Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ факторов, влияющих на точность координатно расточных станков, и рассмотрение методов ее повышения 14
1.1 Факторы, влияющие на точность координатно-расточных станков 14
1.2 Снижение точности координатно-расточных станков вследствие силовых деформаций несущих систем, геометрических и кинематических погрешностей 19
1.3 Снижение точности координатно-расточных станков вследствие контактных взаимодействий в их несущих системах 21
1.4 Снижение точности позиционирования координатно-расточных станков 24
1.5 Повышение точности координатно-расточных станков путем автоматической коррекции параметров подсистем 28
Выводы по главе. Формулировка цели и задач исследований 37
2 Аналитические исследования влияния силовых деформаций технологической системы вертикального координатно-расточного станка на его точность 39
2.1 Разработка математической модели вертикального координатно-расточного станка (статика) и оценка влияния деформаций упругой системы на его точность 39
2.2 Разработка динамической модели координатно-расточного станка вертикальной компоновки и исследование относительных колебаний подсистемы «инструмент-заготовка » 52
2.3 Один из методов разбиения рабочего пространства координатно-расточного станка 63
2.4 Последовательность реализации метода автоматической компенса ции погрешностей 65
Выводы по главе 69
3 Техническая реализация лазерного автоматизированного измерительного комплекса оценки точности вертикальных координатно-расточных станков и устройства . автоматического управления положением корпуса шпиндельной бабки на направляющих стойки 71
3.1 Конструктивные особенности и работа лазерного автоматизированного измерительного комплекса „ 71
3.2 Оптическая схема лазерного автоматизированного измерительного комплекса 78
3.3 Блок обработки информации лазерного автоматизированного измерительного комплекса 80 -
3.4 Система автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки на направляющих стойки вертикального координатно-расточного станка 82
Выводы по главе 86
4 Экспериментальные исследования упругих перемещений в ' несущей системе вертикального координатно-расточного станка и их влияние на его точность 87
4.1 Методика определения выходной точности прецизионных одностоечных координатно-расточных станков 87
4.2 Методика статистической обработки результатов экспериментальных исследований повышения точности станков 90
4.3 Экспериментальные исследования контактных и изгибных деформаций несущей системы прецизионного вертикального координатно-расточного станка .- 93
4.3.1 Экспериментальные исследования упругих перемещений в стыке «стол - салазки» -.. 96
4.3.2 Экспериментальные исследования упругих перемещений в стыке «салазки - станина» 102
4.3.3 Экспериментальные исследования упругих перемещений в стыке «корпус шпиндельной бабки - стойка» 107
4.3.4 Экспериментальные исследования упругих деформаций стойки 11 о
4.3.5 Экспериментальные исследования упругих перемещений в стыке «стойка-станина» 120
4.4 Исследование влияния жесткости стыка «корпус шпиндельной бабки направляющие стойки» вертикального координатно-расточного станка на уровень относительных колебаний подсистемы «инстру мент-заготовка» 126
4.5 Результаты экспериментальных исследований повышения точности станков методом автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки на направляющих стойки 129
Выводы по главе 135
Основные результаты и выводы 137
Библиографический список 139
Приложение А
- Снижение точности координатно-расточных станков вследствие силовых деформаций несущих систем, геометрических и кинематических погрешностей
- Разработка динамической модели координатно-расточного станка вертикальной компоновки и исследование относительных колебаний подсистемы «инструмент-заготовка
- Оптическая схема лазерного автоматизированного измерительного комплекса
- Методика статистической обработки результатов экспериментальных исследований повышения точности станков
Введение к работе
Актуальность темы. Для современного металлорежущего оборудования характерно дальнейшее повышение требований к его точности, надежности и долговечности. Особенно это актуально применительно к координатно-расточным станкам, на которых решаются следующие задачи: высокоточная обработка заготовок различной массы, габаритов, в том числе в крайних положениях подвижных узлов - шпиндельной бабки, салазок, стола и т.д. Однако геометрические погрешности и силовые деформации приводят к существенному снижению точности оборудования и требуют разработки специальных методов ее повышения.
Традиционные методы повышения точности сводятся к увеличению жесткости несущих систем станков, выбору рациональной конструкции их корпусных деталей, повышению качества сборки и доводки узлов, подбору смазочных материалов и т.д. Однако они практически достигли определенного предельного уровня влияния на точность технологических систем станков.
Одним из наиболее перспективных путей повышения точности станков является оснащение их специальными системами автоматической коррекции и регулирования. При этом положительный эффект достигается путем формирования вектора специальных воздействий на различные подсистемы станка.
В настоящей работе разрабатывается метод повышения точности технологической системы на примере вертикальных координатно-расточных станков путем автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки на направляющих стойки, а также коррекции управляющей программы обработки изделия.
Для обоснования, разработки и реализации этого метода потребовалось выполнить баланс точности вертикального координатно-расточного станка, провести специальные исследования силовых деформаций его несущей системы. Эти исследования были необходимы для оценки доли погрешностей, вносимых силовыми деформациями в общий баланс точности металлорежущего оборудования.
Станкостроительное ЗАО «СТАН-САМАРА» осуществляет ремонт и модернизацию ранее выпускаемых координатно-расточных станков, имеющих различные компоновочные схемы. К таким станкам можно отнести высокоточные станки моделей 24К40СФ4, 2458АФ1, 2459АФ1, 2А459АМФ4 и ряд других, широко используемых в оборонной промышленности и народном хозяйстве. Поэтому исследования, направленные на повышение точности существующего металлорежущего оборудования, являются весьма актуальной задачей современного производства.
В нашей стране и за рубежом известны системы автоматического управления положением корпусных деталей, в частности станин, относительно фундамента. Однако коррекция положения подвижных узлов, например корпусов шпиндельных бабок, является новым направлением повышения точности станков.
Поэтому разработка этого метода позволяет существенно повысить точность металлорежущего оборудования.
Исследования выполняли по заказу Федерального государственного унитарного предприятия «Научное конструкторско-технологическое бюро «ПАРСЕК»» (г. Тольятти) в 1996 - 2002 г.г.
Автор защищает: 1. Математическую модель вертикального координатно-расточного станка с учетом устройства коррекции положения корпуса шпиндельной бабки и конструктивных особенностей станка.
Динамическую модель технологической системы вертикального координатно-расточного станка и результаты влияния устройства коррекции на уровень относительных колебаний инструмента и обрабатываемой заготовки.
Лазерный автоматизированный измерительный комплекс для экспресс-оценки точности вертикальных координатно-расточных станков во всех точках их рабочего пространства.
Техническую реализацию системы автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки на направляющих стойки вертикального координатно-расточного станка.
Цель работы. Повышение точности технологических систем вертикальных координатно-расточных станков методом автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки на направляющих стойки.
Для достижения поставленной цели решен комплекс следующих задач:
Разработана математическая модель вертикального координатно-расточного станка (статика) с учетом устройства коррекции положения корпуса шпиндельной бабки и оценено влияние деформаций упругой системы на его точность.
Разработана и исследована динамическая модель технологической системы координатно-расточного станка вертикальной компоновки с учетом устройства коррекции.
Разработан лазерный автоматизированный измерительный комплекс для экспресс-оценки точности вертикальных координатно-расточных станков во всех точках их рабочего пространства.
На основе проведенных исследований разработана, изготовлена и отлажена система автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки на направляющих стойки вертикального координатно-расточного станка.
На основе выполненных исследований и разработок осуществлено внедрение комплекса методик расчета оценки влияния деформаций упругой системы на точность координатно-расточных станков.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на методах классической механики, линейной алгебры, теории вероятностей и математической статистики. Вопросы анализа и синтеза систем коррекции решали методами дифференциального и интегрального исчислений, операторным и частотным методами, численными методами. Исследования вертикального координатно-расточного станка проводили экспериментальными методами, в том числе в условиях его промышленной эксплуатации.
Научная новизна. 1. Разработана математическая модель вертикального координатно-расточного станка (статика) с учетом устройства коррекции положения корпуса шпиндельной бабки и оценено влияние деформаций упругой системы на его точность.
Разработана динамическая модель технологической системы координатно-расточного станка вертикальной компоновки с учетом устройства коррекции и упруго-диссипативных свойств стыков, позволяющая оценить влияние устройства коррекции на уровень относительных колебаний инструмента и обрабатываемой заготовки.
Разработан лазерный автоматизированный измерительный комплекс, позволяющий оценить снижение точности, вызванное геометрическими погрешностями положения корпуса шпиндельной бабки на направляющих стойки, а также эффективность системы автоматической коррекции.
Разработана система автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки на направляющих стойки, позволяющая компенсировать погрешности, возникающие в результате деформаций упругой системы станка.
Практическая ценность. На основе проведенных исследований разработаны инженерные методики расчета точности вертикальных координатно-расточных станков, что позволяет на этапе проектирования создавать современное прецизионное металлорежущее оборудование, учитывая при этом влияние их конструктивных особенностей.
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены:
в виде комплекса инженерных методик расчета точности прецизионных координатно-расточных станков вертикальной компоновки (Федеральное государственное унитарное предприятие «Научное конструкторско-технологическое бюро «ПАРСЕК»», г. Тольятти);
в виде рекомендаций и методики постановки и проведения вычислительных и натурных экспериментов по повышению точности координатно-расточных станков (Тольяттинский государственный университет);
в виде системы автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки прецизионных координатно-расточных станков вертикальной компоновки (Опытное производство Федерального государственного унитарного предприятия «Научное конструкторско-технологическое бюро «ПАРСЕК»», г. Тольятти).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях: «Применение лазеров в науке и технике», (Новосибирск, 1992), «АМТЕХ 2001», (Созопол, Болгария, 2001), «Автоматизация и производственный контроль», (Тольятти, 2006), Всероссийских научно-технических конференциях «Технический ВУЗ - наука, образование и производство в регионе», (Тольятти, 2001), «Прогрессивные технологические процессы в машиностроении», (Тольятти, 2002), «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении», (Тольятти, 2005), Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Компьютерные технологии в
машиностроении», (Тольятти, 2007), представлены на научно-технических семинарах кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств» ТГУ в 2008 и 2009 г.г., кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ в 2009 и 2010 г.г., а также на заседании НТС ТГУ в 2010 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 в изданиях по списку ВАК РФ, получено 1 авторское свидетельство СССР и 1 патент РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы (161 наименование) и приложений, включает 175 страниц машинописного текста, в том числе 35 рисунков и 6 таблиц.
Работа выполнена на кафедре «Автоматизация технологических процессов и производств» Тольяттинского государственного университета.
Снижение точности координатно-расточных станков вследствие силовых деформаций несущих систем, геометрических и кинематических погрешностей
Погрешности несущей системы в процессе обработки обычно переносятся на обрабатываемую заготовку. Современные требования, предъявляемые к несущим системам станков, направлены на повышение жесткости их конструкций. Это, в первую очередь, относится к прецизионным координатно-расточным стан кам. Действие силовых факторов (веса подвижных узлов, обрабатываемой заготовки, сил резания и т.д.) воспринимается несущей системой станка, а возникающие упругие деформации нарушают правильность взаимного расположения инструмента и заготовки. Изменение величины упругих перемещений связано с переменным характером силовых воздействий. Например, составляющие силы резания изменяются в процессе обработки заготовки по величине, .направлению и точке приложения. Масса подвижных узлов станка при их передвижении оказывает различное действие на несущую систему и меняет величину упругих перемещений [4, 17, 48]. Для координатно-расточного станка погрешности обработанной заготовки сводятся к трем различным ошибкам: погрешности формы и размера отверстий, погрешности углового расположения осей отверстий и погрешности расстояния между отверстиями, вызванным искривлением направляющих в результате изгиба и кручения станины. Причем каждая из указанных погрешностей зависит от различных геометрических и упругих погрешностей в их взаимодействии. Рядом исследований [49, 50, 58, 64, 71, 104, 107] показано, что потеря точности обработки обусловлена изменением взаимного положения инструмента" и заготовки и неравномерностью износа направляющих.
Известно [21, 100, 107], что геометрические погрешности характеризуют ошибки взаимного расположения узлов станков и зависят от точности обработки их деталей при изготовлении и сборке станков. Геометрические погрешности обычно оцениваются по их влиянию на точность взаимного расположения инструмента и обрабатываемой заготовки в процессе формообразования ее поверхности. Такие погрешности относятся к начальным параметрам станков.
Кинематические погрешности влияют на скорость движения исполнительных (рабочих) органов станка, несущих инструмент и обрабатываемую заготовку, шпинделя и стола соответственно. Они особенно важны в тех случаях, когда скорость движения инструмента относительно заготовки влияет на формообразование,, что имеет -место при обработке сложных поверхностей на координатно-расточных станках.
Кинематические погрешности складываются вследствие ошибок в переда точных числах зубчатых, червячных и винтовых передач кинематической цепи, вследствие неточности изготовления элементов привода и переменной жесткости станка. На кинематическую точность координатно-расточных станков большое влияние оказывают ошибки конечных звеньев кинематической цепи.
Наиболее эффективным с точки зрения снижения влияния геометрических и кинематических погрешностей на точность прецизионных станков является высокое качество поверхностей, участвующих в работе подвижных узлов, а также деталей, участвующих в работе технологического оборудования.
Погрешности металлорежущих станков в значительной мере определяются многими параметрами, представленными функциональной зависимостью (1.1). Рассматривая [16, 18, 45] действие первичных (составляющих) погрешностей независимо друг от друга, на основе принципа суперпозиции можно выразить суммарную погрешность в детерминированном виде:
Здесь AY является погрешностью, вносимой контактными деформациями в местах сопряжения узлов. Контактным взаимодействиям в стыках и их влиянию на точность [67, 71, 115, 148], в частности станков, посвящено значительное число работ как отечественных, так и иностранных ученых, внесших значительный вклад в разработку теоретических и экспериментальных аспектов контактного взаимодействия реальных поверхностей.
В работах К.В. Вотинова были представлены результаты экспериментальных исследований жесткости суппортов токарных станков. Было выявлено, что собственная жесткость деталей значительно выше жесткости их сопряжений. Отклонение стыков от правильной геометрической формы приводит к неравномер ному перераспределению давлений, и соответственно упругие перемещения будут изменяться в значительных пределах.
Исследования, продолженные А.П. Соколовским, дали возможность найти аналитические выражения зависимости величины сближения" от давления и теоретическим путем оценить влияние волнистости на жесткость стыка.
При моделировании точности технологического оборудования, освещенном в работах Б.М. Базрова [6, 7], вводятся деформируемые связи между абсолютно твердыми телами, аппроксимирующие влияние контактной податливости стыков на положение контактирующих тел. Связи принимались двухсторонними й стационарными. Они накладывались таким образом, что при нагружении задача оценки погрешности становилась статически определимой.
В рассматриваемых моделях учитывалось в основном влияние макроотклонений стыкуемых поверхностей на точность технологического оборудования. Другой подход к моделированию точности основывался на учете их микроотклонений - шероховатости и волнистости. Связи принимались односторонними и рассматривались только деформации поверхностного слоя сопряжения без учета собственных деформаций деталей.
Состояние проблемы моделирования точности технологического оборудования дается в работах В.Г. Митрофанова, Ю.М. Соломенцева, М.Г. Косова, В.Т. Портмана [97, 123, 124]. В них проводится анализ и классификация моделей, задач точности с позиции передачи сил через тела деталей и связей между ними. Схематически модели точности были представлены развивающейся последовательностью изменяющихся свойств- деталей с усложняющимися видами связей между ними.
Значительный шаг в изучении контактных взаимодействий шероховатых поверхностей был сделан в работах И.В. Крагельского, Н.В. Демкина, Э.В. Рыжова, А.Г. Суслова, сформировавших современные представления о процессах; протекающих в зонах контакта [46, 68, 116, 130 и др.]. При контактировании шероховатых поверхностей первыми вступают в контакт микровыступы, которым на сопряженной поверхности противостоят такие же выступы [46, 75]. Форма микро неровностей весьма разнообразна и зависит от многих факторов, в том числе от вида технологической обработки, физико-механических свойств поверхностных слоев и т.д. Их форма далека от правильной, однако, чтобы рассчитывать деформации микровыступов, их можно представлять в виде геометрически правильных тел. Например, в работе [76] была предложена стержневая "модель взаимодействующих микронеровностей, рассматривающая упругое деформирование выступов.
В последнее время качеству взаимодействующих поверхностей деталей машин, станков и т.п. продолжает уделяться большое внимание. Это-вызвано ростом требований к жесткости конструкций. Соответственно при изучении шероховатости контактирующих поверхностей в работах Я. А. Рудзит был применен вероятностно-статистический подход. Последний позволил учитывать масштабный фактор при контактировании реальных деталей. Значительный вклад в данное направление внесли работы [69, 117 и др.].
Разработка динамической модели координатно-расточного станка вертикальной компоновки и исследование относительных колебаний подсистемы «инструмент-заготовка
Разработка динамической модели координатно-расточного станка вертикальной компоновки и исследование динамических характеристик его упругой системы является важным этапом проектирования. Это позволяет учесть влияние конструктивных и силовых параметров упругой системы на шероховатость обрабатываемых поверхностей. Эта задача приобретает значительную актуальность, например при создании прецизионных координатно-расточных станков, на которых осуществляется финишная обработка заготовок.
Поэтому, целью разработки динамической модели является нахождение аналитических зависимостей между контактными деформациями в стыках корпусных деталей технологической обрабатывающей системы станка и амплитудой колебаний между ними.
С помощью динамической, модели упругой системы станка можно исследовать относительные колебания инструмента и заготовки, что позволяет оценить их влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности.
Принимая во внимание физические особенности исследуемого координатно-расточного станка, и прежде всего наличие стыков, составим динамическую модель его упругой системы.
Известно [55], что при колебаниях узлы станка и обрабатываемой заготовки перемещаются как абсолютно жесткие тела, при этом деформации станка в основном сосредоточены в его стыках.
Рассмотрим расчетную динамическую модель станка в виде линейной многомассовой системы с упругими и диссипативными связями [19]. Выбор количества масс определяется задачами исследования, стремлением упростить расчетную схему, с одной стороны, и учесть наиболее существенные параметры, с другой стороны. Следует отметить, что особый интерес при исследовании представляют низшие собственные частоты системы и амплитуды колебаний при этом.
Учитывая, что доминирующими перемещениями, как показали приведенные предварительно экспериментальные исследования, являются перемещения в стыках, колебательную систему станка можно представить в виде модели, состоящей из пяти сосредоточенных масс (рисунки 2.3 и 2.4). Причем на рисунке 2.3 изображена расчётная схема станка в плоскости YOZ, а на рисунке 2.4 - в плоскости XOZ.Пусть, Ш], Ii; т2, h; Щ, 1з in4 U т5, 15 - массы и моменты инерции узлов станка; С], с2, сз, ...,сз4 и к}, к2, кз,..., кз4 коэффициенты жесткости и демпфирования соответственно.
Внешним возмущающим воздействием (источником вынужденных колебаний) полагаем силу резания, возникающую при фрезеровании обрабатываемой заготовки и, в первом приближении, изменяющуюся по гармоническому закону, где P = P0sinQrt[134].Колебания "будем рассматривать в направлении оси OY и угла поворота у/, так как в этом направлении они максимальны по величине и оказывают наибольшее влияние на точность и качество обработки.
Учитывая вышеуказанное, за обобщенные координаты принимаем относительные перемещения масс, отсчитываемые от начала координат, расположенных в центре тяжести каждой массы, и углы поворота массы - относительно их центров тяжести. Для принятой модели, используя принцип Даламбера, составим уравнения равновесия: расточного станка в плоскости YOZ Однако для определения амплитуды относительных колебаний режущего инструмента и обрабатываемой заготовки наиболее удобен метод механического импеданса. Поэтому, осуществив необходимые преобразования, решая систему линейных уравнений (2.18где Hi, Ei и В І, Fj - действительные и мнимые части определителей при соответствующих неизвестных; С и Д - действительные и мнимые части главного определителя системы (2.20). Модули полученных комплексных решений вида (2.21) определят амплитуды колебаний каждой массы под действием единичной возмущающей силы:
Таким образом, получены аналитические зависимости, описывающие динамические характеристики упругой системы станка. Они позволяют, варьируя параметрами модели, оценить шероховатость обрабатываемой поверхности заготовки. Кроме того, имеется возможность рассчитать амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики системы и оценить влияние жесткостных и демпфирующих свойств на интенсивность относительных колебаний инструмента и обрабатываемой заготовки.
На основе найденных вышеуказанных уравнений (с применением соответствующего программно-аппаратного обеспечения) были получены амплитудно-частотные характеристики колебаний пятимассовой динамической модели вертикального координатно-расточного станка.
Для анализа влияния колебаний на шероховатость поверхности обработки наибольший интерес представляют амплитудно-частотные характеристики - кривые колебаний инструмента т и заготовки mj. Результаты изображены на рисунках 2.5, 2.6 и 2.7 соответственно. Исходные данные С/ для расчета были полу
Оптическая схема лазерного автоматизированного измерительного комплекса
Для оценки эффективности работы системы автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки координатно-расточного станка возникла задача разработки лазерного автоматизированного измерительного комплекса. Необходимость ее решения объясняется еще и тем, что существующие способы применяются в основном для плоскостных измерений и не позволяют получить пространственную картину распределения погрешностей во всех точках рабочего пространства станка.
Для измерения линейных перемещений малых величин был использован оптический метод, который заключается в фиксировании координат генерированного лазером светового пучка, координаты которого известны, и отраженного параллельного светового пучка, координаты которого зависят от величины погрешностей координат в рабочем пространстве программно-управляемых станков.
На рисунке 3.5 представлена оптическая схема автоматизированного измерительного комплекса. В качестве генератора светового потока используется полупроводниковый лазер 1 ИЛПН 205 или аналогичных типов, выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами, например, 32 ДЛ, ИПЛ-ЗОКит.д.
Полупроводниковые лазеры указанных типов генерируют световой пучок поперечного сечения 0,2 х 1,0 мм и углом расходимости 30. Наличие таких характеристик светового потока вызывает необходимость применения в оптической схеме устройства съема информации о погрешностях координат оптических элементов, позволяющих преобразовать генерируемый световой поток в направленный поток круглого, сечения диаметром б мм и с отклонением от этого диаметра, по длине до 500 мм не более 0,5 мкм. Эта задача решается путем введения в оптическую схему системы линз 2, диафрагмы 3, уголкового отражателя 4 (триппель-призмы) и фотоприемника (фотодиода) 6 ФДК - 142, установленных в шпиндельном модуле [104].
Оптическая система линз 2 служит для создания светового направленного пучка круглого сечения во избежание искажений при дальнейших преобразованиях светового потока.Диафрагма 3 предназначена для преобразования светового пучка круглого сечения в световой направленный пучок необходимого диаметра.
Как было указано выше, применение метода оптического измерения погрешностей возможно только при получении отраженного параллельного светового луча. Этой цели в оптической схеме служит уголковый отражатель 4, вмонтированный в платформу настольного модуля. Для получения отраженного светового пучка используется диафрагма 5, установленная над уголковым отражателем. Применение диафрагмы 5 позволяет устранить возможные искажения, возникающие при отражении, и уменьшить диаметр отраженного светового потока примерно до пяти миллиметров в диаметре. Настольный модуль измерительной системы устанавливается на стол-спутник координатно-расточного станка.
Оптическая схема лазерного измерительного комплекса работает следующим образом. Пучок света, излучаемый полупроводниковым лазером /, проходит через систему линз 2, диафрагму 3 и попадает на уголковый отражатель 4. При этом возникает отраженный, параллельный падающему, направленный световой пучок. После преобразований отраженный световой пучок воспринимается фотоприемником (фотодиодом) 6, что дает возможность оценивать погрешности, возникающие в упругой системе станка, и позволяет контролировать эффективность работы системы автоматической коррекции положения корпуса шпиндельного модуля.
Блок обработки информации предназначен для измерения напряжений в цепи двухпозиционного фотоприемника и выдачи результата измерений в двоично десятичном коде. Он содержит устройства визуализации измеренных отклонений, обеспечивающие вывод их величин на семисегментные индикаторы, и обработки информации, пересылающие полученные данные в персональный компьютер.
Метод измерений реализуется следующим образом. На столе станка устанавливается платформа, содержащая сеть триппель-призм, оптически связанных с устройством фиксации опорных лучей - двухкоординатным фотоприемником. В этом случае центр луча (центр отверстия диафрагмы триппель-призмы) соответствует опорной точке. Координаты всех опорных точек определяются эталонными метрологическими средствами, например интерферометром, и хранятся в аттестационной таблице платформы. При этом каждая такая платформа имеет индивидуальное случайное расположение опорных точек. Лазер и двухкоординатный фотоприемник устанавливаются в шпинделе, соосно ему, при помощи специальной оправки.
При проведении измерений шпиндель с установленными в нем лазером и двухкоординатным фотоприемником переводится в крайнее нижнее положение по вертикальной оси. Луч лазера совмещается с отверстием диафрагмы базовой триппель-призмы. Отраженный триппель-призмой луч попадает на перекрестие двухкоординатного фотоприемника. В этом положении устанавливается плавающий ноль системы ЧПУ станка. Шпинделю задается перемещение вверх вдоль его оси. Через определенные интервалы перемещения шпинделя производится измерение отклонений луча от перекрестия фотоприемника: измеряется разностное напряжение, снимаемое с выводов диагонально противоположных секторов фотоприемника, величина которого по тарировочной таблице переводится в величину отклонения. Процесс измерения отклонений производится до перемещения шпинделя в крайнее верхнее положение. Указанная процедура измерения погрешностей повторяется для всех последующих триппель-призм. По окончании измерений производится программная обработка результатов с составлением таблицы поправок. Возможно представление реального рабочего пространства в виде трехмерной системы кривых на экране дисплея.
Следует отметить высокую чувствительность ЛАИК и, вследствие этого, ряд особенностей проведения измерений. В связи с использованием лазера необходимо термоконстантное кондиционируемое помещение. Предъявляются высокие требования к постоянству температуры воздуха, отсутствию воздушных потоков, запыленности в помещении. Испытаниям мешает вибрация и внешние перемещающиеся источники света. Измерения необходимо проводить в ночное время при выключенном цеховом оборудовании. Указанные требования соблюдались при получении метрологических характеристик. Испытания станка проводились в термоконстантной зоне сборочного цеха Самарского станкостроительного производственного объединения (ЗАО «СТАН-САМАРА»).
В результате измерений и последующей аппроксимации наблюдений можно получить объемные погрешности координат в любой точке рабочего пространства. Метод эффективен для оценки состояния и настройки станка, например при проведении планово-предупредительного ремонта металлорежущего оборудования.Лазерный автоматизированный измерительный комплекс предназначен для повышения точности обработки на программно-управляемых станках путем автоматической коррекции выявленных объемных погрешностей.
Вычисленные поправки вводятся в ЧПУ станка и затем используются при обработке заготовок.На рисунке 3.6 изображен прецизионный координатно-расточный станок модели 24К40СФ4, оснащенный лазерным автоматизированным комплексом.
Методика статистической обработки результатов экспериментальных исследований повышения точности станков
Методика статистической обработки результатов экспериментальных исследований повышения точности станков подробно рассмотрена в [136]. Из [114] известно, что погрешности взаимного расположения поверхностей или осей заготовок (неперпендикулярность, непараллельность и т.д.) являются случайными величинами. Последние подчиняются либо закону модуля разности, либо закону эксцентриситета.
Как показал анализ случайных величин Yx, Y2 и Y] , Y2 э каждая из них в отдельности подчиняется закону нормального распределения. При этом их дисперсии практически равны между собой. Поэтому есть основание предположить, что координаты образующей растачиваемого отверстия подчиняются закону модуля разности, который имеет вид [114] где /j - расстояние между точками замера Yx и Y2 ;в нашем случае 1Х = 50 мм.
Диапазон полученных значений fy и Ту разбивался на т интервалов так, чтобы их величина была больше цены деления шкалы измерительного прибора. Центр группирования случайных величин отклонений параметров обраба где t] - координата середины каждого выбранного I - го интервала; fi - частота появления случайной величины в / - ом интервале;п — число заготовок в выборке; ш - число интервалов. Среднеквадратичное отклонение размеров от центра группирования [114]:
Производилась проверка каждой выборки по критерию случайности. В процессе проверки необходимо было убедиться, что в выборке заготовок не произошло смещение центра рассеивания погрешностей. Проверка случайности выборки производилась методом последовательных разностей. Были составленып -1 разностей а І — LM — Li между соседними результатами измерений заготовок, расположенных в последовательности их обработки.
Проверка выборок заготовок, обработанных на базовом станке и станке, оснащенном системой автоматической коррекции положения корпуса шпиндельной бабки, показала, что все выборки отвечают критерию случайности. Причем, используя предлагаемую методику, были обработаны результаты растачивания отверстий и построены эмпирические кривые закона распределения модуля разности. Характер кривых распределения получается близким к нормальному закону распределения с уклонением.
Для оценки уклонения в предлагаемой методике следует привести выражение [114], позволяющее определить меру асимметрии
Проверка гипотезы нормального закона распределения размеров проводилась по критерию А.Н. Колмогорова [114]. Этот критерий позволяет получить достаточно точные результаты даже при объеме выборок, состоящих из нескольких десятков членов. Величина Л определяется из выражениягде NY и NY - накопленные теоретические и эмпирические частоты; п - объем выборки.
По вычисленному значению Л по таблице приложения 13 [114] определялась вероятность Р(Л) . Если Р(Л) 0,05 , то расхождение между теоретической и эмпирической функциями распределения считается существенным, а не случайным. При этом гипотеза бракуется. Если же Р(Л) 0,05, то гипотеза принимается.
Проверка законов распределения по критерию А.Н. Колмогорова показала, что при растачивании отверстий, выполненных на базовом станке и станке, оснащенном системой автоматической коррекции положения корпуса шпиндель ной бабки, отклонения подчиняются нормальному закону и вероятность Р(%) составляла 0,8534 и 0,6528 соответственно.
При статистической обработке результатов растачивания отверстий осуществлялась оценка случайности выборки методом последовательных разностей. Проверка выборок показала, что все заготовки (отверстия) выборок отвечают критерию случайности.
