автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Определение рациональных параметров несущих систем прецизионных токарных станков, обеспечивающих улучшение их динамического качества

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСНИЙ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ — ЭНИМС —

На правах рукописи БЕТИН Андрей Вячеславович

УДК 021.941.2-187.4:531.3(043.3)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ПРЕЦИЗИОННЫХ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ УЛУЧШЕНИЕ ИХ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА

Специальность 05.03.01 — Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Экспериментальном научно-исследовательском институте металлорежущих станков.

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Каминская В. В.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Пуш А. В.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Еремин А. В.

Ведущее предприятие— Ивановский завод тяжелого

станкостроения

Защита состоится «__»_ 1993 года

в 9 часов 30 минут на заседании специализированного Совета Д125.01.01 в Экспериментальном научно-исследовательском институте металлорежущих станков по адресу:

117926, г. Москва, 5-й Донской проезд, д. 21-6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих станков.

Автореферат разослан «-»-1992 года.

Ваш отзыв по данной работе в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук

И. В. Голубев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе основные направления развития отечественного станкостроительного производства связаны с введением в.экономику рыночных отношений, при которых важнейшее значение приобретает повышение качества продукции и возможность быстро переналаживать производство. Это, в свою очередь требует совершенствования методов обеспечения высокого качества станков на всех этапах от эскизного проектирования до модернизации оборудования, основанного на широком использовании ЭВМ. Одной из важнейших задач повышения качества станков является повышение их точности, снижения уровня относительных вынужденных колебаний инструмента и заготовки, оказывающих непосредственное влияние на качество обрабьгтываемых поверхностей. Требования мобильности переналадки производства станков определяют необходимость сокращения сроков экспериментальных исследований, что решается совершенствованием и автоматизацией методов проведения экспериментов на работающем станке.

Поскольку для большинства машиностроительных производств детали типа тел вращения по номенклатуре и трудоемкости технологических операций являются преобладающими, первостепенное значение приобретают исследования показателей качества элементов токарных прецизионных станков и в первую очередь их несущих систем. Несущая система (НС) -наиболее специфическая система станка, ее характеристики определяют взаимодействие всех узлов станка, и по мере совершенйтвования различных узлов, интенсификации режимов резания, повышения уровня айто-матизации НС все в большей степени определяет показатели качества станка. Таким образом, актуальной научной задачей является разработка методов совершенствования характеристик несущих систем прецизионных токарных станков.

Целью работы является разработка рекомендаций по определению рациональных параметров несущих систем на основе экспериментальных и расчетных исследований их динамических характеристик применительно к НС прецизионных станков.

Общая методика исследований. Результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований и расчетов на ЭВМ. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории колебаний и динамики станков. Расчетное определение динамических характеристик НС проводилось с использованием разработанных в ЭНИМСе систем автоматизированного расчета. Для определения рациональных значений параметров несущей системы станка мод. ИРТ80ВФЗ использован

I

математический аппарат и ГШО для решения задач многокритериальной оптимизации на основе ЛП-поиска. При.экспериментальных исследованиях колебаний элементов несущих систем использовалась современная виброизмерительная аппаратура и измерительно-вычислительный комплекс, созданный в ЭНИМСе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны математические модели для определения показателей качества несущих систем прецизионных токарных станков, включающие модели упругой системы и основных возмущений, обеспечивающие возможность разработки рекомендаций по совершенствованию конструкции несущей системы;

- установлено, что на основе анализа динамических характеристик Па-рето-оптимальных конструктивных вариантов, полученных с помощью общей методики многокритериальной оптимизации, удается выявить тенденции совершенствования конструкции;

- показано, что в прецизионных токарных станках наилучшие динамические характеристики обеспечиваются при определенных соотношениях парциальных частот системы инструмента (суппорт) и детали (шпиндельная бабка со шпинделем) при минимальной связанности колебаний этих элементов и базовых деталей станка; Соответственно в станке мод. ИРТ80ВФЗ парциальные частоты элементов шпиндельного узла и суп-' порта должны различаться на 30-35%.

Практическая ценность. Разработаны общие рекомендации по повышению динамических характеристик прецизионных токарных станков и конкретные рекомендации по изменению параметров шпиндельной бабки и суппорта токарного станка с подвижной бабкой. Установлено, что высокие показатели качества прецизионных токарных станков могут быть обеспечены только при правильном подборе оснастки, для чего необходимо проведение соответствующих расчетов. Разработана методика определения рациональных параметров несущих систем, использующая многокритериальную оптимизацию методом ЛП-поиска, дополненную анализом Па-рето-оптимальных решений. Дополнена и уточнена методика динамических исследований станков по результатам измерения абсолютных колебаний их элементов, • в частности предложена методика определения относительных колебаний инструмента и заготовки и построения форм колебаний, обеспечивающая повышение точности и уменьшения времени получения результатов.

Реализация работы. Результаты расчетного определения динамических характеристик несущей системы токарного .станка мод. ИРТ80ВФЗ, а также результаты определения рациональных параметров и рекомендации 2

по конструктивному оформлению элементов НС этого станка переданы на Ивановское СТО. Уточнения методики экспериментальных исследований динамических характеристик НС на работающем станке использованы при создании программного обеспечения измерительно-вычислительного комплекса, созданного в ЭНИМСе.

Апробация работы Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях : "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств" (г. Нижний Новгород, 1992 г.); "Повышение надежности автоматических станочных систем" (г. Хабаровск, 1990 г.); на заседании Экспертного совета отдела N 12 ЭНИМС, 1992 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы и I отчет.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения (основные результаты работы), изложенных на 184 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена рассмотрению состояния вопроса и постановке задач исследования.

В главе рассмотрены общий подход к определению рациональных параметров несущих систем станков, современное состояние экспериментального и расчетного определения показателей динамического качества НС, особенности прецизионных станков, определяющие показатели качества их несущих систем и сформулированы задачи работы.

Повышение показателей качества и снижение металлоемкости станков и их несущих систем требует сочетания как экспериментальных, так и расчетных исследований. Использование расчетных моделей, уточняемых на основе сопоставления результатов расчетов и экспериментов, позволяет синтезировать оптимальную конструкцию и закладывает высокое качество машины уже на стадии проектирования.

В настоящее время методы экспериментальной и расчетной оценки динамических характеристик НС, являющихся одними из основных показателей их качества, разработаны достаточно полно и уже позволили получить полезные для практики результаты. Однако, по мере расширения областей применения этих исследований все более наглядными становятся необходимость и направления их уточнения и доработки.

Применяемые методы экспериментального определения динамических характеристик НС можно разделить на две группы - при искусственном

3

возбуждении колебаний несущей системы и на основе спектральной обработки абсолютных колебаний элементов работающего станка. Исследованиям на работающих станках вместе с рядом преимуществ, из которых основными являются их оперативность и тот факт, что получаемые характеристики соответствуют характеристикам станка в его рабочем состоянии, присущ и ряд недостатков, определяемых сравнительно невысоким уровнем полезного сигнала по сравнению с шумом и неопределенностью возмущений, действующих при работе станка.

Особенное значение вопросы повышения точности экспериментальной информации приобретают при исследованиях прецизионных станков, в которых уровень возмущений невысокий. Следует также иметь в виду, что динамические характеристики НС прецизионных станков должны исследоваться с позиций их влияния на качество обработки, которое проявляется, главным образом, через относительные колебания инструмента и заготовки. В то же время из-за трудностей непосредственного измерения относительных колебаний в большинстве случаев при исследованиях на работающих, станках информация об относительных колебаниях не используется.

Для расчетного исследования динамических характеристик несущих систем разработаны и успешно прмименяются различные конечно-элементные модели НС. Для выбора рациональных значений- основных параметров несущей системы - соотношений основных размеров, распределения масс и жесткостей основных элементов и т. п. - наиболее рациональным представляется использование стержневых конечно-элементных моделей. С помощью этих моделей наибольшее распространение получили исследования устойчивости, при которых ограничиваются определением и анализом АФЧХ динамической податливости' НС по связи с резанием. Анализ динамических характеристик несущих систем прецизионных станков с позиций вынужденных колебаний обычно ограничивают рассмотрением действия возмущений со стороны основания или возникающих при реверсе возвратно-поступательно перемещающихся узлов. В то же время основные возмущения, вызывающие вынужденные колебания в прецизионных станках, - от неуравновешенности вращающихся элементов, от шпиндельных подшипников качения и др. не изучены, и их действие не рассматривается.

В настоящее время разработаны общие методические рекомендации по построению расчетных схем НС и определению их параметров. Для получения более достоверных результатов и уточнения расчетных схем проводится сопоставление результатов расчетов и экспериментов станка-прототипа. На основе этого сопоставления расчетная схема и расчетные параметры корректируются. В общем случае эта задача может 4 ' •

быть решена при использовании методов идентификации. Известно значительное количесвто работ, посвященных применению методов идентификации для определения параметров расчетных схем НС. Однако, несмотря на перспективность этих работ, широкого использования они пока не получили.

До последнего времени выбор рациональных параметров несущих систем проводился путем сравнения расчетных характеристик вариантов, • предварительно проработанных конструктором. В последние годы все большее применение для этой цели получают методы многокритериальной оптимизации. Поскольку при использовании этих методов из-за сложности колебательных систем, которые описывают поведение НС, одной из основных ' становится задача сокращения времени счета, необходимого для получения результата, представляется целесообразным сочетание формальных оптимизационных процедур, например, на основе ЛП-поиска, и дополнительного анализа Парето-оптимальных решений, позволяющего выявить общие направления совершенствования конструкции.

Показатели динамического качества несущей системы зависят от компоновки НС, конструктивного оформления элементов, а при вынужденных колебаниях, кроме того, и от характеристик возмущений - зоны их приложения, направления, спектрального состава. Для решения задачи о совершенствовании динамических характеристик несущих систем прецизионных токарных станковх эти факторы и должны быть учтены при разработке расчетной схемы НС. При этом целесообразно рассмотреть принципиально отличные компоновки, например, фронтальную компоновку с подвижной бабкой и компоновку с наклонными направляющими и неподвижной бабкой. Соответствующим образом должны быть учтены модели возмущений. Так, при оценке динамической податливости при возмущении от неуравновешенности обычно не учитывается, что это возмущение представляет собой вращающийся вектор; при рассмотрении действия на несущую систему возмущений от шпиндельных подшипников качения необходимо задать не только их уровень и спектральный состав, но и направление и т. п.

Исходя из изложенного, основные задачи работы были сформулированы следующим образом

1. Уточнить методику экспериментального определения динамических: характеристик НС по результатам измерений на работающем станке в части повышения точности получаемых результатов.

2. Разработать математические модели для определения показателей качества несущих систем прецизионных токарных станков, включающие модели собственно НС и типовых возмущений.

3. Провести расчетное определение и анализ показателей качества несущих систем прецизионных токарных.станков разных компоновок.

4. Разработать методику определения рациональных параметров НС прецизионных токарных станков, основанную на многокритериальном подходе и обеспечивающую получение близких к оптимальным решений при приемлемых затратах машинного времени.

5. Разработать рекомендации по совершенствованию несущих систем токарных прецизионных станков исследованных компоновок.

Вторая глава посвящена дополнению и уточнению методики экспериментальных исследований динамических характеристик несущей системы на работающем станке, исследованию относительных колебаний инструмента и заготовки и абсолютных колебаний НС при возмущении от неуравновешенности вращающихся элементов.

Методика экспериментальных исследований динамических характеристик на работающем станке дополнена методом определения относительных колебаний в зоне резания по результатам измерения абсолютных колебаний узлов, несущих заготовку и инструмент. Непосредственное измерение взаимных смещений инструмента и заготовки на работающем станке с помощью контактных и бесконтактных датчиков относительных колебаний представляет существенные трудности: в смещения, измеряемые ими входят погрешности установки и погрешности поверхности дета--ли или контрольной оправки, контактирующей со щупом датчика (в контактных датчиках) или ограничивающей зазор (в бесконтактных датчиках); в результате трения щупа о быстровращакхцуюся поверхность возникают помехи и шумы; и т. п. Разработанный метод измерения относительных колебаний основан на возможности суммировать цифровые записи аналоговых сигналов датчиков абсолютных колебаний, хранящиеся в памяти ЭВМ. Для этой цели датчики абсолютных колебаний размещаются на узлах станка, несущих инструмент и заготовку, таким образом, чтобы по колебаниям в точках измерения можно было пересчетом определить относительные смещения инструмента и детали в зоне резания в соответствии с зависимостью

С1отн(0=2А1СИ(0, где С11(0 - показания соответствующего датчика в момент времени г; А1-коэффициент пересчета показаний 1-го датчика в зону резания. Коэффициенты пересчета А1 представляют собой . соотношения геометрических размеров, определяющих положение 1-го датчика относительно зоны резания и относительно других датчиков, установленных на данном узле. Полученные цифровые записи относительных колебаний используются для определения их спектральных характеристик и выявления частот с наи-6

большим уровнем этих колебаний. Проведена экспериментальная проверка предложенного метода, для чего на двух станках (плоскошлифовальном мод. ЗГ71 и токарном мод, 16К20ФЗ) относительные колебания измерялись непосредственно бесконтактным датчиком Тгк/2-5 фирмы НоШпдег и определялись предложенным методом. Показано, что в том частотном диапазоне, в котором лежат наиболее интенсивные колебания несущих систем, результаты практически совпадают. Разработанный метод реализован в измерительно-вычислительном комплексе (ИВК), созданном в ЭНИМ-Се для экспериментального исследования динамических характеристик НС станков.

Программное обеспечение ИВК позволяет определять взаимноспект-ральные характеристики колебаний элементов НС в заданном частотном диапазоне и строить формы ее колебаний. Точность построения форм колебаний зависит от точности определения отношения амплитуд и разности фаз пар измеряемых сигналов. При записи в память ЭВМ одновременно нескольких сигналов с использованием АЦП с последовательным опросом каналов записи, возникает межканальная погрешность коммутации, зависящая от числа опрашиваемых каналов и длительности коммутации. В результате межканальной погрешности возникает ошибка при определении разности фаз сигналов, записанных по первому и к-му каналам. Эта ошибка тем больше, чем большее время проходило между опросами этих каналов. В то же время эта ошибка будет минимальной, если взаимнос-пектральные характеристики определять для сигналов, записанных по каналам, опрашиваемым непосредственно друг за другом. В связи с этим разработаны рекомендации по расстановке датчиков и задании последовательности коммутации каналов записи сигналов этих датчиков при проведении измерения таким образом, чтобы пары сигналов, для которых впоследствии будут определяться взаимноспектральные характеристики, были составлены из сигналов, записанных по каналам, коммутированным сразу друг за другом. Разработана соответствующая форма ведения протокола измерений. Проиллюстрирована возможность использования разработанных рекомендаций при построении первых форм изгибных и крутильных колебаний элементов несущих систем типа стержень (ползуны, стойки,. длинные станины и т. п.).

С помощью ИВК при использовании разработанных методик проведено исследование относительных колебаний в зоне резания и абсолютных колебаний элементов НС плоскошлифовального станка мод. ЗГ71 и полировального станка мод. АПД400 при возмущении от неуравновешенности вращающихся элементов. Показано, что в спектрах колебаний наряду с интенсивными колебаниями на частоте вращения имеются также пики на

7

кратных ей частотах. Уровень возмущения на гармониках близких к собственным частотам несущей системы, существенно выше, чем на гармониках, не совпадающих с этими частотами. Так как при увеличении неуравновешенности уровень колебаний возрастает во всем частотном диапазоне, возмущение от неуравновешенности, особенно при увеличенном дисбалансе, можно использовать для определения динамических характеристик несущих систем прецизионных станков.

В третьей главе определены показатели динамического качества несущих систем прецизионных токарных станков, разработаны математические модели, включающие модели собственно НС и типовых возмущений, для прецизионных токарных станков двух принципиально различных компоновок и определены динамические характеристики их НС.

За показатели динамического качества несущих систем прецизионных токарных станков предложено принимать значения максимальной динамической податливости, вычисленные по относительным перемещениям инструмента и детали в направлении нормали к обрабатьваемой поверхности, при возмущениях от переменной составляющей силы резания, от вращения неуравновешенных элементов, от подшипников качения, а также, максимальные давления в направляющих и массу НС.

Динамическая податливость при возмущении вращающимся вектором силы определяется как реакция на суммарное воздействие двух ортогональных ее составляющих одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе на ЗГ/2.

Соотношение значений динамической податливости в зоне резания, вычисленных при возмущении вращающимся вектором и при действии составляющей этого вектора, направленной по нормали к обрабатываемой поверхности, предложено использовать как оценку динамической несимметрии конструкции несущей системы.

Показано, что годографы векторов радиальных возмущений, генерируемых подшипником качения, в зависимости от соотношения случайных амплитуд и фаз составляющих этих возмущений по ортогональным осям координат, зависящих от характеристик погрешностей формы элементов подшипника, могут представлять собой эллипсы, окружности и прямые (угол наклона осей этих эллипсов и прямых к координатным осям - случайные величины). В первом приближении предложено оценивать динамическую податливость НС при возмущении от подшипников качения, рассматривая возмущение гармонической силой, направленной по • нормали к обрабатываемой поверхности, либо вращающимся вектором, принимая за

показатели качества максимальное из получаемых при этом значений податливости.

Разработаны расчетные схемы несущих систем станка мод. ИРТ80ВФЗ фронтальной компоновки с подвижной шпиндельной бабкой и станка мод. MK753I 6 неподвижной шпиндельной бабкой и наклонными направляющими.

Проведено сопоставление результатов экспериментального и расчетного определения динамических характеристик несущей системы станка мод. ИРТ80ВФЗ при возмущениях от неуравновешенности элементов шпиндельного узла. Совпадение соответствующих характеристик^ было достигнуто после коррекции соотношения жесткости опор станка в разных направлениях, и зведения в расчетную схему возмущения вдоль оси шпинделя, обусловленного осевыми возмущениями, генерируемыми ради-ально-упорными подшипниками. При использовании разработанной расчетной схемы несущей системы станка мод. ИРТ80ВФЗ были определены АЧХ динамической податливости по относительным колебаниям при действии различных возмущений.

При возмущении от резания и от неуравновешенности патрона максимум динамической податливости имеет место на частотах 181 и 387 Гц. При этом на частоте 181 Гц определяющими являются колебания шпиндельной бабки (в полной величине потенциальной энергии колебаний на этой частоте на долю' направляющих шпиндельной бабки приходится 79%) и суппорта. На частоте 387 Гц- определяющими являются колебания патрона (в полной величине потенциальной энергии колебаний на этой частоте на долю стыка патрон - шпиндель приходится 58%). При возмущении от неуравновешенности пневмоцилиндра наибольшая динамическая податливость имеет место на частоте 83 Гц, на которой б общей величине потенциальной энергии деформаций 47% приходится на долю стыка пневмоцилиндра со шпинделем, а 31% на изгиб шпинделя.. Рассмотрены колебания несущей системы при возмущении от шпиндельных подшипников. Показано, что наибольший уровень колебаний соответствует низшей из тех собственных частот, на которых имеют место значительные пики динамической податливости (181 Гц). На этой частоте 79% полной величины динамической податливости приходится на долю стыка патрон-шпиндель. Значительное влияние параметров оснастки (патрона) на показатели качества НС требует особого подхода к выбору ее параметров.

Основной задачей расчета НС станка мод. MK753I являлась оценка влияния ассимметричности конструкции на динамические характеристики НС. Установлено, что значения динамической податлийости при возмущении вращающимся вектором и при возмущении в виде его проекции на направление нормали к обрабатываемой поверхности могут существенно

9

различаться в зависимости от точки приложения возмущения. Поэтому расчет динамической податливости НС при возмущении от неуравновешенности вращающихся элементов следует проводить при нагрузке в виде вращающегося вектора. Максимальное значение динамической податливости НС станка мод. МК7531 имеет место на частоте 103, 6 Гц, на которой поведение системы определяется колебаниями суппорта и каретки с револьверной головкой в направлении поперечной подачи. Близость максимальной частоты вращения шпинделя (6000 об/мин) и собственной частоты колебаний НС, на которой имеет место максимальная податливость требует реализации мероприятий, обеспечивающих повышение частоты соответствующей собственной формы колебаний НС.

Сопоставляя значения динамической податливости несущих систем станков ИРТ80ВФЗ и МК7531, вычисленные при возмущении от резания по расчетным схемам, в которых деформации элементов шпиндельного узла не учитываются, можно отметить, что они близки. В отличие от НС ста-ка ИРТ80ВФЗ, несущая система станка МК7531 несимметрична, что определяет значительную ее чувствительность к возмущениям от электродвигателя гидростанции.

В четвертой главе разработаны методические положения определения рациональных параметров несущих систем прецизионных токарных станков, основанного на использовании аппарата многокритериальной оптимизации в сочетании с дополнительным анализом показателей качества Парето-оптимальных вариантов. Проведено определение рациональных параметров НС станка мод. ИРТ80ВФЗ, обеспечивающих повышение ее динамического качества.

Показано, что при многокритериальной оптимизации НС на основе ЛП-поиска сокращение времени, затрачиваемого на получение рациональных решений, достигается

- использованием частных расчетных схем, описывающих поведение НС в исследуемом диапазоне частот с достаточной точностью,

- варьированием параметров, оказывающих определяющее влияние на характеристики несущей системы (так называемых доминирующих),

- сочетанием формальных процедур получения Парето-оптимальных решений и дополнительного анализа с целью выявления основных направлений совершенствования конструкции.

Для составления частных расчетных схем целесообразно использовать методику разделения колебательной системы на слабо связанные подсистема

Разработана частная расчетная схема НС станка мод. ИРТ80ВФЗ, в

которую включены элементы шпиндельной бабки и суппорта. Шпиндельная бабка и корпус шпинделя рассматриваются как один массив. Станина и элементы электрооборудования в частную расчетную схему не включены. Сопоставление собственных частот и форм колебаний, значений статической податливости, баланса динамической податливости и распределения энергии колебаний на собственных частотах показало, что результаты, полученные с помощью частной и полной расчетных схем, достаточно близки.

Обоснован выбор показателей качества несущей системы станка мод. ИРТ80ВФЗ, варьируемых параметров и ограничений. На основе анализа распределения энергии колебаний на собственных частотах с высоким уровнем динамической податливости, выделены доминирующие параметры -угловая относительно вертикальной оси жесткость шпиндельной бабки, линейная жесткость привода подач суппорта и инерционные характеристики бабки и суппорта. Соответственно в качестве варьируемых приняты размеры основных граней направляющих шпиндельной бабки и суппорта, масса (и моменты инерции массы) бабки и суппорта, жесткость привода подач суппорта.

В результате решения многокритериальной оптимизационной задачи получено паретовское множество решений. Поскольку для Парето-опти-мальных ре.шений давления в направляющих значительно ниже допустимых, а величина статической податливости определяется, главным образом, податливостью стыка патрон-шпиндель, за основной показатель качества несущей системы станка мод. ИРТ80ВФЗ принята- динамическая податливость. Однако, по результатам анализа параметров Парето-оптимальных вариантов сделать четкие выводы о направлениях совершенствования конструкции не представляется возможным, так как они достаточно противоречивы

Проведен дополнительный анализ характеристик'Парето-оптимальных вариантов, определяющих колебательные свойства несущей' системы. Показано, что для снижения динамической податливости исследуемой НС должна быть обеспечена достаточно высокая в заданных габаритах жесткость направляющих шпиндельной бабки и механизма подачи суппорта. Сделан также вывод о том, что значение динамической податливости зависит от соотношения парциальных частот колебаний как элементов несущей системы (шпиндельной бабки и суппорта), так и оснастки (патрона). При выбранных значениях жесткости указанных элементов следует обеспечить соответствующие соотношения между парциальными частотами элементов НС и оснастки за счет выбора их инерционных характеристик. В данном случае целесообразно принимать 3-1,35 и

Пай!f патр» 0, 7 II

145 £>, мм//.он • 10

-2

0,^

0,1995 И 0,1700 / > ( « и \

0,14р1 0,13<^> 0,1121 1 к. ¡И и А'

" \ (л

0,05

200 225

250

ГЦ

исходный юриаит

, IV57—^ ©

|рТ ,-!--- х

23

335

гг

237

470

33

1©

240

335

115

310

400

33

I ©

310

240

400

33

©

< 11 1

! 7 1

35 I , 1

310 240 .

© © ГГ> VI/

Углобая жесткость направляющих ШБ, Дан мм/раЗ-Ю' 75 227 227 227

Масса ШБ, гг 170 170 170 170

Жесткость механизма поЗач суппорта, Дан/мм-Ю1* 1.66 1,85 1.85 1.85

Масса суппорта, кг 88 97 97 97

а, мм 457 470 400 400

Отношение парциальных частот {шб /суп 0.92 1,45 1.45 1,34

£ и.6 0,47 0.75 0.75 0,69

{патр

Максимальная Зи намичЕская поЗа тли&остк, мм/Дан-10 0.21 0,19 0.17 0,13

335

+ — полюс поворота бабки вокруг оси 2 » — центр масс бабки

>1

Рис. I. АЧХ динамической податливости, иллкстрируюцпе эффективность предлагаемых рекомендаций

При соблюдении указанных условий динамическая податливость будет тем меньше, чем ближе будет смещен к зоне резания полюс поворота шпиндельной бабки, что может быть обеспечено выполнением передней части направляющих большей иирины, а при использовании направляющих с опорами качения при. установке в передней части бабки опор большей жесткости. "

В результате решения задачи оптимизации и проведения дополнительного анализа удалось определить рациональные значения основных параметров несущей системы, обеспечивающие существенное (в 1,5 раза) улучшение показателей ее качества в диапазоне частот 170-240 Гц (рис. I). В более высокой области частот, в которой поведение НС определяется, главным образом, параметрами патрона, снижение динамической податливости ( в I, 7 раза) может быть достигнуто за счет применения виброгасителя, устанавливаемого на патроне. Для улучшения показателей динамического качества НС в области частот, определяемых параметрами шпиндельного узла (до 170 Гц) представляется целесообразным перенос задней шпиндельной опоры ближе к фланцу крепления пневмоцилиндра.

Таким образом, при многокритериальной оптимизаации параметров элементов несущих систем станков методом ЛП-поиска следует стремиться не столько к получению конкретных численных значений этих параметров, сколько к выяснению характера влияния изменения этих параметров на динамическое качество НС, поскольку при значительном количестве варьируемых параметров и ограниченном времени расчета результаты формальной оптимизации представляют собой решения лишь близкие к оптимальному.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Дополнена и уточнена методика экспериментального исследования динамических характеристик несущих систем по результатам измерений на работающем станке:

- разработан метод определения относительных колебаний в зоне резания, обусловленных колебаниями элементов несущей системы, по результатам измерения абсолютных колебаний узлов, несущих заготовку и инструмент, и проведена его экспериментальная проверка;

- разработаны рекомендации по уточнению результатов и сокращению времени эксперимента по построению форм колебаний, основанные на выборе рациональной схемы расстановки вибродатчиков, последователь-

13

ности коммутации каналов АЦП при регистрации аналоговых сигналов и составлении пар сигналов для совместной обработки при взаимно-спектральном анализе.

Предложенный метод определения относительных колебаний и рекомендации, касающиеся построения форм колебаний, использованы при разработке программного обеспечения ИВК, созданного в ЭНИМСе.

2. Исследован характер абсолютных и относительных колебаний элементов НС, вызываемых возмущениями от неуравновешенности вращающихся элементов и показано, что в их спектрах наряду с интенсивными колебаниями на частоте вращения имеются также пики на кратных ей частотах, причем уровень колебаний при увеличении неуравновешенности возрастает во всем частотном диапазоне.

3. Определены показатели динамического качества несущих систем токарных прецизионных станков, за которые предложено принимать значения статической податливости, максимальной динамической податливости, вычисленные по относительным перемещениям инструмента и детали в направлении нормали к обрабатываемой поверхности, при возмущениях от вращения неуравновешенных элементов, от подшипников качения, от перемени*.! составляющей силы резания, а также максимальные давления в направляющих и массу НС.

4. Предложено оценивать динамическую податливость НС при возмущении от подшипников качения, рассматривая действие на НС гармонической силы, направленной по нормали к обрабтываемой поверхности, и вращающейся сиды постоянной величины, принимая за показатели качества максимальное из получаемых при этом значений податливости.

Динамическая податливость НС при возмущении от неуравновешенности вращающихся элементов в виде вращающегося вектора силы определяется как реакция на суммарное воздействие двух ортогональных гармонических составляющих одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе на четверть периода.

5. Разработаны расчетные схемы НС токарных прецизионных станков разных компоновок: станка мод. ИРТ80ВФЗ фронтальной компоновки с подвижной шпиндельной бабкой и станка мод. МК7531 с неподвижной шпиндельной бабкой и наклонными направляющими. Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик НС станка мод. 11РТ80ВФЗ, показавшее их удовлетвлрительное совпадение. Получены и проанализированы динамические характеристики НС этих станков и выделены доминирующие параметры, определяющие характер поведения НС на тех собственных частотах, на которых податливость максимальна. Сопоставление значений динамической податливости несущих систем иссле-

14

дованных станков показало, что они близки. Несущая система станка мод. МК7531 из-за динамической несимметричности ее конструкции оказывается чувствительной к возмущению от электродвигателя гидростанции. ,

6. Разработана методика определения рациональных значений параметров несущих систем, использующая аппарат многокритериальной оптимизации на основе ЛП-поиска и обеспечивающая сокращение времени получения результатов за счет использования частных расчетных схем, описывающих поведение НС в исследуемом диапазоне частот с достаточной точностью, рационального выбора варьируемых параметров и проведения дополнительного анализа Парето-оптиальных решений, получаемых в результате формальных расчетных процедур, позволяющего выявить основные направления совершенствования конструкции.

7. В соответствии с разработанной методикой определены рациональные значения параметров несущей системы станка код. ИРТ80ВФЗ. В результате анализа динамических характеристик Парето-оптимальных вариантов установлено, что значение максимальной динамической податливости НС зависит от соотношения парциальных частот колебаний доминирующих элементов несущей системы и оснастки и от положения полюса поворота шпиндельной бабки по отношению к зоне резания. Показано, что высокие показатели динамического качества несущих систем прецизионных токарных станков обеспечиваются при определенных соотношениях параметров системы инструмента (суппорт) и детали (шпиндельная бабка) при минимальной связанности колебаний этих элементов с базовыми деталями станка. Для НС станка с подвижной бабкой целесообразно обеспечивать максимально возможную по конструктивным соображениям жесткость механизма подач суппорта и направляющих шпиндельной бабки при парциальных частотах бабки ^шб), суппорта (Гсуп) и патрона (гпатр), отличающихся на 30... 35% ^шб^суп«!, 3-1, 35 и гшб/гпатр» ~0,7). При этом обеспечиваются лучшие показатели качества, чем в Па-рето-оптимальных вариантах. В итоге удается существенно (в 1,5 раза) уменьшить значение динамической податливости по сравнению с исходным.

8. Установлено, что высокие показатели качества прецизионных токарных станков может быть обеспечено только при правильном подборе оснастки, для чего необходимо проведение соответствующих расчетов. Существественное снижение динамической податливости . на собственной частоте колебаний, податливость на которой определяется угловыми колебаниями патрона, может быть достигнуто за счет применения виброгасителя, установленного на патроне.

9. Результаты расчетного определения динамических характеристик несущей системы станка мод. ИРТ80ВФЗ, а также результаты определения рациональных параметров и рекомендации по конструктивному оформлению элементов НС этого станка переданы на Ивановское СПО.

Печатные работы автора по теме диссертации:

1. Бе тин А. В., Каминская ЕЕ Оптимизация параметров несущих систем токарных станков с подвижной бабкой. Сборник научных трудов ЭНИМС "Интегрированная АСУ автоматизированных производств". М., ЭНИМС, 1992. с. 102-113.

2. Каминская Е К , Бетин А. В , Расчетная оценка колебаний в зоне резания от неуравновешенности вращающихся деталей. Сб. "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств". Тезисы докл. научно-техн. конф. Нижний Новгород, 1992. с. 40.

3. Бетин А. Е Определение спектров относительных колебаний. Сб. "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств". Тезисы докл. научно-техн. конф. Нижний Новгород,-1992. с. 12.

4. Разработка методики определения динамических характеристик станков АЗ. Отчет. М., ЭНИМС, 1991. 46 с. N Гр. 02910054279 (в соавторстве) .

5. Глазомицкий Л. А., Бетин А. Е Автоматизированная подсистема расчета жесткости базовых корпусных деталей с предварительной экспертной оценкой. Сб. "Повышение надежности автоматических станочных систем". Тезисы докл. научно-техн. конф1 Хабаровск, 1990. с. 63-64.

Подписано к печати 09.12.92 Зак. 167МО Тираж 100 I, 0 печ. л.

Ротапринт ОНТИ ЭНИМС