 |
Вопрос 11: Конструкции токарных обрабатывающих центров. Конструкции узлов полярной координаты.
|
|
|
|
В настоящее время в машиностроении широко используются токарные многооперационные (многоцелевые, обрабатывающие центра) станки, предназначенные для комплексной обработки деталей типа фланец, крышки, маховики и т.д. Для изготовления, которых требуются не только
токарные операции, но и операции, связанные со сверлением, фрезерованием различных поверхностей, расположенных на периферии детали. Такая концентрация операций позволяет
резко сократить количество оборудования, увеличить производительность за счет сокращения транспортных операций и перестановки детали также позволяет повысить качество.
Одной из основных задач при создании токарных многоцелевых станков является обеспечение двух режимов обработки:
• обычного точения неподвижным инструментом (в этом случае шпиндель приводится во вращение от электродвигателя главного привода);
• периферийной обработки вращающимся инструментом (вне центровочных отверстий, шпоночных пазов, сложных поверхностей и пр.)
Во втором случае шпиндельные узлы вместе с соответствующим приводом образуют механизм полярной (круговой) координаты, которая в зависимости от условий обработки может иметь:
- непрерывное управление с дискретностью угловых перемещений шпинделя порядка 0.001°
- при контурном фрезеровании поверхностей типа конусов, кулачков и других
фасонных элементов;
- позиционное управление с дискретностью 1-2° - при сверлении, нарезании резьб, зенкеровании и развертывании нецентровых отверстий, цековке и др.
Узел полярной координаты должен обеспечить: высокую точность и отсутствие люфтов; высокую осевую, изгибную и пружинную жесткость; высокую надежность работы (при смене
режимов обработки); высокий КПД, малые габариты; блочное исполнение.
|
|
|
Высокое качество привода полярной координаты может быть достигнуто за счет: использования кинематических цепей повышенной точности и жесткости; применения передач с
большим передаточным числом и высоким КПД (волновые передачи); применение в кинематической связи привода полярной координаты со шпинделем беззазорных пар; установки точного роторного датчика на выходном звене привода.
Известны следующие варианты исполнения шпинделей:
• с одним двигателем - для станков малых и средних типоразмеров, в этом случае инерционные нагрузки ротора (двигателя) оказывают малое влияние на точность позиционирования шпинделя;
• с двумя двигателями — для крупных станков, более мощный двигатель используется при точении, а меньший- периферийной обработке. Включение- отключение привода полярной координаты может осуществляться посредством электромагнитных или зубчатых муфт, работающим по командам ЧПУ и сцеплением- расцеплением
кинематических пар, обеспечивающих связь привода полярной координаты со шпинделем станка.
Первый вариант исполнения не обеспечивает высокой надежности работы привода, а при втором варианте имеет место снижение жесткости привода, обусловленное наличием
большого числа подвижных элементов и стыков.
На рис. 1... 9 представлены кинематические схемы привода полярной координаты шпинделя токарных многоцелевых станков. Приводы, схемы которых изображены на рис.2...9 являются непрерывными.
На рис.1 показана схема одно двигательного привода шпинделя, обеспечивающего режимы точения и внецентрового сверления и фрезерования. При втором режиме шпиндель индексируется с дискретностью 1...25°, точность позиционирования ±0,01°, повторяемость ±0,005°. Фиксация
шпинделя 1 в заданном положении осуществляется посредством зубчатого колеса 2 (z=144) и фиксирующего зубчатого сектора 3, перемещаемого штоком гидропривода 4; 5 - приводной
электродвигатель; 6 - ременная передача.
|
|
|
На рис.2 (1- шпиндель; 2 - зубчатая передача; 3 - ременная передача; 4- приводной электродвигатель; 5 - роторный датчик (преобразователь)) дана схема однодвигательного привода главного движения, обеспечивающего в режиме периферийной обработки в
сочетании с перемещениями по линейным координатам X и Z формирование сложных поверхностей.
Дискретность условного перемещения шпинделя по координате С (вращение шпинделя) составляет 0,001°. Положение шпинделя контролируется роторным датчиком 5.
В варианте, приведенном на рис.3, скоростное вращение шпинделя 1 при точении осуществляется от привода, основой которого является электродвигатель 8. от которого вращение на шпиндель 1 передается посредством ременной передачи 9. Шпиндель оснащен тормозным устройством 6 и роторным преобразователем (датчиком) 7. Перемещение шпинделя на меньших скоростях при периферийной обработке осуществляется с помощью привода полярной координаты, содержащего регулируемый электродвигатель 10 с роторным преобразователем 11 и зубчатое колесо 2, подвижное колесо 3 и зубчатое колеса 4-5. Отклонение привода полярной координаты осуществляется посредством шестерни 3, выводимой из зацепления с зубчатым колесом 2 соответствующим механизмом. Наличие роторных датчиков 7 и 11 соответственно
в приводах скоростей цепи и полярной координаты позволяет контролировать угловое положение колес 2 и 3 и исключить возможность столкновения вершин зубьев указанных элементов.
Основание шпинделя 1 тормозным устройством 6 обеспечивает надежную фиксацию шпинделя и детали при обработке в режиме позиционирования, выборку люфтов в цепи привода полярной координаты (при включении тормозного устройства 6 в режиме «подтормаживание»).
В приводе на рис.4 режим точения осуществляется при передаче вращения шпинделю 1 от двигателя 2 через ременную передачу 3. Программируемое угловое перемещение шпинделя
в режиме позиционирования и контурной обработки от электродвигателя (регулируемого) 4 полярной координаты передается через редуктор 5 и червячную передачу 6, колесо которой установлено на опорах качения в шпинделе 1. связь червячного колеса со шпинделем осуществляется через электромагнитную муфту 7 при отключенном скоростном приводе.
|
|
|
Повышение надежности работы привода главного движения при этом может быть достигнуто путем использования различных конструктивных схем связи привода полярной координаты, снабженного элементами передачи (зубчатое колесо, червяк), взаимодействующими в данный
момент с элементом передачи (зубчатое или червячное колесо), установленным на шпинделе станка. Перемещение привода полярной координаты в крайние фиксированные положения «сцеплено» и «расцеплено» осуществляется автономным приводом, управляемым устройствами ЧПУ.
На рис.5 приведена схема перемещения привода полярной координаты шпинделя 1 станка. Привод размещен на поворотном рычаге 3, перемещение которого осуществляется от
гидроцилиндра 4. В положении «сцеплено» движение от привода на шпиндель 1 передается через зубчатое колесо 5, самоцентрированное на приводе и колесо 6, закрепленное на шпинделе 1. Для исключения попадания «зуб в зуб» колес 5 и 6 используется датчик резьбонарезания 7 шпинделя 1 и роторный датчик привода 10. В крайних положениях рычаг 3 взаимодействует с упорами и контролируется конечными выключателями. В приводе используется волновой редуктор с
передаточным отношением i=80, регулируемый электродвигатель привода полярной координаты 2, двигатель скоростного вращения 8, ременная передача 9.
На рис.6 показана схема полярной координаты шпинделя, выполненная также с угловым перемещением привода в положения «сцеплено» и «расцеплено». Сам привод 1 размещен
в подвеске 2, закрепленной на корпусе шпиндельной бабки 3 станка. Перемещение корпуса привода полярной координаты 4 осуществляется с помощью гидропривода 5. В крайних
положениях привода, контролируемых конечными выключателями, корпус 4 взаимодействует с упорами, один из которых в положении «сцеплено» выполнен регулируемым; 6 и 10 - электродвигатели скоростного вращения и привода полярной координаты; 7 и 11 - роторные преобразователи; 8 - размыкаемая червячная передача; 9 - ременная передача.
|
|
|
На рис.7 автономный узел 2 кинематических связан со шпинделем 1 станка посредством расцепляемой пары червяк -червячное колесо 3-4. Угловое перемещение узла 2 относительно оси 5 осуществляется в автоматическом режиме механизмом поворота привода полярной координаты
6,выполненном в виде унифицированного узла, который обеспечивает ввод в зацепление червяка 5, кинематических связанного с приводом узла 2.
Включение привода полярной координаты шпинделя блокируется конечными в ыключателями при «утыкании» вершин зубьев червяка и червячного колеса.
Режим сцепления осуществляется при медленном вращении привода 2, что позволяет гарантированно обеспечить надежное сцепление червячной пары 3-4. Положение «сцеплено» фиксируется датчиком углового положения шпинделя. По завершении операций периферийной обработки расцепление червячной 3-4 производится реверсированием механизма 6, после чего поворотный корпус с узлом 2 отводится в положение «расцеплено» с помощью соответствующего
устройства. 7,10 - электродвигатели скоростного вращения и привода полярной координаты; 8,11 - роторные преобразователи (датчики); 9.12 - ременные передачи.
Достоинство варианта: высокая жесткость, точность и надежность работы.
На рис.8 приведена схема привода полярной координаты шпинделя станка с линейным перемещением узла последнего в положения «сцеплено» и «расцеплено».
Привод содержит электродвигатель 2 постоянного тока с частотным регулированием, промежуточный редуктор 3 и червяк 4, которые размещены в корпусе 5, имеющем возможность перемещения в направлении, перпендикулярном оси шпинделя станка от гидропривода 6. При периферийной
обработке червяк 4 сцеплен с червячным колесом 7, закрепленным на шпинделе 1 станка.
Перед точением привод полярной координаты отклоняется за счет осевого перемещения корпуса 5 гидроприводом 6, при этом червяк 4 выводится из зацепления с червячным колесом 7. 9 - электродвигатель скоростного вращения; 8,10 – роторные преобразователи.
Недостаток схемы - увеличенные массовые и габаритные характеристики станка. Схема привода на рис.9 выполнена в виде автономного узла, содержащего редуктор, размещенный в корпусе 2, вертикальные направляющие которого установлены на кронштейне 3, закрепленном на шпиндельной бабке 4 станка. На валу 5 червячного колеса насажено зубчатое колесо 6, которое
при перемещении корпуса 2 посредством гидроцилиндра 7 по направляющим в вертикальной плоскости вводится в зацепление с зубчатым колесом 8, закрепленном на шпинделе станка. Движение при внецентровой обработке от электродвигателя 10 посредством червячной пары 9 и зубчатой пары 6-8 передается шпинделю 1. Крайние положения корпуса 2 контролируются конечным выключателем. Скоростное вращение шпинделя осуществляется от регулируемого
электродвигателя 11 через две поликлиновые ременные передачи 12,13 и перебор 14. Контроль угловых положений шпинделя 1 и шестерни 6 с помощью преобразователей 15 и 16 исключает возможность «утыкания» вершин зубьев колес 6 и 8.
|
|
|
Достоинство схемы: возможность регулирования величины люфта в конечном звене передачи и червячной паре, беззазорное соединение вала ротора электродвигателя с входным валом редуктора и червячного колеса с входным валом.
При выборе конструктивного решения привода полярной координаты шпинделя следует принимать во внимание следующие факторы: типоразмер станка; сложность, жесткость
и точность работы привода; надежность работы; габариты и
металлоемкость привода.
Привод вращающегося инструмента токарных
металлорежущих станков
Конструктивно инструментальная система токарных многоцелевых станков реализуется в виде:
инструментальных магазинов, связанных посредством манипуляторов или роботов с инструментальными головками, закрепленных на поперечных салазках станка стационарно или с
возможностью программируемого поворота, обеспечивающего последовательный ввод в обработку радиального или осевого неподвижного и вращающегося инструмента, инструмента для
обработки детали под углом;
револьверных многопозиционных головок, оснащенных неподвижным и вращающимися (радиальными и осевыми) инструментами, вращающимся инструментом для обработки деталей под углом.
Инструментальные головки систем с магазином имеют исполнения: в зависимости от количества одновременно установленных инструментов- одно- и двухинструментальные; в зависимости от числа управляемых координат- стационарного типа, с одной и двумя поворотными координатами.
На рис. 10 показана одноинструментальная головка, входящая в инструментальную систему патронно- центрового токарного многоцелевого станка. Головка, имеющая ось вращения, расположенную под углом 45° к оси Z станка, фиксируется в двух положениях, что обеспечивает возможность установки инструмента в осевом и радиальном направлениях.
Привод вращающегося инструмента содержит регулируемый электродвигатель 11 с номинальной мощностью 4.5кВт и nmax=4500 об/мин, пару косозубых 9, 10 и пару
конических зубчатых колес 18, 19, а также муфту 2 с внутренними зубьями, сцепленную с шестерней 3 инструментального шпинделя 4. Изменение положения оси гнезда корпуса 6 производится при размыкании плоскозубчатых колес 7 и 8, штоком 13 (шток-рейка), гидроцилиндра 14,
сцепленным с зубчатым колесом 12 и контролируемыми конечными выключателями.
1- зажимной сухарь блока; 5- инстументальный блок; 15- неподвижный корпус; 14- гидроцилиндр поворота головки; 16- гидроцилиндр зажимного блока; 17- гидроцилиндр закрепления инструментального блока.
Достоинства инструментальной системы данного исполнения:
большая жесткость и точность установки блоков, вращающихся инструментов; меньшие потери времени на смену инструментов, загрузка инструментов совмещена с процессом обработки.
Недостаток ~ размещение инструментального шпинделя внутри хвостовика, что ограничивает величину передаваемого на инструмент крутящего момента.
На рис. 11 приведена схема инструментальной головки, имеющей две полярные координаты и оснащенной двумя гнездами для неподвижного и вращающегося инструментов.
Полярная координата А с осью вращения диска 3, перпендикулярной плоскости поперечных направляющих салазок, обеспечивает обработку отверстий и пазов, расположенных под углом к оси вращения, кратным 2,5°. Другая поперечная координата головки Б, ось поворота корпуса 4 которой параллельна плоскости направляющих поперечных салазок, обеспечивает возможность обработки на детали шпоночных пазов и подобных элементов «вразгонку» немерным инструментом.
Инструментальная головка подобного исполнения обладает расширенными технологическими возможностями, высокой жесткостью и точностью, исключает возможность столкновения с углами станка и обрабатываемой деталью.
На рис. 11: 1 - суппорт; 2 - поперечные салазки; 5 и 6 - гнезда для вращающегося и неподвижного инструментов.
Накопителем инструментальной системы станка служит кассета с инструментами, установленная на тележке размещенной у правого торца станины станка с возможностью перемещения с шагом, равным расстоянию между гнездами кассеты. Емкость кассеты - 48 инструментов. Мощность электродвигателей привода инструмента в зависимости от типоразмера станка составляет 6.9, 8.7 и 12.6 кВт.
Диапазон частот вращения инструментальных шпинделей головок - 30...2200 (30...3000) об/мин.
Привод вращения инструмента головки 4 (рис.12) содержит электродвигатель 11, связанный клиноременной 9,10 и конической зубчатой передачами с инструментальным шпинделем 2. Угловое положение последнего контролируется роторным преобразователем 7.
Линейное перемещение головки в направлении, перпендикулярно плоскости направляющих салазок,
осуществляется приводом, содержащим регулируемый электродвигатель 13, связанный клиноременной передачей 12 с винтом шарико-винтовой пары 14. Дискретность перемещения головки по оси Y - 0,001 мм.
Угловое перемещение инструментальной головки 4 осуществляется электродвигателем 11 с дискретностью 0,01° при зафиксированном посредством пальца 20 шпинделя 2. При обкатке ведущей конической шестерни сцепленного с ней ответного зубчатого колеса, жестко связанного со шпинделем 2,
происходит поворот головки, угловое положение которой контролируется при этом роторным преобразователем 15, сцепленным с корпусом головки зубчатой парой 10. При обработке головка 4 подтормаживается гидротормозом 5. Угловое положение головки через 90° фиксируется пальцем 17,
перемещаемым штоком гидроцилиндра 18. Мощность электродвигателя 11 - 5,4 кВт. Диапазон частот вращения инструментштьных шпинделей - 12...3000 мин"1. Линейное перемещение головки по оси Y - 160 м.
На рис.12: 1 - гидроцилиндр фиксации шпинделя головки; 3 - коническая зубчатая передача; 6 и 16 -
зубчатые передачи; 8 - электромагнитные муфты; 15 - роторный преобразователь; 19 - гидроцилиндр разжима шпинделя; 20 - палец, фиксатор шпинделя.
Приводы вращения инструментального шпинделя и линейного перемещения головки по координате Y снабжены устройствами натяжения ремней.
В последнее время при разработках револьверных головок прослеживается тенденция к отказу от традиционных схем базирования и фиксации с использованием плоских зубчатых шестерен, отличающихся сложностью технологических процессов изготовления. Компоновка и конструктивное исполнение головок все более приближается к прецизионным шпиндельным узлам.
На рис.13 показана схема револьверной головки (многопозиционной) с периферийной фиксацией, в природе которой установлен регулируемый электродвигатель 2, связанный с датчиком 1. Ротор э электродвигателя 2 жестко соединен с генератором волновой передачи 3, гибкое колесо которой закреплено на валу 13 диска 6, установленном на подшипниках 5 и 7 в корпусе 4 головки. Закрепленный с помощью разжимных пружинных колец на валу 13 диск 6 выполнен с пазами, число которых равно количеству гнезд
инструментальных гнезд диска 10 и с которыми взаимодействует фиксирующий палец 12, оснащенный
гидроприводом 11 фиксации головки. К корпусу 4 крепится фланец 8, в котором с возможностью периодического взаимодействия с диском 10 размещены тормозные элементы 9; перемещение их осуществляется при подаче давления. Поворотом диска 10 с инструментами из позиции в позицию производится при отвернутом фиксирующем пальце 12 приводом, включающим электродвигатель 2 и волновую передачу 3. В данном положении диск 30 фиксируется пальцем 12 и тормозится элементами 9. Конструкция головки обеспечивает реверсирование и установку заданного инструмента при угловом повороте диска 10. Частота вращения диска 5...20 мин"1. Передаточное отношение волновой передачи -20.
Достоинства: простота конструкции, обусловленная использованием элементов унифицирования, высокая жесткость и точность.
Анализ показывает, что для 96% деталей, обрабатываемых на станках, вполне достаточно 5...6 вращающихся инструментов, используемых в наладке. Наличие в накопителе 8... 10 и более гнезд для установки вращающихся инструментов является во многих случаях убыточным и создает «страховочный запас» технологических возможностей, часто не реализуемых в работе и удорожающих конструкцию.
Привод инструментальных шпинделей по месту размещения ведущих звеньев (по отношению к шпинделю) может реализоваться по двум схемам:
- с размещением ведущих звеньев в поворотном диске (накопителе) револьверной головки (с внутренним размещением привода);
- с внешним приводом, размещенным в неподвижном корпусе револьверной головки.
В первом случае (рис. 14а), движение от электродвигателя посредством ременной зубчатой передачи
передается на центральный вал, от которого через конические зубчатые передачи - на инструментальные шпинделя или промежуточные валы с муфтами, с которыми сцепляются приводные муфты инструментальных блоков.
На рис. 14а центральный привод состоит из: 1 и 6- прямой и угловой блоки; 2- диск головки; 3 и 4- конические зубчатые колеса; 5- промежуточный вал с полумуфтами; 7- электродвигагель привода инструмента; 8 и 10- шкивы; 9- зубчатый ремень; 11- корпус головки; 12- центральный вал.
Максимальное число вращающихся инструментов в головке-4
Недостаток схемы: повышенный уровень шума, вращение инструментальных шпинделей в ненагруженных позициях. Такие же недостатки у схемы, в которой движение от электродвигателя передается на инструментальные шпинделя посредством ременной зубчатой передачи, ремень которой
охватывает несколько ведомых шкивов, соединенных с инструментальными шпинделями накопителя (рис. 146).
На рис.146, боковой привод (с одновременным охватом нескольких ведомых шкивов): 1 и 6- шкивы; 2 и 4- угловой и прямой инструментальные блоки; 3- диск головки; 5- зубчатый ремень; 7- электродвигатель привода инструмента; 8- корпус головки.
В схеме привода, размещенного в неподвижном корпусе блока (рис.146) шпиндель инструментального блока, находится в позиции обработки, сцепляется с ведущим валом привода посредством включаемой или подпружиненной муфты. Такое выполнение привода вращающегося инструмента обеспечивает значительное упрощение конструкции, уменьшение уровня шума, повышение точности и жесткости механизма при одновременном увеличении количества устанавливаемых в головке вращающихся инструментов (10 всех ее позиций), возможность передачи на шпиндель инструментальный большого крутящего момента.
На рис.14в в привод, размещенный в корпусе головки: 1- промежуточный вал с полумуфтой; 2 и 4- прямой и угловой инструментальные блоки; 3- диск головки; 5- зубчатые ремни; 6, 7 и 10- шкивы, 8- электродвигатель привода инструмента; 9- корпус головки.
На рисунках 15....21 даны дополнительные схемы револьверных головок с вращающимися инструментами. Рассмотреть и самостоятельно разобраться в их конструкции, оценить их применяемость.
На рис.23а - 23г приведены кинематические схемы узлов токарного обрабатывающего центра Ш420Ф40. Станок предназначен для обработки деталей типа фланец, колесо. На станке выполняется токарная обработка инструментом, установленным в отверстие инструментальной головки (рис.22а, 226). После выполнения токарных операций выполняются операции сверления и фрезерования поверхностей,
расположенных с торца детали вращающимся инструментом, закрепленным в оправках (рис.23г) и поверхностей, расположенных с цилиндрической части инструментом, закрепленным в шпинделях оправок (рис.23в).
|
|
|
