Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса. Цель и задачи исследования 8
1.1. Особенности обработки заготовок деталей машин с применением приспособлений-спутников 8
1.2. Методы определения погрешности установки 12
1.3. Методика определения погрешностей, возникающих на этапе закрепления 16
1.4. Анализ структуры погрешностей установки 21
Глава 2. Механизм формирования погрешности установки спутника на этапе его закрепления 38
2.1. Наблюдения за поведением спутника при закреплении 38
2.2. Теоретическая схема закрепления, обеспечивающая определенность базирования на этапе закрепления спутника
2.3. Исходные положения для исследований
2.4. Критерии оценки точности установки спутника на этапе его закрепления 51
2.5. Варианты подбора точек контакта между спутником и приспособлением 55
2.6. Определение допустимой области приложения равнодействующей сил на этапе закрепления спутника
2.7. Формирование равнодействующей сил при закреплении спутника 65
2.8. Влияние на точность установки спутника неодновременности приложения сил закрепления 69
2.9. Влияние рельефов контактирующих поверхностей спутника и позиционного приспособления на точность установки 82
2.10. Структура погрешностей, возникающих на этапе закрепления спутника 9^
2.11. Выводы 97
Глава 3. Экспериментальные исследования факторов, влияющих на точность установки спутника при его закреплении 99
3.1. Исследование жесткостных характеристик спутника и элементов позиционного приспособления 99
3.2. Методика описания рельефов контактирующих поверхностей спутника и позиционного приспособления
3.3. Расчет и экспериментальное исследование устойчивости спутника под действием сил закрепления 137
3.4. Параметры рельефов контактирующих поверхностей Щ
3.5. Анализ экспериментальных данных 159
3.6. Выводы 760
Глава 4. Пути сокращения погрешности положения спутника на этапе его закрепления 163
4.1. Определение рациональных размеров и количества опорных элементов на установочной базе 164
4.2. Обеспечение требуемой точности положения спутника при его закреплении 175
4.3. Разработка различных вариантов схем закрепления, удовлетворяющих требования, предъявляевше к процессу закрепления и выбор наиболее рациональной 201
4.4. Выводы 204
Общие выводы 207
Список литературы 210
Приложения 1\1
- Методы определения погрешности установки
- Теоретическая схема закрепления, обеспечивающая определенность базирования на этапе закрепления спутника
- Методика описания рельефов контактирующих поверхностей спутника и позиционного приспособления
- Обеспечение требуемой точности положения спутника при его закреплении
Введение к работе
Одной из важнейших задач, поставленных перед отечественным машиностроением ХХУІ съездом КПСС, является повышение качества выпускаемой продукции. Ее решение во многом зависит от точности изготавливаемых деталей машин.
Точность изготовления деталей машин определяется рядом факторов, в частности, факторами, связанными с установкой заготовок на рабочие позиции металлорежущих станков. Относительно низкая точность корпусных деталей, изготавливаемых в ШС и на АЛ, в немалой мере является следствием недостаточно высокой точности установки заготовок деталей машин в позиционные приспособления. В случае применения приспособлений-спутников погрешность установки возрастает из-за того, что спутники размерами, поворотами и формой своих поверхностей включаются в технологические размерные цепи, увеличивают число их звеньев и дополняют погрешность установки заготовки.
В настоящее время предпринимаются различные меры по повышению точности установки спутников: изготавливаются высокоточные спутники и позиционные приспособления, производится выверка положения спутников после их установки в позиционные приспособления, ведется пригонки нескольких спутников к одному позиционному приспособлению и др. Указанные пути сокращения погрешности установки спутника сопряжены с большими материальными или временными затратами, что снижает эффект использования металлорежущего оборудования.
Указанное выше позволяет говорить о том, что известные способы сокращения погрешности установки спутников в позиционных приспособлениях нельзя считать эффективными в автоматизированном машиностроении. Необходим поиск новых путей сокращения погреш-
ности установки спутников, что возможно лишь при условии более глубокого понимания причин ее возникновения.
Значительную роль в образовании погрешности установки спутника играет его закрепление. Этот этап установки до настоящего времени изучен недостаточно. Погрешности положения спутника, возникающие при закреплении, связываются только с контактными деформациями в стыках в направлении действия сил. Однако многократные наблюдения за поведением спутников при эксплуатации и экспериментальные исследования показывают, что погрешности положения спутников, возникающие в направлениях, перпендикулярных направлению прикладываемой силы закрепления, сопоставимы и даже больше погрешностей, возникающих в направлении действия этой силы. Однако причины возникновения указанных погрешностей до сих пор не объяснены.
Данная работа посвящена изучению процесса закрепления спутника в позіщионном приспособлении и разработке и обоснованию путей сокращения погрешностей, возникающих на этом этапе его установки.
Автор выносит на защиту следующие основные результаты работы:
Объяснение причин и механизма формирования погрешности положения спутника в пространстве на этапе его закрепления в позиционном приспособлении.
Аналитические зависимости, отражающие количественную сторону влияния выявленных факторов на значение погрешности положения спутника.
Рекомендации по сокращению погрешности положения спутника на этапе его закрепления.
Методы определения погрешности установки
Относительно низкая точность обработки на ОЦ с ЧПУ, входящих в состав ГШ, сужает номенклатуру корпусных деталей, которые изготавливаются в ГПС без дополнительных финишных операций на отдельных станках. Это объясняется тем, что требования к точности деталей машин в современном машиностроении находятся нередко на уровне нескольких микрометров, а погрешности, вносимые спутниками, соизмеримы с этими требованиями. При применении специальных систем размерной настройки инструмента погрешность установки заготовки на станке составляет 65-80$ в общем балансе погрешностей [59]. При этом наибольшее влияние на суммарную величину погрешности обработки оказывает погрешность положения координатной системы детали в системе координат позиционного приспособления. Она может достигать до 70-80$ для линейных и 85-90$ - для угловых размеров [l2 J, Следовательно, сокращение этой части погрешности дает наибольший результат в повышении точности обработки.
Погрешность установки заготовок на рабочих позициях станков оказывает значительное и нередко решающее влияние на точность и эффективность технологического процесса изготовления деталей. Это связано с тем, что погрешность установки во многом определяет величину припуска на обработку, равномерность его распределения на обрабатываемой поверхности и тем самым может оказывать значительное влияние на количество проходов и переходов при обработке заготовок, а значит на производительность и точность технологического процесса. Все ато вызывает необходимость в умении правильно выявлять и рассчитывать погрешности установки на этапах проектирования технологического процесса изготовления деталей.
Труды Балакшина Б.С, Корсакова B.C., Фираго В.П., Ансеро-ва М.А. и других внесли большой вклад в раскрытие влияния погрешности установки заготовки на точность изготовления деталей, в создание методик расчета погрешности установки и нахождение способов ее сокращения. Однако анализ литературных источников по исследованиям погрешности, установки заготовок на станках показывает, что в настоящее время нет единого подхода к объяснению происхождения погрешности установки и, как следствие, отсутствует единая методика ее расчета.
В соответствии с ГОСТ 21495-76 "Базирование и базы в машиностроении" погрешность установки определяется как отклонение фактически достигнутого положения заготовки или изделия при установке от требуемого.
В работе [71] утверждается, что погрешность установки заготовки в приспособление является критерием качества установочных элементов приспособления. Чем совершеннее установочные элементы, тем меньше эта погрешность. Предлагается определять погрешности установки отдельных точек заготовок. Однако в этом случае положение различных по форме заготовок необходимо характеризовать различным количеством рассматриваемых точек, что вносит неодно ID значность в определение погрешности установки заготовки в целом.
Анализ различных методов расчета погрешности установки показывает, что точность установки, оцениваемая одним параметром (Jy , определяется дифференцированно по ряду параметров, суммируемых затем по определенным правилам. Причем количество слагаемых и правила сложения предлагаются разные. В большинстве случаев, в целях упрощения расчетов ограничиваются решением плоской задачи, что не дает полного представления о погрешности установки.
Только в работах [9, 66, 70] сделана попытка определить погрешность установки шестью параметрами: тремя перемещениями и тремя поворотами. Однако предлагаемые ими методики расчета погрешности установки пригодны лишь для случая установки заготовок на установочные пальцы.
Общим для всех рассмотренных методик определения и расчета погрешности установки является то, что в них все поверхности базирующих элементов приспособления и заготовки рассматриваются идеальными, т.е. геометрически правильными, в то время как все реальные тела ограничены геометрически неправильными криволинейными поверхностями. Такая идеализация не позволяет получать полного представления о процессе установки. Наиболее целесообразным является подход к учету погрешности установки, предложенный Годыной Н.Н. [20]. Б данной работе заготовка и элементы приспособления рассматриваются ограниченными геометрически неправильными криволинейными поверхностями и считается, что контакт между ними осуществляется в отдельных, случайных точках. Н.Н .Годыной были использованы работы проф. Колесова И.М. [34] и к.т.н. Шимохиной Т.Я. [72] и введенное ими понятие о нулевой координатной системе. Нулевая координатная система - это прямоугольная система координат, плоскости которой касаются баз или исполнительных поверхностей детали в вершинах их наибольших выступов при учете места приложения сил закрепления детали. В соответствии с таким подходом и с учетом ГОСТ 21495-76 "Базирование и базы в машиностроении", погрешность установки понимается как отклонение фактически достигнутого положения нулевой координатной системой заготовки при установке от требуемого, определяемого положением нулевой координатной системы, построенной на базах приспособления (станка).
Теоретическая схема закрепления, обеспечивающая определенность базирования на этапе закрепления спутника
Сила закрепления, при ее прикладывании, не должна нарушать того положения спутника, которое он занимал после завершения этапа базирования, т.е. определенности базирования. Определенность базирования означает наличие контакта спутника со всеми опорами приспособления. При базировании в координатный угол, между спутником и приспособлением должны возникнуть шесть точек контакта, чтобы добиться определенности базирования. В каждой точке будет возникать нормальная реакция связи. Шесть нормальных реакций распределяются следующим образом: три на установочной базе, две - на направляющей, одна - на опорной.
Дія ТОГО, чтобы сила закрепления вызывала возникновение шести норлалышх реакций, она должна прижимать спутник ко всем координатным плоскостям. В противном случае произойдет неопределенность базирования или сохранить определенность базирования будет трудно.
Существуют допустимые область приложения и направления силы, обеспечивающие гарантированную определенность базирования. Для определения указанной области приложения и направления силы использовался аппарат теоретической механики, относящийся к области определения условий стабильного положения твердого тела, на которое наложен определенный комплекс связей, ограничивающих возможные его перемещения.
Определение допустимой области приложения силы и ее направления производилось идя от обратного, т.е. считая, что шесть реакций связей уже возникли (рис. 2.6). Нетрудно заметить, что реакции связей Ч\ , Иг » Мз » возникшие на установочной базе, образуют некоторую призму, основанием которой является треугольник 1-2-3, образованный точками контакта на установочной базе. Реакции связей N4 , % образуют некоторую плоскость, а Мб -некоторую прямую линию. Продолжив линии действия всех реакций связей до их пересечения в пространстве получим некоторую линию 010 , которая является общей и для призмы, и для плоскости, и для прямой линии .
Если из какой-либо точки 6 линии Q0 опустить перпендикуляры на координатные плоскости и предположить, что в этой точке приложена сила закрепления, то указанные перпендикуляры будут представлять собой линии действия составляющих сил в направлении координатных плоскостей (рис. 2.8).
Для определения направления силы, приложенного в точке 6 , необходимо через точки С ,Й , И провести плоскость и из точки б опустить перпендикуляр на проведенную плоскость. Этот перпендикуляр будет представлять собой линию действия силы закрепления.
Точка Q является не единственной, где может быть приложена сила закрепления. Если сила закрепления будет проходить внутри заштрихованного многоугольника (рис. 2.7), то определенность базирования будет обеспечиваться гарантированно. Направление силы может быть различным, но наиболее рациональным будет направление, при котором на всех опорах будут возникать равные реакции связей. Б этом случае точность установки будет наивысшей.
Для каждого конкретного устанавливаемого тела существуют наиболее рациональная точка приложения и направление силы, которые зависят от габаритов, формы тела, а также от координат опорных точек. Однако, не всегда возможно приложение силы в наиболее рациональной точке. В такие случаях, можно силу приложить в другой точке допустимой области и изменяя направление силы добиться требуемого результата.
Закрепление тела одной силой, линия действия которой имеет наклон ко всем координатным плоскостям, дает возможность обеспечить определенность базирования в течение всего процесса установки, так как в этом случае отпадает необходимость наличия дополнительных досылающих устройств для базирования. Закрепление одной силой позволяет производить базирование и закрепление спутника без изменения системы сил, действующей на укаванных этапах установки.
На практике не всегда удается приложить силу закрепления в необходимую область. Кроме того, указанная выше схема закрепления требует равной жесткости всех опор приспособления, что приведет к увеличению габаритов и веса приспособления. Поэтому в реальных условиях применяются различные схемы закрепления, в которых сила направлена к одной, наиболее жесткой, опоре. Кроме того, часто, вместо одной приходится применять несколько сил для закрепления.
При исследовании механизма формирования погрешности установки спутника, возникающей на этапе его закрепления, была использована модель, которая обобщает существующие схемы установки.
Приспособления-спутники, используемые в ЕГО и АД при изготовлении корпусных деталей, представляют собой тела в виде па 50 раллелепипеда. На вспомогательных установочных базах спутников, применяемых в ГПС, имеются Т-образные технологические пазы или сетка технологических отверстий (или комбинация тех и других), позволяющих устанавливать на спутник либо различные по конфигурации и габаритным размерам заготовки корпусных деталей, либо приспособления для них. В последнее время наметилась тенденция к переходу к использованию подобных спутников в АЛ, которые позволяют быстро переходить на изготовление другой детали.
При установке спутников используют различные схемы базирования Наиболее распространенными являются базирование в координатный угол или по плоскости и двум технологическим отверстиям. Однако, при всех прочих равных условиях, наибольшую точность установки можно получать при схеме базирования в координатный угол. Об этом указывают работы ряда авторов. Так, в работе [32] проведено исследование различных схем базирования спутников с точки зрения точности установки и сделан вывод о том, что: "... величина погрешности установки спутника меньше по осям координат, в направлениях которых имеется плотный контакт базовых поверхностей, чем по охватываемым и охватывающим поверхностям".
Различны и схемы закрепления спутников. Применяются как одноточечное, так и многоточечное закрепление. Общим является направление сил закрепления к элементам приспособления, обладающим наибольшей жесткостью. Чаще всего - это установочная база. Силовой контур, образованный зажимными элементами, спутником, базовыми элементами и корпусом приспособления, проходит через сплошные материалы. По этой причине собственные деформации спутника и базовых элементов приспособления незначительны [48] и ими можно пренебречь.
Методика описания рельефов контактирующих поверхностей спутника и позиционного приспособления
В соответствии с избранным в работе подходом к исследованию механизма образования погрешностей при закреплении спутника для экспериментальной проверки теоретических положений встала необходимость получения информации о рельефах контактирующих поверхностей спутника и приспособления. Такая информация даст возможность определить координаты точек контакта между базовыми поверхностями спутника и приспособления, а также координаты точек приложения сил закрепления.
Для описания рельефов реальных поверхностей наилучшим вариантом была бы система, позволяющая непрерывное получение информации о рельефах поверхностей. Однако, в настоящее время, технических средств для непрерывного описания рельефов не существует. Существующие технические средства позволяют описывать рельефы для конечного числа сечений или точек. В связи с этим возникает вопрос о выборе расположения сечений и числа точек.
При описании рельефов поверхностей был использован метод поперечных сечений [3], суть которого заключается в том, что любую призматическую деталь можно представить в виде совокупности бесчиленного множества профилей поперечных сечений, параллельных координатной плоскости 0XZ детали (рис. 3.13).
Описание рельефов поверхностей можно было бы осуществить при помощи коощинатно-измерительной машины (КИМ). Разработав для нее соответствующие программы, можно произвести замеры требуемого количества точек на каждой из поверхностей. Но при этом возникают сложности, связанные с потерей общего начала отсчета при установке приспособления на стол КИМ, а затем на стол станка. Снятие с приспособления базовых пластин приспособления для описания их рельефов не представляется возможным в связи с тем, что при обратной установке пластин в приспособление произойдет потеря его первоначальной точности. В связи с указанными трудное было решено произвести описание рельефов поверхностей непосредственно на станке. Для этого было выбрано приспособление на столе станка модели 6904ВШ2 и один из спутников. Были описаны рельефы базовых пластин установочной и направляющей баз приспособления и спутника. Опорная база приспособления представляет собой сферическую поверхность и контакт со спутником осуществляется в определенной точке. По этой причине, описания рельефа опорной базы спутника не производилось. Описаны также рабочие поверхности прихватов и мест спутника, с которыми контактируют прихваты.
Основанием для описания рельефов поверхностей непосредственно на станке послужило то, что приспособление установлено на столе высокоточного станка типа ОЦ. Была проверена прямолинейность перемещения стола станка с помощью индуктивного преобразователя модели 227, установленного в шпиндель станка и высокоточной отсчетной линейки, установленной на столе станка и выверенной относительно оси шпинделя станка с помощью концевых мер длины. На рис. 3.13 показана схема измерения прямолинейности хода стола в направлении оси ОУ. Проверка показала, что отклонение от прямолинейности хода стола не превышает 0,003 мм, а по оси ОХ - 0,004 мм на длине 380 мм. При этом отклонение от параллельности направления хода стола относительно оси шпинделя составляет: по оси ОУ - не более 0,012/380 мм, по оси ОХ -0,01/380 мм. Отклонение от перпендикулярности оси шпинделя направляющим не более 0,004 мм на длине 100 мм.
Как видно, выявленные погрешности хода стола значительны и сопоставимы с ожидаемыми значениями характеристик рельефа базовых поверхностей спутника и приспособления.
Контроль прямолинейности хода стола на длине 25 мм показал, что отклонение от прямолинейности составляет менее 0,001 мм, а отклонение от параллельности хода стола относительно оси шпинделя на длине 25 мм составляет величину менее 0,001 мм. По этой причине было решено произвести описание рельефов базовых пластин в поперечных сечениях. На рис. 3.15 в качестве примера приведена схема описания рельефов поверхностей установочной базы приспособления. Для описания рельефов поверхностей использовался индуктивный преобразователь типа 227, входящий в измерительную электронную систему модели 217 ПС. Преобразователь (П) жестко устанавливался через оправку в шпиндель станка. Его измерительный наконечник перемещался по описываемой поверхности посредством перемещения стола. Сигналы от преобразователя подавались в электронный блок (ЭБ) системы, где они усиливались и подавались на одноканальний самописец (СП) модели ЇЇ338-ІП (рис. 3.16).
После прохождения столом одного сечения, подача выключалась, прекращалось движение ленты самописца. С помощью ЧПУ стол станка перемещался по оси Ох на 3 мм. После этого цикл описания следующего сечения повторялся. Таким образом были описаны рельефы трех базовых пластин установочной базы приспособления.
При описании рельефов поверхностей направляющей базы оправка с преобразователем поворачивались на 90. Измерительный наконечник устанавливался в точку начала описания рельефа. Приборы настраивались на исходное положение. В этом случае стол станка стоял на месте, а шпиндель станка вместе с оправкой и преобразователем совершал перемещение вдоль оси 0Z . Для измерения следующего сечения, стол станка подавался на 3 мм вдоль оси ОХ с помощью ЧПУ" станка.
При описании рельефов базовых поверхностей спутника, он устанавливался в перевернутом виде на другой спутник, на пластины вспомогательной установочной базы (рис. 3.17), и производилась выверка базовых поверхностей относительно оси шпинделя с помощью концевых мер длины. Описание рельефов поверхностей производилось по методике описания рельефов базовых поверхностей позиционного приспособления.
Обеспечение требуемой точности положения спутника при его закреплении
Определение допустимой области приложения равнодействующей сил, действующих на спутник при закреплении, согласно зависимостям (2.7), является необходимым, но не достаточным условием обеспечения устойчивости спутника. Это условие будет достаточным только в случае одновременного приложения сил и идеальных поверхностей контактирующих тел, при котором обеспечивалась бы перпендикулярность направления действия сил закрепления плоскости установочной базы. Но в реальных условиях установки спутника, когда силы прикладываются в определенной последовательности и тела ограничены геометрически неправильными криволинейными поверхностями, возникают как опрокидывающие и крутящие моменты, так и сдвигающие силы. Следовательно, для обеспечения устойчивости спутника необходимо достичь сокращения указанных сил и моментов до таких величин, при которых опрокидывание, повороты и сдвиги спутников не будут иметь места.
Возможность возникновения опрокидывающих моментов на этапе закрепления спутника, выводящих его из устойчивого положения, можно исключить различными путями. Б каждом конкретном случае, в зависимости от условий использования спутника и приспособления, от оборудования, используемого в производственном процессе, нужно выбрать наиболее рациональный путь, который при наименьших затратах обеспечивал бы решение поставленной задачи.
Задачу исключения опрокидывания спутника можно решать за счет: а) синхронизации работы зажимных механизмов; б) закрепления одним самоустанавливающимся зажимным эле ментом, расположенным в нижней части спутника; в) закрепления спутника с заданной последовательностью приложения сил.
Закрепление спутников чаще всего осуществляется с применением электромеханических или гидравлических зажимных механизмов. Так как у этих механизмов приводы различны по своей природе, то синхронизацию их работы необходимо осуществлять различными путями. В работе рассмотрен случай синхронизации работы четырех зажимных механизмов, как было принято в модели в начале исследований, хотя количество зажимных механизмов и элементов может быть и другим. Рассмотрим вначале синхронизацию работы зажимных механизмов с применением электромеханического привода. С целью воздействия на процесс закрепления таким образом, чтобы его протекание отвечало задачам, решаемым этим процессом, необходимо учитывать возникшую ситуацию. Это возможно лишь путем управления процессом закрепления, осуществляя оперативное вмешательство в процесс всякий раз при появлении отклонении, близких к недопустимым. Управление ходом процесса закрепления можно производить по принципу гомеостата. Гомеостат - самоорганизующаяся система, моделирующая способность компонентов системы менять некоторые свои параметры в определенных границах. Гомеостатная система может приспосабливаться к внешним условиям при некоторой случайности во внутреннем строении, например, при изменении одного из параметров системы регулирования. Таким параметром в рассматриваемом случае является скорость нарастания сил закрепления. От скорости нарастания сил на каждом зажимном элементе зависит устойчивость спутника при закреплении. Если законы нарастания сил на всех зажимных элементах будут одинаковы во времени, при отсутствии сдвигающих сил и крутящих моментов, спутник сохранит устойчивость при закреплении.
Управление скоростью нарастания сил закрепления может осуществляться следующим образом. После включения зажимных механизмов зажимные элементы начинают перемещаться из исходного положения. Так как пути, проходимые зажимными элементами до контакта со спутником, различны, а также различна скорость их перемещения, то необходимо обеспечить контакт всех зажимных элементов со спутником без нарастания модулей сил на тех элементах, которые уже вошли в контакт со спутником. Требуемое условие можно обеспечить, например, используя в зонах контакта зажимных элементов со спутником тактильные устройства, которые позволяют предотвращать дальнейшее увеличение модуля сил на том элементе, который уже вошел в контакт со спутником.
Достигнув контакта всех зажимных элементов со спутником дается команда нарастания сил закрепления. При этом осуществляется непрерывный контроль за величинами модулей сил и их сравнение между собой. В случае рассогласования величин модулей сил (т.е. неравенства этих сил) производится необходимая корректировка хода процесса нарастания сил на зажимных элементах таким образом, чтобы достичь равенства всех сил.
Так как абсолютного равенства скоростей нарастания модулей сил достигнуть и поддерживать невозможно, то необходимо определить допустимую разность между максимальным и минимальным моду лями сил дРдоп И» ПРИ сопоставлении модулей сил между собой, добиваться нахождения разности между ними в пределах АИдол .
Величину лРдоп необходимо определять для худших вариантов контактирования спутника с приспособлением. Один из таких вариантов показан на рис. 4.8. Возможны и другие варианты контактирования спутника с приспособлением, когда силы закрепления будут иметь другие плечи относительно линий, образованных точками контакта на установочной базе. Может быть случай, кгода величина будет равна нулю, т.е. спутник находится в неустойчивом равновесии.
При определении величины Рдоп необходимо или знать фактические координаты точек контакта и точек приложения сил, или методом перебора определить возможный наихудший вариант контактирования спутника с приспособлением (таких вариантов будет незначительное количество).
