Автор: компании METROM mechatronische maschinen GmbH (www.metrom.com) и "ИНТЕРТУЛМАШ" (www.itmash.ru)
В статье описаны основные принципы конструкции станков на основе 5-ти стоечной параллельной кинематики, а также представлен обзор некоторых моделей обрабатывающих центров METROM.
Концепция 5-ти стоечной параллельной кинематики при конструировании металлообрабатывающих станков
Мехатронные концепции высокоскоростных обрабатывающих центров задают тенденции технологического развития и должны представляться приоритетными, даже если пока не преобладают в серийном производстве.
Точность перемещений фрезерных обрабатывающих центров с параллельной кинематикой основана не на точности регулировки направляющих осей, как для станков предыдущего поколения, а на калибровке позиции главного шпинделя.
Точный математический расчет необходимых перемещений стал возможен благодаря стабильной безлюфтовой позиции соединений и инновационным разработкам в области программного обеспечения и систем управления, что обеспечило оптимальное взаимодействие механических, электронных и программных узлов внутри станка.
Принцип конструкции станков с параллельной кинематикой состоит в том, что рабочий шпиндель станка связан со станиной при помощи суппортов, длина которых определяется подающим устройством. С обеих сторон суппорта расположены соединения с несколькими степенями свободы (см. Рис 1). Эти соединения и другие отдельные компоненты станка должны соответствовать высоким стандартам точности. В отличии от станков стандартной конструкции, здесь особенно высокие требования предъявляются к точности линейных направляющих, их положения относительно друг друга, конструкции станины.
Рис. 1. Принцип строения главного шпинделя (а) и модель двадцатигранной рамы (b)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
В основе системы управления станком с параллельной кинематикой лежит модель, которая использует специфичные для данного станка параметры. Так например, эти параметры могут содержать координаты точки вращения соединения. Это не означает, что точное позиционирование этих точек соединений требует сложного технологического обеспечения. После монтажа станка расчет точек выполняется косвенно при помощи анализа измерений позиций главного шпинделя в рабочей зоне станка (калибровка).
Ниже описаны примеры высокоскоростных обрабатывающих центров с параллельной кинематикой и инновационной запатентованной технологией пяти суппортов.
5-ти осевой обрабатывающий центр Metrom P1000
Этот обрабатывающий центр предназначен для обработки стали Inconel® (Inconel является торговой маркой компании Special Metals Corporation), композитных материалов, алюминия, других материалов для производства инструментов и пресс-форм в различных областях машиностроения, строительной промышленности при необходимости выполнения сложной высокоточной обработки. В отдельных случаях выполняется обработка керамики или песчаных форм для литейной промышленности. Благодаря поворотному рабочему столу с ЧПУ станок выполняет операции круглого фрезерования, некруглого точения, некруглого фрезерования.
Главный шпиндель станка расположен поперечно относительно пяти равных суппортов с системой внутреннего охлаждения для высокоточной синхронной пятиосевой обработки.
Кинематическая концепция станка с пятью суппортами основана на том, что не все 6 степеней свободы подвижных компонентов имеют равное значение. Если вращение вокруг оси фрезерного шпинделя не рассматривать в качестве степени свободы, потребуется всего 5 приводных устройств для позиционирования по пяти осям внутри рабочей зоны. Силы ускорения для перемещений фрезерного шпинделя передаются за счет продольных сил суппортов. За счет этого обеспечивается необходимая жесткость главного шпинделя и устойчивость к смещениям.
Соединение с высокопрочной двадцатигранной опорой реализовано при помощи плоских шарниров, вертикальных и карданных шарниров (см. Рис 1). Подача и позиционирование главного шпинделя со скоростью до 60 м/мин и ускорением до 1 g (10 м/сек2) обеспечиваются приводным механизмом с ШВП.
Благодаря механизму сжатия и разжима суппортов концепция параллельной кинематики обладает следующими преимуществами: относительно простая механическая конструкция, большое количество унифицированных деталей, высокая износостойкость, высокая прочность.
На Рис. 2 показана компактная конструкция станка и перемещение главного шпинделя за счет работы пяти суппортов.
Рис. 2. Станок P1000 (a), его шпиндель и рабочая зона (b)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Использование поворотного рабочего стола с ЧПУ позволяет выполнять пятистороннюю обработку за один установ и достигать высоких показателей точности благодаря оптимальному расположению инструментов для различных задач.
К системам ЧПУ применяются высокие качественные стандарты для обеспечения высокой скорости смены блоков, интерполяции, интеграции процессоров параллельной кинематики для пересчета координат прямоугольной системы в координаты станка. Примерами таких систем ЧПУ выступают Andronic 2060 и Siemens 840 D sl.
На Рис. 3 изображены примеры обработки при изготовлении инструментов и пресс-форм.
Рис. 3. Наклонное фрезерование на обрабатывающем центре Р1000
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Технические характеристики высокоскоростного обрабатывающего центра Р 1000 представлены в таблице 1.
Таблица 1. Технические характеристики пятиосевого обрабатывающего центра Metrom Р1000
Пятиосевой обрабатывающий центр портального типа Metrom PG 2040
Запатентованный концепт портального обрабатывающего центра с параллельной кинематикой Pentapod и стационарным рабочим столом позволяет выполнять эффективную обработку заготовок размером до 4000 мм в длину и до 1000 мм в высоту.
На Рис. 4 изображен портальный станок PG 2040.
Рис. 4. Обрабатывающий центр PG 2040 (а) и его рабочая зона (b)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Благодаря динамическим характеристикам станка и небольшому весу подвижных узлов станок способен выполнять пятистороннюю обработку крупных и тяжелых заготовок за один установ с высокой эффективностью. На Рис. 5 представлены два примера работы станка.
Рис. 5. Примеры выполнения обработки
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Обрабатывающим центром Metrom PG 2040 реализуется идеи интеграции межотраслевых (аддитивных) технологий для развития производственных возможностей. С помощью этого оборудования было реализовано выполнение 5-ти координатной сварки трением с перемешиванием (FSW) в рамках промышленных исследований, что может использоваться для развития новых технологий соединения конструкций фюзеляжа самолетов (см. Рис. 6).
Рис. 6. Сварка трением с перемешиванием при помощи PG2040 (а), принцип выполнения сварки (b), сварка опытной опоры фюзеляжа (c)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Преимуществом обрабатывающего центра также является возможность выполнения предварительной фрезерной обработки сварочных поверхностей и последующей сварки на одном станке.
Технические характеристики Metrom PG2040 представлены в Таблице 2.
Таблица 2. Технические характеристики пятиосевого обрабатывающего центра Metrom PG 2040
Мобильные 5-ти осевые мехатронные обрабатывающие центры
Благодаря небольшой обратной силе, оптимальному соотношению производительности и веса, свободной ориентации системы координат заготовки и станка описанная выше концепция параллельной кинематики обладает уникальным преимуществом перед станками стандартной конструкции и может обеспечить два варианта реализации мобильного обрабатывающего центра.
a) Metrom PM800
На Рис. 7 изображен обрабатывающий центр с параллельной кинематикой удобный для транспортировки.
Рис. 7. Мобильный высокоскоростной обрабатывающий центр PM800 (a) и транспортировочная упаковка на палете для авиаперевозки (b)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Мобильный высокоскоростной обрабатывающий центр делает высокоточную обработку крупных и сложных заготовок эффективной и выгодной. На Рис. 8 представлен пример обработки турбины станком PM800, а также продемонстрирована работа других портативных 5-ти осевых станков METROM (PM1000, PM1400).
Рис. 8. Примеры мобильной обработки высокоскоростными обрабатывающими центрами METROM
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
b) Обрабатывающий спутник Metrom PM100S
Другой вариант локального выполнения обработки габаритных заготовок диаметром более 12 м с высокой точностью и производительностью стационарных обрабатывающих центров реализован в рамках концепции обрабатывающего спутника Metrom.
На Рис. 9 представлена принципиальная схема такого станка.
Рис. 9. Обрабатывающий спутник с опорным сооружением
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Модульные конструкции обеспечивают удобную транспортировку и быстрый монтаж, устройство позиционирования устанавливает обрабатывающий спутник для заготовки по линейным осям и осям вращения. Такое обрабатывающее устройство может найти применение для обработки пресс-форм, производства компонентов промышленного оборудования, изготовления турбин для судостроительной промышленности.
Концепция позволяет значительно сократить временные и финансовые затраты на транспортировку обрабатывающего оборудования к заготовке.
На Рис. 10 показаны примеры работы станка.
Рис. 10. Обработка конструктивного блока диаметром более 12 м.
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Для дополнительных консультаций, пожалуйста, обращайтесь в компанию "ИНТЕРТУЛМАШ", которая является официальным представителем и поставщиком продукции и услуг компании METROM mechatronische maschinen GmbH в России и СНГ.
Ссылка на страницу компании METROM на русском языке:
https://www.itmash.ru/METROM
Контактная информация:
Телефон: +7 (495) 668-13-58
email: inbox@itmash.ru
сайт: www.itmash.ru
В статье описаны основные принципы конструкции станков на основе 5-ти стоечной параллельной кинематики, а также представлен обзор некоторых моделей обрабатывающих центров METROM.
Концепция 5-ти стоечной параллельной кинематики при конструировании металлообрабатывающих станков
Мехатронные концепции высокоскоростных обрабатывающих центров задают тенденции технологического развития и должны представляться приоритетными, даже если пока не преобладают в серийном производстве.
Точность перемещений фрезерных обрабатывающих центров с параллельной кинематикой основана не на точности регулировки направляющих осей, как для станков предыдущего поколения, а на калибровке позиции главного шпинделя.
Точный математический расчет необходимых перемещений стал возможен благодаря стабильной безлюфтовой позиции соединений и инновационным разработкам в области программного обеспечения и систем управления, что обеспечило оптимальное взаимодействие механических, электронных и программных узлов внутри станка.
Принцип конструкции станков с параллельной кинематикой состоит в том, что рабочий шпиндель станка связан со станиной при помощи суппортов, длина которых определяется подающим устройством. С обеих сторон суппорта расположены соединения с несколькими степенями свободы (см. Рис 1). Эти соединения и другие отдельные компоненты станка должны соответствовать высоким стандартам точности. В отличии от станков стандартной конструкции, здесь особенно высокие требования предъявляются к точности линейных направляющих, их положения относительно друг друга, конструкции станины.
Рис. 1. Принцип строения главного шпинделя (а) и модель двадцатигранной рамы (b)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
В основе системы управления станком с параллельной кинематикой лежит модель, которая использует специфичные для данного станка параметры. Так например, эти параметры могут содержать координаты точки вращения соединения. Это не означает, что точное позиционирование этих точек соединений требует сложного технологического обеспечения. После монтажа станка расчет точек выполняется косвенно при помощи анализа измерений позиций главного шпинделя в рабочей зоне станка (калибровка).
Ниже описаны примеры высокоскоростных обрабатывающих центров с параллельной кинематикой и инновационной запатентованной технологией пяти суппортов.
5-ти осевой обрабатывающий центр Metrom P1000
Этот обрабатывающий центр предназначен для обработки стали Inconel® (Inconel является торговой маркой компании Special Metals Corporation), композитных материалов, алюминия, других материалов для производства инструментов и пресс-форм в различных областях машиностроения, строительной промышленности при необходимости выполнения сложной высокоточной обработки. В отдельных случаях выполняется обработка керамики или песчаных форм для литейной промышленности. Благодаря поворотному рабочему столу с ЧПУ станок выполняет операции круглого фрезерования, некруглого точения, некруглого фрезерования.
Главный шпиндель станка расположен поперечно относительно пяти равных суппортов с системой внутреннего охлаждения для высокоточной синхронной пятиосевой обработки.
Кинематическая концепция станка с пятью суппортами основана на том, что не все 6 степеней свободы подвижных компонентов имеют равное значение. Если вращение вокруг оси фрезерного шпинделя не рассматривать в качестве степени свободы, потребуется всего 5 приводных устройств для позиционирования по пяти осям внутри рабочей зоны. Силы ускорения для перемещений фрезерного шпинделя передаются за счет продольных сил суппортов. За счет этого обеспечивается необходимая жесткость главного шпинделя и устойчивость к смещениям.
Соединение с высокопрочной двадцатигранной опорой реализовано при помощи плоских шарниров, вертикальных и карданных шарниров (см. Рис 1). Подача и позиционирование главного шпинделя со скоростью до 60 м/мин и ускорением до 1 g (10 м/сек2) обеспечиваются приводным механизмом с ШВП.
Благодаря механизму сжатия и разжима суппортов концепция параллельной кинематики обладает следующими преимуществами: относительно простая механическая конструкция, большое количество унифицированных деталей, высокая износостойкость, высокая прочность.
На Рис. 2 показана компактная конструкция станка и перемещение главного шпинделя за счет работы пяти суппортов.
Рис. 2. Станок P1000 (a), его шпиндель и рабочая зона (b)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Использование поворотного рабочего стола с ЧПУ позволяет выполнять пятистороннюю обработку за один установ и достигать высоких показателей точности благодаря оптимальному расположению инструментов для различных задач.
К системам ЧПУ применяются высокие качественные стандарты для обеспечения высокой скорости смены блоков, интерполяции, интеграции процессоров параллельной кинематики для пересчета координат прямоугольной системы в координаты станка. Примерами таких систем ЧПУ выступают Andronic 2060 и Siemens 840 D sl.
На Рис. 3 изображены примеры обработки при изготовлении инструментов и пресс-форм.
Рис. 3. Наклонное фрезерование на обрабатывающем центре Р1000
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Технические характеристики высокоскоростного обрабатывающего центра Р 1000 представлены в таблице 1.
Таблица 1. Технические характеристики пятиосевого обрабатывающего центра Metrom Р1000
Пятиосевой обрабатывающий центр портального типа Metrom PG 2040
Запатентованный концепт портального обрабатывающего центра с параллельной кинематикой Pentapod и стационарным рабочим столом позволяет выполнять эффективную обработку заготовок размером до 4000 мм в длину и до 1000 мм в высоту.
На Рис. 4 изображен портальный станок PG 2040.
Рис. 4. Обрабатывающий центр PG 2040 (а) и его рабочая зона (b)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Благодаря динамическим характеристикам станка и небольшому весу подвижных узлов станок способен выполнять пятистороннюю обработку крупных и тяжелых заготовок за один установ с высокой эффективностью. На Рис. 5 представлены два примера работы станка.
Рис. 5. Примеры выполнения обработки
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Обрабатывающим центром Metrom PG 2040 реализуется идеи интеграции межотраслевых (аддитивных) технологий для развития производственных возможностей. С помощью этого оборудования было реализовано выполнение 5-ти координатной сварки трением с перемешиванием (FSW) в рамках промышленных исследований, что может использоваться для развития новых технологий соединения конструкций фюзеляжа самолетов (см. Рис. 6).
Рис. 6. Сварка трением с перемешиванием при помощи PG2040 (а), принцип выполнения сварки (b), сварка опытной опоры фюзеляжа (c)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Преимуществом обрабатывающего центра также является возможность выполнения предварительной фрезерной обработки сварочных поверхностей и последующей сварки на одном станке.
Технические характеристики Metrom PG2040 представлены в Таблице 2.
Таблица 2. Технические характеристики пятиосевого обрабатывающего центра Metrom PG 2040
Мобильные 5-ти осевые мехатронные обрабатывающие центры
Благодаря небольшой обратной силе, оптимальному соотношению производительности и веса, свободной ориентации системы координат заготовки и станка описанная выше концепция параллельной кинематики обладает уникальным преимуществом перед станками стандартной конструкции и может обеспечить два варианта реализации мобильного обрабатывающего центра.
a) Metrom PM800
На Рис. 7 изображен обрабатывающий центр с параллельной кинематикой удобный для транспортировки.
Рис. 7. Мобильный высокоскоростной обрабатывающий центр PM800 (a) и транспортировочная упаковка на палете для авиаперевозки (b)
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Мобильный высокоскоростной обрабатывающий центр делает высокоточную обработку крупных и сложных заготовок эффективной и выгодной. На Рис. 8 представлен пример обработки турбины станком PM800, а также продемонстрирована работа других портативных 5-ти осевых станков METROM (PM1000, PM1400).
Рис. 8. Примеры мобильной обработки высокоскоростными обрабатывающими центрами METROM
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
b) Обрабатывающий спутник Metrom PM100S
Другой вариант локального выполнения обработки габаритных заготовок диаметром более 12 м с высокой точностью и производительностью стационарных обрабатывающих центров реализован в рамках концепции обрабатывающего спутника Metrom.
На Рис. 9 представлена принципиальная схема такого станка.
Рис. 9. Обрабатывающий спутник с опорным сооружением
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Модульные конструкции обеспечивают удобную транспортировку и быстрый монтаж, устройство позиционирования устанавливает обрабатывающий спутник для заготовки по линейным осям и осям вращения. Такое обрабатывающее устройство может найти применение для обработки пресс-форм, производства компонентов промышленного оборудования, изготовления турбин для судостроительной промышленности.
Концепция позволяет значительно сократить временные и финансовые затраты на транспортировку обрабатывающего оборудования к заготовке.
На Рис. 10 показаны примеры работы станка.
Рис. 10. Обработка конструктивного блока диаметром более 12 м.
(Снимок: Metrom GmbH, Хартмансдорф)
Для дополнительных консультаций, пожалуйста, обращайтесь в компанию "ИНТЕРТУЛМАШ", которая является официальным представителем и поставщиком продукции и услуг компании METROM mechatronische maschinen GmbH в России и СНГ.
Ссылка на страницу компании METROM на русском языке:
https://www.itmash.ru/METROM
Контактная информация:
Телефон: +7 (495) 668-13-58
email: inbox@itmash.ru
сайт: www.itmash.ru
Отрасли
