CZ2014537A3 - Compact driving unit with balancing vertical linear motion axes of machine tools - Google Patents

Abstract

Kompaktní pohonná jednotka obsahuje nosný rám (11, 21), ke kterému je připojen rotační hydromotor (13, 23) propojený primárním hřídelem s ozubeným pastorkem (12, 22), a rotační hydromotor (13, 23) je propojen s hlavním elektromotorem (16, 25) pro transformaci rotačního pohybu na lineární pohyb vertikální osy stroje, přičemž hydromotor (13, 23) je připojen k uzavřenému hydraulicko-dusíkovému obvodu. Primární hřídel s ozubeným pastorkem (12) je buď propojen primárním převodem (14) se sekundárním převodem (15) hlavního elektromotoru (16), nebo je axiálně propojen s hřídelem (24) převodovky hlavního elektromotoru (25).The compact drive unit comprises a support frame (11, 21) to which a rotary hydraulic motor (13, 23) connected by a primary shaft to the pinion gear (12, 22) is connected, and the rotary hydraulic motor (13, 23) is connected to the main electric motor ( 16, 25) for transforming a rotational movement into a linear movement of a vertical machine axis, wherein the hydraulic motor (13, 23) is connected to a closed hydraulic-nitrogen circuit. The primary pinion shaft (12) is either interconnected by the primary gear (14) with the secondary gear (15) of the main electric motor (16), or is axially connected to the gearbox shaft (24) of the main electric motor (25).

Description

Vynález se týká kompaktní pohonné jednotky s vyvažováním vertikálních lineárních pohybových os obráběcích výrobních strojů.The invention relates to a compact drive unit with balancing of vertical linear movement axes of machine tools.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Na standardní pohony vertikálních lineárních pohybových os působí kromě obvyklých sil, jako je řezná síla, dynamické účinky urychlované hmoty a podobně, také vlastní tíha všech těles pohybující se skupiny. Silové účinky od tíhy působí v jenom směru a mají za následek zvyšování požadavku na dimenzování komponentů pohonů. Pro odstranění těchto silových účinku se využívá vyvažování vertikálních os, kde dochází k přidání nezávislého vnějšího zdroje vyvozující silový účinek proti působení vlastní tíhy vyvažované skupiny. V současné době existuje několik základních typů vyvažování vertikálních lineárních pohybových os, které však stojí samostatně a neumožňují přímé propojení s pohonnou jednotkou nebo mají nepříznivý vliv na dynamické chování stroje.In addition to the usual forces such as cutting force, dynamic effects of accelerated mass and the like, the standard drives of vertical linear motion axes are also subject to the inherent weight of all bodies of the moving group. The load-bearing forces act only in the direction and result in an increased requirement for the dimensioning of the drive components. To eliminate these forces, vertical axis balancing is used, where an independent external source is added to exert a force effect against the self-weight of the balance group. There are currently several basic types of balancing of vertical linear movement axes, which however stand alone and do not allow direct connection to the drive unit or have an adverse effect on the dynamic behavior of the machine.

Samostatné principy vyvažování jsou popsány například v patentu CZ 303596, který mimo jiné popisuje originální princip vyvažování pomocí silového účinku rotačního hydromotoru, který je připojen na uzavřený hydraulický okruh a pomocí transformační dvojice umožňuje změnu rotačního pohybu na vertikální pohyb. Podstatnou nevýhodou tohoto řešení je rozběhový, tj. ztrátový moment, což je základní vlastnost rotačních hydromotorů. Důsledkem velkého rozběhového momentu dochází ke skokovému nárůstu silového účinku kladeného na hlavní pohon vertikální osy. Samostatně stojící hlavní pohon tak nemůže adekvátně reagovat na požadavky systému, což se odráží na nerovnoměrnosti chodu především u změny směru pohybu.Separate balancing principles are described, for example, in patent CZ 303596, which, inter alia, describes the original balancing principle by means of a rotary hydraulic motor, which is connected to a closed hydraulic circuit and allows the transformation pair to change the rotary movement to vertical movement. The main disadvantage of this solution is the starting torque, ie the loss torque, which is the basic property of rotary hydraulic motors. As a result of the high starting torque, there is a sudden increase in the force effect on the main drive of the vertical axis. The standalone main drive can therefore not adequately respond to the system requirements, which is reflected in the unevenness of the operation, especially when the direction of movement is changed.

-2Podstata vynálezu2. Summary of the Invention

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny kompaktní pohonnou jednotkou s vyvažováním vertikálních lineárních pohybových os obráběcích strojů, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že obsahuje nosný rám, ke kterému je připojen rotační hydromotor propojený primárním hřídelem s ozubeným pastorkem, a rotační hydromotor je propojen s hlavním elektromotorem pro transformaci rotačního pohybu na lineární pohyb vertikální osy stroje, přičemž hydromotor je připojen k uzavřenému hydraulicko-dusíkovému obvoduThe above drawbacks are largely eliminated by the compact drive unit with balancing of the vertical linear movement axes of machine tools, according to the present invention. Its essence is that it comprises a support frame to which a rotary hydraulic motor connected by a primary shaft to a pinion is connected, and the rotary hydraulic motor is connected to the main electric motor to transform rotary motion into linear movement of the vertical axis of the machine. nitrogen circuit

Primární hřídel s ozubeným pastorkem je ve výhodném provedení propojen primárním převodem se sekundárním převodem hlavního elektromotoru.The primary geared shaft is interconnected by a primary gear with a secondary gear of the main electric motor.

Primární hřídel s ozubeným pastorkem je v dalším výhodném provedení axiálně propojen s hřídelem převodovky hlavního elektromotoru.In a further preferred embodiment, the primary pinion shaft is axially connected to the gearbox shaft of the main electric motor.

Přímým propojením vyvažovacího rotačního hydromotoru v sériovém nebo paralelním provedení je do značné míry odstraněn negativní vliv rozběhového, tj. ztrátového momentu hydromotoru na řízení pohybové osy. Podstatou řešení je vyvození kroutícího momentu hydromotorem pro kompenzaci tíhových silových účinků a sériovém nebo paralelním propojením s hlavním pohonem, který je vyžíván pro vertikální pohyb tíhově vyvážené skupiny a kompenzaci rozběhového momentu hydromotoru.By directly connecting the balancing rotary hydraulic motor in series or parallel design, the negative influence of the starting, ie the torque of the hydraulic motor on the motion axis control is largely eliminated. The essence of the solution is to generate a torque by a hydraulic motor to compensate for gravity force effects and in series or parallel connection with the main drive, which is used for vertical movement of the weighted balance group and compensation of the starting torque of the hydraulic motor.

Hydromotor připojený na transformační dvojici zaručuje změnu rotačního pohybu na lineární pohyb, na který je přímo připojen hlavní pohon, což má za následek eliminaci rozběhového momentu hydromotoru a vytvoření kompaktní pohonné jednotky zajišťující hlavní pohon a zároveň vyvažování.The hydraulic motor connected to the transformer pair guarantees the change of rotary motion to linear motion, to which the main drive is directly connected, which eliminates the starting torque of the hydraulic motor and creates a compact drive unit providing the main drive while balancing.

-3Zapojení rotačního hydromotoru je realizováno známým způsobem na uzavřený hydraulickodusíkový obvod. Hydromotor je součástí vyvažované pohybové skupiny. Ozubená tyč je připevněna na stojan stroje, který tvoří základ vertikální lineární pohybové osy.The rotary hydraulic motor is connected in a known manner to a closed hydraulic-nitrogen circuit. The hydraulic motor is part of the balanced movement group. The rack is attached to the machine stand that forms the basis of the vertical linear motion axis.

Výhodami uvedeného řešení je neomezený zdvih, protože uvažovaná pohybová dvojice není z konstrukčního hlediska omezena zdvihem. Kompaktní provedení umožňuje zapojení dvou jednotek v provedení master-slave. Nízká energetická náročnost - uzavřený hydraulický obvod pracuje s vysokou účinností, ztráty v systému jsou způsobeny pouze lekáží hydromotoru a případně dovyvažováním systému na konstantní tlak pomocí hydrogenerátoru. Další podstatnou výhodou je jednoduchost konstrukce a odstranění negativního rozběhového momentu hydromotoru. Celý systém je bezpečný - robustní řešení konstrukce s bezpečnostním provedením v případě výpadku elektrické energie pomocí hydraulických prvků. Další podstatnou výhodou jsou malé zástavbové rozměry, což umožňuje využít řešení dle vynálezu jak na nových konstrukcích, tak i do stávající zástavby s mírnou modifikací konstrukce stroje. Jedná se o ekonomicky výhodné řešení - v porovnání s fluidním motorem, při zdvihu 5 m, vychází náklady poloviční. Řešení je možné aplikovat, s mírnou modifikací, na jakýkoliv stroj. V neposlední řadě se jedná o systém s jednoduchou údržbou, která v podstatě spočívá jen v kontrole tlaku množství kapaliny v systému, kontrole tlakových lahví a vizuální kontrole mechanického stavu pohybové dvojice.The advantages of said solution are an unlimited stroke, since the pair of movement in question is not structurally limited by stroke. The compact design allows the connection of two master-slave units. Low energy consumption - the closed hydraulic circuit works with high efficiency, losses in the system are caused only by the hydraulic motor leakage and possibly by balancing the system to a constant pressure by means of a hydro-generator. Another significant advantage is the simplicity of construction and removal of the negative starting torque of the hydraulic motor. The whole system is safe - a robust construction solution with safety design in the event of a power failure using hydraulic elements. Another significant advantage is the small installation dimensions, which makes it possible to utilize the solution according to the invention both on new constructions and in existing installations with a slight modification of the machine construction. This is an economically advantageous solution - compared to a fluid engine, with a lift of 5 m, the cost is half. The solution can be applied, with slight modification, to any machine. Last but not least, it is an easy-to-maintain system that basically consists only of controlling the fluid pressure in the system, checking the cylinders and visually checking the mechanical condition of the pair of movement.

Objasnění obrázků na výkresechClarification of the figures in the drawings

Kompaktní pohonná jednotka pro pohon a vyvažování vertikálních lineárních pohybových os obráběcích strojů podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsána na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na Obr. 1 je schématicky znázorněno v axonometrickém pohledu paralelní uspořádání. Na Obr. 2 je schématicky znázorněno v axonometrickém pohledu sériové uspořádání pohonu a na Obr. 3 je schématicky znázorněno v axonometrickém pohledu umístění dvou kompaktních pohonných jednotek na příkladném obráběcím stroji.A compact drive unit for driving and balancing the vertical linear movement axes of machine tools according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a diagrammatic perspective view of a parallel arrangement. In FIG. 2 is a schematic perspective view of a series drive arrangement; and FIG. 3 is a schematic perspective view of the location of two compact drive units on an exemplary machine tool.

Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

-4Na obr. 1 je zjednodušeně zobrazeno technické řešení kompaktní pohonné jednotky s vyvažováním ve výhodném paralelním zapojení. Základním dílem je nosný rám 11, který slouží jako nosný prvek pro upevnění všech komponent. Základním komponentem je ozubený pastorek 12, který je součástí transformační dvojice zajišťující převod rotačního pohybu na lineární pohyb. Pastorek 12 s primárním hřídelem s kolem primárního převodu je uložen v ložiscích a propojen k hydromotoru 13. Kompenzaci gravitační síly zajišťuje rotační hydromotor 13 s připojením na uzavřený, nebo otevřený hydraulický obvod, který vyvozuje konstantní moment na transformační dvojici, která je v ideálním stavu rovna tíze vyvažovaného tělesa. Mechanické propojení primárního hřídele s pohonem zajišťuje primární převod 14, na který je axiálně připojen sekundární převod 15 s elektromotorem 16. Elektromotor 16 zajišťuje hlavní pohyb a akceleraci vyvažované skupiny.FIG. 1 shows a simplified technical solution of a compact drive unit with balancing in a preferred parallel connection. The base part is a support frame 11, which serves as a support element for fixing all components. The basic component is a toothed pinion 12 which is part of a transforming pair ensuring the conversion of rotary motion to linear motion. Pinion 12 with primary shaft with primary gear wheel is mounted in bearings and connected to hydraulic motor 13. The gravity force compensation is provided by a rotary hydraulic motor 13 with connection to a closed or open hydraulic circuit that generates a constant torque on the transformer pair which is ideally weight of the balanced body. The mechanical coupling of the primary shaft to the drive provides the primary transmission 14 to which the secondary transmission 15 is connected axially to the electric motor 16. The electric motor 16 provides the main movement and acceleration of the balance group.

Na Obr. 2 je zobrazeno druhé výhodné uspořádání v koaxiálním uspořádání. Základní rám 21 zařízení slouží jako nosný prvek celé kompaktní pohonné jednotky s vyvažováním a umožňuje připojení všech komponentů pohonu. Ozubený pastorek 22 slouží pro přenos kroutícího monetu na ozubenou tyč. Ozubený pastorek 22 je torzně i axiálně spojen s primárním hřídelem a je uložen ve skupině ložisek zachycujících radiální i axiální síly od ozubené tyče. Na primární hřídel je připojen hydromotor 23 s průchozím hřídelem a je napojený na otevřený nebo uzavřený hydraulický obvod a zajišťuje tak konstantní moment na primární hřídel a tím kompenzuje tíhu vyvažované skupiny. Primární hřídel je bezvůlově spojen s hřídelem 24 převodovky s elektromotorem 25. Převodovka s elektromotorem 25 musí být propojeny se skříní hydromotoru 23 nebo základním rámem 21.In FIG. 2 shows a second preferred arrangement in a coaxial arrangement. The base frame 21 of the device serves as a support element for the entire compact drive unit with balancing and allows connection of all drive components. The toothed pinion 22 serves to transfer the twisting monet to the rack. The toothed pinion 22 is torsionally and axially connected to the primary shaft and is supported by a plurality of bearings absorbing both radial and axial forces from the rack. A through-shaft hydraulic motor 23 is connected to the primary shaft and is connected to an open or closed hydraulic circuit to provide a constant torque to the primary shaft and thereby compensate for the weight of the balancing group. The primary shaft is connected free of will to the shaft 24 of the electric motor gearbox 25. The electric motor gearbox 25 must be connected to the hydraulic motor housing 23 or the base frame 21.

Na Obr. 3 je zobrazen konkrétní případ připojení pohonné jednotky s vyvažování na horizontální vyvrtávací stroj 31. Výhodné provedení nové koncepce pohonné jednotky s vyvažováním je v provedení Master-Slave, kde je první kompaktní pohonná jednotka 33 s vyvažováním připevněna na spodní část vyvažované skupiny 32 a druhá kompaktní pohonná jednotka 33 s vyvažováním je umístěna na horní části vyvažované skupiny 32. Obě kompaktní pohonné jednotky 33 jsou ve vertikálním směru v kontaktu s ozubenou tyčí 35 a provozovány « · • ·In FIG. 3 shows a particular case of connecting the balancing drive unit to the horizontal boring machine 31. A preferred embodiment of the new balancing drive unit concept is in the Master-Slave design, where the first compact balancing drive unit 33 is mounted on the bottom of the balancing group 32 and the second compact The balancing drive unit 33 is located at the top of the balancing group 32. The two compact drive units 33 are in vertical contact with the rack 35 and operated.

-5v režimu Master-Slive. Umístění ozubené tyče 35 je zvoleno v optimální poloze oproti poloze lineárním vedením.-5 in Master-Slive mode. The position of the rack 35 is selected in the optimum position relative to the position of the linear guide.

Zvláště výhodné provedení pohonné jednotky s vyvažováním je pro vertikální osu obráběcího stroje o uvažované hmotnosti nevývažku 12 000 Kg a zdvihu 5 000 mm, kde je využito dvojice pohonných jednotek v provedení Master-Slive na společné ozubené tyči připevněné ke stojanu stroje. Hlavní elektromotor obou pohonných jednotek o výkonu cca 7 kW, planetovou převodovkou s převodovým poměrem 40 a paralelním řemenovým převodem 2 dle požadavku zrychlení pohybové osy 2,4 m/s² a rychlost posuvové osy 25 m/min. Vyvažování zajišťuje dvojice rotačních hydromotorů s pohybovou dvojicí transformující rotační pohyb na lineární s uvažovanou transformací pohybu v poměru 1/502 [ot/mm]. Hodnota nevývažku při použití dvou talkových lahví (2x75 litrů) a jednoho akumulátoru (50 litrů) o celkovém objemu 200 litrů se pohybuje ± 725 Kg. Při zapojení přídavného hydrogenerátoru lze nevývažek snížit až téměř na nulovou hodnotu v závislosti na seřízení tlakového spínače.A particularly preferred embodiment of the balancing drive unit is a unbalance weight of 12,000 Kg and a stroke of 5,000 mm for a machine tool vertical axis having a considered weight of 5,000 mm, utilizing a pair of Master-Slive drive units on a common rack mounted to the machine stand. The main electric motor of both drive units with an output of approx. 7 kW, a planetary gearbox with a gear ratio of 40 and a parallel belt transmission 2 according to the requirement of acceleration of the movement axis 2.4 m / s ² and speed of the feed axis 25 m / min. Balancing is provided by a pair of rotary hydraulic motors with a motion pair transforming the rotary motion into a linear one with the considered motion transformation in the ratio of 1/502 [rpm]. The unbalance value when using two tall bottles (2x75 liters) and one accumulator (50 liters) with a total volume of 200 liters is ± 725 Kg. When an auxiliary pump is connected, the unbalance can be reduced to almost zero depending on the pressure switch setting.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Pohon lineárních os podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění zejména ve strojírenství při konstrukci obráběcích strojů, robotů, manipulátorů a podobně.The drive of linear axes according to this technical solution finds its application especially in engineering in the construction of machine tools, robots, manipulators and the like.

Claims (3)

1. Kompaktní pohonná jednotka s vyvažováním vertikálních lineárních pohybových os obráběcích strojů, vyznačující se tím, že obsahuje nosný rám (11, 21), ke kterému je připojen rotační hydromotor (13, 23) propojený primárním hřídelem s ozubeným pastorkem (12, 22), a rotační hydromotor (13, 23) je propojen s hlavním elektromotorem (16, 25) pro transformaci rotačního pohybu na lineární pohyb vertikální osy stroje, přičemž hydromotor (13, 23) je připojen k uzavřenému hydraulicko-dusíkovému obvodu.Compact drive unit for balancing vertical linear movement axes of machine tools, characterized in that it comprises a support frame (11, 21) to which a rotary hydraulic motor (13, 23) connected by a primary shaft to a pinion (12, 22) is connected , and the rotary hydraulic motor (13, 23) is coupled to the main electric motor (16, 25) for transforming the rotary motion to a linear movement of the vertical axis of the machine, the hydraulic motor (13, 23) being connected to a closed hydraulic-nitrogen circuit. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že primární hřídel s ozubeným pastorkem (12) je propojen primárním převodem (14) se sekundárním převodem (15) hlavního elektromotoru (16).Device according to claim 1, characterized in that the primary shaft with the pinion (12) is connected by the primary transmission (14) to the secondary transmission (15) of the main electric motor (16). 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že primární hřídel s ozubeným pastorkem (12) je axiálně propojen s hřídelem (24) převodovky hlavního elektromotoru (25).Device according to claim 1, characterized in that the primary shaft with the toothed pinion (12) is axially connected to the gear shaft (24) of the main electric motor (25). 7>V 17> V 1