автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Обеспечение требуемой точности размеров изготавливаемых деталей валов с помощью автоматической самоорганизующейся технологической системы

На правах рукописи КАРАЕВ МАЛИК ФИКРЕТ оглы

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОЙ ТОЧНОСТИ РАЗМЕРОВ ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ ВАЛОВ С ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЧЕСКОЙ САМООРГАНИЗУЮЩЕЙСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05, 02. 08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РГ6 од

1' —

МОСКВА - 1996 г.

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени технологическом университете "СТАНКИН"

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор Колесов И. М.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Султан- заде Н. М.

- кандитат технических наук, доцент Грушевский Е. А.

Ведущее предприятие: - АО "Красный пролетарий"

Защита состоится "27" июня 1996 года в.....час. на заседании

Специализированного Совета К 063. 42. 04 при МГТУ "СТАНКИН" по адресу 101472, ГСП, Москва, К 55, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "СТАНКИН"

Автореферат разослан "27* мая 1996 года.

Ученый секретарь специализированною совета к. т. н., доцент Горшков А. р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Одной из главных задам автоматизации производственных и технологических процессов в машиностроении на современном этапе яаляетси возмещение умственной деятельности человека с помощью технических средств. В связи с этим наблюдается повышенный интерес к системам управления, наделенным интеллектуальными свойствами, появившимися в результате новейших исследований в областях теории управления, вычислительной техники, анализа операций и т. д. Эффект, получаемый в результате применения таких автоматических систем, заключается в повышении качества изготовляемых деталей, снижении аремени обработки, уменьшении стоимости изготовления деталей.

Несмотря на отдельные примеры удачного решения задач по повышению уровня автоматизации станков и оснащения их вычислительной техникой, роль человека на рабочем месте остается значительной. Особо сложным, при этом, оказывается обеспечение требуемой точности деталей автоматическом путем. Решение этой проблемы открывает принципиально новые пути значительного повышения точности и эффективности использования различного металлообрабатывающего оборудования, и. лревда все го, станков с ЧПУ.

Существующие автоматические системы управления точностью корректируют возникающие отклонения в ходе обработки заготовок. Однако организация процесса автоматического управления точностью, настройка ТС и' самих устройств автоматического управления точностью остаются за человеком. В частности, не учитываются особенности получения размеров различных типов, соотношения допусков и потенциальных возможностей ТС и т. д.

В сьиэи с этим стпног.пс^ ом'»альмо« роггзчоЕка ¿-«¿>-1" оО управлении точностью процесса изготовления деталей полностью автоматическим путем, с охватом вышеуказанных действий по обеспечению точности

Цель работы Исследование возможностей создания самоорганизующейся технологической системы (СТС) на уровне выявления ее функций и структуры.

Методы исследования. Теоретические исследования механизма образования погрешностей обработки проводились с использованием основных положений технологии машиностроения, метода - системного анализа. Аналитические разработки решались на основе использования методов теории

случайных функций, теории автоматического управления. При решении отдельных задач применялись некоторые принципы САПР. Экспериментальные исследования проводились на базе токарного станка мод. 16А20ФЗ с ЧПУ.

Научная новизна. В работе получено новое решение актуальной научной задачи по изучению пути обеспечение точности размеров изготовляемых деталей полностью автоматическим путем. Решение этой задачи состоит в следующем:

1. Выявлен состав технологических и информационных задач, связанных с обеспечением требуемой точности размеров изготовляемых деталей на этапах подготовки к выполнению операции, установки заготовки, настройки ТС и в ходе обработки заготовки.

2. Разработаны пути их автоматического решения с учетом особенностей получения размеров разных типов.

3. Разработаны теоретические положения организации процесса достижения заданной точности.

4. Предложена структура СТС и выявлен состав исходных данных для ее автоматической реализации, а также алгоритмическое и программное обеспечение действия этой системы.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны основные положения по созданию СТС, позволяющие расширить технологические возможности станков с ЧПУ в смысле достижения заданной точности размеров изготовляемых деталей. В частности:

1. Предложенный метод автоматического достижения требуемой точности позволяет организовать процесс обеспечения точности деталей в зависимости от конкретной ситуации: соотношения допусков, ограничивающих отклонения выдерживаемых размеров, и потенциальных возможностей ТС.

2. Разработанные принципиальные положения по построению САПР УП, составляют основу автоматического изготовления УП для СТС, обеспечивающих управление обработкой поверхностей заготовок и точностью обработки.

3 На основе созданных методик разработанные программы позволяют автоматически выполнять функции:

- организации процесса статической настройки (поднастройки) ТС;

- выбора рекомендуемых фрагментов УП в зависимости от исходных данных.

Реализация работы Основные результаты работы внедрены

кафедрой " Технология машиностроения " МГТУ " СТАНКИН " в учебный процесс в риде материалов, дополняющих раздел " Адаптивное управление " в курсе . Основы технологии машиностроения

Апробация работы. Результаты работы докладывались и были одобрены на кафедрах " Технология машиностроения " МГТУ "СТАНКИН1' в течение 1992 - 1995 г. и " САПР в машиностроении " Аз. ТУ в 1995 г.

Публикации, По материалам диссертации опубликовано 2 печатных работы. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит страниц включая 67 рисунков и 21 таблиц, список литературы из 104 наименований и приложения в конце работы

ОСНОВНЫЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и дана ее общая характеристика

В первой главе проведен обзор существующих отечественных и зарубежных разработок по созданию автоматических систем управления точностью обработки.

Исследованию возможностей и созданию таких систем посвящено много работ, выполненных под руководством Б.С.Балакшина, Д.В.Чарнко, Л.А.Глейзера, А.П.Соколовского, А.Н.Альтшуллера, И.М.Колесова и ряда других известных ученых. Проведенный обзор научно-исследовательской литературы в этой области позволил установить следующее:

1. Адаптивным управлением точностью охватывается в основном лишь процесс непосредственной обработки заготовок и в большинстве своем решение маетны* задач С помощью одних систем стабилизируются DO времени значения центра группирования М(х),. В задачу других систем ставится повышение точности путем уменьшения значения мгновенного поля рассеивания <», Однако стадии подготовки к осуществлению операции, настройки ТС, включая настройку средств автоматического управления точностью, а также управление состоянием процесса обработки одновременно по показателям М(х), и м, выдерживаемых размеров не охвачены.

2 На сегодняшний день проделано большое количество работ по оснащению станков системами автоматического управления с цепью повышения точности

обработки в основном диаметральных размеров валов . К числу таких работ можно отнести работы А.С.Атаманова, Б.М.Базрова, М.М.Тверского, С.С.Моденова и другие работы, выполненные коллективами кафедры " Технология машиностроения " МГТУ "СТАНКИН", Ленинградского политехнического института, а также ЭНИМС и другими организациями. Однако ограниченная выборка конструкций валов показала, что жесткие требования к точности могут предъявляться и к линейным размерам валов. Формирование же линейных размеров в зависимости от их типов в ходе обработки заготовок может идти различными путями. Все это приводит к тому, что для изготовления партии деталей другого наименования необходима своя структура операции и свой подход к обеспечению точности выдерживаемых размеров. Поэтому СТС должна не только вести управление точностью обработки по показателям и он , но и формировать структуру процесса управления

точностью.

Э. Анализ конструкций валов, изготовляемых на действующих предприятиях машиностроения, показал, что к различным размерам одной и той же детали предъявляются разные требования к точности. Следовательно, в зависимости от предъявляемых требований планы действий по достижению требуемой точности различных размеров могут быть разными и должны вырабатываться СТС с учетом требований к точности и потенциальных возможностей ТС.

Вышеизложенное позволяет сказать, что на сегодняшний день не решенной остается задача автоматической организации достижения требуемой точности. Решение этой задачи позволит автоматическим путем определять значения рабочих 'настроечных размеров, вырабатывать планы действий по управлению показателями M(x)t и <•>, состояния процесса в зависимости от предъявляемых требований к точности размеров изготовляемых деталей.

Таким образом, несмотря на наличие большого количества выполненных работ, задача создания ТС, автоматически обеспечивающей изготовление деталей с требуемой точностью, полностью не решена и продолжает оставаться актуальной.

На основе вышеизложенного сформулированы основные задачи работы:

1. Провести комплекс экспериментальных исследований с целью изучения происхождения и значимости отклонений диаметральных и линейных размеров партии изготовляемых валов на этапах установки заготовки, настройки ТС и в ходе обработки заготовок.

2 Анализируя материалы натурных исследований, выявить задачи

автоматического управления точностью обработки в зависимости от схемы ' получения размеров для различных этапов операции и пути их решения с

применением систем автоматического управления.

3. Выявить смысл, задачи и условия организации процесса достижения требуемой точности выдерживаемых размеров, изготовляемых деталей.

4. Разработать принципиальную схему СТС, раскрыть ее структуру и принцип работы.

5. Разработать принципиальные положения по построению САПР УП для СТС, обеспечивающих автономную работу станка и систем управления обработкой поверхностей заготовок и точностью обработки.

Во второй главе изложены результаты экспериментальных исследований, проведенных на токарном станке мод. 16А20ФЗ с ЧПУ.

Исследования точностных возможностей станка велись с тем, чтобы выявить состав и активность факторов, под влиянием которых формируются значения показателей М(х), и при том состоянии станка, в каком он находился. Никаких мер по повышению точности станка при этом не предпринималось. Исследованием были охвачены все три этапы операции. Были оценены значения полученных отклонений, вскрыты причины их возникновения и е зависимости от значимости этих отклонений установлена необходимость в их автоматической компенсации.

На этапе установки заготовки были проведены 100 измерений положения пяти заготовок и определены поля рассеивания погрешностей, возникающих на этом этапе. Погрешность установки заготовок в радиальном и осевом направлениях составили:

«уста=0.106 мм, (j)ycTL=0.18 мм.

Анализ причин возникновения погрешности установки показал, что проасденисм ряда мероприятий рассеивание значений погрешности установки в радиальном направлении можно уменьшить до допустимого предела. Что касается осевого направления, то при совокупном проявлении погрешности установки и колебания длины заготовки значение возникающей погрешности в осевом направлении а большинстве случаев может превышать допуск на выдерживаемые линейные размеры. Значительность влияния этих факторов на точность ряда линейных размеров приводит к выводу о необходимости в автоматической компенсации их действия. Поскольку совокупное отклонение проявляется на этапе установки, то компенсировать его можно только после установки заготовки.

Исследование статической настройки ТС было начато с изучения геометрической и кинематической точности станка. Результаты этой части исследования были следующими:

1. Радиальное биение оправки, установленной в патроне, составило в сечении оправки, находящемся на расстоянии 30 мм от торца кулачков, е=0.09 мм. Осевое перемещение шпинделя определялось на 50 оборотах шпинделя. Его значение не превысило 0.005 мм.

2. Отклонение от параллельности оси оправки направлению движений режущего инструмента составило 0.24 мм / 360 мм. Оно оказалось существенный из-за большого смещения в горизонтальной плоскости заднего центра относительней переднего. Такого рода отклонение снижает точность статической настройки ТС. Однако оно поддается регулированию при первоначальной настройке ТС и не нуждается в автоматической компенсации.

Точность перемещения режущего инструмента на холостом ходу при режиме! S=0.05 мм/об, п=200 об/мин оценивалась путем определения средних значений отклонения перемещения инструмента, которые составили AZ=0 046 мм; ДХ=0.03 мм.

Далее был исследован сам процесс настройки ТС и на основе анализа полученных данных изучались пути уменьшения ее погрешности. Исследованием были определены средние значения погрешности настройки, величины И координаты середин полей рассеивания значений погрешности »¡астройки, который составили:

A1hcpl=0.02mm, A2„cpl=0.037мм, д'«р<1=0.044мм, Д2НСр<1=0.033мм;

й>1в[.=0-037мм, ю2и1.=0.121мм, м1„о=0.153мм, <о2на=0.101мм;

Д'„н1=+0.01мм, Д2„И1=+0.006мм, Д1иЖ(=+0.007мм, ДгшЖ)=+0.006мм.

Полученные данные показывают, что погрешность настройки может способствовать значительному смещению положения M(x)i относительно рабочего настроечного размера. Было установлено, что его положение после проведения автоматической статической настройки определяется зависимостью:

М(х)д„=Ар± Дс,.н± Дуср..

а после проведения динамической настройки, автоматическим путем, находится в пределах:

M(X)VA,± Ддн,

где Дет*, соответственно, погрешности статической и динамической настройки,

вносимых устройствами систем автоматического управления; ДуСр. - величина упругого перемещения, зависящая от средних значений припуска и твердости материала.

Раскрытие размерных цепей ТС, возникающих в процессе настройки ТС, позволило выявить причины отклонений положения M(x)t от требуемого, что дало возможность сделать вывод о том, что для достижения требуемой точности статической настройки ТС автоматическим путем необходимо:

1. Обеспечить требуемое положение нуля станка в системе координат ТС.

2. Обеспечить требуемое положение вершимы режущего инструмента относительно базирующих поверхностей 3-х кулачкового патрона путем компенсации возникшего отклонения размера, определяющего положение вершины резца относительно нуля станка

Экспериментальным путем исследовались и причины возникновения погрешности настройки ТС при автоматическом переходе к получению другого размера. Результаты этого исследования составили:

Л,.и1=-0 004 мм. ¿.,«j=a 03 мм. Л,»1 и ,\ „о - величины дополнительной погрешности, возникающие при переходе от получения одного размера к другому.

Погрешность настройки ТС при переходе формируется по следующей схеме,

рис.1.

Согласно представленной схеме, погрешность настройки ТС при переходе к получению размера ¿г складывается:

Дна2= -Арог + Ара, + Дн0, - (d,-d2)yn - Ad,

где ДН(Л - погрешность настройки ТС на размер di в момент перехода к получению размера d2; Ad - отклонение от запрограммированного перемещения ЛАР

Амапиз причин cosnvrcicich.i^ отююпения значений A«di и Ad позволил установить, что для автоматического обеспечения требуемой точности других значений диаметральных и линейных размеров при переходе по программе одним инструментом требуется:

1. Произвести статическую поднастройку ТС перед переходом к получению другого размера.

2. Компенсировать влияние разницы упругих перемещений ТС, возникающих в результате изменения припуска на обработку.

Рис.1. Схема образования погрешности настройки ТС, возникающей при переходе по программе к получению другого размера.

.В работе исследовались и задачи, связанные с обеспечением требуемой точности настройки ТС при переходе к обработке другим инструментом, а также к изготовлению деталей другого наименования. Раскрытием схем образования погрешностей настройки были выявлены факторы вызывающие отклонения. Эта часть исследования позволила определить состав задач, необходимых для достижения поставленной цели:

1. Для автоматического обеспечения точности настройки ТС при переходе по программе к обработке другим инструментом необходимо:

- на этапе статической настройки (при выходе инструмента в исходную точку) обеспечить требуемое положение вершины режущего инструмента относительно баз станка, несущих обрабатываемую заготовку;

- на этапе динамической настройки, с целью совмещения положений М(х)< с Ар. компенсировать влияние величины среднего значения упругого перемещения путем внесения поправки в размер статической настройки.

2. Для обеспечения требуемой точности настройки ТС при автоматическом . переходе к изготовлению деталей другого наименования требуется:

- обеспечить новое положение нуля станка в системе координат станка с требуемой точностью;

- произвести статическую лоднастройку ТС;

- произвести динамическую настройку ТС, с целью компенсации разницы упругих перемещений ТС.

На этапе динамической настройки исследования проводилась с целью изучения степени влияния динамических факторов на состояние процесса обработки. Исследованием охвачены:

- жесткость ТС;

- размерный износ режущего инструмента;

-тепловые деформации ТС.

Значение характеристики жесткости ТС определялись экспериментальным путем по методике А.П.Соколовского Значения упругих перемещений при изменении глубины резания At=0.5-1.5 мм составили Ду=0.13-0.17 мм. А значения характеристики жесткости ТС колебались в пределах ¡=2399-6269 н/мм.

После сравнительного анализа полученных данных в работе был предложен способ управления показателями M(xJt и а,, согласно которому требуется: .

- при черновой обработке вести управление размерами динамической и статической настройки внесением поправки в размер динамической настройки путем изменения значений подачи по результатам измерения отклонений от рабочего настроечного размера.

- при чистовой обработке управлять положением М(х>| коррекцией размера статической настройки с охватом всех систематических факторов.

Результатами остальных эксперименюа, проведенных на этапе динамической настройки являлись:

1. Размерный износ режущего инструмента при обработке 44 заготовок (длина пути t=16800м) составлял: Ud=0.13MM, Ui=0,02mm.

2. Тепловые деформации ТС при обработке 20 заготовок вызывали смещения: Д М(х)м=0.095мм, Д М(х)а.=0.065мм.

3. Тепловые деформации ТС при работе с перерывами:

за время обработки 6-ти заготовок с перерывами в течение ЗОмин Д М(х)и=0.03-0.07мм, Д М(х)ц.=0.02-0.08мм;

- во время простоя станка в 1час Л M(x)ld=0.035MM, Д М(х)ц=0.005-0.12мм. Обобщая результаты исследований, касающихся размерного износа инструмента и тепловых деформаций ТС, был сделан вывод о том, что и размерный износ режущего инструмента и тепловые деформации ТС, приводящие к смещениям положения M(x)t , требуют их учета при настройке ТС перед обработкой и своевременной поднастройки ТС в процессе обработки заготовок.

И наконец, был проведен эксперимент по исследованию точности 4-х типов получаемых размеров деталей: размера А, получаемого непосредственно от технологической базы; размера Б, получаемого через два размера, выдерживаемых от одной и той же технологической базы; размера В, получаемого со сменой баз, и диаметрального размера d. В результате исследования выяснилось, что точность 4-х типов выдерживаемых размеров у 20-ти изготовленных деталей оказалась различной и составила:

<яа=0.146мм, соб=0.098мм, ма=0.337мм, cos=0.089mm; ДМ(х)А=0.016мм, ДМ(х)б=0.004мм, ДМ(х)в=0.033мм, ДМ(х)<1=0.019мм. Полученные данные позволяют заключить, что организация процесса достижения требуемой точности размеров изготовляемых деталей должна начаться с выявления типов-размеров, получение которых предопределено построением технологического процесса.

третья глава работы начата с рассмотрения теоретических положений, лежащих в основе автоматического управления точностью обработки.

Состояние процесса в части достигаемой точности деталей в избранный момент времени t* характеризуют два показателя: М(х)жА и о)щА выдерживаемого размера А.

Как показали исследования, значение М(х}«А зависит от совокупного действия систематических факторов и определяется зависимостью: М(х),кА= Ар ± Дс „ - Д, + Др.и ± Дуср • Значение ы«* определяется совокупным действием случайных факторов и зависит от суммы величин:

<»,КА= («уст + <»0 + <■>>+ A.I.

где Ар- рабочий настроечный размер, т. е. размер к достижению которого надо стремиться при настройке станка; Д„ Др.и, Дуср- смещения М(х),А под воздействием соответственно тепловых деформаций ТС, размерного износа инструмента и изменения среднего значения упругих перемещений в ТС; wL- поле рассеивания

значений длин заготовок; Д„д- приращение мгновенного поля рассеивания из-за •затупления режущего инструмента.

Задача автоматического управления точностью обработки заключается в управлении положением М(х), и величиной <»t с целью обеспечения на требуемом уровне,

- начальное состояние процесса, характеризуемое ожидаемым значением и положением мгновенного поля рассеивания относительно Ар;

- текущее состояние процесса, в ходе которого под совокупным воздействием случайных факторов изменяется значение мгновенного поля рассеивания, а под воздействием систематических факторов его положение относительно границ поля допуска.

Поскольку факторы, влияющие на точность размеров изготавляемых деталей, проявляют себя на разных этапах операции, то контроль их действия и управление этими факторами должны осуществляться на этапах установки заготовки, статической настройки ТС и в ходе процесса обработки заготовки

На этапе установки заготовки суммарную погрешность, возникающую под совокупным влиянием погрешности установки и колебания длины заготовки в осевом направлении, можно рассматривать как отклонение от требуемого положения противобазового торца заготовки относительно опорной базы создаваемой патроном. Это позволяет следить за суммарной погрешностью путем измерения положения противобазового торца заготовки относительно опорный базы, что равноценно переносу измерительной базы на правый торец. Компенсацию суммарного отклонения Дуст+Ди можно осуществить с помощью системы автоматической компенсации (САК ) путем изменения положения исходной точки инструмента блок-схема такой системы была разработана.

САК предназначена компенсмрсвзти суммарные отклонении юлило lex размеров, получение которых идет со сменой технологической базы Поэтому перед изготовлением каждой новой партии деталей должны быть выявлены размеры, нуждающиеся в компенсации и исполнение ее процедуры запрограммированы

На этапе статической настройки ТС предложенная в работе система автоматической настройки (САН ) создает возможность автоматического перехода от изготовления одной партии деталей к другой. С помощью этой системы автоматически устанавливается с требуемой точностью нуль станка и обеспечивается точность положения вершины инструмента относительно опорной

базы патрона. В ходе процесса обработки партии заготовок эта же система позволяет автоматически производить статическую поднастройку ТС. Точность настройки для станка мод.16А20ФЗ составляет 0.017мм. Необходимость в автоматической переустановке положения нуля станка определяется на основе разниц линейных и диаметральных размеров предыдущей и текущей партии деталей.

На этапе динамической настройки, управление реализуется системой автоматического управления (САУ) по показателям М(х), и а,. В работе предложена блок-схема САУ, согласно которой управление показателем «i ведется при черновой обработке. Путем измерения размера Аизм определяется значение отклонения Ai от Ар1 , возникающего после предпоследнего прохода (Л,= Ар1- A„w) и с учетом его значения с помощью выведенной формулы:

S,CT=\/tf,Si1,/( to+Дм)",' (to ив,- заданные значения глубины резания и подачи) вычисляется значение скорости регулируемой подачи'для последнего прохода.

Преимуществом этого способа является следующее:

- значение регулируемой подачи определяется до врезания инструмента в заготовку, что исключает изменение шероховатости на обрабатываемой поверхности;

- управление можно вести при любых значениях глубины резания. При этом интервал изменения регулируемой подачи будет незначителен.

Управление значением M(x)i осуществляется после чистовой обработки периодически. По результатам измерения размеров нескольких изготовленных деталей определяется групповой средний размер Афер и по его значению вычисляется величина поправки вносимая в размер статической настройки (Л«= Аф ср~ Ар). '

Далее в работе дана общая структура выявленных задач Однако было установлено, что структуры задач разных типо-размеров могут быть разными в зависимости от схемы их получения. Поэтому раскрытием технологических размерных цепей каждого типо-размера были определены схемы формирования значений показателей М(х), и ш, и значений рабочих настроечных размеров, образуемых в результате получения двух других размеров одним или разными инструментами. Фрагмент решения этой задачи на примере получения размера типа В представляется в следующем виде.

Технологическая размерная цепь выдерживаемого размера типа В будет иметь вид, показанный на рис.2. Номинальный размер замыкающего звена размерной цели В определяется формулой:

ВЛ=-В, + В2.

Размер В1 является замыкающим звеном технологической размерной цепи Б1 и его значение зависит от значений следующих составляющих звеньев: В1 = Б1д=-Бц + Б12.

&г

<^6

В=Е>л

А'г

5>

Ра

Б и = Ал

IА — Б«

= &1А

Д ^станобка.

2,4

С

/и

"Г ■установка.

I' 5'

А* <>

и.Т

4*

Гг

П =6<2

Л

Рис.2. Получение размера типа В.

Ввиду того, что при получении размера В1 = Б1Л одним из составляющих звеньев этой размерной цепи Б< является длина заготовки, то отклонение размера В1 = Б1, может оказаться значительным. Поэтому было установлено, что для повышения точности размера В) = Б)Л необходимо перенести измерительную базу на правый торец заготовки и настраивать ТС на обработку каждой заготовки. В этом случае размер Би будет являться замыкающим званом размернбй цепи Г: Бп= Г, = Б,2- Г2 - Гз. Следовательно значение замыкающего звена В) = Б]Л будет определяться формулой:

В, = Бь = -Б,, + Б12 = Г2 + Г3. Следующим составляющим звеном технологической размерной цели В является размер В2, который получается как замыкающее звено В2= А/ размерной цели А':

Вг= А,'=А,'+Аг-Аз- А/. Тогда, значение замыкающего звена Выбудет определяться формулой: _ В2= А/=А,' + А/-Аэ'-А4 В, = Б,,= Г? + П В =В, = А,; + А2'-Аз'-А4- Г2-Гз Это значит, что в таком случае отклонения длины заготовки не будут влиять на точность размера ВЛ. Поэтому, отклонение Лв, замыкающего звена размера В у каждой изготовленной детали, получится под влиянием следующих отклонений:

АвЛ = Да/+ Аа2 -Ааз - Да4 -Аг2-Дгз-ДА/- погрешность установки заготовки; Лаг погрешность статической настройки ТС; Лаз' - погрешность быстрого перемещения инструмента; Ал/ , Дгз - доминирующая часть погрешности динамической настройки ТС; Дгг ] погрешность настройки ТС, возникающая при компенсации отклонений (Дуст+Д1). I

Результатом этой части работы следует считать нахождение подходов к

I

созданию автоматизированной СТС. Однако ^ля того, чтобы получить представление об автоматической СТС, необходимо решить ряд задач, связанных с организацией процесса достижения требуемой точности размеров изготовляемых деталей. ^

В четвертой главе рассмотрены задачи организации процесса достижения требуемой точности деталей. Для организации процесса автоматического

достижения заданной точности определены условия, учитывающие влияние совокупности факторов, влияющих на точность обработки. Эти условия определены для возможных случаев получения размеров деталей, отражаемых рис.3 и позволяют определить состав действий, средств контроля и управления процессом обеспечения заданной точности в процессе обработки.

Первый случай. (РисЗ а,б). При допуске ТА на размер А ТС обеспечивает заданную точность в партии обрабатываемых заготовок в течение периода Гт стойкости инструмента без привлечения средств автоматического управления. В данном случае достаточно выполнить первоначальную статическую настройку ТС. Обеспечению точности в партии способствует часть ,,а" поля допуска Т Условие для этого случая можно представить в виде, ен < к, к2 Та , !де ;•>. -мгновенное поле рассеивания, регламентированное точностными возможностями тс. к, >у -коэффициенты запаса, учитывающие соответственно величину смещения центра группирования в течение периода Тт и величину погрешности настройки ТС

к, = Тд/( Тл + -Над ), к: = Т,/( ТА + * н ), где Л - величина смещения положения центра группиоования в течение

периода Тт.

Второй случай. (Рис.3 в). При допуске Т А на размер А ТС обеспечивает заданную точность детали только в момент ее настройки. Поскольку а * Лн, то в процессе обработки партии заготовок, из-за смещения положения центра группирования, поле <1>( может оказаться за пределами Т а • Поэтому в данном случае достаточно управлять положением центра группирования путем ¡юдиастройки ТС после обработки каждой заготовки Условие для этого случая • г», * Кг Та .

Третий случай. (Рис.3 г). ТС обеспечивает заданную точность при обработке нескольких деталей. Это объясняется тем, что значения ,, а" находятся в интервале [Дн , Дн + Д м(х> ]■ В данном случае достаточно вести управление положением центра группирования, путем поднастройки ТС после обработки нескольких заготовок. Условием для этого случая является ш, < к^ ТА .

Четвертый случай. (Рис.3 д). ТС не обеспечивает заданную точность деталей. Так как Ш1 > Та , то для достижения требуемой точности необходимо управлять как

положением центра группирования, так и величиной Ш| путем внесения соответствующих поправок в размер статической и динамической настройки ТС. Условием для данного случая будет: ю, > к2 ТА.

Рис.3. Схемы достижения требуемо^ точности.

Необходимо отметить, что в зависимости от,1 значения Та и b>t возможно параллельное соблюдение условий первого и третьего случаев. Во избежание этого начальное условие сформулировано в следующем виде: Тд2: (о, + дн + ДМ(Х|. I

Представленные схемы достижения требуемом точности размеров позволяют определить значение Ар для каждого конкретного афчая:

1.3. Ар = Amin + rnt/2 + Д н или dp = dmax - <о^2 + Д и,

2.4. Ар = Аср = (Amin + Amax) / 2 или dp = dcp = (dmin + dmax) / 2.

Таким образом, в зависимости от исходных данных (c>t . к, , к2 , ТА) можно определить условие, соответствующее ему значение Ар и состав мероприятий по

обеспечению заданной точности обработки. На основании этого осуществляется выбор соответствующих технических средств, которые должны быть задействованы для обеспечения точности выдерживаемого размера.

Организация технологического процесса автоматического изготовления разных партий валов осуществляется с помощью УП, разрабатываемой САПР, рис.4. САПР по изготовлению УП должна разрабатываться на основе результатов работы, связанных с организацией процесса достижения требуемой точности деталей.

УП, разрабатываемая САПР, должна содержать команды (на языке ISO -

7бит), предназначенные как для управления процессом обработки поверхностей заготовки, так и точностью обработки

Рис.4. Схема организации СТС.

Согласно рис.4 УП, разрабатываемая САПР вводится в ЭВМ ТС и содержит команды, с помощью которых вводятся в действие рабочие подпрограммы, управляющие процессами автоматической установки нуля станка, статической настройки (поднастройки) ТС, автоматической компенсации отклонений (Дуст+Дц). отклонений размеров динамической и статической настройки. Содержание управляющих действий, охватываемых рабочими подлрограы-'.иыи, ^"¡¿лбно и работе. Кроме того, в задачу системы управления работой ТС входит принятие решения о необходимости ее статической поднастройки, а также управления размером статической настройки при черновой и чистовой обработках заготовки Эти задачи решаются с помощью рабочих подпрограмм, изготовляемых на основе разработанных в работе алгоритмов.

В упрощенном виде блок-схема СТС представпена на рис.5. Предполагается, что СТС может быть построена с применением ранее созданных и известных ныне систем автоматического управления точностью изготовляемых деталей.

Рис.5. Блок-схема СТС. | Датчики Д,1, Дй и Д, служат для измерения положения резцов по осям 1 и X. С помощью датчика Д, определяется момент контача резца с торцом заготовки. Зажимное устройство ЗУг обеспечивает соединение задней бабки со станиной или с суппортом. Кронштейн К, на котором расположен упор» нуля станка У г. а также упоры ограничения хода и аварийного останова по оси 1, мэстко связаны с плитой задней бабки. Зажимное устройство ЗУх служит для закрепления плиты вместе с упорами нуля станка, ограничения хода и аварийного останова по оси X и расположено на верхних салазках или на каретке. Генератор Г подает на шпиндель высокочастотное напряжение, необходимое для работы датчика контакта Дк. Упором У реализуется

точка суппорта, относительно которой ведется отсчет отклонения положения вершины резца.

Измерительные устройства САУ предназначены для управления показателями M(x)t и <ot С помощью этих устройств снимаются значения выдерживаемых размеров при чистовых и черновых обработках. Информация, снимаемая с измерительных устройств, преобразуется в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Использование в процессорной части -ЭВМ в качестве устройства ЧПУ позволяет реализовать (при необходимости) управление различными устройствами На микро-ЭВМ работающего в автономном оежиме станка возлагается управление процессами статической настройки (поднастройки), управление показателями M(x)i и соt на этапе динамической настройки, компенсации отклонений u\yc,+ñi_) и установки нуля станка с требуемой точностью При этом связь между устройствами и мирко-ЭВМ осуществляется с помощью блока ввода-вывода

Рабочие подпрограммы систем управления хранятся в постоянно-запоминающем устройстве (ПЗУ) Рабочие подпрограммы, связанные с организацией процессов статической настройки (поднастройки) ТС и управления показателями М(х)( и он вводятся в оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) Информация о предыдущей и текущей партии заготовок, предельных значениях размеров и режимах обработки также вводится в ОЗУ. Значения измеренных отклонений, получаемые в ходе работы систем управления, вводятся в запоминающее устройство (ЗУ).

В пятой главе рассматривались принципиальные положения САПР для автоматического изготовления УП СТС.

Исследование структуры САПР показало, что существующие УП, разрабатываемые САПР, предназначены ДЛИ управления Процеоиом ибраиоТКи поверхностей заготовки. Для автоматического изготовления УП СТС необходимо расширить функциональные возможности существующих САПР. _ Анализ результатов исследования позволил определить основные задачи САПР для автоматического изготовления УП СТС, заключающемся в следующем:

- на основе предложенного в работе алгоритма автоматического достижения требуемой точности необходимо составить переходы, с помощью операторов условного и безусловного перехода, предусмотренных в программах существующих САПР, позволяющих автоматически определять условия и, следовательно, состав

соответствующих мероприятий и средств для обеспечения требуемой точности выдерживаемых размеров;

- с помощью алгоритма организации процесса установки положения нуля станка составить отдельный переход, позволяющий определить необходимость автоматической установки нуля, с требуемой точностью;

- окончательное преобразование состава мероприятий в наборе управляющих команд осуществляется с помощью созданных в работе фрагментов УП, хранящихся в базе данных ЭВМ. Оттуда выбор фрагмента УП соответствующего мероприятия, осуществляется по коду. Коды, обозначенные пятизначными числами, формируются по следующей схеме.

х1 х2 хЗ х4 х5

вид обработки (черновая, чистовая) х5=1.2. номер условия (1.2.3.4) х4=1~4.

выдерживаемый размер (Ач или А,') хЗ=1,2.

отчество инструментов, с помощью которых получается размер х2=1.2.

типы выдерживаемых размеров (А, Б, Б1, В, <0 х1=1-5.

Структура входных данных, необходимых для изготовления УП СТС (для конкретного примера), была выявлена по результатам экспериментальных и теоретических исследований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. По результатам выполненных экспериментальных и теоретических исследований можно считать, что цель работы достигнута: получено подтверждение возможности создания самоорганизующейся и саморегулируемой ТС и разработана ее структурная схема. I

Работа содержит новое решение актуально¡| научной задачи технологии машиностроения по созданию автоматизированной ТС высокого уровня на примере токарного станка. I

2. Анализ состояния вопроса показал, /что существующие системы

адаптивного управления нацелены на повышение точности изготовляемых деталей

»

путем компенсации отклонений, вызываемых /действием систематических и

/

случайных факторов, в ходе процесса обработки заготовок. Сделан вывод о том, что для автоматического обеспечения требуемой точности изготовляемых деталей необходимо автоматически организовать процесс достижения требуемой точности, настроить ТС, включая настройку и средств автоматического управления точностью обработки, осуществлять автоматическое управление состоянием процесса в ходе обработки заготовок.

3. В результате исследования точностных возможностей токарного станка был раскрыт процесс формирования отклонений выдерживаемых размеров и была оценена значимость проявления различных факторов на этапах установки заготовок, статической и динамической настройки ТС.

4. Процесс автоматического обеспечения требуемой точности изготовляемых деталей должен быть нацелен на управление двумя показателями состояния процесса: M(x)t и ы, , с охватом факторов, вызывающих их отклонения на разных этапах операции.

5. При организации процесса достижения требуемой точности детали должен быть выработан план действий с учетом требований к точности выдерживаемых размеров и состояния ТС. При этом необходимо автоматически решить следующие задачи:

- выявить типы выдерживаемых размеров;

- сделать сопоставление требований к точности размеров и точностных возможностей ТС;

- выявить пути и средства необходимые для достижения точности каждого размера детали;

- определить значения рабочих настроечных размеров, по которым будет ьостись настройка ТС:

- выявить необходимость изменения положения 'нуля" станка;

- соответственно избранному плану действий по обеспечению точности каждого размера сделать выбор фрагментов УП.

6. В задачу процесса автоматической настройки ТС входит:

- придание с требуемой точностью необходимого положения "нулю" станка;

- совмещение M(x)t размеров по которым ведется настройка ТС, с их рабочими настроечными размерами;

- выявление отклонений в размерных связях между режущими кромками инструментов и базирующими элементами приспособлений.

7. В ходе выполнения операции необходимо;

- скомпенсировать погрешность установки каждой заготовки и отклонение ее длины, влияющих на точность выдерживаемых размеров;

- обеспечить рассеивание упругих перемещений в ТС на уровне, установленном в ходе организации процесса достижения требуемой точности изготовляемых деталей.

- обеспечить смещение М(х), под воздействием систематических факторов в пределах, исключающих выход за границы поля допуска.

8. Для решения комплекса задач, перечисленных в пунктах 5-7, разработаны:

- алгоритмы организации процесса достижения требуемой точности размеров деталей, статической настройки и поднастройки ТС, динамической настройки и поднастройки ТС и установки положения "нуля" станка;

- принципиальные положения создания САПР для изготовления УЛ для СТС;

- программы организации статической настройки и поднастройки ТС и автоматического выбора фрагментов УП;

принципиальная схема и структура самоорганизующейся и саморегулируемой ТС.

9. В диссертации разработан ряд новых теоретических положений. В частности, предложен подход к раскрытию плана действий в конкретном случае в зависимости от содержания исходных данных, выявлен способ, позволяющий определить значение скорости регулируемой подачи перед врезанием инструмента в заготовку.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Колесов И. М. , Караев М. Ф. Предпосылки к созданию автоматической технологической системы высокого уровня. // Вестник машиностроения, 1996, N5, с. 21-25. '

г

2. Караев М. Ф. , Схиртладзе А. Г. Повышение/ эффективности адаптивного управления на токарных станках с ЧПУ. II Станки и инструмент, 1996, N6.

(