Содержание к диссертации
Введение
1 Актуальность тепловых процессов в станках с ЧПУ 11
1.1 Основные направления развития исследований 11
1.2 Температурная погрешность в станках с ЧПУ 14
1.3 Общее представление о системах автоматического управления в станках 26
1.4 Методы коррекции температурной погрешности станка 32
1.5 Выводы и постановка задач исследований 48
2 Математические модели формирования температурной погрешности станков с ЧПУ 50
2.1 Влияние нагрева тела на его деформацию 53
2.2 Определение температурного поля НСС 56
2.3 Аппроксимация экспериментальных тепловых характеристик 65
2.4 Анализ температурной погрешности обработки на станке с ЧПУ 75
Выводы по второму разделу 82
3 Автоматизированная система прогнозирования значений температурной погрешности 84
3.1 Обоснование принципов управления автоматизированной системой компенсации температурной погрешности станков. Постановка задачи управления 85
3.2 Структура автоматизированной системы прогнозирования значений температурной погрешности 90
3.3 Программное обеспечение. Описание 99
Выводы по третьему разделу 102
4 Тепловые испытания станка с ЧПУ 103
4.1 Испытание станка на жесткость 105
4.2 Испытания станка на точность позиционирования 112
4.3 Тепловые испытания станка без нагружения 117
4.4 Тепловые испытания станка с нагружением 137
Выводы по четвертому разделу 143
5 Методика коррекции управления движением рабочих органов станков с ЧПУ 145
5.1 Алгоритмы коррекции 149
5.2 Методика коррекции управления движением рабочих органов станков с ЧПУ 157
5.3 Оценка эффективности использования методики коррекции 164
5.4 Измерения на координатно-измерительной машине Wenzel XOrbit 55 177
Выводы по пятому разделу 182
Основные выводы и результаты работы 184
Список использованных источников 186
Приложение А (обязательное) Справки об использовании результатов диссертационной работы 207
Приложение Б (справочное) Экспериментальные исследования по использованию коррекции 210
Приложение В (справочное) Пример измерительных циклов Blum Novotest TC50 214
Приложение Г (справочное) Пример протокола натурных испытаний сверлильно-фрезерного станка с ЧПУ модели 400V 217
Приложение Д (справочное) Фрагмент кода программного обеспечения автоматизированной системы прогнозирования температурной погрешности станков с ЧПУ 222
Приложение Ж (справочное) Свидетельства о регистрации программного обеспечения 229
- Температурная погрешность в станках с ЧПУ
- Определение температурного поля НСС
- Тепловые испытания станка без нагружения
- Методика коррекции управления движением рабочих органов станков с ЧПУ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Повышение эффективности
механообработки является одним из решающих факторов высокой конкурентоспособности многих компаний машиностроительного профиля на мировом рынке.
По данным отечественных и зарубежных исследователей погрешность
механообработки на заключительных стадиях изготовления детали,
обусловленная только тепловыми процессами в металлорежущих станках (в дальнейшем, температурная погрешность станка), может достигать 70% суммарной и составлять 100 мкм.
На ранних этапах проектирования станков за счет конструкторских и
технологических решений удается существенно снизить уровень
температурной погрешности. Предельное снижение температурной
погрешности станка на этапе эксплуатации достигается применением различных автоматизированных систем, корректирующих по соответствующим законам температурные перемещения их рабочих органов. Ключевым компонентом таких систем является реализованный метод управления температурными перемещениями рабочих органов станков. Такой метод включает два основных этапа: построение прогнозируемых температурных перемещений исполнительных органов станка и алгоритм внесения корректирующих воздействий. В настоящее время, несмотря на разнообразие существующих систем коррекции температурной погрешности станка, не установлены закономерности изменения температурной погрешности станка на отделочных режимах работы при переменной тепловой нагрузке. Знание этих закономерностей позволит повысить точность задания корректирующих воздействий для рабочих органов станков и точность обработки. Поэтому актуальной научной задачей является разработка автоматизированной системы компенсации температурной погрешности станка с ЧПУ на основе коррекции управления движением его рабочих органов, работающих на отделочных режимах при переменной тепловой нагрузке.
Работа выполнялась в рамках г/б НИР №01200902660 «Исследование
физико-технических свойств металлообрабатывающего оборудования» и г/б
НИР №01200316424 «Разработка автоматизированной системы теплового
моделирования металлорежущих станков» кафедры технологии
машиностроения, металлообрабатывающих станков и комплексов ОГУ. Этапы
работы в разные годы финансировались в рамках грантов № 1.6.11 «Разработка
методологии создания термостабильных мехатронных станков» и
№01200607409 «Разработка методологии создания высокоэффективных производственных систем нового поколения с заданными свойствами», выполненных в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы».
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в изучение тепловых явлений в металлорежущих станках внесли исследования В.И. Алферова, А.И. Бельзецкого, В.В. Бушуева, А.П. Кузнецова, А.Н. Полякова,
А.С. Проникова, А.В. Пуша, Ж.С. Равва, Д.Н. Решетова, Л.Г. Рейдмана, Е.И. Самохвалова, А.П. Сегиды, Ю.Н. Соколова, А.П. Соколовского, Ю.М. Соломенцева, В.С. Стародубова, В.Н. Юрина, В.В. Юркевича, Alejandre I., Attia M., Harris T.A., Ishii H., Jedrzejewski J., Kwasny W., Kops L., Yang H., Weck M. и др. Большой объем результатов экспериментальных исследований представлен в работах Д.Н. Решетова, Ю.Н. Соколова и А.Н. Полякова, Chen J., Mayr J., Popa M.S.
Методам оценки точности металлорежущих станков посвящены работы
Б.М. Базрова, Б.С. Балакшина, А.П. Кузнецова, А.С. Проникова,
В.С. Стародубова, В.В. Юркевича, A.Slocum, J. Jedrzejewski.
Методам оценки тепловых деформаций металлорежущих станков уделено большое внимание в работах Ю.Н. Соколова, А.В. Пуша, А.П. Кузнецова, И.А. Зверева, А.Н. Полякова, А.П. Сегиды, Е.И. Самохвалова, В.И. Алферова, M.H. Attia, J. B. Bryan, J. Jedrzejewski , W. Kwasny, J. Ni, H. Yang, J. Zhu, M. Weck.
Успешные разработки в области создания различных автоматизированных
систем компенсации температурных деформаций осуществляют фирмы -
производители станков и разработчики систем ЧПУ: Okuma, Kitamura,
Nakamura-tome, Mori Seiki, Chiron, Index, Gildemeister, HAAS, Moore Tool,
Mitsubishi, Siemens, Fanuc, Heidenhain, АксиОМА Ctrl. Результаты
использования автоматизированных систем компенсации температурных деформаций в станках с ЧПУ представлены в работах Б.С. Балакшина, Ю.М. Соломенцева, А.П. Кузнецова, В.Н. Юрина, А.Н. Полякова, Jedrzejewski J., Chen J., Senda H., Yuan J., Ni J., Ramesh R., Yang S.
Исследования в области совершенствования автоматизированных систем минимизации температурной погрешности станков, как в нашей стране, так и в мире, позволяют утверждать, что проблема минимизации температурной погрешности станков, рассматриваемая в работе, не решена в настоящее время.
Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с пунктами паспорта специальности 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами: «2. Автоматизация контроля и испытаний»; «3. Методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т. д.».
Объект исследования – процессы формирования температурной погрешности металлорежущих станков с ЧПУ, работающих на отделочных операциях.
Предмет исследования – управление температурной погрешностью металлорежущих станков с ЧПУ, работающих на отделочных операциях.
Цель исследования – снижение температурной погрешности
металлорежущих станков с ЧПУ на отделочных операциях на основе коррекции управления движением их рабочих органов.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
1) выполнить анализ исследований тепловых процессов в станках и систем
ЧПУ, компенсирующих температурную погрешность;
2) разработать математические модели формирования температурной по
грешности станков с ЧПУ;
3) разработать автоматизированную систему прогнозирования значений
температурной погрешности;
4) выполнить тепловые испытания станка с ЧПУ;
5) разработать методику коррекции управления движением рабочих
органов станков с ЧПУ и оценить ее эффективность.
Научная новизна работы заключается:
1) в выявленных и формализованных взаимосвязях температурной
погрешности и режимов работы станка с ЧПУ, отличающихся от известных
возможностью их использования при построении прогнозных моделей
тепловых характеристик для сложных режимов работы;
2) в выявленных взаимосвязях между положением рабочих органов станка
и режимов его работы, отличающихся совместным использованием значений
температурной погрешности, сформированной системой прогнозирования, и
данных датчика положения, расположенного в контуре обратной связи;
3) в экспериментально установленных взаимосвязях значений
температурной погрешности станка с ЧПУ и параметров режимов его
нагружения, реализуемых на отделочных операциях;
4) в разработанном методе компенсации температурной погрешности
станков с ЧПУ на основе коррекции управления движением его рабочих
органов, работающих при переменной тепловой нагрузке.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке метода компенсации температурной погрешности станков с ЧПУ на основе коррекции управления движением его рабочих органов, работающих при переменной тепловой нагрузке.
Практическую значимость определяют:
методика автоматизированных натурных тепловых испытаний станков с ЧПУ, работающих на отделочных режимах при переменной тепловой нагрузке;
результаты натурных испытаний станка с ЧПУ модели 400V (ООО НПО «Станкостроение», г. Стерлитамак), проведенных для различных вариантов нагружения;
- разработанное программное средство, формирующее вид
прогнозируемых тепловых характеристик станка, работающего при переменной
тепловой нагрузке;
- разработанное программное средство, позволяющее в
автоматизированном режиме определять значения корректирующих
воздействий и вносить изменения в программный код управляющей программы
для станков с ЧПУ.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории автоматического управления, модального анализа, теории упругости, термодинамики. Использованы методы: теории вероятностей, математической статистики и аппроксимации функций.
На защиту выносятся:
1) модели прогнозирования значений температурной погрешности для
сложного режима работы станков с ЧПУ на основе разбиения
аппроксимирующих функций на характерные интервалы;
-
алгоритмы управления движением рабочих органов станков с ЧПУ при переменных режимах работы, использующие информационные связи от системы прогнозирования температурной погрешности и датчика положения;
-
методика тепловых испытаний станков с ЧПУ, позволяющая выявить взаимосвязи значений температурной погрешности станка с ЧПУ и параметров режимов его нагружения;
-
методика коррекции управления движением рабочих органов станков с ЧПУ.
Достоверность представленных в диссертационной работе научных
положений, экспериментальных методик, рекомендаций и выводов,
подтверждается согласованностью с известными положениями в
соответствующих предметных областях, а также сходимостью результатов натурных испытаний и вычислительных экспериментов. Подготовка, анализ и интерпретация результатов исследований проведены с использованием современных методов обработки информации.
Апробация результатов. Основные научные и практические результаты
диссертационной работы обсуждались и были одобрены на международных
конференциях: «Инновации в машиностроении» (Бийск, 2010 г.);
«Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и
металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2012 г.); «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации (Курск, 2013 г.); «Современные материалы, техника и технология (Курск, 2014 г.)»; «Виртуальное моделирование, прототипирование и промышленный дизайн» (Тамбов, 2015 г.); «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010 г., 2015 г.); на всероссийских конференциях: «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2007 г.); «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2009, 2013, 2015 гг.).
Результаты работы докладывались на межкафедральных семинарах научной группы по информационной поддержке изделий машиностроения (ОГУ, 2010-2011 гг.), региональной научной школе-семинаре молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства (ОГУ, 2010 г.), научном семинаре кафедры систем автоматизации производства (ОГУ, 2017 г.).
Реализация работы. Результаты работы, представленные в виде методического, программного, информационного обеспечения и практических рекомендаций, приняты к использованию в ООО «Оренбургнефтемаш» и ООО НПО «Станкостроение», а также используются в учебном процессе ОГУ.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 23 работах, из них 8 статей в журналах, включенных в «Перечень…» ВАК, 2 статьи в зарубежном рецензируемом издании, включенном в базу Scopus, 2 свидетельства о
государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников из 206 наименований и приложений на 24 страницах. Работа изложена на 230 страницах, включает 94 рисунка и 7 таблиц.
Температурная погрешность в станках с ЧПУ
В основополагающей работе по точности станков проф. Решетова Д.Н. и Портмана В.Т. [1] приведены экспериментальные балансы точности обработки. Так, например, для станков средних размеров при разных видах обработки наибольшее влияние на точность обработки оказывают температурные деформации изделия и приспособления от резания – около 80 % В этой же работе при анализе точности, достигаемой при кругошлифовальной обработке заготовки диаметром 80 мм и длиной 500 мм при окружной скорости круга 35 м/с и окружной скорости изделия 12 м/мин, номинальной врезной подаче 0,01 мм на ход и продольной подаче на оборот 0,8 от ширины круга, суммарные погрешности обработки составили: от температурных деформаций 81 мкм (со знаком минус), от износа круга – 42 мкм, от упругих деформаций станка – 20 мкм.
Однако с развитием технологий формообразования, созданием новых режущих материалов, совершенствованием конструкций станков температурные деформации заготовок и инструментов можно практически не учитывать. На первый план выходят температурные деформации шпиндельных узлов, ходовых винтов и связанных с ними элементов несущей системы станков.
В работах [107 – 109] представлен результат лабораторных испытаний высокоскоростного горизонтального обрабатывающего центра со шпиндельным узлом, имеющим предельную частоту вращения 50000 об/мин. В работах зафиксирован факт, связанный с резким ступенчатым образованием упругих смещений в момент старта вращения шпинделя и при резком изменении его рабочих частот вращения (рисунок 1.1). Температурные деформации также фиксировались, но, зачастую, их величина была существенно меньше этих «скачков». Так, например, в работе [108] представлен результат испытаний горизонтального обрабатывающего центра со шпинделем, работающим на частотах вращения: 22500 и 45000 об/мин. При включении шпинделя на частоте вращения 22500 об/мин был зафиксирован резкий скачок осевого смещения его переднего конца от 0 до почти 11,5 мкм. Это смещение сформировалось всего за 2,5 с от момента включения шпинделя, а затем почти за 60 с температурные смещения переднего конца смещения не превысили 6 мкм. При следующем двукратном изменении частоты вращения шпинделя до 45000 об/мин скачкообразное осевое смещение переднего конца шпинделя составило 23,8 мкм за 6,5 с. А в течение последующих 60 с температурное смещение переднего конца шпинделя составило 38 мкм. После этого при двукратном снижении частоты вращения шпинделя до 22500 об/мин передний конец неожиданно за 4 с получил дальнейшее смещение еще на 45 мкм, из которых авторы отмечают только 0,6 мкм приходились на температурные смещения. Подобные эффекты фиксировались в работах других авторов [111 – 113].
В работе [114] представлены результаты экспериментальных исследований трехосевого обрабатывающего центра вертикальной компоновки MCFV 5050LN (компания TAJMAC-ZPS, Чехия, рисунок 1.2). Станок оборудован электрошпинделем и линейными двигателями по всем осям. До начала эксперимента станок был отключен на 48 часов – это гарантировало его стабильное тепловое состояние, описываемое комнатной температурой. После этого был запущен электрошпиндель с частотой вращения, равной половине максимально достижимой - 7500 об/мин.
На рисунке 1.3 представлены экспериментальные тепловые характеристики станка MCFV 5050LN в виде показаний предустановленных на НСС термодатчиков и зафиксированного температурного смещения по оси Z переднего конца электрошпинделя. Как следует из представленных в работе тепловых характеристик при относительно стабильном росте температур изменение положения переднего торца электрошпинделя по оси Z имело сложный характер: интенсивный рост до почти 22 мкм в течение первых 50 минут, затем относительно незначительный рост смещений до 150 минуты эксперимента, а потом перемена направления смещения переднего торца шпинделя. Авторы работы высказали гипотезу о том, что начальное смещение в течение 50 минут максимальный вклад в температурные смещения электрошпинделя определяли собственно тепловые процессы в электрошпинделе. Поэтому большему нагреву, естественно, соответствовало большее удлинение электрошпинделя. В последующие моменты с прогревом элементов несущей системы станка проявилось влияние их температурной неоднородности, приведшей к столь кардинальным изменениям в характеристике температурного смещения переднего торца шпинделя – это подчеркивает модальность теплового поведения элементов НСС [89, 115 – 120].
Термодатчики T1 и N5 расположили вблизи передних и задних подшипников, соответственно. Датчики T2, T3 и T4 измеряли температуру на корпусе статора. Датчик T6 установлен вблизи хвостовика шпинделя. Температурное осевое смещение шпинделя Ea измерялось емкостным датчиком, установленным на столе вблизи переднего конца шпинделя.
Эксперимент проводился по заранее спланированной циклограмме. Периодичность измерения составляла 30 с. Первый интервал включения шпинделя составлял 50 минут на частоте вращения 8000 об/мин. Затем следовал интервал отключения вращения шпинделя на 30 мин. Второе включение шпинделя на этой же частоте продолжалось 40 минут. Весь цикл наблюдения за термоупругим поведением шпинделя составил 175 мин.
В работе [122] представлены результаты натурных испытаний четырехо-севого горизонтального фрезерного центра. Компоновка станка представлена на рисунке 1.7. Изначально для калибрования измерения станок был оснащен 21 тепловым зондом. Затем число тепловых зондов было сокращено до четырех: T1, T2, T3 и T4 (рисунок 1.7). Зонд T1 давал температуру шпинделя, зонд T2 показывал температуру окружающей среды. Зонды T3 и T4 фиксировали температуру охладителя на входе и выходе в электрошпинделе, соответственно. Максимальная частота вращения станка составляла 15000 об/мин. Точки T5, ,T12, также изображенные на рисунке 1.7 рассматривались авторами в качестве независимых переменных, используемых в моделе множественной регрессии.
Эксперименты проводились по сложной циклограмме с периодическим включением и выключением шпинделя. На рисунке 1.8 представлены циклограмма работы станка и результаты зафиксированных температурных смещений переднего конца шпинделя по оси Z. Температурные смещения фиксировались емкостным датчиком. Аналогичный результат был получен с ранее проанализированной работой [114], заключающейся в изменении направления температурных смещений переднего конца шпинделя. В первые моменты включения шпинделя – шел разогрев шпинделя, обладающего наименьшей тепловой инерционностью. А позже прогрев других элементов НСС привел к изменению вектора температурных деформаций всей НСС. Поэтому общий диапазон температурных смещений переднего конца шпинделя, отвечающего за точность обработки станка составил от минус 42 мкм до 55 мкм.
Определение температурного поля НСС
Полученные соотношения (2.13), связывающие перемещения и температуры представляют большую сложность в практической реализации.
Для тепловых процессов в НСС характерно относительно незначительные изменения температуры, при которых можно считать значения теплофизических характеристик металлов, из которых сконструирована НСС, постоянными, не зависящими от температуры. В этом случае изменение в пространстве и времени деформации и температуры описываются системами уравнений (координатные индексы опущены) [149, 150].
При отсутствии ускорения и внешних нагрузок F вид системы уравнений (2.14) с точностью до коэффициентов становится идентичным системе уравнений (2.15). Что объективно объясняется линейной зависимостью между изменением температуры и температурной деформацией (2.6).
Системы уравнений (2.14) и (2.15) представляют собой обобщенную запись постановки задачи термоупругости при ранее указанных ограничениях.
Как известно [149, 150] для задач термоупругости введена классификация, в соответствии с которой различают: связанные и несвязанные задачи; статические, квазистатические и динамические. Системы уравнений (2.14) и (2.15) описывают связанную задачу термоупругости. Вместе с этим, при определении температурного поля и поля деформаций НСС для существенного упрощения решения задачи можно отказаться от решения связанной задачи термоупругости. Это объясняется тем, что в НСС деформации не оказывают прямого влияния на изменение температуры НСС через теплофизические характеристики материала, ее формирующие. В этом случае можно решать несвязанную задачу термоупругости, т.е. сначала определяется температурное поле, а затем температурные деформации или перемещения, как было ранее показано с учетом существующей линейной зависимости между ними.
В НСС, как в любом твердом теле, перенос тепла осуществляется теплопроводностью, а теплопередача осуществляется кроме теплопроводности конвекцией и излучением.
Как любое дифференциальное уравнение для получения однозначного решения уравнение теплопроводности (2.17) должно быть дополнено начальными и граничными условиями.
Начальные условия - распределение температуры в НСС в начальный момент времени. Практика проведения испытаний станков [130, 131, 132, 142, 144, 154] показывает, в различных точках НСС в начальный момент времени температура отличается. Это отличие определяется температурными условиями окружающей среды и габаритами станка. Верхние слои окружающей станок среды, как правило, при естественных условиях эксплуатации станка имеют чуть больший уровень температур. Например, для станков с высотой до трех метров разброс температур наружных поверхностей элементов несущей системы в нижних и верхних уровнях фиксировался в пределах 2 С [44, 45]. Граничные условия для уравнения теплопроводности связаны со сложным теплообменом. В соответствии с теорией теплопередачи [147, 155, 156, 44, 45] различные четыре вида граничных условий.Условия сопряжения температурных полей контактирующих сред или граничные условия IV-рода.
В зависимости от условий теплообмена на границе раздела контактирующих поверхностей НСС различают граничные условия для идеального и неидеального стыка.
В общем случае, для решения уравнения теплопроводности (2.17) начальные и граничные условия дополняются геометрическими и физическими условиями, что в совокупности однозначно определяет постановку решаемой задачи, а сами условия называют условиями однозначности [155]. Для решения сформулированной краевой задачи существует множество подходов и используемых методов решения дифференциальных уравнений. Ранее было показано, что использование модального подхода позволяет получить аналитический вид для решения, который удобен для применения в различных прогнозных моделях [44, 45, 118, 119, 132, 165].Использование теоретического модального анализа позволило определить вид решения уравнения теплопроводности и определить направление возможных подходов к построению прогнозных моделей в экспериментальном модальном анализе [118, 119, 165]. Как было показано выше, температурные перемещения линейно связаны с температурой - это позволяет для температурных перемещений использовать все выше приведенные зависимости. В этом случае характеристика температурных перемещений при учете нескольких температурных мод по -ой координате примет вид аналогичный (2.28) и (2.30) [44, 45, 110].
Тепловые испытания станка без нагружения
При измерении температурных перемещений вдоль оси Z можно использовать многооборотные индикаторные головки типа МИГ ГОСТ 9696-75 класса точности 0, которые закрепляются в магнитные штативы типа ШМ – IIН, устанавливаемые на столе станка, при этом ножка индикаторной головки должна упираться в неподвижный торец корпуса шпиндельного узла станка. Так как контакт ножки индикаторной головки может осуществляться в любой точке торца корпуса шпинделя (нет строгой фиксации позиции), то для выявления возможной ошибки измерения возникает необходимость установления экспериментальной величины перемещения разных точек торца корпуса шпиндельного узла.
Схемы установки индикаторных головок приведены на рисунках 4.12, 4.13. Испытания проводились в два этапа.
Первый этап – непрерывный режим работы шпинделя с частотой вращения 5000 об/мин в течении 360 минут; в течение всего эксперимента к фланцу корпуса шпиндельного узла были подведены измерительные ножки четырех (Z1, Z2, Z3, Z4) индикаторных головок вдоль оси шпинделя (рисунок 4.12).
Второй этап - непрерывный режим работы шпинделя вала с частотой вращения 3000 об/мин в течении 480 минут; в течение всего эксперимента к фланцу корпуса шпиндельного узла были подведены измерительные ножки четырех (X, Y1, Y2, Z) индикаторных головок: по одной вдоль осей X и Z и две вдоль оси Y (рисунок 4.13).
Анализ результатов испытаний (рисунок 4.14) показал, что максимальный размах измерений для четырех индикаторных головок не превысил пять микрометров. Из этого следует, что положение точки измерения для координаты Z – инвариантно к координатному положению в фиксированной плоскости. Полученный вариант также позволяет сделать вывод о том, что конструкция станка обеспечивает, практически нулевые угловые температурные смещения. Температурные смещения вдоль осей X и Y – также являются линейными и имеют существенно меньшие перемещения, чем по Z. Знакопеременные температурные смещения по оси Y указывает на более сложное тепловое поведение НСС, заключающееся в векторном характере суммарных температурных деформаций НСС.
Перемещение рабочих органов станка по координатным осям связано с работой приводов подач. При перемещениях с разной скоростью и разным нагружением (от сил резания) в элементах пар трения неизбежно возникают потери на трение, приводящие к генерации тепла, формированию температурного поля и образованию температурных смещений элементов НСС. Для оценки влияния приводов подач на температурную погрешность станков были выполнены ниже описываемые испытания. В условиях отсутствия перемещений рабочих органов станка тепловые испытания проводили в течение 8 часов на частотах вращения шпиндельного узла: 3000 и 5000 об/мин, а на 7000 об/мин – в течение 6 часов.
Измерения температур, как и в других экспериментах, осуществляли с помощью цифрового многоканального измерителя температур МИТ-12ТП-11.
Измерения температурных перемещений производили с помощью индикаторов часового типа МИГП с ценой деления 1 мкм, установленных на магнитных стойках. Тепловые испытания выполнялись при снятом защитном кожухе сверлильной головки станка.
На рисунках 4.15 и 4.16 показаны схемы установки термодатчиков и индикаторных головок. При испытании станка на 7000 об/мин датчики №№ 3, 5,8,9 и 12 были установлены на колонне станка.
На рисунке 4.17 приведены экспериментальные тепловые характеристики станка для частот вращения шпиндельного узла: 3000 об/мин, 5000 об/мин и 7000 об/мин. На рисунках 4.17 а, 4.17 б и 7.14 в приведены экспериментальные температурные характеристики несущей системы станка по показаниям только пяти датчиков: №№ 1,5,8,10 и 11 – для 3000 и 5000 об/мин; №№ 1, 6, 9, 11 и 12 – для 7000 об/мин. Характеристики соответствующих температурных перемещений представлены на рисунках 4.17 г, 4.17 д и 4.17 е.
Анализ температурных характеристик показал, что за восемь часов непрерывной работы станка экстремального роста температуры зафиксировано не было. Максимальный уровень избыточной температуры на 3000 об/мин не превысил 13С, на 5000 об/мин – 15С и на 7000 об/мин – 24,1С. Близкое расположение датчиков 1 – 4 к передней опоре шпинделя позволило утверждать, что избыточная температура в этой опоре на частоте 5000 об/мин не превышала 25С, что обычно характерно для станков высокой точности [62, 63].
Уровень установившихся температурных перемещений по оси Z (вертикальная ось) на частоте вращения шпинделя 3000 об/мин составил чуть более 55 мкм, на 5000 об/мин – около 85 мкм, на 7000 об/мин – почти 130 мкм.
При длительной эксплуатации станка на этих частотах значения погрешностей гарантируют обработку горизонтальных поверхностей с обеспечением точности линейных размеров в диапазоне 80-120 мм (вертикальный размер детали-представителя для данного станка) по 8,9 и 10 квалитетам, соответственно (больший квалитет для большей частоты вращения). При достижении небольших линейных размеров, например, при обработке неглубоких уступов или пазов (от 6 до 10 мм) станок гарантирует обеспечение точности линейных размеров не выше 10 - 12 квалитетов при непрерывной его работе.
Сформировавшееся термодеформационное состояние станка в фиксированный момент времени формирует необходимую информацию для реализации конкретных мероприятий по обеспечению его теплоустойчивости. Анализ полученных результатов показывает, что при работе станка на 3000 и 5000 об/мин для температурных перемещений по оси Z (вертикальная координата) и по оси X (координата продольного перемещения) зафиксирован установившийся режим. По координате Y - в конце эксперимента фиксировалось падение интенсивности изменения температурных перемещений, но установившегося режима не фиксировалось.
Тепловое и термодеформационное состояние станка на частоте 7000 об/мин - более сложное. Анализ экспериментальных кривых показал:
- максимальные температуры для датчиков, установленных на шпиндельном узле фиксировались через 180-250 минут после включения станка, затем наблюдалось снижение температуры в диапазоне от 1 до 3,5С;
- для датчиков, установленных на колонне станка рост температур не прекращался до его отключения;
- температурные перемещения по оси Z стабилизировались через 250 минут после начала эксперимента, но затем наблюдалось незначительное снижение в пределах 2,5 %;
- по координате X фиксировалось более значительное падение уровня -около 50 %, однако величина максимальных перемещений по этой координате существенно меньше;
- по координате Y был зафиксирован стационарный режим практически в конце испытаний.
Выполненный анализ экспериментальных характеристик температур и температурных перемещений недостаточен для понимания сформировавшегося в результате испытаний теплового и термодеформационного состояния станка и возможного дальнейшего его изменения. Разработанное специальное программное обеспечение осуществляет прогноз дальнейшего изменения температуры и температурных перемещений станка, что позволяет установить температурную погрешность станка и разработать конкретные мероприятия по ее уменьшению.
На рисунке 4.18, в качестве характерных примеров, приведены экспериментальные температурные характеристики НСС, построенные по показаниям двух датчиков (1 и 8) для двух частот вращения шпинделя: 3000 об/мин (а и б) и 5000 об/мин (в и г) На рисунке 4.19 для соответственных частот вращения шпинделя приведены характеристики температурных перемещений: вдоль оси Y (а и в) и вдоль оси Z (б и г).
Анализ этих тепловых характеристик позволил установить:
- положение пика интенсивности изменения температуры и температурных перемещений и других характерных точек их изменения во времени;
- текущий режим нагревания НСС (один из трех возможных [147] -неупорядоченный, регулярный или стационарный);
- вид аппроксимирующих функций для тепловых характеристик.
Методика коррекции управления движением рабочих органов станков с ЧПУ
Методика коррекции управления движением рабочих органов станков с ЧПУ, алгоритм которой представлен на рисунке 5.9, использует данные, полученные в результате работы системы прогнозирования и датчика перемещения. На станке необходимо установить измерительный щуп, операция калибровки которого представляет нулевой или предварительный этап предлагаемой методики коррекции. Этот этап выполняется однократно для любого станка.
Разработанная методика состоит из семи этапов: испытания станка, расчет температурной погрешности, адаптация управляющей программы, базовое измерение, обработка детали, контрольная операция, модификация управляющей программы.
На первом этапе осуществляется формирование исходных данных для расчета температурной погрешности, включающий формирование циклограммы работы оборудования с учетом возможности осуществления текущих измерений с использованием измерительного щупа для введения «нулевой коррекции». Циклограмма работы оборудования предполагает определение временных интервалов работы станка на фиксированной частоте вращения шпинделя, а также задание временных интервалов, в ходе которых без внесения изменений в технологию обработки реализуемо прерывание технологического перехода для осуществления измерения. Для реализации этого этапа осуществляется изучение технологического процесса изготовления детали на предмет составления требуемой циклограммы работы оборудования. А также модификация управляющей программы для станка с ЧПУ. Модификация управляющей программы заключается в том, что при ее разработке следует анализировать машинное время каждого технологического перехода. При необходимости осуществляется переработка циклограммы работы станка и внесение изменений в управляющую программу. Эта необходимость определяется расхождением между длительностью технологического перехода tтп к и «периодом коррекции» т k. В случае, если длительность технологического перехода превышает заранее установленную величину «периода коррекции» т k равную, например, 60 мин, то следует внести изменения или в программный код программы, или, если есть такая возможность, в проект технологии детали, реализуемой в CAM-системе [205, 206].
Второй этап методики предполагает формирование теоретических корректирующих воздействий в виде аппроксимирующих функций, полученных с применением автоматизированной системы прогнозирования температурной погрешности станков с ЧПУ.
На третьем этапе осуществляется адаптация управляющих программ для станка с ЧПУ к коррекции положения рабочих органов. Адаптация заключается в ее модернизации за счет включения двух блоков: блока текущей координатной коррекции по оси Z и блока учета промежуточного измерения базовой плоскости системы координат WCS. Внесение изменений в код управляющих программ для станка с ЧПУ осуществляется вручную, несмотря на то, что управляющая программа может быть написана с использованием CAM-системы.
На четвертом этапе выполняется измерение базовой поверхности – поверхности, положение которой по оси Z может быть принято нулевым. Относительно этого нулевого уровня будет осуществляться измерение и коррекция. На основании результатов этого измерения будет уточнено предварительно заданное положение базовой поверхности, так как положение этой поверхности может измениться и в результате изменения температурного режима в помещении с установленным оборудованием.
При осуществлении измерений измерительным щупом в качестве результирующего значения по оси Z в систему ЧПУ передается относительное положение наконечника измерительного щупа – относительно некоторого нулевого уровня (или отсчета измерений), принимаемого при измерении. Если в качестве нулевого уровня принят ноль станка, то в этом случае возвращаемым значением при измерении является относительное положение измеряемой поверхности. Например, используя при измерении верхней поверхности детали программный код, приведенный на рисунке 5.4, система ЧПУ получит новое значение смещения нулевой точки по оси Z, которое автоматически будет записано в таблицу смещений нулевых точек (в СЧПУ). Дополнительно, для обработки и использования полученной информации в управляющей программе результаты измерения заносятся в R-параметр стойки R[02 ] .
Пятый этап методики – эксплуатационный этап или этап обработки. Условием обеспечения точности обработки при проведении резания должен соблюдаться температурный режим, который соблюдался при формировании исходных данных. При несоблюдении температурного режима невозможно обеспечение температурной погрешности в пределах 10 мкм. Дополнительно был проведен новый эксперимент, в котором был изменен температурный режим. На рисунке 5.10 а приведены графики температур для одного и того же температурного датчика, но при различных температурных режимах окружающей среды станка. Кривая 4.2 иллюстрирует температурный режим, для которого была получена тепловая характеристика 4 незначительно отличающаяся от кривой k2, в соответствии с которой были реализованы корректирующие воздействия. Кривая 7.2 иллюстрирует температурный режим, при котором наблюдалось близкое к линейной функции снижение температуры окружающей среды. В этом случае при использовании корректирующих зависимостей был получен результат, представленный в виде кривой 7 на рисунке 5.10 б.
Особенностью этого этапа является применение измерительного щупа в процессе обработки детали, а не только для уточнения положения базовой плоскости. В качестве нулевого уровня или отсчета измерений используется базовая плоскость рабочей системы координат детали WCS.
В этом случае рабочая система координат детали WCS, активируемая функцией G57, после вызова измерительного цикла BL9700 не претерпевает трансформаций [199]. Напротив, на рисунке 5.11 шестой параметр функции определял такую трансформацию. В этом примере функция G56 не задействована и соответствующая система координат детали при обработке не используется, но трансформируется для выполнения промежуточных процедур контроля. Ненулевой шестой параметр в данном случае является опциональным (необязательным).
Для исключения возможных ошибок измерения, вызываемых некорректностью работы измерительной аппаратуры, разработан модуль проверки измеренных данных. Алгоритм программно реализованного такого модуля представлен на рисунке 5.12. Управляющая программа, реализующая модуль проверки измеренных данных, включает пять блоков.
Первый блок – блок исходных данных включает: загрузку измерительного щупа в шпиндель станка; активацию рабочей системы координат детали; позиционирование шпинделя в фиксированной позиции в рабочем пространстве станка для выполнения процедуры измерения; инициализация необходимых параметров управляющей программы.
Второй блок – блок суммирования счетчика выполнений процедуры измерения.
Третий блок – блок измерений, в котором реализуется с помощью стандартного измерительного цикла процедура измерения базовой поверхности.
Четвертый блок – блок оценки достоверности измерений, в котором устанавливается достоверность измерения и выбирается вариант дальнейшего исполнения управляющей программы.
Пятый блок – блок завершения, в котором принимается решение о завершении технологического перехода измерений. Заранее, из практики использования данного измерительного щупа, устанавливается пороговое значение числа контрольных измерений, позволяющих гарантировать достоверность измерения. Это число обязательно больше двух.