Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение точности токарной обработки малогабаритных деталей машино- и приборостроения по 1-2 квалитету в автоматизированном режиме обусловливает особое внимание к характеристикам прецизионных станков с ЧПУ и ГПМ. К прецизионным модулям предъявляются высокие требования как по конструкции станка в целом, так и по конструкции отдельных узлов с точки зрения точности и надежности, динамических характеристик, термостабильности, диагностированию состояния, то есть всего того, что обеспечивает устойчивое функционирование.
Прецизионные токарные модули, обрабатывающие детали с размерами не более 50…70 мм по указанному выше квалитету, должны обеспечивать погрешность обработки не более 0,5…1 мкм, шероховатость поверхности 0,03…0,1 мкм. При сверхпрецизионной токарной обработке силы резания малы (не более 30…50 Н), износ инструмента, особенно при резании легкообрабатываемых материалов, незначителен, и, кроме того, обеспечивается стабильный температурный режим работы модуля. Одним из ответственных узлов металлорежущего станка является также шпиндельный узел, участвующий в движениях формообразования. На его долю приходится от 50 до 80% погрешностей. Использование аэростатических опор и средств балансировки обеспечивает высокую точность вращения шпинделя и жесткость. В этих условиях растут требования к приводам подач, чьи характеристики непосредственно влияют на качество формообразующих перемещений рабочего органа - суппорта токарного модуля. Сверхпрецизионная обработка требует обеспечения точности позиционирования суппорта 0,01…0,1 мкм, что часто трудно реализовать из-за несовершенства традиционных механических передач приводов.
Привод подачи является важнейшей частью любого автоматизированного металлорежущего станка (МРС), точность движений его рабочих органов определяет точность обработки деталей, поэтому исследованию точности формообразующих движений рабочих органов металлорежущих станков уделялось особое внимание в исследованиях А.С. Проникова, А.В. Пуша, В.А. Кудинова, В.Н. Подураева, Б.М. Бржозовского, и ряда других ученых. Несмотря на высокие возможности современных цифровых управляющих систем и наличие датчиков положения высокого разрешения, исполнение приводом подачи команд управляющих устройств сопряжено с техническими трудностями вследствие слабой управляемости малых перемещений с дискретностью менее 1 мкм.
В современном автоматизированном прецизионном технологическом оборудовании и контрольно-измерительных машинах в некоторых случаях применяются многоступенчатые фрикционные передачи (МФП), позволяющие в сочетании с аэростатическими направляющими рабочего органа при определенных условиях обеспечить показатели точности, недостижимые с помощью других механических передач. Например, применение МФП в MРC обеспечивает значительное упрощение кинематических цепей, высокий кпд (до 98%), отсутствие люфтов, приемлемую технологичность, низкий уровень вибраций, плавность движений.
В ряде работ рассматривались вопросы точностных характеристик приводов подач, однако в приложении к прецизионной токарной обработке малогабаритных деталей с использованием МФП в приводах подачи они требуют более детального рассмотрения. Применяемый в токарных модулях электромеханический привод подачи имеет в своей основе МФП, содержащую фрикционный редуктор и фрикционную передачу ролик-шток для преобразования вращательного движения в поступательное, а также лазерный интерферометр как датчик обратной связи (ДОС). Исследованием фрикционных передач (ФП) занимались Б.А. Пронин, Р.В. Вирабов и другие ученые. Трехступенчатые ФП, разработанные И.Р. Зацманом, используются в приводе подачи токарных модулей типа ТПАРМ, обладающих высокой точностью позиционирования (до 0,2 мкм). Важным преимуществом МФП является возможность реализации режима стружкодробления. Однако существующие технические решения и условие применения МФП недостаточно исследованы, отсутствует развитая теоретическая база, благодаря которой можно было бы осуществлять автоматизированное проектирование современных приводов с МФП, особенно с большим числом ступеней, и организовать соответствующее управление.
Таким образом, повышение точности формообразующих движений рабочих органов является актуальным научным и практическим направлением представленной работы.
Целью работы является обеспечение сверхпрецизионной обработки на прецизионных МРС за счет повышения точности исполнительных движений в прецизионных автоматизированных станках на основе привода подачи с беззазорной многоступенчатой фрикционной передачей и переменной структурой управления.
Методы исследований. В основу методологии исследований положен системный подход к обеспечению точности формообразующих движений рабочих органов. При этом сложные взаимосвязи в технологической системе упрощаются благодаря тому, что выбраны формообразующие движения рабочих органов, которые имеют в данном случае основное значение в формировании вклада в результирующую погрешность обработки как меру точности. Теоретические исследования выполнены с использованием положений динамики станков, технологии машиностроения, теории резания, автоматического управления, теории вероятностей и математической статистики, основ метрологии, триботехники, теоретической механики.
Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных виброизмерительных приборов, аппаратуры для анализа случайных процессов, средств контроля точности деталей, а также оригинальных устройств измерения линейных движений на базе тензодатчиков и лазерных интерферометров, автоматизированного контроля температуры и динамических процессов в МРС. Исследования проводились на действующем технологическом оборудовании в лабораторных и реальных производственных условиях. Достоверность результатов обеспечивалась современными методами измерений, соответствующей контрольно-регистрирующей аппаратурой и приборами. Использовались современные программные средства вычислительной техники при моделировании процессов, протекающих в системе, а также при обработке и анализе экспериментальных данных.
Научная новизна работы состоит из следующих наиболее крупных результатов:
-
Для обеспечения точности сверхпрецизионной обработки деталей машино- и приборостроения на основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения их результатов решена актуальная научная проблема, связанная с созданием научных основ синтеза беззазорных многоступенчатых фрикционных передач, позволяющих осуществить исполнительные движения рабочих органов с точностью до сотых долей микрометра при минимизации возмущающих воздействий.
2. Предложена и обоснована феноменологическая модель точности сверхпрецизионной обработки в виде двумерной функции нормального распределения погрешностей, сформированной на основе учета погрешностей двух формообразующих движений: погрешности позиционирования рабочего органа с инструментом и погрешности вращения шпинделя с заготовкой при условии минимизации влияния на точность обработки в установленных пределах возмущающих воздействий (температурных, вибрационных, силовых, упругодеформационных. триботехнических, износа инструмента).
3. Разработан комплекс моделей, описывающих физическую сущность процессов в многоступенчатой фрикционной передаче и определяющих параметрическую надежность привода, состоящий из:
математической модели распределения сил между элементами двух- и трехступенчатой МФП, позволяющей определить оптимальные значения угла между векторами сил поджима роликов, минимальное взаимовлияние фрикционных пар при передаче момента, создающего тяговую силу;
математической модели, описывающей динамические характеристики МФП, включающие анализ моментов инерции роликов и штока и выявление доминирующей роли момента инерции первых двух роликов, позволившей рассматривать МФП как звено с передаточной функцией 2-го порядка и выполнить оптимизацию передаточных отношений ступеней МФП;
экспериментально-аналитической модели скольжения в МФП как при непрерывных, так и при дискретных сигналах управления движением позволившей выявить практически совпадающие линейные зависимости скольжения от нагрузки на штоке и его пренебрежимо малое влияние на точность перемещений рабочего органа станка при прецизионной обработке;
физической модели контактных взаимодействий фрикционных пар МФП при работе без смазки и со смазкой, учитывающей изменение коэффициента трения, деформацию фрикционных пар и фреттинг-коррозию, позволившей обосновать целесообразность применения масла в качестве рабочей среды для стабилизации триботехнических и силовых параметров, снижение износа поверхностей и повышения долговечности МФП.
4. Предложена и обоснована методика и алгоритм диагностирования привода подач МФП токарного модуля. включающие контроль тяговой силы, потребляемого электродвигателем тока, текущей скорости и координат перемещения суппорта, обеспечивающих эффективное распознавание, а в ряде случаев и предотвращение отказов, что позволяет сократить время восстановления и значительно повысить эксплуатационную надежность модуля.
5. Обоснован алгоритм и переменная структура управления шаговым приводом подачи автоматизированного прецизионного станка с МФП, сочетающие замкнутое и разомкнутое управление с распределением задачи достижения точности перемещения между датчиком обратной связи и вычислительным управляющим устройством.
6. Получены модели погрешности позиционирования суппорта токарного модуля с малыми скоростями, которые позволяют обосновать, что при установленных ограничениях на погрешность вращения оси шпинделя, дискретность ДОС, изменение температуры элементов конструкции станка и окружающей среды, значения сил резания и характеристики режущей части резца, токарный станок обеспечивает сверхпрецизионную обработку малогабаритных деталей машино- и приборостроения.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на токарных МРС 16Б04П, ТПК-125В, ТПАРМ-100. ТПАРМ-100М, ТПАРМ-80 и шлифовальных станках 3А227В и SwaAGL-50, разработаны методы обеспечения макро- и микрогеометрических параметров точности деталей на прецизионных станках в условиях эксплуатации, использующие повышение точности формообразующих движений рабочего органа за счет применения привода подачи с МФП и лазерным интерферометром (ЛИ), минимизацию влияния в станках динамических процессов и управление точностью размеров. Реализованы методы анализа силовых взаимодействий фрикционных пар и динамических характеристик МФП. Обоснован алгоритм диагностирования привода подачи и предложена методика расчета долговечности МФП. Определение фактических значений коэффициентов трения фрикционных пар позволяет реализовать селективную настройку МФП при изготовлении и в условиях эксплуатации.
На основе результатов исследований на предприятиях авиационной, электронной, станкостроительной и подшипниковой промышленности г. Саратова внедрены методы и средства, обеспечивающие прецизионную обработку деталей на автоматизированных токарных и шлифовальных станках: метод и система оперативной оценки динамического состояния; переменная структура управления точностью движений при токарной и шлифовальной обработке; методы и средства настройки МФП и динамической балансировки шпинделей в условиях эксплуатации; методики испытаний МРС на технологическую надежность в производственных условиях; технические предложения по совершенствованию конструкции опытных и модернизации серийных образцов МРС.
Результаты работы внедрены на ряде предприятий, что подтверждено актами внедрения.
По результатам работы издано учебное пособие «Конструкции современных автоматизированных станков как объектов управления в машиностроении», используемое в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ им. Гагарина Ю.А.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 36 конференциях различного уровня.
на международных конференциях:
Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении, (Рыбинск, 2012); Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении (Саратов, 2002, 2006, 2007, 2009); Динамика технологических систем (Ростов-на-Дону, 2001, 2007); Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы, (Волжский, 2000, 2001, 2002, 2007); Современные технологии в машиностроении, (Пенза, 1997, 2006); Динамика технологических систем (Саратов, 2004); Высокие технологии в машиностроении (Самара, 2002); Актуальные проблемы электронного приборостроения и машиностроения (Саратов, 2002); Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин, (Пенза, 2001); Региональные особенности развития машино- и приборостроения, (Саратов, 2000); Точность и надежность технологических и транспортных систем, (Пенза, 1998, 1999); Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем, (Пенза, 1997); Точность автоматизированных производств, (Пенза, 1997); Проблемы управления точностью автоматизированных производственных систем, (Пенза, 1996); Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств, (Пенза, 1995).
на всероссийских конференциях:
Проблемы качества технологической подготовки (Волжский, 2007); Современные технологии в машиностроении, (Пенза, 2000, 2002); Информационные технологии в науке, проектировании и производстве (Н.Новгород, 2000); Состояние и проблемы измерений (Москва, 2000); Математические и условно-логические модели объектов для векторно-энергетического управления в технических, биологических и социальных системах (Москва, 1998); Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы (Волжский, 1997, 1998); Автоматизация технологической подготовки деталей на станках с ЧПУ (Санкт-Петербург, 1992); Автоматизация машиностроения на базе станков с ЧПУ и управляющих ЭВМ (Москва, 1976); Ремонт и модернизация технологического оборудования (Москва, 1975).
Экспериментальный образец МФП и результаты его исследований были представлены на VI Саратовском салоне изобретений. инноваций и инвестиций (2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 112 работ, в том числе 16 статей в изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ, 6 монографий, 1 авторское свидетельство.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 287 наименований и приложений. Работа содержит 346 страниц текста, 118 рисунков и 25 таблиц.
