автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Экспертная система обеспечения качества шпиндельных узлов на стадии проектирования

Государственный Комитет Российской Федерации по высшему

образованию

Комсомодьский-на-Амуре государственный технический университет

т ъ он

^ ' Иа правах рукописи

УДК 62.-229.331.001.24

Румановский Игорь Геннадьевич

ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

шсомольск-на-Амуре 199с

'Работа выполнена в Хабаровском государственном техническом

университете

на кафедре "Компьютерного проектирования и сертификации машин'

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Клепиков С. И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Пуш А. В.

- кандидат технических наук, профессор Щелкунов Б. П.

Ведущее предприятие - Институт машиноведения и металлургии

ДВО РАН

Защита состоится " ".са-М996 г. на заседании поииализированного совета К 064.70 01 и Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, Ко'лгсмольск-на-Амуро, пр Ленина, ?Г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Отзывы на ' автореферат, заверенные печатью учреждения, поосим высылать по указанному адресу.

Автореферат разослан "2У" г^п

- Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук, доцент .х--'' * Б. Я. Мокрицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К современным тенденциям развития ииностроения и, в частности, станкостроения можно отнести: гдрение автоматизированных методов проектирования станков, зышение требований к качеству и надежности станков, участвующих автоматизированном производстве.

В связи с этим возникает необходимость разработки методов эспечения параметров качества и прогнозирования параметрической дежности как на стадии проектирования технологического зрудования, так и на стадии эксплуатации.

Шпиндельный узел (ШУ) является одним из основных элементов таллорежущего станка, реализующим одно из движений рмообразования (вращательное движение заготовки или струмента) и поэтому в значительной мере определяющим качество готовления деталей и параметрическую надежность процесса работки. В процессе эксплуатации ШУ подвергается воздействию лого комплекса эксплуатационных факторов, которые s :ачительной мерс обуславливают широкий разброс выходных :раметров точности. Опыт эксплуатации станков показывает, что ¡ласть состояния выходных параметров точности формируется при )мплоксном взаимодействии процессов быстрой (вибрация), средней ■епловые и термоупругие процессы) и медленной (износ) скоростей.

Передовой опыт конструирования рекомендует использовать на ;ех стадиях проектирования изделия экспертную систему выбора жоритетного направления проектирования на основе оперативной 4енки последствий реализации того или иного альтернативного арианта. Применение экспертных систем при проектировании линдельных узлов жизненно необходимо также вследствие эотиворечивых требований к ному, определяемых технико •гокомическими показателями производительность», параметрической адежностью, точностью обработки

Научная задача, решаемая в данной работе, заключается с азработке метода обеспечения качества и надежности ШУ на опорах ачения посредством комплексного математического моделирования епловых, термоупругих. ти>мп.чку стичрских , трибологичсских и инамических процессор г 2У, »а стадиях проектирования и ксплуатации ШУ

Цель исследования - разработка экспертной системы обеспечения качества шпиндельных узлов на стадии проектирования на основе теоретико - вероятностного прогнозирования параметрической надежности шпиндельного узла при действии процессов быстрой и средней скорости.

Методы исследования. В теоретических исследованиях применялись методы теории принятия решений, теории колебаний, триботехники,;, теплообмена, математического анализа, теории ¡вероятности,и математической статистики, эвристические методы. Экспериментальные исследования проводились по разработанной методике на специальном автоматизированном исследовательском стенде, оснащенном современными средствами для измерения и обработки данных.

Научная новизна.

1. Разработана комплексная вибро - термо - деформационная математичеекгш модель ШУ для определения параметров качества ШУ в которой смазка рассматривается как конструктивный элемент ШУ.

2. Разработаны аналитические выражения для расчета тепловыделения и демпфирования в опорах, учитывающие связь между динамическими и тепловыми процессами;

3. Разработана методика теоретико - вероятностного прогнозирования параметрической надежности ШУ при взаимодействии динамических и тепловых процессов.

4. Разработан метод обеспечения качества ШУ, включающий: нормирование предельных значений технологических дефектов сборки и изготовления ШУ, нормирование режимов эксплуатации, проектный расчет межопорного' расстояния, габаритов корпуса, конструктивных и эксплуатационных, параметров систем управления тепловым состоянием ШУ на,базе конструкций типа: шпиндель - центробежная тепловая труба, : корпус - тепловая труба, гидрорубашек, выполненных в виде стаканов и гильз.

Практическая полезность.

1. Разработана экспертная система обеспечения качества ШУ "ЭСКОРТ" на стадиях проектирования и эксплуатации.

2. Разработана система поддержки принятия решений, позволяющая выбрать рациональную с точки зрения пользователя и удовлетворяющую номенклатуре заданных параметров качества комбинацию конструктивно - технологических мероприятий.

3. Разработаны предпосылки для формирования г; <а

эксплуатации станка (продолжительность технологических one;: , й,

диапазон частоты вращения, подач, сил резания, номеню. ра

изделий) с целью обеспечения точности на протяжении всего в;. ;ш

эксплуатации и, таким образом, сертификации точности с. а.

График загрузки можно формировать не только для :зь

проектируемого станка, но и для оборудования, находящегс в эксплуатации.

Реализация работы. Результаты работы внедрены на АО

"Хабаровский станкостроительный завод", для которого в экспс . jfl

системе "ЭСКОРТ" были разработаны три альтернативных п; /а

шпиндельного узла одношпиндельного токарно - револь^. /о

автомата высокой точности 1И140В, отвечающих заданным требе„ ,м

качества. Для проекта, принятого к производству, рас. .; :н

оптимальный режим эксплуатации (марка рабочей жидкости, ;р

канала, расход жидкости) Применение системы поз. . '¡о

значительно сократить время на проектирование ШУ на с лх

технического предложения, эскизного проектирования и технич*. ... ^о проектирования.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывал;:;, ;а

межвузовской научно - технической конференции "Экономика Да/ -о

Востока в условиях перехода к рынку", Хабаровск, 1993 : а

международных научно - технических конференциях "Моделир. .:о технологических процессов и систем в машиностроении", Хаба;

1994 г,; "Комплексное обеспечение точности автоматизирс.. ;х производств", Пенза, 1995 г; на научно-техническом симпо,.

"Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения :а

машиностроительных и металлургических предприятиях Да.; /о

Востока", Комсомольск-на-Амуре, 1ЭЭ4 г.; па ;овещании " Прг - "ы

теории проектирования и производства инструмента", Тула, 1995 а

также на научных семинарах кафедры 'Компьютерного проектир. -я

и сертификации машин" Хабаровского rocywpcr:.ониого тсхнич о университета

Публикации. По томе диссертации онуйликс: ано 10 работ.

Объем работы. Диссертационная работа си тоит из вве,: . >, четырех разделов, списка литературы и приложения, включая, .;0 страниц машинописного текста. 2'? "абпии и 48 : исункос.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, отмечена ее научная новизна и практическая полезность.

В первой главе" на основе работ, посвященных вопросам повышения и обеспечения качества и надежности металлорежущих станков, к которым относятся исследования В. В.Бушуева, А. М. Дальского, В.В.Каминской, В. А. Кудинова, З.М.Левиной,

A. С. Проникова, В. Э. Пуша, A.B. Пуша, Д. Н. Решетова, А. М. Фигатнера,

B.С.Хомякова и других ученых; работ, связанных с проблемами эластогидродинамики систем трения качения , В. Б. Бальмонта, В.Ф.Журавлева, Д.С. Коднира, С. В. Пинегина, К. М. Рагульскиса, А. К. Явленского, К.Н. Явленского; работ, посвященных теории теплообмена Б.М.Галицейского, С. С. Кутателадзе, В. Е. Накорякова, а также работ, посвященных разработке экспертных систем 3.Мушика, П.Мюллера ,Д.Уотермена, Р.Форсайта, В.Н.Юрина и других ученых, сформулирована цель и задачи исследования.

Анализ показал, что в формирование показателей качества и надежности станка наибольший вклад вносят узлы, связанные с реализацией его служебного назначения - движением формообразования . Одним из таких, узлов, сообщающим круговое движение заготовке или инструменту, является шпиндельный узел. Так, например, для токарных станков до 90% погрешности обработки деталей приходится на долю ШУ. Для учета влияния ШУ на общие показатели точности станка необходимо выбрать соответствующие показатели точности ШУ Этой задаче посвящены работы А. С. Проникова и A.B.Пуша и их научных школ, в которых для этого предложено использовать параметры траектории точек, реализующих схему базирования устройств зажима заготовки или инструмента на шпинделе. Процессы в станке разделяются на процессы быстрой (вибрация), средней (термоупругие деформации) й медленной скорости (износ). В работе дан анализ экспериментальных исследований, в которых установлена корреляционная зависимость между процессами быстрой и средней скорости. Однако, в настоящее время параметры выходной точности шпиндельных узлов (ШУ) определяют путем раздельного моделирования процессов разной скорости Точность при действии динамических процессов рассчитывается на основе динамической модели ШУ, о результате

которого получают расчетный амплитудно - частотный спснтр и, сравнивая его с опорным спектром, делают заключение о качестве ШУ. Точность при действии тепловых и термоупругих процессов рассчитывают по моделям стационарной 'или нестационарной теплопроводности для ШУ, в результате получают координаты положения характеристического вектора в плоскостях, влияющих на точность размера, которые затем сравнивают с требованиями по точности размеров детали. Показано, что эффективное проектирование ШУ возможно только при использовании экспертных систем, сочетающих формализованные и эвристические методы анализа конструкций. Однако, в настоящее время нет разработанной математической модели, учитывающей изменение жесткости и демпфирования при росте температуры, существует значительный разброс в данных по демпфированию в подшипниках качения; но разработаны достоверные уравнения связи между параметрами вибрации, теплообменом и тепловыделением в шпиндельном узле. Отсутствуют разработки в области создания экспертных систем для проектирования ШУ на опорах качения

Исходя из вышеизложенного, поставлена цель работы - создание экспертной системы обеспечения качества ШУ на спорах качения, для этого необходимо решить следующие задачи:

1) разработать графический интерфейс пользователя, в котором реализованы: оперативный ввод и редактирование исходных1' и расчетных данных с выводом на эскизный чертеж проектируемого ШУ; развитая система меню, позволяющая оперативно переходить к различным этапам расчета;

2) создать базы данных, конструкционных материалов, смазочно-охлаЛдающих жидкостей,

3) создать базы знаний' типовых конструкт::;": !:'!•' на опорах качения, математических моделей динамических, • ".левых к термоупругих процессов на базе конечно-элементно.; л- -.оппозиции конструкции, обеспечивающих теоретико - е"рлятностнос моделирование областей состояния выходных параметре" ''лчества ШУ с учетом взаимовлияния процессов различной скорости

4) предложить структуру .• разработлт:. • ; гчммн'! математическое обеспечение лля системы го/прр-'кп принятия

г-1 провести эксперимент,аланыг аасл-лаа^н/.ч И, • с гам;

мод.1И140П с целью проверки адекватности математических моделей для расчета областей состояния параметров точности ШУ при действии процессов быстрой и средней скорости;

6)внедрить в промышленность экспертную систему обеспечения качества ШУ.

Во второй главе разработана, комплексная математическая модель для расчета областей состояния комплекта выходных параметров точности при взаимодействии процессов быстрой и средней скорости. Разработаны аналитические зависимости для расчета демпфирования и Щ тепловыделения в опорах качения. Предложена методика '■ прогнозирования параметрической надежности ШУ. С помощью метода конечных элементов разработана математическая модель колебаний динамической системы шпиндель - опоры - корпус шпиндельной бабки. При этом приняты следующие допущения: рассматриваются изгибные и продольные колебания шпинделя, матрица масс ШУ принимается диагональной; шпиндель представляется в виде набора конечных стержневых элементов ; корпус представлен в виде эквивалентного стержня; демпфирование в опорах и передаче вязкое; источниками вибровозмущений являются дефекты изготовления и сборки подшипников, возмущения от привода, силы резания, а также дисбалансы шпинделя и смонтированных на них деталей; приводная передача шпинделя рассматривается как упругая связь, учитывается наличие различного рода отверстий, шпоночных пазов и т. п. в тело шпинделя посредством неодинаковых осевых моментов инерции.

В матричном виде математическая модель колебаний ШУ имеет

вид;

V МХ + РХ + ( [? + С + К ) X = Гц + Рт + Рй + Рп + ^р , (1)

где Я,С,К - глобальные матрицы жесткости шпинделя, опор качения и приводной передачи соответственно; М - глобальная матрица масс у' шпинделя и смонтированных на нем деталей; Р - глобальная матрица демпфирования колебаний; Рц, Рт, Ре, Р„, Рр- векторы возмущающих сил от центробежных сил, действующих на тела качения, от технологических дефектов подшипников, дисбалансов, возмущений от ' , привода и сил резания соответственно; X - вектор виброперемещений шпинделя. Для дефектов сборки и изготовления подшипников (погрешности формы наружного и внутреннего кольца, волнистость

шариков, разноразмерность шариков, перекос и несоосность колец) используются зависимости, полученные в работах В.Б.Бальмонта, В.Ф.Журавлева. А К Явленского и К Н Явленского Зависимости для расчета сил роч,-. ¡нп м возмущений от привода предложены в работах В А Кудимова ■■ предлагаемой работе жесткость подшипников рассчитывается с учетом смазки. Радиальную жесткость шарикоподшипника при наличии смазочного слоя можно определить по формуле:.

II п и - 1

ск = [(Е с,)"1 ► (Е Ссм1.)-' + (Е С£мг.Г'] . (2)

I I I

где С, - жесткость контакта ¡- го тела качения" с кольцами подшипника без /чета смазки, определяется по теории Г Герца; Сс.м 1, С,.и, - жесткость смазочного слоя в ¡-ом контакте, выражения-для расчета С,.м-. , Ссм2 приведены в работах А. К Явленского и К.Н.Явленского После чего пересчитывается осевая, угловые и перекрестные .жесткости идеального подшипника. Для расчета жесткости ноидсального радиально-упорного шарикоподшипника используются Формулы, предложенные в работах В.Ф.Журавлева и В. Б. Б.ольм':(!Т.: Ислользуя 'положения зластогидродинашческоп теории смазки, [!''/"."' .-чы выражения для расчета демпфирования смазочного слоя В итоги предлагаются следующие выражения для расчета коэффициентов матрицы демпфирования радиально-упорного шаринонодшгпникл ,см. табл.1.)

Для решения уравнения колебаний ШУ <!! применено интегральное ••образование Фурье, при принятии жесткости шпинделя и огл> постоянной модель колебаний ШУ лрелстарлчот себя гистс!".' /знойных (относительно комплексных амплитудных спсктроп< •/р.--л!нг:'-:!й в которых комплексные амплитудные "юктп.' возмущающих сил и жесткости являются заданными - рассчитываются после процедуры нормирования величин дефектов изготовления и сборки Таким образом, уравнение (1) преобразуется к виду

(-(2яГГМ + ^лГР+К+Р+С)Х(П=Рц (П+Рт С'Г )+Рц (Г )+Рп (Г) +Рр (Г) '.■:>

где ,] - мним,-'.я синица; С - частота колебаний; Х(П - цечг>р комплг'игныч и'!"!И'гудных спектров виброперемещений г-!!!!,'!'-'!''. ;■',,(;! г, • • ; ! Р., ((), Р.,! I 1 ' - зекторы к'.-гг"^-«'..-":*

амплитудных спектров вибровозмущений от центробежных сил, действующих на тела качения, от технологических дефектов сборки и изготовления ШУ, дисбалансов, от привода и сил резания соответственно.

Таблица 1

Составляющие матрицы демпфирования радиаль" ^ упорного шарикоподшипника

Обозначение Значения составляющих матрицы демпфирования

Ри " • п ! -1 (2а<})3 • Б!П(С(| * ) -С05(Го) Л1г | + (1-А) -Рст

Ргг п АЕ|6-ц 1-1 (2ао)3•СОБ(Й1 ) СОБ(Го)/Ь2 | + (1-А) -Рст

Рзз п АЕ|6-м 1 -1 (2ао)3 -5т(Го)/Г1г 1 + И-А) Рг:т

где А - коэффициент, характеризующий относительную долю времени отсутствия контакта микронеровностей, при полностью жидкостном трении А=1, при смешанном трении 0<А<1, м -динамическая вязкость смазки при атмосферном давлении, а<э - длина большей полуоси эллипса контакта шарика и кольца подшипника, а, - радиальный угол 1 - го контакта, - начальный угол контакта в'подшипнике, 11 -толщина слоя смазки на границах контакта, Рст - демпфирование при контакте микронеровностей. В результате решения (3) находим амплитудно-частотные характеристики колебаний элементов ШУ.

При разработке тепловой модели ШУ приняты следующие допущения:шпиндельный узел рассматривался состоящим из шпинделя, корпуса и конструктивных элементов, каждый из которых моделируется конечно-элементным аналогом; основными источниками тепла являлись подшипники качения,элементы привода, процесс резания; шпиндельный узел рассматривался в условиях действия сложного теплообмена(т.е одновременное действие теплопроводности, конвекции и теплового излучения); коэффициенты теплоотдачи рассматривались как функции

температуры, ш грации ШУ и вида системы охлаждения;, контакт двух поверхностей пргшмался неидеальным и моделировался посредством введения матриц теплопроводности стыка; общее время моделирования работы ШУ разбивалось на отдельные интервалы времени, в пределах которых, все зависящие от температуры величины считались постоянными. Нестационарная модель тепловых процессов в ШУ имеет вид:

[В] <T(t) ) + [D] (T('t)} = (W(t)} , (4)

где [В], [D] - n*n - мерные матрицы теплоемкости и теплопроводности, соответственно; (W(t)} - п - мерный вектор тепловой нагрузки; {Т(Ш, (T(t)) - п - мерные векторы угловых температур и их производных (далее аргумент (t) (время) опускается). Для решение матрично - векторного дифференциального уравнения (4) применялась схема Кренка-Никольсона.

Момент сил сопротивления вращению в подшипниках представляет собой сложный физический процесс, обусловленный контактными и общими деформациями соприкасающихся тел, макро- и микрогеометрией поверхностей качения, свойствами смазки, сопротивлением слоя смазки и среды, окружающей рабочие элементы подшипника, и физическими свойствами материалов контактирующих, элементов. В предлагаемой работе мощность трения определена путем интегрирования касательных напряжений в зоне контакта. После ряда преобразований, переходя из погонного тепловыделения к полному, имеем:

<г

FTp ,"= U ,4'J,) ) (fi0-h) ■ 2Ь0 /h2 - 3fi ■ д-Vq ■ (2b0 )2/h2 +

-л aw 2b0/n2MJa + [-3d (h0-h) 2b0/tiz - 3h ■ д ■ V0 ■ (2b0 )'' /h' -

->} (U,-Ub) 2b0 /h2 ] ■ Ub j • b0 /427 ,

где h,, ~ тплцц'-rs 'лая смазки в центре контакта; U.,, 1)ь - окорост!'

"кольжрыия ::.'".;;!'• i ш:льцз соответственно , &„ - длина !.!Скые«Ч;

полуоси зллнп ; ит.-.кт.ч Учитывая, что Voi - среднскраяоатичнйя

ииброскорост! пи^оння : го ;парика и внутреннее: коль:::

подшипника(по нормали к контакту), можем получить,-

V01=Х•cos(d))■cos(t0)+Ysin(d1) cos(to)+Z cin(t) (6)

Таким образом, формулы (5) и '(6) связывают вибрацию и тепловыделение в опорах. Затем рассчитываем общее тепловыделение в подшипнике.

При.конечно-элементной схематизации конструкции предложено учитывать теплопроводность стыков посредством представления их в виде конечных элементов. Матрица теплопроводности стыка имеет вид:

[DCT]=AKXX [.¡"I] , "(7)

где А - площадь стыка; Кхх - полная теплопроводность контакта.

При идентификации температурного поля по модели, учитывающей теплопроводность стыков с помощью-- разработанного программно -математического обеспечения (на языке программирования F0RTRAN-5.1), установлено , что на долю каждого стыка в системе шпиндель-подшипники-конструктивные детали-корпус шпиндельной бабки (для ШУ станка мод.1И140) градиент температуры составляет от 0,5 °С до 1,5 °С в расчетном температурном поле в зависимости от площади стыка и условий контактирования стыкующихся поверхностей: величины шероховатости , контактного давления , теплопроводности межконтактной среды , поэтому неучет стыков может привести к недостоверной идентификации температурного поля конструкции , а вследствии этого к значительной погрешности при определении области состояния выходных параметров точности ШУ.

Уравнение упругодеформационного состояния ШУ вида

№) + f Ш =0 , " (8)

где: (Q) - вектор внешних узловых нагрузок; (Д) - вектор узловых перемещений; f - функция, задающая связь между вектором (Д) и реакцией системы ШУ, использовано для расчета изменения первоначального ("холодного") натяга в опорах в результате нагрева ШУ и изменения силы резания в процессе обработки детали

рсли( t ( » г t w \ w / у . _ _ .........

Учитывая полученные выше формулы связи между виброскоростью и тепловыделением в опорах, виброскоростью и теплообменом, демпфированием и термоупругими деформациями, жесткостью и термоупругими деформациями, сформирована комплексная модель состояния ШУ вида:

(-(2rtf)2M+J2rtfP+K+R+C)X(f)=Fq(f)+FT(f)+Ffl(f)+Fn(f)+Fp(f) ; | В■ T+D• T=FTen ; (9)

.. ( (Q) + f(A)=0 .

В результате решения системы (9) получаем амплитудно 'частотную характеристику ШУ и текущие координаты характеристического вектора, определяющие величину теплового тренда ШУ. Расчет ведется с заданным пользователем шагом по. • времени или по заданной программе, отражающей режим эксплуатации станка. Затем рассчитываются ансамбль выходных параметров точности по заданным пользователем параметрам (погрешность радиального размера, погрешность формы и др.). При расчетах на каждом шаге по времени вычисляются заново элементы матриц жесткости и демпфирования подшипников, мощность трения , элементы матрицы теплопроводности. Отметим характерную особенность предлагаемой системы - все уравнения, входящие в неё1 могут решаться независимо друг от друга. При этом тепловыделение, жесткость и демпфирование в опорах, коэффициенты теплообмена становятся стационарными величинами. Разработан пакет программ на языке программирования FORTRAN - 5.1 для численно аналитического решения системы. Для прогнозирования' параметрической надежности используется метод Менте - Карле Данное приложене метода состоит в многократном расчете областей состояния параметров точности ШУ по предложенной комплексной модели (9). Пр этом для случайных параметров, входящих в модели, перебираются наиболее вероятные значения в соответстви с х законам распределения. • .

В данной работе параметры точности ШУ рассчитываются на этапах технического предложения, эскизного проектирования и

технического проектирования. При моделировании точности'на экран монитора выводятся:

- графики областей состояния параметров точности согласно предварительно заданной программе, отражающей реальный режим эксплуатации ШУ.

- графики динамических (жесткость и демпфирование в опорах и трибологических (мощность тепловыделения в. опорах) параметров ШУ, это делает наглядным причинно - следственную связь между выходной точностью ШУ и его динамическими и эксплуатационными характеристика),ж.

Затем рассчитываются показатели параметрической надежности

ШУ.

Третья глава посвящена разработке математического аппарата и программного обеспечения для системы поддержки принятия решений при проектировании шпиндельных узлов по заданным требованиям к точности и падаметрической надежности. На основании изложенных в главе 1 требований к системе проектирования ШУ была разработана экспертная система "ЭСКОРТ". Сервисные модули реализованы в инструментальной оболочке "ЭКСПЕРТ-ПРИЗ" , расчетные модули разработаны на языке программирования FORTRAN 5.1. Передача данных организована через файлы последовательного доступа. Структурная схема экспертной системы представлена на рис Л.'

Отметим некоторые особенности предлагаемой системы:

- проектирование осуществляется на базе 9 типовых конструктивных схем ШУ и 3-х конструкциях шпиндельных бабок, отличающихся способами базирования, получивших в последнее время широкое применение в металлорежущих системах;

- при оперативной оценке точности на этапах технического предложения и эскизного проектирования задаются основные конструктивные параметры ШУ; конечно - элементная декомпозиция конструкции осуществляется автоматически;

- вывод результатов расчетов и значений конструктивных. и эксплуатационных параметров осуществляется на эскизный чертеж проектируемого ШУ на предварительно назначенные поля ввода -вывода. • - •

Структурная схема экспертной системы "ЭСКОРТ".

СОЗДАНИЕ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА

ВЫБОР типовой ВЫБОР ТИПОВОИ ВЫБОР МАРКИ

КОМПОНОВОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ

СХЕМЫ КОРПУСА МАТЕРИАЛОВ

ВВОД ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ

НОРМИРОВАНИЕ ОБЛАСТИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ФОРМИРОВАНИЕ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ

•ОПЕРАТИВНАЯ КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЦЕНКА ОБЛАСТЕЙ СОСТОЯНИЯ

ТОЧНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ

РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ

СРАВНЕНИЕ С ЗАДАННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ НАДЕЖНОСТИ удовлетв. ЗАВЕРШЕНИЕ РАСЧЕТОВ (Зскизный проект узла)

i

МОДИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА

МОДУЛЬ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ШУ (РАЗМЕРОВ, ПРЕД-ЫХ ОТКЛОН.) АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МОДУЛЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА

Рис. 1.

Был проведен анализ чувствительности для ШУ станка мод.1И140П по разработанной комплексной математической модели (9). При расчете чувствительности к условиям теплообмена какой -либо поверхности ШУ на остальных принимался теплообмен посредством естественной конвекции и теплопроводности.. Тепловая нагрузка моделировалась посредством задания плотности теплового потока в местах установки подшипников и соответствовала частоте вращения шпинделя 1500 об/мин.при натяге 400 Н. В итоге была получена матрица чувствительности выходных показателей точности У, к конструктивным и эксплуатационным параметрам шпиндельного узла А, см. (табл 1).

Матрица чувствительности

У2 ,уз У4

А! 0.07 0. 05 0.04 0.52 0.52 0. 52

Аг 0.03 0.02 0.015 0.26 0.26 0. 26

Аз 0. 415 0. 325 0.415 - -

а4 0.63 0. 56 0.63 - - -

а5 0.002 0.001 0.001 - - -

А6 0.008 0.005 0.004 - - -

А 7 0. 52 0.35 0. 52 - - -

а8 0.001 0. 001 0. 001 - - -

а9 0.003 0.02 0.015 - -

Аю - - - - - -

ац 0.53 0.42 0.23 0. 47 0.47 0.47

а12 0.35 0.12 0.08 0.25 0.25 0.25

а13 0.55 0.7 0.6 0. 7 0.7 о: 7

где У]- погрешность радиального размера; Уг- погрешность взаимного расположения поверхностей; У3- погрешность формы в продольном сечении; погрешность формы в поперечном сечении; У^-

волнистость поверхности; У6- шероховатость поверхности; А, -межопорное"расстояние; - длина передней консоли шпинделя; Аа

- габариты корпуса; А4 - площадь сечения шпинделя; А., -коэффициент теплообмена с поверхности шпинделя; А(, - коэффициент теплообмена с поверхности корпуса шпиндельной бабки; А7 теплофизические характеристики материала шпинделя и корпуса; Ац

- частота вращения; Ад - сила резания; А10 - масса ШУ, А,, -жесткость передней опоры; А12 - демпфирование в передней опоре; А(з - дефекты сборки и изготовления ШУ.

Выполнен анализ полученных данных, в результате которого установлено следующее. Величина теплового тренда наиболее

чувствительна к величине площади поперечного сечения шпинделя и шпиндельной бабки. Это можно объяснить тем , что площадь сечения входит явно в элемент матрицы теплопроводности, описывающий теплообмен за счет теплопроводности, и косвенно в элемент, моделирующий конвективный теплообмен; то' есть здесь одновременно увеличивается эффективная теплопроводность конструктивных элементов и площадь поверхностей теплообмена. Управление точностью за счет варьирования данными параметрами ограничивается служебным назначением шпиндельного узла. Далее по степени значимости идет величина межопорного расстояния и консоли. Степень влияния этих параметров объясняется изменением площади поверхности" теплообмена Обеспечение точности за счет интенсификации теплообмена с поверхности шпиндельной бабки и шпинделя получило в последнее время наибольшее распространение, несмотря на минимальные значения коэффициентов в матрице чувствительности. Это вызвано высокой технологичностью и стабильностью работы систем охлаждения опор ШУ.

Анализ чувствительности параметров точности, определяемых амплитудно - частотным спектром колебаний опорных точек ШУ, к параметрам динамической системы ШУ показал, что наиболее чувствительны к величине амплитуд - размер межопорного расстояния и жесткость передней споры. Затем по степени значимости располагаются размер передней консоли шпинделя и величина коэффициента демпфирования в передней опорЪ. Необходимо отметить некоторые особенности предложенной матрицы чувствительности. Для расчета параметров качества, определяемых линейными и угловыми координатами характеристического вектора, применена стационарная модель теплообмена. Поэтому применение данной модели эффективно на ранних стадиях проектирования ШУ (технического предложения и эскизного проектирования

При проектировании ту к: четруктор, как правило, сталкивается с необходимостью огролглить значения конструктивных и эксплуатационных нараыотриь ШУ, при которых гарантируется обеспечение комплекта выходных параметров точности. При обеспечения показателя точности, величина которого связана с колебаниями ШУ , погрешность круговой траектории шпинделя Х,(П и частота Г. на которой она проявляется, задастся проектировщиком, и уравнение • решал -лл '.тносительно величины конструктивного

параметра (межопорного расстояния, величины преднатяга, габаритов корпуса и других). При необходимости обеспечения показателя точности, величина которого связана с тепловым трендом, пользователь задает величину показателя и уравнение (4), преобразованное к стационарному виду решается относительно конструктивного или эксплуатационного параметра ШУ (габариты корпуса, коэффициент теплообмена с поверхности корпуса и др.). Для определения предельных значений дефектов сборки и изготовления ШУ использование предложенного ■ подхода проблематично, так как дефекты разных видов могут проявляться на одной и той же частоте, что требует применения специальной процедуры - нормирования -предельных значений дефектов сборки и изготовления ШУ. Нормирование осуществляется на основе определения областей состояния виброперемещений переднего конца шпинделя по оси X и сравнения их с нормированным спектром колебаний по разработанному алгоритму, в котором учитываются все возможные сочетания дефектов (см. рис. 3).. Таким образом формируется матрица баланса точности конструкции ШУ, по виду аналогичная матрице чувствительности, только вместо коэффициентов чувствительности она заполнена значениями конструктивных параметров At.х3, при которых обеспечиваются заданные параметры точности Yt.6. Таким образом, проектировщик получает широкие возможности для обеспечения точности путем комбинации сочетаний конструктивных и эксплуатационных параметров ШУ. Разработано программное обеспечение на языке программирования F0RTRAN-5 1, позволяющее в интерактивном режиме проектировать ШУ, oTBe4áiou(Hñ

заданным показателям качества.

*

Для АО "Хабаровский станкостроительный завод" была решена задача - разработки проекта ШУ для одношпиндельного токарно -револьверного автомата мод.1И140В (станок высокой точности).

В качестве прототипа был выбран ШУ станка мод.1И140П (станок повышенной точности). Результаты комплексного статистического моделирования точности ШУ станка прототипа представлены в виде протокола прогнозирования параметрической надежности ШУ (см. табл 2). Анализ протокола показал, «то по параметрам точности радиальных размеров, точности таимниго расположении поверхностей, точности формы в поперечном сечонии. волнистости и шероховатости прототип не удовлетворяет заданным требованиям

Таблица 2

Протокол прогнозирования надежности ШУ

Оцениваемый

параметр

точности

МАХ

допуск (мкм )

Граница области

раб-ти (мкм)

1И140В

Области состояния параметров точности

S

Xrnax мкм

Хер мкм

мкм

1И140П

Коэф-нт запаса по надежности Кн

Точность разм.

Точность взаимн. расп. пов

Точность формы в прод. сеч.

Точность форм в попер, сеч

Волнистость

Шероховатость

9. 00 8.00 3. 00 5. 20

3 80 2 75

6. 00 3.00 2.00 4. 20 2 80 1 75

7. 14

5.29 3.14

0. 47

40

2.00 1.00 .18 6.70 3.64 .31

4. 3

2 08

2. 85

1 45

22

02

. 84 0. 65 1 00 0. 63 0. 65 0 84

Для обеспечения требуемых показателей точности радиальных размеров и взаимного расположения поверхностей была осуществлена консультация с экспертной системой "ЭСКОРТ". Учитывая, что точность по данным параметрам, в основном, связана с тепловыми процессами п ШУ, то система "ЭСКОРТ" предложила:

1)увеличить межопорное расстояние до 1600 мм;

2)увеличить габариты корпуса до 900 х ЭОО мм. (ширина х высота),

3)обеспечить коэффициент теплообмена с поверхности шпинделя - 600 пт/цц-2*С;

4)обеспечить коэффициент теплообмена с поверхности корпуса -800 вт/м**2*С.

Необходимо отмстить, что рассчитанное межопорное расстояние не является оптимальным, с точки зрения обеспечения максимальной динамической жосткогти НУ, остальные предложенные варианты не влияют на параметры точности '^-У,,. По технологическим соображения! • л»-'личг>ниг- можопорного расстояния ¡! габаритов

корпуса ШУ было признано нецелесообразным. Таким образом, для' дальнейшей проработки были отобраны варианты 3 и .4, обладающие стабильностью работы независимо от режимов эксплуатации и требующие минимум доработки прототипа. Следуя данному выбору система "ЭСКОРТ" предложила следующие системы обеспечения, точности:

- систему охлаждения опор ШУ типа "гидрорубашка";

- автономную систему охлаждения типа шпиндель - тепловая труба;

- автономную систему охлаждения типа корпус - тепловая труба.

С учетом технологических возможностей производства был выбран вариант системы обеспечения точности на основе "гидрорубашки", конструктивно выполненной, в виде стаканов. В качестве рабочей жидкости выбрана СОИ НГЛ-205 (37, мае. эмульсия) ,* обеспечивающая минимальный расход

Для обеспечении точности по погрешностям формы, волнистости и шероховатости поверхности изменение геометрических параметров конструкции прототипа было признано нецелесообразным, поэтому проведена операция нормирования дефектов сборки и изготовления ШУ по разработанной программе NORMA В итоге удалось увеличить коэффициенты запаса по • надежности, по точности радиальных размеров с 0,84 до 1,4; по погрешности взаимного расположения поверхностей с 0,65 до 1,56; по погрешности формы в поперечном сечении с 0,63 до 1 45; по волнистости с 0 65 до 1.73; но шероховатости с 0.76 до 1.315. Таким образам, заданные требования по показателям выходной точности и параметрической надежности полностью выполнены.

В четвертой_главе проводилось экспериментальное

исследование комплекта выходных параметров точности, -и автоматизированном стенде Объектом исследовании является ЕУ одношпиндельного токарно - револьверного автомата мод. 1Ш40П Температура измерялась с помощью 8-ми терморезисторов, подключенных по полумостовой схеме к источнику постоянного напряжения и вмонтированных радиально - симметрично в проставочное кольцо передней опоры ШУ. Для получения характеристик вибрации применялся пьезоэлектрический вибродатчик, установленный на корпусе ШУ, определение- колебаний переднего торца шпинделя осуществлялось с помощью передаточных Функций. Сигналы от датчиков поступали из плату L-1230 и после

преобразования сопротивления в напряжение выводились на монитор.

Математичр жог' моделирование АЧХ проводилось по модели колебаний юу '"О ' учетом связи между вибрационными и тепловыми процессами тм систему уравнений (9)) Тренд АЧХ представлен на рис.5 Результаты экспериментального исследования АЧХ показали, что имеет место значительное изменение величины амплитуды колебаний и характера колебаний с течением времени Это можно объяснить увеличением жесткости ШУ вслсдствии термоупругих деформаций и увеличением демпфирования вслсдствии изменения условий упругогидродинамического контакта в подшипниках Сравнение экспериментальных данных с модельными позволяет говорить о достаточной степени адекватности моделирования. Различие результатов по погрешностям формы, волнистости и шероховатости не превышает 57. Результаты экспериментального исследования и теоретического моделирования АЧХ представлены на рис. 2,3.

о

■'ид АЧХ ШУ станка мод 1И14011 (окспеоипонт

Т, мин

Рис.3. Тренд АЧХ ШУ станка мод.1И140П (модель) ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Подробно выводы по решаемым в работе задачам даны в конце каждой главы диссертации. В целом по работе можно сделать следующие общие выводы

1. Разработана комплексная вибро - термо - деформационная математическая модель ШУ для определения параметров качества ШУ в которой смазка рассматривается как конструктивный элемент ШУ.

2. Разработаны аналитические выражения для расчета тепловыделения и демпфирования в опорах, учитывающие связь между динамическими и тепловыми процессами;

3. Разработана методика теоретико - вероятностного прогнозирования параметрической надежности ШУ при взаимодействии динамических и тепловых процессов

■1 Разработ.;н мг "••>.•! пбг'лпечонпя качества ШУ, включающий нормирование продольных »'мч-.-нии Т'-хно/югнчоских дефектов сборка

и изготовления ШУ, нормирование режимов эксплуатации, проектный расчет межопорного расстояния, габаритов корпуса, конструктивных и эксплуатационных параметров систем управления тепловым состоянием ШУ на базе конструкций типа: шпиндель - центробежная тепловая труба, корпус - тепловая труба, гидрорубашек, выполненных в виде стаканов и гильз. |

5. Разработана экспертная система "ЭСКОРТ" обеспечения качества ШУ на стадии проектирования, включающая:

1) графический интерфейс пользователя, в котором реализованы: оперативный ввод и редактирование исходных и расчетных данных с выводом на эскизный чертеж проектируемого ШУ;

2) базы данных: конструкционных , материалов; смазочно-охлаждающих жидкостей; рабочих жидкостей для тепловых труб;

3) базы знаний: типовых конструкций ШУ на "опорах качения; математических моделей динамических, термоакустических и термоупругих процессов на базе конечно-элементной декомпозиции конструкции.

6. Разработано математическое обеспечение для системы поддержки принятия решений, включающее анализ чувствительности параметров качества к размерам элементов конструкции ШУ и режимам эксплуатации; модуль расчета размеров элементов конструкции ШУ и режимов эксплуатации под заданные параметры точности ШУ; модуль проектирования систем обеспечения качества, встроенных в ШУ.

7. Разработаны предпосылки для Формирования графика эксплуатации станка (продолжительность технологических операций, диапазон частоты вращения, подач, сил резания, номенклатура изделий) с целью обеспечения точности на протяжении всего времени эксплуатации и, таким образом, сертификации точности станка. График загрузки можно формировать мо только для вновь проектируемого станка, но и для оборудования, находящегося в эксплуатации.

8. С использованием экспертной системы "ЭСКОРТ" был разработан шпиндельный узел для токарь::: ¡н/рользерного автомата 1И140В с системой управления тепловым с' ;•:(лн^нс.' ШУ типа "гидрорубашка", вмонтированной в стакань- гн гор угла, полностью удовлетворяющий заданным параметра;! ем/ссои точности и

•праиотричсской нежности

ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1.Ивахнснко А.Г., Румановский И.Р. Повышение точности металлорежущих станков за счет снижения теплозых деформаций // Тез. докл. межвузовской научн. - техн. конф., 3шномика Дальнего Востока в условиях перехода к рынку. - Хабаровск: Хабар, гос. техн. университет, 1993.' С. 56-57.

2. Клепиков СИ., Ивахненко А. Г., Иванищев í). Г. , Румановский И. Г. , Харьков Д. В. Использование САПР шпиндельного узла в учебном процессе // Тез. докл. международной конф., Моделирование технологических процессов и систем в машиностроении. - Хабаровск. Хабар, гос. техн. ун-т, 1994. С. 20-21.

3.Румановский И.Г., Ищенко С.В. Применение экспертной системы "ЭКСПЕРТ-ПРИЗ" для управления процессом теплообмена в технологических системах. Тез. докл. международной конф , Моделирование технологических процессов и систем о машиностроении. - Хабаровск: Хабар, гос. техн. ун-т, 1994. С. 43.

4. S.I. Klepikov, I. G Ruraanovski Modelling of accuracy-and texnologikal reliabi1ity of metal - cutting machines.// Study and application on new technology, Harbin Engineering University Press, 1994. P. 36-44.

5. Клепиков С.И., Румановский И. Г. Математическое моделирование выходных параметров точности ШУ при совместном действии процессов быстрой и средней скорости. //Тез. докл.международного науч -тех. симпозиума Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока. - Комсомольск-на-Амуре, 19-24 сентября 1994. С. 21.

6. Клепиков С. И. , Румановский И. Г Обеспечений' параметрической надежности шпиндельных узлов путем управления тепловыми характеристиками // Сборник статей международной науч.-тех. конференции, Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств, 29-30 мая 1995 г - Пенза, С 139-140.

7. Клепиков С И., Ивахненко А. Г. , Румановский И. Г. , Заев С В. Автоматизированные методы к1 средства оценки качества и надежности шпиндельных узлов станков // Тезисы докладов совещания. 15-i7 ноября 1995 г. Тула. С. 97-99.

8. Клепиков С. И. , Румановский И. Г. Моделирование параметрической надежности шпиндельных узлов при действии процессов быстрой и средней скорости.//Известия вузов, Машиностроение, 1995, N 7 - 9. С. 77 - 82.

9. Разработка автоматизированных методов и средств оценки качества и надежности шпиндельных узлов станков: Отчет заключительный./ Грант по машиностроению. Отчет заключительный. ХКЦНИТ, рук. С. И. Клепиков. - Гос. регистр. N -0195.0000422. Хабаровск, 1995. - 22 с.

10. Разработка комплексной программы подготовки к

сертификации и аттестации Дальневосточного региона, заключительный. ХГТУ, рук. С. И. 0195.00002691. Хабаровск, 1995

машиностроительных предприятий Отчет заключительный. / Отчет Клепиков. - Гос. регистр. N - 30 с.

Румановский Игорь Геннадьевич.

ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия на издательскую деятельность № 020526 от 23.04.92

Подписано в печать 14.4.96. Офсетная печать Бумага писчая. Формат 80*64 1/16 Усл. печ.л. Уч.-изд. л. 1,3 Заказ зо. Тираж 100.

Издательство Хабаровского государственного технического университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

Отдел оперативной полиграфии издательства Хабаровского государственного технического университета. 680035, Хабаровск, ул Тихоокеанская, 136.