автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Автоматизация методов расчета направляющих металлорежущих станков применительно к задачам оптимизации параметоров несущих систем

РГ6 од

АО "ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ" - ЭНИМС -

На правах рукописи

СУДНИКОВИЧ Анна Юрьевна

УДК 621.9.06-219.2:658.512.011.56 ( 043.3)

АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАПРАВЛЯЮЩИХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ НЕСУЩИХ СИСТЕМ.

Специальность 05. 03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в АО "Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков" (ЭНИМС).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Каминская К Е

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Пуш А. К ,

кандидат технических наук, Кудряшов Л. К

Ведущее предприятие - Московский станкостроительный завод

имени Серго Орджоникидзе.

Защита состоится "№" К&иЗрЛ' 1993 г. в ,9час. 3£)мин. на заседании специализированного совета Л 125.01.01. АО "Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков" (ЭНИМС) по адресу: 117926, Москва, 5-ый Донбкой проезд, 21-6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "¿2" ОЮлЯрЛ. 1993 г..

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук Голубев И. В.

подписано к печати 12.10.93 зак. 51/ Тира» юо 1. о печ.

Ротапринт энинс

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В настоящее время в связи с необходимостью повышения конкурентоспособности отечественного станкостроения на мировом рынке и введением в экономику рыночных отношений важнейшее значение приобретает повышение качества продукции при одновременном снижении ее себестоимости. Для решения этой задачи необходимо совершенствование методов обеспечения высокого качества станков на всех этапах от эскизного проектирования до модернизации оборудования.

Показатели качества станка в значительной степени определяются его несущей системой С НС), которая является наиболее специфической системой станка и ее- характеристики влияют на взаимодействие всех узлов станка. По мере совершенствования различных узлов, интенсификации режимов резания, повышения уровня автоматизации НС все в большей степени определяет выходные характеристики станка. Качество Ш характеризуется относительными перемещениями ее элементов, причем контактные упругие перемещения составляют значительную часть в балансе упругих перемещений НС металлорежущих станков.

В современных станках все чаще появляются конструкции, в которых главная плоскость направляющих - наклонная или вертикальная и режим работы граней направляющих заранее неопределен. Поэтому приближенный расчет дает недостаточную информацию, что затрудняет конструктору процесс управления качеством станка при его проектировании. Для решения этой проблемы необходимо совершенствование методов оценки влияния характеристик качества и работоспособности направляющих на станок в целом на всех этапах от эскизного проектирования до модернизации эксплуатируемых станков.

Поскольку при проектировании обычно рассматривается ограниченное количество вариантов компоновки и конструктивного оформления несущей системы станка, это не всегда приводит к принятию наиболее удачного решения. В настоящее время для выбора рациональных параметров элементов НС наряду со сравнительным расчетом вариантов, заранее проработанных конструктором, все большее применение получают методы оптимизации. Поэтому автоматизация методов расчета направляющих металлорежущих станков применительно к задачам оптимизации параметров несущих систем является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка методики и программно-математического обеспечения (ПМО) для автоматизированного определения оптимальных параметров направляющих, как элемента несущей системы, оказы-

1

вающего существенное влияние на показатели работоспособности металлорежущего станка.

Методы исследования. Результаты работы получены на основе теоретических исследований и расчетов на ЭВМ. Теоретические исследования выполнены на основании методов теоретической механики, контактной жесткости, динамики станков и численных методов. Для проверки достоверности разработанной расчетной схемы несущей системы станка мод. 1740РФЗ проводилось сравнение с проводившимися ЭНИМС экспериментальными исследованиями. Расчетное определение динамических характеристик НО проводилось с использованием разработанной в ЭНИМС системы автоматизированного расчета. Для определения рациональных . значений параметров несущих систем многоцелевых станков использован математический аппарат и ПМО многокритериальной оптимизации на основе- ЛП-поиска, разработанные в-ИМАШ РАЕ

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана автоматизированная система расчета направляющих металлорежущих станков, обеспечивуюшая возможность определения как собственных характеристик работоспособности направляющих (давления,- сила трения и.т. п.), так и характеристик, определяющих влияние параметров направляющих на работоспособность станка (жесткость, вклад контактных перемещений в величину зоны нечувствительности при реверсировании и. т.п. );

- создан автоматизированный банк данных наиболее распространенных типов направляющих и автоматизированный банк дополнительной справочной информации для расчета характеристик работоспособности;

- разработан интерфейс, связывающий автоматизированный комплекс расчета НС и разработанную подсистему расчета направляющих и обеспечивающий возможность проведения оптимизации параметров НС при варьировании параметров направляющих;

- предложена и апробирована система параметрических, функциональных и критериальных ограничений, связанных с характеристиками направляющих, для оптимизации их параметров как элемента НС;

- показано, что определенные в результате решения оптимизационной задачи соотношения параметров направляющих действительно обеспечивают наилучшие показатели качества НС;

- разработаны конструктивные рекомендации по выбору рациональных параметров направляющих исследованных станков и компоновок.

Практическая ценность. Разработано программно-математическое обеспечение, реализующее предложенную методику автоматизированного расчета направляющих скольжения и качения прямолинейного и кругового

движения и возможность проведения оптимизации параметров несущих систем при варьировании параметров направляющих и позволяющее проводить расчет на всех стадиях проектирования.

Разработаны рекомендации по назначению размеров и расположению направляющих различных типов и ограничений с точки зрения работоспособности подвижного стыка, для чего проведена типизация форм направляющих с позиции выбора независимых варьируемых параметров.

Реализация работы. Результаты работы в области разработки программно-математического обеспечения использованы в системе САПР, разработанной в рамках Государственной научной программы "Создание автоматизированного завода" на МСГО "Красный пролетарий".

В виде расчетного анализа результаты работы использованы при разработке конструктивных вариантов суппортных групп станка мод. 1740РФЗ на станкостроительном заводе имени Серго Орджоникидзе.

Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались на научно-технической конференции: "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств" {г. Нижний Новгород, 1992 г. ); на научно-техническом семинаре: "Динамика и адаптация технологических систем машиностроения" (г.Тольятти, 1986 г.); на заседании Экспертного совета отдела N12 ЭНШС, 1993 г.

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения (основные результаты работы), изложенных на 201 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 45 таблиц, список литературы из 78 наименований и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена рассмотрению состояния вопроса и постановке задач исследования. В главе дан краткий обзор литературы, посвященной расчету характеристик работоспособности направляющих ц оптимизации параметров элементов несущих систем металлорежущих станков.

Влияние характеристик несущей системы на показатели работоспособности станка (точность, производительность, надежность) производится преимущественно через относительные перемещения инструмента и заготовки, причем значительная доля в большинстве случаев принадлежит контактным деформациям в направляющих подвижных узлов. Статические и динамические характеристики современных металлорежущих станков во многом определяются конструкцией направляющих. Качество "яправляюших не-

3

посредственно влияет на точность обрабатываемой детали, поэтому ему должно быть уделено особое внимание.

В настоящее время на практике для расчета направляющих в основном используется методика приближенного расчета, разработанная Реше-товым Д. Е и Левиной 3. Ы. Согласно этой методике для определения условий работы направляющих (так как распределение давления по граням и ■положение работающих участков граней неизвестно) проводится последовательное приближенное рассмотрение условий равновесия и деформирования в трех взаимноперпендикулярных плоскостях. Предпологается, что опрокидывающий момент в продольной плоскости распределяется между передней и задней направляющими пропорционально их приведенной жесткости. При оценке приведенной жесткости используется допущение, что либо основные грани, либо планки- работают полностью. Упругие деформации под нагрузкой рассматриваются независимо в продольной и поперечной плоскости направляющих. Наклонные грани треугольных и комбинированных направляющих приводятся к эквивалентным плоским граням. Изменение давления по ширине граней не учитывается, а влияние начальных зазоров учитывается ориентировочно.

Анализ жесткостных характеристик и характеристик работоспособности направляющих, проведенный согласно методике приближенного расчета, позволил разработать рекомендации по их рациональному конструктивному оформлению. Использование этих рекомендаций в практике конструирования для станков современных компоновок с вертикальным или наклонным расположением подвижных стыков не всегда дает положительный эффект и требует уточнения. Проведение расчетов НС при нерациональном конструктивном оформлении элементов приводит к тому, что в ряде случаев трудоемкие расчеты дают тривиальные результаты. В главе проведено подробное сравнение подходов к автоматизированному расчету характеристик работоспособности направляющих, предлагаемого в данной работе и разработанного в МГТУ "СТАНКИН" под руководством Хомякова ЕС. практически одновременно. Отмечено, что первый подход основан на использовании эмпирических коэффициентов контактной податливости, второй - на сведениях о параметрах микрогеометрии контактирующих поверхностей и механических характеристик взаимодействующих тел.

В настоящее время для выбора рациональных параметров элементов НС наряду со сравнительным расчетом вариантов, заранее проработанных конструктором, начинают использовать методы оптимизации. Практика использования оптимизационных расчетов показала перспективность их применения. Значительное разнообразие решаемых задач в части выбора критериев оптимизации, варьируемых параметров, общности получаемых резу-4

льтатов, необходимой степени детализации исходных данных и т.п. свидетельствует о необходимости проработки методических вопросов использования методов оптимизации для определения рациональных параметров элементов НС и при варьировании параметров направляющих, конструктивное оформление и геометрические размеры которых в большинстве случаев оказывают существенное влияние на качество НС в целом.

Для расчетного определения динамических характеристик несущих систем разработаны и успешно применяются различные конечноэлементные модели НС. Для выбора рациональных значений основных параметров несущей системы наиболее целесообразным представляется использование стержневых конечно-элементных моделей. Чтобы расчет направляющих был включен в систему автоматизированного расчета НС и использовался для решения задач оптимизации параметров НО, включая параметры направляющих, необходима разработка соответствующей методики и ПМО.

Исходя из изложенного, основные задачи работы были сформулированы следующим образом:

1. Разработать методику и программно-математическое обеспечение для автоматизированного расчета направлявших разных типов, учитывающие пространственную нагрузку на направляюще и позволяющие определить как показатели работоспособности собственно направляющих, ,так и характеристики направляющих, определяющие показатели качества несущей системы.

'2; Разработать интерфейс, обеспечивающий возможность решения задачи многокритериальной оптимизации несущей системы при варьировании параметров направляющих.

3. Создать автоматизированный банк наиболее распространенных структур направляющих и автоматизированный банк дополнительной справочной информации для расчета их характеристик работоспособности.

4.. Уточнить критерии качества и выбор независимых варьируемых параметров, а также параметрические, функциональные и критериальные ограничения для направляющих различных типов, связанные с решением задачи^многокритериальной оптимизации.

5. Проверить работоспособность разработанных методики и ШО применительно к определению характеристик работоспособности направляющих и определению оптимальных параметров направляющих при выборе компоновок и рациональных параметров несущих систем.

Во второй главе описана разработанная методика и ПМО для автоматизированного расчета направляющих скольжения и качения прямолинейного и кругового движения, учитывающие пространственную нагрузку на направляющие и позволяющие определить как показатели работоспособности

5

собственно направляющих, гак и характеристики направляющих, определя-. гацие показатели качества несущей системы металлорежущего станка в целом. В расчете приняты обычно используемые допущения о том, что собственные упругие деформации подвижного и неподвижного узлов существенно меньше контактных деформаций в их стыке. Также считается, что контакт характеризуется только нормальной жесткостью, касательная жесткость отсутствует. Автоматизированный расчет позволяет-учесть частичное раскрытие стыков (то есть рассматривать такие режимы работы граней, когда часть граней работает не полностью или не работает совсем); изменение контактных деформаций не только по длине, но и по ширине граней; влияние сил трения на гранях направляющих, а также начальных зазоров или предварительных натягов; включить в расчет наклонные грани треугольных и комбинированных направляющих, направляющих типа "ласточкин хвост" и других без приведения их к эквивалентным плоским граням; рассчитывать направляюще с различными координатами торцев на разных гранях.

Исходными данными для расчета являются сведения о геометрии направляющих, физические характеристики контактного взаимодействия граней, погрешности обработки граней, осевая жесткость привода подачи для направляющих прямолинейного движения или крутильная для направляющих кругового движения, направление движения подвижного узла, координаты точки резания и направление.внешней нормали к поверхности обработки.

Расчет положения статического равновесия основан на использовании принципа минимума потенциальной энергии, согласно которому в положении устойчивого статического равновесия полная потенциальная энергия механической системы минимальна. Полная энергия складывается из энергии упругой деформации контактного слоя, энергии деформации привода подачи и работы внешних сил.

N

W = Z Wi + Ws + Е, (1)

i=l

где Wi - энергия упругой деформации контактного слоя i-ой грани направляющих; Ws - энергия деформации механизма подач; Е - работа внешних сил; N - количество граней направляющих.

' Для'вычисления энергий упругой деформации контактного слоя, деформации привода подач и работы внешних сил достаточно знать линейные перемещения в углах граней (или участков граней - для круговых направляющих) по нормали к ее плоскости. Эти величины определяются шестью координатами подвижного узла (вектор X) и полная потенциальная энергия есть сложная скалярная функция, зависящая от вектора X

V -21 ДЦА)] + УбЕЛБСА)] - Р А,

1=1

где Д1 - вектор линейных перемещений в углах 1-ой грани в направлении нормали к ее поверхности; Дз - вектор деформации привода подачи; Р - вектор внешней нагрузки.

Для нахождения положения устойчивого статического равновесия необходимо решить систему нелинейных уравнений относительно неизвестных координат А1 вектора А:

ЭА1 _ и' 1 =1,2,. ..6.

Решение системы уравнений (3) осуществляется стандартным итерационным методом Ньютона, при котором на каждой итерации производится линеаризация и решается система линейных уравнений. В ходе вычисления итерационным методом определяются координаты положения подвижного узла, соответствующие условиям статического равновесия; распределение зон контакта по граням направляющих; распределение энергии упругой деформации между отдельными гранями направляющих и приводом подачи; полная матрица жесткости узла в начале координат. На рис. 1 приведены виды расположения зон контакта на гранях направляющих прямолинейного движения.

-

^^ ! |

Обозначения: к\Ч\Ч 30На 1-1 зона контакта '-1 отрыва

Рис. 1. Виды расположения зон контакта на гранях направляющих прямолинейного движения

Далее вычисляются характеристики работоспособности направляющих: перемещения е заданных точках в направлении координатных осей (в том числе в зоне везания по нормали к обрабатываемой поверхности); давления на каждой грани (максимальные, средние по всей грани, средние в пределах участка контакта) и сила тяги привода подач. После этого оп-

7

ределяются жесткостные характеристики направляющих, необходимые. для динамического расчета: положение осей жесткости подвижного стыка и значения линейных жесткосгей в направлении этих осей и угловых жест-костей относительно этих осей; а также податливоеть узла по нормали'к поверхности обработки и составляющие баланса податливости (линейные в направлении осей и угловые относительно этих осей).

Для оценки вклада контактных перемещений в величину зоны нечувствительности при реверсировании предложенная методика расчета направляющих предусматривает возможность автоматического вычисления этой величины для подвижного узла при холостом ходе в точке резания и любой заданной точке, что особенно важно при обработке детали на станке с ЧПУ, когда движения инструмента и детали выполняются в автоматическом режиме и отклонение их от заданного положения за счет контактных деформаций в направляющих необходимо учитывать заранее.

IM0 для автоматизированного расчета -характеристик работоспособности направляющих реализовано на базе ЭВМ IBM PC/AT в операционной среде MS DOS 3.3 с использованием языков программирования Mikrosoft FORTRAN, Mikrosoft С, Assembly Language.

В третьей главе проведен подробный анализ конструктивного оформления суппортной группы, оказывающей существенное влияние на динамическое качество станка мод. 1740PS8. Расчет статических характеристик направляющих суппортной группы проводился для различных конструктивных исполнений продольного и поперечного суппортов, различных диаметров обработки и разных технологических режимах. В качестве основных критериев были приняты максимальные и средние давления на гранях направляющих, статическая податливость по нормали к поверхности обработки, перемещение инструмента в точке резания, суммарная сила трения и угловые жесткости суппортов.

Для продольного суппорта базового варианта, главная плоскость направляющих которого расположена под углом 75 градусов с горизонтом, удалось значительно снизить величину статической податливости по нормали к поверхности обработки за счет увеличения ширины боковых граней от 45 до 70 мм. При расчете базового варианта поперечного суппорта была получена отрицательная податливость в направлении нормали к обрабатываемой поверхности, что крайне нежелательно, так как возникает неустойчивое состояние, выражающееся в подрывании инструмента (подробно описанное В. А. Кудиновым). Поэтому для улучшения его жесткос-тных характеристик, а также с целью снижения давления.на гранях был проведен расчет направляющих типа "ласточкин хвост" и направляющих 8 .

прямоугольной формы нескольких конструктивно допустимых типоразмеров и из них выбраны наилучшие.

Расчет статических характеристик направляющих продольного и поперечного суппортов модифицированного варианта, главная.плоскость направляющих которого расположена под утлом 60 градусов с горизонтом, при продольном и поперечном точении и различных диаметрах обработки показал, что при одинаковых условиях статические характеристики продольного суппорта лучше для базового варианта, а поперечного - для модифицированного варианта. Это объясняется тем, что в модифицированном варианте суппортной группы завода имени С. Орджоникидзе, по сравнению с базовым, уменьшена длина направляющих продольного суппорта (с 840 до 500 мм) и увеличена поперечного суппорта (с 500 до 650 мм), а также осуществлен переход от направляющих типа "ласточкин хвост" к развитым прямоугольным направляющим.

Для проведения динамического анализа поведения суппортной группы и станка мод. 1740РФЗ в целом была разработана его расчетная схема, достоверность которой подтвердилась сравнением результатов расчета с экспериментальными исследованиями, проводившимися ЭНИМС. Поскольку по этим данным самый большой вклад в перемещение в зоне резания внесла суппортная группа, был произведен подробный анализ влияния ее конструктивного оформления на динамическое качество станка. Для определения жесткости опорных элементов несущей системы станка были разработаны специальные программы с использованием методики, предложенной В. Е Каминской.

Динамический анализ НС станка иод. 1740РФЗ показал большую связность всех элементов конструкции. Поэтому, несмотря на то, что суппортная группа представляет собой сложную многомассовую систему, влияние ее параметров на динамические характеристики станка в целом оценивалось в общей динамической расчетной схеме НС. При этом рассматривались базовый вариант суппортной группы с углом наклона к горизонту 75 градусов с различными изменениями в конструкции продольного и поперечного суппортов, а также модифицированный вариант суппортной группы с углом наклона 60 градусов к горизонту и пластмассовыми направляющими.

Полный расчет динамических характеристик НС для базового варианта суппортной группы с различным консгруктивньде оформлением показал, что изменение параметров суппортной группы в сторону увеличения жесткости направляющих продольного и поперечного суппортов позволяет существенно улучшить динамическое качество станка в целом. Применение

суппортной группы, в которую входит продольный суппорт с увеличенной

9

до 70 мм шириной боковых граней направляюща и поперечный суппорт с измененным типоразмером направляющих типа "ласточкин хвост" для уменьшения значения статической податливости по нормали к поверхности обработки позволяет уменьшить максимальную динамическую податливость в этом направлении на 17%, а использование поперечного суппорта с прямоугольными направляющими для увеличения жесткости подвижного стыка между суппортами позволяет уменьшить максимальную динамическую податливость на 47% при увеличении статической на 10%.

Проведенные расчетные исследования показали, что неудачное конструктивное оформление продольного суппорта модифицированного варианта (в частности, его сравнительно небольшая длина) пдохо сказалось на статических и динамических характеристиках ЕС станка в целом. Статическая и динамическая податливость станка в этом случае значительно превышают те же значения для станка с базовым вариантом суппортной группы. Поэтому использование модифицированного варианта суппортной •группы возможно только после конструктивной доработки формы и размеров направляющих стыка продольного суппорта со станиной в области повышения жесткости.

Для многоцелевого станка с ЧПУ мод. ИР500ПМФ4 было проведено расчетное определение требуемой величины предварительного натяга у направляющих саней стола и шпиндельной бабки при фрезеровании и холостом ходе, исходя из условий достижения равномерной работы специальных опор качения (танкетки фирмы INA). Исследование показало, что величина предварительного натяга у направляющих саней должна составлять

9 мкм для встречно расположенной пары и у направляющих бабки - 3 мкм. Это объясняется лучшими условиями работы направляющих шпиндельной бабки (более низкие давления и меньшая сила трения) благодаря специальному устройству гидравлической разгрузки.

Чтобы оценить вклад контактных деформаций в допуск на наибольшую зону нечувствительности при реверсировании для направляющих саней стола и шпиндельной бабки станка мод. ИР500ПМФ4 были определены отклонения 01 заданного положения при движении в обоих направлениях в точках, выбранньвс на столе и инструменте согласно 0СТ-Н72-6-85. Результаты расчета показали, что доля контактных деформаций, вносимая в величину допуска на зону нечувствительности при реверсировании, для направляющих саней стола равна 0.3 мкм и составляет 4%, а для направляющих шпиндельной бабки - 0.1 мкм и 1.3% соответственно, что объясняется малым условным коэффициентом трения у направляюща с танкетками и хорошими условиями юаботы направляющих шпиндельной бабки.

Для многоцелевого станка с ЧПУ мод. ИР500ПМФ4 был проведен расчет отклонения положения инструмента от заданной точки обрабатываемого контура, вызванного контактными деформациями в направляющих саней стола и шпиндельной бабки при обработке стального цилиндрического образца диаметра 220 мм. Расчет производился для 8 точек контура детали при черновом и чистовом фрезеровании. Калвдой точке контура соответствовало свое направление силы резания, приложенной к детали-и инструменту. Относительное отклонение контура от заданного показано на рис. 2. Согласно 0СТ-Н72-6-85 для станка ИР500ШХ4 допуск на некруг-лость (овальность) наружной цилиндрической поверхности ф220 мм при чистовом фрезеровании составляет 30 мкм и доля в допуске от контактных деформаций в направляющих равна 5. 27.. При черновом фрезеровании доля контактных деформаций в величине допуска на размер составляет

5.6% (11 квалитет), а при чистовом фрезеровании 9.6£ (7 квалитет).

4

4

б)

Режим Черновое фрезерование Чистовое фрезерование

пара точек 0-4 1-5 2-6 3-7 0-4 1-5 2-6 3-7

величина отклонения, мкм 12.4 16.3 9.0 5.1 3.3 4.4 2.4 1.3

Рис. 2. Относительное отклонение контура детали от заданной величины диаметра 220 мм при черновом (а) и чистовом (б) фрезеровании

В четвертой главе рассмотрены общие методические положения выбора компоновок и определения рациональных параметров несущих систем на основе использования методов многокритериальной оптимизации. Проведенный расчет двух компоновок многоцелевых станков с различным расположением подвижных узлов подтвердил правомерность предлагаемого подхода к оптимизации компоновок металлорежущих станков.

Описан разработаный интерфейс, обеспечивающий возможность решения задачи оптимизации параметров несущей системы при варьировании параметров направляющих и других параметров НС на основе использования методов многокритериальной оптимизации.

Проанализированы критерии, используемые при оптимизации параметров НС и отражающие взаимосвязь показателей качества НС с показателями работоспособности станка, представляющие собой непосредственно вычисляемые величины - массу, статическую и динамическую податливость, силы трения и давления на гранях направлявших и т. п. Рассмотрены обще положения по назначению параметрических, функциональных и критериальных ограничений, определяемых габаритами станка, размерами рабочего пространства, условиями размещения механизмов и т. п.

В качестве варьируемых параметров при решении задач выбора компоновки (стадия эскизного проекта) предлагается принимать габаритные размеры сечений элементов типа стержней, полагаемых имеющими правильную прямоугольную форму (если они попадают в число доминирующих),. массы перемещаемых элементов и размеры направляющих, принимаемых имеющими простейшую прямоугольную форму. На стадии технического проекта в качестве независимых варьируемых параметров станин и стоек рекомендуется принимать приведенные габаритные размеры и толщины стенок их сечений, определяемые из условий равенства жесткостных характеристик реальных станин и стоек и эквивалентных им стержней правильного прямоугольного сечения. При выборе варьируемых параметров (размеров) направляющих на данном этапе учитываются их реальные конструктивные формы.

Проведена типизация форм направляющих с позиции выбора независимых варьируемых параметров, которая использована при разработке интерфейса. Разработаны рекомендации по назначению варьируемых параметров при изменении геометрических характеристик направляющих- различных типов и параметрических, функциональных и критериальных ограничений с точки.зрения работоспособности подвижного стыка.

Рассмотрены две компоновки многоцелевых станков, с различным расположением подвижных узлов. За показатели качества компоновок приняты металлоемкость, статическая и динамическая податливость в направлении оси шпинделя, представляющие интерес при торцевом фрезеровании, и в направлении, перпендикулярном оси шпинделя, определяющие соответствующие показатели качества при концевом фрезеровании, а также максимальное по модулю отрицательное действительное значение АФЧХ динамической податливости в тех же направлениях.

Анализ составляющих кинетической и потенциальной энергии на собственных частотах с наибольшими значениями относительной модальной податливости для компоновок с базовыми параметрами показал, что в качестве варьируемых параметров целесообразно принять массы (и моменты инерции) трех подвижных узлов и параметры соответствующих направляющих (ширина и длина стыка и ширины граней). В результате решения многокритериальной оптимизационной задачи были получены два Парето-опти-мальных множества решений, соответствующих разным компоновкам. Установлены оптимальные соотношения геометрических размеров и расположения граней направляющих этих компоновок. Анализ полученных результатов показал, что при оптимальных параметрах направляющих удается существенно (до 2 - 3 раз) улучшить статические и динамические характеристики НС, главным образом за счет увеличения ширины боковых граней направляющих. Оптимальным конструкциям соответствует отношение ширин боковых и основных граней 0. 5 - 0. 8, а не 0. 4 как это принималось ранее для рассматриваемых размеров направляющих.

На основе анализа показателей качества компоновок удалось показать, что соотношения между ними для разных компоновок при базовых и оптимальных параметрах оказываются различными. Так если при исходных значениях.параметров в направлении оси шпинделя одна из компоновок существенно (в 2.5 -3.5 раза) лучше другой, а в другом выбранном направлении они примерно равноценны, то при оптимальных соотношениях параметров, обеспечивающих существенное улучшение показателей качества обеих компоновок, одна из них оказывается предпочтительнее при преобладании операций торцевого фрезерования, а другая - при преобладании операций концевого фрезерования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны методика и ПМО для автоматизированного расчета направляющих скольжения и качения прямолинейного и кругового движения, учитывающие пространственную нагрузку на направляющие и позволяющие определить кдк показатели работоспособности собственно направляющих, так и характеристики направляющих, определяющие показатели качества несущей системы металлорежущего станка в целом.

2. Методика автоматизированного расчета предоставляет следующие возможности :

- учет частичного раскрытия стыков, то есть возможность рассматривать такие режимы работы граней, когда часть граней работает не полностью или не работает совсем; 13

- учет изменения контактных деформаций не только по длине, -но и по ширине граней;

- включение в расчет наклонных граней треугольных и комбинированных направляющих, направляющих типа "ласточкин хвост" и других без приведения их к эквивалентным плоским граням, что позволяет учесть упругую координатную связь;

- учет влияния сил трения на гранях направляющих, а также начальных зазоров или предварительные натягов;

- расчет направляющих с различными координатами торцев на разных гранях;

- оценку влияния на качество направлявших погрешностей изготовления сопрягаемых поверхностей;

- оценку вклада контактных перемещений направляющих в величину зоны нечувствительности при реверсировании для подвижного узла на холостом ходу.

3. Выбор коэффициентов контактной податливости стыка и коэффициентов трения автоматизирован. Необходимая для расчета информация сведена к минимуму и занесена в специальные таблицы автоматизированного банка дополнительной справочной информации, выбор из которых осуществляется исключительно на основе чертежных данных.

Для упрощения наиболее сложной и трудоемкой по временным затратам процедуры описания структуры конструкции, определяющей тип направляющих, создан автоматизированный банк, содержащий 8 наиболее распространенных типов направляющих скольжения прямолинейного движения, структура которых описана.

4. С помощью использования разработанного ПШ за счет изменения параметров суппортной группы в сторону увеличения жесткости направляющих продольного и поперечного суппортов предложены рекомендации по улучшению динамического качества станка мод. 1740Р46 станкостроительного завода имени Серго Орджоникидзе.

На примере станка мод. ИР5001ШФ4 показано заметное влияние конта-' ктных деформаций в направляющих на отклонение контура обрабатываемого изделия от заданного положения при чистовом и черновом фрезеровании и подобрана рекомендуемая величина предварительного натяга в направляющих качения саней стола и шпиндельной бабки, которая позволяет добиться изменения условий работы подвижного стыка в сторону снижения давления на гранях, обеспечивая этим лучшую износостойкость стальных накладных направляющих и тел качения.

5. На примере рассмотренных станков показано, что применение методики автоматизированного расчета направляющих на стадии проектиро-14

вания и модификации металлорежущих станков позволяет проводить сравнительный расчет для станков современных компоновок со значительными опрокидывающими моментами и наклонным или вертикальным расположением направляющих, при которых и основные грани, и планки работают частично, а распределение зон контакта заранее неизвестно и приближенный рас.чет приводит к значительной погрешности.

Использование методики автоматизированного расчета направляющих позволяет быстро оценить различные варианты конструктивных оформлений инженерных решений за короткое время и определить влияние изменения отдельных параметров конструкции, различных режимов обработки на качество станка.

6. Разработан интерфейс, обеспечивающий возможность решения задачи оптимизации параметров несущей системы при варьировании параметров направляющих и выборе рациональных параметров НС на основе использования методов многокритериальной оптимизации. Проведенный расчет двух компоновок многоцелевых станков подтвердил работоспособность разработанного программно-математического обеспечения.

7. Установлены оптимальные соотношения геометрических размеров и расположения граней направляющих для двух компоновок многоцелевых станков с различным расположением подвижных узлов. Анализ полученных результатов показал, что при оптимальных параметрах направляющих удается существенно (до 2 - 3 раз) улучшить статические и динамические характеристики НС, главным образом за счет увеличения 'ширины боковых граней направляющих. Оптимальным конструкциям соответствует отношение пмрин боковых и основных граней 0.5-0.8, а не 0.4 как это принималось ранее для рассматриваемых размеров направляющих.

8. Проведена типизация форм направляющих с позиции выбора независимых варьируемых параметров, которая использована при разработке интерфейса. Разработаны рекомендации по назначению варьируемых параметров при изменении геометрических характеристик направляющих различных типов и параметрических, функциональных и критериальных ограничений с точки зрения работоспособности подвижного стыка.

9. Предложены рекомендации по выбору варьируемых параметров несущей системы в целом на стадии эскизного и технического проекта Рассмотрены критерии оптимизации, используемые при оптимизации параметров НС. Выделены критерии, которые отражают взаимосвязь показателей качества НС с показателями работоспособности станка, представляющие собой непосредственно вычисляемые показатели качества НС. Рассмотрены общие положения по назначению параметрических, функциональных и критериальных ограничений, определяемых габаритами станка,

15

размерами рабочего пространства, условиями размещения механизмов и т.п.

10. Результаты работы в области разработки программно-математического обеспечения использованы в системе САПР, разработанной в рамках Государственной научной программы "Создание автоматизированного завода" на ЬКГО "Красный пролетарий".

В виде расчетного анализа результаты работы использованы при разработке конструктивных вариантов суппортных групп станка мод. 1740РЖЗ на станкостроительном заводе имени Серго Орджоникидзе.

Печатные работы автора по теме диссертации:

1. Каминская Е В, Глазомицкий Л А. , Судникович А. КХ Многокритериальная оптимизация компоновок металлорежущих станков//Интегрированная АСУ автоматизированных производств: Сб. науч. тр. ЭНИШ. -М.: ЭНИМС, 1992. -С. 93-101.

2. Каминская К Е , Судникович А. Ю. Определение оптимальных параметров направляющих, обеспечивающих повышение динамических характеристик несущих систем//Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств: Тезисы докл. научно-техн. конф.: Сб. - Нижний Новгород, 1992. -С. 42.

3. Кушнир Э. Ф. , Равве И. И., Судникович А. ¡0. Подсистема автоматизированных расчетов жесткостных и инерционных характеристик элементов динамической системы станка//Динамика и адаптация технологических систем машиностроения: Тезисы докл. научно-техн. семинара: Сб. -Тольятти: Тольяттинский политехнический институт, 1986. -С. 25.

4. Судникович А. Ю. Программа расчета приведенной жесткости замкнутых направляющих качения с танкетками. Программное средство. -Ы.: ВНГИ-Центр, 1988. Инвентарный номер 50880000414. Объем документации: 22с.

5. Судникович А. Е Программа расчета жесткости винтовых, клиновых и резинометаллических опорных элементов несущей системы станка. Программное средство. -М : ВНТИЦентр, 1988. Инвентарный номер 50880000415. Объем документации: 28с.

6. Судникович А. Ю. Программа расчета приведенной жесткости соединения опорных элементов несущей системы станка с фундаментом. Программное средство. -М.: ВНТИЦентр, 1988. Инвентарный номер 50880000416. Объем документации: 23с.

7. Судникович А.'Ю. Программа расчета жесткости опорных элементов несущей системы станка. Программное средство. -М.: ВНТЩентр, 1988. Инвентарный номер 50880000417. Объем документации: 28с.

16