CZ308840B6 - Zařízení pro určení teplotní délkové dilatace vřetene obráběcího stroje - Google Patents

Abstract

Zařízení pro určení teplotní délkové dilatace vřetene obráběcího stroje obsahuje alespoň jednu sadu teplotních senzorů (2) umístitelných na měřeném vřeteni (1) pro následný výpočet jeho délkové dilatace integrací modelu rozložení teplot přes celou délku vřetene (1). Senzory (2) jsou napájecím kabelem (21) a komunikačním kabelem (22) napojeny na rozhraní (R), které je umístěné mezi vřetenem (1) a statorem (3) obráběcího stroje a které je napájecí sběrnicí (31) a komunikační sběrnicí (32) propojeno s řídicí jednotkou (4). Mezi rozhraním (R) a sadou teplotních senzorů (2) je včleněn elektronický modul (10a) pro postupný výběr jednotlivých teplotních senzorů na vřeteni (1) a mezi rozhraním (R) a řídicím systémem (16) je včleněn elektronický modul (10b) na statoru (3) pro demodulaci datového signálu.

Description

V důsledku ohřevu vřetene obráběcího stroje, jednak odvodem části tepla vzniklého při obrábění a dále tepelnými ztrátami jednotlivých konstrukčních prvků, kde vzniká tření, jakými jsou kupříkladu ložiska, dochází k délkové dilataci. Tím je ovlivněna přesnost obrábění. Zásahem lidského činitele lze kompenzovat vzniklou dilataci, ale jedná se o zásah s nezaručeným výsledkem, protože skutečnou velikost dilatace lze pouze odhadnout.

Rovněž lze využít tepelně ustáleného režimu dosaženého kupříkladu vícesměnným provozem. Dosažení tepelně ustáleného režimu se dosáhne dlouhodobým provozem. Časový úsek při náběhu studeného stroje, kdy je stroj nepřipravený pro přesnou práci, snižuje celkovou produktivitu výrobního procesu.

Pro přesnější určení teplotní dilatace dle spisu DE 10348568 nebo CN 107009189 se využívá referenční tyč s výrazně odlišnou tepelnou roztažností oproti materiálu měřeného konstrukčního prvku. V případě rotujícího vřetene lze obtížně obě součásti porovnávat, protože i referenční tyč by musela být umístěna v rotující části stroje. Proto nelze pro zjištění výsledné dilatace vřetene takové řešení použít. Toto řešení rovněž neumožňuje využít mechanismus automatického upínání nástrojů ve středu vřetene.

Je známo řešení popsané v EP 0349783, které využívá pro určení dilatace vřetene sadu ekvidistantně rozmístěných rezistorů v celé délce vřetene. Pro určení dilatace je využito přímé úměry mezi velikostí dilatace a velikosti změny odporu rezistorů, který se lineárně mění s teplotou. Nezbytnost ekvidistantního rozložení měřicí odporové sítě neumožňuje respektovat konstrukční specifika rotorové sestavy obráběcího stroje. Například v místech významných zdrojů tepla je vhodné umístit rezistory s vyšší hustotou, neboť při ekvalentním rozložení rezistorů nezanedbatelně roste chyba odhadu dilatace vřetene. Uvažovaná jednoduchá přímá úměra mezi změnou odporu a dilataci rovněž nedovoluje zpřesnit výslednou informaci o dilataci na základě dalších informací, například s ohledem na konkrétní konstrukci vřetene. Sériové spojení rezistorové sítě činí navržené řešení náchylné k poruše. Porucha kteréhokoli snímacího odporu nebo jeho spojení způsobí nefunkčnost celého zařízení.

Způsob určení teplotní dilatace uvedený ve spisu US 2014379117 využívá sledování zatížení hlavního pohonu stroje s vřetenem. V okamžiku zvýšení zátěže je zřejmé, že nástroj se dotkl obrobku. Rozdíl časů na začátku obrábění a v definovaném okamžiku je při znalosti rychlosti posuvu vřetene úměrný jeho délkové dilataci. Tento způsob určení dilatace je nepřímý a je velmi závislý na konstantní a známé rychlosti posuvu vřetene. Tento způsob není možné využít u technologie, kde se očekává kontinuální obrábění trvající dlouhou dobu bez oddalování a přibližování nástroje k obrobku.

Řešení popisované ve spisu WO 03039810 je možné využít pouze u strojů s krátkým a zvenčí přístupným vřetenem tak, aby na něj mohl být namířeny zvenku umístěné bezkontaktní senzory. Tento princip nelze využít u stroje, kde se vřeteno libovolně zasouvá nebo vysouvá z pinoly v závislosti na technologickém postupu obrábění. Instalace bezkontaktních senzorů teploty nemusí umožňovat ani velikost zástavbového prostoru ve stroji. Poloha vřetene a ložisek je ve spisu WO 03039810 předpokládána v jednom místě vůči jeho posuvnému zařízení, není tedy možné ho využít v případě, kdy se vřeteno libovolně posunuje a ložiska, a tedy i významný zdroj tepla, může mít vůči vřetenu libovolnou relativní polohu. Dále se v tomto patentu vyžaduje speciální úprava povrchu vřetene kvůli správnému vyhodnocení vyzařovaného tepelného záření. Znemožňuje to tak využití v technologiích, kde dochází k znečištění povrchu vřetene vlastním obráběním.

Podstata vynálezu

Pro zjištění rozložení teplot je vřeteno opatřeno alespoň jednou sadou teplotních senzoru napojených na rozhraní mezi vřetenem a statorem. Rozložení teplotních senzorů podél vřetene nemusí být provedeno ekvidistančně, ale může respektovat konstrukční specifika vřetene. Propojení přes rozhraní je provedeno jak napájecím kabelem, tak komunikačním kabelem ze strany teplotních senzorů na vřetení, tak napájecí sběrnicí a komunikační sběrnicí s řídicí jednotkou na statoru. V případě poruchy některého ze senzorů je možné jeho údaj o teplotě vynechat a rozložení teplotního pole v daném úseku interpolovat. Z každého senzoru lze číst informaci o teplotě separátně díky komunikační sběrnici. Významně se tím zvyšuje spolehlivost zařízení, neboť není závislé na striktně sériovém uspořádání senzoru.

Rozhraní může být tvořeno sestavou sběrných kroužků s kartáči.

V jiném provedení je rozhraní tvořeno soustavou indukčního přenosu tvořenou anténami uspořádanými mezi vřetenem a statorem nebo je rozhraní tvořeno soustavou indukčního přenosu sestávající z indukčních cívek uspořádanými mezi vřetenem a statorem. Různé možnosti konfigurace přenosu komunikačního a napájecího signálu ze statoru na rotor a zpět umožňují přizpůsobit se konstrukčnímu uspořádání stroje. Mechanický přenos je levnější variantou, ale nejméně spolehlivou, a vyžaduje průběžnou údržbu. Indukční princip je vhodný pro pomaloběžné stroje, kde konstrukce stroje umožňuje umístit protilehlé indukční cívky. Bezdrátový princip přenosu dat a energie s anténami je výhodný u strojů s vysokými otáčkami, malým zástavbovým prostorem a požadavkem na rychlý přenos dat.

Mezi rozhraním a sadou teplotních senzorů je včleněn elektronický modul na vřetenu a mezi rozhraním a řídicím systémem je včleněn elektronický modul na statoru.

Elektronický modul na vřetenu se využívá pro příjem elektrické energie a napájení sad senzorů a zpracování údajů z jednotlivých senzorů. Data ze senzorů transformuje na formát vhodný pro přenos na statorovou část. Data mohou být získána z každého teplotního senzoru zvlášť. Elektronický modul na statoru zpracovává datový signál přenesený z vřetene. Získaná data přenáší do řídicího systému. Zároveň zajišťuje transformaci napájecího signálu pro přenos elektrické energie na vřeteno.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení rozložení teplotních senzorů na vřetenu a přenos naměřených hodnot z vřetene na stator znázorňuje detailní řez vřetene a statoru na obr. 1 a obr. 2. Schematické zapojení teplotních senzoru na vřetenu a přenos naměřených hodnot na řídicí jednotku znázorňuje obr. 3.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na vřetenu 1 v drážce lije umístěna sada teplotních senzorů 2, které jsou propojeny napájecím kabelem 21 a komunikačním kabelem 22. Napájecí kabel 21 a komunikační kabel 22 jsou zapojeny do elektronického modulu 10a na vřetenu 1. Elektronický modul 10a na vřetenu 1 je propojen s anténami RI na vřetenu 1, jak znázorňuje obr. 1. Pokud to konstrukce stroje umožňuje, lze použít místo antén Rl indukční cívky R2, jak znázorňuje obr. 2.

Na statoru 3 jsou antény Rl propojeny napájecí sběrnicí 31 a komunikační sběrnicí 32 s elektronickým modulem 10b na statoru 3. Elektronický modul 10b na statoru 3 je propojen napájecí sběrnicí 31 a komunikační sběrnicí 32 s řídicí jednotkou 4.

Řídicí jednotka 4 napájí pomocí napájecí sběrnice 31 elektronický modul 10b na statoru 3 a zároveň přes napájecí sběrnici 31 dodává elektronickému modulu 10b na statoru 3 elektrickou energii určenou k bezdrátovému přenosu přes rozhraní R na vřeteno 1.

Elektronický modul 10b na statoru 3 upravuje elektrickou energii z řídicí jednotky 4 na napájecí signál vhodný pro přenos pomocí antény Rl přes rozhraní R. Energie je přenesena přes rozhraní R pomocí antény Rl na statoru 3 a přijata anténou Rl na vřetenu 1. Energie přenesená ze statoru 3 na vřeteno 1 přes rozhraní R pomocí antén Rl slouží k napájení elektronického modulu Wa na vřetenu lak dodání energie k napájení teplotních senzorů 2, které jsou umístěny v drážce 11 vřetene 1.

Elektronický modul 10a na vřetenu 1 přijímá elektrickou energii přenesenou přes rozhraní R pomocí antén RI a R2, použije ji na napájení sebe sama a transformuje ji na napájení teplotních senzorů 2 pomocí napájecího kabelu 21. Elektronický modul 10a dále získává informace z jednotlivých teplotních senzorů 2 přes komunikační kabel 22. Elektronický modul 10a na vřetenu 1 také zajišťuje postupný výběr každého teplotního senzoru 2 tím, že nastavuje na komunikačním kabelu 22 unikátní binární kódy, které postupně aktivují každý z teplotních senzorů 2.

Z aktivovaného teplotního senzoru 2 přečte elektronický modul 10a na vřetenu 1 aktuální teplotu vřetene 1 v místě vybraného aktivovaného teplotního senzoru 2 přes komunikační kabel 22. Elektronický modul 10a postupným výběrem jednotlivých teplotních senzorů 2 získá teploty po celé délce vřetene 1.

Získané teploty elektronický modul 10a na vřetenu 1 transformuje na modulovaný elektrický signál vhodný pro přenos přes rozhraní R z vřetene 1 na stator 3. Tento signál se přenese pomocí antén Rl. Data z elektronického modulu 10a na vřetenu 1 je možné přenést také jiným nezávislým datovým kanálem.

Modulovaný datový signál je přijat anténou Rl na statoru 3 pomocí elektronického modulu 10b na statoru 3, je demodulován a upraven na formát komunikačního protokolu, který je vhodný pro přenos dat po komunikační sběrnici 32 do řídicí jednotky 4. Takto upravený signál je odeslán elektronickým modulem 10a na statoru 3 přes komunikační sběrnici 32 do řídicí jednotky 4. V řídicí jednotce 4 se na základě získaných informací určí teplotní délková dilatace s využitím modelu rozložení teplot podél vřetene E Hledaná teplotní délková dilatace vřetene 1 se vypočítá integrací modelu rozložení teplot v celkové délce vřetene 1 dle vztahu

XT DÍWK) “TM kde zliv je teplotní délková dilatace vřetene, l_vr je délka vřetene, T_r je referenční teplota, při které má vřeteno 1 délku 1_νΓ, a je koeficient teplotní roztažnosti a Τ(1,Θ) je teplota vřetene 1 v místě 1 při uvažování modelu rozložení teplot s parametry Θ, přičemž model rozložení teplot může být realizován po částech polynomiální funkcí. Alternativně může být model rozložení teplot realizován funkcí tvořenou stochastickým procesem nebo numerickým modelem řešeným metodou konečných prvků.

Následně je teplotní délková dilatace vřetene 1 reprezentována v řídicí jednotce 4 jako rozdíl vůči referenčnímu souřadnému systému při začátku obrábění. Pomocí tohoto rozdílu je vykompenzována odchylka odměřovacího systému stroje v příslušné ose obrábění, a to automaticky nebo obsluhou stroje. Odchylka je kompenzována průběžně během provozu obráběcího stroje.

Claims (4)

1. Zařízení pro určení teplotní délkové dilatace vřetene obráběcího stroje, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jednu sadu teplotních senzorů (2) umístitelných na měřeném vřetení (1) pro následný výpočet jeho délkové dilatace integrací modelu rozložení teplot přes celou délku vřetene (1), přičemž senzory (2) jsou napájecím kabelem (21) a komunikačním kabelem (22) napojeny na rozhraní (R), které je umístěné mezi vřetenem (1) a statorem (3) obráběcího stroje a které je napájecí sběrnicí (31) a komunikační sběrnicí (32) propojeno s řídicí jednotkou (4), přičemž mezi rozhraním (R) a sadou teplotních senzorů (2) je včleněn elektronický modul (10a) pro postupný výběr jednotlivých teplotních senzorů na vřetení (1) a mezi rozhraním (R) a řídicím systémem (16) je včleněn elektronický modul (10b) na statoru (3) pro demodulaci datového signálu.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozhraní (R) je tvořeno sběrnými kroužky s kartáči.

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozhraní (R) je tvořeno soustavou indukčního přenosu tvořenou anténami (Rl) uspořádanými mezi vřetenem (1) a statorem (3).

4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozhraní (R) je tvořeno soustavou indukčního přenosu tvořenou indukčními cívkami (R2) uspořádanými mezi vřetenem (1) a statorem (3).