Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 15
1.1 Переход от механики к мехатронике при создании новых станков, мехатронная система формообразования 15
1.2 Требования, особенности конструкции, направления совершенствования и моделирование приводов подачи современных станков с ЧПУ 24
1.3 Привода главного движения и шпиндельные узлы современных станков 46
1.4 Виды соединения шпиндель – инструментальная оправка ШУ для высокоскоростной обработки 66
1.5 Проблема сбалансированности эксплуатационных характеристик компонентов мехатронных комплексов. Цель и задачи исследования 77
ГЛАВА 2 Моделирование и параметрический синтез приводов подачи станков как мехатронных систем 80
2.1 Роль приводов в обеспечении требуемой точности детали 80
2.2 Моделирование контуров управления следящего привода подачи.. 97
2.3 Структурная и параметрическая идентификация механической части двигателя 1FT7046-5AF70-1FH0 113
2.4 Проверка адекватности математической модели контура положения 119
2.5 Параметрический синтез одномассового привода 122
2.6 Выводы 136
ГЛАВА 3 Моделирование и параметрический синтез современного электромеханического привода подачи как многомассовой динамической системы 142
3.1 Экспериментальные исследования электромеханического привода подачи и конечно-элементное моделирование вращающихся элементов конструкции его механической части 142
3.2 Особенности моделирования механической части привода 150
3.3 Метод параметрической аппроксимации цепных крутильных систем 160
3.4 Параметрический синтез двухмассового привода 181
3.5 Выводы 202
ГЛАВА 4 Особенности применения мехатронных модулей в качестве приводов главного движения и шпиндельных узлов современных станков 210
4.1 Основные требования к мотор-шпинделям и особенности их применения при высокоскоростной обработке 210
4.2 Основные особенности конструкции мотор-шпинделей 230
4.3 Влияние конструкции шпиндельного узла на его эксплуатационные характеристики 246
4.4 Оценка эксплуатационных возможностей шпиндельных подшипников 260
4.5 Выводы 271
ГЛАВА 5 Эксплуатационные свойства соединений шпиндель –инструментальная оправка ШУ для сверхскоростной обработки ... 276
5.1 Сравнение эксплуатационных возможностей разных видов соединения шпиндель – инструментальная оправка современных станков 275
5.2 Влияние центробежных сил на эксплуатационные свойства соединения HSK и механизма зажима инструмента 288
5.3 Несущая способность и жесткость соединения «HSK» 300
5.4 Выводы 313
Заключение 316
Список литературы
- Привода главного движения и шпиндельные узлы современных станков
- Структурная и параметрическая идентификация механической части двигателя 1FT7046-5AF70-1FH0
- Особенности моделирования механической части привода
- Влияние конструкции шпиндельного узла на его эксплуатационные характеристики
Введение к работе
Актуальность проблемы. Во второй половине 20-го начале 21-го века на рост технологических возможностей металлообрабатывающих станков оказывали влияние факторы, сформировавшиеся в результате стремительного развития фундаментальных областей знания (квантовая физика, физическая химия, электроника, вычислительная техника и др.). Их влияние проявилось в первую очередь в массовом использовании систем ЧПУ, регулируемых приводов, новых инструментальных материалов, оптических и лазерных измерительных систем, новых физических принципов обработки материалов. Увеличился диапазон частот вращения главного привода, повысилась скорость резания до 10000 м/мин и более вследствие расширения спектра обрабатываемых материалов и улучшения режущих свойств инструмента. Реализуется комплекс мер по увеличению доли основного времени использования станка: концентрация операций на одном станке, повышение скорости перемещений (до 60 м/мин и выше), автоматическая смена инструмента, заготовок и др. Вследствие повышения уровня автоматизации устанавливаются более высокие требования к надежности оборудования и качеству обработки. Повышается в экономически оправданных пределах совокупная мощность приводов станка, снижается удельная металлоемкость, возрастает энергосбережение.
Основой для поиска и реализации новых решений стали мехатронные технологии, заключающиеся в широком применении агрегатно-модульного принципа проектирования, на базе мехатронных модулей и систем, объединяющих в себе силовые (энергетические) компоненты, механизмы перемещения и информационные элементы. Их использование формирует условия для получения принципиально новых проектных решений. Основной отличительной особенностью мехатронных систем является необходимость взаимосвязанного выбора основных параметров составных частей, названных выше, что, с одной стороны, обуславливает получение нового качества, а с другой – создает трудности при проектировании, поскольку необходимо взаимодействие специалистов различного профиля.
Эти революционные изменения привели к появлению новой концепции в станковедении, основанной на системном подходе. Основой ее стало представление об изучаемом объекте – системе «станок – приспособление – заготовка – инструмент» (СПЗИ), как о некоторой антропогенной системе, свойства которой рассматриваются, как свойства целостного множества элементов в совокупности отношений и связей между ними.
Можно сказать, что в настоящее время заканчивается переход от традиционных механических конструкций универсальных станков, через электромеханические конструкции станков с ЧПУ первых поколений, к мехатронным конструкциям современных станков. К сожалению, многие отечественные и зарубежные фирмы не учитывают в полной мере открывающиеся возможности и переносят в свои новые разработки решения, принятые на основе традиционных подходов, но неэффективные для оборудования, реализуемого как мехатронная система.
Проектирование станков на основе мехатронных модулей и систем, обладающих качественно-новыми эксплуатационными свойствами (высокие скорости рабочих и вспомогательных перемещений, мощность, точность, надежность, отсутствие зазоров, сокращение кинематических цепей, снижение трения и т.д.), требует серьезной информационной и теоретической подготовки процесса конструирования, как при создании самих мехатронных узлов, так и их интеграции в конструкцию разрабатываемого станка. Остро встает проблема сбалансированности эксплуатационных свойств элементов конструкции и обеспечения обоснованного выбора комплектующих изделий (двигателей, подшипников, шариковых винтовых передач, датчиков, муфт и т.д.) для решения которой необходимы математические модели, позволяющие проводить имитацию и анализ процессов в приводах станка, и методы согласованного выбора их параметров.
Степень разработанности темы исследования. Вопросы, связанные с различными аспектами проектирования и эксплуатации, моделирования приводов и шпиндельных узлов металлорежущих станков, рассмотрены в работах, таких ведущих Российских и зарубежных ученых, как В.А. Кудинов, В.Э. Пуш, Е.И. Ривин, B.C. Хомяков, О.П. Михайлов, А.И. Левин, Ю.М. Соломенцев, В.В. Бушуев, Б.М. Бржозовский, С.Н. Григорьев, В.А. Гречишников, А.В. Пуш, H. Opitz, M. Weсk, J. Tlusty и K. Teipel. Расчеты выходной точности станка с учетом влияния различных элементов технологической системы приведены в работах Д.Н. Решетова, В.Т. Портмана, Б.М. Базрова, В.В. Каминской, А.П. Кузнецова, Б.И. Андрейчикова и др.
К сожалению большинство из этих работ были выполнены в период предшествующий затяжному кризису станкостроения в России, продолжающемуся с начала 90-х годов прошлого века по нынешнее время, который совпал по времени с периодом революционных изменений в мировом станкостроении, связанных с широким использованием в конструкциях металлообрабатывающих станков мехатронных решений. Эти изменения сопровождались обширный исследованиями мехатронных приводов подачи станков, результаты которых отражены в работах Y. Altintas, J. Tlusty, G. Pritschow, M. Weсk, B. Denkena и др., и прямых приводов главного движения, реализованных в виде мотор-шпинделей, результаты которых отражены в работах В.В. Бушуева, А.Р. Маслова, E. Abele, Y. Al-tintas, M. Weсk, E. Rivin (Е.И. Ривин), T. Aoyama и др.
В России в указанный период исследования, связанные с мехатронными решениями в станкостроении, проводились эпизодически, однако необходимо отметить работы Ю.В. Подураева, В.В. Бушуева, Ю.В. Илюхина, М.А. Босинзона и А.П. Кузнецова в которых были сформулированы общие принципы применения мехатронных узлов и систем в современном технологическом оборудовании.
Цель работы. Повышение эффективности металлообрабатывающих станков, включающее обеспечение заданной точности при росте производительности оборудования, за счет разработки методов их проектирования как мехатронных систем, реализующих научно-обоснованный выбор параметров электромеханических приводов подачи и главного движения.
Для достижения цели работы должны быть решены следующие задачи:
– выявить связи между динамическими характеристиками и параметрами конструкции и системы управления замкнутого, многоконтурного, частотно-регулируемого электромеханического привода подачи станков с ЧПУ, являющегося сложным программно-аппаратным комплексом;
– разработать физические и математические модели для имитации и анализа динамических процессов в приводах подачи станков с ЧПУ и методы параметрического синтеза, обеспечивающие заданные эксплуатационные свойства их конструкции;
– выявить связи между основными параметрами процесса резания, размерами вращающегося инструмента и особенностями конструкции главного привода станков, выполненного в виде высокоскоростного мотор-шпинделя, лимитирующими его эксплуатационные характеристики;
– разработать физические и математические модели соединений «шпиндель – инструментальная оправка», в том числе, выполненные по стандарту HSK, позволяющие изучать особенности их поведения при высокоскоростном резании;
– экспериментально проверить основные положения теоретических исследований;
– используя результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработать методики и дать рекомендации, обеспечивающие создание высокоэффективных металлообрабатывающих станков, проектируемых как ме-хатронные системы.
Научная новизна работы заключается в:
– взаимосвязях между осевыми и крутильными колебаниями в конструкции тягового устройства и двигателя, динамическими процессами в контурах управления замкнутого, многоконтурного, частотно-регулируемого, электромеханического привода подачи и распределенными инерционными, упругими и диссипативными свойствами механизмов, параметрами электродвигателя, системы управления, временными задержками из-за ее дискретности;
– многомассовой математической модели динамической системы замкнутого, многоконтурного, частотно-регулируемого, электромеханического привода подачи, обеспечивающей возможность качественного и количественного анализа влияния инерционных, упругих и диссипативных свойств механизмов, параметров электродвигателя и системы управления, и временных задержек, связанных с запаздыванием при передаче информации между силовыми элементами привода и системой управления, на его динамические характеристики.
– методе параметрической аппроксимации и идентификации, позволяющем на основании информации о количестве и значениях полюсов и нулей передаточной функции, вращающейся части механизма привода подачи, получать модели замещающих цепных систем, с характеристиками близкими к исходной конечно-элементной модели или реальному приводу;
– методе параметрического синтеза привода, как замкнутой многоконтурной динамической системы с двумя сосредоточенными массами, имитирую-5
щими перемещаемый узел и элементы механизма привода, основанном на приравнивании коэффициентов характеристического полинома передаточной функции привода к коэффициентам эталонного полинома, выбранного таким образом, чтобы обеспечить требуемые параметры частотной характеристики и переходного процесса;
– функциональных зависимостях между размерами инструмента, скоростью, силой резания, частотой вращения и моментом, развиваемым двигателем, при работе привода с номинальной мощностью, которые предназначены для анализа и обоснованного выбора эксплуатационных характеристик мотор-шпинделя с инструментальным соединением, выполненным по стандарту HSK;
– моделях соединения HSK и механизма зажима инструмента высокоскоростных шпинделей станков, учитывающих процессы деформирования элементов их конструкции, трение, центробежные силы и закономерности функционирования соединения HSK при разных частотах вращения и нагрузках, с учетом перераспределения предварительного натяга вплоть до начала вытягивания инструмента из шпинделя.
Теоретическая значимость работы заключается в:
– разработке средств анализа влияния инерционных, упругих и диссипа-тивных свойств механизмов, параметров электродвигателя и системы управления, и временных задержек, связанных с запаздыванием при передаче информации между элементами электромеханического привода подачи, на динамические процессы в его контурах управления;
– выявленных ограничениях в возможности адаптации к решению конкретных технологических задач, вводимого в эксплуатацию станка с передачами винт-гайка качения в конструкции, только за счет изменения настраиваемых параметров привода;
– установленной необходимости учета вытягивания инструмента из шпинделей с инструментальными соединениями, имеющими статически неопределимую схему базирования, под действием радиальных нагрузок, превышающих критические значения, связанные с вылетом инструмента через допустимый по осевым и угловым перемещениям раскрывающий момент в соединении;
– разработке средств анализа, позволяющих решать задачи согласования основных эксплуатационных характеристик высокоскоростных мотор-шпинделей и размеров инструмента, выбора рациональных режимов резания и оценки эффективности выполнения конкретных технологических операций для оборудования с инструментальными соединениями, выполненными по стандарту HSK.
Практическая значимость работы заключается в:
– рекомендациях по согласованному выбору значений настраиваемых параметров систем управления приводов основных мехатронных модулей и систем (прямых линейных приводов, мотор-шпинделей, глобусных, поворотных, индексных столов, и т.д.) разных типов станков, которые обеспечивают заданные динамические характеристики этих приводов, получаемых с помощью установленных функциональных зависимостей между параметрами привода и коэффициентами эталонного характеристического полинома;
– рекомендациях по выбору параметров конструкции приводов подачи с передачей винт-гайка качения разных типов станков, которые обеспечивают им заданные динамические характеристики, получаемых с помощью предложенной методики выбора этих параметров;
– рекомендациях по выбору основных эксплуатационных характеристик высокоскоростного мотор-шпинделя с инструментальным соединением HSK при его проектировании или покупке, рекомендациях по выбору инструмента с аналогичным соединением и определению рациональных для привода режимов резания, оценке эффективности оборудования при выполнении конкретных технологических операций, основывающихся на установленных функциональных зависимостях и оценках предельных значений раскрывающего момента в соединении HSK;
– программном комплексе для выбора основных элементов конструкции приводов подачи металлообрабатывающих станков (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2015612347 от 17.02.2015);
– созданных с использованием разработанных рекомендаций на основе ме-
хатронных модулей и систем, зубофрезерном станке с ЧПУ с прямыми приво
дами изделия и инструмента и максимальным диаметром обработки 200 мм, 3-х
и 5-ти координатных обрабатывающих центрах с гибридной кинематической
структурой, включающей механизм с параллельной кинематикой типа «Бипод»,
и диаметрами индексного и глобусного столов 630 и 400 мм соответственно, пре
цизионном 5-координатном обрабатывающем центре для обработки графитовых
электродов электроэрозионных координатно-прошивных станков, и гамме мо
тор-шпинделей с инструментальными соединениями HSK, разработанными в
ГИЦ «МГТУ «СТАНКИН» по Государственным контрактам №
10411.1003702.05.004 от 31.03.2010, № 11411.10037.04.05.012 от 29.09.2011, №
11411.1003704.05.032 от 22.09.2011, № 8411.0816900.05.593 от 24.12.2008 и №
11411.1003704.05.033 от 23.09.2011. Серийное производство зубофрезерного
станка начато на ОАО «САСТА».
Методология и методы исследований. Все разделы работы выполнены с единых методологических позиций системного анализа с использованием методов, подобия, математического и физического моделирования многофакторных процессов, протекающих в многопараметрических объектах. Теоретические исследования выполнялись с использованием математического аппарата теории автоматического управления, методов операционного исчисления, линейной алгебры, аналитической геометрии и метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современного станочного оборудования и измерительных средств. При обработке результатов экспериментов использовались современные методы цифровой обработки сигналов, спектрального и корреляционного анализа случайных процессов.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
– решение крупной научно-технической проблемы, заключающейся в разработке специальных методов и средств повышения точности и производительности проектируемых металлообрабатывающих станков, как мехатронных систем.
– многомассовая математическая модель динамической системы замкнутого, многоконтурного, частотно-регулируемого, электромеханического привода подачи и метод ее параметрической аппроксимации и идентификации;
– метод параметрического синтеза привода, как двухмассовой, замкнутой многоконтурной динамической системы;
– функциональные зависимости для анализа и обоснованного выбора эксплуатационных характеристик мотор-шпинделя с инструментальным соединением, выполненным по стандарту HSK, модели соединения HSK и механизма зажима инструмента высокоскоростных шпинделей станков.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов работы обусловлена системной проработкой проблемы, достоверностью применяемых методов теоретических и экспериментальных исследований. Теория построена на известных, проверяемых данных, согласуется с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации. Имеет место качественное совпадение авторских результатов с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике. Подготовка, анализ и интерпретация полученных результатов проведены с использованием современных методов обработки информации и статистического анализа.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (Уфа, 2016), «Автоматизированное проектирование в машиностроении» (Новокузнецк, 2015), «Актуальные проблемы в машиностроении» (Новосибирск, 2014), «Машиностроение – традиции и инновации» (Москва, 2013), «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (Севастополь, 2010) и технических советах ООО «Савеловский машиностроительный завод», АО «Станкотех», ОАО «САСТА».
Реализация работы. Работа выполнялась во ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАН-КИН» по заданиям министерства «Промышленности и торговли» РФ в Государственном инжиниринговом центре (ГИЦ) в рамках государственных контрактов № 8411.0816900.05.593 от 24.12.2008, № 10411.1003702.05.004 от 31.03.2010, № 11411.10037.04.05.012 от 29.09.2011, № 11411.1003704.05.032 от 22.09.2011 г № 11411.1003704.05.033 от 23.09.2011 г. и гранта Министерства образования и науки РФ – государственное задание № 9.1429.2014/К № 114092440053.
Результаты работы использованы ООО «Савеловский машиностроитель-ныйзавод», ООО НПО «Станкостроение», АО «Станкотех», ОАО «САСТА» при создании зубофрезерного станка с ЧПУ с прямыми приводами изделия и инструмента, 3-х и 5-ти координатных обрабатывающих центров с гибридной кинематической структурой типа «Бипод», 5-координатного обрабатывающего центра для обработки графитовых электродов и гаммы мотор-шпинделей с соединениями HSK.
Результаты работы в виде программ и методических материалов внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» в рамках освоения дисциплин «Расчет и конструирование станков» и «Спецкурс станков» бакалавриата, «Расчет, моделирование и конструирование оборудования с компьютерным управлением» магистратуры, программ дополнительного профессионального образования МИРИТ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 научных работ, в том числе 32 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 патентов РФ на изобретение и полезную модель, 3 свидетельства на программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (219 наименований) и 5 приложений. Общий объем диссертации 390 страниц, включая 98 рисунков и 53 таблицы.
Привода главного движения и шпиндельные узлы современных станков
Основная задача приводов подачи, которые в совокупности с направляющими образуют мехатронные системы формообразования современных станков с ЧПУ, заключается в реализации относительного перемещения инструмента и заготовки по заданной траектории. По виду реализуемой траектории различают привода для линейных и угловых перемещений. В зависимости от характера перемещения они могут эксплуатироваться в режимах позиционирования или контурной обработки.
При позиционировании инструмент и заготовка перемещаются, в заданные точки рабочего пространства с требуемой точностью. Траекторию перемещения и закон изменения скорости в таком режиме выбирают, исходя из требований производительности и точности позиционирования, и на форму обрабатываемой детали они влияния не оказывают. Например, стол расточного станка с ЧПУ с установленной деталью выходит в положение, соответствующее центру отверстия в детали, останавливается, после чего начинается обработка отверстия.
При контурной обработке привода подачи реализуют взаимосвязанные перемещения инструмента и заготовки по заданной пространственной траектории с требуемой точностью в любой её точке. Закон изменения скорости выбирают, исходя из требований к точности воспроизведения траектории и производительности формообразования. В этом режиме обрабатываются сложные пространственные поверхности на многокоординатных станках с классической (последовательной) и параллельной кинематикой, а также некоторых технологических роботах.
Привода подачи должны соответствовать целому комплексу достаточно противоречивых требований: 1. Реализовывать широкий диапазон регулирования скорости перемещения исполнительного органа от нескольких мм/мин (для финишных операций и точного позиционирования инструмента), до 100 м/мин и более (для ускоренных перемещений холостого хода). 2. Во всём диапазоне рабочих подач развивать необходимые тяговые усилия. 3. Обеспечивать требуемую точность движения рабочего органа. 4. Иметь высокую жёсткость, что во многом определяет точность движения рабочего органа. 5. Обладать достаточным быстродействием и хорошими динамическими характеристиками. 6. Иметь высокую надёжность и способность сохранять заданные характеристики в течение всего периода эксплуатации.
Если добавить к этим требованиям пожелания о высокой технологичности конструкции (простота изготовления, сборки и эксплуатации), проектирование привода становится весьма нетривиальной задачей. Однако стремление к повышению точности, производительности и надежности металлообрабатывающих станков делает необходимым их постоянное совершенствование. Анализ конструкций современных станков показывает, что при проектировании приводов чётко прослеживается стремление к сокращению числа элементов их кинематических цепей, отказу от использования дополнительных редукторов и соединений с зазорами, переход от направляющих скольжения к направляющим качения. Данная тенденция объясняется стремлением повысить точность и жёсткость механизмов привода для того, чтобы обеспечить ему динамическое качество, необходимое для решения новых технологических задач [13]. Наиболее ярко она проявляется в конструкциях мотор-шпинделей (главный привод), прямых приводов подачи поворотных осей и линейных приводов.
Большинство приводов подачи современных станков с ЧПУ традиционно относят к следящим электроприводам. Термин «следящий» не совсем точен, так как закон изменения управляющего воздействия, в этом случае, заранее известен. Поэтому более правильно было бы говорить о программно-управляемом приводе, который без искажений должен отрабатывать управляющий сигнал. Кроме того, на привод действует возмущение в виде изменения нагрузки, поэтому желательно, чтобы привод подачи был малочувствителен к этому возмущению.
Рассмотрим типовую структуру следящего привода подачи. Его функциональная схема представлена на рисунке 1.2. Он построен по принципу подчиненного регулирования и содержит три контура: положения (КП), скорости (КС) и тока (КТ). Устройство управления (УУ) – контроллер осуществляет управление всеми контурами следящего привода и организует взаимодействие с контроллером верхнего уровня (устройство ЧПУ станка). Регуляторы положения, скорости и тока являются программными модулями операционной системы контроллера, предназначенными для непосредственного управления соответствующими контурами привода. В них сравнивается фактический сигнал от обратной связи с управляющим сигналом. Разность этих двух сигналов после соответствующего преобразования подается на вход объекта управления, в качестве которого могут выступать внутренние контуры или силовая часть привода. Рис. 1.2 Структурная схема следящего привода подачи
Основной, внешний контур – контур положения. Он включает: регулятор положения (РП), датчик перемещения (ДП), регулируемый привод (контур скорости (КС)), тяговое устройство (ТУ) и перемещаемый узел (ПУ). В зависимости от требований, предъявляемых к точности привода, и в соответствии с его конструктивными особенностями обратная связь по перемещению может охватывать не только двигатель 1 (см. рисунок 1.3,а) или компоненты тягового устройства 2, но и перемещаемый узел 3 (см. рисунки 1.3,б и в). Основным элементом обратной связи по положению является датчик перемещения, в котором формируется сигнал, содержащий информацию о величине перемещения. Современный регулятор положения имеет достаточно сложную структуру, включающую в себя интерполяторы, фильтры, компараторы (элементы сравнения), ограничители предельных значений управляющего воздействия и дополнительные контуры управления. Однако его основой является классический пропорциональный регулятор.
Замыкание контура положения может осуществляться или непосредственно в контроллере привода, или в устройстве управления верхнего уровня (УЧПУ станка). В первом случае удается существенным образом повысить быстродействие контура положения, а во втором проще обеспечить согласованную совместную работу нескольких приводов.
Структурная и параметрическая идентификация механической части двигателя 1FT7046-5AF70-1FH0
Модуль упругости оказывает решающее влияние на упругие деформации. Для гибридных подшипников, чем выше модуль упругости, тем выше жесткость при той же самой предварительной нагрузке, но выше и напряжения контакта между телами и дорожками качения и ниже допустимая нагрузка из-за меньшего размера пятен контакта между телами и дорожками качения. Чтобы сохранить контактные напряжения на уровне, сопоставимом со стальными подшипниками, приходится снижать предварительный натяг гибридных подшипников.
Для повышения несущей способности гибридных подшипников разработаны специальные, высоко-азотированные подшипниковые стали. Более тонкая микроструктура этих сталей, в сочетании с большей прочностью по сравнению с традиционными подшипниковыми сталями, обеспечивает более высокий уровень достигаемых нагрузок [188]. Одно из последних направлений совершенствования подшипников заключается в напылении на поверхности тел и дорожек качения специальных покрытий, предназначенных для повышения износостойкости и снижения трения контактирующих поверхностей [200].
Динамическая грузоподъемность высокоскоростных и гибридных подшипников существенно (иногда в несколько раз) больше их допустимой статической нагрузки, благодаря эластогидродинамическому эффекту. Эту эксплуатационную особенность особенно важно учитывать при проектировании механизмов зажима инструмента и в случаях использования шпиндельного узла в качестве резцедержателя инструмента при токарных операциях, выполняемых за счет вращения заготовки, установленной на поворотном столе станка.
Благодаря особенностям конструкции радиально-упорных подшипников, действие центробежных сил и температурные деформации вызывают изменение натяга и осевые смещения их колец. В зависимости от схемы установки подшипников это ведет к росту или снижению натяга. Рост натяга может вызвать его заклинивание [109,202]. Снижение натяга сопровождается уменьшением жесткости подшипника, от которой зависит жесткость конструкции всего шпиндельного узла, что в свою очередь, сказывается на его эксплуатационных характеристиках [35–38, 94].
Высокоточные цилиндрические роликовые подшипники чаще всего используются в шпиндельных узлах станков c низкой и средней быстроходностью. В связи с гораздо большей площадью контакта между телами и дорожками качения, роликовые подшипники намного жестче, чем шариковые, и способны воспринимать большие нагрузки [188–190]. Однако увеличение площади контакта сопровождается повышением трения и создает трудности для смазки. По сравнению с шариками в радиально-упорных подшипниках, ролики в них вращаются только в одном направлении, которое является кинематически благоприятным.
Иногда, высокоточные однорядные цилиндрические роликовые подшипники используются в роли «плавающих» опор высокоскоростных узлов, несмотря на их высокую чувствительность к тепловым деформациям и изменению натяга [131, 188]. Существует ряд способов для повышения надежности и быстроходности этих подшипников [28,130,168]. Контролируемое ослабление внутренних и внешних колец делает подшипник менее чувствительным к изменению натяга. Меньшие контактные зоны дорожек качения, профилирование и использование керамических роликов позволяют уменьшить трение и, следовательно, тепловыделение в подшипниках. Снижение радиальной жесткости роликового подшипника, вызванное этими изменениями его конструкции, не оказывает существенного влияния на статическую и динамическую жесткость шпиндельного узла [188–190], потому что его исходная жесткость всегда выше, чем у шариковых подшипников.
Важнейшие эксплуатационные свойства подшипников качения и всего шпиндельного узла (такие как жесткость, динамическое качество, быстроходность, нагрев и долговечность) в значительной степени зависят от величины и способа реализации предварительного натяга.
Способы реализации предварительного натяга можно разделить на выполненные по жесткой (с геометрическим замыканием) и упругой схемам. Жесткая схема является самым простым решением при проектировании, так как требуется только создать натяг и зафиксировать наружное и внутреннее кольца в осевом направлении либо путем непосредственной оппозитной установки подшипников, либо с помощью соответствующих распорных колец. В зависимости от ориентации подшипников различают две схемы их установки – «X» и «O». При использовании схемы «X» осевое тепловое расширение вала вызывает увеличение внутренних нагрузок в подшипниках, и может привести к выходу их из строя. Соответственно, при использовании схемы «O» нагрузки снижаются [60].
Упругую схему используют для сохранения постоянной величины предварительного натяга в подшипниках, когда возникают существенные относительные перемещения шпинделя и корпуса, вызванные неравномерным нагревом элементов конструкции и действием центробежных сил. Она может быть реализована с помощью тарельчатых пружин, спиральных пружин, распределенных по окружности внешнего кольца одного из подшипников, гидравлических или пневматических поршней, пьезо-приводов.
При использовании традиционных способов создания предварительного натяга в подшипниках, изменение его величины под воздействием внешних факторов (тепловые деформации, центробежные силы, силы резания) не контролируется, и величина натяга не может быть адаптирована к изменяющимся условиям обработки. Для решения проблемы необходимо в режиме реального времени получать объективную информацию о величине осевой нагрузки на подшипники и иметь возможность изменять ее при необходимости.
Особенности моделирования механической части привода
В силу того, что основные возможности по реализации передаточных функций приводов требуемого вида предоставляются при выборе компонентов привода, проектировании тягового устройства и выборе датчика положения, в значительной степени эксплуатационные характеристики, как каждого отдельного привода, так и системы формообразования в целом, определяются при разработке технического проекта станка и на более ранних стадиях проектирования. Однако, благодаря наличию виртуальных устройств, на этапе настройки и ввода оборудования в эксплуатацию возникает возможность реконфигурировать систему управления таким образом, чтобы эксплуатационные свойства каждого привода наилучшим образом соответствовали характеру технологических задач, для решения которых он был предназначен. За счет изменения структуры системы управления и настройки параметров, входящих в нее устройств, можно, в определенной степени, скомпенсировать ошибки, сделанные на этапе конструирования.
Изменение сигнала задания может быть выполнено, как при подготовке, так и при воспроизведении управляющей программы. Изменения сигнала задания, связанные с усилением одних составляющих его спектра или подавлением других, с целью не допустить искажения его полезной составляющей или резонансных явлений в приводе, выполняются элементами системы управления привода. Поэтому будем считать их одним из методов изменения передаточной функции привода.
Целью изменения входных сигналов - qв х(t), является преобразование их к такому виду, при котором минимизируются погрешности воспроизведения исходного геометрического образа детали системой формообразования станка. Существует два способа изменения входных сигналов, названных изменением масштаба времени и предварительным искажением управляющей программы [96]. Из выражений (2,1) следует, что при воспроизведении задания важна не ошибка, являющаяся функцией времени, а непосредственная разница между заданной и полученной поверхностями. Время входит в уравнения (2,2) - (2,5) лишь как промежуточный параметр. Изменением масштаба времени программы называется изменение закона воспроизведения входного сигнала во времени. Так как динамические ошибки привода уменьшаются вследствие снижения скоростей, ускорений и более высоких производных входных воздействий, то точность воспроизведения заданного профиля может быть повышена за счет снижения производительности обработки.
Принято различать постоянный, при скорости V = const, и переменный, при V = f (Y) Ф const, масштабы времени программы. Оба способа основываются на учете эксплуатационных свойств оборудования. Так как скорость обработки выбирается таким образом, чтобы в любой точке детали ошибка не выходила за допустимые пределы, использование постоянного масштаба приводит к существенному снижению производительности, поэтому данный способ практически не применяется. При переменном масштабе скорость обработки выбирается в зависимости от сложности профиля детали, и снижается только на тех участках где динамические ошибки выходят за допустимые пределы. Данный способ является традиционным. Во всех современных CAM-системах предусмотрена возможность интерактивного изменения скорости и ускорения, а в некоторых случаях и рывка, на каждом участке обрабатываемой поверхности.
По мере повышения точности оборудования возрастает роль методов коррекции, а для особо точных станков они становятся преобладающими. В отличие от классических способов обеспечения требуемой точности, связанных с созданием более совершенных в конструктивном и технологическом отношении компоновок, узлов и механизмов станков, коррекция основывается на измерении соответствующей группы погрешностей специальной измерительной аппаратурой непосредственно на станке или, если существует такая возможность, на измерении пробной партии деталей и последующем искажении геометрического образа детали, закладываемого в управляющую программу, или за счет использования специальных устройств, встроенных в конструкцию. Для коррекции за счет предварительного искажения управляющей программы неважны привязка к месту и механизм возникновения погрешностей. Однако надо понимать, что данный метод не является панацеей, принципиальной для него является сама возможность компенсации. Очевидно, что к некомпенсируемым относятся: случайные погрешности, и погрешности, возможность компенсации которых не заложена в конструкцию станка или вообще отсутствует. К таковым относятся погрешности схемы формообразования, возникающие при использовании, вместо теоретически точной, приближённой схемы обработки. Например, при обработке зубчатых колёс методом обката, кривая профиля зубьев детали (эвольвента) образуется как огибающая конечного числа последовательных положений режущих кромок червячной фрезы или долбяка, а получающаяся при этом погрешность профиля (огранка) зависит только от числа зубьев инструмента. Практически не поддаются компенсации данным методом погрешности, вызванные динамическими и нестационарными тепловыми процессами в системе станок – приспособление – заготовка – инструмент.
Наибольший эффект внесение предварительных искажений в управляющую программу дает при компенсации стационарных систематических погрешностей, к которым относятся: погрешности установки приспособления и инструмента на станке, настройки инструмента, установки детали в приспособлении; геометрические погрешности базовых деталей; упругие и неупругие деформации конструкции под действием собственного веса, веса заготовки и усилий закрепления инструмента и приспособления на станке, и заготовки в приспособлении; кинематические погрешности. Этот эффект особенно важен в условиях, когда возможности традиционных методов устранения этих погрешностей в значительной степени исчерпаны.
Влияние конструкции шпиндельного узла на его эксплуатационные характеристики
Анализ графиков показывает хорошую корреляцию результатов исходной и замещающей моделей. Единственная собственная частота, на которой наблюдается существенное количественное расхождение результатов моделирования, равна 3589,7 (3588,5) Гц, но и здесь наблюдается качественное соответствие форм колебаний.
Вычисленная по формуле (3,25б) совокупная жесткость цепной замещающей системы - cz=8145 Нм/рад, примерно на 10% выше жесткости исходной системы сЧисх)=1Ш Нм/рад. Это расхождение можно объяснить расположением центров масс дисков замещающей системы (см. рисунок 3.6,а), которые охватывают только часть длины исходной модели. Жесткость исходной системы, измеренная между точками 1 и 7 (рисунок 3.6,а) - сщ.7)=8129 Нм/рад, что на 0,2% ниже вычисленной совокупной жесткости замещающей системы.
Для сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными были проведены вычислительные эксперименты в среде моделирования динамических систем Simulink, входящей в состав системы инженерных и научных вычислений MATLAB. Для расчетов использовалась цепная модель вращающихся элементов механизма привода подачи. Сравнение результатов экспериментов и моделирования (см. рисунок 3.11,а) показало, что при общем качественном соответствии частотных характеристик наблюдается некоторое расхождение между частотами резонансных пиков (экспериментальные ЛЧХ – серые линии, расчетные – черные).
Снижение модуля упругости до 1,6105 МПа обеспечивает хорошее совпадение частотных характеристик в районе резонансных пиков 544 Гц и 1110 Гц, но на более высоких частотах наблюдается расхождение между результатами экспериментов и моделирования (см. рисунок 3.11,б). Вычисленные для нового значения модуля упругости моменты инерции отличаются менее чем на 1% при одинаковом суммарном моменте инерции, вращающихся элементов конструкции, а жесткости упругих элементов на 15 – 24 % при снижении общей жесткости системы примерно на 20% (см. таблицы 3.5 и 3.6).
Используем для вычисления моментов инерции дисков и жесткостей упругих элементов замещающей цепной системы значения нулей и полюсов, полученных экспериментальным путем. Так как частотный диапазон измерения диагностической системы, интегрированной в контроллер, ограничен 4000 Гц, мы не можем наблюдать собственные значения, лежащие за его пределами. Следовательно, размерность замещающей цепной системы вынужденно сокращается до шести масс (см. таблицы 3.5 и 3.6). Однако результаты моделирования в этом случае имеют наилучшую корреляцию с экспериментальными данными (см. рисунок 3.11,в).
Для оценки влияния крутильных колебаний вращающихся элементов механизма привода на динамику перемещаемого узла были получены частотные характеристики скоростного сигнала с помощью датчика линейных перемещений при значениях коэффициента усиления регулятора скорости равных 0,1 Ас/рад, 0,2 Ас/рад и 0,3 Ас/рад, представленные на рисунках 3.12,а, в и д соответственно (серые сплошные линии). Получить АФЧХ контура скорости при больших значениях коэффициента не удалось из-за потери им устойчивости. На всех графиках наблюдаются существенные возмущения на частотах выше 100 Гц, которые на частотах выше 1000 Гц переходят в сплошной шум. На аналогичных характеристиках, полученных с датчика двигателя (см. рисунки 3.12,б, г и е), подобные возмущения отсутствуют во всем наблюдаемом частотном диапазоне, поэтому мы имеем возможность видеть резонансные пики на частотах 543 Гц, 1110 Гц, 1720 Гц, 1879 Гц и 2436 Гц, соответствующие крутильным колебаниям элементов механической части привода, которые мы не в состоянии различать на рисунках 3.12,а, в и д.
Для оценки степени линейной взаимосвязи входного и выходного сигналов контура скорости определим коэффициент их когерентности, являющийся аналогом коэффициента корреляции в частотной области [8]. Коэффициент когерентности двух переменных во времени процессов оценивается по средним значениям их SJfi) = Xj(fi) ЛУШ = -ХШ) , ХЇ Л и 7, (П- результат дискрет 1 J2L 2 1 ного преобразования Фурье для частоты ft входного и выходного сигнала соответственно, т - число измерений сигналов. Коэффициенты когерентности входного и выходного сигналов контура скорости для крс=0,3 Ас/рад представлены на рисунках 3.12,ж и з.
Влияние коэффициента усиления регулятора на АФЧХ контура скорости (экспериментальные ЛЧХ – серые линии, расчетные – черные): а) – датчик линейных перемещений, kрс=0,1 Ас/рад; б) – датчик двигателя, kрс=0,1 Ас/рад; в) – датчик линейных перемещений kрс=0,2 Ас/рад; г) – датчик двигателя kрс=0,2 Ас/рад; д) – датчик линейных перемещений kрс=0,3 Ас/рад; е) – датчик двигателя kрс=0,3 Ас/рад; ж) – функция когерентности входного и выходного сигналов для случая д); з) – функция когерентности входного и выходного сигналов для случая е) Коэффициент когерентности для скоростного сигнала, полученного с помощью датчика линейных перемещений (см. рисунок 3.12,ж), в диапазоне частот от нуля до 100 Гц близок к единице за исключением небольшого провала в районе резонансной частоты 35 Гц, что свидетельствует о практически линейной зависимости между входным и выходным сигналами. Скачки и падение коэффициента в остальной части наблюдаемого частотного диапазона свидетельствуют о плохой корреляции сигналов, что может быть связано с присутствием в них внешнего шума, нелинейностью системы или неизвестными внутренними системными процессами. Коэффициент когерентности для скоростного сигнала, полученного с помощью датчика вращения (см. рисунок 3.12,з) гораздо более стабилен во всем наблюдаемом частотном диапазоне. Провалы есть только в районах расположения нулей АФЧХ контура скорости, где происходит существенное падение амплитуды выходного сигнала.
Сравнение экспериментальных характеристик с результатами моделирования, представленными на рисунках 3.12,а – е сплошными черными линиями, позволяет сделать вывод, что при значениях коэффициента когерентности близких к единице, расчетные кривые хорошо аппроксимируют экспериментальные данные. В частотном диапазоне, где наблюдается провал и нестабильность коэффициента когерентности, можно наблюдать значительное падение амплитуды выходных сигналов, полученных расчетным путем. Принимая во внимание, что экспериментальный входной сигнал является белым шумом, имеющим постоянную спектральную плотность во всем наблюдаемом частотном диапазоне, можно с высокой степенью уверенности предположить, что источником помех являются шумы от работы силовой и измерительной электроники, заглушающие основной сигнал, и силы трения в направляющих перемещаемого узла.