автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация статических и динамических испытаний технологических систем обработки резанием в процессе эксплуатации

Министерство Оброзования Российской Федерации

\ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

УДК 621.9.96:529

На правах рукописи

Кучин Константин Владимирович.

Автоматизация статических и динамических испытаний

технологических систем обработки резанием в процессе

эксплуатации.

Специальность 05.13.07. - Автоматизация технологических процессов и производств.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискзние ученой степени кандидата технических наук.

Москва 2000

Работа выполнена в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, почетный работник высшего образования России Аршанский М.М.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки, академик, доктор технических наук, профессор Воробьев В А.

кандидат технических наук, профессор Мацнев А.П.

Ведущая организация;

Институт Конструкторско - Технологической Информатики Российской Академии Наук

Защита состоится Я/ и ЮН Я 2000г. в/#часов на заседании диссертационного совета К 063.93.03 в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики по адресу: 107076, Москва, ул. Стромынка, д 20

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке Академии

Автореферат разослан МО-Я__2000г.

Ученый секретарь диссертационного Совета МГАПИ К063.093.03 К.т.н, доцент

Филинов В, В.

<БЭ0Л-52-ОЪ-5-05,0

Общая характеристика

Актуальность работы. Современные металлорежущие станки должны отвечать высоким требованиям по производительности и точности обработки. Обеспечению первого требования мешает потеря устойчивости и резонансные режимы, особенно на больших частотах вращения, а второму - автоколебания, возникающие а процессе резания и трения при перемещениях исполнительных механизмов. Все это требует от станков высокого динамического качества. Однако, существующие методы статических и динамических испытаний станков и технологических систем в целом сложны, объемны и надолго исключают оборудование из производства, что затрудняет возможность оперативного получения информации для сертификации оборудования и ее использования в процессе обработки для назначения режимов резания, В этой связи разработка методов испытаний, позволяющих проводить их непосредственно на рабочем месте, операторами станков с ЧПУ, несомненно, является актуальной задачей. Работа ведется в райках научных исследований высшей школы а области производственных технологий по программе 1.4 "Прецизионные, мехатронные технологии и микросистемнзя техника".

Целью работы является создание автоматизированных методов получения статических и динамических характеристик технологических систем обработки материалов резанием на базе микропроцессорных ЭВМ и программного обеспечения современных систем ЧПУ. Для реализации поставленной цели необходимо:

-разработать производственные экспресс - методы получения статических и динамических характеристик;

-создать для них необходимое информационное и программное обеспечения;

-провести экспериментальную и производственную проверку предлагаемых методов;

-оценить их технико-экономическую эффективность.

Методы исследования: диссертация базируется на современных представлениях о физических процессах,

протекающих в технологических системах механической обработки в стационарных и переходных режимах. Теоретические положения диссертации построены на классических методах механики, теории автоматического управления, теории динамических систем, теории устойчивости, теории оценивания. Из специальных научных дисциплин в работе используются технология машиностроения, теория резания, динамика станков. Экеперишнтальные исследования проводились с помощью современной виброизмерительной аппаратуры и средств метрологических измерений, а также специально созданных приборов и устройств.

Научная новизна работы заключается в создании моделей статическом и динамической характеристик технологической системы обработки материалов резанием, на основе чего предложены новые способы автоматизированного получения этих характеристик в процессе эксплуатации оборудования.

Практическая ценность работы состоит в создании информационного и программного обеспечения, позволяющего получать статические и динамические характеристики металлорежущего оборудования оператором станков с ЧПУ непосредственно на рабочем месте в производственных условиях, без вывода станков из эксплуатации.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации обсуэедены на межвузовских конференциях:

- Автоматизация-ЭЭ г.Чахов, 1999г.

- Новые информационные технологии г.Москва, 2000.

а также в полном объеме на кафедре «Мехатроника производительных систем» МГАПИ 2000 г.

Объем диссертации страниц машинописного

текста^ ...... иллюстраций, (Р.... таблиц, список

литературы из 9.$. наименований. Общий объем диссертации страниц.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, общих выводов, списка использованных источников.

В первом разделе диссертации представлена классификация методов получения статических и динамических характеристик технологической системы обработки материалов резанием. Здесь рассмотрены классические экспериментальные и расчетные методы измерения жесткости и амплитудно - фазовых частотных характеристик как при резании, так и без резания. Проанализированы достоинства и недостатки каждого из этих методов и сформулирована постановка задачи исследования в настоящей работе.

Во втором разделе рассмотрены теоретические предпосылки автоматизации испытаний технологических систем. Для этого предложены модели статической и динамической характеристик технологической системы обработки резанием, а также необходимое информационное обеспечение для реализации этих моделей непосредственно а процессе обработки на станках с микропроцессорными системами ЧПУ.

Модель статической характеристики (жесткость) технологической системы базируется на использовании общемашиностроительных нормативов режимов резания и обеспечивает точность измерения в пределах точности расчета силы резания, в соответствие с этими нормативами.

Сущность метода измерения заключается в том, что ведется обработка заготовки с подачей на оборот Б1, и при этом измеряется значение силы резания, затем повторяется обработка той же заготовки, с теми же режимами резания, но значениям подачи на оборот - Б2 , после чего согласно модели (1) рассчитывается величина жесткости технологической системы ¡.

здесь Р1 и Р2 - величины силы резания при значениях подачи SI и S2;

К = СРу(нв Г, (2)

где С и Сру - коэффициент для расчета силы резания из общеблашиностроительных нормативов режимов резания;

НВ - твердость по Бринелю; а, в, с - коэффициенты (в общэаашиностроительных нормативах, соответственно х, у, z) при значениях глубины резания, подачи, и твердости.

Для реализации этой модели необходима информация о значениях величины силы резания и алгоритм выполнения программы в системе ЧПУ станка,

Информация о силе резания снимается с помощью динамометрических шпиндельных узлов, которыми оснащены современные станки с ЧПУ, а алгоритм определения жесткости системы приведен на рис.1.

Сущность его заключается в том, в процессе обработки детали, запускается в работу две подпрограммы измерения силы резания G21k расчета силы резания М41.

Измерение силы резания осуществляется дискретно, и зга информация поступает в расчетный блок, где определяется среднее значение Р[1] для первого режима обработки, при значении подачи S1, и Р[2] для второго режима обработки, на завершающем этапе обработки, на основе информации о Р[1] и Р[2] , а также хранящейся о ПЗУ информации о коэффициентах, входящих в зависимость (1), рассчитывается значение жесткости, которое выводится на печать.

Измерение динамической характеристики базируется на предложенной В.А.Кудиновым модели вынужденных колебаний при резании (рис.2).

Рис.1

Алгоритм измерения статистической характеристики.

Из треугольника ОАВ, согласно этой модели и теоремы синусов можно записать:

АЛ I ■ (3)

^цм "ж 1

где все значения входящие в зависимость показаны на рис.2.

После соответствующих преобразований можно придти к модели, которая является основой автоматизации измерений амплитудных фазовых частотных характеристик технологических систем:

1т

Рис.2

Модель вынужденных колебаний при резании, где: 1-АФЧХ эквивалентной упругой системы; 2- АФЧХ разомкнутой системы; КТ ■ статическая характеристика упругой системы.

А 1

К ^¡тру

(Рр" \/к(к-2со*<р^Г (5)

к „ А л

где К-Т7' <б)

а Ад - амплитуда колебаний возмущающей силы;

Ау - амплитуда колебаний инструмента относительно заготовки в направлении изменения толщины срезаемого слоя, вызванных заданным изменением припуска.

Для реализации зтой модели также необходима информация о колебаниях силы резания (которая пропорциональна при первом проходе Ау , а при другом АЛ), а также алгоритм, реализующий программу измерений и расчета АФЧХ. Измерение колебаний сипы резания также осуществляется с помощью динамометрического шпиндельного узла, а алгоритм представлен на рис.3. Сущность его работы близка к показанному из рис.1.

Задается диапазон частот {п}, для которого строится

АФЧХ. Сначала рассчитывают средние значения А^] и "?{»] для каждого заданного значения гI, затем определяют в координатах Ие - 1т значения а(»ю) и ф0<о) для каждой заданной частоты и по этим точкам строят годограф, который и представляет собой АФЧХ технологической системы обработки резанием.

Кроме того, в этом разделе предлагается методика статистической обработки результатов измерения и рассматривается структура необходимого для решения задачи информационного и программного обеспечения.

Третий раздел посвящен практике статических и динамических испытаний, а также проверке результатов исследования. Измерения статической жесткости проводились классическими методами без резания, при резании, а также расчетным путем для двух видов станкоо. Результаты этих измерений можно представить табл.1, из которой видно, что значения жесткости, полученные различными способами, отличается лишь на 2...5 процентов.

Рис.3

Алгоритм измерений динамической характеристики.

Способ измерения без резания при резании размеры %

Вид обработки

точение СТРЛ-100 15,07 16,23 0,41 2,51

периферийное контурное фрезерование МА-655 29,08 30,68 1,62 5,28

Что касается динамических испытаний, то они также проводились на станках МА 655-СМ и СТМ-100 при резании, по предлагаемой в работе методике, и без резания, по классической методике с использованием специальной виброизмерительной аппаратуры. При этом на фрезерно-расточном станке измерения проводились для операции периферийного контурного фрезерования и строилась АФЧХ по двум координатам, Примеры АФЧХ, полученных при резании и без резания по координате "х" для технологической системы периферийного контурного фрезерования, приведены на рис.4.

Результаты, полученные разными способами в процессе экспериментального исследования, показали, что при полном качественном совпадении они отличаются на 12...15%. Это связано с тем, что без резания измеряются лишь частотные характеристики станка, а при резании - частотные характеристики технологической системы. При этом можно утверждать, что результаты измерений при резании являются более точными и носят более универсальный характер. Принципиально, в развитии настоящего исследования, можно составить таблицы для заготовок, оснастки и инструмента, которые позволят, при известности АФЧХ технологической системы, получать АФЧХ станка и наоборот. Кроме того, можно разработать таблицу коэффициентов, позволяющую учитывать изменение АФЧХ во времени, вследствие релаксации технологической системы.

В этом разделе проведен также анализ технико-экономической эффективности результатов исследования, который показал, что за счет исключения необходимости:

-в выводе станка из эксплуатации на период испытаний; -в использовании квалифицированных инженеров -исследователей;

-в наличии дорогостоящей измерительной аппаратуры,

Рис.4

АФЧХ фрезерно-расточиого стакха по координате х , где:

-без разания;

-при резании

можно получить экономической эффект для многооперационных токарных станков в размере 128755 руб. в год на один станок, а для многооперационных фрезерно-расточных станков - 18455 руб. Суммарно, в масштабе Россия, это может обеспечить эффект в размере 50 млн. рублей в год.

Общие выводы.

1. Доказана возможность получения информации о статических и динамических характеристиках технологической

системы обработки резанием непосредственно в процессе выполнения технологической операции.

2. Предложены модели статической и динамической характеристик технологической системы обработки резанием и на их основе разработано необходимое программное обеспечение для получения этих характеристик с помощью микропроцессорных систем ЧПУ.

3. Предложена методика статической обработки результатов измерения и рассчитан, необходимый для обеспечения данной точности измерений, объем выборки.

4. Проведено экспериментальное определение статических и динамических характеристик технологической системы обработки резанием (на примере технологических систем точения и периферийного контурного фрезерования) классическими методами, без резания и в процессе выполнения технологической операции. Кроме того, статистическая жесткость определялась расчетными методами,

5. Статистическая обработка и сравнение полученных результатов показала, что значения статических характеристик, полученных разыми способами, отличается на 2...5 процентов, а динамических характеристик на 12...15 процентов. При этом можно утверждать, что результаты, полученные при резании, являются более точными, поскольку, помимо параметров станка, влияющих на статические и динамические характеристики, учитывают и другие параметры технологической системы.

6. Технико-экономический анализ полученных результатов показал, что предложенные методы измерения статических и динамических характеристик позволяют исключить необходимость:

-в выводе станка из эксплуатации на период испытаний; -в использовании квалифицированных инженеров-исследователей;

-в наличии дорогостоящей измерительной аппаратуры.

7. Экономический эффект от внедрения предложенных методов испытаний составляет:

-для многоопарационных токарных станков -128755 руб. -для многооперационных сверлильно-фрезерно-расточных -18455 руб., что в целом по России может обеспечить экономический эффект в размере 50 млн. рублей в год.

Основные положения диссертации изложены о следующих работах:

Аршаксккй М.М., Кучин К.В. Автоматизация измерений статических и динамических характеристик технологической системы механической обработки. СТИН, № 8,1999 с.23

Кучкн КБ. Моделирование статической характеристики технологической системы резания. Сб. "Новые информационные технологии (материалы научно-технической конференции)". М.:Ш"АПИ, 2000, С73-75.

Кучин К.В. Моделирование динамической характеристики технологической смсте!ды резания. Сб. "Математическое шздешрозаше и управление в сложных системах". М.:МГАПИ, 2000, с28-30.