Введение к работе
Актуальность темы. Экспериментальные данные фирм - производителей станков показывают, что температурные перемещения исполнительных органов в современных прецизионных металлорежущих станках могут превышать 100 мкм, определяя до 70% значения общей погрешности механообработки.
Для достижения стабильной размерной точности механообработки в пределах 10 мкм необходимо оснащение станков системами компенсации температурной погрешности, которые строятся на двух альтернативных методах: прямого измерения температурной погрешности на станке и прогнозирования температурной погрешности.
Первый метод обладает высокой точностью, но требует оснащения станка дополнительным измерительным оборудованием, что приводит к существенному увеличению стоимости станка (не менее, чем на 30%).
Точность второго метода полностью определяется качеством реализуемых моделей прогнозирования тепловых характеристик. На сегодняшний день в открытой печати отсутствует описание моделей и методов прогнозирования тепловых характеристик станков, адаптированных к применению в системах компенсации их температурной погрешности.
Поэтому актуальной научной задачей является разработка метода прогнозирования тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов.
Решение поставленной научной задачи позволит разработать алгоритм компенсации температурной погрешности станка, реализация которого на станках с ЧПУ обеспечит существенное повышение точности обработки.
Работа выполнялась в рамках г/б НИР №01200316424 «Разработка автоматизированной системы теплового моделирования металлорежущих станков» и г/б НИР №01200902660 «Исследование физико-технических свойств металлообрабатывающего оборудования» кафедры технологии машиностроения, металлообрабатывающих станков и комплексов ОГУ. Этапы работы финансировались в рамках грантов №01200607409 «Разработка методологии создания высокоэффективных производственных систем нового поколения с заданными свойствами» и № 1.6.11 «Разработка методологии создания термостабильных мехатронных станков», выполняемых в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы».
Объект исследования - температурная погрешность металлорежущих станков средних размеров, работающих в условиях переменных тепловых режимов.
Предмет исследования - средства управления исполнительными органами станка, работающего в условиях переменных тепловых режимов, приводящие к снижению температурной погрешности.
Цель исследования - повышение точности обработки на металлорежущих станках на основе управления исполнительными органами по результатам прогнозирования тепловых перемещений.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
- провести натурные эксперименты и выявить закономерности изменения тепловых характеристик станка в зависимости от режимов его работы;
разработать методику компьютерного моделирования тепловых характеристик станка, работающего в условиях переменных тепловых режимов;
разработать метод прогнозирования тепловых характеристик станка;
провести экспериментальную апробацию разработанного метода прогнозирования тепловых характеристик станка;
- разработать средства управления исполнительными органами станка по
снижению его температурной погрешности, включающие алгоритмическое и ма
тематическое обеспечение.
Научная новизна работы включает:
экспериментально установленные закономерности изменения тепловых характеристик металлорежущих станков, отличающиеся от известных тем, что получены для переменных тепловых режимов работы;
прогнозные модели тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов, отличающиеся от известных тем, что получены из экспериментальных характеристик непрерывного режима работы;
метод прогнозирования тепловых характеристик станков, описывающий содержание, последовательность и инструментарий получения и использования математических моделей для компенсации температурных погрешностей;
алгоритм компенсации температурных погрешностей станков с ЧПУ на основе использования математических моделей, отражающих изменение тепловых характеристик в различных режимах эксплуатации.
Практическую значимость определяют:
результаты натурных и вычислительных экспериментов прецизионного станка, представленные в виде базы данных компьютерных моделей;
разработанное программное средство для компьютерного моделирования тепловых характеристик металлорежущих станков в среде САЕ - системы Ansys;
методика компьютерного моделирования тепловых характеристик станков, включающая ряд последовательных процедур создания и использования компьютерных моделей в CAD- и САЕ-системах;
методическое обеспечение разработанного метода прогнозирования тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории автоматического управления, испытаний станков, планирования эксперимента, модального анализа, теории упругости, термодинамики, теории моделирования, идентификации и оптимизации сложных технических систем. Использованы методы: конечных элементов и конечных разностей, теории вероятностей и математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии и линейной алгебры, аппроксимации функций и оптимизации.
Реализация работы. Результаты работы, представленные в виде методического, программного, информационного обеспечения и практических рекомендаций, приняты к использованию на Оренбургских предприятиях - ОАО «Завод бурового оборудования» и ФГУП ПО «Стрела», а также используются в учебном процессе кафедр «Технология машиностроения, металлообрабатывающие станки и комплексы» и «Системы автоматизации производства» ОГУ.
На защиту выносятся:
результаты натурных и вычислительных экспериментов по выявлению тепловых характеристик прецизионного станка Deckel FP3;
методика и программное средство компьютерного моделирования тепловых характеристик станков в CAD- и САЕ-системах;
математические модели прогнозируемых тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов работы;
программное средство для компьютерного моделирования тепловых характеристик металлорежущих станков в среде САЕ - системы Ansys;
метод прогнозирования тепловых характеристик станков.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на международных конференциях: «Инновации в машиностроении» (Бийск, 2010), «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)» (Самара, 2010), «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010), «Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях» (Воронеж, 2011), «Современные вопросы науки - XXI век» (Тамбов, 2011) «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2011); на российских конференциях: «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2007, 2009 и 2010); «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2009, 2011), «Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов» (Кострома, 2010), «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2011), «Инновационные технологии в машиностроении» (Москва, 2011), «Машиностроение - традиции и инновации» (Юрга, 2011), «Молодежь и современные информационные технологии» (Воронеж, 2011).
Результаты работы докладывались на: межкафедральных семинарах научной группы по информационной поддержке изделий машиностроения (ОГУ, 2010-2011), региональной научной школе-семинаре молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства (ОГУ, 2010), окружном этапе Приволжского Федерального округа (УлГТУ, Ульяновск, 2011) и финале проекта «Национальной научно-технической конференции» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2011), научном семинаре кафедры систем автоматизации производства (ОГУ, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, из них 3 статьи в ведущих научных рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников 174 наименований и приложений на 51 странице. Основная часть работы изложена на 190 страницах, включая 121 рисунок.
