автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система поиска и принятия решений по обеспечению теплоустойчивости металлорежущих станков

На правах рукописи

ПОЛЯКОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОИСКА И ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Оренбург2004

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» и Оренбургском государственном университете.

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Хомяков Вадим Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лысов Владимир Ефимович;

доктор технических наук, профессор Кривошеее Игорь Александрович;

доктор технических наук, профессор Васильев Герман Николаевич

Ведущая организация ОАО «Экспериментальный

научно-исследовательский институт металлорежущих станков» («ЭНИМС»)

Защита состоится « 21 » мая 2004 г. в ^У часов на заседании диссертационного совета Д 212.181.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» по адресу: 460352, г. Оренбург, ГСП, пр. Победы, 13, ауд.6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ОГУ Автореферат разослан Ученый секретарь

диссертационного совета Рассоха В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется необходимостью создания конкурентоспособных металлорежущих станков. Приоритетным направлением повышения конкурентоспособности станков является улучшение их качества. Важнейшим показателем качества станка выступает его точность. Характерным показателем точности современных металлорежущих станков является размерная погрешность обработки в пределах 2-10 мкм. Вместе с тем, температурные погрешности станка при обработке могут составлять от 40 до 100 мкм, что более, чем на порядок, превышает требуемую точность обработки.

Температурные погрешности станка вызываются .тепловыми деформациями его несущей системы. Величина тепловых деформаций предопределяется совокупностью решений, принимаемых на различных этапах жизненного цикла станка — от маркетинговых исследований до эксплуатации. Требуемая точность станка по величине его тепловых деформаций на различных этапах жизненного цикла определяется совокупностью решений, принимаемых специалистами разных профилей.

Современное автоматизированное производство, характеризуемое использованием СЛО/СЛМ/СЛЕ/РБМ - систем, международных стандартов и форматов электронных данных, позволяет связать в единый комплекс решения, принимаемые на различных этапах жизненного цикла станка. Однако, для реализации этого необходима научная система поддержки решений, которая бы позволила количественно оценить влияние решений, принимаемых на различных этапах жизненного цикла станка, на величину его тепловых деформаций.

Анализ современного уровня развития автоматизации машиностроительного производства показывает, что наиболее эффективным способом повышения конкурентоспособности станков, приводящим к снижению стоимости проектирования, производства и эксплуатации оборудования, является использование новых интеллектуальных технологий, важнейшим компонентом которых являются автоматизированные системы научных исследований /АСНИ/. Так, практика предприятий, в частности станкозавода ОАО «СТЕРЛИТАМАК МТЕ» (г.Стерлитамак), показывает, что только проектно-производственные решения по уменьшению влияния тепловых деформаций станков на точность обработки приводят к 30-50% увеличению их стоимости.

Использование АСНИ приводит не только к повышению эффективности и качества научных исследований, но и к улучшению технико-экономических характеристик разрабатываемых объектов. Применение технологий АСНИ в области управления тепловых деформаций станков сдерживается рядом причин, важнейшими из которых являются: малая информативность применяемых методов инженерного анализа термодефомационного состояния станков; относительно высокая длительность натурных тепловых испытаний станков; большие вычислительные затраты при прогнозировании термодеформационного состояния станка; недостаточная формализация управления температурной погрешностью станка при реализации конструкторских, технологических и эксплуатационных решений; недостаточное использование мёгр^^^^Щ^цд^ффективность

БИБЛИОТЕКА

3 I СЛекрб;

? ОЭ МО

Ш1

построения математических моделей тепловых деформаций станков и применимых на этапах их проектирования, производства и эксплуатации.

Таким образом, научная проблема создания системы математических моделей тепловых деформаций станков для синтеза алгоритмов прогнозирования * и автоматической компенсации температурных погрешностей на различных этапах жизненного цикла станка является актуальной.

Решение этой проблемы осуществлялось в рамках следующих научно-технических программ: "Компьютеризированные интегрированные производственные системы" (приказ Мингособр СССР № 349 от 23.05.90), "Технологии, машины и производства будущего" (1990 - 1996 г., Госзаказчик - Миннауки России), "Инженирингсеть России" (Постановление Правительства РФ № 332 от 15.04.94); «Компьютерные и информационные технологии» (19962005 г., госзаказчик - Миноборонпром, Минатом, РКА); «Технологии промышленного оборудования».(1996-2005 г., Госзаказчик - Миноборонпром, Минатом, РКА, ГКНТ); г/б НИР "Разработка системы вероятностного моделирования металлорежущих станков как термодинамических систем" (1994 - 1998 гг).

Объект исследования - тепловые деформации металлорежущего станка на этапах проектирования, производства и эксплуатации.

Предмет исследования - закономерности управления температурной погрешностью станка за счет установления - связей между конструкторско-технологическими и эксплуатационными параметрами, с одной стороны, и выходными показателями точности, с другой.

Цель работы. Разработка автоматизированной системы поиска и принятия решения по автоматической компенсации температурной погрешности станка на различных этапах их жизненного цикла на основе установления связей между конструкторско-технологическими и эксплуатационными параметрами, с одной стороны, и выходными показателями точности, с другой.

Научная новизна работы состоит в совокупности теоретически обоснованных и экспериментально подтвержденных решений, обеспечивающих развитие АСНИ тепловых деформаций станков, и направленных на обеспечение параметров точности металлорежущих станков на различных этапах их жизненного цикла. Основными результатами, выносимыми на защиту, являются:

1) Структура, математическое описание и экспериментальное доказательство адекватности термоупругой модели, реализующей связи между конструктивно- технологическими и эксплуатационными параметрами, с одной стороны, и выходными показателями точности станка, с другой, обеспечивающая формализацию построения идентификационных и оптимизационных моделей.

2) Численно-аналитический подход к прогнозированию теплового состояния несущей системы станка, основанный на решении спектральной задачи теплопроводности для плоских, коробчатых и объемных элементов конструкций и обеспечивающий получение экспресс-оценки качества математической модели и выявление влияния на тепловую инерционность станка его конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров.

3) Модели и алгоритмы построения редуцированных систем большой размерности, направленных на повышение эффективности расчета нестационарного теплового состояния станка.

4) Метод определения длительности тепловых испытаний металлорежущих станков и алгоритм управления сокращенными тепловыми испытаниями станков, на основе установленной взаимосвязи интенсивности изменения температуры в фиксированной точке станка и времени его температурной стабилизации.

5) Система целевых функций, аналитически описывающих взаимосвязи выходных параметров термодеформационной системы станка с его конструктивно-технологическими и эксплуатационными параметрами, используемая: а) в идентификационной модели при уточнении математической модели станка по результатам тепловых испытаний; б) в оптимизационной модели при поиске рациональных термодеформационных систем станка.

6) Методы, модели и алгоритмы, позволяющие формализовать и автоматизировать уточнение математической модели станка по результатам его тепловых испытаний: а) аналитическое описание экспериментальных тепловых характеристик станка; б) метод коррекции расчетной схемы станка, базирующийся на установленных закономерностях влияния параметров конвективного теплообмена, теплопроводности и теплообразования на тепловое состояние станка; в) способ выбора критериев адекватности тепловой модели станка, основанный на выявленных фиксированных соотношениях между флуктуациями теплового состояния станка и изменениями его термодеформационного состояния.

7) Алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности станка на этапах проектирования, доводки и эксплуатации.

Практическая значимость состоит в создании программно-методического комплекса исследований теплового деформирования металлорежущих станков, включающего:

1) Три самостоятельных программно-математических комплекса, включающих модули:

- прогнозирования теплового состояния, в том числе с реализацией алгоритмов редуцирования систем большой размерности;

- расчета тепловых деформаций;

- уточнения математических моделей по результатам тепловых испытаний;

- поиска комплектов рациональных проектных, технологических и эксплуатационных решений по обеспечению заданной точности станка.

2) Методическое обеспечение, представленное:

- методикой выбора методов редукции для систем большой размерности;

- системой оценок эффективности реализации термоупругих моделей станков;

- методикой построения расчетных схем станков;

- методикой сокращенных тепловых испытаний станков;

. - методикой идентификации термодеформационных систем станков;

- методикой формирования комплектов рациональных проектных, технологических и эксплуатационных решений по обеспечению заданной точности станка.

3) Информационное обеспечение, включающее:

- экспериментальную информацию по термодеформационному состоянию станков различных типов, полученную в натурных экспериментах;

- результаты машинных экспериментов в графическом и числовом представлении по точности и скорости вычислений для различных методов и алгоритмов (прогнозирования термодеформационного состояния станка, редуцирования, аппроксимации экспериментальных характеристик станка, однокрите-риальной и многокритериальной параметрической оптимизации);

- количественные оценки коэффициентов теплоотдачи, плотностей тепловых потоков и коэффициентов теплопроводности стыков, полученные в ходе уточнения математических моделей и поиска рациональных решений для термодеформационных систем станков.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории конструирования и проектирования станочных систем, деталей машин, сопротивления материалов, теории упругости, термодинамики, теории моделирования, идентификации и оптимизации сложных технических систем. Были использованы численные методы решения уравнений математической физики; методы теории вероятностей и математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии и линейной алгебры; методы аппроксимации функций и оптимизации. Многие алгоритмы были построены на основе методов вычислительной математики.

Тепловые испытания металлорежущих станков различных типов и машинные эксперименты проводились с использованием теории планирования экспериментов для: подтверждения теоретических положений, выявления новых функциональных связей,формирования методического обеспечения компьютерных исследований термодеформационного состояния станка.

Реализация работы. Результаты работы, представленные в виде методического, программного, информационного обеспечения и практических рекомендаций, приняты к использованию на Оренбургских предприятиях: ОАО «Оренбургский станкозавод», ООО КБ «Гидропресс», завод гидропрессов «Металлист», ООО«Оренбургский радиатор», ФГУП ПО «Стрела», а также используются в учебном процессе кафедр «Металлообрабатывающие станки и комплексы», «Технология автоматизированного машиностроения», «Летательные аппараты» и «Системы автоматизации производства» Оренбургского государственного университета и кафедры «Станки» МГТУ «СТАНКИН».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на: региональной конференции молодых ученых Урала и Поволжья (г.Оренбург, 1994 г.); региональных конференциях молодых ученых и специалистов (г.Оренбург, 1995, 1997., 1998 г.); областной выставке научно-технического творчества молодежи (г.Оренбург, 1996 г.); первой международной научно-практической конференции «Дифференциальные уравнения и применения» (г.С.-Петербург, 1996г.), третьей международной научно-технической конференции «Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики» (г.Оренбург, 1997 г.); международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России

на пороге XXI века» (г.Оренбург, 1998 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г.Орск,

1998 г.); четвертой Российской научно-технической конференции «Прогрессивные методы эксплуатации и ремонта транспортных средств» (г. Оренбург,

1999 г.); международной юбилейной научно-практической конференции «Учебная, научно-производственная и инновационная деятельность высшей школы в современных условиях» (г.Оренбург, 2001 г.); всероссийской научно-практической конференции «Качество профессионального образования: обеспечение, контроль и управление» (г.Оренбург, 2003 г.) ; всероссийской научно-практической конференции «Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства» (г.Оренбург, 2003 г.); на ученом совете Аэрокосмического института (1999 г.) и на кафедре систем автоматизации производства (2003 г.) Оренбургского государственного университета; на кафедре станков МГТУ «СТАНКИН» (г.Москва, 2000г., 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 79 работ.

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 251 наименования, приложения; содержит 306 страниц машинописного текста, 121 рисунков, 37 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрены общие вопросы, посвященные исследованию тепловых явлений в станках: актуальность изучения тепловых проблем в станках; влияние температурных факторов на выходную точность станка; способы достижения теплоустойчивости станков; состояние компьютерных исследований термодеформационного состояния станков. Для формализации теоретических положений работы сформулировано системное представление станка -термодеформационная система станка /ТДСС/. Термодеформационная система включает упругую систему станка и дополнительные компоненты, формирующие ее тепловое и термодеформационное состояние.

Первые работы, посвященные исследованию влияния тепловых процессов на точность металлорежущих станков, были проведены Шлезингером в начале 30-х годов. Значительный вклад в область тепловых исследований внесли А.С. Проников, Д.Н. Решетов, В.В. Бушуев, IO.H. Соколов, А.П. Кузнецов, В.И. Алферов, A.M. Фигатнер, Л.Г. Рейдман, А.И. Глухенький, В.Э. Пуш, А.П. Сегида, Е.И. Самохвалов, А.В. Пуш, Л.Я. Перель, В.Н. Юрин, Ж.С. Равва, Г.А. Левит, М.З. Лурье, А.И. Смирнов, Ю.М. Соломенцев, И.А. Зверев, М.А. Галахов, T.Harris, A. Palmgren, Т. Inamura, К. Okushima, Y. Kakino., Y. Takeydu, M. Sakamoto , Т. Sata, J. Tlusty , J. Jedrejewski, G. Spur и другие.

Основными направлениями повышения теплоустойчивости современных станков являются: применение новых материалов с низким температурным коэффициентом линейного расширения; совершенствование конструкций подшипни-

ковых опор; создание новых систем смазывания; совершенствование систем охлаждения шпиндельных узлов /ШУ/ и базовых деталей станка; компенсация тепловых деформаций с учетом их векторного действия; оптимизация расположения тепловых источников; повышение теплоотдачи; применение адаптивных и меха-тронных систем для компенсации температурных погрешностей обработки.

Реализация перечисленных технических решений требует изучения влияния конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов на выходные параметры точности станка. Для повышения их эффективности используются компьютерные технологии.

Вопросы разработки систем компьютерных исследований металлорежущих станков отражены в работах отечественных и зарубежных ученых: Г.Н. Васильева, И А. Зверева, В.Е.Канарчука, В.Б. Петрова, А.В. Пуша , А.И. Смирнова, B.C. Хомякова, В.Н. Юрина, РЛ.Фокса, J. Jedrejewski, S. Szymon и других.

В результате анализа работ выявлены следующие тенденции в разработке автоматизированных систем компьютерных исследований металлорежущих станков: а) доминирование метода конечных элементов /МКЭ/ в моделировании сложных технических систем; б) совершенствование теплового моделирования станков за счет повышения адекватности математических моделей: развитие стохастического моделирования; развитие численно-аналитических методов тепловых расчетов; увеличение детализации представления термоупругих моделей; развитие автоматизированных средств уточнения математических моделей станков по результатам тепловых испытаний (в основном для ШУ); в) развитие нейросетевого теплового моделирования; г) развитие моделей оптимизации термоупругих моделей (в основном для ШУ), а также синтеза конструкций станков на основе полученных оптимальных проектных решений с использованием численно-аналитического подхода.

Вместе с тем, в рамках этих тенденций остаются нерешенными ряд проблем:

- уровень развития тепловых исследований станков не позволяет строить модели идентификации и оптимизации термодеформационных систем станков, учитывающих связь выходных параметров точности с конструктивно-технологическими и эксплуатационными факторами;

- численно-аналитическое описание теплового состояния станка осталось на уровне решения осесимметричной задачи теплопроводности, что не позволяет прогнозировать тепловое состояние всех типов конструкций, относящихся к плоским и объемным;

- не изучены возможности редуцирования больших систем в нестационарной постановке;

- отсутствует математическое, алгоритмическое, программное и методическое обеспечение, направленное на сокращение длительности тепловых испытаний станков.

Для достижения цели работы и решения перечисленных проблем, учитывая необходимость обеспечения единства подхода к решению задач идентификации и оптимизации термодеформационной системы станка, были сформулированы задачи работы:

1) Разработать термоупругую модель станка, обеспечивающую формализацию построения идентификационных и оптимизационных моделей.

2) Экспериментально доказать адекватность разработанной термоупругой модели станка.

3) Исследовать возможность повышения эффективности прогнозирования теплового состояния станка.

4) Автоматизировать экспериментальные исследования при доводке и диагностике станков.

5) Разработать методы и алгоритмы для идентификации термодеформационной системы станка по критериям теплоустойчивости и управлению его температурной погрешностью на основе решения задачи параметрической оптимизации.

6) Реализовать предложенные методы и алгоритмы на реальных конструкциях станков.

7) Разработать алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности станка на этапах проектирования, доводки и эксплуатации, сформировать совокупность мероприятий по управлению температурной погрешностью.

Во второй главе изложено построение термоупругой модели станка, экспериментальное доказательство адекватности тепловой модели, исследованы возможности повышения эффективности прогнозирования теплового состояния станков.

Термоупругая модель станка /ТУМС/- математическая модель, предназначенная для определения термодеформационного состояния станка, т.е. его деформационного состояния, сформированного под воздействием тепловой нагрузки.

Достижению цели работы отвечает математическая модель, получение и уточнение которой с помощью АСНИ используется на различных этапах жизненного цикла станка (рисунок 1). Для каждой ТДСС существует множество термоупругих моделей. Для сужения множества термоупругих моделей были сформулированы гипотезы и допущения. Конструктивно-технологические и эксплуатационные параметры жизненного цикла станка связаны с входными параметрами модели. Тепловое деформирование станка рассмотрено в нестационарной постановке, поэтому в качестве выходных параметров модели кроме температурного поля станка, температурных смещений или температурных деформаций (определяемых по температурным смещениям) приняты тепловая инерционность станка. В качестве основного геометрического элемента модели принята несущая система станка. Типовыми элементами конструкции приняты осссимметричные, плоские и объемные элементы. В качестве типовых конечных элементов /КЭ/ использовались кольцевые, пластинчатые, а также объемные пяти- и шестигранные призматические КЭ. Конструктивные элементы станка рассмотрены в условиях сложного теплообмена с учетом идеального и неидеального контакта поверхностен. Учет неидеального контакта осуществлялся решением сопряженной задачи с переходом к граничным условиям III -го рода. Базовым методом построения модели принят МКЭ. При построении структуры модели, расчетной схемы станка и методов решения определяющих уравнений учтены показатели реализации модели, введенные на основе обобщений и опыта построения математических моделей.

ПАРАМЕТРЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СТАНКА

Конструктивные: —

- габаритные размеры ;

- толщина стенок базовых деталей;

• компоновка станка;

- мощность тепловых источников;

- параметр быстроходности шпиндельного узла;

-жесткость станка;

- система охлаждения базовых деталей;

-система смазывания

Технологические:

-точность сопрягаемых поверхностей;

- точность размерных связей между исполнительными поверхностями;

-требуемая точность обработки

Эксплуатационные:

- режимы работы станка;

• режимы работы систем смазывания и охлаждения;

- условия работы станков в цехе;

- график ППР;

- Коэффициент сменности оборудования

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АСНИ

ВХОДНЫЕ

ПАРАМЕТРЫ

МОДЕЛИ

(УПРАВЛЯЮЩИЕ)

- удельная тепло-

емкость;

- коэффициент

теплопроводности;

- плотность материала;

- температурный коэф-

фициент линейного

расширения;

- модуль упругости;

- коэффициент Пуас-

сона;

- координаты слоев

геометрии станка;

- коэффициенты

теплоотдачи;

- плотности тепловых

потоков;

- коэффициенты

теплопроводности

стыков;

- жесткость стыков

ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛИ (УПРАВЛЯЕМЫЕ)

<

X

<

1—

о

=г

<

2

а.

О

— в

ш

ЕГ

X

л

ш

о

с;

С

ш

н

s

X

о

<

I Температурное I поле станка I

, Тепловая 1 инерционность I станка

Температурные деформации

- прогнозирование температурной составляющей погрешности обработки,

-оценка эффективности конструктивных решений,

• формирование законов управляющих воздействий для систем охлаждения и систем компенсации температурных погрешностей при построении САУ;

- контроль натяга в опорах:

- анализ эффективности работы систем смазывания и охлаждения;

- контроль точности сопрягаемых поверхностей;

- контроль степени износа трущихся поверхностей;

-прогнозирование объемов доводочных работ;

- прогнозирование объемов ремонтных работ

- планирование объемов расходного материала и экономических затрат на обслуживание станка

Рисунок 1 - Роль АСНИ тепловых деформаций станка в его жизненном цикле

Расчетная схема станка составляется в соответствии с физическими, геометрическими, начальными и граничными условиями однозначности рассматриваемой ТДСС. Геометрия станка описывается отдельными координатными слоями, характеризуемыми двумя координатами и параметром дискретизации слоя. Формирование конечно-элементной сетки выполняется в автоматическом режиме.

Построение термоупругой модели включает пять этапов. На первом и втором этапах выявляются факторы, определяющие теплоустойчивость станка и им соответствующие параметры: количество и мощность тепловых источников, их пространственное расположением в ТДСС; площадь тепловоспринимающих и теплоотдающих поверхностей элементов станка; коэффициенты теплоотдачи; удельная теплоемкость, плотность материала, температурный коэффициент линейного расширения /ТКЛР/; коэффициентом теплопроводности материала; коэффициенты теплопроводности стыков; параметры жесткости соединений элементов несущей системы; жесткость установочных опор станка; геометрические параметры станка.

На третьем этапе формируется структура модели, основанная на выделении в отдельное множество искомых параметров модели. Матрица теплопроводности [н| включает три компонента:

= ¿н^А; "а == 2"а^а.,; на„ = Ък^^. 0)

Матрица теплоемкости: С= ¿С^р^с^ . (2)

Составляющие вектора тепловой нагрузки {Р} = {Ра + РЧ},

*а = ^Х,..,.«!, > = £ ^Ч] • (3)

где я,, р^.с^- плотность и удельная теплоемкость !,-го элемента станка; <*| -коэффициенты теплоотдачи для соответствующей поверхности станка, находящихся в условиях конвективного теплообмена; аС1>1з- коэффициенты теплопроводности стыков для 13- стыка;Сс |- постоянная составляющая матрицы теплоемкости; Н^.Н,,^, Иа„Л| - постоянные составляющие матрицы теплопроводности; Га(>| и Г ^ - постоянные компоненты векторов {Ра} и {Рч}; п,- число элементов станка с отличающимися физическими свойствами материалов; и 1 - число элементов станка с отличающимися условиями конвективного теплообмена; п,- число элементов станка с отличающимися условиями тепловой проводимости стыков; п(]- число вариантов задания распределенных тепловых потоков по им поверхностям.

Четвертый этап — выбор типа решаемой задачи: прогнозирование термодеформационного состояния станка; идентификация ТДСС; оптимизация ТДСС. В зависимости от выбранного типа задачи исполнялись алгоритмы и процедуры пятого этапа построения термоупругой модели - формирование и решение системы определяющих уравнений:

[C]{T(t)} + lHI{T(t)} = {F} (Kl{5} = {Fe},

(4)

(5)

где {T(t)}, (T(t)} - n - мерные векторы узловых температур и их производных; |К] - матрица жесткости; {5} - вектор перемещений, длиной 3n; {F8} - вектор нагрузки, длиной Зп; п - число узлов расчетной схемы станка.

Термоупругая модель станка в полном объеме реализована алгоритмически и программно в виде трех самостоятельных программно-математических комплексов для: а) плоских и осесимметричных конструкций, реализующих плоские и кольцевые типовые конечные элементы /КЭ/; б) коробчатых конструкций на основе плоских типовых КЭ; в) объемных конструкций на основе призматических КЭ. Оценка достоверности модели подтверждена проведенными натурными экспериментами на станках различных типов.

Таким образом, была разработана и программно реализована термоупругая модель станка (рисунок 2), объединяющая тепловую и упругодеформаци-онную модели, рассматривающая осесимметричные, плоские и объемные конструкции в условиях сложного теплообмена с учетом влияния тепловой проводимости стыков.

При исследовании возможности повышения эффективности прогнозирования теплового состояния станка был реализован численно-аналитический подход (модальный подход) к прогнозированию теплового состояния несущей системы станка; выявлено влияние на тепловую инерционность станка его конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров; разработан алгоритм получения экспресс-оценки качества математической модели станка; разработаны модели и алгоритмы построения редуцированных систем большой размерности.

Основным параметром тепловой инерционности станка является тепловая постоянная времени. Поэтому для выявления влияния на тепловую инерционность станка конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров из машинных экспериментов были установлены функциональные зависимости между «тепловой постоянной времени» и следующими параметрами: коэффициентом теплоотдачи; толщиной стенки базовых деталей станка; плотностью и удельной теплоемкостью материала; коэффициентом теплопроводности материала. Анализ полученных функциональных зависимостей показал: а) пропорциональное влияние на тепловую инерционность станка оказывают изменения физических свойств материала станка (плотность, теплоемкость) и толщины стенок базовых деталей станка; б) влияние конвективного и кондуктивного теплообмена на тепловую инерционность станка изменяется по экспоненциальной зависимости, поэтому наиболее существенно при малых значениях соответствующих параметров.

Алгоритм получения экспресс-оценки основанный на численно-аналитическом подходе, был разработан для оценки качества и сокращения вычислительных затрат при построении адекватной тепловой модели станка. Из машинных экспериментов было установлено, что расчетная экспресс -оценка адекватности тепловой модели станка на ранних этапах проектирования

РАСЧЕТНАЯ СХЕМА СТАНКА

1 АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ СТАНКА | НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ЕГО ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

I _______

|__________________| РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ

Рисунок 2 - представление термоупругой модели станка

может быть произведена по тепловой постоянной времени первой моды. Было установлено, что тепловая постоянная времени первой моды для тепловой модели станков средних размеров (до 10т) должна находиться в пределах 100-300 мин. Расхождение расчетных и полученных в натурных экспериментах значений времени температурной стабилизации станка не превышало 50%. Сокращение вычислительных затрат достигалось за счет исключения из моделирования вариантов ТДСС, имеющих грубые ошибки в расчетной схеме станка. Критерием качества модели в этом случае выступало расчетное значение тепловой постоянной времени первой моды.

Из практики реализации численно-аналитического подхода известно, что основной его проблемой являются большие вычислительные затраты при расчете моделей большой размерности. Поэтому для их сокращения были разработаны математические модели, алгоритмы и программное обеспечение, реализующие модальную редукцию, редукцию Гаяна и Ланцоша.

Особенностью предложенной реализации редукции Гаяна являлся выбор рационального базиса, т.е. множества не редуцируемых узлов расчетной схемы станка. Построение рационального базиса основывалось на алгоритме перебора возможных вариантов редуцирования на основе исследования стабильности изменения модальных параметров ТДСС. Машинные эксперименты проводились для ШУ и базовых деталей несущих систем станков, рассмотренных в осесимметричной и плоской постановках тепловой модели станка.

Метод Ланцоша предполагает проведение матричных преобразований, приводящих к трехдиагональной матрице. После чего, реализуя модальный подход, получалось аналитическое выражение для температурного поля станка, вида:

{Т(О) = |Т|[Ф|(<1^((1 - )1>.к )к=1,щ)1ф1Т{гт > + тюкаш^г^' )|с=1,т ><Ч0 >» (6)

где [Ф1- модальная матрица, образованная собственными векторами разрешающей системы уравнений тепловой модели станка, - матрица векторов Ланцоша, А.к- к-ое собственное значен^)в-ектор тепловой нагрузки,

{и-тЧСЦНГЧР}; {(¡о) - вектор, определяемый начальными условиями тепловой модели станка, время, обозначение диагональной матри-

цы, m - число векторов Ланцоша.

Результаты машинных экспериментов для различных типов станков и шпиндельных узлов показали:

1) использование редукции Гаяна с выбором рационального базиса обеспечивает расхождение вычислений температурного поля редуцированной и нередуцированной систем до 1,5%, при этом размерность системы разрешающих уравнений сокращается более, чем на 70%;

2) использование редукции Ланцоша позволяет: с 99%-ой точностью определить наиболее инерционные температурные моды станка, что обеспечивает 95% -ую точность решения; на порядок сократить размерность системы разрешающих уравнений и время расчета.

Экспериментальное доказательство точности реализации редукции Ланцоша приведено на рисунке 3. Для этого была составлена расчетная схема

Рисунок 3 - Экспериментальное доказательство точности реализации редукции Ланцоша

шпиндельной головки многоцелевого станка с использованием объемных пяти и шестигранных призматических конечных элементов. Построение температурного поля выполнено двумя путями: численным интегрированием и модальным подходом с применением редукции Ланцоша. Расхождение экспериментальных и расчетных значений на поверхностях ШГ не превысили ±0,8''С.

Проведенные исследования выявили две отличительные особенности:

- при численном интегрировании наблюдались осцилляции решения в некоторых точках температурного поля рассматриваемой термодеформационной системы; при модальном подходе этой проблемы не существовало;

- при построении температурного поля двумя подходами, количественные расхождения в основном не превышали ±0,5° С или около 5% от избыточных температур и лишь в наиболее нагретых точках наблюдались количественные расхождения до или более 15% относительно избыточной температуры.

Сравнительные машинные эксперименты различных видов редукции показали, что по затратам на разработку алгоритмов и затрат машинных ресурсов на расчет наибольшей эффективностью обладает редукция Ланцоша.

В третьей главе решена задача автоматизации экспериментальных исследований при доводке и диагностике станков, приводящая к сокращению временных затрат на проведение натурных тепловых испытаний станков. Для этого: было получено аналитическое описание экспериментальных тепловых характеристик станка (рисунок 4); установлены взаимосвязи интенсивности изменения температуры и температурных перемещений станка и времени его температурной стабилизации; разработан метод определения длительности тепловых испытаний станков; разработан алгоритм управления сокращенными тепловыми испытаниями станков.

Для аналитического описания экспериментальных тепловых характеристик станка использовано его модальное представление. Модальное представление станка экспериментально подтверждено натурными тепловыми испытаниями станков различных типов: токарных, фрезерных, шлифовальных, расточных, многоцелевых. На основе анализа экспериментальных характеристик были выделены три типа кривых, характеризующихся различным сочетанием выпуклых и вогнутых криволинейных участков (рисунок 5). Тип экспериментальной кривой определял структурные и параметрические особенности аппроксимирующей функции.

Оценка работоспособности станка выполняется по результатам его температурной стабилизации. Проблемой сокращенных тепловых испытаний - является оценка времени температурной стабилизации станка. На основе опыта проведения натурных тепловых испытаний станков было предложено находить такую оценку по интенсивности изменения температуры и температурных перемещений, представляемых кривыми 1-го,2-го и 3-го родов (рисунок 6).

Кривые температуры (температурных перемещений) 1-го рода представляют собой функциональную зависимость температуры (температурных перемещений) от времени. Кривые температуры 11-го рода представляют функцио-

Рисунок 6 - Нмимосиязи ни 1СНСШШОС1Н изменения 1смисрэт)ры и темперагурныч перемещений сынка и времени ею температурной стабилизации

нальные зависимости интервальной скорости изменения температуры во времени. Кривые температуры Ш-го рода представляют функциональные зависимости интервального ускорения изменения температуры во времени. Если интервальная скорость получается отношением избыточной температуры за фиксированный интервал времени к этому интервалу времени, то интервальное ускорение получается отношением изменения интервальной скорости за фиксированный интервал времени к этому интервалу времени.

Из натурных и машинных экспериментов были установлены взаимосвязи интенсивности изменения температуры и температурных перемещений со временем температурной стабилизации. Из которых следует, что время фиксации предельно малого изменения интервального ускорения температуры и температурных перемещений станка соответствует режиму температурной стабилизации.*

На основе установленной взаимосвязи интенсивности изменения температуры и температурных перемещений станка и времени его температурной стабилизации был разработан метод определения длительности тепловых испытаний станков. Проведенные машинные эксперименты показали, что максимальные расхождения прогнозируемого и фактического времени температурной стабилизации не превысили 20%.

На основе разработанного метода определения длительности тепловых испытаний станков была разработан алгоритм управления сокращенными тепловыми испытаниями станков. Укрупненный алгоритм и принципиальная схема реализации автоматизированной системы управления тепловыми испытаниями станка приведены на рисунке 7. Анализ результатов машинных испытаний показал, что при выборе погрешности прогнозирования теплового состояния станка на уровне 10% от установившихся температур сокращение длительности тепловых испытаний обеспечивается не менее, чем на 50%.

В четвертой главе рассмотрены методы и алгоритмы для идентификации и оптимизации ТДСС по критериям теплоустойчивости. Для этого разработаны: системы целевых функций, идентификационная и оптимизационная модели станка; метод коррекции расчетной схемы станка; алгоритм выбора критериев адекватности тепловой модели станка; процедуры идентификации и оптимизации ТДСС.

Решение задачи идентификации ТДСС осуществлялось в экстремальной постановке, поэтому идентификационная и оптимизационная модели станка имели одинаковую структуру. Основными компонентами модели являлись вектор оптимизируемых параметров система целевых функций система ограничений, метод параметрической оптимизации.

Состав вектора искомых параметров включал: коэффициенты теплоотдачи по поверхностям станка, находящихся в условиях конвективного теплообмена; плотности тепловых потоков, характеризующие интенсивность нагревания элементов станка от тепловых источников; коэффициенты теплопроводности стыков в наиболее важных сопряжениях; физические свойства материалов элементов конструкции станка: удельные теплоемкости, плотности, коэффициенты теплопроводности, температурные коэффициенты линейного расширения, модули упругости, коэффициенты Пуассона.

Рисунок 7 .а - Алгоритм управления сокращенными тепловыми испытаниями станков

ТЕПЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ СТАНКА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Рисунок 7.б - Принципиальная схема системы управления сокращенными тепловыми испытаниями станков

Решение задачи параметрической оптимизации находилось из условия минимизации целевой функции J(U):

' min J(U) , (7)

где R"- пространство ограничений.

Принципиальное отличие идентификационной и оптимизационной моделей заключалось в назначении критериальных ограничений и системе целевых функций, используемых при идентификации и оптимизации ТДСС, соответственно. Разработанные модели исследованы в двух постановках задачи параметрической оптимизации: однокритериальной и многокритериальной. Вычисление целевых функций включало расчет термоупругой модели станка.

Для целевой функции J(U) рассматривались два представления: нормированные и не нормированные значения аддитивных критериев.

Целевая функция J(U) при идентификации ТДСС в однокритериальной постановке задачи многопараметрической оптимизации с нормирующими множителями принимала вид:

J(U) = y,

5*-5,

э,Х

+ У 2

5Y_8,,Y

3,Y

+ Уз

1=1 j=1

где У!^- весовые коэффицие йдо^ф^у^й^е^р иментальные значения температурных перемещений; 5Х у^ - расчетные значения температурных перемещений; расчетная и экспериментальная температура в ь

ой точке станка в фиксированный ^ момент времени.

При оптимизации ТДСС в однокритериальной постановке с нормирующими множителями:

i>p,\,Y,z" регламентированные значения температурных перемещений; t,-

где

фиксированный момент времени; П,- число экспериментальных точек станка; П,- число интервалов времени, в которые осуществлялись измерения температур; Тм(11),Тр(4е)- расчетная и регламентируемая температура станка в фиксированный момент времени; расчетная и регламентируемая максимальная температура; число точек регламентированных температур и температурных перемещений.

Составляющие расхождений модельных температур с регламентированными в (9) выбираются в соответствии с некоторой закономерностью. Например, первая составляющая с индексом I обеспечивает симметричность температурного поля станка. Вторая составляющая с индексом ] обеспечивает минимальное расхождение средних температур рабочих органов станка, связанных с инструментом и заготовкой, соответственно. Третья составляющая с ин-

дексом к обеспечивает снижение уровня нагрева выделенного элемента станка до выбранного уровня предельных температур.

Для векторной постановки задачи параметрической оптимизации - был сформирован вектор целей Л :

- для идентификации ТДСС:

^ * = ИТ,д 0, )г.., Т3, (IП1)}{Т, „^ ^,),..., Т, )}5 8 э>х, 8 3 у, 6}; (10)

- для оптимизации ТДСС:

=К,1>8р,у»8рд,АТр^ДТр>],АТ|(1|(,Тр>пих}. (11)

Целевая функция в этом случае представлялась целевыми функциями для локальных критериев Л.ШКЛм.Ш):

Л(и) = {Л,(и),.„,Лг<с(и)}, (12)

число локальных критериев.

Локальные критерии принимались в виде:

- для идентификации ТДСС:

¿,(и) = |5х-5р>х|; 12(и) = |бу —8ру|; -1,(1/) =¡5^-5р,2|; (13) Л<и) = |т,(^)-ТЭ)1(^)|, к = 4,...,(пэп, +3)^111.|+1,(и) = |Тпих(«,)-Тр,т„а,)|;

- для оптимизации ТДСС:

Л1(и) = |5х-5р>х|; а2(и) = |5у-6р,у|; Л3(и) = |52-8р,2|; (14)

Параметрические ограничения назначались по данным натурных экспериментов и справочной литературы. При оптимизации ТДСС для критериальных ограничений Кти вида:

принималась определяющая роль для Куги устанавливалась на уровне 10%.

Для формализации уточнения расчетной схемы станка и состава вектора идентифицируемых параметров разработан метод коррекции расчетной схемы станка (рисунок 8). Метод базируется на выявленном влиянии факторов; определяющих теплоустойчивость металлорежущего станка и установленном из вычислительных экспериментов дополнительным критерием адекватности модели, которым является совпадение характера кривизны экспериментальных и модельных температурных характеристик. Метод коррекции расчетной схемы станка иллюстрирован четырьмя типовыми задачами, решения которых использовались при идентификации ТДСС.

Одним из этапов построения оптимизационной модели станка является назначение критериальных ограничений. Исследования эффективности идентификации ТДСС показали, что исключение избыточной точности решения для снижения вычислительных затрат достигается выбором рациональных критериев адекватности. Для достижения этой цели был разработан и программно реализован алгоритм, основанный на определении оценки влияния флуктуации

ПЕРВАЯ ТИПОВАЯ ЗАДАЧА

УСТАНОВЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ДЕТАЛИ СТАНКА НА ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЭТОЙ СТЕНКИ ПРИ ЗАДАННОМ ТЕПЛОВОМ ПОТОКЕ НА ЕЕ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

Рисунок 8 - Метод коррекции расчетной схемы станка

теплового состояния станка на изменения его показателей точности. Практическая реализация предложенного алгоритма показала, что 95%-ая точность определения теплового состояния станка гарантирует 90% -ую точность определения термодеформационного состояния станка. При этом уменьшение вычислительных затрат пропорционально сокращению числа итераций в процедуре параметрической оптимизации.

Для формализации проведения идентификации и оптимизации ТДСС разработаны и программно реализованы алгоритмы процедур идентификации и оптимизации. Разработано математическое и программное обеспечение, реализующее анализ чувствительности ТДСС - компонент процедур идентификации и оптимизации ТДСС. Рассмотрены варианты раздельной и одновременной флуктуации параметров. В первом варианте оценивалась чувствительность ТДСС во времени по отношению к фиксируемому параметру. Во втором — оценивалась чувствительности системы в фиксированный момент времени. Проведенные исследования при идентификации и оптимизации ТДСС показали, что использование анализа чувствительности ТДСС позволяет существенно сократить затраты моделирования за счет исключения из рассмотрения малоэффективных вариантов систем.

Центральное место в процедуре оптимизации ТДСС занимает процедура параметрической оптимизации. Было предложено два варианта практической реализации процедуры параметрической оптимизации. В первом варианте использованы две автономные системы. В первой системе формировались исходные данные на моделирование. Во второй системе выполнялись оптимизационные вычисления. Вычислительные эксперименты показали, что определяющим преимуществом данного варианта является высокая скорость нахождения оптимальных решений. Во втором варианте оптимизации все вычисления, включая формирование геометрического представления объекта и оптимизационные вычисления, выполнялись в одной системе. Это позволило расширить состав вектора оптимизируемых параметров за счет учета неопределенности геометрических параметров объекта, что приводило к существенной потери скорости поиска оптимальных решений.

В пятой главе работы представлены: экспериментальное доказательство адекватности разработанной ТУМС; реализация предложенных методов и алгоритмов на реальных конструкциях станков; алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности станка на этапах проектирования, доводки и эксплуатации; мероприятия по управлению температурной погрешностью станков на этапах их жизненного цикла.

Экспериментальное доказательство адекватности ТУМС проведено на трех прецизионных станках: плоскошлифовальном ШПХ32.11; координатно -расточном 2Е450А и многоцелевом МС 12-250 Ml-2. Натурные испытания станков проведены для различных частот вращения шпинделя в условиях непрерывного и повторно-кратковременного режимов работы. Расхождения экспериментальных и расчетных значений температур не превышали или не более ±10 % от уровня избыточных температур. Соответствующие расхождения для координатных температурных перемещений станков не превышали от

зафиксированных в натурных экспериментах. Таким образом, полученные результаты натурных и вычислительных экспериментов для различных типов станков доказали адекватность разработанной термоупругой модели станка.

Реализация предложенных методов и алгоритмов заключалась в развернутом представлении закономерностей управления температурной погрешностью станков, для которых были проведены натурные тепловые испытания, на различных этапах их жизненного цикла.

Из вычислительных экспериментов установлено, что оптимальная ТДСС, для которой сокращение температурных перемещений гарантировано составляло более 50%, обеспечивается в вариантах оптимизации, учитывающих не один, а несколько факторов, влияющих на теплоустойчивость станка. Анализ полученных решений при оптимизации ТДСС показал, что при реализации процедуры оптимизации ТДСС может быть сформирован комплект решений, удовлетворяющих критериальным ограничениям. Выбор окончательного варианта ТДС станка устанавливается с учетом всех факторов, действующих на различных этапах его жизненного цикла.

Совокупность полученных результатов работы позволила разработать систему поиска и принятия решений по обеспечению теплоустойчивости металлорежущих станков (рисунок 9).

Система включает все рассмотренные в работе методы, модели и алгоритмы и состоит из четырех модулей. В первом модуле производится формирование ТДСС на основе принятой концепции ее построения. Концепция построения ТДСС предполагает постановку задачи повышения теплоустойчивости станков и формирование требований, предъявляемых к модели. Постановка задачи определяет особенности структуры оптимизационной модели. Сформированные требования к математической модели позволяет сузить область поиска оптимального решения для ТДСС. В зависимости от необходимости проведения натурных тепловых испытаний станка выполняется переход или к «экспериментальному модулю» или к модулю «моделирование работы станка». Модуль «моделирование работы станка» позволяет сформировать тепловое и термодеформационное состояния станка и провести его анализ, по результатам которого формулируется следующая постановка задачи. «Экспериментальный модуль» учитывает, что при проведении натурных тепловых испытаний станка допустимо проведение полных или сокращенных испытаний. В последнем модуле формируется множество ТДСС, удовлетворяющих регламентированным критериальным ограничениям.

С использованием разработанной автоматизированной системы были получены аналитические зависимости между управляющими воздействиями и выходными показателями точности. Это позволило разработать алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности станка на этапах проектирования, доводки и эксплуатации (рисунок 10). Реализация данного алгоритма на рассмотренных в работе станках позволила сформировать совокупность мероприятий, обеспечивающих создание станков с автоматической компенсацией температурной погрешности, на различных этапах их жизненного цикла.

Рисунок 9 - Блок схема автоматизированной системы поиска и принятия решений по обеспечению теплоустойчивости мателлорежущего станка Э - натурные тепловые испытания станка; м - модальный подход; к - критериальные ограничения; эс - сокращенные тепловые испытания станка; расчет температурных перемещений

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ СТАНКА величина критерия '

ОБЯЗАТЕЛЬНОГО ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО

8 Т

Р" шах

ПОЛУЧЕНИЕ

НА ОСНОВЕ АСНИ.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫ»

ЗАВИСИМОСТЕЙ ДЛЯ

ВЫРАБОТКИ

' УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИИ

и

ФОРМИРОВАНИЕ

КРИТИЧЕСКОГО

УРОВНЯ

эх

ФАКТОРЫ ЭТАПОВ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СТАНКА

( КОНЕЦ )

Рисунок 10 - Алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности станка на этапах проектирования, доводки и эксплуатации Обозначения N1 ,N2 - количество мероприятий; БД - база данных; М - маркетинг; И - исследования; ТИП - технологическая подготовка производства; С., - снабжение

Минимизация температурной погрешности станка обеспечивается:

1) при их проектировании за счет:

а) конструкторских решений путем оптимального выбора пространственного расположения конструктивных элементов станка из материалов с различающимися физическими свойствами; минимизации мощности тепловыделений внутренних и внешних тепловых источников; оптимального согласования параметров жесткости базовых деталей станка с направлением их теплового деформирования; оптимального выбора расположения поверхностей станка, подверженных конвективному теплообмену и оптимальных значений коэффициентов теплоотдачи их характеризующих; оптимального выбора расположения конструктивных элементов станка, подлежащих подогреву и оптимальных значений параметров тепловых потоков;

б) технологических решений путем назначения оптимальных значений точности изготовления сопрягаемых поверхностей и точности размерных связей между исполнительными поверхностями станка;

2) при их доводке путем согласования конструкторских и технологических решений на основе получения экспериментальных значений тепловых потоков, коэффициентов теплоотдачи и коэффициентов теплопроводности стыков;

3) при их эксплуатации путем назначения оптимальных значений компенсирующих воздействий приводов станка через систему ЧПУ; назначения оптимальных значений управляющих воздействий системам охлаждения и системе подогрева отдельных конструктивных элементов станков в зависимости от изменяющихся режимов работы станка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана термоупругая модель связей выходных показателей точности станка с его конструктивно - технологическими и эксплуатационными параметрами. Структура модели, основанная на выделении в отдельное множество искомых параметров термоупругой модели станка, позволяет формализовать построение идентификационных и оптимизационных моделей.

2. Натурные эксперименты для различных типов станков доказали адекватность разработанной термоупругой модели станка. Расхождения экспериментальных и расчетных значений температур не превышали ± 1 ° С или не более ±10 % от уровня избыточных температур. Соответствующие расхождения для координатных температурных перемещений станков не превышали от зафиксированных в натурных экспериментах.

3. Машинными экспериментами доказана возможность повышения эффективности прогнозирования теплового состояния станка на основе разработанного численно-аналитического подхода за счет большей информативности результатов моделирования и возможности получения экспресс - оценки адекватности тепловой модели станка. Установлено, что:

а) при построении адекватных тепловых моделей станков приоритетным параметром является тепловая инерционность станка;

б) тепловая инерционность станка устанавливается по тепловой постоянной времени первой температурной моды;

в) расчетная экспресс - оценка тепловой модели станка по тепловой постоянной времени первой температурной моды позволяет исключить грубые ошибки моделирования с точностью прогнозирования тепловой инерционности станка до 50%.

Для сокращения времени построения тепловых моделей станков:

а) установлено влияние на тепловую инерционность станка его конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров;

б) разработаны модели и алгоритмы построения редуцированных систем большой размерности.

4. Разработан алгоритм управления сокращенными тепловыми испытаниями станков, сокращающих длительность натурных тепловых испытаний не менее, чем на 50%. Система базируется на разработанном методе определения длительности тепловых испытаний металлорежущих станков, использующем установленные взаимосвязи интенсивности изменения температуры в фиксированной точке станка и времени его температурной стабилизации.

5. Разработаны методы, модели и алгоритмы для идентификации и оптимизации термодеформационной системы станка по критериям теплоустойчивости.

Разработанная система целевых функций позволила реализовать идентификационную и оптимизационную модели станка.

Сокращение количества анализируемых вариантов при идентификации термодеформационной системы станка достигается использованием алгоритма выбора критериев адекватности тепловой модели станка и метода коррекции его расчетной схемы.

6. Реализация разработанных методов, моделей и алгоритмов была проведена на плоскошлифовальном станке ШПХ 32.11, многоцелевом станке МС 12250 М1-2, координатно-расточном станке 2Е450А. Результаты идентификации и оптимизации ТДСС показали:

а) расчет коэффициентов чувствительности термодеформационной системы станка по отношению к оптимизируемым параметрам позволяет сократить время решения задачи многопараметрической оптимизации пропорционально количеству оптимизируемых параметров;

б) реализация алгоритмов оптимизации в многокритериальной постановке позволяет не менее, чем на 50%, сократить вычислительные затраты;

в) полученные количественные соотношения для искомых параметров позволяют: выявить элемент конструкции станка, в наибольшей степени отвечающий за соответствующее координатное перемещение; определить характер распределения тепловых и конвективных потоков; установить необходимость учета тепловой проводимости стыков.

На основе полученных результатов исследований разработана система поиска и принятия решений по обеспечению теплоустойчивости металлорежущих станков, которая позволяет: а) повысить эффективность прогнозирования теплового состояния станков; б) автоматизировать экспериментальные исследования при их доводке и диагностике; в) формализовать и автоматизировать построе-

ние адекватных математических моделей по результатам тепловых испытаний; г) повысить эффективность обеспечения выходных показателей точности станков на этапах их проектирования, изготовления и эксплуатации.

7. Разработан алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности станка на этапах проектирования, доводки и эксплуатации, базирующийся на разработанных идентификационных и оптимизационных моделях ТДСС и полученных аналитических зависимостях между выходными показателями точности станка и управляющими воздействиями.

Сформирована совокупность мероприятий, обеспечивающих создание станков с автоматической компенсацией температурной погрешности на различных этапах их жизненного цикла. На этапе проектирования совокупность технических мероприятий определяется количественными оценками управляющих воздействий и прогнозированием возможной температурной погрешности станка. На этапе доводки компенсация температурных погрешностей производится на основе экспериментальной информации из натурных тепловых испытаний станка и только за счет технологических решений. На этапе эксплуатации автоматическая компенсация температурной погрешности осуществляется путем реализации беспоисковой системы управления.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы для исследований тепловых деформаций других технических систем, для которых актуальны функциональные связи выходных параметров точности с конструктивно-технологическими и эксплуатационными параметрами.

Основные результаты работы отражены в публикациях:

1. Хомяков B.C., Досько СИ., Поляков А.Н. Применение теоретического модального анализа к расчету температурных полей в металлорежущих станках //Известия вузов. Машиностроение.- 1989.-№9.- С. 154-158.

2. Хомяков B.C., Досько СИ., Поляков А.Н. Использование принципа декомпозиции в тепловых расчетах металлорежущих станков // Известия вузов. Машиностроение.- 1990.-№ 5.-С 141-145.

3. Парфенов И.В., Поляков А.Н. Расчет температур элементов опор качения // Известия вузов. Машиностроение,- 1989.-№ 4.- С. 130 - 134.

4. Поляков А.Н., Парфенов И.В. Идентификация тепловых процессов в металлорежущих станках // Вестник машиностроения.- 1995.- № 2.- С. 19-22.

5. Поляков А.Н., Никитина И.П. Применение термоупругой модели к анализу тепловых процессов в металлорежущих станках // Вестник машинострое-ния.-1996,-№7.-С.27-30.

6. Поляков А.Н. Применение метода Ланцоша к построению нестационарного температурного поля в металлорежущих станках // Вестник машиностроения. 1997.-№ 10.- С43 - 46.

7. Поляков А.Н. Применение редукции Гаяна с выбором рационального базиса к построению нестационарного температурного поля в металлорежущих станках // Известия вузов. Машиностроение. - 1997.- №4-6. — С. 109-116.

8. Поляков А.Н. Реализация вероятностного подхода в тепловом моделировании металлорежущих станков // Перспективные материалы, технологии, конструкции: Сб. науч. тр.- Красноярск: САА, 1998.- С. 164-168.

9. Поляков А.Н. Стохастический тепловой источник в упорном гидродинамическом подшипнике с неподвижными сегментами // Вестник Оренбургского государственного университета.-2001.-№4.-С.83-88.

10. Поляков АН. Об упрошенном подходе к построению вероятностной тепловой модели в металлорежущих станках // Известия вузов. Машиностроение.- 1998.-№10-12.-С. 101-109.

11. Хомяков В.,С, Поляков АН. Повышение эффективности тепловых расчетов станков // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов, Выпуск 12. / Под ред. д.т.н., проф. А.В. Пуша.- М.: МГТУ «СТАН-КИН», 1998.-С. 16-21.

12. Поляков А.Н. Совершенствование теплового моделирования металлорежущих станков при реализации модального подхода // Машиностроитель. -1999.-№.12.-С.11-15.

13. Поляков А.Н. Учет флуктуации условий конвективного теплообмена в вероятностной термоупругой модели металлорежущего станка // Вестник Оренбургского государственного университета.- 1999.- № 3.- С.88-97.

14. Поляков А.Н. Использование вероятностного подхода к построению температурного поля в металлорежущих станках // Вестник Оренбургского государственного университета.- 2000.- №2,- С.86-91.

15. Поляков А.Н., Терентьев А.А. Экспериментальное исследование термодинамического состояния токарного станка с ЧПУ // Вестник Оренбургского государственного университета.- 2000.- №3.- С.78-82.

16. Поляков А.Н. Реализация метода Ланцоша в вероятностном тепловом моделировании металлорежущих станков // Вестник машиностроения.- 2000.-№2.- С.34-39.

17. Поляков АН., Терентьев А.А. Тепловые испытания плоскошлифовального станка с горизонтальным шпинделем // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Выпуск 25. / Под ред. д.т.н., проф. А.В. Пу-ша.-Москва - Ростов-на Дону: ГОУ ДПО «ИУИ АП», 2001.- С.66-70.

18. Хомяков B.C., Досько СИ., Поляков А.Н. Построение тепловой модели станка на основе объемных призматических конечных элементов шпинделем // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов, Выпуск 25.-Москва - Ростов-на Дону.: ГОУ ДПО «ИУИ АП», 2001,- С.62-66.

19. Хомяков B.C., Досько СИ., Поляков А.Н. Анализ эффективности построения термоупругой модели плоскошлифовалыюго станка с использованием объемных призматических элементов // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов, Выпуск 25.- Москва - Ростов-на Дону.: ГОУ ДПО «ИУИ АП», 2001.- С.50-61.

20. Хомяков B.C., Досько СИ., Поляков А.Н. Совершенствование теплового моделирования металлорежущих станков на основе модального подхода // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов, Выпуск 25.- Москва - Ростов-на Дону.: ГОУ ДПО «ИУИ АП», 2001.- С.31-45.

21. Поляков А.Н., Терентьев А.Л. Экспериментальное исследование термодинамического состояния многоцелевого станка // Техника машиностроения.- 2001. -№3.-С.72-78.

22. Поляков А.Н. Построение закона распределения функции температуры в тепловой модели шпиндельного узла на опорах качения // Техника машиностроения- 2001.- №3. - С.82-88.

23. Поляков А.Н. Прогнозирование температурных характеристик станка в тепловых испытаниях // Сборка в машиностроении, приборостроении.- 2001,-№12.-С.ЗЗ-38.

24. Поляков А.Н. Использование призматических конечных элементов в тепловом моделировании станков // Вестник Оренбургского государственного университета.- 2001.- №1.- С.97-103

25. Поляков А.Н. Анализ эффективности применения призматических конечных элементов в тепловой модели станка // Техника машиностроения.—

2001.-№4.-С.73-80.

26. Поляков А.Н. Анализ эффективности построения термоупругой модели плоскошлифовального станка//Техника машиностроения -2001.-№6-С.24-30.

27. Поляков А.Н. Статистический тепловой источник в радиальном гидродинамическом подшипнике с самоустанавливающимися сегментами // Вестник Оренбургского государственного университета.- 2001.- №2.- С.118-122.

28. Поляков А.Н., Парфенов И.В. Актуальность тепловых проблем и состояние теплового моделирования в металлорежущих станках // Вестник Оренбургского государственного университета.- 2001.- №3.- С.96-100.

29. Поляков А.Н. Методика сокращенных тепловых испытаний металлорежущих станков // Техника машиностроения.- 2002.- №1.-С.4-10.

30. Поляков А.Н. Методика идентификации тепловой модели станка // Техника машиностроения.- 2002.- №2.-С.70-77.

31. Поляков А.Н., Парфенов И.В. Анализ эффективности параметрической оптимизации тепловой модели станка // Известия вузов. Машиностроения.-

2002.-№6.-С.60-70

32. Поляков А.Н. Сокращенные тепловые испытания станков // СТИН.-2002.-№8.-С.15-19.

33. Поляков А.Н., Кравцов А.Г. Модальный анализ экспериментальных температурных характеристик плоскошлифовального станка // Вестник Оренбургского государственного университета.- 2002.- №5.- С. 149-152.

34. Поляков А.Н. Идентификация тепловой модели станка /У СТИН,- 2003.-№4.- С.3-8.

35. Поляков А.Н. Построение и исследование оптимизационной термоупругой модели станка // Вестник машиностроения.- 2003.- №6.- С.51-57.

36. Поляков А.Н. Компьютерные исследования тепловых деформаций металлорежущих станков. Методы, модели и алгоритмы: Учебное пособие.-Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. - 382 с.

37. Поляков А.Н. Автоматизированная система компьютерных исследований тепловых деформаций металлорежущих станков. Руководство пользователя: Учебное пособие. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003 - 112 с.

38. Поляков А.Н. Идентификация термодинамической системы коорди-натно-расточного станка//Технология машиностроения.-2003.-№4.-С.12-19.

39. Поляков А.Н. Оптимизация термодинамической системы плоскошлифовального станка ШПХ32.11 //Технология машиностроения.-2003.-№5.-С.18-25.

40. Поляков А.Н., Дьяконов П.И. Прогнозирование теплоустойчивости, станков с помощью нейросетевого подхода // Технология машиностроения.-2003.-№6.- С.29-33.

РОС. »ЛЦ.КЖЛЛЬНЛЯ БИБЛИОТЕКА С.П<тер4)рт ОЭ зао «гг

Лицензия № Л Р020716 от 02.11.98.

Подписано в печать 16.04.04 г. Формат 60x841/16. Бумага писчая. Усл.печ. листов 2,0. Тираж 100. Заказ 217.

РИК ГОУ ОГУ

460352, г. Оренбург, ГСП, пр. Победы 13, Государственное образовательное учреждение «Оренбургский государственный университет»

Р-9558

Введение.

1 Обзор состояния тепловых проблем в станках.

1.1 Актуальность тепловых проблем в металлорежущих станках.

1.2 Влияние температурных факторов на выходную точность станка.

1.3 Достижение теплоустойчивости современных металлорежущих станков.

1.4 Состояние теплового моделирования в станках.

1.4.1 Термодеформационная система станка.

1.4.2 Классификация используемых математических моделей.

1.4.3 Оценка эффективности теплового моделирования.

1.4.4 Основные направления теплового моделирования станков.

1.5 Выводы и задачи работы.

2 Термоупругая модель станка.

2.1 Базовые положения структуры термоупругой модели станка.

2.2 Основные предпосылки термоупругой модели станка.

2.3 Тепловая модель станка.

2.3.1 Постановка прямой задачи теплообмена.

2.3.2 Конечно-элементное представление ТДСС. Основные определяющие уравнения.

2.3.3 Конвективный теплообмен в станках.

2.3.4 Расчет тепловыделений в основных тепловых источниках станков.

2.3.5 Построение температурного поля станка.

2.4 Конечно-элементное представление упруго деформационной модели станка.

2.5 Учет стыков в термоупругой модели станка.

2.6 Структура тепловой модели станка, формализующая построение оптимизационных моделей.

2.7 Повышение эффективности прогнозирования теплового состояния станка.

2.7.1 Модальный подход в тепловом моделировании.

2.7.2 Выявление влияния на тепловую инерционность станка его конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров.

2.7.3 Экспресс-оценка качества математической модели станка.

2.7.4 Применение методов редукции.

2.7.4.1 Применение редукции Гаяна с выбором рационального базиса к построению нестационарного температурного поля в станках.

2.7.4.2 Применение метода Ланцоша к построению нестационарного температурного поля станка.

2.8 Экспериментальное доказательство адекватности тепловой модели станка.

2.9 Выводы и результаты.

3 Автоматизация экспериментальных исследований при доводке и диагностике станков.

3.1 Экспериментальные тепловые характеристики станка.

3.2 Построение квазиэкспериментальных кривых.

3.3 Сокращенные тепловые испытания станков.

3.4 Выводы и результаты.

4 Методы, модели и алгоритмы для идентификации и оптимизации термодеформационной системы станка по критериям теплоустойчивости.

4.1 Идентификация и оптимизация ТДСС. Общие положения.

4.2 Иерархическая структура факторов, определяющих теплоустойчивость станков.

4.3 Базовая термоупругая модель станка.

4.4 Идентификационная и оптимизационная модели станка.

4.4.1 Постановка задачи идентификации ТДСС.

4.4.2 Постановка задачи оптимизации ТДСС.

4.4.3 Метод и процедура параметрической оптимизации, используемые при идентификации и оптимизации ТДСС.

4.5 Процедура идентификации ТДСС.

4.6 Процедура оптимизации ТДСС.

4.7 Метод коррекции расчетной схемы станка.

4.8 Алгоритм выбора критериев адекватности тепловой модели станка.

4.9 Анализ чувствительности термодеформационной системы станка.

4.10 Выводы и результаты.

5 Апробация методов и алгоритмов идентификации и оптимизации ТДСС на реальных конструкциях.

5.1 Примеры идентификации ТДС станков различных типов.

5.1.1 Идентификация ТДС плоскошлифовального станка высокой точности ШПХ32.11.

5.1.1.1 Тепловые испытания плоскошлифовального станка.

5.1.1.2 Идентификационная модель плоскошлифовального станка.

5.1.1.3 Процедура идентификации.

5.1.1.4 Результаты идентификации. 5.1.2 Идентификация ТДС координатно-расточного станка 2Е450А.

5.1.2.1 Тепловые испытания станка 2Е450А.

5.1.2.2 Идентификационная модель станка.

5.1.2.3 Постановка задачи и процедура идентификации ТДСС, частота вращения шпинделя 2000 мин"1.

5.1.2.4 Результаты и анализ идентификации ТДС координатно-расточного станка 2Е450А.

5.1.3 Идентификация ТДС многоцелевого станка МС 12-250 Ml-2.

5.1.3.1 Тепловые испытания многоцелевого станка.

5.1.3.2 Расчетная схема и базовая термоупругая модель станка.

5.1.3.3 Постановка задачи идентификации.

5.1.3.4 Идентификационная модель станка.

5.1.3.5 Процедура идентификации и анализ результатов идентификации.

5.1.4 Методика идентификации ТДСС.

5.2 Примеры оптимизации ТДСС.

5.2.1 Оптимизация ТДС плоскошлифовального станка ШПХ32.11.

5.2.1.1 Анализ термодеформационного состояния станка.

5.2.1.2 Базовая термоупругая модель станка и постановка задачи оптимизации.

5.2.1.3 Вектор оптимизируемых параметров и параметрические ограничения.

5.2.1.4 Анализ рассмотренных вариантов оптимизации ТДСС.

5.2.2 Оптимизация ТДС координатно-расточного станка особо высокой точности 2Е450А.

5.2.2.1 Анализ термодеформационного состояния станка.

5.2.2.2 Анализ чувствительности ТДСС.

5.2.2.3 Варианты оптимизации и постановка задачи оптимизации.

5.2.2.4 Результаты оптимизационных расчетов.

5.2.3 Оптимизация ТДС многоцелевого станка МС 12-250 Ml-2.

5.2.3.1 Анализ термодеформационного состояния станка и базовая термоупругая модель.

5.2.3.2 Оптимизационная модель.

5.2.3.3 Процедура оптимизации ТДС многоцелевого станка.

5.2.4 Методика оптимизации ТДСС.

5.3 Структура автоматизированной системы поиска и принятия решений по

У обеспечению теплоустойчивости металлорежущих станков.

5.4 Алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности станка на различных этапах его жизненного цикла.

5.5 Выводы и результаты.

Основные результаты работы и выводы.

Актуальность темы определяется необходимостью создания конкурентоспособных металлорежущих станков. Приоритетным направлением повышения конкурентоспособности станков является улучшение их качества. Важнейшим показателем качества станка выступает его точность. Характерным показателем точности современных металлорежущих станков является размерная погрешность обработки в пределах 2-10 мкм. Вместе с тем, температурные погрешности станка при обработке могут составлять от 40 до 100 мкм, что более, чем на порядок, превышает требуемую точность обработки.

Температурные погрешности станка вызываются тепловыми деформациями его несущей системы. Величина тепловых деформаций предопределяется совокупностью решений, принимаемых на различных этапах жизненного цикла станка - от маркетинговых исследований до эксплуатации. Требуемая точность станка по величине его тепловых деформаций на различных этапах жизненного цикла определяется совокупностью решений, принимаемых специалистами разных профилей.

Современное автоматизированное производство, характеризуемое использованием САЕ>/САМ/САЕ/РОМ - систем, международных стандартов и форматов электронных данных, позволяет связать в единый комплекс решения, принимаемые на различных этапах жизненного цикла станка. Однако, для реализации этого необходима научная система поддержки решений, которая бы позволила количественно оценить влияние решений, принимаемых на различных этапах жизненного цикла станка, на величину его тепловых деформаций.

Анализ современного уровня развития автоматизации машиностроительного производства показывает, что наиболее эффективным способом повышения конкурентоспособности станков, приводящим к снижению стоимости проектирования, производства и эксплуатации оборудования, является использование новых интеллектуальных технологий, важнейшим компонентом которых являются автоматизированные системы научных исследований /АСНИ/. Так, практика предприятий, в частности станкозавода ОАО «СТЕР-ЛИТАМАК МТБ» (г.Стерлитамак), показывает, что только проектно-производственные решения по уменьшению влияния тепловых деформаций станков на точность обработки приводят к 30-50% увеличению их стоимости.

Использование АСНИ приводит не только к повышению эффективности и качества научных исследований, но и к улучшению технико-экономических характеристик разрабатываемых объектов. Применение технологий АСНИ в области управления тепловых деформаций станков сдерживается рядом причин, важнейшими из которых являются: малая информативность применяемых методов инженерного анализа термодефомационного состояния станков; относительно высокая длительность натурных тепловых испытаний станков; большие вычислительные затраты при прогнозировании термодеформационного состояния станка; недостаточная формализация управления температурной погрешностью станка при реализации конструкторских, технологических и эксплуатационных решений; недостаточное использование методов, повышающих эффективность построения математических моделей тепловых деформаций станков и применимых на этапах их проектирования, производства и эксплуатации.

Таким образом, научная проблема создания системы математических моделей тепловых деформаций станков для синтеза алгоритмов прогнозирования и автоматической компенсации температурных погрешностей на различных этапах жизненного цикла станка является актуальной.

Решение этой проблемы осуществлялось в рамках следующих научно-технических программ: "Компьютеризированные интегрированные производственные системы" (приказ Мингособр СССР № 349 от 23.05.90), "Технологии, машины и производства будущего" (1990 - 1996 г., Госзаказчик -Миннауки России), "Инженирингсеть России" (Постановление Правительства РФ № 332 от 15.04.94); «Компьютерные и информационные технологии» (1996-2005 г., госзаказчик - Миноборонпром, Минатом, РКА); «Технологии промышленного оборудования» (1996-2005 г., Госзаказчик - Миноборонпром, Минатом, РКА, ГКНТ); г/б НИР "Разработка системы вероятностного моделирования металлорежущих станков как термодинамических систем" (1994 - 1998 гг).

Объект исследования - тепловые деформации металлорежущего станка на этапах проектирования, производства и эксплуатации.

Предмет исследования - закономерности управления температурной погрешностью станка за счет установления связей между конструкторско-технологическими и эксплуатационными параметрами, с одной стороны и выходными показателями точности, с другой.

Цель работы. Разработка автоматизированной системы поиска и принятия решения по автоматической компенсации температурной погрешности станка на различных этапах их жизненного цикла на основе установления связей между конструкторско-технологическими и эксплуатационными параметрами, с одной стороны, и выходными показателями точности, с другой.

Научная новизна работы состоит в совокупности теоретически обоснованных и экспериментально подтвержденных решений, обеспечивающих развитие АСНИ тепловых деформаций станков, и направленных на обеспечение параметров точности металлорежущих станков на различных этапах их жизненного цикла. Основными результатами, выносимыми на защиту, являются:

1) Структура, математическое описание и экспериментальное доказательство адекватности термоупругой модели, реализующей связи между конструктивно- технологическими и эксплуатационными параметрами, с одной стороны, и выходными показателями точности станка, с другой, обеспечивающая формализацию построения идентификационных и оптимизационных моделей.

2) Численно-аналитический подход к прогнозированию теплового состояния несущей системы станка, основанный на решении спектральной задачи теплопроводности для плоских, коробчатых и объемных элементов конструкций и обеспечивающий получение экспресс-оценки качества математической модели и выявление влияния на тепловую инерционность станка его конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров.

3) Модели и алгоритмы построения редуцированных систем большой размерности, направленных на повышение эффективности расчета нестационарного теплового состояния станка.

4) Метод определения длительности тепловых испытаний металлорежущих станков и алгоритм управления сокращенными тепловыми испытаниями станков, на основе установленной взаимосвязи интенсивности изменения температуры в фиксированной точке станка и времени его температурной стабилизации.

5) Система целевых функций, аналитически описывающих взаимосвязи выходных параметров термодеформационной системы станка с его конструктивно-технологическими и эксплуатационными параметрами, используемая: а) в идентификационной модели при уточнении математической модели станка по результатам тепловых испытаний; б) в оптимизационной модели при поиске рациональных термодеформационных систем станка.

6) Методы, модели и алгоритмы, позволяющие формализовать и автоматизировать уточнение математической модели станка по результатам его тепловых испытаний: а) аналитическое описание экспериментальных тепловых характеристик станка; б) метод коррекции расчетной схемы станка, базирующийся на установленных закономерностях влияния параметров конвективного теплообмена, теплопроводности и теплообразования на тепловое состояние станка; в) способ выбора критериев адекватности тепловой модели станка, основанный на выявленных фиксированных соотношениях между флуктуациями теплового состояния станка и изменениями его термодеформационного состояния.

7) Алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности станка на этапах проектирования, доводки и эксплуатации.

Практическая значимость состоит в создании программно-методического комплекса исследований теплового деформирования металлорежущих станков, включающего:

1) Три самостоятельных программно-математических комплекса, включающих модули:

- прогнозирования теплового состояния, в том числе с реализацией алгоритмов редуцирования систем большой размерности;

- расчета тепловых деформаций;

- уточнения математических моделей по результатам тепловых испытаний;

- поиска комплектов рациональных проектных, технологических и эксплуатационных решений по обеспечению заданной точности станка.

2) Методическое обеспечение, представленное:

- методикой выбора методов редукции для систем большой размерности;

- системой оценок эффективности реализации термоупругих моделей станков;

- методикой построения расчетных схем станков;

- методикой сокращенных тепловых испытаний станков;

- методикой идентификации термодеформационных систем станков;

- методикой формирования комплектов рациональных проектных, технологических и эксплуатационных решений по обеспечению заданной точности станка.

3) Информационное обеспечение, включающее:

- экспериментальную информацию по термодеформационному состоянию станков различных типов, полученную в натурных экспериментах;

- результаты машинных экспериментов в графическом и числовом представлении по точности и скорости вычислений для различных методов и алгоритмов (прогнозирования термодеформационного состояния станка, редуцирования, аппроксимации экспериментальных характеристик станка, од-нокритериальной и многокритериальной параметрической оптимизации);

- количественные оценки коэффициентов теплоотдачи, плотностей тепловых потоков и коэффициентов теплопроводности стыков, полученные в ходе уточнения математических моделей и поиска рациональных решений для термодеформационных систем станков.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории конструирования и проектирования станочных систем, деталей машин, сопротивления материалов, теории упругости, термодинамики, теории моделирования, идентификации и оптимизации сложных технических систем. Были использованы численные методы решения уравнений математической физики; методы теории вероятностей и математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии и линейной алгебры; методы аппроксимации функций и оптимизации. Многие алгоритмы были построены на основе методов вычислительной математики.

Тепловые испытания металлорежущих станков различных типов и машинные эксперименты проводились с использованием теории планирования экспериментов для: подтверждения теоретических положений; выявления новых функциональных связей; для формирования методического обеспечения компьютерных исследований термодеформационного состояния станка.

Реализация работы. Результаты работы, представленные в виде методического, программного, информационного обеспечения и практических рекомендаций, приняты к использованию на Оренбургских предприятиях: ОАО «Оренбургский станкозавод», ООО КБ «Гидропресс», завод гидропрессов «Металлист», 000«0ренбургский радиатор», ФГУП ПО «Стрела», а также используются в учебном процессе кафедр «Металлообрабатывающие станки и комплексы», «Технология автоматизированного машиностроения», «Летательные аппараты» и «Системы автоматизации производства» Оренбургского государственного университета и кафедры «Станки» МГТУ «СТАНКИН».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на: региональной конференции молодых ученых Урала и Поволжья (г.Оренбург, 1994 г.); региональных конференциях молодых ученых и специалистов (г.Оренбург, 1995, 1997., 1998 г.); областной выставке научно-технического творчества молодежи (г.Оренбург, 1996 г.); первой международной научно-практической конференции «Дифференциальные уравнения и применения» (г.С.-Петербург, 1996г.), третьей международной научно-технической конференции «Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики» (г.Оренбург,1997 г.); международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века» (г.Оренбург, 1998 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г.Орск, 1998 г.); четвертой Российской научно-технической конференции «Прогрессивные методы эксплуатации и ремонта транспортных средств» (г. Оренбург, 1999 г.); международной юбилейной научно-практической конференции «Учебная, научно-производственная и инновационная деятельность высшей школы в современных условиях» (г.Оренбург, 2001 г.); всероссийской научно-практической конференции «Качество профессионального образования: обеспечение, контроль и управление» (г.Оренбург, 2003 г.) ; всероссийской научно-практической конференции «Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства» (г.Оренбург, 2003 г.); на ученом совете Аэрокосмического института (1999 г.) и на кафедре систем автоматизации производства (2003 г.) Оренбургского государственного университета; на кафедре станков МГТУ «СТАНКИН» (г.Москва, 2000г., 2003 г.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана термоупругая модель связей выходных показателей точности станка с его конструктивно - технологическими и эксплуатационными параметрами. Структура модели, основанная на выделении в отдельное множество искомых параметров термоупругой модели станка, позволяет формализовать построение идентификационных и оптимизационных моделей.

2. Натурные эксперименты для различных типов станков доказали адекватность разработанной термоупругой модели станка. Расхождения экспериментальных и расчетных значений температур не превышали ± 10 С или не более ± 10 % от уровня избыточных температур. Соответствующие расхождения для координатных температурных перемещений станков не превышали ± 10 % от зафиксированных в натурных экспериментах.

3. Машинными экспериментами доказана возможность повышения эффективности прогнозирования теплового состояния станка на основе разработанного численно-аналитического подхода за счет большей информативности результатов моделирования и возможности получения экспресс - оценки адекватности тепловой модели станка. Установлено, что: а) при построении адекватных тепловых моделей станков приоритетным параметром является тепловая инерционность станка; б) тепловая инерционность станка устанавливается по тепловой постоянной времени первой температурной моды; в) расчетная экспресс - оценка тепловой модели станка по тепловой постоянной времени первой температурной моды позволяет исключить грубые ошибки моделирования с точностью прогнозирования тепловой инерционности станка до 50%.

Для сокращения времени построения тепловых моделей станков: а) установлено влияние на тепловую инерционность станка его конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров; б) разработаны модели и алгоритмы построения редуцированных систем большой размерности.

4. Разработан алгоритм управления сокращенными тепловыми испытаниями станков, сокращающих длительность натурных тепловых испытаний не менее, чем на 50%. Система базируется на разработанном методе определения длительности тепловых испытаний металлорежущих станков, использующем установленные взаимосвязи интенсивности изменения температуры в фиксированной точке станка и времени его температурной стабилизации.

5. Разработаны методы, модели и алгоритмы для идентификации и оптимизации термодеформационной системы станка по критериям теплоустойчивости.

Разработанная система целевых функций позволила реализовать идентификационную и оптимизационную модели станка.

Сокращение количества анализируемых вариантов при идентификации термодеформационной системы станка достигается использованием алгоритма выбора критериев адекватности тепловой модели станка и метода коррекции его расчетной схемы.

6. Реализация разработанных методов, моделей и алгоритмов была проведена на плоскошлифовальном станке ШПХ 32.11, многоцелевом станке МС 12250 М1-2, координатно-расточном станке 2Е450А. Результаты идентификации и оптимизации ТДСС показали: а) расчет коэффициентов чувствительности термодеформационной системы станка по отношению к оптимизируемым параметрам позволяет сократить время решения задачи многопараметрической оптимизации пропорционально количеству оптимизируемых параметров; б) реализация алгоритмов оптимизации в многокритериальной постановке позволяет не менее, чем на 50%, сократить вычислительные затраты; в) полученные количественные соотношения для искомых параметров позволяют: выявить элемент конструкции станка, в наибольшей степени отвечающий за соответствующее координатное перемещение; определить характер распределения тепловых и конвективных потоков; установить необходимость учета тепловой проводимости стыков.

На основе полученных результатов исследований разработана система поиска и принятия решений по обеспечению теплоустойчивости металлорежущих станков, которая позволяет: а) повысить эффективность прогнозирования теплового состояния станков; б) автоматизировать экспериментальные исследования при их доводке и диагностике; в) формализовать и автоматизировать построение адекватных математических моделей по результатам тепловых испытаний; г) повысить эффективность обеспечения выходных показателей точности станков на этапах их проектирования, изготовления и эксплуатации.

7. Разработан алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности станка на этапах проектирования, доводки и эксплуатации, базирующийся на разработанных идентификационных и оптимизационных моделях ТДСС и полученных аналитических зависимостях между выходными показателями точности станка и управляющими воздействиями.

Сформирована совокупность мероприятий, обеспечивающих создание станков с автоматической компенсацией температурной погрешности на различных этапах их жизненного цикла. На этапе проектирования совокупность технических мероприятий определяется количественными оценками управляющих воздействий и прогнозированием возможной температурной погрешности станка. На этапе доводки компенсация температурных погрешностей производится на основе экспериментальной информации из натурных тепловых испытаний станка и только за счет технологических решений. На этапе эксплуатации автоматическая компенсация температурной погрешности осуществляется путем реализации беспоисковой системы управления.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы для исследований тепловых деформаций других технических систем, для которых актуальны функциональные связи выходных параметров точности с конструктивно-технологическими и эксплуатационными параметрами.

1. Детали и механизмы металлорежущих станков./ Под ред.Д.Н. Решето-ва в 2-х кн., т. 1, 1972, 663с.,т.2, 1974.- 519с.

2. Решетов Д.Н. Повышение точности металлорежущих станков.- М., НИИМАШ, 1979.- 110с.

3. Смирнов В.Э. Решетов Д.Н. Влияние тепловых деформаций на точность металлорежущих станков // Станки и ин-т.- 1952.- № 1, С.5-7.

4. Опитц Н. Современная техника производства /состояние и тенде-ции/.- М., Машиностроение, 1975.- 280с.

5. Пивовар JI.E. Влияние тепловых деформаций на точность токарных многошпиндельных автоматов // Известия Вузов. Машиностроение.- 1982.- № 4, с. 147—149.

6. Проников A.C., Дальский С.А., Самойлов В.Б. Диагностика теплового состояния подвижных рабочих органов металлорежущих станков,- В сб.: Техническая диагностика станков и машин.Хабаровск, 1982.- С.З—8.

7. ПушА.В. Прогнозирование тепловых смещений шпиндельных узлов // Станки и ин-т.- 1985.- № 5, с. 15—19.

8. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных втузов / Под ред. В.Э. Пуша.- М.: Машиностроение, 1985. 256с.

9. Кашепава М.Я., Черпаков Б.И., Судов Е.В. Многоцелевые станки и ГПС на 11.ЕМО в Милане (1995 г.) // СТИН. 1996. - № 8.- С.37-44.

10. Босинзон М.А., Черпаков Б.И. Электроприводы на базе линейных двигателей для станков на выставке 12.ЕМО //СТИН.- 1998,- № 11.-С. 25-30.

11. Аскинази А.Е., Черпаков Б.И. Токарные станки на международных выставках 90-х гг. // СТИН.- 1998.- № 8.-С.43-48.

12. Иванов Г.М., Левит Д.Г. Сверхпрецизионное оборудование // СТИН.-1997.-№2.- С. 10-16.

13. Черпаков Б.И. Развитие станкостроения в Японии и 19-я японская выставка-ярмарка станков // СТИН. 1999.- №9.-С.34-40.,№10.-С.28-40.

14. Черпаков Б.И. Автоматические линии, агрегатные и специальные станки для массового и крупносерийного производства на выставке 12.ЕМО // СТИН. -1998.-№12.-С.35-42.

15. Черпаков Б.И., Феофанов А.Н. Автоматические линии, агрегатные и специальные станки на выставке ЕМО Париж' 99 // СТИН. 2000.-№6.-С.34-40.,№7.-С.31-36.,№8.-С.36-39.

16. Применение керамики в станкостроении Японии.-М.: ВНИИТЭМР,-1988.-сер.2, вып. 14.-С. 16—22.

17. S.Nakamura High-Speed Spindles for Machine Tools // Int. J. Japan Soc. Prec. Eng. 1996.- vol.30.- № 4.-PP.291-294.

18. Special spindle for Tornado modification // Machinery and Production engineering. 1998.-vol. 156.-№3962.-PP.27

19. Tooling responds to cutting remarks // Mach. and Prod. Eng.-1998.-vol.156.- №3962.-pp.43-46.

20. ФигатнерА.М. Шпиндельные узлы современных металлорежущих станков. Обзор.-М.: НИИМАШ, 1983.- 60с.

21. Высокоскоростной многоцелевой станок фирмы Chiron // Werkstatt und Betr.- 2000.- 133, № 5.- С. 82.

22. Waldrich Siegen goes for micro precision // Mach. and Prod. Eng.- 2000.158, №3999.- C. 6.

23. Centre d'usinage horizontal ultra-rapide // TraMetal- 2000.- № 44.- C. 9697.

24. Hochleistungs-Bearbeitungs-zentren // Maschinenbau- 2000.- N 6.- C. 7.

25. High speed, high volume machining // Mod. Mach. Shop.- 2000.- 72, № П.- C. 274-275.

26. Centre de tournage // TraMetal.-2000.- N 47.- С. 91.

27. Le centre d'usinage a broche verticale // TraMetal.- 2000.- N 48- С. 109.

28. Высокоточный вертикальный многоцелевой станок // TraMetal. 2000.-№48.- С. 57.

29. Le modele a broche horizontale Mycenter HX300. //TraMetal.- 2000.- № 48- С. НО.

30. Станки фирмы Realmeca // TraMetal.- 2000.- № 48.- с. 65-66.

31. Linear motion ball guide ТНК America, Booth D-4155 // Mod. Mach. Shop.- 2000.- 73- № 3.- C. 374.

32. Бушуев B.B. Тенденции развития мирового станкостроения // СТИН.-2000.-№ 9.-С20-24.

33. Еситака Т. Тепловые деформации в станках и способы их уменьшения // Кикай Сэккэй =Math. des.-1988.-vol.32,N 15.-Р.22—27.

34. Кадзухико С., Кадзихиса С. Станки особо высокой точности // Кикай Сэккэй.=Math. des.-1988.-vol.32,N 15.-Р.77—80.

35. Масаами Ц. Бетон и керамика в металлорежущих станках // Хихакай кэнса= JNDJ.- 1988.-vol.37, № 9.-Р.116—119.

36. Седзи О. Использование керамики для изготовления деталей металлорежущих станков // Кикай-но-кэнкю- Sei. Mash.-1988.-vol.40, № 8.-Р.901—904.

37. Хадзимэ С. Меры по снижению тепловых деформаций и уменьшению их влияния на точность металлорежущих станков // Кикай Сэккэй.=Math. des.-1988.-vol.32,N 15.-Р.ЗЗ—36.

38. Хироси С. Использование бетона для изготовления элементов несущей системы станка//Кикай Сэккэй.=МаШ. des.-1988.-vol.32,N 15.-Р.48- 53.

39. Шпиндельные узлы токарных станков с ЧПУ. Информация по зарубежным материалам.-М.: ОНТИ, ЭНИМС, 1984.- 54с.

40. Шпиндельные узлы высокоскоростных токарных станков,-М. :ВНИИТЭМР.-1987.-сер. 1, вып.7.-С.9— 14.

41. Бушуев В.В. Сверхточные станки // СТИН.-2000.-№6.-С.27-31.,№7.-С.20-23.

42. Новосельский И.А. ЕМО Ганновер'97 // СТИН. 1997.- №12.-С.35-42.

43. Новосельский И.А. Международная выставка -2002 // СТИН.-2002.-№11.-С.27-34.

44. Паскер Г. Применение новых материалов в станкостроении // Станки и инструмент.-1988.-№10.-С.29-31.

45. Черпаков Б.И. Устройства автоматизации станков // СТИН. 1997.-№5.-С.З-5.

46. Потапов В.А. Новые концепции в токарной обработке // Машиностроитель.- 2000.- №2.- С.49-56.

47. Потапов В.А. Выставка «Металлообработка 2000» // СТИН.-2001.-№3.- С.29-32.

48. Потапов В.А. Минская «МЕТАЛЛООБРАБОТКА-2001» // Машиностроительной 1.-№8. С.46-49.

49. Потапов В.А. Современное оборудование для сверхскоростной обработки // Станки и инструмент.- 1993.-№5.-С.36-39.

50. Боровский Г.В. Инструментальные материалы и специальный инструмент для высокоскоростного резания // СТИН. 1998.- №8.-С.26-29.

51. Экспонаты выставки IMTS' 2000 // СТИН.-2001.-№3.-С.35-36.

52. High speed machines make their mark // Mach. And prod.engineer.-1998.-vol.156.- № 3961. -PP.25.-30.

53. Шевчук C.A. Материалы для станкостроения и технология формирования их эксплуатационных свойств // СТИН. 1996.- №4.-С. 19-23.

54. High speeds meet high expectations // Mach. And prod.engineer.-1998.-№ 3961.-pp. 18-22.

55. Высокоскоростной многоцелевой станок фирмы Chiron // Werkstatt und Betr.- 2000.- 133, № 5.- C. 82.

56. Лурье М.З. Исследование температурных деформаций координатно-расточных станков. // Дис. канд. техн. наук.- М.: ЭНИМС.- 1965.- 195с.

57. Исследование динамики и температурных процессов в токарно-револьверных станках: Куйбышевский политехнический институт им. В.В. Куйбышева: Отчет по х.-д., № 24/80.-1981.- 90с.

58. Кунин Е.А., Китенко Е.А. Снижение температурных деформаций горизонтально-расточных станков // Станки и ин-т.- 1975.- №7, С.5—9.

59. Адаптивное управление станками / Под ред. Б.С. Балакшина.-М.: Машиностроение, 1973. 688 с.

60. Юркевич В.В. Прогнозирование точности изготовления деталей // Техника машиностроения.-2000.-№4.-С.46-52.

61. Юркевич В.В. Точность токарного станка при изменении теплового состояния // Техника машиностроения 2000.- № 3.- С. 57-59.

62. Лилеин В.Л. Исследование точности резьбонарезания и прогнозирование ее сохранения в процессе эксплуатации. // Дис. канд. техн. наук.- М.: МА-ТИ (Московский авиационный технологический институт им. К.Э. Циолковского), 1976.- 171 с.

63. Никитина И. П. Повышение точности двусторонних торцешлифоваль-ных станков за счет улучшения температурных характеристик. // Дис. канд. техн. наук. М.:Мосстанкин, 1992. - 154 с.

64. Шахновский С.С. Баланс тепловых потоков в торцешлифовальном станке // Станки и инструмент. 1989.- №6.-С.13-15.

65. Никитина И.П., Шахновский С.С. Тепловые деформации двусторонних торцешлифовальных станков // Станки и инструмент. 1992.- Ж7.-С.14-16.

66. Стародубов B.C., Кузнецов А.П. Влияние тепловых деформаций станков с ЧПУ на точность обработки // Машиностроитель.- 1979.-№3.-С.19-21.

67. Варданян Г.М. Исследование тепловых процессов и разработка метода рационального расположения источников тепла для повышения точности станка. // Дис. канд. техн. наук.: 05.03.01. -М. МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1989. -179 с.

68. Zwirlein 0. Moderne Lagerbaueinheiten für Werkzeugmaschinen // Die Arbeitsspindel und ihre Lagerung Herzstück leistungsfähiger Werkzeugmaschinen.- FAG.- WL 02113 DA/96/2/87.-S.57-67.

69. Угринов П. Целесообразность применения системы стабилизации температуры опор шпинделя // СТИН. 1998.- №7.-С. 18-20.

70. Гольдрайх Г.М., Капительман JI.B., Джугурян Т.Г. Повышение точности и быстроходности шпиндельных узлов отделочно-расточных станков // СТИН. 1995.- №4.-С.13-16.

71. Пестунов В.М. Тепловая адаптация элементов металлорежущих станков // СТИН. 1997.- №12.-С.29-32.

72. Вайс С.Д., Черпаков Б.И. Бесцентрово-шлифовальные станки на выставке 12.ЕМО // СТИН.-1998.-№9. -С.23-28.

73. Шевчук С.А., Бойцов П.Ю., Шаталова М.М., Рабинович C.B., Харчук М.Д., Маниров В.А. Применение термостабильных литейных сплавов в прецизионных металлорежущих станках // СТИН. 1994.- №4.-С.17-19.

74. Le modele a broche horizontale Mycenter HX300. //TraMetal.- 2000.- № 48-С. 110.

75. Hochieistungs-Bearbeitungs-zentren // Maschinenbau- 2000.- N 6.- С. 7.

76. Дьячков A.K., Маховенко А.И. Применение воды в качестве смазочного материала для подшипников скольжения // Вестник машиностроения.- 1981 .- № 12. С. 27-30.

77. The Turbo Tool / http://pergatory.mit.edu/perg/awards/turbotoo.html

78. Mill, drill and grind with HSP spindles the Setco Group, Booth D-4233// Mod. Mach. Shop.- 2000.- 73- № 3.- C. 368-369.

79. Стародубов B.C. Точность металлорежущих станков с ЧПУ и способы ее повышения // Вестник машиностроения. 2000.- №5.-С.36-40.

80. Проников A.C. Надежность машин. M.: Машиностроение, 1978.- 592 с.

81. Температурные деформации в координатно-расточных станках и мероприятия по их уменьшению. Руководящие материалы. М.: ЭНИМС, 1964.-24С.

82. Решетов Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин.-М.: Высшая школа, 1974.-206 с.

83. Spur G., Haas Р. Термическое поведение станков с ЧЕТУ., ЭИ, серия AM, 1975.- № 32, С.2Ф—30.

84. Смирнов А.И. Температурные критерии качества металлорежущих станков,- Станки и ин-т,- 1978.- № 10, С.11—13.

85. Юрин В.Н. Шпиндельные узлы с тепловыми трубами.-Станки и ин-т,-1981.- № 4.- С.16—18.

86. Юрин В.Н. Исследование возможности повышения технологической надежности металлорежущих станков путем управления их тепловыми деформациями. // Автореф. дис. канд. техн. наук.-М., МАТИ, 1971.- 26с.

87. Jedrzejewski J., Kwasny W., Patrykus I. Metody pomairu odksztatcen i temperatur stosowane Wbadaniach obradiarek // Mechanik.- 1972.-N.4.-S. 185-189.

88. Алферов В.И. Исследование и расчет температурных полей и температурных деформаций прецизионных металлорежущих станков от колебаний воздуха и от внутренних источников тепла. // Дис. канд. техн. наук.- М.: ЭНИМС, 1968.- 168 с.

89. Бухман К., Енджиевскйй Е. Влияние принудительного движения воздуха на термическое состояние станков // Вестник машиностроения.- 1980.- № 12.- С.50—52.

90. Lossl G., Einflu В. thermischer Wirkungen auf Vorschubantrieble und Spindellagersysteme // Maschinenmark.-1982.-N.95.-S.2042-2045.

91. Haas P. Olkuhlung des Spindelkaistens einer Werkzeugmaschinen.-Ind.-Anz. 1972. -N.80.-S. 1921-1922.

92. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник // Под общ. ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М.-М.: Энергоатомиз-дат, 1988.- 559с.

93. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. Справочник. Под ред. В.И.Мяченкова М.-.Машиностроение, 1989.520 с.

94. Программное обеспечение матричных алгоритмов и метода конечныхэлементов в инженерных расчетах / З.И. Бурман, Г.А. Артюхин, Б.Я. Зархин . -М.: Машиностроение, 1988. 256 с.

95. Сабоннадьер Ж.-К., Кулон Ж.-Л. Метод конечных элементов и САПР. -М.: Мир, 1989.-192 с.

96. Хомяков B.C., Досько С.И., Поляков А.Н. Использование принципа декомпозиции в тепловых расчетах металлорежущих станков // Известия вузов. Машиностроение.-1990.- № 5.-С.141-145.

97. Досько С.И. Параметрическая идентификация упругих систем станков ( Модальный анализ). // Дис. канд. техн. наук.-М.: Мосстанкин, 1987.-236с.

98. Хомяков B.C. Параметрическая оптимизация станков как динамических систем. // Дис. д-ра. техн. наук.-М.:Мосстанкин, 1985.-342с.

99. EwinsD.J. Modal Testing: theory and practice. John Wiley and Sons, Inc.,New York, 1984.- 320p.

100. Kennedy C.C., Pancu C.D. Use of Vectors in Vibration Measurement and Analysis // J. Aero. Sci.-1947.-vol. 14, № 11,P.603—610.

101. Hurty W.C., Collins J.D., Hart G.C. Dynamic analysis of large structures by modal synthesis techniques // Computer and Structure.- 1971.- vol.1, PP.535— 563.

102. Roy R., Craig Jr. A review of time-domain and frequency-domain component-mode synthesis methods // International Journal of Analytical and Experimental Modal Analysis.-1987.- vol.2, № 2.-PP.59—72.

103. Kacki E, Ostrowska B.A. Structure and capabilities of neural network system // Proceedings of the 12-th International Conference on Systems Science / 12-15 September 1995.- Wroclaw, Poland.- 1995.- 575 p., PP.159-163

104. Поляков А.Н., Парфенов И.В. Актуальность тепловых проблем и состояние теплового моделирования в металлорежущих станках // Вестник Оренбургского государственного университета.-2001-№3.-С.96-100.

105. Поляков А.Н., Дьяконов П.И. Прогнозирование теплоустойчивости станков с помощью нейросетевого подхода // Технология машиностроения.-2003 .-№6.-С.29-33.

106. Коднир Д.С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин.-М. ¡Машиностроение, 1976.-3 04с.

107. Воскресенский В.А., Дьяков В.И. Расчет и проектирование опор скольжения (жидкостная смазка): Справочник.- М.: Машиностроение, 1980.-224 с.

108. Чернавский С.А. Подшипники скольжения .- М.: Машгиз,1963.- 243с.

109. Справочник по триботехнике: В 3-х т.,т.2: Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения / Под общ. ред. М. Хебды, A.B. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1990.- 416 с.

110. Типей Н., Константинеску В.Н., Ника А., Бицэ О. Подшипники скольжения. Расчет, проектирование, смазка.-Бухарест: Из-во.Ак.РНР,-1964,-457 с.

111. Поляков А.Н. Об упрощенном подходе к построению вероятностной тепловой модели в металлорежущих станках // Известия вузов. Машиностроения.-1998.-№ 10-12.-С.101-109.

112. Поляков А.Н. Учет флуктуаций условий конвективного теплообмена в вероятностной термоупругой модели металлорежущего станка // Вестник Оренбургского государственного университета.- 1999.-№ 3.-С.-88-97.

113. Поляков А.Н. Реализация метода Ланцоша в вероятностном тепловом моделировании металлорежущих станков // Вестник машиностроения .- 2000.-№2.-С.34-39.

114. Поляков А.Н. Использование вероятностного подхода к построению температурного поля в металлорежущих станках // Вестник Оренбургского государственного университета. -2000.-№2.-С.86-91.

115. Поляков А.Н. Построение закона распределения функции температуры в тепловой модели шпиндельного узла на опорах качения // Техника машиностроения. 2001. - №3. - С.82-88.

116. Поляков А.Н. Стохастический тепловой источник в упорном гидродинамическом подшипнике с неподвижными сегментами // Вестник Оренбургского государственного университета.-2001.-№4.-С.83-88.

117. Поляков А.Н. Статистический тепловой источник в радиальном гидродинамическом подшипнике с самоустанавливающимися сегментами // Вестник Оренбургского государственного университета.- 2001.-№2.-С. 118-122.

118. Contreras Н. The Stochastic Finite-element method // Computers & Struc-tures.-1980-vol.12-PP.341-348.

119. Liu W.K., Belytschko T.,Mani A. Probabilistic finite elements for nonlinear structural dynamics / Computer methods in Applied mechanics and engineering.-1986.-PP.61-81.

120. Liu W.K., Belytschko Т., Mani А. Применение вероятностного метода конечных элементов к анализу динамики упругопластических тел // Конструирование и технология машиностроения. 1987. - №1.- С.1 - 9.

121. Поляков А.Н. Совершенствование теплового моделирования металлорежущих станков // Машиностроитель. 1999.- № 12.-С.11-19.

122. Соколов Ю.Н. Расчет температурных полей и температурных деформаций металлорежущих станков. М.: ЭНИМС, 1958.- 83с.

123. Соколов Ю.Н. Температурные расчеты в станкостроении.-2е изд. -М.: Машиностроение, 1968.- 77с.

124. Борисенко А.И., Костиков О.Н., Яковлев А.И. Охлаждение промышленных электрических машин.-М.: Энергия, 1983.- 317с.

125. Becker К.М., Кауе J. Measurements of Diabatic Flow in an Annulus with an Inner Rotating Cylinder // Journal of Heat Transfer, Trans. ASME,Series C.-1962.-vol.84.-PP. 97 -104.

126. TachibanaF., Fukui S. Convective Heat Transfer of the Rotational and Axial Flow between Two Concentric Cylinders // Bulletin of JSME. 1964. - vol.7, № 26.- P.385 - 393.

127. Беляев H.M., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. Учеб. пособие дл Вузов, в 2-х кн.,- М.: Высшая школа, 1982.-т.1,327 е., т.2, 304 с.

128. Михеев М.А.,Михеева И.М. Основы теплопередачи.-М., Энергия, 1973.- 320с.

129. Зарубин B.C. Инженерные методы решения задач теплопроводности. М.: Энергоатомиздат, 1983. 328 с.

130. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.-М.: Атомиздат, 1979.416 с.

131. Palmgren A. Grundlager der Walzlagertechnic. Stuttgart, 1964 240s.

132. Jones A.B. General Theory for Elastically Ball and Radial Roller Bearings under Arbitrary Load and Speed Conditions. Trans. ASME.v.82, 1960.-PP.309-320.

133. Ковалев М.П., Народецкий М.З. Расчет высокоточных подшипников.-М.: Машиностроение, 1975.- 254с.

134. Явленский А.К., Явленский К.Н. Теория динамики и диагностики систем трения качения.- Л.: Изд-во ЛГУ, 1978.- 184с.

135. Бальмонт В.Б. , Горелик И.Г., Фигатнер A.M. Расчеты высокоскоростных шпиндельных узлов.-НИИТЭМР, Серия 1.- 1987.- Вып. 1.-50с.

136. Поляков А.Н., Воробьев А.Л. Построение распределения сил контакта по телам качения в шарикоподшипнике / Оренбург, ОГУ: сборник научных трудов, Машиностроение, вып.2.,1997.-С.66-69.

137. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами .М.: Мир, 1973.-957 с.

138. Пуш A.B., Зверев И.А. Шпиндельные узлы. Проектирование и исследование. :Монография.-М.: «Станкин»,2000.-197с.

139. Пуш A.B. Шпиндельные узлы. Качество и надежность. М: Машиностроение, 1992.- 288с.

140. Пуш A.B., Зверев И.А. Проектирование шпиндельных узлов на опорах качения с заданными показателями работоспособности // СТИН. 1999.-№9.-С.9-13.

141. СегидаА.П. Расчет температурных полей и тепловых деформаций шпиндельных узлов // Станки и ин-т.- 1984.- № 2. С.23 - 27.

142. Третьяк Л.Н. Повышение быстроходности охлаждаемых шпиндельных узлов с опорами качения на основе моделирования тепловых процессов: Автореф. дис. канд. техн. наук.-М.:Мосстанкин,1990.-16с.

143. Хомяков B.C., Досько С.И., Поляков А.Н. Применение теоретического модального анализа к расчету температурных полей в металлорежущих станках // Известия вузов. Машиностроение.-1989.-N9.-C. 154 158.

144. Поляков А.Н. Разработка метода анализа теплового состояния шпиндельных узлов на основе модального подхода // Автореф. дис. канд. техн. наук. -М.:Мосстанкин.- 1991. -24 с.

145. СегидаА.П. Расчет стационарных температурных полей металлорежущих станков.- Вестник машиностроения.- 1982. № 9, С.37 - 4L

146. Сегида А.П. Расчет и исследование температурных полей и температурных деформаций металлорежущих станков. // Дис. канд. техн. наук.- М., ЭНИМС, 1984.- 196с.

147. Расчетный анализ деформационных, динамических и температурных характеристик шпиндельных узлов при проектировании.-М.: ЭНИМС, 1989.-63с.

148. Сайманин A.C. Совершенствование несущих систем токарных автоматов с ЧПУ на основе обобщенной конечно-элементной математической модели. // Дис. канд. техн. наук. М.:Мосстанкин, 1986. - 189 с.

149. Петров В.Б., Сайманин A.C. Численное решение задач стационарной и нестационарной теплопроводности для пространственных пластинчато-стержневых систем // Расчеты на прочность. М.: Машиностроение, 1989. -Вып. 29. С. 79-87.

150. Поляков А.Н., Парфенов И.В. Идентификация тепловых процессов в металлорежущих станках // Вестник машиностроения. 1995. № 2. С.19-22.

151. Поляков А.Н., Никитина И.П. Применение термоупругой модели к анализу тепловых процессов в металлорежущих станках. // Вестник машиностроения. -1996. №7.- С.27-30.

152. Поляков А.Н. Использование призматических конечных элементов в тепловом моделировании станков // Вестник Оренбургского государственного университета.-2001 .-№1 .-С.97-103

153. Поляков А.Н. Анализ эффективности применения призматических конечных элементов в тепловой модели станка // Техника машиностроения. -2001. №4. - С.73-80.

154. Поляков А.Н. Анализ эффективности построения термоупругой модели плоскошлифовального станка // Техника машиностроения. 2001. - №6. -С.24-30.

155. Zenker D. Thermal Model Spindle's Unit / КТИ-2000.-М.:МГТУ «СТАНКИН».-2000.-т.П-С.299-303.

156. Collins J.D., Thomson W.T. The Eigenvalue for Structural Systems with Statistical Properties // AIAA Journal 1969.- v.l.- №4. - P.p. 642-648.

157. Brayton, R.K., S.W. Director, G.D. Hachtel, and L.Vidigal A New Algorithm for Statistical Circuit Design Based on Quasi-Newton Methods and Function Splitting, / IEEE Trans. Circuits and Systems, Vol. CAS-26, PP. 784-794, Sept. 1979.

158. Поляков А.Н. Применение метода Ланцоша к построению нестационарного температурного поля в металлорежущих станках // Вестник машиностроения. 1997.- № 10. С.43 - 46.

159. Поляков А.Н. Применение редукции Гаяна с выбором рационального базиса к построению нестационарного температурного поля в металлорежущих станках // Известия вузов. Машиностроение. 1997. - №4-6. - С.109-116.

160. Хомяков В.,С., Поляков А.Н. Повышение эффективности тепловых расчетов станков// Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов, Выпуск 12. / Под ред. д.т.н., проф. A.B. Пуша.-М.:МГТУ «СТАНКИН», 1998.-С.16-21.

161. Поляков А.Н. Методика прогнозирования тепловых характеристик шпиндельных узлов на основе применения модального анализа // Повышение надежности автоматических станочных систем: Тезисы докл. научно-техн. конф.-Хабаровск, 1990,-С.39—42.

162. Поляков А.Н., Кравцов А.Г. Модальный анализ экспериментальных температурных характеристик плоскошлифовального станка // Вестник Оренбургского государственного университета. -2002.-№5.-С.149-152.

163. Shih Т.М., Skladany J.T. An eigenvalue method for solving transient heat conduction problems // Numerical Heat Transfer.-1983.-vol.6, P.409—421.

164. Гиловой Л.Я. Влияние стыков на тепловое состояние станка // Авто-реф. дис. канд. техн. наук.-М.:СТАНКИН-1997.- 18с.

165. Хомяков B.C., Молодцов В.В. Проблема моделирования подвижных стыков при расчете станков // СТИН.- 1996.-№ 6.- С. 16-21

166. Молодцов В.В. Моделирование контакта между балочными конечными элементами // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов, Выпуск 5 / Под ред. д.т.н., проф. A.B. Пуша.-М. :МГТУ «СТАНКИН», 1997.-С.30-34.

167. Лобанов А.Ю., Молодцов В.В. Учет нелинейных свойств цилиндрических стыков с зазором // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов, Выпуск 12. / Под ред. д.т.н., проф. A.B. Пуша.-М.:МГТУ «СТАНКИН», 1998.-С.24-28.

168. Прочность, кинематика, гидродинамика, газодинамика, теплообмен: Каталог программного обеспечения.- М.: Русская промышленная компания, 2000.- 44 с.

169. Парфенов И.В., Поляков А.Н. Расчет температур элементов опор качения // Известия вузов. Машиностроение.-1989.-N4.- С.130 134.

170. Хомяков B.C., Старостин В.К., КушнирМ.А. Многокритериальная оптимизация внутришлифовальных головок на подшипниках качения // Станки и ин-т.- 1984.- № 2, С. 17—18.

171. Szymon S. Минимизирование потерь мощности в подшипниковых узлах с применением методов оптимизации. // Pr. nauk. Pwz, Wroclaw, № 26.1981.- S.126—134.

172. Зверев И.А., Самохвалов Е.И., Левина З.М. Автоматизированные расчеты шпиндельных узлов // Станки и ин-т.- 1984.- № 2.-С. 11-16.

173. Самохвалов Е.И., Левина З.М. Температурный анализ шпиндельных узлов токарных станков средних размеров. // Станки и ин-т, № 11.- 1985, С. 17— 21.

174. Самохвалов Е.И. Повышение быстроходности шпиндельных узлов на основе автоматизированных расчетов по температурному критерию. // Дис. канд. техн. наук. М.,Мосстанкин, 1986.-274с.

175. Matsuo М., Yasui Т., Inamura Т., Matsumura М. High speed test of termal effects for a mashine-tool structure based on modal analysis.// Presision Engineerin.-1986.- vol.8, № 2.PP.72—80.

176. Лыков A.B. Теория теплопроводности. M.: Высшая школа, 1967.- 600с.

177. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов.-М. Машиностроение, 1979.-392.

178. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галеркина.-М.:Мир, 1988.-352с.

179. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.-318с.

180. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена. М. :Мир, 1988.544с.

181. Трение, изнашивание и смазка. Справочник в 2х книгах. Под ред. И.В.Крагельского.-М., Машиностроение, кн.1, 1978, 400с.,кн.2, 1979.-358с.

182. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М.Изд.-во. АН. СССР, 1962.-250с.

183. Рыжов Н.Б. Контактная жесткость деталей машин, Москва, Машиностроение, 1966 г.-190с.

184. Шлыков Г.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление, М.: Энергия, 1977.- 328с.

185. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных неразъемных соединений, М.: Энергия, 1971.-186с.

186. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. -244 с.

187. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1. / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. -655 с.

188. Юрин В.Н. Повышение технологической надежности станков. -М. ¡Машиностроение, 1981.-78с.

189. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. - 359с.

190. Смирнов А.И. Исследование нестационарных термоупругих процессов в шпиндельных узлах с подшипниками качения. // Дис. канд. техн. наук.-М.: ЭНИМС, 1974.- 109с.

191. Tsutsumi М., Unno К., Yoshino М., Yamauchi F. New material Application of Ultraprecision Lathe / Proceedings of The International Congress for Ultra-precision Technology, May, 1988, Aachen, FRG;Berlin: Springer-Verlag, 1988.- 3641. P

192. Nakamura S., Kakino Y., Urano K., Yoneyama H. An Analysis and a Performance Evaluation of the Under-Race Lubrication Spindle at a High Speed Rotation, 1994, Journal of ISPE, Vol.60 No 10, pp. 1485-1489

193. Nakamura S., Kakino Y., Muramatsu A., Urano K. An Analysis on Influence of Motor Heat Generation and Effect of Shaft-Bore Cooling for Motor Integrated Spindle, 1994, Journal of ISME, Vol.6 No 7, pp.979-983

194. Бушуев B.B. Основы конструирования станков.- M.: Станкин, 1992.520 с.

195. Пальмгрен А. О некоторых свойствах подшипников качения.- Перевод ГПНТБ, № 28655, 1961.- 46с.

196. Перель Л.Я. Подшипники качения. Расчет, проектирование и обслуживание. Справочник. М., Машиностроение, 1983.- 543с.

197. Галахов М.А., Бурмистров А.Н. Расчет подшипниковых узлов.-М. : Машиностроение, 1988.-254с.

198. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1980.-974 с.

199. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления.-М.:Наука, 1984.-318с.

200. Bushard L.B. On the value of Guyan Reduction in dynamic thermal problems // Computers and Structures.-1981.-vol. 13. PP.525 530.

201. Бушуев В.В.,Чернусь Г.В. Шпиндельный узел с комбинированными опорами // Станки и инструмент. 1993.- № 2.- С. 14-17.

202. Nour-Omid В. Lanczos method for heat conduction analysis // International Journal for numerical methods in engineering.- 1987.-vol.24.P.251-262.

203. Масленников A.M. Расчет статически неопределимых систем в матричной форме.-Л.: Стройиздат, 1970.-128с.

204. Масленников A.M. Расчет строительных конструкций методом конечных элементов:Учеб.пособие для вузов.-Л.:ЛИСИ, 1977.-78 с.

205. Масленников A.M. Расчет строительных конструкций численными методами:Учеб.пособие. мин. высш. и ср. спец.образ. РСФСР.-Л.-ЛГУ, 1987-224с.

206. АлифановО.М. Обратные задачи теплообмена. М.: Машиностроение, 1988.-280с.

207. Lee J.D., Takada К., Iwata Н., Tanabe I. Identification of Heat Transfer coefficients on Machine tool surfaces by Inverse Method / VII Workshop on Supervising and Diagnostics of Machining Systems, Karpacz (Poland), March 1996.-PP.57-65.

208. Алифанов О.М. Идентификация процессов теплообмена летательных аппаратов.- М.: Машиностроение, 1979.-216с.

209. Домрачева JI.C. Синтез систем измерения нестационарных температур газовых потоков.-М.: Машиностроение, 1987.-224с.

210. Мацевитый Ю.М., Лушпенко С.Ф. Идентификация теплофизических свойств твердых тел.-Киев: наукова Думка, 1990.-216с.

211. Мацевитый Ю.М., Мултановский А.В. Идентификация в задачах теп-лопроводности.-Киев:Наук. думка, 1982.-240с.

212. Справочник по теории автоматического управления // Под ред. Кра-совского А.А.-М.: Наука, 1987.-711с.

213. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ. / Под ред. Я.З. Цыпкина. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит.,1991. - 432 с.

214. Modrzycki W., Reifur В. Compensation of Thermal displacements in machine tools using a predictive model // Prace Naukowe Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji:Politechniki Wroclawskiej.-1995-№.56.-pp.67-75

215. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник.- СПб.: Питер, 2001,- 480 с.

216. Методы нейроинформатики: Сб. научных трудов / Под ред. А.Н. Гор-баня, КГТУ, Красноярск, 1998.- 204 с.

217. Menz P., Warich G. Necessity of temperature control for plain heads for machine tool / VII Workshop on Supervising and Diagnostics of Machining Systems, Karpacz (Poland), March 1996.- PP. 149-157.

218. Поляков A.H., Терентьев A.A. Экспериментальное исследование термодинамического состояния многоцелевого станка // Техника машиностроения. 2001. - №3. -С.72-78.

219. Поляков А.Н. Методика сокращенных тепловых испытаний металлорежущих станков // Техника машиностроения.- 2002.- №1.-С.4-10.

220. Поляков А.Н. Идентификация тепловой модели станка // СТИН.-2003.-№4.-C.3-8.

221. Поляков А.Н. Сокращенные тепловые испытания станков // СТИН.-2002-№8.-С. 15-19.

222. Поляков А.Н., Терентьев А.А. Экспериментальное исследование термодинамического состояния токарного станка с ЧПУ // Вестник Оренбургского государственного университета. -2000.-№3.-С.78-82.

223. Поляков А.Н. Прогнозирование температурных характеристик станка в тепловых испытаниях // Сборка в машиностроении, приборостроении.-2001.-№12. С.33-38.

224. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971.-264 с.

225. Поляков А.Н. Идентификация координатно-расточного станка// Технология машиностроения.-2003 .-№4.-С. 12-19.

226. Бек Дж., Блакуэлл Б., Сент-Клэр Ч. Некорректные обратные задачи теплопроводности.-М.: Мир, 1989.-310с.

227. Beck J.V., Blackwell В., St. Clair C.R., Jr. Inverse Heat Conduction. Ill-posed Problems.- New York: AWiley-Interscience Publication, 1985.-308p.

228. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1986.- 336 с.

229. Васильев Т.Н. Автоматизация проектирования металлорежущих станков.-М.: Машиностроение, 1987. -280 с.

230. Машиностроительные материалы. Краткий справочник. Под ред. В.М. Раскатова. Изд. 2-е.-М.Машиностроение, 1969.-351с.

231. Краткий справочник металлиста. Под ред. А.Н. Малова.-М.: Машиностроение, 1972.-767с.

232. Справочник металлиста. В 5-ти т. Т.2. Под ред. А.Г.Рахштадта и В.А.Брострема.-М.:Машиностроение, 1976.-720с.

233. Физические величины: Справочник / А.П.Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова.-М.:Энергоатомиздат, 1991.-1232с.

234. Поляков А.Н. Компьютерные исследования тепловых деформаций металлорежущих станков. Методы, модели и алгоритмы: Учебное пособие.-Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. 382с.

235. Поляков А.Н. Оптимизация термодинамической системы плоскошлифовального станка ШПХ32.11 // Технология машиностроения.-2003.-№5.-С. 18-25.

236. Поляков А.Н. Построение и исследование оптимизационной термоупругой модели станка // Вестник машиностроения. 2003. - №6.- С.51-57.

237. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учеб. Пособие для втузов.- М.: Высш. Школа, 1980.-311 с.

238. Банди Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988.- 128 с.

239. Комиссар А.Г. Опоры качения в тяжелых режимах эксплуатации.-М.: Машиностроение, 1987.- 384с.

240. Harris Т.A. Rolling Bearing Analysis.-New York-London-Sydnay, 1966.481p.