ДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ Российский патент 1994 года по МПК B23B25/06 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к станкостроению, и может быть использовано преимущественно в шпиндельных узлах металлорежущих станков, используемых в гибких производственных системах для измерения силы резания, что необходимо для корректировки режимов обработки, контроля износа и поломки инструмента.

Известен динамометрический подшипниковый узел, предназначенный для измерения силы резания в металлорежущих станках и содержащий упругую втулку с датчиками перемещений, позволяющую измерять в нем усилие, возникающее при обработке (авт. св. N 442018, кл. B 23 B 25/06, 1974).

Наиболее близким к изобретению по техническому существу является динамометрический подшипниковый узел, содержащий упругое кольцо с равномерно размещенными по окружности по меньшей мере у одного из его торцов одноопорными Г-образными в радиальном сечении балочками, на которых установлены датчики перемещений и свободные концы которых выступают за этот торец, причем упругое кольцо установлено между неподвижным кольцом подшипника, воспринимающего радиальную и осевую нагрузки, и неподвижной деталью узла [1] .

Оба узла обладают одним диапазоном измерения сил и, следовательно, для каждого вида механической обработки требуется замена узла, что увеличивает стоимость оборудования. Значительный осевой габарит встраиваемой упругой втулки (кольца) приводит к повышенной металлоемкости узла и снижает его жесткость. Из-за малого расстояния между противолежащими Г-образными балочками обоих торцов упругого кольца затруднена наклейка датчиков на их внутреннюю поверхность, что исключает возможность автоматизации наклейки. Увеличение же расстояния между балочками приводит к еще большему увеличению осевого габарита, уменьшению жесткости узла, снижению точности измерений.

Целью изобретения является удешевление и повышение жесткости узла, получение возможности перехода с одного диапазона измерений на другой, а также повышение чувствительности измерений.

С целью удешевления и повышения жесткости узла в него встраивается упругое кольцо с равномерно размещенными по окружности у одного из его торцов одноопорными Г-образными в радиальном сечении балочками, на которых установлены датчики перемещений и свободные концы которых выступают за этот торец. Упругое кольцо установлено между неподвижным кольцом подшипника, воспринимающего радиальную и осевую нагрузки, и неподвижной деталью узла. На каждой балочке со стороны, противоположной ее свободному концу, имеется выступ, не доходящий до плоскости другого торца кольца на величину, определяемую диапазоном измерений.

С целью перехода с одного диапазона измерений на другой выступ смещен в радиальном направлении относительно свободного конца балочки на расстояние, которое вместе с упомянутой величиной определяется первоначальным диапазоном измерений.

С целью повышения чувствительности измерений узел снабжен дополнительным вторым, идентичным первому кольцом, оба кольца неподвижно закреплены относительно друг друга, а свободные концы их балочек направлены в противоположные стороны.

Для достижения одновременно и повышения чувствительности измерений и возможности перехода с одного диапазона измерений на другой узел снабжен по меньшей мере дополнительным вторым, идентичным первому кольцом, неподвижно прикрепленным к первому кольцу, свободные концы балочек колец направлены в противоположные стороны, плоскости симметрии балочек обоих колец совпадают, выступы балочек противолежат и образуют между собой зазор, величина которого определяется первоначальным диапазоном измерений.

Для получения возможности измерения в двух и более диапазонах узел снабжен, по меньшей мере, дополнительным третьим идентичным первому кольцом, неподвижно прикрепленным ко второму кольцу, свободные концы балочек первого и третьего колец направлены в противоположные стороны, плоскости симметрии балочек первого и второго колец совпадают, выступы балочек этих колец противолежат и образуют между собой зазор, величина которого определяется первоначальным диапазоном измерений.

На фиг. 1, 2 изображен осевой разрез подшипникового узла с одним упругим кольцом и набором упругих колец; на фиг. 3 - 5 - варианты исполнения упругого кольца с наружными балочками; на фиг. 6 - 9 - варианты наборов упругих колец с наружными балочками; на фиг. 10 - упругое кольцо с внутренними балочками; на фиг. 11 - набор упругих колец с внутренними балочками.

Динамометрический подшипниковый узел содержит вал (например, шпиндель) 1, установленный в подшипниках 2 и 3 в корпусе 4. Между подшипником 2 и заплечиком корпуса 4 установлено упругое кольцо 5 или их набор 6 и подвижное кольцо 7. Между подшипниками 2, 3 установлены кольца 8, 9, между заплечиком шпинделя 1 и внутренним кольцом подшипника 3 - кольцо 10.

На упругом кольце 5 равномерно по окружности у торца 11 выполнены одноопорные Г-образные в радиальном сечении балочки 12, на которых установлены датчики 13 перемещений (тензорезисторы). Свободные концы 14 балочек 12 выступают за торец 11. На каждой балочке со стороны торца 15 выполнен противолежащий концу 14 выступ 16, не доходящий до плоскости торца 15 на величину а, определяемую диапазоном измерений.

Узел работает следующим образом.

Возникающая во время обработки детали сила резания действует через шпиндель 1 на подшипники 3 и 2. Под действием осевой составляющей силы резания подшипник 2 смещается и его наружное кольцо через кольцо 7 деформирует балочки 12 упругого кольца 5, а размещенные на них тензорезисторы 13 преобразуют деформацию в электрический сигнал, передаваемый в УЧПУ станка (не показано) для изменения при необходимости режима резания, например скорости подачи.

Под действием радиальной составляющей силы резания шпиндель 1 изгибается, что приводит к неравномерной деформации балочек 12 кольца 5 и в зависимости от величины разности их деформаций УЧПУ станка корректирует при необходимости режим резания.

Выступы 16 и балочек 12, упираясь в заплечик корпуса 4, играют роль ограничителей их деформации и тем самым предотвращают преждевременный выход из строя кольца 5 и, следовательно, всего узла.

Во втором варианте исполнения (фиг. 5) выступ 16 выполнен ближе к оси упругого кольца 17, чем свободный конец 14, на величину б. При наличии зазора а производится измерение датчиками 18 в первом диапазоне (например, 0-1000Н), а при выборе этого зазора - измерение датчиками 19 во втором диапазоне (например, 1000 - 5000Н).

В третьем варианте исполнения (фиг. 6) узел снабжен дополнительным кольцом 20, идентичным кольцу 5. Кольца 5, 20 установлены на фланцевой втулке 21 и стянуты гайкой 22. Свободные концы их балочек направлены в противоположные стороны. Для предотвращения выхода из строя предпочтительно располагать балочки колец 5, 20 напротив друг друга. За счет удвоения числа датчиков чувствительность узла повышается.

В четвертом варианте (фиг. 7) кольца 23, 24 стянуты между собой винтом 25 и гайкой 26.

В пятом варианте (фиг. 8) узел снабжен дополнительным кольцом 27, идентичным кольцу 17 и прикрепленным к нему. Плоскости симметрии балочек обоих колец совпадают, выступы 16 противолежат и образуют между собой зазор в. При наличии этого зазора производится измерение в первом диапазоне датчиками 18 обоих колец, а при выборе этого зазора - измерение во втором диапазоне их датчиками 19. За счет удвоения числа датчиков чувствительность узла повышается.

В шестом варианте (фиг. 9) узел снабжен дополнительным кольцом 28, прикрепленным к кольцам 23, 24 винтом 29 и гайкой 26 через промежуточную втулку 30. Свободные концы 14 балочек колец 23, 28 направлены в противоположные стороны. Плоскости симметрии балочек колец 23, 24 совпадают, а их выступы 16 противолежат и образуют между собой зазор г. Для предотвращения выхода из строя предпочтительно располагать балочки колец 24, 28 напротив друг друга. При наличии зазора г производится измерение в первом диапазоне датчиками колец 23, 28 и при выборе этого зазора - измерение во втором диапазоне датчиками колец 23, 24, 28. За счет увеличения числа датчиков чувствительность измерения во втором диапазоне по сравнению с пятым вариантом повышается.

Упругие кольца с внутренними балочками (фиг. 10, 11) целесообразно применять в узлах, где размещение упругих колец с наружными балочками затруднено, в частности, из-за малого габарита подшипников.

В связи с тем, что упругий элемент, встраиваемый в подшипниковый узел, выполнен на модульном принципе, значительно расширяется область применения этого узла, например в случае применения в шпиндельном узле имеется возможность измерять усилие резания при различных видах механической обработки. Кроме того, конструкция упругого элемента является перспективной с точки зрения его унификации, автоматической сборки и широкого применения динамометрического подшипникового узла в диагностических и адаптивных системах. (56) Авторское свидетельство СССР N 1315150, кл. B 23 B 25/06, 1987.

Сущность: динамометрический подшипниковый узел содержит упругое кольцо с равномерно размещенными по окружности у одного из его торцов одноопорными Г-образными в радиальном сечении балочками, на которых установлены датчики перемещений. Свободные концы балочек выступают за упомянутый торец. Упругое кольцо установлено между неподвижным кольцом подшипника, воспринимающего радиальную и осевую нагрузки, и неподвижной деталью узла. На каждой балочке со стороны, противоположной ее свободному концу, выполнен выступ, не доходящий до плоскости другого торца кольца на величину, определяемую диапазоном измерений. Для обеспечения перехода с одного диапазона измерений на другой выступ смещен в радиальном направлении относительно свободного конца балочки на расстояние, которое вместе с упомянутой величиной определяется первоначальным диапазоном измерений. Для повышения чувствительности измерений и перехода с одного диапазона измерений на другой используется дополнительное второе, идентичное первому, кольцо, неподвижно прикрепленное к первому кольцу. Свободные концы балочек колец направлены в противоположные стороны. Плоскости симметрии балочек обоих колец совпадают. Выступы балочек противолежат и образуют между собой зазор. 2 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. ДИНАМОМЕТРИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ, содержащий первое упругое кольцо с равномерно размещенными по окружности у одного из его торцов одноопорными Г-образными в радиальном сечении балочками, на которых установлены датчики перемещений и свободные концы которых выступают за упомянутый торец, причем упругое кольцо установлено между неподвижным кольцом подшипника и неподвижной частью узла, отличающийся тем, что, с целью повышения жесткости узла, на каждой балочке со стороны, противоположной ее свободному концу, выполнен выступ, не доходящий до плоскости другого торца кольца. 2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, выполненный на каждой балочке выступ смещен в радиальном направлении относительно свободного конца балочки на заданное расстояние. 3. Узел по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности измерений, узел снабжен по меньшей мере одним дополнительным кольцом, выполненным идентично первому кольцу и установленным неподвижно относительно него, причем свободные концы балочек обоих колец направлены в противоположные стороны и плоскости симметрии упомянутых балочек совпадают, а выступы балочек противолежат и образуют между собой зазор заданной величины.