автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эффективности конструкторско-технологической подготовки автоматизированного производства на основе анализа параметров шпиндельного узла и прогнозирования качества обрабатываемой поверхности

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.б

1.1 Статистические методы в технологических исследованиях.

1.2 Анализ погрешностей механической обработки и законов их распределения.

1.3 Обзор методов статистического анализа точности механической обработки.

1.4 Анализ моделей, связывающих параметры качества обрабатываемой поверхности и режимы резания.

1.5 Выводы.

1.6 Цель и задачи исследования.

Глава 2. Исследование и моделирование характеристик шпиндельного узла.

2.1 Шпиндельный узел и его характеристики, оказывающие существенное влияние на точность обработки.

2.2 Комплексная математическая модель шпиндельного узла.

2.3 Определение амплитуды колебаний переднего конца шпиндельного узла.

2.4 Выводы.

Глава 3. Методика прогнозирования качества обрабатываемой поверхности.

3.1 Виды колебаний и их влияние на параметры обрабатываемой поверхности.

3.2 Алгоритм прогнозирования качества обрабатываемой поверхности.

3.3 Некоторые возможности использования результатов расчетов.

3.4 Выводы.

Глава 4. Назначение режимов обработки на основе анализа выходных характеристик шпиндельных узлов.

4.1 Методы оценки динамического качества ШУ на опорах качения.

4.1.1 Оценка динамического качества по областям состояний частотных характеристик.

4.1.2 Оценка динамического качества по значениям статистических характеристик.

4.2 Анализ собственных частот ШУ.

4.3 Анализ АЧХ шпиндельного узла.

4.4 Выводы.

Глава 5. Пример прогнозирования характеристик качества поверхности на основе расчета и анализа выходных характеристик шпиндельного узла.

5.1 Прогнозирование волнистости и шероховатости обрабатываемой поверхности.

5.2 Пример назначения режимов резания на основе расчета выходных характеристик ШУ.

5.3 Пример анализа АЧХ.

5.4 Выводы.

В настоящее время одной из главных задач технологии машиностроения является обеспечение заданных показателей качества поверхностей обрабатываемых деталей.

Возрастающие требования к повышению качества выпускаемой продукции, широкая автоматизация технологических процессов, появление новых инструментальных и конструкционных материалов - все это обуславливает необходимость предпроектного обследования производства, отражающего его специфику.

Для этого осуществляют оценку технологических характеристик массива деталей и формирование структуры программы их выпуска, обоснование уровня автоматизации и выбор соответствующего вида станочной системы, разработку технической заявки и технического задания на проектирование станочной системы.

К технологическим характеристикам множества деталей относятся данные, определяющие построение технологических процессов изготовления деталей, а также выбор основного технологического оборудования и оснастки: конфигурация, размеры, материалы, объем выпуска, параметры качества и др.

Характеристики массива деталей отражают информацию о каждой детали (габаритные размеры, точность, шероховатость, вид заготовки и т.д.) или усредненную - по деталям-представителям, которые должны обладать конструктивным и технологическим подобием всему семейству деталей.

Таким образом, становится актуальной задача прогнозирования характеристик качества обрабатываемой поверхности как части предпроектного обследования производства. 5

На сегодняшний день в связи с большими объемами информации и необходимостью их обработки актуальным становится применение статистических методов исследования технологических процессов.

Необходимо отметить, что существующие статистические методы базируются на исследовании характеристик уже выпущенных деталей или отдельных настроечных партий.

Практически полностью отсутствуют методики расчета характеристик качества поверхности, которые бы позволяли давать их оценку еще до начала обработки или на стадии проектирования нового станка.

Поэтому возникает необходимость разработки методики прогнозирования характеристик качества поверхности и назначения режимов обработки, так как уже на стадии проектирования новой конструкции необходимо знать, будет ли она обеспечивать требуемую точность в процессе ее эксплуатации.

Целью работы является повышение качества и эффективности проектирования технологических процессов путем разработки методики прогнозирования характеристик обрабатываемой поверхности на основе расчета и анализа выходных характеристик шпиндельных узлов (ШУ).

Научная новизна заключается:

• в адаптации существующей математической модели ШУ к задачам прогнозирования точности обработки.

• в разработке принципов формирования массива исходных данных по режимам нагружения для статистического моделирования выходных характеристик шпиндельного узла.

• в разработке алгоритмов назначения режимов обработки на основе анализа выходных характеристик ШУ. б

Основные выводы и результаты.

1. На основе имеющихся данных по режимам обработки, формул, связывающих их с характеристиками качества поверхности, и расчета выходных параметров ШУ, разработана методика прогнозирования волнистости и шероховатости обрабатываемой поверхности, позволяющая определять вероятность обработки с заданной точностью на основе законов распределения указанных характеристик.

2. Показано, что так как погрешность обработки деталей в основном зависит от отклонений траектории движения шпиндельного узла, который, являясь одним из самых ответственных узлов станка, вносит до 80% погрешности в общий баланс его точности, необходимо прогнозирование его выходных характеристик. Это дает возможность оценивать в вероятностном аспекте геометрическую и кинематическую точность, жесткость, виброустойчивость, сопротивляемость тепловым деформациям, износ, влияющие на характеристики качества самой детали, и, соответственно, обеспечивать требуемую точность обработки.

3. Адаптация применяемой комплексной математической модели ШУ к задачам прогнозирования точности обработки позволяет учесть различные условия эксплуатации шпинделя и взаимное влияние факторов, определяющих его работоспособность.

4. Анализ динамических характеристик ШУ и расчет амплитуды его колебаний позволяют оценивать составляющие точности вращения шпинделя, влияющие на формирование погрешностей формы и шероховатости поверхности детали, а также дают возможность варьировать конструкцию ШУ, и выбирать наилучшее решение в процессе его проектирования

121

1. Абдулов А.Н. Контроль и оценка качества круглости деталей машин. Издательство стандартов, 1974,176с.

2. Абдулов В.Н. и др. Новый метод управления точностью при точении деталей. Ленинград:ЛДНТП, 1983.

3. Автоматизация проектно-конструкторских работ и технологической подготовеи производства в машиностроении./ Под общей ред. Семенкова О.И. Минск, «Вышейш. Школа», Т.1.1976.

4. Алешин А.К. Колебания в технологических машинах, Издательство «Станкин», Москва 1999, 228с.

5. Альшиц И.Я., Вержбицкий Н.Ф., Зоммер Э.Ф. Опоры скольжения, Киев. Машгиз, 1958.

6. Амосов И.С, Скраган В.А. Точность, вибрации и чистота поверхности при токарной обработке, Машгиз, 1953.

7. Антонюк B.C., Выслоух С.П., Аверченков В.И. Автоматизация проектирования технологических процессов. К.: УМК ВО, 1989, 116с.

8. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 1973, 576с.

9. Бармин Б.П. Вибрации и режимы резания. М.: Машиностроение 1972.

10. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд. исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит. 1986. 544с.

11. Вентцель Е.С. Теория вероятности. М.: Наука, 1969.

12. Вентцель Е.С., Овчаров ВА Теория вероятности и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1989, 480с.

13. Вейц В.Л., Максаров В.В. Динамика технологических систем механической обработки резанием. СПб.: СЗТУ - СпбИМаш, 2001, 164с.

14. Вейц В.Л., Максаров В.В., Лонцих П.А. Динамика и моделирование процессов резания при механической обработке Иркутск, 2000; 189с.

15. Витенберг Ю.Р. Оценка шероховатости поверхности с помощью корреляционных функций. «Вестник машиностроения», 1969, №1.

16. Витенберг Ю.Р. Шероховатость поверхности и методы ее оценки. Л.: Судостроение, 1971.

17. Витенберг Ю.Р. Корреляционные характеристики шероховатости поверхности и их зависимость от технологических факторов. «Вестник машиностроения», 1970, №2.

18. Вольмир А.С. Устойчивость упругих систем. Гос. изд-во физ.-мат. лит. М. 1963.

19. Ганевский Г.М., Гольдин И.И. Допуски, посадки и технические измерения в машиностроении М.: Высш. шк., 1993, 288с.

20. Гатаев Г.К. Аналитический метод определения наиболее выгодных режимов резания. М.: Машиностроение, 1969. №11, с.31-33.

21. Гмошинский В.Г., Флиорент Г.И. Теоретические основы инженерного прогнозирования. М.: Наука, 1973.

22. Городецкий Ю.И. О колебаниях при резании металлов. В кн. Динамика систем. Вып.З Межвузовский сборник, 1974. (MB и СО РСФСР, Горьковский Гос. Универсистет).

23. Гостев В.И. Статистический контроль качества продукции. М.: Машиностроение, 1965, 204с.

24. Дроздов Н.А. Вибрации при резании металлов./Станки и инструмент, 1937, №22.

25. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Расчет допусков размеров. М.: Машиностроение, 1981, 189с.

26. Дунин-Барковский И.В. Пьезопрофилометры и измерение шероховатости, Машгиз, 1961.

27. Дунин-Барковский И.В., Смирнов Н.В. Теория вероятностей и математическая статистик в технике. М.: Гостехиздат, 1955.

28. Дьяченко П.Е., Якобсон М.О. Качество поверхностей при обработке металлов резанием. М.: Машгиз, 1951.

29. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. М.: Машиностроение, 1986.

30. Заковоротный В.Л., Бордачев Е.В., Афонасьев А.В. Анализ и параметрическая идентификация динамических характеристик шпиндельных групп металлорежущих станков.//Станки и инструмент, 1995, №9.

31. Зверев И.А. Программно-методический комплекс для автоматизированного проектирования шпиндельных узлов/Труды 3-го междун. конгресса «Конструкторско-Технологическая Информатика». М.: МГТУ «Станкин», 1996, С.бЗ.

32. Зверев И.А. Автоматизированный расчет высокоскоростных шпиндельных узлов. В сб. научных трудов. М.: Энимс, 1988, С.153-157.

33. Зверев И.А. Многокритериальное проектирование шпиндельных узлов на опорах качения./ Докт. диссертация. М., 1997.

34. Зверев И.А. Пуш Е.А. (Синельникова) Сравнительный анализ характеристик подшипников со стальными и с керамическими шарами.// В сб. Проектирование технологических машин, Вып. №12, МГТУ «Станкин», С. 70-75, Москва, 1998.

35. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металла. Издательство АН СССР, Москва, 1944.

36. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978, 199с.

37. Клейман Е.А. Статистические методы регулирования и контроля качества. Издательство Комитета Стандартов, Москва 1966.

38. Колев К.С. Вопросы точности при резании металлов. М.-К.: Машгиз, 1961.

39. Колев К.С., Горчаков Л.М. Точность обработки и режимы резания. М.: Машиностроение, 1976.

40. Колкер Я.Д. Математический анализ точности механической обработки. Киев. Изд-во «Техника», 1976.

41. Комин А.В. Повышение качества токарной обработки на основе автоматического управления размерными параметрами. Канд. диссер., Тольятти, 2001.

42. Корсаков B.C. Основы технологии машиностроения. М.: Высшая школа, 1974.

43. Корсаков B.C. Точность механической обработки. М.: Машгиз, 1961.

44. Косилова А.Г., Мещеряков Р.К., Калинин М.А. Точность обработки и припуски в машиностроении. М.: Машиностроение, 1976.

45. Косов М.Г. Моделирование точности при автоматизированном проектировании и эксплуатации металлорежущего оборудования./Докт. диссер. М.1985.

46. Кохан Д., Якобе Г.Ю. Проектирование технологических процессов и переработка информации: Пер. с нем. М.: Машиностроение, 1981., 312с.

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

48. Левина З.М., Астафьев А.М Расчеты при автоматизированном расчете шпиндельных узлов.// Станки и инструмент, 1981, №6.

49. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971.

50. Кутая А.К. Справочник по производственному контролю в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1974, 676с.

51. Лоповок Т.С. Волнистость поверхности и ее измерение. — Издательство стандартов, 1973.

52. Макарова ТА Повышение точности чистового точения путем компенсации и прогнозирования доминирующих составляющих погрешностей обработки. Л.: 1991, 173с.

53. Маталин А.А. Точность механической обработки и проектирование технологических процессов. Л.: Машиностроение, 1970, 319с.

54. Маталин А.А. Технология механической обработки. Л.: Машиностроение, 1977, 464с.

55. Маталин А.А., Рысцова B.C. Точность, производительность и экономичность механической обработки. М.-Л.: Машиностроение, 1963.

56. Металлорежущие станки и автоматы: Учебник для машиностроительных втузов/ Под. ред. А.С. Проникова. М.: Машиностроение, 1981, 479с.

57. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Наука 1971, 576с.

58. Митрофанов В.Г. Управление динамической настройкой системы СПИД. В кн. Адаптивное управление технологическими процессами/ под. ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 1980.

59. Музыкант Я.А. Металлорежущий инструмент: Номенклатурный каталог. В 4-х ч. Ч. 1. Токарный инструмент. М.: Машиностроение, 1995, 416с.

60. Мурашкин Л.С. и др. Математическое обеспечение анализа автоколебательного движения технологических систем. В сб. Контроль и автоматизация технологических процессов механической обработки в машиностроении. Ленинград: ЛДНТП, 1983.1. Ml

61. Никитин Б.В. Расчет динамических характеристик металлорежущих станков. М.: Машгиз, 1962.

62. Общемашиностроительные нормативы резания. Токарные и карусельные работы (Выбор инструмента, режимов резания, определение расхода инструмента). ВНИИТЭМР. Москва, 1985.

63. Опитц Г. Современная техника производства (состояние и тенденции). Сокр. пер. с нем. Ю.В. Найдина и И.Н. Чурина. Под ред. B.C. Васильева. М.: Машиностроение, 1975.

64. Обработка металлов резанием. Справочник технолога./Под общей ред. А.А. Панова. М.: Машиностроение, 1988.

65. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шеферю /Пер. с нем. Г.А. Фомина и Н.С. Лецкой, Под. ред. к.т.н. Э.К. Лецкого, Издательство «Мир», 1977.

66. Портман В.Т., Шустер В.Г., Фигатнер A.M. Оценка выходной точности шпиндельных узлов с помощью ЭВМ//Станки и инструмент. 1984. - №2, С.27-29.

67. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник. В 3-х томах; Под общей редакцией А.С. Проникова. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана: Машиностроение, 1994-2000.

68. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978, 590с.

69. Проников А.С. Программный метод испытания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1985 - 288с.

70. Пугачев B.C. Теория вероятности и математическая статистика. М.: Наука, 1979, 496с.

71. Пуш А.В., Зверев И.А. Шпиндельные узлы. Проектирование и исследование. М.: Издательство «Станкин», 2000, 197с.

72. Пуш А.В. Исследование шпиндельных узлов методом статистического моделирования//Станки и инструмент. 1981. - №1. - С.9-12.

73. Пуш А.В. Прогнозирование выходных характеристик машин при их проектировании//Машиноведение. 1981. - №5. - С.54-60

74. Пуш А.В. Шпиндельные узлы. Качество и надежность. М.: Машиностроение, 1992 - 288с.

75. Пуш Е.А. (Синельникова) Прогнозирование выходных характеристик шпиндельных узлов с учетом вероятностной природы режимов нагружения.// В сб. Проектирование технологических машин. Вып. №12, МГТУ «Станкин», С. 4-9, Москва, 1998.

76. Рекомендации по рациональной эксплуатации режущего инструмента на токарных станках с ЧПУ. ВНИИТЭМР. Москва,1986.

77. Руководство по выбору инструмента. SANDVIK Coromant. 4-е изд., 1998.

78. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем. М.: Машиностроение, 1991.

79. Синельникова Е.А. Стохастическое прогнозирование выходных характеристик шпиндельных узлов.// Материалы международной конференции «Информационные средства и технологии», Т.З С 190-191, Москва 1999.

80. Синельникова Е.А. Использование метода статистического моделирования для прогнозирования выходных характеристик

81. ШУ.// В сб. Проектирование технологических машин, Вып. №17, МГТУ «Станкин», С. 36-37, Москва, 2000.

82. Синельникова Е.А. Стохастическое прогнозирование характеристик технологических машин.// Открытая научная конференция МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного Центра Математического моделирования МГТУ «Станкин» и И ММ РАН. Материалы конференции. С. 83, 1999.

83. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973, 312с.

84. Соломенцев Ю.М. Управление шероховатостью поверхностей деталей. В кн. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1980.

85. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1972, 216с.

86. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т./ под.ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985, 496с.

87. Статистические методы в инженерных исследованиях (лабораторный практикум). Под ред. Г.К. Круга. М.: Высш. школа 1983, 216с.

88. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. М.: Машиностроение, 1985, 195с.

89. Технологическая надежность станков./ Под общей ред. А.С. Проникова, 1971.

90. Технологическое обеспечение качества продукции в машиностроении. Под ред. Г.Д. Бурдуна и С.С. Волосова. М.: Машиностроение, 1975, 279с.

91. Хан Г., Шапиро С. Статистические методы в инженерных задачах. М.: Мир, 1969.

92. Хусу А.П., Витенбрг Ю.Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхностей (теоретико-вероятностный подход). — М.: Наука, 1975.

93. Шторм Р. Теория вероятностей. Математическая статистика. Статистический контроль качества. М.: Издательство «Мир», 1970.

94. Якобсон М.О. Шероховатость, наклеп и остаточные напряжения при механической обработке. М.: Машгиз, 1956.

95. Якушев А.И., Воронцов В.Л., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Машиностроение, 1986, 352с.

96. Ящерицын П.И., Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Технологическая наследственность в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1977, 256с.

97. FAG Spindellager fur Werkzeugmaschinen, Publ. Nr. 41119/DA, 1984 -44s.