Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Тенденции применения механизмов параллельной структуры в несущей системе 5-ти координатных многоцелевых станков 12
1.1. Основные тенденции развития современной технологии обработки резанием в самолётостроении и требования к НС 5-координатных фрезерных станков 12
1.2. Классификация структурных схем 5-ти координатных станков по признаку связности приводов 13
1.2.1. Основные термины и определения, используемые в работе 13
1.2.2. Построение классификации 14
1.2.3. Традиционные конструкции НС станков с ЧПУ (структура Р5С0) 17
1.2.4. Станки параллельной структуры Р0С6 20
1.2.5. Станки гибридной структуры Р1С6 и Р2СЗ 22
1.3 Постановка задачи исследования 29
ГЛАВА II. Экспериментальные исследования точности позиционирования и воспроизведения «эталонной траектории» на станке-гексаподе 30
2.1. Исследование точности позиционирования 33
2.1.1.Точность позиционирования по линейным координатам 33
2.1.2. Точность позиционирования по угловым координатам 39
2.1.3.Выводы по исследованию точности позиционирования 41
2.2. Точность воспроизведения «эталонной» окружности 43
2.2.1.Мето дики оценки точности движения по «эталонной» траектории 43
2.2.2Результаты исследования точности отработки круговой траектории в различных плоскостях расположения эталонной окружности (XY, XY, XZ, XZ, YZ) и при различных скоростях обхода 48
2.2.3 .Влияние радиуса окружности на точность обхода контура 57
2.2.4 Выводы по точности обхода эталонной траектории - окружности 59
ГЛАВА III. Экспериментальное исследование статической жёсткости несущей системы станка-гексапода .61
3.1. Методика измерения статической жёсткости 62
3.2. Результаты измерения статической жёсткости 65
3.3. Сравнение жесткости НС станка «Гексамех-1» с жесткостью станков и приборов других конструкций 70
3.4. Соотношение интегральной жёсткости НС станка-гексапода и жёсткости отдельной штанга 76
3.5. Выводы по результатам исследования статической жесткости станка «Гексамех- 1» 78
ГЛАВА IV. Экспериментальные исследования динамической податливости несущей системы станка-гексапода 79
4.1. Гармоническое силовое воздействие 80
4.1.1. Описание метода гармонического силового воздействия 83
4.1.2. Результаты измерения динамической податливости методом гармонического силового воздействия на НС станка 84
4.2. Ступенчатое силовое воздействие 91
4.2.1.Описание метода 92
4.2.2.Результаты измерения динамической податливости методом ступенчатого силового воздействия нагружающей силы 95
4.3 Выводы по главе 99
ГЛАВА V. Натурные исследования динамических свойств станка - гексапода при обработке тестовых поверхностей и образцов - изделий 100
5.1. Методика натурных исследований 100
5.2. Проверка наличия поперечных колебаний при импульсном силовом воздействии
на платформу Гауфа - Стюарта через приводы штанг 102
5.2.1. Обработка поверхности. Направление обработки вдоль оси Y (движение, осуществляемое платформой) 102
5.2.2. Обработка поверхности. Направление обработки - в плоскости оси X (движение, осуществляемое столом) 107
5.2.3. Параметры «вибрационного следа» при различных режимах резания 107
5.3. Исследование колебаний корпуса шпинделя в поперечном направлении к
направлению движения корпуса шпинделя (поперечные колебания без резания) 111
5.3.1. Метод и средства измерения поперечных колебаний без резания Ill
5.3.2. Результаты измерения поперечных колебаний при движении платформы в направлении оси Y 113
5.3.3. Результаты измерения поперечных колебаний при движении стола в направлении оси X 115
5.4. Поведение несущей системы станка при входе и выходе фрезы из металла... 117
5.5. Параметры «вибрационного следа» при обработке образца - изделия № 2 120
5.6. Выводы по результатам натурных исследований станка с параллельной
структурой при резании путем обработки образцов-изделий 124
Заключение 126
Список используемых источников
- Классификация структурных схем 5-ти координатных станков по признаку связности приводов
- Точность позиционирования по угловым координатам
- Сравнение жесткости НС станка «Гексамех-1» с жесткостью станков и приборов других конструкций
- Результаты измерения динамической податливости методом гармонического силового воздействия на НС станка
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время остро стоит задача создания и внедрения высокотехнологичного оборудования, соответствующего тенденциям развития современных производств. В области самолетостроения тенденции развития конструкций самолетов и современных технологий их сборки требуют перехода от сборных деталей к монолитным. Это, в свою очередь, ставит новые задачи перед станкостроением, в частности существенно повысить скорость съема металла при обработке алюминиевых сплавов. Создание станков с соответствующими характеристиками связано с разработкой новых механизмов их несущих систем (НС), обладающих улучшенными статическими и динамическими свойствами.
К таким механизмам относятся механизмы параллельной структуры, в которых выходное звено, несущее режущий инструмент или обрабатываемую деталь приводится в движение несколькими параллельными кинематическими цепями.
В Институте машиноведения им. А. А. Благонравова РАН традиционно ведутся работы по теоретическому исследованию кинематических, статических и динамических свойств и структурному синтезу механизмов параллельной структуры (Диментберг Ф.М., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф., Умнов Н.В., Глазунов В.А, Синев А.В., Афонин В.Л. и др.).
Большой вклад в развитие теоретических основ построения машин, в частности роботов, построенных с использованием механизмов параллельной структуры, внесли ученые: Каган В.Г., Подураев Ю.В., Челпанов И.Б., проф. Neugebauer R. (IWU, Germany) Neumann К.Е. (SMT Tricept AB, Sweden) и др.
Первый в России станок-гексапод, позволяющий проводить 5-координатную фрезерную обработку, был создан в Новосибирском электротехническом институте в 1981 г. Учитывая этот опыт, в «Национальном институте авиационных технологий» был создан первый опытный образец
5 станка-гексапода, предназначенного для 5-координатной высокоскоростной фрезерной обработки длинномерных деталей самолетостроения.
Однако применение механизмов параллельной структуры и разработка новых схем и структур станков с параллельной кинематикой вызывает необходимость дальнейшего развития теоретических и экспериментальных методов исследований статических и динамических свойств механизмов параллельной структуры.
Апробация работы первого опытного образца станка-гексапода определила задачу последующих исследований статических и динамических свойств механизма параллельной структуры на примере несущей системы. Результаты этих исследований представлены в настоящей работе.
Цель диссертационной работы: — разработка методов экспериментального исследования точностных, жесткостных и динамических свойств механизма параллельной структуры - платформы Гауфа-Стюарта, выявление взаимосвязей статических и динамических свойств несущей системы станка-гексапода.
Для достижения поставленной цели были рассмотрены и решены следующие задачи:
создание классификации структурных схем 5-ти координатных станков по признаку связности приводов и обзор применения механизмов параллельной структуры в станках;
измерение и оценка точности позиционирования и точности воспроизведения эталонной окружности на станке-гексаподе;
измерение жесткости несущей системы станка-гексапода;
разработка методов измерения динамической жесткости при нагружении центробежной силой вращающегося шпинделя со смещенным центром масс и при нагружении - разгружении «ступенчатой» силой;
измерение динамической жесткости несущей системы (НС) станка-гексапода при различных методах создания нагружающей силы;
оценка взаимосвязи статических и динамических свойств платформы Гауфа-Стюарта;
- экспериментальная проверка зависимости статических и динамических
свойств платформы Гауфа-Стюарта и свойств обработанной поверхности
на станке-гексаподе.
Методы исследования. Проведенное исследование базируется на методах экспериментального исследования статических и динамических свойств механизмов и машин, в частности станков. Для анализа экспериментальных данных использовалась среда математических расчетов "Matlab" и прикладные программные продукты основных измерительных средств: 1) Лазерного интерферометра ML 10, 2) Прибора Ballbar QC 10, 3) Программный пакет «Vibro 12».
Научная новизна работы:
развита классификация структур многокоординатных станков по признаку связанности приводов;
разработаны методики измерения динамической жесткости НС станка-гексапода при нагружении центробежной силой вращающегося шпинделя со смещенным центром масс и при нагружении - разгружении «ступенчатой» силой;
произведено измерение точности позиционирования, точности воспроизведения эталонной» траектории, статической и динамической жесткости станка - гексапода;
выявлена взаимосвязь статических и динамических свойств платформы Гауфа-Стюарта, используемой в НС станка-гексапода;
выработан комплексный подход к исследованию статических и динамических свойств станков с параллельной кинематикой.
Практическая ценность:
- разработанный комплексный подход к исследованию статических и дина
мических свойств станков с параллельной кинематикой применим к ис
следованию станков также других структур;
выявленные особые точностные свойства механизма параллельной структуры - платформы «Гауфа — Стюарта» (малые отклонения обратного хода, малая доля случайной составляющей интегрального отклонения) позволяют создавать несущие системы новых станков с новыми точностными свойствами;
по результатам исследования статической жесткости разработаны рекомендации по «ужесточению» станка «Гексамех-1»;
выявленное наличие поперечных деформаций при продольной нагрузке является характерным свойством механизма платформы «Гауфа-Стюарта» и должно учитываться при проектировании и создании машин с её использованием;
разработанные методики исследования динамической податливости при гармоническом возбуждении нагружающей силы и при ступенчатом силовом воздействии могут быть использованы при исследовании динамических свойств машин различной конструкции;
при составлении управляющих программ для станка «Гексамех-1» необходимо учитывать, что движение платформы должно происходить без резких перепадов по величине подачи для исключения инерционных импульсных или ступенчатых нагрузок на неё;
выявленная закономерность при натурных исследованиях на станке «Гексамех-1», что при режимах резания близких к высокоскоростному фрезерованию алюминиевых сплавов S=5000 об/мин. влияние сил резания при входе фрезы в металл на подаче 1000 мм/мин. на качество обработанной поверхности практически отсутствует, может быть использована при разработке новых технологий обработки лёгких сплавов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Международной Интернет-конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения МИКМУС (г. Москва 2005г.) и (г. Москва, 2006г.), на семинаре «The 5th Chemnitz Parallel Kinematics Seminar»
8 (Germany, Chemnitz, 2006 г.), на XV Симпозиуме: «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем» (Москва-Зеленоград, 2006 г), на Международной конференции по теории механизмов и механике машин», (г. Краснодар, 2006 г), на Международной конференции по теории механизмов и механике машин», (г. Астрахань, 2007 г), на VIII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (Ростов-Дон, 2007), на научной конференции «Ориентированные Фундаментальные исследования РФФИ — Федеральные целевые программы, наукоемкое производство» (Москва, 2007г.).
Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 10 печатных работах.
На защиту выносятся следующие положения;
Развитие классификации структурных схем 5-ти координатных станков по признаку связности приводов.
Методика измерения динамической жесткости НС станка - гексапода при нагружении центробежной силой вращающегося шпинделя со смещенным центром масс и при нагружении - разгружении «ступенчатой» силой.
Методика комплексного исследования статических и динамических свойств механизма станков с параллельной кинематикой.
Результаты экспериментальных исследований статических и динамических свойств механизма параллельной структуры на примере платформы Гауфа — Стюарта, как основного элемента несущей системы станка «Гекса-мех - 1». Результаты экспериментальных исследований сравнивались с результатами аналогичных исследований несущих систем станков традиционных структур
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных источников.
В первой главе проведен анализ механизмов, используемых в несущей системе 5-координатных станков. При анализе использован принцип «связ-
9 ности» приводов, воздействующих через кинематические цепи на исполнительные (рабочие) органы станка. На основе принципа связности развита классификация структурных схем 5-ти координатных многоцелевых станков. Показано, что наиболее перспективными являются несущие системы станков, построенные по гибридной схеме, в соответствии с которой в них одновременно применяются как механизмы параллельной структуры, так и механизмы последовательной структуры. Также показано, что для проектирования и создания несущих систем станков с использованием механизмов параллельной структуры необходимо изучение статических и динамических свойств механизмов параллельной структуры наряду с теоретическими методами также и экспериментальными.
Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования точности позиционирования и воспроизведения «эталонной траектории» платформой Гауфа-Стюарта, являющейся основой несущей системы станка «Гексамех-1».
Точность позиционирования определялась с помощью лазерного интерферометра мод. ML 10, а точность воспроизведения «эталонной траектории»-с помощью прибора QC-10 фирмы Renishaw. Полученные «кривые точности» были сравнены с «кривыми точности», полученными на станках, в несущей системе которых применяются механизмы последовательной структуры. Показано, что кривые точности позиционирования для станков с механизмами параллельной структуры имеют аналогичный характер, что и для станков традиционной конструкции. Кривые точности воспроизведения эталонной окружности имеют определенные особенности, обуславливаемые свойствами подвески платформы Гауфа-Стюарта.
Выработаны мероприятия по повышению точности позиционирования и соответственно точности воспроизведения «эталонной» траектории.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию статической жесткости несущей системы станка-гексапода. Статическая жесткость
,1
; исследовалась путем измерения линейных и угловых деформаций (переме-
ті щений) корпуса шпинделя относительно стола при нагружении статической
і силой между корпусом шпинделя и столом.
} Деформации измерялись микронными индикаторными головками, а уг-
1 ловые с помощью электронных уровней и лазерного интерферометра с угло-
; вой оптикой. Нагружение осуществлялось винтовым домкратом через дина-
мометр. По результатам измерения деформаций построены матрицы статиче
ской жесткости несущей системы станка-гексапода для 3-х положений плат-
і формы Гауфа-Стюарта. Выявлено, что наблюдается существенные деформа-
ции в направлении, перпендикулярном к направлении приложения нагру-
] жающей силы.
,( Полученные результаты измерения статической жесткости сравнены со
статической жесткостью станков и приборов аналогичной конструкции тра
диционной конструкции или аналогичного назначения. Выявлены «слабые по
статической жесткости места» станка-гексапода и мероприятия по «усиле-
1 нию в отношении статической жесткости» конструкции станка.
'і В четвертой главе исследуется динамическая податливость несущей
системы станка-гексапода путем измерения перемещений платформы Гауфа-\ Стюарта при нагружении её силой, меняющейся во времени (при гармониче-I ском законе и при «ступенчатом»). Для этого разработаны две методики из-
мерения динамической податливости: 1) при гармоническом законе измене-; ния нагружающей силы, 2) при «ступенчатом» характере нагружающей силы.
Измерение динамической податливости при гармоническом законе из-
1 менения нагружающей силы произведено в 4 наиболее характерных положе-
ниях платформы в диапазоне частот вращения шпинделя (300-10000 об/мин) до 150 Гц. По результатам измерения построены кривые динамической податливости.
Для измерения динамической податливости при ступенчатом законе изменения нагружающей силы был изготовлено специальное «спусковое»
устройство. Используя это устройство, были построены кривые динамиче
ской податливости для платформы в положении, совпадающем с одним из
положений при исследовании динамической податливости при гармониче-
ском законе изменения нагружающей силы. Проведено сравнение результа-
; тов измерения динамической податливости, полученных при двух законах
изменения нагружающей силы.
; Выявлено: 1)совпадение результатов измерения динамической подат-
I ливости различными способами, 2)наличие «поперечной» динамической по-
датливости и её корреляция с поперечными деформациями при исследова
нии статической жесткости.
; Пятая глава посвящена экспериментальной проверке взаимосвязи ста-
J тических и динамических свойств несущей системы станка-гексапода и па-
раметров «вибрационного следа» на обработанной поверхности.
» Разработана методика проведения обработки тестовых поверхностей с
целью проверки наличия поперечных колебаний при ступенчатом силовом воздействии на платформу Гауфа — Стюартачерез привода штанг.
Проведена обработка 6 тестовых поверхностей на плите-заготовке и
обработка 2 образцов-изделий, предназначенных для аттестации станка по
нормам точности. Обработанные поверхности были измерены на приборе
< контурограф Mar Surf ХС-10. Анализ результатов измерения параметров
«вибрационного следа» показал, что статические и динамические свойства (точность отработки эталонной траектории, поперечная статическая жесткость, поперечная динамическая жесткость) несущей системы станка-гексапода непосредственно влияют на параметры «вибрационного следа».
, Показано, что частота «вибрационного затухающего следа», вызванного сту-
пенчатым силовым воздействием на платформу Гауфа-Стюарта через приводы штанг подвески, совпадает с 1 собственной частотой платформы, и частота устойчивых автоколебаний при обработке образцов - изделий находится вблизи 1 собственной частоты платформы.
*.
Классификация структурных схем 5-ти координатных станков по признаку связности приводов
Тенденции развития конструкций самолетов и современных технологий их сборки требуют перехода от сборных деталей к монолитным деталям [75]. Это приводит к повышению прочности конструкции, снижению веса самолёта и повышению надежности полётов. Кроме того, процесс сборки самолета при переходе к монолитным деталям существенно упрощается и значительно снижается трудоемкость пригоночных работ. Современное станкостроение на эти тенденции ответило созданием металлорежущих станков с новыми функциональными возможностями [15,60,67]: производительность съема металла при черновой обработке алюминиевых сплавов достигает уровня 7000 смЗ/мин; размерная точность и качество обработанной поверхности достигли такого уровня, что позволили исключить большинство пригоночных работ; вибрация при финишных операциях снизилась до уровня, благоприятного для долговечной и надёжной работы детали в процессе эксплуатации самолёта.
Для достижения таких показателей станки должны удовлетворять следующим требованиям [60]: скорость вращения шпинделя до п = 30 000 об./мин., мощность привода шпинделя N = 80 кВт, скорость подачи до s = 60 000 мм/мин.
Одним из перспективных направлений развития конструкций станков является построение НС на основе механизмов параллельной структуры [2-4]. Станки, построенные на этих принципах, получили название станков с параллельной кинематикой (Parallel Kinematic Machine (РКМ)).
Ниже рассмотрены основные тенденции развития современных конструкций НС 5-ти координатных станков, предназначенных для обработки деталей из алюминиевых сплавов в самолетостроении.
Основными устоявшимися понятиями в ТММ являются понятие «механизм» и «кинематическая цепь» [1, 38, 69]. Другие основные понятия, такие как «механизм параллельной структуры», «станок с параллельной кинематикой» в настоящее время ещё не являются вполне устоявшимися терминами и понятиями. В работе [32] дается определение механизма параллельной структуры: «... используя в качестве составляющих параллельно рычажные кинематические цепи можно создать манипулирующие механизмы у которых, если затормозить входные звенья, выходное звено соединяется со стойкой посредством пространственной фермы. Такую систему называют механизмом/манипулятором параллельной структуры.».
В зарубежной литературе [69] используется в качестве базисного термина (параллельный механизм) Parallel mechanism: Closed-loop mechanism in which the end-effector (mobile platform) is connected to the base by at least two independent kinematic chains.)
Принимая во внимание опыт использования терминов в области ТММ и, в частности, в робототехнике, ниже будем придерживаться следующей терминологии: Механизм параллельной структуры. Parallel mechanism. Платформа Гауфа — Стюарта. Gough-Stewart platform: 6-DOF parallel mechanism with six identical kinematic chains, composed of a universal joint, a prismatic actuator, and a spherical joint. Станок с параллельной кинематикой. Parallel Kinematic Machine (PKM): Machine tool based on a parallel mechanism. Станок — гексапод. Hexapod: PKM with six legs. Исследование основных тенденций развития современных конструкций пятикоординатных станков требует их классификации. В работе [32] основанием для классификации приводов машин является признак - «схема соединения двигателей и исполнительных устройств в. машине». В соответствии с этим признаком приводы в машинах подразделяются на следующие группы: групповой привод, в котором один двигатель соединен параллельными-кинематическими цепями с несколькими исполнительными устройствами; индивидуальный привод, в котором осуществлено кинематическое соединение двигателя только с одним исполнительным устройством; многодвигательный привод, в котором исполнительное устройство соединено параллельными кинематическими цепями с несколькими двигателями.
В каждом станке есть приводы и координатные оси, в направлении которых перемещаются исполнительные (рабочие) органы станка (шпиндель с инструментом, стол с обрабатываемой деталью, рука для смены инструмента, рука с измерительным инструментом и др.). В соответствии с этим признаком можно также разбить все множество структур станков на 4-ре группы: структуры станков с групповым приводом, структуры станков с индивидуальными приводами, структуры станков со связанными (многодвигательными) приводами, гибридные структуры.
В станкостроении структуры станков с групповым приводом получили широкое развитие в универсальных токарных станках а также в зуборезных станках и станках со сложными кинематическими цепями [56].
Изобретение «XX века» - «Числовое программное управление» дало толчок к развитию структур станков с индивидуальными приводами. (Работы по созданию систем программного управления станками начались в стране [7]и за рубежом в 1949 г. (А.Е. Кобринский,, Институт машиноведения РАН, Л.А. Глейзер, Станкин; И.А. Вульфсон ВЛГ". Зусман В.А. Ратмиров; ЭНИМС,
I Массачусетский технологический институт (США) и др.) и продолжаются до настоящего времени[39]). Движение по каждой координате в станке с ЧГГУ осуществляется индивидуальным приводом. Движение исполнительного органа станка в пространстве по сложной траектории осуществляется через \ взаимосвязь раздельных приводов с помощью системы ЧПУ (процедура ин терполяции).
Точность позиционирования по угловым координатам
Стол имеет «традиционную» конструкцию (станина, направляющие качения, каретка с рабочим столом). Привод каретки, несущей рабочий стол, осуществляется через шариковую винтовую пару (ТТТВП). Двигатель установлен на каретке и приводит во вращение корпус гайки ТТТВП, а винт жёстко закреплён на станине и предварительно растянут. Данная конструкция стола в практике станкостроения известна, однако, широкого применения не нашла и применяется в случаях ТТТВП с винтом больших размеров и большой массы и при больших скоростях вращения. Датчик обратной связи установлен на валу электродвигателя.
Точность позиционирования подвижных столов указанной конструкции, а также кареток, салазок, стоек, реализующих линейные перемещения механизмами последовательной структуры, хорошо изучена (например, в [78]) и в данной работе не рассматривается.
Координата Y. Движение режущего инструмента по координате Y реализуется с помощью платформы Гауфа - Стюарта. В движении одновременно участвуют все 6 штанг, на которых установлена платформа. Изменение длины каждой штанги осуществляется отдельным приводом через шари-ко-винтовую пару. Датчик обратной связи в каждой штанге установлен на валу электродвигателя (рис.2.3) І.Вал 2.ДОС 3.Подшипник 4.Статор 5.0бмотка ротора
Электродвигатель, установленный на штанге.
Измерение точности позиционирования по координате Y производилось в плоскости на расстоянии 300 мм и 400 мм над столом по схеме измерений, представленной на рис. 2.1. При каждом измерении осуществлялось 5 проходов в прямом и обратном направлении. Эти измерения составляли основу для расчета параметров точности.
Анализ данных (рис. 2.4 - 2.5) показал, что общая точность позиционирования по координате Y составляет не хуже А = ±31 мкм. Отклонение обратного хода В = 38 мкм. Следует отметить высокую повторяемость выхода платформы в заданную точку (размах отклонения R не более 6 мкм). От высоты над столом показатели точности позиционирования меняются мало.
Резервом повышения точности позиционирования по координате Y является введение коррекции на «люфт» (50%).
Среднее отклонение от заданного положения (кривая красного цвета) имеет «пилообразный» характер поведения в зависимости от координаты Y. Для выявления «природы» «пилообразного» характера поведения кривой накопленного отклонения была дополнительно измерена точность позиционирования с шагом 5мм. На рис. 2.4 вдоль координаты Y и на рис. 2.5 -вдоль координаты Х (движение по координате X, осуществляемое платформой Гауфа - Стюарта). Из сравнения характера поведения кривых погрешностей, представленных рис. 2.4 и 2.5 можно сделать вывод, что «пилообразный» характер кривой среднего отклонения - это, возможно, кинематическое отклонение, вызываемое первичными погрешностями механизма - платформы Гауфа - Стюарта, которые не учитываются в алгоритме калибровки станка. Первичные погрешности - это отклонения положения размеров и формы реального элемента кинематической пары в теле звена от положения, размеров и формы идеального элемента, а также проскальзывание в парах качения [8, 9 с. 16]. Этот вопрос требует более детального изучения и в настоящей работе не рассматривается. На кривой точности позиционирования вдоль координаты Y чётко видно циклическое отклонение с размахом 3 25 мкм с меняющимся шагом от 30 до 100 мм.
Общая точность позиционирования А по координате Z не хуже ±37 мкм. Погрешность обратного хода В не более 15 мкм. Следует отметить высокую повторяемость выхода платформы в заданную точку (размах отклонения R не более 6 мкм). Кроме того, важно указать, что точность позиционирования зависит от места проведения измерения в рабочем пространстве станка. Это указывает, что введение коррекции по точкам в данном случае не применимо, а возможно лишь введение коррекции на «люфт» (10-15%). Накопленные отклонения лучше всего уменьшать путем совершенствования методики калибровки (уточнение параметров «кинематической» модели станка).
Точность позиционирования поворота платформы Стюарта вокруг оси X (координата А) и вокруг оси Y (координата В) измерялась с помощью лазерного интерферометра ML 10 и прибора позиционирования RX10. Измерение точности позиционирования для угловых координат проводились в положении Y=0, Z=446,A=0,B=0. Прибор RX10 устанавливался на платформу Гауфа - Стюарта через специально спроектированное переходное приспособление кронштейн - 4 (рис. 2.11). Кронштейн представляет собой жесткую пластину, которая крепится к платформе Гауфа-Стюарта и к которой прикрепляется прибор RX-10. В месте крепления прибора предусмотрены эксцентриковые юстировочные винты. показаны результаты измерения точности позиционирования по координате поворота А и В. Измерения проводились через 5, и было проведено 5 реализаций.
Сравнение жесткости НС станка «Гексамех-1» с жесткостью станков и приборов других конструкций
Из табл. 3.6 и/габл. 3.2 видно, что угловая жесткость НС станка так же как и линейная качественно не меняется при смене направления нагружающей силы на противоположное (с F+x на F.x). В табл. 3.7 представлена жесткость Л линейных перемещений НС станка (положение платформы №2), Н/мкм Таблица 3.7 Линейная жесткость Л НС станка Сила F+y Лух = 50 llyy «J Луг = 200 В табл. 3.8 представлена жесткость Jf угловых перемещений НС станка (положение платформы №2), Н/угл.сек Таблица 3.8 Угловая жесткость Jf НС станка
Сила F+y Jfya=100 Jfyb = 600 J Aye «J — Из представленной табл. 3.7, табл. 3.8, табл. 3.1 и табл. 3.2 результатов видно, что жесткость НС станка существенно не меняется при смещении платформы вдоль оси Y.
Отметим, что1 жёсткость шпинделя, применённого в станке «Гексамех f 1» примерно в 50 раз выше измеренной жёсткости и составляет в радиальном направлении - 290 Н/мкм и в торцевом направлении — 260 Н/мкм.
По результатам исследования статической жёсткости, НС станка-гексапода можно сделать выводы:
Линейная и угловая жесткость НС станка зависят от расположения точки нагружения в рабочем пространстве. Наибольшее влияние на изменение жесткости происходит при переходе от нижнего положения платформы к её верхнему положению. Наименьшее влияние на жесткость НС станка оказывает перемещение платформы в плоскости XY. Самая низкая жесткость — это жесткость в направлении нагружающей силы (жесткости, расположенные по диагонали и выделенные жирным шрифтом).
При исследовании статической жесткости наблюдается взаимовлияние, т.е. при действии нагружающей силы существуют поперечные перемещения с большей (на порядок) жесткостью. По характеру поведения кривых «нагрузка — перемещение» (близкая к линейной зависимости) можно сделать заключение, что основные механизмы несущей системы станка (платформы Стюарта) «натянуты» и наблюдается «практически» пропорциональная зависимость между нагрузкой и перемещениями.
Статическая жесткость НС станка Гексамех-1 сравнивалась со статической жесткостью станков и приборов других конструкций с целью определения «места» станка Гексамех-1 среди других станков, а также с целью выяснения предельно достижимых жесткостей станка структуры типа гексапод.
Жесткость платформы Гауфа - Стюарта для телескопа (рис. 3.5) в направлении оси Z по данным американских исследователей составляет jzzf O Н/мкм [80]. В данной работе указывается, что соотношение между жёсткостью штанги jїї и жёсткостью ]72 в направлении оси Z для рассматриваемого гексапода определяется уравнением jzz = 6 jV(cos (а)) 2 , где а - угол между осью Z и направлением оси штанги.
Для несущей системы телескопа жёсткость штанги, измеренная экспериментально, равна jii = 8 Н/мкм и а = 24,8. Жёсткость несущей системы телескопа, рассчитанная в соответствии с представленным уравнением, составляет jzz = 39,5 Н/мкм.
В опытном станке-гексаподе (фото представлено на рис. 1.5), изготовленного в Новосибирском электротехническом институте [2], наименьшая жесткость, экспериментально измеренная как жесткость платформы относительно рабочего стола, составляет jxx=28 Н/мкм. При измерении жёсткости платформа была расположена в верхнем положении на вытянутых штангах.
В этом же положении платформы наблюдается максимальная жесткость только в направлении оси Z jzz= 60 Н/мкм. В направлении оси Y в указанном положении платформы жесткость составляет jyy= 30 Н/мкм. Отдельно жёсткость штанг не приводится.
Ниже для сравнения приводятся данные по жесткости некоторых типов станков, близких по функциональному назначению.
Нормы жесткости вертикальных фрезерных станков с крестовым столом по ГОСТ 9726-89 регламентируют жесткость стола относительно шпинделя для станка класса Н величиной порядка в пересчёте на направления jyy= 27,83 Н/мкм, j 22,2 Н/мкм для ширины стола 500 мм. В соответствии с [21,стр.41] для вертикальных фрезерных станков с крестовым столом, в вер-тикальном направлении jzz = 32В Н/мкм. При В = 500 мм j = 20,16 Н/мкм (в табл.2, из которой взяты формулы расчёта, не указывается класс точности станка).
Нормы жесткости продольно-фрезерного станка (ГОСТ 18101-85) регламентируют жесткость стола относительно вертикального шпинделя для станка класса Н в пересчёте на направления» величиной порядка jyy= 463.9 Н/мкм, jzz= 349.6 Н/мкм для стола В = 500-630 мм.
В работе [74] отмечается, что «хорошие» 3-х координатные многоцелевые станки с CNG фрезерно-расточной. группы традиционной конструкции могут иметь статическую жёсткость порядка J = 60 Н/мкм, и, как правило, это J = 20-40 Н/мкм. Наибольшей жёсткостью обладает 3-х координатный станок гибридной конструкции (2-е координаты обеспечиваются механизмом параллельной кинематики и 1 координата традиционный раздельный привод) мод. TRIJOINT J = 120 Н/мкм.
На рис. 3.8 модели станков различных фирм и фирмы Kovosvit MAS, Inc. (Чехия) расположены в зависимости от их свойств: статической жесткости и максимально развиваемого ускорения исполнительными органами.
Результаты измерения динамической податливости методом гармонического силового воздействия на НС станка
Как показали исследования статической жёсткости (см. глава Ш), станок «Гексамех-1» обладает недостаточной жёсткостью и наличием взаимовлияния, т.е. при приложении силы к корпусу шпинделя наблюдаются деформации (перемещения) в направлении, перпендикулярном к направлению действия силы. Аналогичная картина наблюдается и при исследовании динамической податливости станка «Гексамех-1» (см. глава IV). В настоящей главе представлены результаты натурных исследований станка «Гексамех-1» при резании путем обработки образцов — изделий и некоторых тестовых поверхностей.
Силовое воздействие на платформу в процессе резания осуществлялось в направлении оси Y с целью получить «вибрационный след» на обрабатываемой поверхности (колебания в направлении оси X). Это силовое воздействие на платформу реализовывалось с помощью задания в управляющей программе изменения величины подачи с максимально допустимым ускорением по приводам платформы. В результате на платформу действует инерционная нагрузка в виде некоторого силового импульса. Реакцией платформы Гауфа - Стюарта на приложенную инерционную нагрузку являются затухающие свободные колебания, которые отражаются на обрабатываемой поверхности в виде «вибрационного следа». Аналогичный подход к исследованию динамики поведения станка использован в работе [16], где по информации о «вибрационном следе» делаются выводы о динамических свойствах несущей системы станка.
Методика натурных исследований показан общий вид заготовки тестовой детали, на которой предварительно были обработаны шесть поверхностей (П1-П6) с постоянной 101 подачей F = 1000 мм/мин и постоянной частотой вращения шпинделя S = 5000 об./мин.) П5,П6 Рис. 5.1. Тестовая деталь, готовая к натурным испытаниям Поверхности Ш и П2, ПЗ и П4 находятся в плоскости YOZ, а поверхности П5 и П6 - в плоскости XOZ.
Был исследован диапазон подач: F = 540 - 1800 мм/мин. при частоте вращения шпинделя S = 6000 об./мин. (П1-П2) и F = 900 - 3000 мм/мин при частоте вращения шпинделя S = 10000 об./мин. (ПЗ-П4). Движение по оси Y в направлении +Y и -Y и по оси X в направлении +Х (П5-П6).
Обработка велась пальчиковой фрезой (0 24 мм, 2 зуба, твердосплавные пластинки) с охлаждением обдувом воздуха. Глубина резания t = 2 мм. Материал заготовки Д16Т.
Чтобы охватить указанный диапазон подач, каждая поверхность была разбита на 3 участка. В начале участка фреза (платформа) «стояли на месте» (выстой). Далее, в соответствии с управляющей программой, осуществлялся разгон с максимально возможным ускорением до заданной скорости, и дальнейшая обработка участка производилась с постоянной заданной скоростью. В конце участка осуществлялся останов (выстой), далее цикл обработки следующего участка повторялся, только разгон осуществлялся до другого значения заданной подачи.
Проверка наличия поперечных колебаний при импульсном силовом воздействии на платформу Гауфа — Стюарта через приводы штанг.
Обработка поверхности. Направление обработки вдоль оси Y (движение, осуществляемое платформой)
На рис. 5.2 показана фотография части тестовой детали с торца обработанной поверхности. На ней виден 1-й участок, где показана область 1 входа фрезы в металл, (вход осуществляется по окружности с подачей F = 540 мм/мин) и линейное движение вдоль оси Y в области 2 с подачей F = 540 мм/мин.
Между входом в металл и движением вдоль оси Y останов (выстой) отсутствует и отсутствует ступенчатое силовое воздействие на платформу Гауфа — Стюарта.
«Вибрационный след» отсутствует. Здесь мы наблюдаем медленно меняющиеся отклонения, которые представляют собой погрешность формы (отклонение от прямолинейности). Максимальная величина погрешности формы составляет 18,1 мкм. Это хорошо согласуется с результатами проверки точности станка на холостом ходу и при измерении отклонений от реализации эталонных траекторий с помощью прибора «ballbar». Также наблюдаются микронеровности порядка 2,9 мкм, обусловленные процессом резания (биение зубьев фрезы).
На рис. 5.4 представлена профилограмма 2-го отрезка обработанной поверхности Ш. На этом участке в начале мы имели «выстой» - останов движения инструмента вдоль обрабатываемой поверхности, далее - разгон с максимальным ускорением порядка 1 м/с до подачи F = 720 мм/мин и дальнейшее движение с постоянной подачей F = 720 мм/мин.
