РОТИРАЩ ВИСОКОСКОРОСТЕН ВЪЗЕЛ ЗА ВЕРТИКАЛНО ДВИЖЕНИЕ ПРИ ХОРИЗОНТАЛНИ ОБРАБОТВАЩИ ЦЕНТРИ

 

Пламен Угринов

 

     Резюме. Предложен е мехатронен възел от две обръщащи маси за работно подавателно и установъчно движение по вертикална ос при хоризонтални обработващи центри, в който праволинейното транслационно движение по ос Y е заменено с ротационно. Отпада необходимостта от балансираща система, скоростта на върха на инструмента нараства съществено.

 

ROTARY HIGH SPEED MECHATRONIC COMPLEX FOR VERTICAL MOVEMENT ON HORIZONTAL MACHINING CENTERS

 

Plamen Ugrinov

 

     Abstract. A mechatronic rotary high speed CNC-controlled complex of two tilting tables for vertical movement on machining centers is offered. This features no need for balancing system, significantly improved tool tip feed.

 

     1. Увод.

     Сухата, квазисухата и твърдата високоскоростна обработка изискват от обработващите центри (ОЦ) нови свойства, които да позволят реализирането на висока точност и производителност в условията на значително нарастване на общото ниво на смущаващите фактори. Един от подходите за решаване на проблема е подобряването на кинематичните характеристики на извършващите подавателните и  установъчните движения работни органи (РО), опростяването на конструкцията и намирането на решения за директно задвижване на РО. Това в особена степен е важно за вертикално движещия се РО на хоризонталните ОЦ, при който действието на инерционните сили зависи от посоката на движение, което поражда проблем с уравновесяването на масата на движещите се тела.

 

     2. Състояние на въпроса.

     В традиционното си изпълнение хоризонталните ОЦ имат 4 или 5 РО, извършващи подавателно и установъчно движение по координатните оси- три за праволинейно транслационно и един или два за ротационно. За задвижването на РО 1, извършващ вертикално движение по ос Y, се използва утвърдилата се от десетилетия схема на подавателен превод с ротационен двигател 2 и сачмено-винтова двойка 3 (СВД) (фиг.1). За уравновесяване на масата на движещите се тела- на самия РО с вретенния възел и на инструмента с инструментодържача-  се използва противотежестта 5 и гъвкавата неразтеглива нишка (въже, верига) 4.   

     Недостатъците на традиционтото изпълнение са следните:

     А. Сложност и намалена стабилност на конструкцията поради наличието на система за уравновесяване.

     Независимо от това, че се основава на прост физичен принцип и не притежава собствено задвижване,  системата за уравновесяване създава конструктивни и технологични проблеми, увеличава габарита и масата на базовия елемент (колоната) и намалява силовата му стабилност.

     Б. Отсъствие на ефективно уравновесяване при ускорениe а на РО, по-голямо от g (g= 9,81 m/s2).

     При движение на РО нагоре с ускорение а > g опъването на нишката 4 е равно на нула и противотежестта 5 не изпълнява предназначението си. За решаване на проблема вместо противотежест се използват схеми за хидро- и пневмоуравновесяване, работният цилиндър на които е свързан с РО 1. В него се създава сила (по ос Y), уравновесяваща теглото на РО.

     В. Неудовлетворителни стойности на максималната скорост Vmax на РО от гледна точка на високоскоростната обработка.

     Едно от основните предимства на високоскоростната суха, квазисуха и твърда обработка е постигането на висока точност и качество на обработената повърхнина при висока производителност. Постигането им е възможно при наличие на високи скорости на работното подавателно и установъчното движение. При традиционното изпълнение на вертикалното движение на РО Vmax едва в отделни случаи достига до 100 m/min [1…3]. Необходимите стойности са Vmax > 200 m/min.

     Алтернативното решение с линеен двигател предлага удовлетворяващи кинематични характеристики, но към момента то повишава масата на РО и води до значително нарастване на цената на машината.

     Целта на разработката е да се представи принципно ново решение на РО, което едновременно да осигурява висока скорост и отсъствие на необходимост от балансираща система.

 

     3. Теоретична постановка.

     3.1. Принципна схема на ротиращ възел за хоризонтално движение при ХОЦ.

     На фиг.2 е показана принципната схема на ротиращ възел за вертикално движение при ХОЦ.  Състои се от два синхронно ротиращи РО 1 (носещ вретенния възел) и 2 (носещ въртящата маса). РО 1 е с център на ротация т.О1. Върху него е разположен вретенният възел 3. РО 2 по същество е обръщаща маса с център на ротация т.О2, върху който е разположена въртящата маса 4. Чрез H и В са показани размерите на работното пространство в координатната равнина YOZ.

     Ротиращите елементи 1 и 2 са мехатронни РО за ротационно движение, чието съвместно управление се осъществява от системата за ЦПУ. Различните стойности на ъгъла α между оста на вретеното и оста на заготовката се постига чрез управление на кръговите оси А1 и А2, а с това и различна ориентация между инструмента и заготовката. Разстоянието L между осите на ротиращите елементи се променя, което е резултат от работното подавателно и установъчно движение Z1. Последното може да бъде дублирано с движението Z2.

     Разстоянието S показва дистанцията по ос Y между центровете на ротация О1 и О2.; възможно е S = 0.

    

     3.2. Координатни системи и видове движение.

     РО 1 и РО 2 (фиг.3) извършват равнинни движения, траслационната и ротационната компоненти на които са следните.

     При РО 1 полюсът е т.О1, около който се извършва ротация в полярна координатна система по закона

     ρ1 = ρ1 (t) и φ1 = φ1 (t)                                                                                                (1)

     Транслацията на полюса О1 се извършва спрямо координатната равнина YOZ на основната машинна координатна система по закона

     z1 = z1 (t)                                                                                                                      (2)

     При РО 2 полюсът е т.О2, около който се извършва ротация в полярна координатна система по закона

     ρ2 = ρ2 (t) и φ2 = φ2 (t)                                                                                                (3)

     Транслацията на полюса О2 се извършва спрямо координатната равнина YOZ на основната машинна координатна система по закона

     z2 = z2 (t)                                                                                                                      (4)

     Законите (1-4) осигуряват достигане до произволна т.М с координати y и z, произволен ъгъл α (α = 00-1800) (фиг.2). Могат да се реализират различни интерполации, като линейна, кръгова, В-сплайнови (NURBS) и др. Тези възможности се запазват и в случая, когато z1 или z2 неедновременно са равни на нула. Но едновременното им изпълнение е по същество реализация на ОМ-принципа, (вж. Пламен Угринов.Срещуположното движение по транслационна ос- възможност за удвояване на скоростта и ускорението при работа върху металорежещите машини с ЦПУ), който способства за двукратното повишаване на скоростта на транслационното движение.

 

     3.3. Задвижвания и скорости.

     На фиг.4 са показани три начина за задвижване, представени върху примера на РО 1.

     При задвижването с ремъчна предавка (фиг.4а) линейната скорост Va на върха на инструмента се получава от израза

     Va = ω2R,                                                                                                                    (5)

където ω2 е ъгловата скорост на водимата шайба 2 и на РО 1,

  R-радиус на окръжността, по която се движи върхът на инструмента.

     От своя страна ω2 = ω1.iРП,                                                                                    (6)

където ω1 е ъгловата скорост на водещата шайба;

             iРП- предавателно отношение на ремъчната предавка.

     Числов пример. Да се намери Va, ако iРП= 1/2, R= 0,6 m. Да се използва цифрово задвижване с асинхронен двигател 1FT6 от гамата сервозадвижвания Simodrive на Siemens [6] (nmax = 6000 min-1), осигуряващо ω1= 30 rad/s.

     От (6) следва, ω2 = 30.1/2 = 15 rad/s, от (5)- Va = 15.0,6= 9 m/s = 540 m/min.

     От примера следва, че скоростта на върха на инструмента (540 m/min) може да бъде многократно по-голяма от тази при традиционното изпълнение (100 m/min), а също така и от решението с използване на линеен двигател.

     По аналогичен начин могат да се получат конкретни стойности на Vб (фиг.4б) и Vв.(фиг.4в), които позволяват да се заключи, че при ротиращ елемент линейната скорост на върха на инструмента може да се увеличи неколкократно без да е необходимо да се използват задвижвания със специални скоростни характеристики.

     От фиг.4в следва, че за задвижването на РО 1 е необходим зъбен сектор с ъгъл ψ ≤ 1800.

 

     3.4. Отпадане на необходимостта от уравновесяване.

     Центровете на ротация- т.О1 и т.О2 – се избират така, че да са възможно най-близко до масовите центри на ротиращите елементи и в най-добрия случай да съвпадат с тях. Това по същество е статично балансиране, което позволява посоката на въртене да не поражда разлика в стойността на въртящия момент. Благодарение на това отпада необходимостта от използване на схеми за уравновесяване, което опростява конструкцията и намалява себестойността й.

     Намирането на масовия център на ротиращия елемент 1, носещ вретенния възел, е задача, която сравнително лесно може да бъде решена след намиране на масовия център на комплекса “вретенен възел-инструмент с инструментодържач”. Вретенният възел е електровретено и в общия случай осите на геометричната му симетрия съвпадат или са в близост до масовия му център (във всички случаи той лежи върху оста Z).  Като ротационно-симетрично фигура инструментът с инструментодържача имат масов център, лежащ върху оста Z. Следователно, масовият център на ротиращия комплекс ще се измести в посока към инструмента с инструментодържача. Предвид обстоятелството, че габаритите и масата на инструмента и инструментодържача при високоскоростната обработка не са големи, това изместване може да бъде пренебрежимо малко.

     Същата задача, отнесена към ротиращия елемент 2, намира по-трудно решение, тъй като положението на масовия център на заготовката може да има произволна първоначална локализация в работното пространство, която се променя по време на рязане синхронно с процеса на отпадане на материал при снемане на стружката. Препоръчително е да се определи най-вероятното положение на масовия център на заготовките за отделния потребител на базата на статистически анализ на геометрично-масовите им характеристики.

 

     4. Заключение.

     4.1. При високоскоростната суха, квазисуха и твърда обработка върху обработващи центри традиционният работен орган, извършващ вертикалното работно и установъчно движение, може да бъде заменен с мехатронен възел, съдържащ ротиращи елементи.

     4.2. Мехатронният възел с ротиращи елементи за вертикално движение осигурява многократно по-висока скорост на движение на върха на инструмента в сравнение с традиционното изпълнение.

     4.3. Предложеният мехатронен възел с ротиращи елементи за вертикално движение не се нуждае от система за уравновесяване.

    

Използвана литература

 

  1. ***High Production Manufacturing At Lowest Cost Per Price- Chiron America Inc. http://www.mmsonline.com.
  2. ***Machining Centers. Tooling&Production, March 2003, p.26-27.
  3. Lorincz Jim. Mori Seiki Closes The Loop On Global Growth. Tooling&Production. www.rsleads.com.
  4. www.siemens.de.

 

Автор: доц.д-р инж. Пламен Угринов- Обединен технически колеж-София при Техническия университет- София, 0897-36-19-40, ugrinov_mmcpu@yahoo.com.