Способ подачи каретки металлорежущего станка с ходовым винтом и ходовым валом и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к станко- и приборостроению и может быть использовано в механизмах точных перемещений станков и приборов. Целью изобретения является повышение надежности и расширение технологических возможностей зв счет снижения износа и повышения точности перемещений путем перераспределения сил, трения между звеньями кинематической цепи. Вал 1 кинематически связан через передаточный механизм 2 с кодовым винтом 3, на котором установлена гайка 4, связанная с кареткой 5. Кодовый вал 6 кинематически связан с валом 1 передаточным механизмом 7. Рейка 8 связана с ходовым валом 6 посредством червячной пары 9 - 10. Червяк 9 выполнен полым и установлен на втулке 11, смонтированной на ходовом валу с возможностью осевого перемещения на шпонке 12. Червяк 9 поджат пружиной 1. При работе станка передаточный механизм 7 настраивают на опережение хода каретки от ходового вала по отношению к ходу от ходового винта и вращают одновременно ходовой вал и ходовой винт. В результате этого нагрузка полностью воспринимается парой червяк 9 - червячное колесо 10. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к станко- и приборостроению и может быть использовано в механизмах точных перемещений станков и приборов. Цель изобретения повышение надежности и расширение технологических возможностей станков за счет снижения износа и повышения точности путем перераспределения сил трения между звеньями кинематической цепи подач. На фиг.1 дана принципиальная схема цепи подач; на фиг.2 пример реализации способа в токарно-винторезном станке. Кинематическая цепь, реализующая способ, содержит вал 1, кинематически соединенный через передаточный механизм 2 с винтом 3, на котором установлена с возможностью перемещения по нему ходовая гайка 4, жестко скрепленная с кареткой 5. Ходовой вал 6 кинематически соединен с приводным валом 1 через передаточный механизм 7 и кинематически связан с концевым опорным элементом цепи, выполненным в виде рейки 8 посредством передаточного механизма, червяк 9 и червячное колесо 10. Червяк 9 выполнен полым и с нежесткой кинематической связью с червячным колесом 10, и концентрично установлен на втулке 11, имеющей возможность осевого перемещения на ходовом валу 6 по шпонке 12. Последовательно червяку 9 на втулке 11 установлен концентричный ей упругий элемент сжатия 13. Червяк 9 и упругий элемент сжатия 13 установлены на втулке 11 между ее ограничительными элементами 14, один из которых выполнен в виде гайки. Способ реализуется следующим образом. Передаточный механизм 7 настраивают на обеспечение хода каретки 5, равного S + ΔS. Передаточный механизм 2 настраивают на обеспечение хода каретки 5, равного S. При этом опережение хода ΔS каретки 5, осуществляемого от ходового вала 6 через передаточный механизм 7, по отношению к ходу каретки 5, осуществляемого от ходового винта 3 через передаточный механизм 2, обеспечивают не менее максимальной постоянной погрешности передаточного механизма 2 ходового винта 3. Так, если замеренная погрешность q подачи S составляет 0,1 мм, то обеспечивается опережение хода ΔS 0,1 мм путем подбора соответствующих чисел зубьев зубчатых колес передаточных механизмов 7 и 2. Например, при назначении чисел зубчатых колес соответст- венно i₁ и i₂ подача каретки 5 от ходового вала будет: S+ΔS=i₁t_x 12мм 12,1 мм При шаге червяка 12 мм подача каретки от ходового винта 3: S= i₂t_x 12мм=12 мм и опережение хода составляет ΔS ≥ 0,1 мм, затем обеспечивают одновременное вращение ходового вала 6 и ходового винта 3. В результате за счет постоянного опережения Δ S≥η обеспечивается перераспределение нагрузок от сил трения в винтовых парах винт 3 гайка 4 и червяк 9 червячное колесо 10 так, что нагрузка полностью воспринимается парой червяк 9 червячное колесо 10. Работа устройства осуществляется следующим образом. От приводного вала 1 через передаточные механизмы 2 и 7 осуществляют одновременное вращение ходового вала 6 и ходового винта 3. На один оборот приводного вала 1 и соответствующий ему поворот ходового винта 3 гайка 4 вместе с кареткой 5 перемещаются на величину подачи, S₂ i₁t_x, где t_x шаг ходового винта, на один оборот приводного вала 1 расчетное значение подачи каретки 5: S₁ i₁t, где t шаг червяка 9, равный шагу ходового винта 3, т.е. S₁ > S₂. Фактическое значение подачи каретки 5 от ходового вала 6: S_1ф S_2ф, так как перемещение каретки 5 невозможно без перемещения гайки 4. При этом при фиксированном значении подачи S₂ винта 3 имеют место добавочная величина подачи S на ходовом валу, которая компенсируется нежесткой кинематической связью червяка 9 с червячным колесом 10. Эта связь осуществляется следующим образом. Пусть на достаточно малую часть оборота приводного вала 1 осуществляется подача ΔS₂ каретки 5 с гайкой 4 и также на один оборот приводного вала 1 осуществляется подача ΔS₁ каретки 5 от ходового вала 3. При этом вращение от ходового вала 3 передается через шпонку 12 на втулку 11 и с нее на червяк 9. Упругий элемент 13 обеспечивает достаточную силу трения F_тр между торцевой поверхностью червяка 9 и торцевой поверхностью контактирующего с ним ограничительного элемента 14. Расчетная величина силы трения F_тр, создаваемая упругим элементом 13, больше окружной нагрузки на червяке Т₁: F_тр kT₁d₁/2, где d₁ делительный диаметр червяка; k коэффициент запаса. Необходимая осевая нагрузка на червяк 9 со стороны упругого элемента 13: P F_тр/f kT₁d₁/2f, где f коэффициент трения на торцевой поверхности червяка 9. Обеспечивая соответствующую величину коэффициента запаса k, создают надежное сцепление подпружиненного червяка 9, с ограничительным элементом 14 и втулкой 11. Далее крутящий момент с червяка 9 передается на червячное колесо 10, которое, вращаясь, отталкивается от конечного опорного кинематического элемента в цепи подач неподвижной рейки 8 и перемещает за собой каретку 5. Поскольку за малый промежуток времени перемещение ΔS₁ каретки 5 не может быть больше перемещения каретки 5 от ходового винта 3, т.е. ΔS₂, а фактическое значение ΔS₁ > ΔS₂ заложено в передаточном отношении передаточных механизмов 2 и 7, то после обеспечения подачи каретки 5, равной ΔS₂, сила давления червячного колеса 10 на рейку 8 возрастает. Это происходит по следующей причине. При качении червячного колеса 10 по рейке 8 мгновенным центром скоростей является точка А, в которой мгновенная окружная скорость v_А равна нулю. В точке А₁ окружная скорость максимальна и равна v= где d₂ делительный диаметр колеса 10; угловая скорость ω при постоянной мощности N₂ определяется из формулы
N₂ ωT₂, где Т₂ момент на колесе 10. В пределах значения подачи ΔS₂ центр О колеса 10 имеет перемещение со скоростью, в два раза меньше скорости v. Когда перемещение ΔS₂ произошло, центр О колеса 10, будучи связанным с кареткой 5 и гайкой 4, резко уменьшает свою линейную скорость. При этом пропорционально уменьшается значение скорости v, соответственно уменьшается угловая скорость ω, при постоянной мощности N₂ момент Т₂ резко увеличивается (1). В результате возрастает окружная сила на колесе F_t2. Окружная сила колеса 10 F_t2 равна осевой силе червяка 9 F_a1:F_t2 F_a1. Увеличенное значение F_a1 в существенной мере компенсирует действие упругого элемента 13, по его оси и при действии той же окружной нагрузки на червяке 9 F_t1 червяк 9, не встречая заданного первоначального противодействия со стороны сил трения, проворачивается на втулке 11 на угол, соответствующий величине опережения хода каретки. Так, при опережении ΔS 0,1 мм угол поворота червяка 9 составляет
α 2π=0,1 360/12=0,08 360=3,6° После этого в процессе дальнейшего осуществления подачи скорость v_а1 возрастает до прежней величины и компенсирующее действие нагрузки от силы F_а1 прекращается. При этом восстанавливается первоначальное значение осевой нагрузки Р на контактной поверхности червяк 9 ограничительный элемент 14 со стороны упругого элемента 13 по сравнению с нагрузкой (Р F_а1). Таким образом, в каждый момент времени происходит перераспределение нагрузки со стороны сил трения на пару червяк 9 червячное колесо 10. Эта пара является нагруженной практически в каждый момент времени, освобождает от нагрузок пару винт 3 гайка 4, благодаря чему последняя не изнашивается. А износ системы червяк 9 колесо 10 рейка 8 не скажется на точности подачи. В случае повышенного износа можно либо заменить эту систему новой, либо изменить передаточное отношение i₁ передаточного механизма 7 таким образом, что будет обеспечиваться гарантированно большее значениеΔS₁ по сравнению с ΔS₂. Настройку устройства осуществляют по коэффициенту запаса k, который определяется экспериментально при изменении осевой нагрузки на червяк 9 со стороны упругого элемента 13. Изменение осевой нагрузки производится изменением осевого положения гайки путем ее вращения. При использовании предложенных способа и конструкции в металлорежущих станках при определении коэффициента запаса k необходимо учесть дополнительное действие со стороны сил резания Р_х, P_y и P_z. Пример реализации предложенного способа и устройства представлен на фиг. 2. В этом случае ходовая гайка 15 может быть отключена, и тогда подача осуществляется от ходового вала 16 через систему передачи втулка 17 подпружиненный упругим элементом 18 червяк 19 червячное колесо 20 рейка 21. Ходовому валу 16 вращение передается от шпинделя 22 через передаточный механизм с передаточным отношением i₁ и i₂ и коробку передач 23. При проведении на станке прецизионных работ путем осевого перемещения блока 24 восстанавливают кинематическую связь в передаточном механизме с передаточным отношением i₃. При этом зубчатое колесо 25 выходит из контакта с колесом 26 и, входя в муфту 27, обеспечивает прямую связь винта 28 со шпинделем 22. Реализация способа предполагает настройку передаточного механизма с передаточным отношением на опережение суппорта 29, осуществляемого от ходового вала 16 по отношению к ходу суппорта 29, осуществляемого от ходового винта 28 на величину не менее максимальной погрешности передаточного механизма ходового винта от шпинделя.

Формула изобретения

1. Способ подачи каретки металлорежущего станка с ходовым винтом и ходовым валом, включающий настройку передаточного механизма кинематической цепи подач на определенную величину хода каретки и вращения ходового винта или вала, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения технологических возможностей, определяют величину кинематической погрешности передаточного механизма ходового винта и угол поворота ходового вала, соответствующий величине этой погрешности, настраивают передаточный механизм на опережение хода каретки от ходового вала по отношению к ходу от ходового винта на величину этой погрешности и одновременно вращают ходовой вал и ходовой винт, при этом на каждый оборот приводного вала в цепи подач осуществляют холостой поворот ходового вала на угол, соответствующий кинематической погрешности передаточного механизма ходового винта. 2. Устройство цепей подач с ходовым винтом и ходовым валом, содержащее приводной вал, кинематически связанный с винтовой парой, гайка которой жестко соединена с кареткой, и передаточный механизм от ходового вала к каретке с червячной и реечной парами, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и расширения технологических возможностей, оно снабжено дополнительным передаточным механизмом, предназначенным для кинематической связи ходового вала с приводным валом, при этом одно из звеньев передаточного механизма от ходового вала к каретке установлено с возможностью упругого перемещения относительно контактирующего с ним элемента. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что звено, установленное с возможностью упругого перемещения относительно контактирующего с ним элемента, выполнено в виде поджатого введенным в устройство упругим элементом полого червяка в червячной паре, установленного с возможностью свободного поворота на введенной в устройство втулке, установленной на ходовом валу с возможностью осевого перемещения и передачи вращения, при этом упругий элемент установлен на втулке последовательно с червяком, а сам червяк выполнен с шагом, равным шагу ходового винта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2