Опорная конструкция

 

Использование: в станкостроении, метрологии и т. д. Сущность: опорная конструкция содержит по меньшей мере три пирамидально расположенных стержнеобразных элемента, жестко соединенных между собой одним концом и жестко соединенных другими концами с основанием, для повышения жесткости основания и/или для установки устройства, такого как режущий инструмент или прибор, относительно основания. Три пирамидально расположенных элемента могут быть установленны на четырехгранном основании или другом трехмерном основании, а четыре таких элемента - в соответствующих углах пирамиды с квадратным основанием. Основание, предпочтительно, образовано аналогичными стержнеобразными элементами или может представлять собой другую конструкцию отдельно существующего станка или другого предмета. 6 з. п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к механическим устройствам и конструкциям и может быть использовано в станкостроении, метрологии и т.д.

Известно опорное устройство, содержащее шесть стержнеобразных элементов, концы которых жестко соединены друг с другом для образования по существу четырехгранной конструкции, при этом три элемента, некопланарных друг другу, имеют жестко соединенные с ними установочные средства, например, для режущего инструмента станка, а три других элемента составляют треугольное основание, и предпочтительно, имеют жестко соединенные с ними средства для размещения детали, подлежащей обработке режущим инструментом. Все шесть элементов могут иметь одинаковую длину, образуя правильную четырехгранную конструкцию, или же три элемента, к которым присоединены установочные средства, могут отличаться по длине от других трех элементов, составляющих основание. В данном техническом решении описаны выгодные физические и механические свойства (жесткость, виброустойчивость и тепловые характеристики), которые могут быть обеспечены за счет использования такой конструкции.

Обнаружено, что эти преимущества могут быть фактически полностью сохранены в опорной конструкции, содержащей жесткое основание и первый комплект стержнеобразных элементов, расположенных пирамидально, даже когда упомянутый первый комплект содержит более трех стержнеобразных элементов, и/или основание, само по себе, образовано не просто другим комплектом из трех стержнеобразных элементов.

Согласно настоящему изобретению, предложена опорная конструкция, содержащая жесткое основание и первый комплект по меньшей мере из трех стержнеобразных элементов, размещенных пирамидально, так что один конец каждого элемента жестко соединен с соответствующими концами других элементов в общей вершине, а другой конец каждого элемента жестко соединен с основанием, выполненным в виде многогранника.

Такая опорная конструкция может содержать также установочные средства, представляющие собой жесткий элемент, неподвижно соединенный с пирамидально расположенными стержнеобразными элементами и удаленный от основания.

Согласно изобретению, основание такой опорной конструкции может быть более сложной триангулированной конструкцией или конструкцией, к которой в отстоящих друг от друга точках жестко присоединены упомянутые другие концы пирамидально расположенных стержнеобразных элементов, при этом другая конструкция может сама по себе принадлежать отдельно существующему станку или другому предмету.

Упомянутый первый комплект может включать три или четыре стержнеобразных элемента, а основание может иметь форму четырехгранника или пирамиды с квадратным основанием, при этом упомянутые другие концы элементов первого комплекта, присоединенные к соответствующим вершинам основания, образуют, соответственно, треугольник или квадрат.

На фиг. 1 изображен вид спереди четырехгранного опорного устройства для режущего инструмента станка, модификации варианта режущего инструмента, описанного в известном техническом решении; на фиг. 2 разрез II-II на фиг. 1; на фиг. 3 разрез, стол для установки детали, показанного на фиг. 1 и 2; на фиг. 4 разрез, держатель режущего инструмента, показанного на фиг. 1 и 2; на фиг. 5 геометрическая конструкция опорного устройства, показанного на фиг. 1 и 2; на фиг. 6, 7 и 8 геометрические конструкции, соответствующие изобретению, с четырехгранными элементами жесткости; на фиг. 9, 10, 11 и 12 практические реализации конструкций, показанных соответственно на фиг. 5, 6, 7 и 8; на фиг. 13 и 14 варианты конструкции с основанием в виде четырех и пятиугольной пирамиды.

Четырехгранная опорная конструкция (фиг. 1 и 2) содержит шесть стержнеобразных элементов 1a-1f. Каждый элемент содержит наружную трубчатую распорку 2a-2f, вмещающую стяжку 3a-3f. В каждой вершине четырехгранной конструкции имеется полая сфера 4a-4d. Каждая сфера содержит пару сопряженных полусфер 5a-5d, 6a-6d. Половинки полусфер удерживаются вместе с помощью резьбовых болтов 7. Каждая сфера состыкована с наружной распорной трех стержнеобразных элементов и прикреплена к ней болтами 8, соединенными с концами соответствующей стяжки, размещенной внутри. На стержнеобразных элементах 1a, 1b и 1с, удаленных от основания, составленного элементами 1d, 1e и 1f, установлен держатель 9 режущего инструмента станка. Держатель режущего инструмента прикреплен к стержнеобразным элементам 1a, 1b и 1с посредством резьбовых болтов 10 и промежуточных плиток 11.

Держатель 9 режущего инструмента имеет отверстие 12, соосное с главной осью 13 станка, через которое проходит приводной вал 14, несущий шпиндель на воздушных опорах, имеющий ротор 15 А и статор 15 В, а также шлифовальный инструмент 16, как показано на фиг. 2 и на фиг. 4. Статор имеет удлинение 15 С для обеспечения удлиненной вязкой демпфирующей рабочей поверхности 15 D. На стержнеобразных элементах 1d, 1e и 1f основания установлена треугольная направляющая 17, несущая держатель 18 детали для сообщения детали 19 линейного перемещения под шлифовальным инструментом 16. Держатель детали (фиг. 3) снабжен разделительной планкой 18 А. Интерфейсы 18 В снабжены вязкой демпфирующей средой. Направляющая имеет полую часть 20 с тем, чтобы толщина стенки была аналогична толщине стенок других элементов конструкции. В полой сфере 4d выполнено отверстие 21 для размещения приводного вала 14.

На участках между разделительной планкой 18А подвижного держателя 18 детали и сопряженным с ней пазом в треугольной направляющей 17, а также между статором вращающегося шпинделя 15 на воздушных опорах и отверстием держателя 9 режущего инструмента имеется относительное перемещение, при этом вязкостное сопротивление демпфирующей среды выбрано так, чтобы оно было несущественным для требуемой скорости перемещения. Геометрия демпфирующего интерфейса может быть согласно с режимами ожидаемой вибрации или с наиболее желательным ослаблением, например, плоские вертикальные демпфирующие интерфейсы между разделительной планкой подвижного держателя 18 детали и сопряженным с ней пазом в треугольной направляющей 17 будут эффективно гасить горизонтальные вибрации, передаваемые от привода к подвижному держателю детали, и вибрации (вертикальные) главной оси, в то время как цилиндрический демпфирующий интерфейс между статором вращающегося шпинделя 15 на воздушных опорах и отверстием держателя 9 режущего инструмента будет эффективно гасить крутильные колебания, передаваемые вращающимся шпинделем, и вибрации (вертикальные) главной оси.

Этот принцип гашения вибраций с использование вязких средств может быть применен так же к стержнеобразным элементам 1a-1f, которые могут содержать вязкую демпфирующую среду, при этом эффективность гашения может быть повышена, если демпфирующие интерфейсы выполнены механической обработкой или встроены в/или на элементы, что может быть осуществлено с полным сохранением статической жесткости конструкции, т.е. виброгашение осуществляется параллельно, а не последовательно по цепи конструкции, вследствие чего чистым эффектом от добавления вязкой демпфирующей среды может быть только увеличение динамической жесткости конструкции.

Обнаружено, что толщина вязкого демпфирующего слоя (т.е. зазор между твердыми поверхностями, представляющий собой демпфирующий интерфейс, может быть равна 50 микрометрам или более при использовании подходящих демпфирующих текучих сред, поэтому никаких проблем, связанных с трением и смазкой (фрикционная коррозия, заедание, износ), при допусках на размеры, принятых в обычной инженерной практике, возникать не будет.

Близкое расположение двух поверхностей, как в некоторых существующих станках, не требуется; это опять-таки устраняет проблемы, связанные с трением и смазкой, и, кроме того, включает неустойчивое гашение вибраций, которое часто имеет место вследствие скачкообразной подачи, когда две поверхности расположены близко друг к другу или находятся в превышающем контакте.

Геометрическая форма известного опорного устройства, показанного на фиг. 1 и 2, схематично представлена на фиг. 5, как правильный четырехгранник, ребрами которого являются стержнеобразные элементы 1A-1f, как показано на соответствующей фиг. 9, представляющей упрощенное перспективное изображение опорной конструкции (фиг. 1 и 2). Главная ось 13 станка показана (фиг. 5 и 9) пунктирной линией, обозначенной РА.

В варианте изобретения (фиг. 13 и 14) комплект пирамидально расположенных стержнеобразных элементов, взаимоудаленные концы которых жестко соединены с основанием, включает более трех, например, четыре или пять элементов, обычно, но не обязательно, имеющих одинаковую длину, которые размещены в виде четырех-или пятиугольной пирамиды, основание, к которому прикреплены взаимоудаленные концы этих элементов, может представлять собой некую другую конструкцию, которая в этом случае может быть образована комплектом из четырех или пяти стержнеобразных элементов, соединенных концом к концу в предпочтительно плоский четырех- или пятиугольник (с/или без добавления дополнительных стержнеобразных элементов для обеспечения полностью триангулированной конструкции) и еще одним комплектом из четырех или пяти стержнеобразных элементов, один конец каждого из которых жестко соединен в общей вершине с соответствующими концами других элементов, а другой конец (подобно упомянутому другому концу каждого из стержнеобразных элементов первого комплекта) жестко соединен с соответствующим углом упомянутого четырех- или пятиугольника.

Еще один вариант опорной конструкции, соответствующей изобретению, показан схематично и в перспективе на фиг. 6 и 10, соответственно. В этом варианте пирамидально расположенные элементы 1a, 1b и 1с жестко соединены с основание 22, которое само по себе выполнено в виде вывернутого правильного четырехгранника и образовано копланарными стержнеобразными элементами 1d', 1e' и 1f', соединенными друг с другом посредством сферических соединений 4a', 4b' и 4c', и добавочными стержнеобразными элементами 1a', 1b' и 1c', нижние концы которых соединены друг с другом с помощью сферического соединения 4d', а верхние концы соединены с соответствующим соединением 4a', 4b' и 4c'. Основание 22 фактически является зеркальным отображением конструкции (фиг. 9) и детали его конструкции могут быть идентичны показанным на фиг. 2. Поскольку все стержнеобразные элементы (фиг. 10) имеют одинаковую длину, основание 22 обеспечивает коллинеарное удлинение РА' главной оси РА и большее рабочее пространство внутри конструкции, где могут быть укреплены установочные средства (например, держатель 9 режущего инструмента и держатели 17, 18 детали, показанные на фиг. 1 и 2), смонтированные на элементах 1a, 1b и 1с или 1a', 1b' и 1c', или 1d', 1e' и 1f' для установки режущих инструментов и деталей или взаимодействующих элементов других функциональных устройств на нужном удалении друг от друга вдоль удлиненной главной оси. При этом в сравнении с конструкцией (фиг. 1 и 2) полностью сохраняются осевая симметрия, высокие резонансные частоты и другие желательные свойства. Дополнительное удлинение удлиненной главной оси может быть обеспечено, если нужно, удлинением элементов 1a, 1b и 1c и/или 1a', 1b' и 1с' в пределах ограничения, накладываемого необходимостью сохранить для этих элементов высокие резонансные частоты.

Другой вариант, но близкий варианту, представленному на фиг. 6 и 10, имеет очертания не двух состыкованных основаниями четырехгранников, как на фиг. 6 и 10, а двух состыкованных квадратными основаниями пирамид. В этом варианте конструкция содержит первый комплект четырех стержнеобразных элементов, размещенных пирамидально так, что один конец каждого из них жестко соединен с соответствующими концами других трех элементов в общей вершине, а другой конец жестко соединен с основанием в форме пирамиды с квадратным основанием, содержащей восемь стержнеобразных элементов четыре элемента, жестко соединенных концом к концу для образования квадрата, в углах которого установлены соответствующие элементы первого комплекта, и еще четыре элемента, один конец каждого из которых установлен в соответствующем из этих углов, а другие концы соединены друг с другом в пирамидальной конструкции, зеркально повторяющей конструкцию из первого комплекта элементов. Такая конструкция не полностью триангулирована (если только она не содержит добавочный элемент, смонтированный как диагональ квадрата), но тем не менее представляет собой весьма выгодную конструкцию, с большим доступным рабочим пространством для установки режущих инструментов, и т.п. в ее пределах и обеспечивает все преимущества полностью триангулированной конструкции, фактически без всякого компромисса.

Почти полное сохранение структурной симметрии, так же как и других выгодных свойств может быть обеспечено, если, как в еще одним варианте изобретения, представленном на фиг. 7 и 11 предусмотрено основание 22', создающее дополнительную главную ось РА", пересекающую ось РА под углом 90^о (как показано) или под некоторым другим выбранным углом. С этой целью основание 22' содержит элементы 1d', 1e' и 1f' и сферические соединения 4a', 4b' и 4c', как показано на фиг. 10, а также элементы 1a', 1b' и 1с', одни концы которых соединены друг с другом посредством сферического соединения 4d'. Однако в этом варианте, хотя элементы 1a' и 1c' и прикреплены, как и прежде, к соединениям 4a' и 4c' соответственно, но они повернуты, вместе с элементом 1b', на 90^о вокруг линии элемента 1f', и удаленный от соединения 4d' конец элемента 1b' жестко прикреплен к дополнительному сферическому соединению 23 и дополнительным стержнеобразным элементам 24, 25 и 26 (аналогичной конструкции), которые смонтированы между соединениями 23 и соответственно соединениями 4a', 4b' и 4с'. Такое расположение позволяет крепить установочные средства вдоль оси РА, на элементах 1a, 1b и 1с и/или элементах 1d', 1e' и 1f', а также вдоль дополнительной оси РА" на элементах 1'a, 1'b и 1'c и/или элементах 1f', 24 и 26. Как можно заметить, если угол между осями РА и РА" будет 90^о, длина элемента 25 будет превышать длину всех остальных стержнеобразных элементов, поэтому будет необходимо позаботиться, чтобы его резонансная частота была близкой или равной резонансным частотам других элементов.

Как можно видеть, основание 22' содержит неправильный первый четырехгранник (с ребрами, образованными элементами 24, 25 и 26, и вершинами 4a', 4b', 4c' и 23, к трем из которых жестко присоединены элементы 1a, 1b и 1с) и смонтированную на одной из нижних треугольных граней этого первого четырехгранника пирамидальную конструкцию, образованную элементами 1a', 1b' и 1с' и их общим соединением 4d'.

Согласно изобретению могут быть разработаны и другие опорные конструкции, предназначенные для специальных целей; например, каждая из нижних треугольных граней четырехгранного основания 22 (фиг. 10) может иметь смонтированную на ней пирамидальную конструкцию, подобную образованной элементами 1a, 1b, 1c и 4d, каждая из последних позволит затем закрепить установочные средства вдоль соответствующей из трех дополнительных осей, каждая из которых пересекает ось РА под некоторым углом. При этом нет необходимости в том, чтобы эти пирамидальные конструкции были равнобедренными; если размеры неодинаковы (фиг. 8 и 12), их общая вершина может быть смещена, если это обусловлено специальным предназначением, от главной оси РА, определяемой симметричным случаем.

Очевидно, что для соединения друг с другом смежных концов различных стержнеобразных элементов конструкции необязательно использовать соединительные сферы. Вместо них можно использовать твердый "шарнир", например, сварное или штифтовое соединение, достаточное для обеспечения статической жесткости.

Стержнеобразные элементы основания и средства, соединяющие их концы между собой, аналогичны по конструкции первому комплекту стержнеобразных элементов и средствам соединения их концов.

Применение опорных конструкций, соответствующих изобретению, не ограничивается станками. Они могут быть использованы для любых целей, например, в поверхностной метрологии, где требуется высокая степень жесткости и устойчивости.

Как упоминалось выше, в некоторых применениях предусматривается небольшое усечение вершины, в которой соединены концы стержнеобразных элементов, например, для облегчения установки на ней дополнительных конструкций.

Формула изобретения

1. ОПОРНАЯ КОНСТРУКЦИЯ, содержащая жесткое основание, первый комплект по меньшей мере из трех расположенных пирамидально стержнеобразных элементов, одни концы которых соединены друг с другом в общей вершине, а другие жестко соединены с основанием, а также установочные средства, отличающаяся тем, что основание выполнено в виде многогранника.

2. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что основание выполнено в виде стержнеобразных элементов, жестко соединенных концами между собой.

3. Конструкция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что основание выполнено в виде четырехгранника из условия образования с первым комплектом стержней двойного четырехгранника.

4. Конструкция по п. 3, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным комплектом из трех стержнеобразных элементов, расположенных пирамидально и соединенных с вершинами одной из боковых граней основания.

5. Конструкция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что грань основания, примыкающая к первому комплекту стержнеобразных элементов, выполнена в виде четырех- или пятиугольника, при этом конструкция снабжена дополнительными стержнеобразными элементами, связывающими упомянутую грань с общими вершинами элементов соответственно первого комплекта и основания для образования четырех- или пятиугольной пирамиды.

6. Конструкция по пп. 1, 2 и 5, отличающаяся тем, что грань основания, примыкающая к первому комплекту стержнеобразных элементов, выполнена в виде квадрата.

7. Конструкция по пп. 1 - 6, отличающаяся тем, что стержнеобразные элементы основания и средства, соединяющие их концы между собой, аналогичны по конструкции первому комплекту стержнеобразных элементов и средствам соединения их концов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14