автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Гидростатические подшипники высокоскоростных шпиндельных узлов автоматического станочного оборудования

ОА

. г- **

На правах рукописи УДК 621.822.572

ЛЮВЭЙ

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ПОДШИПНИКИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО СТАНОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05. 03. 01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре " Гибкие автоматизированные комплексы " Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, академик, профессор Федотов А И.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Прокопенко В. А

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Алексеев Г. А , кандидат технических наук, доцент Зубарев Ю. М

Ведущая организация - АОЗТ "Техническое бюро станкостроения " (ТБС) (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится " 24 " ноября 1998 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 063.38 16 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу : (195251, Санкт-Петербург, ул.. Политехническая, д. 29, 1-й учебный корпус, ауд 439).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета

Отзывы на автореферат просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря совета.

Автореферат разослан " 20 " октября 1998 г.

Ученый секретарь диссер-/л доктор технических наук, тационного совета С* ' С-Ср профессор Сенчило И. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАШТЫ

Актуальность.темы К современным тенденциям развития машиностроения, и в частости станкостроения относится, повышение технического уровня и качества металлорежущих станков (MPC), т. е повышение их производительности и точности.

Одним из наиболее эффективных средств на пути совершенствования станков является улучшение качества конструкции отдельных узлов и, в частности, шпиндельных устройств, являющихся одним из важнейших составных элементов MPC. Тенденция к расширению диапазонов воспринимаемых нагрузок и частот вращения шпиндельных узлов (ШУ), связанная с переходом к созданию гибких производственных систем и необходимостью полной реализации возможностей современного режущего инструмента, порождает существенные технические трудности при использовании в опорах ШУ традиционных типов подшипников качения. Это связано с необходимостью регулировки шпиндельных подшипников как для работы на тяжелых режимах резания, происходящих при низких оборотах и не требующих высокой точности, так и для чистовой обработки на максимально возможных частотах вращения с высокой точностью. Поэтому в настоящее время перспективным является использование и совершенствование других типов опор и, прежде всего гидростатических подшипников (ГСП) (особенно для ШУ тяжелых MPC). При этом износ опор шпинделя практически полностью исключается, кроме того, существенно повышаются виброустойчивость (за счет более высокой демпфирующей способности данных типов опор), точность и длительность ее сохранения, термостабильность и другие характеристики.

В направлении создания ШУ на гидростатических опорах (ГСО), к настоящему времени выполнено значительное количество как теоретических, так и экспериментальных работ. Однако, вопросы совершенствования шпиндельных устройств с целью повышения их производительности, точности, долговечности, надежности, а также повышения технологичности конструкций требуют дальнейших разработок. В связи с этим изучение характеристик ГСП в нынешнее время является актуальной задачей в станкостроении.

Особое значение данной диссертационной работы имеет для станкостроения КНР в связи с необходимостью широкомасштабной модернизации действующего парка станков Китая.

Цель работы. Разработка методов комплексных исследований статических и динамических характеристик ГСО с последующей оценкой качества управления (точное!и, устойчивости, запаса устойчивости и быстродействия) с помощью ЭВМ, разработка новых способов улучшения динамических качеств (коррекции) системы автоматического регулирования (САР) ГСП, создание новых конструкций, обладающих более высокими производительностью и другими эксплуатационными характеристиками, с внедрением лучших разработок в новые многооперационные станки и составлением научно обоснованных рекомендаций для проектирования (в том числе автоматизированного) и промышленной реализации новых ШУ.

Методы исследований. Работа является комплексной и экспериментально - теоретической Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории колебаний, динамики станков, на базе различных расчетных (математических) моделей ,ШУ на ГСП. Расчеты основных рабочих характеристик ГСП при различных методах коррекции САР ГСП и многопарамегрическнй анализ ШУ произведены на ЭВМ с помощью современных программных пакетов S/AM и Mathcad 6.0 PLUS. Экспериментальные исследования выполнены с применением теории планирования эксперимента по разработанной методике на лабораторном стенде и на станке. Кроме того, для сравнения с результатами расчетов проведены натурные испытания многооперационных станков моделей 22912Н7Ф4 и ЛР400ПМФ4М по разработанной методике.

Научная новизна. Разработана методика расчета геометрических па" раметров ГСП с учетом основных критериев работоспособности, включающая многопараметрический анализ ГСП при проектировании и расчете его основных рабочих характеристик. Получена математическая модель, описывающая поведение ШУ на ГСП при приложении внешней нагрузки и учитывающая криволинейность сопряженных поверхностей. Разработаны алгоритмы динамических расчетов и различные методы коррекции динамического качества САР ГСП.

Практическая ценность. На основе проведенных комплексных исследовании ШУ на ГСП для тяжелых MPC по критериям податливости (жесткости), мощности холостого хода, геометрической точности вращения шпинделя, предельной по устойчивости процесса резания глубины резания и другим показателям разработаны рекомендации по проектированию ШУ, Выполнена оценка динамического качества ГСП серийно выпускаемого станочного оборудования. Разработаны и внедрены инженерные методики для многопараметрического анализа, статического и динамического расче-

тов ШУ на ГСП. Разработаны различные способы улучшения динамического качества СЛР ГСП, пригодные для проектирования, модернизации и моделирования ШУ.

Реализация результатов работы Результаты работы приняты в ТБС для использования в проектно-конструктореких, исследовательских работах и в процессе изготовления высокоскоростных шпиндельных головок современных средних и тяжелых MPC. Разработанные методики исследования ГСП внедрены в методические материалы для подготовки студентов по соответствующим дисциплинам кафедры ГАК СПбГТУ и приняты на кафедре "Прецизионные станки" университета Цинхуа, являющейся координирующей в области станкостроения КНР, для внедрения в основные проектпо-конструкторские методики. Научные рекомендации приняты для модернизации действующего парка станков в Научно-исследовательском центре прецизионных MPC КНР.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на заседаниях кафедры "Гибкие автоматические комплексы" СПбГТУ в 1996, 1997 и 1998 г. г.; на заседании кафедры "Прецизионные станки" университета Цинхуа в 1997г , на 11-ой международной конференции: "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлоконструкций и методы их решения" в 1997 г. в г. Санкт-Петербурге.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 работ, в том числе: статей -8, методические указания - 1.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и приложения. Содержит 188 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 45 рисунков, список литературы из 178 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и определены основные задачи исследований.

Первая глава посвящена анализу конструкций шпиндельных опор жидкостного трения, конструкций ШУ на ГСП тяжелых MPC, а также типов систем управления ГСП. Дана характеристика тенденциям в совершенствовании ШУ MPC в условиях перехода к автоматизированным системам металлообработки. Результаты сравнительных испытаний ШУ на различных типах подшипников, выполненные немецкой фирмой FAG и ЛСПО, показывают, что ГСП по совокупности показателей превосходят другие

типы опоры ГСП широко применяются в рашообразных станках как за рубежом, так и в отечественном оборудовании Среди зарубежных фирм, использующих ГСО, можно выделить следующие Hiuant, Turchaii, Lockheed, NAGA, Timken, Wotan (США), Высшее техническое училище а Дармштадте, РАО, Fortuna, INA, Schiess Froriep (ФРГ), Центр исследований но станкостроению, CFRMO, Renault, S2M (Франция), SK.F (Швеция), RIIP (Великобритания), NTN Тоуо (Япония), Saceni (Испания), VIJOSO (ЧССР), Научно-исследовательский центр прецизионных станков (КНР) В России в направлении ра(работки и исследования ГСО шнимаюгея многие исследователи, среди которых можно выделить Абрамова В Г:, АГпеншто-ка Г.И , Алексеева ПИ, Ьелоусова А К , Болотникова M А , Ьушуева В В., Гордеева А Ф., Захарова il А , Мурашкина Л .С , Налегова С П , Петкова П.П , Потапова DA, 1 ¡роьоиенко Л А, Решегова ДН, Соколова ЮН, Файнгауза В M , Федотова А И , Фшатнера А М, Шимановича M А , Яц-кевича А А и др и рабшакл такие оргинишции, как НПО 'JIIHMC, Ленинградское и Коломенское СПО, Московские заводы "Красный пролетарий" и автомагических линий, Хабаровский и Средневолжский станкозаводы

Появление в последние годы сверхтвердых инструментальных материалов дало возможность продолжить исследования высокоскоростного резания, создало предпосылки для активизации исследовательских работ и конструктивных разработок в области ШУ. На основании анализа требований к современным MPC в обзорных работах сделан вывод ШУ, обеспечивающие скорость резания 1000 м/мин, необходимы для большинства токарных, фрезерных, а гакже многоцелевых станков. Для реализации такой скорости резания необходим параметр быстроходности <i n = 3.5-10'лт-лгш"1, где d - диаметр отверстия в подшипнике, п - максимальная частота вращения шпинделя Достижение данного уровня быстроходности ШУ в тяжелых MPC, в которых, кроме того, необходимо одновременно обеспечить высокий уровень нагрузочной способности и точности (т. е. в конструкции одного узла обеспечить выполнение взаимопротивоположных требований: широкие диапазон нагрузок и частот вращения при высокой точности) представляет собой сложную техническую задачу и во многом не является решенной. Важным требованием, необходимость выполнения которого возросла в связи с развитием высокоавтоматизированных гибких производств, является простота реализации при использовании опор ШУ в качестве датчиков всевозможных систем контроля, диагностики и адаптивного управления. Подобные средства гарантируют функциональную готовность, работоспособность, защиту от перегрузок и ава-

рийных ситуаций одного из важнейших устройств MPC, а также, например, автоматический контроль износа инструмента, уровня сил резания, крутящего момента и т п

Необходимость дальнейшего совершенствования ШУ в свете вышеописанных тенденций, а также стремление к реализации в конструкции одного узла многих, зачастую исключающих друг друга качеств, усложняет решение выбора того или иного типа опор.

Результаты исследований динамических характеристик САР ГСП не всегда являются удовлетворительными, т. е. САР ГСП могут быть не устойчивыми или находятся на границе устойчивости. Улучшение динамических качеств (снижение или устранение колебательности) САР ГСП в ряде подобных случаев становится необходимым. Широко известно из теории автоматического регулирования, что значительное повышение динамических показателей может быть достигнуто путем вариаций соотношений величин коэффициентов и постоянных времени передаточных функций исследуемых САР. При этом также исТюльзуются различные корректирующие средства (подключение гидравлической емкости, сопротивления, их различных комбинаций, а также вариаций других параметров САР). Для целенаправленного синтеза САР ГСП известные методы имеют определенные ограничения в области применения (только геометрической емкости и подключением RC-цепей) и они не всегда дают ощутимый эффект,

Исходя из вышеизложенного, основные задачи исследования сформулированы следующим образом.

1. Разработка методики расчета статических и динамических характеристик ШУ на ГСП с последующей оценкой качества управления САР ГСП при использовании программных пакетов SIAM и Mathcad 6,0 PLUS.

2. Установление возможностей различных методов коррекции для улучшения динамических качеств САР ГСП и разработка научно обоснованных рекомендаций по их областям применения.

3. Разработка методики экспериментальных комплексных исследований различных вариантов ШУ на ГСП.

4. Исследование различных конструктивных вариантов ШУ на ГСП в лабораторных условиях и на серийных станках.

5. Разработка рекомендаций по проектированию (в том числе автоматизированного) ШУ агрегатированного исполнения при решении задач модульного построения MPC.

6. Разработка рекомендаций по внедрению расчетных методик исследованных ГСП и конструктивному исполнению ШУ и приводов главного движения.

Во второй главе изложена методика проведения теоретических и экслеримешапьных исследований. В качестве объекта исследований выбраны современные варианты ШУ на ГСП невыдвижного (станка модели 22912Н7Ф4) и выдвижного исполнения (станка модели ЛР400ПМФ4М). На основании анализа существующих методов исследований станков (включающих три вида их проверок : в статическом состоянии, на холостом ходу и в работе) произведен выбор основных характеристик ШУ: податливости, мощности холостого хода, геометрической точности вращения шпинделя и предельной по устойчивости процесса глубины резания. Кроме того, при выполнении диссертационной работы разработана методика многопараметрического анализа ШУ и определения его динамических характеристик с помощью программных пакетов SIAM и MathcaJ 6.01'LUS, а также разработан обобщенный алгоритм многопараметрического анализа ШУ на ГСП.

Объектом регулирования САР ГСП является подвижный шпиндель, входной величиной САР является нагрузка Rh(t), выходной - радиальный зазор h(t). Расчетная гидравлическая схема ГСП показана на рис. I .в. САР ГСП описывается уравнениями равновесия шпинделя и расходов рабочей жидкости через опоры ГСП:

/cosa.-cosa, L-l Y ч

" > + >. 2 U,' 4'

3

(1)

где М - приведенная масса шпинделя; V- приведенный объем кармана; <*/, аз, Д Ь, В,1,Ь- геометрические параметры ГСП (см. рис. 1. а, б); ЙА - полезная нагрузка; Рн - давление питания; Р1 и Рз - давления в опорах; Ядр -сопротивление дросселя; ц - динамическая вязкость масла; /5 - коэффициент сжимаемости.

Рис. 1. Форняроваяне динамической иодаиГСП:

а) сечей ив ГСП; б) Развертка опорной поаерхвоста ГСП; в) Расчетная гидргалнческая схема; г) Структурам схема САР ГСП.

Система дифференциальных уравнений (1), (2), и (3) представляет собой полное м;нем;пнческое описание нелинейной модели ГСП, которое отражает их реальны Динамические характеристики.

Для упрощения анализа проводится линеаризация нелинейных уравнений разложением в ряд Тейлора в окрестностях начальной точки про-сфанства

Вводя условные обошачения и проведя преобразования по Лапласу, уравнения (I), (2) и (3), описывающие САР ГСП, могут быть представлены в виде:

. (\{l,S+\)y-Al{TlS + \)Pl _ (4)

(\{rtS + \)y - -Aj(/rS' + l)/>2

где Ti... 7'i - постоянные времени соответствующих динамических звеньев; АI, A >, О, О, О - коэффициенты САР ГСП.

Структурная схема, соответствующая системе уравнений (4), приведена на рис.1, г. Следует отметить, что при начальном концентричном положении шпинделя и пренебрежении реакций ГСП от веса шпинделя hl -tu и /'/ /':, из чего следует ('.! - О, А/ А 2, Ti Ti, Ti 7 V В этом случае структурная схема ГСП упрощается, как показано на рис. 2. а.

AS)

Передаточные функции разомкнутой САР ГСП: ¡Урда(Л') * , соответствующие структурным схемам на рис.1, г. и рис. 2. а, имеют вид:

Ггдо+О Qf/^+j)" Wm{S>'...... (ДОЧ!)--------------W

- для неконцентричного положения шпинделя, и

—(6)

- для концентричного положения шпинделя.

Динамические расчеты САР ГСП выполняются с помощью программных пакетов S1AK1 и Mathcad6.0 PLUS.

Предварительные оценки динамического качества САР ГСП удобно сделать с использованием программы SIAM, так как он является более простым и доступным для пользователя, кроме того, пакет S1AM позволяет по-

лучать динамические характеристики (переходный процесс) не только по выходному сигналу, но и по любым другим параметрам системы. Пакет S!AM предоставляет возможность выбора метода численного интегрирования Так, для метода Фельберга (с автоматическим выбором шага интегрирования) задается величина ошибки Результаты расчета переходного процесса представляются в виде графиков По временному графику переходного процесса оценивается устойчивость системы, а также показатели качества переходного процесса - постоянная времени переходного процесса, перерегулирование, декремент колебаний, собственные частоты колебаний системы и др Для построения ЛДЧХ с помощью пакета S1AM в ручном режиме вводится структура разомкнутой САР путем последовательной записи выражений (с именами А, В, С и т. д.) с двумя оперантами (членами), которыми могут быть числа передаточные функции Мп (Мо ■■■ Mv) линейных динамических звеньев введенной модели САР. Если на основании такой предварительной опенки исследуемая САР ГСП оказывается с высокими показателями динамического качества (апериодический переходный процесс, достаточный запас по фазе и т. п.), то дальнейший анализ САР ГСП не требуется В противном случае, продолжение исследования динамического качества является необходимым

Таким образом, полученные' при использовании пакета SIAM неасимптотические J1A4X не всегда удобны для анализа и в случае необходимости коррекции САР, на них не всегда явно видны сопрягающие частоты, например, при большом числе постоянных времени (особенно близких друг к другу по величине). Для синтеза и коррекции САР весьма удобны именно асимптотические ЛАЧХ, которые могут быть получены с помощью пакета Mathcad.

Один из способов построения переходного процесса САР с помощью пакета Mathcad - численное интегрирование системы дифференциальных уравнений, описывающих САР. Так, по методу, основанному на применении изображений Лапласа и Карсона-Хевисайда переходный процесс (переходная функция) строится следующим образом. Переходная функция является результатом обратного преобразования по Карсону-Хевисайду выражения :

S Л } S 1 + W,(S) 5 D(5) • (7)

где р^^ - W.iS), B{S) и Д5)- полиномы.

Далее определяются вещественные и комплексные корни полинома D(S): Ро, Pi ■■■ Рп (например, с помощью функции Polyroots, находящей вектор корней полинома в зависимости от вектора коэффициентов указанного полинома). Тогда переходная функция при единичном ступенчатом воздействии выражается как :

у/1\ ЖО) V г.'

X{t) = im+hn-H(n)-e • <8>

где H(S) = ^ D(S)

Для построения J1A4X используется предварительно полученная математическая модель САР, ее структурная схема и передаточная функция соответствующей разомкнутой (и в случае необходимости замкнутой) САР. Неасимптотичесие ЛАЧХ САР : L(co) ~ 20 lg(A(co)), где А(со) - амплитуда передаточной функции САР ГСП.

По полученным графикам переходного процесса и ЛАЧХ САР ГСП при концентричном и эксцентричном положениях оси шпинделя для каждого варианта следует, что ГСП при концентричном положении шпинделя обладает наихудшими динамическими свойствами. Поэтому дальнейший анализ динамических характеристик ГСП и возможностей их улучшения проведен только для концентричного положения шпинделя.

Для построения асимптотических ЛАЧХ разомкнутой САР ГСП передаточная функция Wpa3(S) системы представляется в виде произведения передаточных функций типовых звеньев:

= (9)

где Wk{S) - передаточная функция k-ro типового звена.

Асимптотические ЛАЧХ типовых звеньев могут быть представлены с помощью кусочно-линейных функций La = Li(lg(a)). В пакете Mathcad 6.0 PLUS кусочно-линейная функция может задаваться с помощью функции if или с использованием программных конструкций.

Тогда искомая асимптотическая ЛАЧХ разомкнутой САР, соответствующая передаточной функции ¡Vpm(S) описывается выражением:

и

LA( lg<u) = A,o(lga>) + LM{\%w)+...+LJb,(\%a) = XXOgo), (Ю)

где LM(\gco) - асимптотическая ЛАЧХ, соответствующая передаточной функции типового звена

Il

Полученные таким образом ЛАЧХ разомкнутой САР ГСП представ-ляютсобой кусочно-линейную функцию. Такие ЛАЧХ удобно модифицировать целенаправленной коррекцией с целью улучшения динамического качества. . '

В третьей главе проведен' приближенный расчет ГСП путем его представления в виде плоской гидростатической опоры (11ГСО) для оценки возможности исключения громоздкого учета влияния криволинейности рабочих поверхностей опор. Результаты упрошенного расчета показывают, что отклонение характеристик 111 СО от ГСП соскшляет меньше 7%, что является допустимым для предварительной оценки динамического поведения ГСП.

Если САР ГСП обладает низкими динамическими показателями, то улучшение (коррекция) ее динамического качества в таком случае является необходимым.

Общий принцип выбора параметров коррекции заключается в выборе таких средств, которые целенаправленно изменяют параметры САР. Это возможно либо посредством влияния на изменения величин исходных постоянных времени, либо введением дополнительных динамических звеньев. Для оценки эффективности улучшения динамических показателей САР ГСП в диссертационной работе рассмотрены 8 возможных способов коррекции : 1) параллельно подключаемой к опоре геометрической емкостью, 2) подключением параллельно карманам гидравлической емкости Си, 3) подключением гидравлической емкости Са между противолежащими карманами, 4) подключением между карманами '-цепей (см на рис.1.в); 5) подключением параллельно карманам дросселей На, 6) подключением дросселей Ru между карманами, 7) изменением значения сопротивления дросселей Ràp, 8) изменением величин давления питания Pu. Проведены корректирующие расчеты динамических характеристик САР ГСП для исходного варианта D = ¡25 ми (переходный процесс и асимтотический ЛАЧХ для исходного варианта показаны на рис.2.в). По полученным результатам сделаны следующие выводы: а) переходный процесс САР в случае применения 1-го, 2-го и 3-го способов становится менее колебательным (с. большим коэффициентом демпфирования) при неизменной статической жесткости ГСП, кроме того, значение Са в 3-ем случае в 2 раза меньше, чем во 2-ом способе, что является следовательно, приемлемым; б) более эффективным и с болыгими возможностями является 4-й способ, при использовании которого переходный процесс корректированной САР может быть обеспечен неколебательным и статическая жесткость ГСП

ад

C,S(T,S +1)

P i(S)-P з{2)

2C,{r,S +1)

Kh(S)

Ф-

1

C,S<rsS + i)

r(S)

A3

P/(5).P2<S)

!гс,(г,g+ixr>TT)1

6)

X(t)

X(0

ШЛАла.' -0.328

■ppfpVv -

от t

0j02

La(u)

60 40

20 0 -20

№

100 1-103 MO4

u

100 HO3 ''MO4

Ы

Pic. 1 Струпура CAP ГСП для концентрпаого положения шейи шшш • деля (а); пра подалючеан корректкрующеА RC-цепи (б); Переходные процессы ■ «сиштогечесив ЛАЧХ САР ГСП для «аод-вогомр1аата(»)1пр»иод1шючев«шКС-цепи (г).

n

остается неизменной, в) при значении Ra близком к R<)p, 5-й способ не даег положительного результата, а при Ra « Rt)p (порядка 30 pai) корректированная CAP может быть неколебательной, но при ном статическая жесткость многократно уменьшается, чш практически исключает возможность его применения на практике станкостроения, i) при использовании 6-го и 7-го способов САР ГСП можно обеспечии. меньшую колебательность САР ГСП при незначительном снижении ее статической жесткости (на 20 + 30 •/о), д) а 8-й способ не дает ощутимою эффекта лаже при большом диапазоне вариации значения давления питания /'« (например, при уменьшении Рн в 100 раз) Таким образом, из всех исследованных методов коррекции наиболее предпочтительным по совокупности статических и динамических характеристик, а также возможности конструктивной реализации является метод использования RC-ценей Структурная схема САР ГСП при концентричном положении шпинделя после подключения RC-ценей представлена на рис 2 6 Предложена методика определения параметров корректирующей цепи, которая потволяет одновременно с синтезом улучшенной ЛАЧХ сразу определять значения параметров корректирующей RC-nemi I рафики переходною процесса и ЛАФЧХ корректированной САР ГСП методом подключения между противолежащими карманами RC-цепей для исходного варианта /> 125 им приведены на рис 2. г

У чещер'-ОЙ (Лаве описана конструкция стенда, проведены разработки испытаний вариантов Н1У на ГСП иевыдвнжного и выдвижною исполнения на стенде и на станках Определены, жесткость ГСП Г 1500 Н/мкм при I'» 6 МПа, нагрузочная способность 23230Н, »мощность холостою хода N - 4,4 кВт при частоте вращения 3150 об/мин (на долю 1 СП приходился 3,8 кВт), установившаяся температура 41°С, максимальная глубина резания 12,0 мм: По сравнению с расчетными данными результаты испытаний являются удовлетворительными, что подтверждает правильность разработанной расчетной методики. Проведено сравнение основных рабочих характеристик ШУ с различным исполнением опор, коэффициент демпфирования d при этом у ШУ на ГСП составляет 0,137, что почти в два раза выше чем у ШУ на опорах качения Установлено, что применение ГСП обеспечивает улучшение основных эксплуатационных характеристик.

В пятой главе представлены рекомендации по проектированию ШУ на ГСП (в том числе автоматизированному) и описание прогрессивных конструкций вариантов ШУ на ГСП повышенной точности и быстроходности, реализованных в тяжелых многооперационном станке мод. 22912Н7Ф4 и гибком производственном модуле ЛР400ПМФ4М. Вопросы

разработки и совершенствования конструкции ШУ па ГСП. внедрения гидростатической смазки в целом носят комплексный характер, т. к. при этом кроме обеспечения работоспособности собственно шпиндельных подшипниковых узлов необходимо одновременное обеспечение высокого технического уровня и других компонентов конструкции ШУ: уплотнения носовой части, системы охлаждения, элементов главного привода и т. п. Дано подробное описание ряда оригинальных конструкций, внедрение которых способствует в наибольшей степени повышению эффективности использования ГСП и рассмотренных средств коррекции (пневматического уплотнения и зажима инструмента, а также устройства охлаждения межопорной полости и блочной конструкции дросселей).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана методика многопарамстрического анализа и расчета ШУ ГСП с использованием программных пакетов S/AM и Mathcad 6.0 PLUS. Данная методика может быть рекомендована для применения при разработке подсистем автоматизированного проектирования ШУ агрегатированного исполнения с использованием методик расчета различных характеристик ШУ и предложенных методик проверочных испытаний.

2. Разработана уточненная математическая модель ГСП, учитывающая кривизну сопряженных поверхостей и повышающая точность расчета динамических характеристик (до 20% для ШУ с диаметром ф 125 мм по запасу по фазе).

3. Выполнена оценка динамического качества ШУ на ГСП серийно выпускаемого оборудования. Установлено, что во всех случаях запас по фазе разомкнутой САР не достаточен и составляет от 4,1° до 22,2°.

4. Разработана с помощью пакета Mathcad программа расчета асимптотических ЛАЧХ, которая позволяет выбирать параметры коррекции разлиными способами. Установлено, что из рассмотренных средств динамической коррекции наиболее эффективным является использование RC-цепей.

5. Разработаная методика коррекции проверена на различных исполнениях ГСП с диаметрами от 65 до 200 мм. Установлено, что на рассмотренных серийнных ГСП без дополнительного конструктивного анализа запас по фазе может быть повышен от 30° до 54°. В работе даны рекомендации по проектированию RC-цепей.

'~6Г Выполнена оценка влияния вариации параметров ГСП на качество САР с целыо учета назначении их при проектировании 1X11. Для эюго исследовано с помощью разработанной методики влияния изменений в возможном диапазоне рабочих параметром САР ГСП. Установлено. что значшелыюе снижение качества происходит при увеличении рабочего зазора (при увеличении на 10 мкм запас по фазе снижается в 2 раза), уменьшении вязкости рабочей жидкоеiи (мри nai реве на 20°С - в 4 раза) и увеличении приведенной массы (при увеличении в 2 раза - снижение на 40%), а увеличение приведенного объема и внешней нагрузки ве;;> i к увеличении» запаси по фазе.

7. Разрабокша меюдика жеперимоияльного исследования ШУ на ['СИ на лабораторном стенде (статические, скоростные и тепловые испытания на холостом ходу), на станке-стенде (динамические испытания и испытания резанием) и на серийных станках.

8. Проведены сравнительные испытания ШУ диаметром 125 мм с различным исполнением опор на специальном стенде, станке-стенде и серийных станках. Установлено, что ШУ на ГСП превосходит варианты ШУ на подшипниках качения и с регулируемым натягом по основным характеристикам: но перегреву подшипников - на 50% и 30% соответственно. по жесткости • на 10 15%, по гочнеоти вращения - до 3-х раз, по ниброусюичивостн - в 2 pata на черновых и на 30% на чистовых операциях, точность чистовою растачивания до 3-х раз.

9. При сопоставлении роулыашв расчеши и экспериментальных характеристик установлено, что их несовпадение не превышает 15%.

К). Расмогрены возможности конструктивною улучшения ШУ на ГСП с целью повышения эффективности их внедрения, среди которых выделены использования пневматических уплотнений, автоматических зажимных устройств, циркуляции охлажденного масла, блочной конструкции дросселей.

И. Показано, что применение комбинированных опор качения и ГСО позволяет заметно снизить расход рабочей жидкости, повысить точность вращения, упростить конструкцию ШУ и снизить потери мощности при незначительном снижении внброустойчнвости.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. Frank. М., Prokopenko V. A., Liu Wei. Dynamic analysis of the characterises of hydrostatic bearings of spindle units for modem high efficiency machine tools. - В кн.: Точность автоматизированных производств. - Пенза. 1997, № 3 4 , с. 57-59.

2. Prokopcnko V. A., Frank. M., I.iu Wei. Mixoplastic improvement technology in exploitaion properties of working surfaces of mobile units of machines. - В кн. : Точность авюмашзированнмх производств. - Пенза. 1997, № 3 4 , с. 117-118.

3. Исследования на ЭВМ динамических моделей гидро- и пнсвмо-систем: Методические указания / Ьурлункий В. С., Либин М. Я., Лю Взй. Прокопенко В. А.. Франк М.. Янкевич А. А. - СПб.: СГ16ГТУ, 1997. - 24с.

4. Лю Взй. Проблема совершенствования подшипниковых узлов в приводах славного движения. - В кн.: Фундаментальные исследования в технических уиивсрси тепах. - СПб.: СГ16ГТУ, 1997. - с. 335-336.

5. Прокопенко В. А.. Лю Взй, Майкл Ф. Исследование методов повышения надежности и качества механообработки при использовании керамических инструментов. - В кн.: Фундаментальные исследования в технических университетах. - СПб.: СНбГТУ, 1997. - с. 303-304.

6. Прокопенко В.А., Лю Взй. Майкл Ф. Автоматизированные методы компьютерных исследований надежности производственных систем. - В кн. : Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлоконструкций и методы их решения. -СПб.: СПбГГУ, 1997. - с. 101-103.

7. Либии М.Я., Лю Взй, Прокопенко В.А. Использование пакета Mathcad для анализа динамического качества гидростатических подшипников. В сб.: Современные научные школы: перспективы развития (часть !). - СПб.: СПбГГУ, 1998. - с. 209 - 210.

8. Лю Взй. Чернов И.А., Прокопенко В.А. Расчет статических и динамических характеристик гидростатических направляющих с помощью пакета Mathcad. В сб.: Современные научные шкоды: перспективы развития (часть I). - СПб.: СПбГТУ, 1998.. с. 210 -211.

9. Лю Взй. Пепсов П.П., Прокопенко В.А. Определение геометрических параметров гидростатических подшипников. 8 сб.: Современные научные школы: перспективы развития (часть I). - СПб.: СПбГГУ, 1998. - с. 211 - 212.



ЩИ»*

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИМ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.822.572

лювэи

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ПОДШИПНИКИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО СТАНОЧНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05. 03. 01 - Процессы механической и физико-

технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор А.И. ФЕДОТОВ

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................8

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................12

1.1. Анализ методик и результатов сравнительных исследований шпиндельных узлов с различными типами опор........................................12

1.2. Анализ конструкций шпиндельных опор жидкостного трения................22

1.3. Анализ конструкций шпиндельных узлов на гидростатических подшипниках..................................................................................................33

1.4. Анализ типов систем управления.................................................................37

1.5. Цель и задачи исследования..........................................................................51

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................................................53

2.1. Методика статического расчета основных параметров шпиндельного

узла на гидростатических подшипниках.....................................................53

2.1.1. Расчет опорных реакций.....................................................................53

2.1.2. Оптимизация шпиндельных узлов по межопорному расстоянию Ь........................................................................................55

2.1.3. Расчет деформаций шпинделя /к на кромке гидростатических подшипников........................................................................................56

2.1.4. Оптимизация размеров перемычек Ьп и радиального зазора ко ....57

2.1.4.1. Определение расходов жидкости ¡0 через опоры гидростатических подшипников..........................................57

2.1.4.2. Определение потерь мощности N.........................................58

2.1.5. Определение основных геометрических и рабочих параметров гидростатических подшипников......................................................59

2.1.6. Расчет фактических статических характеристик гидростатических подшипников......................................................................61

2.2. Методика расчета динамических характеристик гидростатических подшипников.................................................................................................62

2.2.1. Разработка математической модели гидростатических подшипников.......................................................................................62

2.2.2. Линеаризация системы дифференциальных уравнений модели гидростатических подшипников и получение передаточных функций................................................................................................67

2.2.3. Динамические расчеты системы автоматического регулирования гидростатических подшипников с помощью пакетов 5Х4М...71

2.2.3.1. Алгоритм работы с пакетом 5Х4М.......................................71

2.2.3.2. Моделирование переходного процесса...............................72

2.2.3.3. Анализ линейных систем автоматического регулирования с помощью метода ЛАФЧХ...................................72

2.2.4. Анализ динамического качества систем автоматического регулирования гидростатических подшипников с помощью пакета МаМсас!.................................................................................73

2.2.4.1. Особенности ввода математической модели системы автоматического регулирования.......................................73

2.2.4.2. Порядок расчета переходного процесса..........................74

2.2.4.3. Построение ЛАФЧХ линеаризованной системы по передаточной функции.......................................................75

2.2.5. Приближенный метод расчета гидростатических подшипников.77

2.3. Методика экспериментального определения статических и динамических характеристик шпиндельных узлов..................................82

2.3.1. Методика исследования на лабораторном стенде.............................82

2.3.1.1. Описание лабораторного стенда для исследований характеристик шпиндельных узлов на гидростатических подшипниках............................................................................82

2.3.1.2. Методика определения жесткости и нагрузочной способности..............................................................................85

2.3.1.3. Методика измерения геометрической точности вращения шпинделя.................................................................89

2.3.1.4. Методика исследования теплового состояния шпиндельных узлов на гидростатических подшипниках.....................90

2.3.1.5. Методика измерения момента сопротивления при вращении и мощности холостого хода..................................91

2.3.2. Методика испытаний на станке-стенде...............................................93

2.3.2.1. Краткое описание станка-стенда и условий эксплуатационных испытаний объектов исследования........................93

2.3.2.2. Методика измерения тепловых деформаций........................93

2.3.2.3. Методика определения динамических характеристик.........97

2.3.2.4. Методика испытания резанием.............................................101

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ИССЛЕДУЕМЫХ ВАРИАНТОВ ШУ НА ГСП И

УЛУШЕНИЕ (КОРРЕКЦИИ) ИХ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА..........105

3.1. Определение статических и динамических характеристик для

исследуемых ШУ на ГСП............................................................................105

3.1.1. Определение статических характеристик ШУ на ГСП.........................105

3.1.2. Определение динамических характеристик ШУ на ГСП.....................106

3.1.2.1. Расчет коэффициентов и постоянных времени САР ГСП......106

3.1.2.2. Определение динамических характеристик САР ГСП с помощью пакета SIAM.................................................................106

3.1.2.3. Определение динамических характеристик САР ГСП

с помощью пакета Mathcad.........................................................107

3.1.2.4. Приближенный расчет динамических характеристик

САР ГСП.......................................................................................108

3.2. Определение влияния вариации параметров САР ГСП на ее динамическое качество................................................................................109

3.3. Методы улучшения (коррекции) динамического качества САР ГСП...111

3.3.1. Корректирующие средства и принципы их синтеза по JLA4X.....111

3.3.2. Выбор параметров динамической коррекции САР по асимптотическим JIA4X...................................................................112

3.3.3. Методы динамической коррекции САР ГСП.................................113

3.3.3.1. Коррекция с помощью геометрической емкости..............113

3.3.3.2. Подключение параллельно карманам опоры гидравлической емкости......................................................115

3.3.3.3. Подключение гидравлической емкости между противолежащими карманами............................................116

3.3.3.4. Подключение между карманами опоры RC - цепей.........117

3.3.3.5. Подключение параллельно карманам дросселей Ra.........120

3.3.3.6. Подключение дросселей между противолежащими карманами опоры..................................................................123

3.3.3.7. Изменение сопротивления дросселей настройки Rdp......124

3.3.3.8. Изменение значения давления питания Рн....................„..125

3.3.3.9. Общая оценка способов коррекции....................................126

3.3.4. Определение динамических показателей исследуемых

вариантов ГСП при коррекции способом RC - цепей..................127

3.3.4.1. Оценка возможностей коррекции вариантов ГСП

RC - цепями......................................................................„..127

3.3.4.2. Расчет динамических характеристик САР ГСП при наличии эксцентриситета после подключения

RC - цепей............................................................................128

4. ИСПЫТАНИЕ ШПИНДЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКАХ........................................................................132

4.1. Испытание ШУ на ГСП на лабораторном стенде....................................132

4.1.1. Конструкция стенда...........................................................................132

4.1.2. Определение радиальной жесткости и нагрузочной способности........................................................................................134

4.1.3. Определение Мощности холостого хода........................................138

4.1.4. Тепловые испытания.........................................................................138

4.2. Результаты испытаний ШУ на ГСП на станке - стенде...........................142

4.2.1. Силовое фрезерование на станке - стенде.......................................143

4.2.2. Силовое растачивание на станке - стенде.......................................145

4.2.3. Чистовое растачивание на станке - стенде......................................147

4.3. Испытание станка модели ЛР400ПМФ4М с ШУ на ГСП.......................149

4.3.1. Определение потерь мощности холостого хода главного привода................................................................................................149

4.3.2. Тепловые испытания станка модели ЛР400ПМФ4М....................150

4.3.3. Испытание станка модели ЛР400ПМФ4М резанием.....................153

4.3.3.1. Фрезерование стали на станке.............................................153

4.3.3.2. Точностное растачивание стали..........................................153

4.3.4 Динамические испытания станка модели ЛР400ПМФ4М............155

5. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ НА

ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКАХ..............................................159

5.1. Рекомендации по автоматизированному проектированию шпиндельных узлов на гидростатических подшипниках...................159

5.2. Анализ особенности конструкций ШУ на ГСП...................................163

5.2.1. Особенность конструкций уплотнения переднего конца ШУ.164

5.2.2. Особенности конструкций зажимного устройства...................168

5.2.3. Особенности конструкций для циркуляции

рабочей жидкости..........................................................................171

5.2.4. Особенности конструкций управляющего дросселя для ГСП. 173

5.2.5. Особенности конструкций корректирующих RC - цепей........176

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..............................................177

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................181

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................198

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на то, что станкостроение во всем мире в настоящее время переживает спад, в КНР наблюдается подъем. Это позволило КНР занять пятое место в мире по объему выпуска станков. Тем не менее, уровень потребления станков на душу населения в КНР остается значительно ниже, чем в других странах (2,64 долл. В 1993 г., тогда как среднемировое значение составляло 17,3 долл.) [100].

Потребление станков в КНР повысилось главным образом за счет их импорта, который с 1983 г. по 1993 г. увеличился более чем в 10 раз и составил в 1993 г. 1,5 млрд. долл. Динамика объема производства и импорта станков в КНР с 1983 г. по 1993 г. показана в табл. 1.

Таблица 1.

Динамика объема производства и импорта станков в КНР с 1983 г. по 1993 г.

Год Производство млн. долл. Импорт млн. долл. Доля импорта к объему производства, %

1983 1054 73 6,9

1984 1004 87 8,7

1985 1101 210 19,1

1986 1300 501 ' 38,5

1987 1304 494 38,0

1988 1482 562 37,9

1989 1963 546 27,8

1990 1468 543 37,0

1991 1820 604 33,2

1992 1680 840 48,0

1993 1750 1520 86,8

В это десятилетие развитие рынка станков в КНР шло по двум направлениям: во-первых, возрастал спрос, главным образом, на сложные и прецизионные станки, потребность в которых можно было реализовать только за счет импорта, а во-вторых, китайские предприятия, зарабатывая все больше валюты

на внешнем рынке, получали возможность приобретать высококачественные зарубежные станки, не прибегая к услугам посреднических организаций.

Высококачественные станки попадают в КНР, главным образом, из Японии, а также из Западной Европы. К числу важнейших потребителей импортных станков в КНР относятся общее машиностроение, а также производство инструментов и оснастки. Все более важную роль в импорте станков начинают играть автомобильная и авиакосмическая промышленность.

Рад тенденций указывает на то, что значительный спрос на станки (как отечественные, так и импортные) сохранится и в последующие годы. Это подтверждается тем, что темпы роста промышленной продукции в КНР постоянно превышают общие темпы роста народного хозяйства. Типичным примером является автомобилестроение, (особенно выпуск легковых автомобилей) еще 10 лет назад играло малозаметную роль, однако в последнее время ежегодные темпы его роста достигли 40%, и оснований опасаться перелома этой тенденции нет.

В целом китайский рынок станков обладает огромным потенциалом. Кроме непосредственного допуска зарубежных фирм на собственный рынок, КНР предлагает им возможность использования достаточно дешевого пока сырья, рабочей силы и т. д., что значительно удешевляет производимые в КНР станки и способствует их сбыту в азиатском регионе [108].

Таким образом, китайское станкостроение стремится создать более прогрессивную технологию с автоматизацией и механизацией производственных процессов, чтобы любое инженерное решение имело целью постоянное возрастание вклада науки и техники в производство.

Конкретные направления намеченных работ представлены в целевой комплексной программе по повышения технического уровня металлорежущего оборудования Министерства станкостроительной промышленности на период до 2010 года.

В связи с отмеченной динамикой развития станкостроения в КНР не трудно сделать вывод о том, что рост потребности в станках высокого технического уровня постоянно опережает рост их производства. Для решения данной проблемы пути увеличения темпов производства новых станков и объемов импорта не являются эффектными и экономичными. Таким образом, модернизация действующего парка станков, и в частности, приводов главного движения, повышение их быстроходности, нагрузочной способности, виброустойчивости и точности является чрезвычайной актуальной задачей перед станкостроителями Китая. В настоящее время в Китае для этого не хватает ни специалистов, ни доступных методик, поэтому данная диссертация, посвященная разработке методов расчета и проектирования подшипниковых узлов для приводов главного движения имеет особое значение для станкостроения Китая.

Одним из наиболее эффективных средств на пути совершенствования металлорежущих станков, повышения их производительности и точности является улучшение качества конструкций отдельных узлов и, в частности, шпиндельных устройств, являющихся одним из важнейших составных элементов любого металлорежущего станка (MPC). Для этой цели кроме совершенствования шпиндельных опор на традиционных видах подшипников качения перспективным в настоящее время является использование и других типов опор, прежде всего гидростатических подшипников (ГСП) (особенно для шпиндельных узлов тяжелых станков) [5, 49]. При этом износ опор шпинделя практически полностью исключается, кроме того, существенно повышаются виброустойчивость, точность (и длительность ее сохранения), снижаются потери на трение, улучшается термостабильность станка, проще решаются проблемы встраивания и эффективного использования систем адаптивного управления. В направлении создания шпиндельных узлов (ШУ) на гидростатических опорах (ГСО), к настоящему времени выполнено значительное количество как теоретических, так и экспериментальных работ. Однако, вопросы совершенствова-

ния шпиндельных устройств с целью повышения их производительности (в том числе и повышения быстроходности, особенно, шпинделей тяжелых MPC для более эффективного использования возможностей современного режущего инструмента), точности, долговечности, надежности, а также повышения технологичности конструкций требуют дальнейших разработок.

Нередко отказ от использования ГСП объясняют дополнительными затратами на систему питания. Но для обеспечения функционирования современного автоматизированного тяжелого MPC (систем гидроуравновешивания, смены столов-спутников и т. д.) требуется использование достаточно мощной станции гидроприводов. Поэтому применение ГСО в таком оборудовании становится целесообразным и с точки зрения экономичности конструкции.

Основной целью настоящей диссертационной работы являются комплексные исследования статических и динамических характеристик ГСО с последующей оценкой качества управления системой автоматического регулирования (САР) ГСП (точности, устойчивости, запаса устойчивости и быстродействия), разработка различных способов для улучшения (коррекции) динамического качества ГСП, совершенствование конструкций ШУ на ГСП, обладающих более высокими производительностью и другими эксплуатационными характеристиками с внедрением лучших разработок в современные многооперационные станки и составление научно обоснованных рекомендаций для проектирования.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ методик и результатов сравнительных исследований шпиндельных узлов с различными типами опор

Современное развитие металлообработки в условиях мелко- и среднесерийного производства характеризуется переходом от станков с ЧПУ и многооперационных станков к автоматизированным системам, построенным по принципам так называемой "малолюдной" технологии [42, 50, 73, 128]. Указанная тенденция приводит к значительному изменению требований, предъявляемых как в общем к технологическому оборудованию, так и к ШУ в частности.

Условия эксплуатации станочных модулей в гибких производственных системах (ГПС) порождают новые дополнительные тенденции в развитии и совершенствовании MPC. Перспективными для использования в ГПС являются станки, обеспечивающие по возможности полную обработку изделий без последующих финишных операций. ШУ такого гибкого производственного модуля (ГПМ), с одной стороны, должен обладать высокими жесткостью и нагрузочной способностью для обеспечения производительной обработки на черновых режимах; с другой стороны - не�