Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ Проблемы повышения точности технологических обрабатывающих систем (на примере координатно-расточных Станков) и методы её решения 15
1.1 Структура проблемы 15
1.2 Образование погрешностей прецизионных станков, вследствие контактных взаимодействий в их несущих системах 23
1.3 Влияние расположения штатных опор станин и фиксированного изменения параметров несущих систем прецизионных станков на образование погрешности 27
1.4 Способы и устройства контроля технического состояния технологических обрабатывающих систем с целью поддержания точностных характеристик 31
1.5 Пути повышения точности станков с составными станинами 41
Выводы по разделу. Постановка проблемы 51
2 Экспериментальные исследования точности технологических обрабатывающих систем с составными станинами 54
2.1 Расчетно-экспериментальные исследования упругих деформаций составных и цельнолитых станин технологических обрабатывающих систем 54
2.2 Экспериментальные исследования влияния упругих деформаций и размещения штатных опор составных станин технологических обрабатывающих систем на их точности 61
2.3 Влияние размещения управляемых компенсирующих опор на точность технологических обрабатывающих систем 68
2.4 Расчетно-экспериментальные исследования влияния затянутого стыка составной станины технологической обрабатывающей системы на уровень относительных колебаний подсистемы "инструмент-заготовка" 69
2.5 Экспериментальные исследования составной станины технологической обрабатывающей системы как объекта управления 72
Выводы по разделу 80
3 Теоретические исследования возможности повышения точности технологических обрабатывающих систем с составными станинами 81
3.1 Общие положения теории повышения точности технологических обрабатывающих систем с составными станинами 81
3.2 Математическое моделирование влияния силовых деформаций составных станин на точность технологических обрабатывающих систем (на примере КРС горизонтальной компоновки) .94
3.3 Особенности и расчетная модель силовых деформаций упругих технологических обрабатывающих систем (на примере КРС вертикальной компоновки) 104
3.4 Повышение точность технологических обрабатывающих систем путем оптимизации размещения штатных опор станин 116
3.5 Динамическая модель затянутого стыка составной станины технологической обрабатывающей системы 120
3.6 Влияние динамики упругой технологической обрабатывающей системы с составной станиной на его точность (относительные колебания подсистемы "инструмент-заготовка") 126
3.7 Составная станины технологической обрабатывающей системы как объект управления 138
4 Автоматизированный оперативный контроль технического состояния технологических обрабатывающих систем 159
4.1 Разработка и исследование диагностической модели технологической обрабатывающей системы 159
4.2 Выбор диагностических параметров несущих систем технологического обрабатывающего оборудования по критерию максимальной чувствительности 169
4.3 Разработка методики, алгоритмов и структур технических средств автоматизированного контроля состояния несущих систем технологического обрабатывающего оборудования по динамическим характеристикам 178
4.4 Оперативный контроль технического состояния несущих систем технологического обрабатывающего оборудования по их динамической податливости, определяемой в процессе резания 190
Выводы по разделу : 196
5 Автоматическое управление деформациями составных станин технологических обрабатывающих систем 198
5.1 Создание САУ компенсации силовыми деформациями звеньев технологической обрабатывающей системы 198
5.2 Компенсация деформаций звеньев технологической обрабатывающей системы 209
5.3 Управление положением подвижного узла технологической обрабатывающей системы на вертикальных направляющих стойки (разгрузка от веса) 219
5.4 Управление положением подвижного узла технологической обрабатывающей системы на вертикальных направляющих стойки (компенсация опрокидывающих моментов от силы резания) 222
5.5 Управление положением подвижного узла технологической обрабатывающей системы на вертикальных направляющих стойки (компенсация геометрических погрешностей) 224
5.6 Оценка эффективности методов и комплекса технических средств для повышения точности технологической обрабатывающей системы с составными станинами 232
Выводы по разделу 238
Общие выводы 240
Библиографический список 242
Приложение
- Образование погрешностей прецизионных станков, вследствие контактных взаимодействий в их несущих системах
- Экспериментальные исследования влияния упругих деформаций и размещения штатных опор составных станин технологических обрабатывающих систем на их точности
- Математическое моделирование влияния силовых деформаций составных станин на точность технологических обрабатывающих систем (на примере КРС горизонтальной компоновки)
- Выбор диагностических параметров несущих систем технологического обрабатывающего оборудования по критерию максимальной чувствительности
Введение к работе
При проектировании и эксплуатации технологических обрабатывающих систем непрерывно возрастают требования повышения их точностных характеристик. Это особенно актуально применительно к прецизионным коорди-натно-расточным станкам (КРС) с составными станинами. Использование таких конструкций станин в прецизионном станкостроении является новым. На этих станках решаются следующие задачи: высокоточная обработка заготовок различной массы, габаритов, в том числе в крайних положениях подвижных узлов - стола, стойки, шпинделя и шпиндельной бабки. Однако влияние, составных станин на точность прецизионных КРС изучено недостаточно.
Анализ работы КРС указывает на ряд задач, которые необходимо решать при их проектировании и эксплуатации [170, 314, 331]. Это повышение жесткости несущих систем станков, минимизация упругих деформаций станин за счет оптимального размещения штатных опор, с помощью которых станины устанавливаются на фундамент, а также надежный и достоверный контроль точности в рабочем пространстве станков, прогнозирование снижения точности, разработка специальных методов обеспечения точности оборудования и т.д.
В прецизионных КРС средних размеров, установленных на фундамент на три опорные точки, деформации несущих систем, являются существенными. Они приводят к снижению точности станков, отклонению взаимного положения режущего инструмента и обрабатываемой поверхности заготовок [332] и, как следствие, к снижению точности обработки.
Традиционные методы повышения точности сводятся к увеличению жесткости несущих систем станков, выбору рациональной конструкции станин, повышению качества сборки и доводки узлов, подбору смазочных материалов и так далее. Они практически достигли определенного предельного уровня влияния на точность технологического оборудования. Дальнейшие шаги в этом направлении приводят к существенному удорожанию их стоимости.
Одним из наиболее перспективных путей дальнейшего повышения точности станков является оснащение их системами адаптации, который в свою очередь разделяется на два направления:
- адаптацию несущих систем станков к изменяющимся условиям функционирования, резко повышающая их точность [17, 51, 97, 112, 113, 123, 194, 207, 208, 268, 271, 313, 323, 329, и др.];
- адаптивное управление процессом обработки, обеспечивающее повышение производительности и точности за счет автоматического изменения режимами резания [13, 14, 15, 17, 197, 205, 265 и др.].
В настоящей работе представлен метод повышения точности в рабочем пространстве технологических обрабатывающих систем с составными станинами в рамках первого поднаправления. Где эффект достигается путем автоматической компенсации деформаций одного или нескольких звеньев несущей системы станка, управления положением шпиндельной бабки относительно направляющих стойки, а так же коррекций управляющих программ.
Под рабочим пространством понимается метрическое пространство, вмещающее в себя обрабатываемую заготовку максимальных геометрических размеров. Одна из граней рабочего пространства находится на зеркале стола, а другие ограничены крайними положениями подвижных улов (стола, стойки, шпинделя и шпиндельной бабки) станка при которых возможна металлообработка.
Для реализации этого пути следует учесть, что деформации несущих систем вносят существенную долю в баланс погрешностей оборудования. Значимость такого пути возрастает в случае его использования в прецизионных координатно-расточных станках имеющих различные компоновочные схемы и оснащенных системами ЧПУ. Управление их упругими перемещениями позволяет практически полностью исключить доминирующие составляющие из баланса погрешностей оборудования.
Применение составных или сварных станин в станкостроительном производстве (фирм "Berthiez", "Bordier"- Франция) значительно упрощает технологию литья, приводит к снижению брака, который может достигать 30...40%. Существенно облегчает транспортировку изделий от изготовителя к заказчику.
Самарское станкостроительное производственное объединение, разработало и выпустило гамму прецизионных горизонтальных КРС моделей 2А459АФ1, 2А459АФ4, 2А459АМФ4 с составными станинами.
Как показал ряд специально проведенных исследований [61, 96, 208 и др.], использование составных конструкций в станках, модульный принцип компоновки технологических систем [1] оказывает влияние на их точность и требует разработки путей ее повышения.
Известны [45, 51, 54, 149, 194, 207, 245 и др.] системы автоматической компенсации деформаций (САКД) корпусных деталей, в частности, станин, которые хорошо зарекомендовали себя в условиях промышленной эксплуатации. Однако они не лишены недостатков, что подчас затрудняет их внедрение в серийное производство, в частности станков с составными станинами. Поэтому поиск принципиально новых решений, позволяющих получить простую и надежную конструкцию устройства автоматической компенсации силовых деформаций, является весьма актуальной задачей. При этом особо следует отметить, что на качество обработки, прежде всего, влияет техническое состоя-
v
ние станка. Поэтому необходимо периодическое диагностирование технологических обрабатывающих систем.
Исследования в разные годы выполнялись по ряду целевых программ, в том числе:
— Целевой комплексной программе О.Ц. 047 "Автоматизация в отраслях народного хозяйства на базе микропроцессорной техники машин, оборудования и технологических процессов во всех звеньях производства на 1984...1990 г.г.";
Целевой комплексной программе "Ассоциация" Минобразования России 1994...1999 г.г.;
Критическая технология федерального уровня, раздел "Мехатронные узлы станков с заданными технологическими функциями".
Цель настоящей работы — повышение точности технологических обрабатывающих систем с составными станинами с применением методов и комплекса технических средств автоматической компенсации деформаций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Сравнительные расчетно-экспериментальные исследования упругих деформаций составных и цельнолитых станин ТОС. Выделение проблемной области.
Теоретические и экспериментальные исследования влияния деформаций изгиба и кручения составных станин на точность КРС. Обоснование необходимости компенсации деформаций рассматриваемых КРС для повышения их класса точности.
3. Экспериментальные исследования вариантов размещения штатных
опор для минимизации взаимных перемещений режущего инструмента и заго
товки. Оценка эффективности пассивного метода компенсации деформаций.
4. Исследование динамических характеристик ТОС с составной станиной с учетом упруго-диссипативных свойств затянутого стыка. Разработка расчетной методики определения динамических характеристик ТОС с составной станиной.
Разработка теоретических положений теории повышения точности ТОС применительно к созданию системы автоматической компенсации деформаций составных станин.
Разработка математической модели составной станины ТОС как объекта управления автоматической системы компенсации деформаций и экспериментальная идентификация ее параметров.
Разработка многоканальной системы управления для автоматической компенсации ТОС составными станинами, экспериментальная оценка эффективности ее применения.
Разработка лазерного автоматизированного измерительного комплекса для экспресс-оценки деформаций ТОС. Оценка эффективности автоматической компенсации деформаций составных станин.
Разработка рекомендаций по повышению точности ТОС методом автоматической компенсации силовых деформаций составных станин.
10. Разработка автоматизированного измерительного комплекса для опе
ративного контроля и оценки технического состояния несущих систем ТОС.
Методы исследований. Методологической основой исследований является системный подход. Теоретические исследования базируются на методах классической механики, линейной алгебры, теории вероятности и математической статистики. Расчёт численных значений параметров моделей, определение областей адекватности и другие алгоритмы минимизировались и просчитывались на ЭВМ. Вопросы анализа и синтеза систем управления решались методами дифференциального и интегрального исчислений, операторным и частотным методами, численными методами. Для решения оптимизирующих задач использовался принцип максимума Л.С. Понтрягина. Исследования объектов и систем управления проводились экспериментальными методами, в той числе в условиях промышленной эксплуатации станков.
Научная новизна работы.
Предложена и экспериментально обоснована концепция повышения точности класса ТОС с составными станинами на базе применения комплекса технических средств.
Разработаны и апробированы динамические модели упругих систем станков, используемые для создания технических средств повышения точности ТОС с составными станинами.
Разработана математическая модель и поставлены задачи оптимального размещения штатных опор составных станин с учетом геометрических ограничений.
Разработан метод исследования точности составных станин с помощью математического моделирования.
Экспериментально подтверждена эффективность применения комплекса технических средств для повышения точности ТОС методом автоматической компенсации деформаций составных станин.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе всесторонне проведенных исследований, получены инженерные методики расчета обеспечения точности технологических обрабатывающих систем с составными станинами, что позволяет на этапе проектирования создавать современное прецизионное металлорежущее оборудование, учитывая при этом влияние затянутых стыков, общих деформаций несущих систем, а также рациональное размещение штатных опор.
Практическое значение полученных результатов:
На основе проведенных исследований разработаны инженерные методики расчета точности технологических обрабатывающих систем с составными станинами.
Созданы методики автоматизации расчетно-конструкторских работ по проектированию технологических обрабатывающих систем с составными станинами.
Предложена методика оценки влияния силовых деформаций корпусных деталей технологических обрабатывающих систем с составными станинами на их точность.
Разработаны научно-обоснованные рекомендации по специальным измерительным базам для автоматической компенсации деформаций станин.
В обобщенном виде сформулированы требования к устройствам, позволяющим скомпенсировать действие силовых возмущающих факторов.
Разработан лазерный автоматизированный измерительный комплекс, позволяющий оценивать точность технологических обрабатывающих систем.
Для оперативного контроля и оценки технического состояния несущих систем технологического оборудования создан автоматизированный измерительный комплекс.
Основные результаты материалов диссертации внедрены в производство и практику создания гаммы прецизионных координатно-расточных станков моделей 2А459АФ1, 2А459АФ4, 2А459АМФ4 и 24К40СФ4 со значительным технико-экономическим эффектом, подтвержденными прилагаемыми документами (актами внедрения).
Вопросы, отражённые в диссертации, излагались автором и его коллегами в лекционных курсах "Технология машиностроения и технологические основы автоматизации", "Конструирование манипуляционных механизмов", "Механизмы и конструкции станков" студентам специальности 21.02.00, специализации "Компьютерная автоматизация" Тольяттинского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на 17 международных, всесоюзных, республиканских и региональных конференциях:
I Всесоюзной научно-технической конференции "Динамика станков", г. Куйбышев, 1980 г. [96];
Уральской зональной научно-технической конференции "Актуальные проблемы проектирования и эффективности эксплуатации металлорежущих станков и их комплексов в машиностроении", г. Уфа, 1980 г. [211];
- семинаре - совещание "Проблемы оптимизации в машиностроении",
г.Харьков, 1982г. [215];
- II Всесоюзной научно-технической конференции "Динамика стан
ков", г. Куйбышев, 1984 г. [61];
областном научно-техническом семинаре "Динамика и адаптация технологических систем машиностроения", г. Тольятти, 1986 г. [65];
областной научно-технической конференции "Автоматизация и комплексная механизация технологических процессов", г.Сызрань, 1987г. [66, 67];
III Всесоюзной научно-технической конференции "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств", г. Тольятти, 1988 г.[69];
международной конференции "Применение лазеров в науке и технике", г. Новосибирск, 1992 г. [166];
I электронной Международной конференции "Автоматизация и информатизация в машиностроении", г. Тула, 2000г. [71];
II Международной научно-практической конференции "Информационные технологии в моделировании и управлении", Г.С.Петербург, 2000г. [73];
VI Международной конференции по машиностроительной технике и технологиям "АМТЕХ 2001", г. Созопол (Болгария), 2001г. [307, 308, 311];
- Всероссийской научно-технической конференции с международным
участием "Прогрессивные технологические процессы в машиностроении",
г. Тольятти, 2002 г. [177];
- Всероссийской научно-технической конференции с международным
участием "Прогрессивные технологические процессы в машиностроении",
г. Тольятти, 2002 г. [75];
VII Международной конференции по машиностроительной технике и технологиям "АМТЕХ 2003", г. Варна (Болгария), 2003 г.[317];
VII Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии в машиностроении", г. Пенза, 2003 г. [78];
Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в машиностроении", г. Самара, 2004 г;
Всероссийская научно-техническая конференция " Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении", г. Тольятти, 2005 г.
В целом работа обсуждалась и одобрена на семинарах кафедры "Автоматизация машиностроения" ТГУ г. Тольятти 2002-2005 г.г., на объединенном заседании кафедр машиностроительного факультета СамГТУ г. Самара в 2005 г., на научно-техническом совете Станкостроительного АО "Стан-Самара" в 2002-2005 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 работы, в том числе: 1 монография, 38 статей, в том числе 14 из них в журналах рекомендованных ВАК РФ, 17 публикаций в трудах и материалах международных, всероссийских научно-технических конференций, б авторских свидетельства и положительных решений о выдаче патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 338 страниц машинописного текста, включая 111 рисунка, 5 таблиц. Список использованной литературы содержит 332 наименования.
Работа выполнена в НИЛ "Автоматического управления и контроля механических систем" Тольяттинского политехнического института, реорганизованного в 2001 году в Тольяттинский государственный университет.
Образование погрешностей прецизионных станков, вследствие контактных взаимодействий в их несущих системах
Погрешности металлорежущих станков в значительной мере определяется многими параметрами, представленными функциональной зависимостью (1.1). Рассматривая [35, 92] действие первичных (составляющих) погрешностей, независимо друг от друга, на основе принципа суперпозиции можно выразить суммарную погрешность в детерминированном виде:
Здесь AY является погрешностью, вносимой контактными деформациями в местах сопряжения узлов. Контактным взаимодействиям в стыках и их влияние на точность [285, 286, 291, 292], в частности станков, посвящено значительное число работ как отечественных, так и иностранных ученых, внесших значительный вклад в разработку теоретических и экспериментальных аспектов контактного взаимодействия реальных поверхностей.
В работах К.В. Вотинова были представлены результаты экспериментальных исследований жесткости суппортов токарных станков. Было выявлено, что собственная жесткость деталей значительно выше жесткости их сопряжений. Отмечено, что аналитические зависимости, описывающие контактные взаимодействия поверхностей применительно к станкам, работают неудовлетворительно. Это объясняется тем, что реальные стыки имеют значительные номинальные площади. Отклонение их от правильной геометрической формы приводит к неравномерному перераспределению давлений, и соответственно упругие перемещения будут изменяться в значительных пределах.
Исследования, продолженные А.П. Соколовским дали возможность найти аналитические выражения зависимости величины сближения от давления и теоретическим путем оценить влияние волнистости на жесткость стыка [238].
Моделирование точности технологического оборудования, освященных в работах Б.М. Базрова [14, 15], вводятся деформируемые связи между абсолютно твердыми телами, аппроксимирующими влияние контактной податливости стыков на положение контактирующих тел. Связи принимались двухсторонними и стационарными. Они накладывались таким образом, что при нагружении задача оценки погрешности становилась статически определимой.
В рассматриваемых моделях учитывалось в основном влияние макроотклонений стыкуемых поверхностей на точность технологического оборудования. Другой подход к моделированию точности основывался на учете их микроотклонений - шероховатости и волнистости. Связи принимались односто ронними и рассматривались только деформации поверхностного слоя сопряжения без учета собственных деформаций деталей.
Состояние проблемы моделирования точности технологического оборудования дается в работах В.Г. Митрофанова, Ю.М. Соломенцева, М.Г. Косова, В.Т. Портмана [129, 132, 133, 164, 190, 192, 240]. В них производится анализ и классификация моделей, задач точности с позиции передачи сил через тела деталей и связей между ними. Схематически модели точности были представлены развивающейся последовательностью изменяющихся свойств деталей с усложняющимися видами связей между ними.
Значительный шаг в изучении контактных взаимодействий шероховатых поверхностей был сделан в работах И.В. Крагельского, Н.В. Демкина, Э.В. Рыжова, А.Г. Суслова, сформировавших современные представления о процессах, протекающих в зонах контакта [29, 94, 137, 138, 226, 227, 250, 251, 252 и др.]. При контактировании шероховатых поверхностей первыми вступают в контакт микровыступы, которым на сопряженной поверхности противостоит такой же выступ [94, 153]. Форма микронеровностей весьма разнообразна и зависит от многих факторов, в том числе от вида технологической обработки, физико-механических свойств поверхностных слоев и т.д. Их форма далека от правильной, однако, чтобы рассчитывать деформации микровыступов, их можно представлять в виде геометрически правильных тел. Например, в работе [154] была предложена стержневая модель взаимодействующих микронеровностей, рассматривающая упругое деформирование выступов. В [247] шероховатость поверхностей моделируется набором эллипсоидов, а в работе [104, 106, 327] - набором сфер. Использование эллипсоидальной модели позволяет учесть направление следов технологической обработки, а с другой стороны, порой неоправданно усложняет расчет.
В последнее время, качеству взаимодействующих поверхностей деталей машин, станков и т.п. продолжает уделяться большое внимание. Это вызвано ростом требований к жесткости конструкций. Соответственно при изучении шероховатости контактирующих поверхностей был применен работах Я. А. Рудзит вероятностно-статистический подход. Последний позволил учитывать масштабный фактор при контактировании реальных деталей. Значительный вклад в данное направление внесли работы [138, 225, 289 и др.].
На базе научных достижений в области контактного взаимодействия поверхностей и анализа экспериментального материала в ЭНИМСе Д.Н. Решето-вым и З.М. Левиной были разработаны рекомендации по повышению жесткости стыков несущих систем станков [147, 219, 221 и др.]. Найдены аналитические выражения, позволяющие оценить жесткость сопряжений при действии эксплуатационных нагрузок. Разработаны методы расчета работоспособности плоских, цилиндрических и конических стыков, а также созданы основы оптимизации конструкций по жесткости [191, 193, 224].
Следует также отметить, что особенностью расчетных зависимостей, полученных в работах [155, 206, 221 и др.] является учет реальных условий контактирования. Последние зависят от многочисленных факторов и, в частности, от погрешностей обработки стыкующихся поверхностей, масштабного фактора, характера нагружений, собственных деформаций деталей и их элементов. Кроме того, в затянутых стыках величины сближений зависят от толщины фланцев, усилия затяжки болтов и его распределения.
При моделировании взаимодействующих поверхностей Д.Н. Решетов и З.М. Левина отмечали, что поверхностные контактирующие слои можно представлять как тонкие упругие прокладки между деталями. При этом детали рассматриваются как абсолютно жесткие. Однако в реальных конструкциях собственная жесткость отдельных деталей соизмерима с жесткостью поверхностных слоев. Этот вопрос недостаточно изучен в работах [146, 221, 222, 261], хотя тесно связан с проблемой повышения точности обработки.
Экспериментальные исследования влияния упругих деформаций и размещения штатных опор составных станин технологических обрабатывающих систем на их точности
Упругим деформациям несущих систем технологического оборудования и их влиянию на точность отводится значительное место в исследованиях [13, 54, 118, 119, 201, 205, 223 и др.]. Однако, исследования составных станин прецизионных координатно-расточных станков, установленных на три опорные точки относительно фундамента, не проводилось.
Исследования осуществлялись на экспериментальной установке, выполненной на базе прецизионного горизонтального КРС с составной станиной модели 2А459АФ1.
Целью экспериментальных исследований несущих систем прецизионных координатно-расточных станков, в частности, имеющих составные станины, является оценка влияния общих (изгиба, сдвига и кручения) силовых деформаций на их точность.
Для определения величин силовых деформаций по периметру составной станины устанавливались 24 измерительные головки типа ИПМ (цена деления 0,5 мкм). Нагружение станины стойки осуществлялось путем установки набора грузов с общей силой веса (включая салазки) Pi = 42500 Н, а станины стола грузом 4 - Рг = 30000 Н. Учитывая сложный характер силовых воздействий, воспринимаемых составной станины в процессе эксплуатации, схема установки грузов, предусматривала размещение центра тяжести грузов относительно направляющих: над V-образной; над плоской; между ними. Такая методика исследований позволяет имитировать деформации изгиба, сдвига и кручения, а также и их суммарный эффект.
На рисунке 2.4 графически представлены упругие линии составной станины при характерных случаях нагружения. Здесь цифрами I, 2, 3 и4 обозначено перемещение салазок с грузом по направляющим станины стойки с шагом Ах = 0,3 м и соответствующие им кривые деформаций плоской и V-образной направляющих при изгибе и сдвиге в стыке составной станины (без кручения).
Располагая центр тяжести грузов сначала над плоской, потом над V-образной направляющими, получим деформацию изгиба с кручением. Применяя принцип независимости действия сил, сложную деформацию в опытах целесообразно представить в виде двух простых: изгиба и кручения. На рисунке 2.5 графически представлены крутильные деформации составной станины в виде поворота сечений 1-13; 2-12; 3-11; 4-10; 5-9 и 6-8. Плоская
Опыты показали, что перемещения отдельных точек составной станины по абсолютной величине достигают 25,0...27,0 мкм при изгибе со сдвигом и кручении - 1,5... 2,0 угловых секунды [80].
Сравнение расчетных по методике, приведенной в Приложении А, и экспериментальных величин деформаций показывает, что они имеют достаточно хорошее совпадение. Это подтверждает адекватность принятой модели реальному объекту. Проведенные экспериментальные исследования составной станины показывают, что, вследствие упругих деформаций несущей системы смещение инструмента относительно обрабатываемой заготовки составляет в вертикальном направлении 18,0...19,0 мкм, в горизонтальном - 43,0...45,0 мкм. Эти перемещения недопустимы для станков класса В и тем более А.
Для снижения уровня указанных силовых деформаций и повышения точности прецизионного горизонтального КРС модели 2А459АФ1 были исследованы различные пути ее повышения и, в частности, оптимизация расположения штатных опор станка. Остановимся на исследовании этого направления - повышения точности прецизионных станков, установленных на три опорные точки.
Известно [117, 120, 267], что рациональное размещение штатных опор оказывает существенное влияние на точность станков, и соответственно на точность обработки. Однако этот вопрос недостаточно изучен. По традиционной методике штатные опоры устанавливаются в так называемых точках Бесселя. Учитывая, что деформации станин, вызываемые перемещением подвижных узлов (стоек, салазок, стола с обрабатываемой заготовкой и т.д.), вносят существенные погрешности в обработку — возникает необходимость в дополнительных исследованиях. Это особенно актуально применительно к прецизионным координатно-расточным станкам с составными станинами.
Для решения поставленной задачи воспользуемся предложенной методикой экспериментальных исследований станин такого типа. В ней с доста точной степенью точности силовые воздействия на составную конструкцию можно имитировать эквивалентными внешними силами Pi и / 2, расстояние между которыми а = 1100 мм (Р/ - Р2 — Gcm/2, где Gcm — сила веса стойки). Для этого на салазки станка устанавливался набор грузов с максимальным весом Gcm = 42500 Н (что соответствует весу подвижной стойки в сборе). Схема нагружения предусматривала размещение центра тяжести грузов между V-образной и плоской направляющими. В качестве измерителей, как и ранее, использовались двадцать четыре головки типа ИПМ с ценой деления 0,5 мкм, установленные по периметру станины.
Как показал анализ, учитывая конструктивные особенности станка, экспериментальная оптимизация расположения штатных опор осуществима путем перемещения опоры В (рисунок 2.6). Реакция на ней численно равна половине веса станка и — около 30% веса подвижных узлов. Перемещение опоры после каждой серии нагружении осуществлялось дискретно с шагом Ьх- 150 мм. Сближая штатных опоры станка, можно добиться того, что величина прогиба в пролете АВ, а соответственно и точность обработки, станет удовлетворительной. Однако уменьшение указанного прогиба и пролета АВ при всех возможных положениях стойки влечет за собой нежелательное увеличение деформаций на консольном конце С станины, длина которого возрастает.
Таким образом, при оптимизации длины пролета АВ путем его шаговой вариации функция цели формулируется в следующем простом виде. Оптимальным (по минимуму деформаций изгиба) следует считать такое расположение штатных опор, при котором прогибы в пролете АВ и на консольном конце С равны [182].
Математическое моделирование влияния силовых деформаций составных станин на точность технологических обрабатывающих систем (на примере КРС горизонтальной компоновки)
Оценить влияние деформаций составных станин на ошибки координат положения режущего инструмента относительно заготовки в рабочем пространстве на стадии проектирования высокоточных КРС является трудоемкой задачей. Для инженерной оценки этого влияния остановимся на рассмотрении упрощенной методики расчета таких систем. Известно [116, 119], что станина станка, установленного на три опорные точки, может рассматриваться в первом приближении как балка, испытывающая изгибные и крутильные деформации. На рисунке 3.7 представлена расчетная схема горизонтального КРС модели 2А459АФ1. Остановимся на рассмотрении изгибных деформаций. Учитывая конструктивные особенности исследуемого станка и, прежде всего, наличие затянутого стыка между станинами стола и стойки, составную станину можно представить как балку, состоящую из двух частей, соединенных упругими связями (см. рисунок 3.7,а). Здесь обозначены контактные податливости: SM стыка от действия изгибающего момента и SQ при относительных сдвиговых перемещениях. Из анализа работ по исследованию жесткости корпусных деталей [107, 115, 119, 144, 255] принимаем следующие допущения: - силовые деформации станины подчиняются закону Гука; - станина симметрична относительно оси ОХ и рассматривается как тонкостенная конструкция, состоящая из продольных и поперечных перегородок [119,124]; - жесткость станины, несущей стол станка, бесконечна; - деформациями стойки и шпиндельного узла пренебрегаем ввиду малости нагрузок от сил резания; - массы станин стола а і и стойки q равномерно распределены по длине; - основными возмущениями являются: вес подвижных узлов (са-лазок,стойки и т.д.) Pi, Р2 и вес обрабатываемой детали Рз , силы резания вследствие их малости на операции финишной расточки, не учитываются; - силовое воздействие стойки (в сборе) на направляющие составной станины представляется в виде двух эквивалентных сил Pj и Р2\ отмеченное обусловлено высокой жесткостью салазок и соизмеримостью геометрических размеров салазок и станины, это приводит к передаче сил от стойки к станине через две весьма ограниченные зоны, расположенные по краям салазок [208]; - расстояние а между силами Р/ и Р2 — величина постоянная и равная длине салазок (рисунок 3.8,я); - в качестве упругой линии станины вследствие её малой высоты принимается деформированная ось направляющих; - центр жесткости системы совпадает с точкой пересечения вертикальной оси стойки с осью направляющих станины. Для предложенной физической модели балки дифференциальное уравнение её деформаций имеет вид где M, Q — изгибающий момент и сдвигающая сила; 7, G, F, К- момент инерции, модуль сдвига, площадь поперечного сечения балки и его коэффициент формы. Интегрирование (3.31) при наличии затянутого стыка и действии двух сосредоточенных сил Pi и Р2 дает значение угла поворота сечения (с учетом сдвиговых деформаций) в следующем виде Введем обозначение
Здесь М0, Qo, 0o, f(x), fi(x) — изгибающий момент, сдвигающая сила, угол поворота поперечного сечения балки при начальных условиях и функции где Pi, Rh МІ - внешняя сосредоточенная сила, реакция и изгибающий момент (/=1,2... п), а{, Ъи СІ - координаты сосредоточенной силы, реакции и изгибающего момента, ц(х) - импульсная функция. Представим геометрические и силовые параметры в безразмерной форме На рисунке 3.9 схематично изображено влияние изгибных деформаций станины на точность станка. Рассмотрим вертикальное и горизонтальное перемещения инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Угол наклона стойки относительно вертикали: а а вертикальное перемещение инструмента относительно условно неподвижной обрабатываемой детали (см. рисунок 3.9) представим в виде Остановимся на рассмотрении крутильных деформаций составной станины. При этом следует учесть некоторые её конструктивные особенности и сделать соответствующие допущения. Геометрические размеры станины (длина значительно больше ширины и высоты) позволяют представить её как балку или брус постоянного сечения. Причем её зона затянутого стыка выполнена в виде заделки (рисунок 3.10) с податливостью SKp на кручение. Силовое воздействие можно имитировать сосредоточенными моментами Mi и А/2 от сил АР] и АР2 на плече С/ (см. рисунок 3.10). АР/ и АР2 возникают, вследствие смещения центра тяжести стойки, салазок и шпиндельной бабки в сборе. М3 - реактивный момент от силы R на плече С з (см. рисунок 3.10). Для получения аналитических выражений, позволяющих определить угол закручивания станины стойки от действия силовых факторов, принимаются следующие допущения: - станина в поперечном сечении имеет замкнутый контур; - число перегородок мало; - центр жесткости системы совпадает с осью ОХ, проходящей через центр тяжести поперечных сечений станины стойки (см. рисунок 3.10); - работа материала станины подчиняется закону Гука; - полагаем, что угол поворота стойки, обусловленный закручиванием станины, равен углу поворота последней по координате среднего сечения салазок.
При этом перекосом салазок, вызванным разностью углов закручивания станины на концах салазок, пренебрегаем, вследствие её малости; - контор сечения не искажается, и кручение допустимо рассматривать методами сопротивления материалов. Угол закручивания в сечении х при переменном моменте Мкр вычисляется по формуле где 1Р — полярный момент инерции; (ро = M0Kp SKp — угол поворота сечения в стыке станин стойки и стола; SKp — контактная податливость стыка на кручение; М0кр — момент кручения в сечении стыка (при х = 0). рассматриваемого профиля где а, а{, bj - координаты приложения крутящих моментов (см. рисунок 3.10). В безразмерном виде уравнение (3.47) можно представить так Таким образом, угол закручивания ср одной части станины относительно другой можно определить из выражения (3.47) или в безразмерном виде (3.48). Существенный интерес представляет возможность изучения влияния силовых деформаций составной станины на точность станка в целом. При этом перемещение вершины режущего инструмента (например, сверла) следует рассматривать в плоскости среднего сечения рабочего пространства станка. Очевидно, что наибольшие погрешности при обработке деталей возникают в верхней части рабочего пространства. Это объясняется тем, что инструмент находится на наибольшем удалении от оси возможного поворота станины стойки (см. допущение о том, что центр жесткости совпадает с осью ОХ, проходящей через центр тяжести поперечных сечений станины стойки). На рисунке 3.11 схематично показано влияние крутильных деформаций станины стойки на точность станка. Здесь точка А на плоскости среднего сечения рабочего пространства — теоретическое положение вершины режущего инструмента. Вследствие изгибных деформаций составной станины и наклона, стойки инструмент переместится в точку Aj рабочего объема. Следовательно, и осевая линия станины стойки, проходящая через центр тяжести поперечного сечения точку О переместится в О]. При деформации кручения стойка вместе с режущим инструментом относительно Oj повернется на угол ср, а инструмент из точки А\ вА2.
Выбор диагностических параметров несущих систем технологического обрабатывающего оборудования по критерию максимальной чувствительности
При создании систем технической диагностики важен правильный выбор диагностических параметров, обеспечивающих надежный диагноз, обладающих большой информативностью, чувствительностью к изменению технического состояния объекта [274], допускающих удобную аппаратную и программную реализацию процесса диагностирования.
В таблице 4.2 представлен набор диагностических параметров, которые могут быть использованы для диагностирования различных узлов и систем станков [114]. Основные варианты диагностирования, с указанием характера изменения сигнала во времени приведены на рисунке 4.4. Для повышения надежности диагноза целесообразно использовать несколько параметров при диагностировании одного объекта. Например, при диагностировании шпиндельных узлов удобно выбрать в качестве диагностических параметров спектральные характеристики изгибных колебаний шпинделя и параметры температурного состояния опорных подшипников.
Как уже отмечалось, производительность, и точность координатно-расточных станков в значительной мере определяется динамическим качеством. В динамике станков подробно разработаны частотные методы оценки динамического качества станка (виброустойчивость, отклонения элементов динамической системы при внешних воздействиях, быстродействие). Целесообразно использовать параметры частотных характеристик в качестве диагностических для интегральной оценки. В этом случае оценка состояния объекта диагностирования осуществляется по степени отклонения контролируемой характеристики от эталонной, которая может быть получена расчетным путем с использованием диагностической модели или экспериментально на этапе исследования базовой модели станка.
Однако, произвольный выбор контролируемой частотной характеристики в ряде случаев не обеспечивает достаточную эффективность диагностирования. Поэтому, с целью оптимизации процесса диагностирования, целесообразно выбирать ту характеристику, на которую максимально влияют структурные параметры объекта диагностирования. Тогда задача выбора контролируемой характеристики сводится к сравнению относительных чувствительно-стей характеристик [134]: где а(со) — относительная чувствительность характеристик; F(co) и (Х-частотная характеристика и структурный параметр. Под структурными параметрами объекта диагностирования здесь понимаются параметры, определяющие состояние объекта, косвенное наблюдение за изменениями которых посредством частотных характеристик, позволяет ставить диагноз. Например, в рассматриваемой модели несущей системы станка структурными параметрами являются коэффициенты жесткости и сопротивления масс, определяющие состояние подвижных соединений (направляющих) и неподвижных стыков элементов несущей системы. Для сравнения чувствительности различных частотных характеристик удобно использовать коэффициент связи относительных чувствительностей характеристик Fj(co) и F2(co). При анализе работоспособности несущей системы станка в качестве контролируемых частотных характеристик представляется возможным выбирать АЧХ, ФЧХ - вещественную или мнимую часть АФЧХ. Значения этих характеристик на определенных частотах могут рассматриваться как диагностические параметры. Вывод аналитических зависимостей коэффициентов связи производится с учетом диагностической модели в виде динамической характеристики разомкнутой системы станка по связи с процессом резания. Заменим в выражении (4.2) р = ico, получим где А (со) и (р(со) - АЧХ и ФЧХ разомкнутой системы. Тогда коэффициент связи относительных чувствительностей ФЧХ и АЧХ: Таким образом, для каждого структурного параметра диагностической модели имеется набор коэффициентов связи [249], определяющий степень информативности характеристик в частотной области. Такой подход к выбору диагностических параметров позволяет оптимизировать процесс диагностирования с учетом степени влияния структурных параметров на работоспособность объекта диагностирования. Применим предложенный подход к задаче выбору диагностических параметров несущей системы координатно-расточного станка. Для этого было проведено имитационное моделирование по эффективности диагностирования, на основе ранее полученной диагностической модели. При выборе параметров частотных характеристик станка в качестве диагностических возникает вопрос о назначении частотного диапазона или конкретных частот, на которых определяются диагностические параметры. Учитывая, что функциональную диагностику элементов несущей системы станка необходимо производить в режиме резания, в качестве информативных частот целесообразно принять собственные частоты несущей системы. В процессе эксплуатации жесткость стыков элементов несущей системы уменьшается, что приводит к изменению величины собственных частот, поэтому речь должна идти о частотных диапазонах в окрестностях собственных частот. В рассматриваемой диагностической модели параметрами, определяющими состояние стыков элементов несущей системы, являются коэффициенты жесткости и демпфирования ch к,-, , а наблюдающими (диагностическими) будут параметры частотных характеристик. За базовые примем значения диагностических параметров, приведенных в таблице 4.1. Они сравнивались относительно чувствительности характеристик: АЧХ, АФЧХ, ФЧХ, Re и /т. АФЧХ при изменении параметра Cj (частота ft = 25 Гц).
