Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общетехнические аспекты создания обрабатывающих центров с мехатронными обрабатывающими головками 13
1.1. Анализ состояния проблемы. Обзор новейших достижений отечественной и зарубежной науки в области создания мехатронных обрабатывающих головок для станкостроения 13
1.1.1. Объект исследованиями особенности основных компонентов 15
1.2. Модульное построение токарных обрабатывающих центров с инструментальными обрабатывающими головками 22
1.3. Модульное построение фрезерно-расточных обрабатывающих центров с инструментальными обрабатывающими головками 31
Глава 2. Оценка точности станков с мехатронными обрабатывающими головками 35
2.1. Функциональные погрешности в кинематической системе станка 35
2.1.1. Основные погрешности типового звена кинематической цепи 37
2.1.2. Кинематические цепи механического и комбинированного типа 41
2.2. Определение действующих, приведенных и выходных погрешностей в кинематической системе 44
2.2.1. Принципы суммирования погрешностей в кинематических цепях 44
2.2.2. Действующие и приведенные погрешности звеньев 54
2.2.3. Выходные показатели точности системы 61
2.2.4. Частотные группы при суммировании приведенных погрешностей и предельные (максимальные) значения подгрупповых погрешностей 63
2.3. Баланс точности системы 67
Глава 3. Математические модели движения режущего инструмента в обрабатывающих центрах и станках с мехатронными обрабатывающими головками 73
3.1. Математическая модель движения по одной координате (оси) 73
3:2. Принцип создания математической модели многокоординатного движения по пяти координатам (осям) в классической компоновке обрабатывающего центра или станка 84
3.3. Исследование и,разработка математической модели и алгоритмов применения мехатронных обрабатывающих головок в обрабатывающих центрах с параллельной кинематикой 93
3.3.1. Концепция создания станков с параллельной кинематикой 93
3.3.2. Математическая модель движения мехатронной обрабатывающей головки в гибридных станках 98
Выводы по третьей главе 110
Глава 4. Разработка методов обработки сложных деталей для автомобильной промышленности на станках с мехатронными обрабатывающими головками 111
4.1. Постановка задачи по комплексной обработке сложной детали за один установ Ill
4.2. Разработка методики и программного обеспечения обработки конкретных деталей для автомобильной промышленности 116
4.3. Выбор.специальной мехатронной обрабатывающей головки 125
4.4. Оценка эффективности применения мехатронной обрабатывающей головки для обработки деталей для автомобильной промышленности 137
4.4.1. Квалиметрические методы исследования эффективности использования станков с мехатронными обрабатывающими головками. Квалиметрия. Определение 138
Выводы по четвертой главе 143
Заключение 144
Список литературы 146
- Модульное построение фрезерно-расточных обрабатывающих центров с инструментальными обрабатывающими головками
- Определение действующих, приведенных и выходных погрешностей в кинематической системе
- Частотные группы при суммировании приведенных погрешностей и предельные (максимальные) значения подгрупповых погрешностей
- Принцип создания математической модели многокоординатного движения по пяти координатам (осям) в классической компоновке обрабатывающего центра или станка
Введение к работе
Актуальность работы. Данная диссертационная работа посвящена решению проблемы пятикоординатной обработки сложных корпусных деталей для автомобильной промышленности на сравнительно простых трехосевых (трехкоординатных) станках, за счет использования специальных многоосевых обрабатывающих головок. Внедрение мехатронных головок позволяет осуществить модернизацию уже существующих станков с ЧПУ.
До настоящего времени сложные детали, требующие пятикоординатной обработки, изготавливались:
или последовательно на нескольких трехкоординатных металлорежущих станках;
или на сложных пятикоординатных станках;
или, в некоторых частных случаях, на трехкоординатных
станках при необходимости нескольких различных переустановок
детали (за несколько установов).
Впервые поставлена и решена научно-техническая задача металлообработки деталей сложной конфигурации на трехкоординатных станках с ЧПУ (обрабатывающих центрах) за один установ.
На основании прогноза и анализа развития станкостроения можно выделить следующие основные направления:
качественное изменение конструкций металлорежущих
станков (конструкции станков с параллельной кинематикой, гек-
саподные конструкции, конструкции типа «Box in a box» и др.);
существенное повышение производительности и точнос
ти станков, реализация технологий скоростной обработки;
і.
широкая унификация станков, реализация принципов модульного конструирования.
Для решения вышеперечисленных задач наряду с совершенствованием технологии обработки, появлением новых режущих материалов, инструментов создаются принципиально новые мехатронные станочные узлы на базе интеграции средств прецизионной механики, электроники, электротехники. Конструктивное объединение исполнительного и приводного элементов механизмов вращательных перемещений станков, реализующих концепцию привода прямого действия «Direct Drive», позволяет исключить промежуточные механические преобразователи и передачи, повысить точность, быстродействие, снизить потери. Наличие в данных конструкциях встроенных систем автоматического управления и датчиков контроля технологического процесса делает мехатронные узлы интеллектуальными автономными станочными модулями, на базе которых могут не только создаваться конструкции перспективных металлообрабатывающих станков, но и модернизироваться уже существующие станки.
Вопросу совершенствования технологических процессов металлообработки сложных корпусных деталей для автомобильной промышленности посвящены работы ведущих ученых О.В. Таратынова, О.И. Аверьянова, В.В. Клепикова, В.Г. Якухина и ряда других авторов. Вопросам исследования статических, динамических и температурных свойств узлов станков были посвящены работы общепризнанных ученых В.В. Каминской, З.М. Левиной, В.А. Кудинова и др. Ряд ведущих ученых занимаются непосредственно разработкой и иссле-
дованием мехатронных модулей. Среди них: Ю.В. Падураев, М.А. Босинзон, СВ. Демидов, В.Г. Каган, В.О. Астанин и др.
Разработка методов обработки сложных деталей для автомобильной промышленности на сравнительно простых трехкоорди-натных станках с ЧПУ с помощью мехатронных обрабатывающих головок является новой задачей, как в теоретическом, так и в практическом плане.
Настоящая диссертационная работа, являющаяся продолжением научных работ, проводимых на кафедре «Технология и металлорежущие системы автомобилестроения» МГИУ, посвящена проблеме совершенствования процессов металлообработки сложных деталей для автомобильной промышленности.
Цель работы. Разработка и исследование методов обработки сложных деталей на трехкоординатных станках с помощью мехатронных обрабатывающих головок, использование которых позволит создать научные основы разработки и внедрения в промышленность конкретных принципиально новых технологических процессов обработки деталей для автомобильной промышленности.
Задачи работы:
создать методику и технологию обработки сложных деталей для автомобильной промышленности на трехкоординатных станках;
разработать методы проектирования и структурного построения мехатронных обрабатывающих головок;
разработать методы существенного повышения производительности, качества и точности обработки за счет использования мехатронных обрабатывающих головок на трехкоординатных станках;
разработать методику оптимального управления мехатрон-ными обрабатывающими головками, обеспечивающую заданный уровень автоматизации модернизируемого металлообрабатывающего оборудования;
на базе теоретических исследований создать и внедрить в производство пятикоординатную обработку конкретных деталей для автомобильной промышленности на трехкоординатных станках с помощью мехатронных обрабатывающих головок.
Методы исследования. Теоретические исследования базировались на комплексном объединении узлов точной механики, с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых систем механообработки со специальным последовательным программным управлением многокоординатными движениями. При этом использовался математический аппарат теории оптимальных решений многофакторных задач.
Разработка методов многокоординатной мехатронной обработки базируется на следующих научно-технических дисциплинах: конструирование станков, металлообработка, точная механика, теория резания, теория автоматического управления.
Методологической основой исследования являются принципы параллельного проектирования - одновременный и взаимосвязный синтез всех компонентов систем. При исследовании мехатронных систем к ним применялись методы анализа проблемно ориентированных объектов. При синтезе мехатронных модулей, как объектов динамического движения использовались методы математического моделирования динамических процессов
с помощью ЭВМ и методы оптимального автоматического управления узлами станков.
Автором также проведены исследования эффективности применения мехатронных обрабатывающих головок на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах квалиметрическими методами.
Достоверность выводов и практические рекомендации подтверждаются применением современных математических методов и компьютерного моделирования, проверенных методик системного анализа и экспериментальными исследованиями.
Научная новизна. Научная новизна результатов работы заключается в том, что впервые поставлена и решена научно-техническая задача пятиосевой металлообработки деталей сложной конфигурации на трехкоординатном станке с ЧПУ за один установ.
В работе предложены принципиально новые методы металлообработки деталей для автомобильной промышленности на станках с ЧПУ с использованием мехатронных обрабатывающих головок.
Автором разработана, теоретически исследована и внедрена методология обработки, которую можно условно назвать «3+2» (при обработке сложных деталей одновременно достаточно обеспечить движение по 3 (трем) координатам, при этом другие 2 (две) координаты выполняют подготовительную задачу).
В работе разработаны принципиально новые алгоритмы оптимального управления движения режущего инструмента, обеспечивающие высокую точность сложного формообразования.
Разработаны методы максимального упрощения конструкции станков, значительного сокращения числа механических узлов
и механических передач в оборудовании, предназначенном для обработки сложных пяпикоординатных деталей, за счет применения специальных мехатронных обрабатывающих головок.
Практическая ценность и реализация работы:
разработанное и исследованное принципиально новое
научно-техническое решение позволяет осуществить модерниза
цию большого числа трехкоординатных станков, находящихся в
промышленной эксплуатации, и обеспечить на сравнительно про
стых станках комплексную обработку (за один установ) сложных
деталей, требующих пятикоординатную обработку;
разработана конструкция специальной мехатронной обра
батывающей головки для обработки сложных корпусных деталей
для автомобильной промышленности;
использование разработанных принципиально новых
алгоритмов оптимального управления движения режущего инс
трумента позволяет обеспечить высокую точность сложного фор
мообразования, создать системы, адаптивные к внешним возму
щениям.
разработана методика и программное обеспечение обра
ботки конкретных деталей для автомобильной промышленности;
в том числе, разработана технология и программное обеспечение
комплексной обработки сложной детали - детали «Картер главно
го тормозного цилиндра для ЗИЛ 4105» производства АМО ЗИЛ
за один установ.
Автор защищает: 1. Концепцию разработки методов эффективной металлообработки сложных пятикоординатных деталей для автомобильной
промышленности на трехкоординатных станках с ЧПУ за один ус-танов с использованием мехатронных обрабатывающих головок. 2. Методику комплексной оценки точности металлообра-боки на станках с ЧПУ с мехатронными обрабатывающими головками. Исследование точности обработки с учетом электромеханической системы взаимного перемещения инструмента и заготовки.
3. Математические модели движения режущего инструмента при обработке сложных деталей для автомобильной промышленности.
Личный вклад автора. Автором разработана, теоретически исследована и внедрена методология обработки, которую можно условно назвать «3+2» (при обработке сложных деталей одновременно достаточно обеспечить движение по 3 (трем) координатам, при этом другие 2 (две) координаты выполняют подготовительную задачу).
Автором лично получены результаты, научно обосновывающие эффективность применения мехатронных обрабатывающих головок при модернизации трехкоординатных металлорежущих станков. Автором проанализированы вопросы комплексной точности электромеханической системы обработки деталей на станках с ЧПУ с мехатронными головками. Автором разработаны методики оптимального управления мехатронными обрабатывающими головками, обеспечивающие обработку сложных деталей для автомобильной промышленности. На основании теоретических исследований разработаны конкретные рекомендации по применению мехатронных обрабатывающих головок в станках.
В качестве практической части работы автором разработаны конкретные методы обработки сложных деталей для автомобильной промышленности. В частности, автор разработал принципиально новую технологию, управляющую программу и методику обработки детали «Картер главного тормозного цилиндра для ЗИЛ 4105» производства АМО ЗИЛ на трехкоординатном станке за один установ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на региональных и международных конференциях и семинарах: «Отечественное прогрессивное металлообрабатывающее оборудование и технологии для российского машиностроения» (выставка «Металлообработка 2006», Москва, ЗАО «Экспоцентр», 2006 г.); «Новые дополнительные опции к токарному оборудованию фирмы «Deckel Maho Gildemeister» (Тор-тона, Италия, 2006 г.); «Системы автоматизации и применение роботов в станкостроении» (Пфронтен, Германия, 2007 г.); «Контрольно-измерительные системы в универсально-фрезерных станках» (Зеебах, Германия, 2007 г.); «Особенности инструментальных магазинов и системы смены инструмента» (Билефельд, Германия, 2007 г.); «Новейшие технологии в области металлообработки» (выставка «Металлообработка 2007», Москва, «Крокус Экспо», 2007 г.); «Высокоточное оборудование для авиакосмической промышленности» (Пфронтен, Германия, 2007 г.); Конференция на Выставке ЕМО 2007 (Ганновер, Германия, 2007 г.); «Инновационные технологии» (Пфронтен, Германия, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, 5 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 84 наименований. Она содержит 153 страницы машинописного текста, 54 рисунка и 19 таблиц.
Модульное построение фрезерно-расточных обрабатывающих центров с инструментальными обрабатывающими головками
Чтобы реализовать возможность 5-осевой обработки на станках, необходимо наличие 3-х линейных (X, Y и Z) и 2-х поворотных (А, В) осей. Несмотря на большое разнообразие компоновок станков, их можно свести к следующим: «стол-стол» — поворот по обеим осям осуществляет стол (рис. 1.13). В этой компоновке ось инструмента не меняется. Для программирования следует знать положение заготовки относительно поворотных осей. «головка-головка» — поворот по обеим осям осуществляет шпиндельная головка (рис. 1.14). При этой компоновке заготовка остается фиксированной, поэтому для программирования надо знать положение кромки инструмента относительно поворотных осей и длину инструмента. «стол-головка» — поворот по одной оси выполняет стол, а по второй — шпиндельная головка (рис. 1.15). В этом случае ориентация и инструмента и заготовки меняется, так что для программирования нужно знать положение вершины инструмента относительно поворотной оси головки (а значит, и длину инструмента) и положение заготовки относительно поворотной оси стола.
Из этого следует, что одним из основных узлов станка, обеспечивающего 5-осевую обработку является обрабатывающая головка [9, 11] 1. Создание и внедрение мехатронных обрабатывающих головок позволяет на их базе сконструировать принципиально новые станки и машины, имеющие в несколько раз лучшие технические характеристики (точность, производительность и др.) по сравнению с традиционными. 2. Создание унифицированных мехатронных модулей движения, в т.ч. мехатронных обрабатывающих головок, позволяет организовать на их базе блочно-модульное конструирование станков и машин различного технологического назначения, что в условиях гибкого перестраиваемого производства является высокоэффективным техническим решением. 3. Наметившаяся тенденция максимального упрощения механической части машиностроительного объекта и решение сложных высокоточных технологических задач за счет электроники и управления позволяет существенно снизить капитальные и эксплуатационные расходы в производственных машинах. 4. Для изготовления широкой номенклатуры сложных деталей и узлов для автомобильной промышленности целесообразно использование металлорежущих обрабатывающих центров с мехатронными обрабатывающими головками.
Принципиально важным является концепция применения мехатронных обрабатывающих головок для сложного формообразования деталей. Данный подход ведет к сокращению кинематических цепей и тем самым повышению механической точности станка.
В современном машиностроении растущие требования к качеству продукции вызывают необходимость повышения точности функционирования технологического оборудования (машин, инструмента, оснастки). Точность перемещений-в машине реализуется с помощью специальных кинематических цепей (систем). Повышение выходной точности машин должно достигаться реальными и экономически приемлемыми способами, а не за счет бесконечного ужесточения допусков на изготовление точностных систем и их элементов.
Проблема функциональнойточности кинематических цепей (систем) технологических машин является частью основной проблемы повышения качества и надежности продукции; она продолжает оставаться актуальной для машин с точными формообразующими и установочными перемещениями обрабатывающих центров с ЧПУ и других технологических машин в автомобилестроении и других отраслях машиностроения.
В решении проблем качества и надежности продукции, значительное место должно быть отведено задачам анализами синтеза точности устройств, механизмов и систем металлорежущих станков и других технологических машин, задачам поиска оптимальных вариантов в стадии их проектирования, а также сокращения сроков создания новых конструкций машин.
Имеющиеся в каждом реальном приводе погрешности изготовления и монтажа звеньев кинематических пар, их силовые и температурные деформации, а также некоторые другие погрешности, проявляющиеся при работе,меха низмов, вызывают неравномерность движения промежуточных и конечных звеньев кинематических цепей (КЦ). В результате суммарного действия погрешностей возникает рассогласование движения конечных звеньев цепей, т.е. кинематическая погрешность работы привода. В обрабатывающих центрах такие отклонения имеют следствием различные погрешности изделий, обрабатываемых на станке.
Основными элементами точностных КС (КЦ) являются постоянные звенья (зубчатые колеса, червяки, ходовые винты, кулачки и пр., а также базовые корпусные детали); сменные звенья (сменные зубчатые колеса, кулачки, копиры и т.п., инструмент, заготовка обрабатываемого изделия); измерительные устройства.
На каждом звене точностной системы может образоваться несколько составляющих погрешностей, создающих действующую погрешность звена. Эта погрешность передается по точностной КЦ к заготовке, вызывая дополнительный поворот ее на некоторый угол (положительный или отрицательный). Передача ошибок от всех звеньев КС к звену приведения А (заготовке изделия) происходит по линиям действия кинематических пар и подчиняется в общем случае зависимостям [10, 37] где Аср1А, Дуы — соответственно угловая и линейная приведенные погрешности от і-го звена (переданные на будущее изделие); А р,, As,— соответственно угловая и линейная действующие погрешности і-го звена; м, , -—соответственно угловой и линейный коэффициенты приведения от і-го звена к звену.
Определение действующих, приведенных и выходных погрешностей в кинематической системе
В выражении (2.15) первое слагаемое может быть выражено в форме второго слагаемого (т.е. в виде суммы квадратичных сумм). Далее, в реальной точностной КЦ (КС) станка обычно имеются разночастотные погрешности одного порядка, которые могут частично компенсироваться при сборке системы [16, 20, 22]. Такие приведенные (к звену А) погрешности следует объединить в частотные группы (у). В результате были получены приближенные выражения, весьма удобные при сравнительном анализе точности вариантов КЦ (КС) станков в стадии проектирования (даны ниже на примере угловой кинематической погрешности). Принцип определения величин; 8ф и аф через предельные значения, приведенных погрешностей д(ра, выраженных формулами (2.24);— (2.26) будем называть принципом; смешанного волнения; (по- аналогии с результатами наблюдений смешанного волнения моря в удалении от берегов);
Способ суммирования; приведенных погрешностей через групповые погрешности S pv будем называть частотно-групповым. Рассмотрим вопрос частотного группирования, погрешностей согласно формулам (2.24) — (2:26). При сложении низкочастотных и высокочастотных, погрешностей: (8сри ), когда значения их частот отличаются не менее: чем на порядок, никакая компенсация; невозможна при любых значениях их начальных; фаз, т.е. амплитуда суммарного колебания будет практическиравна сумме амплитуд слагаемых колебаний: При частотах, одногошорядка может произойти частичная компенсация слагаемых погрешностей даже при« случайной сборке. На рис. 216. показано, как при отношении частот V]/v2=l/l;5; 1/2; 1/Зи Г/4 слагаемых погрешностей (1; 2) изменяются размах 1 суммарной погрешности , предельная разность размахов ARj- = ДЯ3 - ДйшЬ и относительная вариация размахов V =АЛ2/Л ах.
Для слагаемых погрешностей на графиках приняты амплитуды, равные единице. Как показал анализ значений вариации Vz, проведенный на ЭВМ и частично представленный на рис. 2.6, при отношении частот Vi/v2 1/4 величина V резко снижается. Так, при Vi/v2= 1/4; 1/5; 1/6; 1/7 соответственно получим ГЕ = 2,5; 0,4; 0,9; 0,8%. Следовательно, частотное группирование с помощью квадратичного сложения по формуле (2.26) должно производиться при разбивке частот на группы. К группе vl отнесены те погрешности, которые могут быть существенно скомпенсированы в результате надлежащей сборки; в группе v2 присутствуют частоты, при которых возможна лишь частичная компенсация. Погрешности из группы vO (как будет показано в дальнейшем) оказывают ничтожное влияние в системе, поэтому ими можно пренебречь. Для КЦ механизмов, не имеющих делительной червячной передачи с большой редукцией, можно будет принимать группу v 0 при v 256. Конкретные приемы смешанного суммирования погрешностей будут рассмотрены в 2.2.3. В результате проявления составляющих погрешностей [4, 46] на каждом звене КЦ (КС) образуется линейная действующая погрешность &, звена, пере 55 даваемая затем по КЦ на выходное звено А (звено приведения). В зависимости от наличия технических данных об анализируемых вариантах КЦ (КС) определение действующих погрешностей может быть произведено в детальной, обобщенной или безразмерной форме.
При расчете в детальной форме (например, в стадии разработки техниче ского или рабочего проекта) будут определяться следующие действующие по грешности: основная (высокочастотная погрешность, определяемая для каждой пары зацепляющих звеньев как минимальное значение из циклических составляющих погрешностей); дополнительные погрешности, вызванные силовыми (Ssc,Ssk,Ssu), температурными (Ssg) и другими факторами, рассмотренными в работах [24, 29, 37, 46, 47]. Монтажная составляющая погрешность звена будет определяться по следующей обобщенной формуле (удобной для табличных расчетов): где величины Srl,3-2,Sal Sa2 были рассмотрены в связи с формулами (2.32) — (2.35); Кг, Ка — коэффициенты уменьшения соответственно радиального и аксиального биения. Значения Кг: для резьбовых звеньев (червяки, червячные фрезы, вращающиеся винты и гайки) для невращающихся звеньев Кг = 0; в остальных случаях Кк=1. для резьбовых звеньев (червяки, червячные фрезы, вращающиеся винты и гайки) Ка= 1; в остальных случаях Ка = 0. При расчете в обобщенной форме (например, в стадии разработки техни ческого предложения или эскизного проекта) монтажные составляющие по грешности звеньев отдельно не определяют (хотя бы из-за отсутствия чертежей узлов). Основные действующие погрешности рекомендуется определить по следующим приближенным формулам округляя полученные значения в соот ветствии с рядом R20 предпочтительных чисел (ГОСТ 8032—56): для ответственных червячных и прямозубых цилиндрических колес (прежде всего делительных)
Частотные группы при суммировании приведенных погрешностей и предельные (максимальные) значения подгрупповых погрешностей
Для исследования точностей структуры КС (КЦ) и наглядного представления о путях ее изменения (с целью повышения точности или снижения трудоемкости изготовления КС) необходимо провести анализ баланса точности системы с построением соответствующих диаграмм [32, 37]. Под балансом точности следует понимать удельное соотношение групп факторов (или отдельных факторов) в образовании той или иной выходной погрешности точностной КС. Анализ баланса точности-должен проводиться на базе числовых данных, полученных поирасчете КС. Введем понятие коэффициента влияния q-й группы факторов (звеньев): где Е(9а)— сумма приведенных (или групповых) погрешностей, относящихся к звеньям q-й группы факторов (звеньев); Е(о)— то же для- всей системы (КЦ, станка, изделия); индекс (а) отражает характер суммирования (например, смешанное, квадратичное), применявшегося при определении соответствующих показателей точности, по которым анализируется баланс точности; при этом всегда Sq l,ESq=l. При смешанном (частотно-групповом) суммировании приведенных погрешностей можно выделить следующие группы факторов (звеньев) в КС станка: В (заготовка изделия А), С (инструмент), D (станок как механизм привода), DA (делительная передача изделия), DC (делительная передача инструмента), DD (делительный диск), DF (дифференциал), DO (прочие звенья привода), а также другие группы звеньев, например сменные звенья органа настройки. Чтобы проследить, как изменяется удельное влияние групп факторов на точность станка или изделия при изменении параметров изделий, необходимо построить диаграммы баланса точности. На рис. 2.10 даны примеры диаграмм баланса точности изделия, построенные для фрезерно-расточного (а) и токарного (б) ОЦ.
Каждая диаграмма делится на несколько зон по числу групп факторов. Расстояние между двумя границами каждой зоны, измеренное по вертикали, дает в масштабе величину коэффициента влияния Sq данной группы факторов при определенных параметрах изделия, так как высота диаграмм равна единице (или 100%). На рис. 2.10 зоны групп факторов и соответствующие коэффициенты влияния Sq обозначены индексами q = В (заготовка), DA (червячная делительная передача), DC (пара винт — гайка), GX (гитара обката), GT (винторезная гитара), DO (остальные звенья). Разделение всех учитываемых в расчете звеньев (факторов) на группы делает более наглядной картину баланса точности и облегчает вычисления коэффициентов влияния. Подробные рекомендации отделении всех звеньев на группы изложены в [10, 28]. При анализе баланса точности фрезерно-расточного ОЦ и его изделия каждая диаграмма строится для определенного расчетного значения модуля тА изделия (рис. 2.10,а). По оси абсцисс откладывается;логарифмическая шкала расчетных значений делительного диаметра: (Ід изделия; которая становится) равномерной при выборе значений (ід по ряду предпочтительных чисел. При анализе: баланса- точности фрезерно-расточного ОЩ и его изделия каждая диаграмма строится для определенного интервала IX измерения по-грешностей/изделюг (рис. 2.Щ6): По оси абсцисс откладывается логарифмическая шкала расчетных значений.шага винтовой линии tA.изделия/ Аналогичным;образом .диаграммы баланса точности следует строить при: анализе точности КЦ отдельных механизмов. Знание баланса точностишроектируемогоОЦш! его изделия необходимо для корректировки отдельных допусков с целью повышения точности ОЩш из делия, а; также снижениях трудоемкости изготовления ОЦ; Знание баланса точ ности различных моделей ОЦГполезно: при; перспективных конструкторских разработках. Все сказанное выше в;полношмере: относится к любой точностной КС машины или: установки с механическим, гидромеханическим; электромеханическим или иным комбинированным приводом; Рассмотрим вопрос определения коэффициентов влияния для анализа баланса; точности по величине (при частотноггрупповом суммировании, погрешностей). . Если в рассматриваемую q-ю группу факторов входят звенья; принадле жащие к разным частотным группам (у 1, v-2j...., v 6), тс согласно выражениям (2;81)-(2.83) иі(2:25) получим Числовые значения величин, входящих в формулы (2.82) и (2.83), берут из расчетных таблиц для определения приведенных и выходных погрешностей, рассмотренных в 2.2.2. и 2.2.3. Вычисление коэффициентов влияния по формулам (2.82) и (2.83) довольно затруднительно, поэтому в большинстве практических случаев можно ограничиться выделением наиболее существенных звеньев (факторов), принадлежащих к частотной группе v 1 (т.е. V}=1). Тогда вычисления будут выполняться по следующим простым и удобным формулам (на примере фрезерно-расточного станка). для станка D (ст) Определение коэффициентов влияния для анализа баланса точности по величине ео(ръ (при квадратичном суммировании погрешностей) будет производиться по формулам: для цепи Верхние индексы (ст, из) указывают на то, что соответствующие суммы квадратов приведенных погрешностей участвуют в определении показателей точности станка и изделия. Формулы (2.90) — (2.92) позволяют легко оперировать с любыми группами факторов. Под кинематической точностью комбинированной КС (КЦ) будем понимать стабильность ее выходной скорости (равномерность вращения) или стабильность приращения ее выходного перемещения (точность перемещения) при равномерном движении входного звена. 1. Проанализированы функциональные погрешности в кинематической сис теме станка. Проведена оценка кинематических цепей механического и комбинированного типа. Данный подход позволяет комплексно оценить погрешность электромеханического привода. 2. Предложен аналитический подход к оценке точности статистическими методами с учетом серийного производства КЦ и КС. 3. Определены выходные погрешности КС и выходные показатели точности системы. 4. Предложен частотный метод при суммировании приведенных погрешностей. 5. На основании баланса точности системы показаны возможности существенного повышения точности КЦ ОЦ и станков, а как конечный результат — повышение точности изделия при применении ОЦ с мехатронными обрабатывающими головками.
Принцип создания математической модели многокоординатного движения по пяти координатам (осям) в классической компоновке обрабатывающего центра или станка
Дополнительная погрешность обработки вносится инструментом — неточность закрепления инструмента, износ инструмента.
Из этого следует, что обработка сложных деталей с высокой точностью должна осуществляться на станках с простыми кинематическими цепями. Сложные высокоточные траектории движения на станке, возможно, реализовать за счет применения мехатронных модулей. Модулей, в которых реализуется концепция прямого привода - конструктивное объединение исполнительного и приводного элементов механизма станка.
Для обработки сложных деталей применяется 5-осевая (пятикоординат-ная) обработка. 5-осевая непрерывная обработка
При этом виде обработки в процессе резания возможно движение инструмента (и/или детали) одновременно по всем 5 осям. Важным вопросом организации 5-осевой обработки на станке с ЧПУ является программно-математическое обеспечение (ПМО) [11]. Рассмотрим несколько вариантов программирования при этом виде обработки.
Использование нормали к поверхности
Наиболее часто используемая стратегия непрерывной 5-осевой обработки основана на отслеживании нормали к обрабатываемой поверхности (рис. 3.4). При описании оси инструмента в программе возможно задание двух углов относительно нормали: угла опережения, измеряемого в направлении движения, и угла отклонения, измеряемого в перпендикулярной этому направлению плоскости (рис. 3.5). Угол опережения создает лучшие условия резания, а угол отклонения обычно служит для лучшего доступа к обрабатываемым поверхностям вблизи выступов. Использование угла опережения позволяет обрабатывать, в частности, лопатки турбин скругленным инструментом, когда обработка по нормали просто невозможна. На рис. 3.6 показаны сечение реальной лопатки и траектория для угла опережения 20. Значение угла подобрано опытным путем (меньший угол ведет к нежелательному контакту между задней или донной стороной инструмента, а больший угол невозможен из-за зареза выходной кромки при входе на вогнутый участок со стороны входной кромки). Использование скругленного инструмента в данном случае позволяет интенсифицировать режимы резания по сравнению с шаровой фрезой.
Обработка боковой поверхностью применяется для формирования профильных проходов при обработке линейчатых поверхностей (рис. 3.7). При использовании 5-осевой обработки такие проходы могут содержать обработку внутренних полостей, что является целесообразным при обработке карманов со стенкой с переменным уклоном.
Если поверхность близка к линейчатой, но таковой не является, то можно использовать предыдущую стратегию с углом отклонения 88-89 и многопроходный вариант (для сравнения: при обработке боковой поверхностью угол отклонения равен 90).
Наиболее распространенной 5-осевой непрерывной обработкой является чистовая обработка сложного профиля. На рис. 3.8 показана траектория обработки паза со стенками, расположенными по нормали к поверхности. Как правило, на этой стадии уже выполнена 3-осевая обработка шаровой фрезой, а остаточный радиус в вогнутых углах обычно остается для ручной или электроэрозионной доработки. Используя 5-осевую профильную обработку концевой фрезой, можно значительно уменьшить объем ручной доработки и повысить точность воспроизведения формы.
Важным достоинством одновременного движения по 5-осям является то, что в этом случае можно использовать широкий ряд режущих инструментов, в т.ч. концевые, шаровые и скругленные, конические, конические сферические и конические скругленные фрезы. Как правило, при других системах организации движения инструмента ограничиваются использованием только шаровых и концевых фрез, что не всегда эффективно, особенно на стадии черновой обработки.
Однако, следует учесть, что организация работы с нормалью к поверхности имеет ряд недостатков. В ряде случаев при обработке сложной оснастки совершенно невозможно выдержать нормаль к одной поверхности, не зарезав соседнюю. К тому же отслеживание нормали часто требует больших перемещений узлов станка, что ведет к увеличению машинного времени.
