Введение к работе
Актуальность проблемы. Растущие темпы технического прогресса в области создания новых машин обусловливают необходимость создавать и осваивать ежегодно новые конструкции (или повышения технического уровня и модификации конструкции) изделий более высокого уровня точности, качества, надежности, эффективности и производительности, а также применять новые виды материалов, обеспечивающие требуемые свойства, параметры и характеристики изделий. В связи с этим существенно возрастает роль точности металлорежущего оборудования, доля которых занимает значительный удельный вес в общем объеме машиностроительного производства, а управление ею определяет как научное, так и практическое содержание комплекса работ по повышению эффективности производств, обусловленной техническим прогрессом. Поэтому проблемам автоматизации и управления технологическими процессами и производствами отводится важнейшая роль, так как именно эти направления науки и производства непосредственно занимаются решением актуальных задач в машиностроении, которое имеет большой удельный вес в экономике страны.
В настоящее время на мировом рынке наукоемких промышленных изделий отчетливо наблюдаются три основные тенденции: повышение сложности и наукоёмкости изделий, повышение их качества и снижение ресурсоем- кости; повышение конкуренции на рынке изделий, предприятий и корпораций; развитие кооперации между участниками рынка.
Высокие требования к параметрам точности, обрабатываемым на станках изделиям, обусловливает необходимость постоянного увеличения точности самого металлорежущего оборудования. Так, для металлорежущих станков достижимая точность обработки в настоящее время находится в диапазоне 1-5 мкм, а в ближайшие 10-15 лет может быть достигнут стабильный диапазон точностей в пределах 0,1-1 мкм, что потребует значительных усилий по исследованию процессов и механизмов достижения и обеспечения точности во всем спектре проблем - от проектирования и производства станков до систем управления их состоянием при обработке изделий.
Каждому виду обработки резанием соответствует потенциальная возможность достижения предельной точности, диапазон которой находится в пределах от 0,05 мкм до 6,4 мкм, а для их достижения требования к параметрам точности металлорежущего оборудования являются предельно высокими, а к отдельным составляющим выходных параметров точности станков ещё более жесткими.
Современное состояние и тенденции развития металлорежущих станков обусловливают необходимость увеличения их энергонасыщенности, времени производительного функционирования, концентрации, выполняемых операций на одном станке, расширение функциональных возможностей, повышение скоростей и других параметров и характеристик, что требует значительного и постоянного увеличения энергетических затрат.
Подводимая к станку энергия, не затрачиваемая на его функционирование и осуществление процесса резания, преобразуется в тепловую и аккумулируется в узлах, деталях и механизмах станка, а частично рассеивается в окружающую среду.
Поэтому в общей совокупности процессов, протекающих при обработке металлов резанием, тепловой фактор играет весьма важную роль. Доля тепловых деформаций в общем балансе погрешностей обработки и точности станка тем выше, чем жестче и выше требования к точности обрабатываемых деталей.
Особую роль играют тепловые деформации в станках с ЧПУ, так как они являются более энергоёмкими, а доля машинного времени достигает 70-90%. В станках с ЧПУ до 50% энергии, подводимой к ним, рассеивается в его узлах и деталях тем самым увеличивая теплонапряженность конструкции станка, его деталей, узлов. Доля тепловых погрешностей в общем балансе точности станков с ЧПУ может достигать 30-70%, причем характер и степень их влияния неодинаковы для различных параметров точности обрабатываемых деталей.
Экспериментальные исследования температурных полей, тепловых деформаций станка и его точности необходимы для определения и оценки реальных и фактических величин его точностного и теплового состояния. Кроме этого, экспериментальная оценка всего комплекса параметров, которые определяют и формируют тепловое состояние деталей, узлов и станка в целом, является материально, экономически и физически сложной задачей, анализ результатов которой также представляет собой значительные трудности.
Поэтому необходимо как качественно, так и количественно оценивать ожидаемое тепловое состояние металлорежущего станка, определять характер этого состояния во время его работы, что позволит как при проектировании, так и при эксплуатации станка принимать эффективные решения по компенсации, коррекции и управлению тепловым состоянием станка и его точностью.
Следовательно, требуемый достаточно высокий уровень достижения точности металлообрабатывающего оборудования обусловливает и определяет необходимость не только глубокого изучения причин и методов форми - рования точности и их констатации, но и нацеливает на разработку методов и средств создания систем управления как теплового состояния, так и обеспечения высокого уровня точности данного класса оборудования.
Изложенное указывает на актуальность темы диссертации, посвященной повышению точности металлорежущего оборудования на основе методов и средств создания автоматизированных систем управления его тепловым состоянием, построению моделей формирования точности, методам обеспечения их заданного уровня, а также разработке способов, методов и средств испытаний, контроля и диагностики.
Целью диссертационного исследования является разработка методов и
средств создания автоматизированных систем управления тепловым состоя-
нием металлорежущего оборудования для повышения его точности.
Задачами исследования являются:
обоснование возможности обеспечения требуемого уровня точности на основе управления её функциональными системами;
исследование выходных параметров точности металлорежущего оборудования и определение закономерностей формирование их отдельных составляющих: геометрических, кинематических, упругих, динамических, тепловых и др., обусловливающих и обеспечивающих достижение требуемого уровня точности обрабатываемых изделий;
оценка уровня значимости факторов при обосновании выбора вида системы управления выходными параметрами точности металлорежущего оборудования;
разработка критериев подобия оценки теплового состояния деталей и узлов различных видов металлорежущего оборудования;
разработка моделей и методов анализа и синтеза параметров деталей, узлов и механизмов металлорежущего оборудования, которые обусловливают и определяют его тепловое состояние и уровень выходной точности при формировании системы управления ими;
разработка и обоснование методов построения системы управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования, разработка их математических моделей, создание типовых видов и структурных компонентов, формирующих системы управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности.
Научная новизна результатов работы:
1 . Установлены связи между показателями точности металлорежущего оборудования и погрешностями отдельных деталей, узлов и подсистем, вызываемых действием тепловых, упругих, геометрических, кинематических, динамических факторов, обусловливающих достижение требуемого уровня точности обрабатываемых изделий и определяющих наиболее важные направления управления ими при их создании и эксплуатации.
-
-
Разработаны методы формирования и оценки показателей точности металлообрабатывающего оборудования и технологических систем как процесс взаимосвязанного изменения информационного, геометрического и технологического образов.
-
Разработана обобщенная схема построения и анализа функциональных и структурных моделей металлорежущего оборудования, которые в соответствии с осуществляемыми функциями деталей и узлов, их функциональными связями и отношениями формируют и обусловливают изменение точностных характеристик металлорежущего оборудования.
4 . Предложена модель формирования, построения и теплофизического анализа металлорежущего оборудования и его теплового состояния на основе теплоактивных элементов и их квазитермостабильных связей, функции теплового поведения которых обусловливают и определяют закономерности и виды теплового состояния металлорежущего оборудования.
5. Обоснованы, систематизированы и получены критерии подобия теплового состояния теплоактивных элементов, теплонагруженных деталей и узлов металлорежущего оборудования. Даны их виды, классификация, параметры и характеристика.
6. Получены, обоснованы и экспериментально подтверждены типовые закономерности изменения теплового состояния металлорежущего оборудования. Дана их классификация, условия формирования, вид и характер изменения во времени. Приведена их обобщенная зависимость и дана оценка параметров, которые обусловливают тепловое состояние металлорежущего оборудования.
7 . Разработаны тепловые модели и получены решения по определению температурного режима типовых теплоактивных элементов, деталей и узлов металлорежущего оборудования для различных условий их тепловых нагрузок и теплонапряженности.
-
-
-
Разработан метод испытаний, контроля и диагностики температурного режима и теплового состояния металлорежущего оборудования.
-
Разработаны методы и средства создания и построения автоматизированных систем управления тепловым состоянием и точностью металлорежущего оборудования. Получена оценка уровня значимости факторов при обосновании выбора структуры и вида системы управления выходными параметрами точности металлорежущего оборудования.
-
Разработаны алгоритмы управлением тепловым состоянием металлорежущего оборудования, приведена их программная и аппаратная реализация.
1 1. Создана методология и приведено базовое информационное и программное обеспечение для управления тепловым состоянием и повышения точности металлорежущего оборудования в существующей информационной среде предприятия.
Практическая ценность работы:
-
-
-
-
Разработана методика оценки показателей точности и надежности металлообрабатывающего оборудования и технологических систем (Методические рекомендации. МР33-81.Надежность в технике. Технологические системы. Расчет и оценка показателей параметрической надежности технологического оборудования с ЧПУ.- М., ВНИИНмаш Госстандарт, 1981г.).
-
Разработана методика построения и анализа функциональных и структурных моделей металлорежущего оборудования и нестационарного изменения свойств и характеристик их выходных параметров точности.
-
Предложены практические рекомендации по сопоставлению и оценке деталей и узлов металлорежущего оборудования по критерию подобия их теплового состояния.
-
Разработана методика создания и построения систем управления тепловым состоянием для повышения точности металлорежущего оборудования.
5 . Разработан способ автоматической компенсации тепловых смещений шпинделя металлорежущего станка (А.с. № 1041226).
-
-
-
-
-
Разработан способ контроля температур и тепловых деформаций металлорежущих станков и устройство для его осуществления (А.С. №998092).
-
Разработаны способы управления теплоактивными элементами (Патент РФ №2015413, Патент РФ №1696298, А.С., №1653905, . А.С. №1649198).
Апробация работы. Основные научные результаты докладывались на научно-технических конференциях 1977 - 2011гг. В частности: Машиностроение - традиции и инновации -2011г., Современные технологии в горном машиностроении - 2011г., Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки - 2008, Научно - технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения - 2005г., Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2004г., Информационные технологии и управление жизненным циклом изделий - 2003г., Автоматизация производства и робототехника -1989г. (Детройт, США), Автоматическое управление точностью обработки на металлорежущих станках - 1978г., Расчет точности деталей машин и приборов - 1978г., Y научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов 1977г.
Реализация результатов работы. Основные научные и практические положения диссертации внедрены в виде методических указаний и рекомендаций Госстандарта, методики использованы при проведении НИИОКР ряда станкостроительных предприятий (Львовский завод фрезерных станков, Владимирское ПО «Техника», Московский завод им. С.Орджоникидзе, Филиал ЭНИМСа - НПО Армстанок, НПО НИТИ и другие). Результаты исследования представлены в виде методического материала, разработанных и запатентованных системах управления и устройствах, информационно-программного обеспечения и технологических рекомендациях. Результаты работы использованы в учебном процессе по направлениям 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 220700 «Автоматизация технологических процессов
и производств», а также в двух учебниках.
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 48 печатных работах, в том числе 6 научных монографиях, 2 учебниках, 6 авторских свидетельствах и патентах на изобретение, 34 научных работах, в том числе 15 статьях в журналах, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения шести разделов, заключения, списка литературы из 261 наименований, 2 приложений. Работа изложена на 284 страницах машинописного текста, сдержит 95 рисунков и 21 таблицу.
Похожие диссертации на Разработка методов и средств создания автоматизированных систем управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
