработки тел вращения // 2612877

Способ включает установку заготовки во вращающихся центрах. Предварительно устанавливают положение оси, по которой осуществляют базирование заготовки, путем обмера поперечных сечений заготовки с определением координат точек контура сечения, по которым определяют положение центров тяжести её поперечных сечений с последующим усреднением методом наименьших квадратов.

Способ токарной и/или фрезерной обработки роторов турбин и крупногабаритных валов // 2606689

Способ заключается в том, что заготовку устанавливают на поддерживающие ролики люнетов и зажимают ее поддерживающими роликами, совмещая ось вращения заготовки с осью центров станка.

Способ определения твердости обрабатываемого материала в зоне контакта обрабатываемой детали с инструментом в процессе резания // 2605052

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для определения твердости обрабатываемого материала при разных режимах резания в конкретных условиях обработки на выбранном технологическом оборудовании для оценки правильности выбора режимов резания или их коррекции в процессе обработки.

Способ уменьшения эксцентричности между внутренней поверхностью и наружной поверхностью полой детали, зажатой с возможностью вращения в станке // 2605042

Изобретение относится к области металлообработки и может быть использовано для уменьшения эксцентричности внутренней поверхности (7) полой детали (1), в частности полого вала, относительно ее наружной поверхности (9).