КООРДИНАТНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК B23Q1/25 B23K37/02 

Изобретение относится к координатным устройствам на линейных электродвигателях с программным управлением и может быть использовано в прецизионных станках для обработки плоских поверхностей, в прецизионных станках для резки листовых материалов, в высокоточных копирующих устройствах.

Из уровня техники известны координатные устройства, содержащие параллельные направляющие, по которым перемещается портал, несущий инструментальную головку с рабочим органом с возможностью его перемещения, причем средства перемещения как портала, так и головки представляют собой, как правило, либо шаговые, либо линейные электродвигатели, управляемые программным блоком управления (Авт. св. СССР 150339, кл. B 23 B 39/04, 1962 г.; Авт. св. СССР 288593, кл. B 43 L 13/00, 1970 г.; Авт. св. СССР 1743303, кл. G 06 K 15/22, 1995 г.; патент США 538272, кл. 33/181, 1995 г.).

Конструктивные решения этих устройств обеспечивают их эффективную работу при относительно небольших динамических нагрузках и нагрузках на рабочий орган, а также при координировании положения инструмента на небольших по размерам плоскостях.

Известен также координатный стол, содержащий две параллельные направляющие, расположенные вдоль противоположных сторон основания, портал, установленный с возможностью реверсивного перемещения по направляющим, головку с рабочим инструментом, установленную с возможностью реверсивного перемещения вдоль портала, линейные электродвигатели перемещения портала и головки, управляемые программным блоком управления (Авт.св. СССР N 745720, кл. B 43 L 13/02, 1980 г.). Это техническое решение обладает некоторыми ограничениями функциональных возможностей и не вполне высокой точностью перемещения инструмента из-за использования в качестве опор подвижных элементов винтовых пар и отсутствия синхронизации приводов параллельных направляющих перемещения портала.

Наиболее близким к заявляемому устройству является координатный стол, содержащий основание, две параллельные направляющие, закрепленные вдоль противоположных сторон основания и выполненные из гранита или базальта; портал, установленный с возможностью реверсивного перемещения по направляющим основания и содержащий несущую балку из металла или стеклопластика, на которой параллельно установлены опорные бруски из гранита или базальта, а также установленную на портале головку с рабочим органом, средства перемещения портала и головки с рабочим органом, выполненные в виде многофазных линейных электродвигателей; статор каждого бокового линейного электродвигателя установлен на направляющей основания, статор портального линейного электродвигателя установлен на несущей балке между опорными брусками; подвижный элемент-индуктор каждого линейного электродвигателя снабжен трехсторонними аэростатическими опорами и магнитопроводом с притягивающими магнитными элементами в виде постоянных магнитов, подвижные элементы-индукторы боковых линейных электродвигателей прикреплены к концам портала посредством шарнирных опор, имеющих соответственно две и три степени свободы, на подвижном элементе-индукторе портального линейного электродвигателя установлена головка с рабочим органом, с возможностью реверсивного перемещения вдоль портала; программный блок управления и источник сжатого воздуха (патент RU N 2133184 C1, 20.07.99 г., B 23 Q 1/01).

К недостаткам данного координатного стола можно отнести неполное использование свойств эксплуатационной стабильности размеров прецизионных элементов из гранита, базальта или подобных твердых горных пород и материалов без остаточных внутренних напряжении, имеющих высокую термостабильность в рабочем интервале температур, так как минеральные бруски закреплены на металлической пустотелой балке. При изменении температуры в силу разности коэффициентов линейного термического расширения материалов возможны искажения прямолинейности всей конструкции несущей балки. Кроме того, необходима высокоточная механическая обработка металлической балки по всей ее длине, так как она является основным несущим элементом портала.

В силу того что тяговое усилие линейных электродвигателей в значительной степени зависит от зазора между магнитопроводами индуктора и статора, то на него будет влиять величина зазора в аэростатических опорах, которая, в свою очередь, зависит от нагрузки на них. Нагрузка на аэростатические опоры портала изменяется в зависимости от положения головки с рабочим инструментом. На опоры передаются усилия со стороны рабочего инструмента, а также динамические нагрузки от перемещения с ускорением подвижных элементов координатного стола.

Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение надежности и долговечности работы координатного устройства, а также обеспечение высокой точности движения рабочего инструмента по любой заданной траектории за счет более полного использования стабильности физических свойств природных и искусственных материалов, применяемых для изготовления направляющих. Кроме того, целью изобретения является устранение влияния изменения рабочего зазора в аэростатических опорах линейных электродвигателей на точность позиционирования рабочего органа и тяговые характеристики приводов, а также увеличение возможностей изменения и программирования тяговых усилий линейных электроприводов перемещения портала и головки координатного стола.

Поставленная техническая задача решается тем, что в координатном устройстве, содержащем координатный стол, имеющий основание и две параллельные направляющие, выполненные из гранита или базальта и установленные вдоль противоположных сторон основания, портал, установленный с возможностью реверсивного перемещения по направляющим основания и содержащий несущую балку, имеющую параллельно установленные опорные бруски из гранита или базальта или подобных твердых горных пород и материалов без остаточных внутренних напряжений, головку с рабочим инструментом, установленную с возможностью реверсивного перемещения вдоль портала, средства перемещения портала и головки с рабочим инструментом, выполненные в виде многофазных линейных электродвигателей, статор каждого бокового линейного электродвигателя установлен вдоль направляющей основания, а статор портального линейного электродвигателя установлен вдоль несущей балки портала между опорными брусками, индуктор каждого линейного электродвигателя снабжен трехсторонними аэростатическими опорами и магнитопроводом, содержащим притягивающие магнитные элементы, индукторы боковых линейных электродвигателей прикреплены к концам портала посредством шарнирных опор, а на индукторе портального линейного электродвигателя установлена головка с рабочим инструментом, программный блок управления и источник сжатого воздуха, согласно изобретению, несущая балка портала выполнена не менее чем из трех опорных брусков, при этом опорные бруски и статор портального линейного электродвигателя соединены между собой поперечными элементами, крепление к которым опорных брусков и статора обеспечивает возможность их независимого температурного расширения в продольном направлении, а опорные бруски предварительно нагружены осевым сжимающим усилием, которое обеспечивается продольными стягивающими элементами.

Возможно выполнение магнитопровода индуктора каждого линейного электродвигателя с притягивающими магнитными элементами, выполненными в виде постоянного магнита и/или электромагнитной катушки с возможностью обеспечения либо постоянства его притягивающего усилия, либо его необходимого изменения в зависимости от положения индукторов.

Предпочтительно, чтобы каждая аэростатическая опора была снабжена дополнительной закрытой полостью, сообщающейся с аэростатической опорой и источником сжатого воздуха, с возможностью компенсации изменения воздушного зазора, зависящего от нагрузки на опору, изменением зазора в дополнительной полости.

Отличием заявленного технического решения от известного является наличие в нем несущей балки портала, выполненной не менее чем из трех опорных брусков, при этом опорные бруски и статор портального линейного электродвигателя соединены между собой поперечными элементами, крепление к которым опорных брусков и статора обеспечивает возможность их независимого температурного расширения в продольном направлении, а опорные бруски предварительно нагружены осевым сжимающим усилием, которое обеспечивается продольными стягивающими элементами, при этом возможно выполнение магнитопровода индуктора каждого линейного электродвигателя с притягивающими магнитными элементами, выполненными в виде постоянного магнита и/или электромагнитной катушки с возможностью обеспечения либо постоянства его притягивающего усилия, либо его необходимого изменения в зависимости от положения индукторов, и предпочтительно, чтобы каждая аэростатическая опора была снабжена дополнительной закрытой полостью, сообщающейся с аэростатической опорой и источником сжатого воздуха, с возможностью компенсации изменения воздушного зазора, зависящего от нагрузки на опору, изменением зазора в дополнительной полости.

Предложенное конструктивное выполнение координатного стола позволит обеспечить высокую точность программного перемещения рабочего органа в сочетании с высокой эксплуатационной стабильностью размеров прецизионных элементов базирования аэростатических опор, повысить изгибную прочность всей конструкции портала по отношению к боковым нагрузкам, а также повысить функциональные возможности управления линейными электродвигателями приводов.

На фиг. 1 схематично представлен общий вид координатного устройства. На фиг. 2 - поперечное сечение 1-1 на фиг. 1. На фиг. 3 - поперечное сечение аэростатической опоры.

Координатное устройство (фиг. 1) содержит координатный стол, имеющий основание 1, боковые направляющие 2, установленные параллельно вдоль противоположных сторон основания 1, на каждой из которых закреплен статор 3 бокового линейного электродвигателя, индуктор 4 которого прикреплен к концу портала посредством шарнирной опоры 7 или 8, имеющей соответственно две или три степени свободы. Несущая балка (фиг. 2) портала 6 выполнена не менее чем из трех параллельных опорных брусков 9, два из которых установлены в верхней части балки, а между ними размещен статор 10 портального линейного электродвигателя, на индукторе 11 которого установлена головка 12 с рабочим инструментом 13 (лазер, резец, сверло, перо, фреза и т.д.).

Индукторы 4 и 11 каждого из линейных электродвигателей снабжены магнитопроводами 5 и трехсторонними аэростатическими опорами 17 и 18 (три пары несущих опор 17 и две пары боковых опор 18), которые соединены с источником сжатого воздуха (на чертеже не показан).

Опорные бруски 9 несущей балки и статор 10 портального линейного электродвигателя соединены между собой поперечными элементами 14, крепление к которым опорных брусков и статора обеспечивает возможность их независимого температурного расширения в продольном направлении. Несущая балка портала 6 содержит продольные стягивающие элементы 15, обеспечивающие предварительное сжимающее усилие в опорных брусках 9, которое компенсирует возможные напряжения растяжения в этих брусках от изгибных нагрузок при работе координатного устройства.

Магнитопровод 5 каждого из индукторов 4 и 11 линейных электродвигателей оснащен притягивающими магнитными элементами 16, выполненными в виде постоянного магнита и/или электромагнитной катушки с возможностью изменения его притягивающего усилия.

Аэростатическая опора (фиг. 3) имеет корпус 19, в нижней части которого имеется дроссельное отверстие 20, через которое подается сжатый воздух в рабочий зазор 21 между опорой и направляющей 2 (либо опорным бруском 9). Аэростатическая опора содержит дополнительную закрытую полость 22, соединенную с источником сжатого воздуха через штуцер 23 с дроссельным отверстием с возможностью изменения зазора в этой полости в соответствии с изменением рабочего зазора 21.

Величина рабочего зазора 21 между аэростатическими опорами и опорными поверхностями зависит от величины нагрузки на опору - с увеличением нагрузки этот зазор уменьшается. Это приводит к увеличению давления и в рабочем зазоре 21, и в дроссельном отверстии 20, и в дополнительной полости 22, которая снабжается сжатым воздухом через штуцер 23 с дроссельным отверстием. Увеличение зазора в дополнительной полости, компенсирующее уменьшение рабочего зазора, можно обеспечить, например, за счет перемещения верхней части корпуса 19, выполненного в виде уплотненного поршня 24, удерживаемого упругими элементами 25, которые, например, могут быть выполнены в виде спиральных или тарельчатых пружин или каких-либо иных упругих элементов. Таким образом обеспечивается постоянство расстояния от индукторов 4 и 11 до базовых поверхностей направляющих 2 и опорных брусков 9.

Работа координатного устройства на линейных электродвигателях с подвижными фазными индукторами осуществляется с помощью программного блока управления и источника сжатого воздуха, обеспечивающего работу аэростатических опор.

Координатное устройство работает следующим образом. По сигналу программного блока управления (на чертеже не показан) одновременно и согласованно запитываются обмотки управления индукторов 4 и 11 линейных электродвигателей, при этом электрический ток, протекая по обмотке управления, создает магнитный поток, который замыкается через магнитопровод 5, воздушный зазор между индуктором 4, 11 и статором 3, 10, а также через сам статор 3, 10. Этот магнитный поток, взаимодействуя с потоком возбуждения от постоянных магнитов и/или электромагнитных катушек, замыкается через соседние ветви магнитопровода 5, через воздушный зазор между индуктором 4, 11 и статором 3, 10, а также через сам статор 3, 10, что создает тяговое усилие, воздействующее на индукторы 4, 11 линейных электродвигателей, в результате чего происходит перемещение портала по направляющим основания и перемещение головки с рабочим инструментом по опорным брускам несущей балки портала.

В заявляемом устройстве блок программного управления, помимо сигналов на обмотки индукторов 4 и 11, вырабатывает дополнительно сигналы, подаваемые на катушки притягивающих магнитных элементов в магнитопроводах индукторов, что позволяет либо регулировать, либо обеспечить стабильность тяговых усилий линейных электродвигателей независимо от изменения зазора между статором и индуктором в зависимости от положения подвижных элементов на направляющих.

Таким образом, высокая точность перемещения рабочего инструмента по любой заданной траектории обеспечивается за счет конструкции несущей балки, за счет поддержания постоянного рабочего зазора между индукторами линейных электродвигателей и направляющими основания и опорными брусками за счет применения в магнитопроводе индукторов постоянных магнитов и/или электромагнитных катушек.

Кроме того, на точность позиционирования рабочего инструмента, надежность и долговечность работы устройства влияет также и материал, из которого изготовлены направляющие основания координатного стола и опорные бруски несущей балки портала. Они могут быть выполнены как из твердых горных пород, так и из искусственно созданных материалов без остаточных внутренних напряжений, например ситалла, керамики.

Изобретение относится к координатным устройствам, выполненным на линейных электродвигателях с программным управлением, и может быть использовано в прецизионных станках и высокоточных копирующих устройствах. Портал установлен с возможностью перемещения по направляющим. На портале установлена головка с рабочим инструментом, имеющая возможность перемещения вдоль портала. Средства перемещения выполнены в виде линейных электродвигателей, статоры которых установлены на направляющих и на несущей балке портала. Несущая балка портала выполнена не менее чем из трех опорных брусков. Опорные бруски и статор портального линейного электродвигателя соединены между собой поперечными элементами с возможностью их независимого температурного расширения в продольном направлении. Опорные бруски предварительно нагружены осевым сжимающим усилием, которое обеспечивается продольными стягивающими элементами. Координатное устройство обеспечивает высокую точность перемещения рабочего инструмента по заданной траектории, надежно и долговечно в работе. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Координатное устройство, содержащее координатный стол, имеющий основание и две параллельные направляющие, установленные вдоль противоположных сторон основания, портал, установленный с возможностью реверсивного перемещения по направляющим основания и содержащий несущую балку, имеющую параллельно установленные опорные бруски из гранита, или базальта, или подобных твердых горных пород и материалов без остаточных внутренних напряжений, головку с рабочим инструментом, установленную с возможностью реверсивного перемещения вдоль портала, средства перемещения портала и головки с рабочим инструментом, выполненные в виде многофазных линейных электродвигателей, статор каждого бокового линейного электродвигателя установлен вдоль направляющей основания, а статор портального линейного электродвигателя установлен вдоль несущей балки портала между опорными брусками, индуктор каждого линейного электродвигателя снабжен трехсторонними аэростатическими опорами и магнитопроводом, содержащим притягивающие магнитные элементы, индукторы боковых линейных электродвигателей прикреплены к концам портала посредством шарнирных опор, а на индукторе портального линейного электродвигателя установлена головка с рабочим инструментом, программный блок управления и источник сжатого воздуха, отличающееся тем, что несущая балка портала выполнена не менее чем из трех опорных брусков, поперечных элементов и стягивающих элементов, при этом опорные бруски и статор портального линейного электродвигателя соединены между собой поперечными элементами с возможностью независимого температурного расширения в продольном направлении, а опорные бруски выполнены предварительно нагруженными осевым сжимающим усилием посредством продольных стягивающих элементов. 2. Координатное устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитопровод индуктора каждого линейного электродвигателя снабжен притягивающими магнитными элементами, выполненными в виде постоянного магнита и/или электромагнитной катушки с возможностью обеспечения либо постоянства его притягивающего усилия, либо его необходимого изменения в зависимости от положения индукторов. 3. Координатное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что каждая аэростатическая опора снабжена дополнительной закрытой полостью, сообщающейся с аэростатической опорой и источником сжатого воздуха, с возможностью компенсации изменения воздушного зазора, зависящего от нагрузки на опору, изменением зазора в дополнительной полости.