автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение точности 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ на основе разработанных методов измерения геометрических отклонений

На правах рукописи

НИКУЛИЧЕВ ИГОРЬ ВЖТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ 5-КООРДННАТНЫХ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ С ЧПУ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ОТКЛОНЕНИЙ

Специальность 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 т 2013

Москва, 2013

005059827

005059827

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Хомяков Вадим Сергеевич

ФБГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Рогов Владимир Александрович ФГБОУ ВПО РУДН, г. Москва Заведующий кафедры

кандидат технических наук Ермолаев Вадим Константинович ООО «СП СТАНКОВЕНДТ», г. Москва Заместитель генерального директора

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет», г.Москва

Защита состоится «¿¿7» ¿{^ОМЛ 2013 г. в « /?.00» часов на заседании диссертационного совета Д212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.За.

Ваши отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения (организации), просим высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан « /Ь~» Э(_2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Актуальность темы. Станкостроение относится к числу базовых отраслей машиностроения, от технического состояния которого во многом зависит уровень развития всей экономики страны. Развитие станкостроения также является одним из важнейших факторов обеспечения модернизации промышленности в целом.

Можно отметить, что в последнее время все больше предпочтений на предприятиях отдается 5-координатным станкам с ЧПУ. Это связано с широкими технологическими возможностями таких станков: они позволяют проводить черновые и чистовые операции за один установ, наилучшим образом обрабатывать сложные детали (колеса турбин, гребные винты и сборные лопасти), пресс-формы или детали из труднообрабатываемых материалов. Такие станки становятся незаменимыми в военной, авиационной, космической и автомобильной отраслях промышленности наряду с автоматическими линиями.

Однако, повышение требований к качеству изготовления деталей, а также техническое совершенствование материалов требует постоянного контроля точности как отдельных элементов конструкций, так и их составных узлов в целом. Как результат, предъявляются повышенные требования к точности оборудования, на котором происходит обработка деталей, и, в первую очередь, к металлорежущим станкам.

Соответственно, обеспечение необходимой "объемной" точности 5-ти координатных станков при их изготовлении и эксплуатации является важной задачей, решению которой в последнее время посвящается все больше теоретических и экспериментальных исследований. Актуальными становятся вопросы отладки, юстировки и диагностики многокоординатных обрабатывающих центров. Однако в этих работах не уделяется должного внимания всему многообразию возможных методов и методик измерений точности станков и их усовершенствованию, а также влиянию возмущающих факторов (вес узлов станка, температура) на точность 5-ти координатных машин с ЧПУ.

Существует непрерывно растущая потребность в отслеживании, выявлении и решении проблем, оказывающих воздействие на повышение точности многокоординатных станков с ЧПУ. В связи с этим тема диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук, направленная на повышение точности 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ, на примере моделей МС-300, производимых в ОАО "Национальный институт авиационных технологий" (НИАТ) является актуальной.

Цель работы. Повышение точности 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ на основе разработки новых (метод измерения отклонения непересечения поворотных осей, оценка статической и динамической жесткости, уменьшение влияния системы охлаждения) и существующих методов измерения геометрических отклонений.

Задачи исследования. Для достижения заданной в работе цели поставлены следующие задачи:

1) Систематизировать и предложить новые методы и средства измерения первичных отклонений исполнительных органов применительно к 5-координатным станкам.

2) Провести экспериментальные исследования на многоцелевых станках и дать оценку их "объемной" точности с последующим выявлением причин отклонений от заданных траекторий движения рабочих органов. Предложить пути повышения точностных характеристик 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ.

3) Выявить и исследовать влияние погрешностей изготовления и сборки, а также возмущающих факторов (вес, температура станка) на первичные отклонения рабочих органов многоцелевых станков и принять соответствующие меры, в том числе по вводу программной коррекции в систему ЧПУ.

4) Разработать метод экспериментальных исследований для оценки статической и динамической жесткости рабочих органов многокоординатных станков с ЧПУ по отклику на силовое ступенчатое воздействие.

5) Разработать метод повышения точности воспроизведения эталонной траектории и выявить способы сравнения первичных отклонений, полученных в системе станка с ЧПУ, охваченной обратной связью датчиков, с отклонениями, которые показывают реальную динамику перемещений узлов 5-координатных станков с использованием прибора ВаИЬаг.

В качестве объекта исследования в данной работе были использованы 5-координатные многоцелевые станки модели МС-300. Применительно к станкам этой группы по разработанным методам проведены необходимые измерения с последующим внесением соответствующих коррекций и компенсаций в его систему ЧПУ. Все эти мероприятия позволили повысить точностные характеристики исследуемых станков.

Предметом исследования в работе является улучшение точностных характеристик станков, а также изучение возможностей коррекции измеряемых параметров с помощью системы ЧПУ.

Научная новизна работы заключается в:

• создании новых методов экспериментальных исследований и анализа погрешностей несущей системы станка на стадии калибровки (в том числе, отклонений от непересечения осей угловых координат его узлов), позволивших повысить точность 5-координатных станков с ЧПУ;

• разработке алгоритмов и программ коррекции работы системы ЧПУ станка на основе полученной информации о первичных отклонениях (от перпендикулярности, параллельности, позиционирования и прямолинейности) исполнительных органов станка, что позволило повысить объемную точность станка в несколько раз (до заданных значений);

• выявлении на основе проведенных на 5-координатном станке экспериментов, количественных взаимосвязей условий работы его системы охлаждения и случайных составляющих погрешностей позиционирования станка по линейным и угловым координатам;

• разработке методов анализа статической и динамической жесткости несущей системы многокоординатных станков, позволяющих оценивать качество сборки и уровня совершенства конструкции станка в целом.

Практическая значимость работы состоит в разработке методов и устройств диагностирования, юстировки и отладки, а также в выявлении влияния

4

действий возмущающих факторов на первичные отклонения (отклонения перпендикулярности, параллельности, позиционирования, непересечения осей) исполнительных органов станков.

Работа, в значительной степени, выполнена по экспериментальным данным, что способствует накоплению информации и опыта для последующей оценки первичных отклонений 5-координатных станков. Результатом работы являются рекомендации по установлению теплового режима станка для измерения отклонений позиционирования и воспроизведения эталонной окружности.

Реализации и внедрения. Результаты работы внедрены и использованы на 5-координатных станках МС-300, применяемых в производстве ОАО Национального института авиационных технологий (НИАТ).

Апробации работы. Результаты, полученные автором в ходе работы, докладывались на заседаниях кафедры «Станки» МГТУ «СТАНКИН», заседаниях Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» (ИМАШ им. Благонра-вова, Москва, 2010), XXIII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС-2011» (ИМАШ им. Бла-гонравова, Москва, 2011), международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (ИМАШ им. Благонравова, Москва, 2012), X Международного научно-технического форума «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии (ИнЭРТ-2012)» (ИЦ ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2012).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 - в трудах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы из 58 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе дано определение объекта исследования, история развития и подтверждена справедливость предположений об использовании 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ в таких отраслях как машиностроение, в литейном производстве, в изготовлении аппаратов и средств для военной и космической отраслей, в автотюнинге, в судостроении, в строительстве, в мебельном и столярном производстве, в рекламе и в других областях обработки материалов.

В качестве объекта исследования были выбраны 5-координатные многоцелевые станки модели МС-300, применяемые в производстве ОАО НИАТ (г. Москва).

Многокоординатный обрабатывающий центр (МЦ) модели МС-300 разработан и предназначен для комплексной высокоскоростной обработки деталей, изготовленных из различных материалов, в условиях мелкосерийного и серийного производства. МЦ выполняет следующие операции:

• операции сверления;

• растачивания;

• сверление одновременно с фрезерованием резьбы комбинированным инструментом в деталях малых и средних размеров

• прямолинейного, контурного и объемного фрезерования;

• нарезания резьбы;

МЦ имеет класс точности А (станки особо высокой точности). Центр имеет пять формообразующих координатных движений (рис.1) и позволяет обрабатывать детали, имеющие сложную геометрическую форму (лопатки газотурбинных двигателей, прессформы, штампы и т.п.). Дискретность задания перемещения по линейным координатам составляет 0,0001 мм, по угловым -0,0001°.

Рис. 1. Схемы расположения управляемых координат в 5-ти координатном многоцелевом станке модели МС-300.

Изменение компоновки и усовершенствование моделей станков являются весьма важными задачами. Кроме этого, производители всегда берут во внимание повышение надежности, точности, жесткости и возможности своевременного решения проблем с отладкой, юстировкой и выверкой основных параметров станков.

Первичные отклонения звеньев и кинематических пар в механизмах последовательных подсистем регламентируются нормами точности на изготовление станка. Требуемая точность станка достигается как технологией изготовления отдельных деталей, так и технологией сборки узлов и станка в целом. При

сборке станка для достижения необходимой точности в настоящее время широко используются различные методы коррекции первичных отклонений через математическое обеспечение системы ЧПУ. Для проведения коррекции необходимо измерять первичные отклонения с помощью хорошо развитых методов и средств измерения (ГОСТ 22267-98).

Однако в производстве получается, что для станков различных групп и структур создаются свои, не похожие на остальные, методы измерения и методики, которые могут упростить процедуры измерения, существенно уменьшить время, затраченное на них, или поспособствовать повышению точности измерения в целом. Так, например, наличие 2-х угловых координат в 5-ти координатных станках требует проведения новых проверок геометрической точности на холостом ходу:

- для измерения отклонений «непересечения» осей поворота;

- для измерения отклонений от перпендикулярности осей поворота;

- для привязки осей поворота к линейным координатам.

На основе выполненного анализа и обнаруженных проблем сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Во второй главе описаны методы и средства измерений первичных отклонений звеньев механизмов несущей системы станков. Рассмотрены основные понятия, связанные с методами и средствами измерения первичных отклонений машин: точность станка, косвенное и прямое измерение, метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой, принцип измерения и их средства.

В ходе исследований объемной точности был сделан вывод о том, что набор первичных отклонений для звеньев, входящих в поступательные и вращательные пары механизмов несущей системы станка МС-300, состоит из 38 отклонений:

1) ЕХХ, EYY, EZZ, EBB, ЕСС - отклонения позиционирования по линейным и угловым координатам. Для измерения точности позиционирования использовалось измерительное средство метода непосредственной оценки -лазерный интерферометр с линейной и угловой оптикой (глава 3);

2) EYX, EZX, EXY, EZY, EXZ, EYZ - отклонения от прямолинейности движения. Использовались поверочные твердокаменные линейки класса точности 00 с широкой рабочей поверхностью ТУ 2-034-816-81 из твердокаменных пород. В ходе исследования, отклонение от прямолинейности движения салазок (XZ, YX), стойки (XY, YZ) и шпиндельной бабки (XZ, YZ) не превысило 5мкм, что входит в допуск;

3) ЕАХ, ЕВХ, ЕСХ, EAY, EBY, ECY, EAZ, EBZ, ECZ — отклонения осей поворота узлов станка линейных координат. В качестве прибора для измерения использовались электронные уровни (мод. EMP-832P-50-W2 (Mahr Federal Inc., USA)). Постоянство углового положения по всем координатам оказалось ниже предельного значения 2.5", что может свидетельствовать о качественной сборке станка;

4) ЕАВ, ECB, ЕВС, ЕАС — отклонения от вертикали и горизонтали осей поворота поворотных столов В и С. Для измерения данного отклонения использовался лазерный интерферометр с угловой оптикой;

5) EXB, EZB, EXC, EYC — радиальные биения поворотных столов;

6) EYB, EZC — аксиальные биения поворотных столов. В качестве измерительных средств для измерения осевого и радиального биения (ЕХВ, EYB, EZB, EXC, EYC, EZC) поворотных столов применялись измерительные головки, работающие по методу непосредственной оценки (система измерительная портативная с индуктивным преобразователем БВ-6436). Для измерения осевого биения использовались плоские измерительные наконечники и эталонный шарик небольшого диаметра 0 < 5 мм, устанавливаемый на проверяемом узле (планшайбе). Радиальное биение оси вращения и торцевое биение рабочей поверхности планшайбы стола меньше заявленных допусков (8 мкм);

7) вхп Qx-, б,„, вьс, Qbxz, Qbyz - отклонений от перпендикулярности движений. Для измерения данного отклонения использовались обычный проверочный угольник из твердокаменных пород класса точности 00 и индуктивный преобразователь с показывающим прибором "Микрон-02". Так, для опытного образца MC 300 № 6 результаты измерения отклонений от перпендикулярности следующие:

- отклонения от перпендикулярности траектории (направления) перемещения стойки к направлению перемещения салазок (плоскость XOY) составляют 6 мкм;

- отклонения от перпендикулярности траектории (направления) перемещения шпиндельной бабки к направлению перемещения салазок:

• в плоскости XOZ - 3,5 мкм;

• в плоскости YOZ - 5 мкм, что входит в допуск нормы точности.

Если отклонения превышает допуск перпендикулярности (8 мкм), по измеренным значениям создается таблица компенсации, которая вводится в систему ЧПУ станка.

8) Аьсх, Асу — отклонения «непересечения» осей В и С. Для измерения отклонений от «непересечения» осей В и С (ДЬс2, Дьсх) стандартных средств измерения в настоящее время нет. В ИМАШ РАН совместно с ОАО НИАТ было разработано измерительное устройство с эталонным шаром.

Отклонение от «непересечения» осей С и В есть наименьшее расстояние между осями С и В (общий перпендикуляр к осям С и В). Прямое измерение наименьшего расстояния между осями С и В представляет сложную метрологическую задачу.

Для измерения отклонений Дьсх и Дьс2 удобно пользоваться измерительным приспособлением, принцип действия которого основан на свойстве шара — равноудалённое™ каждой точки поверхности от его центра.

На рис. 2 показан общий вид приспособления, с помощью которого была реализована схема измерений отклонений Дьсх и ДьС2-

Рис. 2. Общий вид приспособления для измерения Д/,ет и А/,сг при горизонтальном и вертикапьном положении планшайбы.

Эталонный шар выставляют так, чтобы ось поворота планшайбы проходила через центр шара. Это достигается путём вращения планшайбы (ось С) и «выстукивания» приспособления с эталонным шаром по показаниям индуктивного датчика.

Далее, поворачивая корпус планшайбы вокруг оси В на +90° и -90°, можно по показаниям датчика линейных перемещений, касающегося поверхности эталонного шара в самой верхней её точке, определить отклонение «непересечения» осей 5Х вдоль оси X

5Х = (а_9о° - а+9о°)/2,

где: а+9о° - показания датчика при повороте корпуса планшайбы на +90°(обычно а+9о° «сбрасывается на ноль»), а_90= - показания датчика при повороте корпуса планшайбы на -90°.

В конструкции станка МС-300 предусмотрены регулировочные винты для смещения корпуса планшайбы в направлении оси X. Эта процедура носит итерационный характер и проводится до тех пор, пока величина 5Х не станет меньше заданного допуска. Итерационный характер процедуры обусловлен контактными деформациями сопрягающихся поверхностей при затяжке крепёжных винтов.

Положение корпуса датчика по координате Ъ корректируется в соответствии с оставшейся величиной 5Х, и индуктивный датчик «сбрасывается на ноль».

Следует отметить, что ось В должна лежать на «зеркале» планшайбы с отклонением, регламентируемом допуском на «непересечение». Регулировка положения планшайбы в направлении оси Ъ осуществляется с помощью регулировочных винтов по результатам измерения блока концевых мер, набранного на размер радиуса эталонного шара Я = 29.938 мм и устанавливаемого на зеркало планшайбы в соответствии с рис.2.

В случае, если поворот стола по оси В не равноценен (например +60° и 120°), метод измерения отклонения "непересечения" осей В и С можно несколько изменить: совершать поворот не на 90°, а на 30°. При этом смещение корпуса планшайбы будет происходить на 0.5 от разницы величин измерения в точках +30° и -30°.

Результаты опробования разработанного метода показали, что после проведения юстировки станка отклонения «непересечения» осей поворота на

станке МС-300 составили ДЬсх= +/- 3 мкм и ЛЬс2 = 6 мкм, что фактически меньше установленного допуска в 10 мкм на 40%.

Следует отметить, что применительно к 5-координатным станкам других структур количество указанных параметров естественно останется прежним — 38, но обозначения параметров измерений будут другими. Таким образом, проведение измерений согласно разработанным и описанным методам, а также составление программной коррекции с последующей компенсацией "провисов" в элементах несущей системы, позволяют существенно улучшить (в несколько раз) точностные характеристики многокоординатных станков.

Третья глава посвящена влиянию системы охлаждения на точность позиционирования пятикоординатных многоцелевых станков МС-300.

Следует отметить, что все станки МС-300 находились в термоконстантном помещении при температуре 20+/-10. Таким образом, исключалось влияние изменений температуры окружающей среды на основные узлы станков.

Для проведения высокоскоростной обработки металлов резанием применяются безредукторные привода, в работе которых выделяется большое количество тепла, которое отводится с помощью системы охлаждения с холодильным агрегатом. Непрерывное выделение тепла в несущей системе станка и отвод его в релейном режиме приводит к циклическому изменению температуры основных узлов станка, что существенно влияет на точностные характеристики станка. Впервые эта особенность для 5-координатного комплекса МС-300 была выявлена при измерении отклонения позиционирования по линейным координатам.

Если рассматривать отклонение позиционирования на множестве точек исследуемого диапазона Ь положений (при двустороннем подходе по одной координате), то получим кривые отклонения позиционирования (рис. 3).

Такая оценка точности позиционирования соответствует 180-230-2 1997 и ГОСТ 27843-88. Здесь: А - общая точность позиционирования, М - общая функциональная составляющая часть двустороннего позиционирования, М, и М2 - функциональная (средняя) часть общей составляющей при перемещении в прямом направлении и обратном направлении. Я - общая случайная состав-

™0 500' 1Ш> 1500 2000

дао 1500 2000

Рис.3. Оценка отклонения позиционирования на отрезке Ь.

ю

ляющая часть двустороннего позиционирования, а, соответственно, Ri и R2 -случайные функциональные части (повторяемость) при перемещении в прямом направлении и обратном. A,V, и ДЛТ2 - отклонение обратного хода (нечувствительность) при перемещении в прямом направлении и обратном, В = АХ) - ЛХ2 (с учётом знака) - погрешность обратного хода (нечувствительность) двухстороннего позиционирования.

Кривые М, М\ и М2 характеризуют функциональную составляющую отклонения от положения точки позиционирования как в одной точке, так и на всем диапазоне L. Напротив, зоны R, R\ и R2 характеризуют случайную составляющую отклонения от положения точки позиционирования как в одной точке, так и на всем диапазоне L.

Для оси X было выявлено, что функциональная составляющая занимает большую часть отклонения позиционирования (около 75 % всего отклонения). В данном случае это резерв для повышения точности позиционирования, который реализуется методом введения коррекции. По составляющейся в приложении Renishaw Laser таблице компенсации создается и вводится в программную систему управления станка 840 D фирмы Siemens AG (Германия) коррекция движения салазок по направляющим, установленным на станине. Таблица компенсации, в свою очередь, составляется относительно среднего значения результатов трех экспериментов.

При калибровке станка МС-300 с заводским номером «4» было выявлено, что параметр - случайная составляющая R (повторяемость) - ведет себя нестабильно. Это ещё больше проявилось при измерении точности позиционирования по линейным координатам Y и Z. Было выяснено, что данная нестабильность связана с релейным режимом работы охлаждающей системы станка. Был сокращен диапазон терморегуляции с 2°С до 0,2°С,

Как и предполагалось изначально, точность позиционирования по координате X мало зависит от работы системы охлаждения, в отличие от координат Y и Z (чугунная станина станка обладает большей теплоёмкостью, чем корпус шпиндельной бабки).

При измерении отклонения позиционирования по оси Y для станка № 1 установлено, что параметры отклонения позиционирования по оси Y превосходят заданные по паспорту станка нормы и существенно зависят от положения линии измерения. Для обнаружения основных причин, вызывающих данные отклонения, проводились дополнительные исследования, которые показали следующие результаты:

1) С увеличением расстояния от направляющих координаты Y точность позиционирования падает: показатель А увеличивается;

2) Также увеличивается случайная составляющая в общей точности с увеличением расстояния от направляющих координаты Y;

3) Кроме того, для всех положений линии измерений наблюдается существенное значение доли случайной составляющей R в общем показателе точности А. Эта доля в среднем составляет 66 %;

4) Также наблюдается увеличение отклонения обратного хода В.

и

Были сформулированы предположения, что такое поведение кривых точности можно объяснить двумя причинами:

- отклонения позиционирования, в основном, могут определяться поворотом стойки ЕАУ при её движении по координате У (это объясняет увеличение отклонений позиционирования с уменьшением величины Н);

- случайная составляющая отклонений позиционирования вызывается температурными деформациями шпиндельной бабки и стойки в результате выделения и отвода тепла в шпиндельном узле.

Для доказательства данного предположения проводились измерения в ручном режиме при отключенном холодильнике и приводах, которые показали, что холодильная система, работающая в релейном режиме, существенно влияет на точность позиционирования по координате У.

Сокращение диапазона температуры (от 2°С до 0,2°С) серьезно сокращает случайную составляющую отклонения позиционирования (табл.1).

Табл. 1. Параметры отклонения позиционирования по оси У для 5 станков МС—300.

№ А, мкм, без корр./с корр. В, мкм, без корр./ с корр. II, мкм, без корр./с корр. М, мкм, без корр./с корр. °С

1 13,4/ 0,9/ 8,6-7,8/ 5,7/ 19°+/-1°

1* 5,0/ 0,6/ 1,6-1,7/ 3,6/ 25°+/-0,1°

2 23,0/13,6 1,4/2,9 9,3-8,4/9,0-8,7 14,7/3,6 19°+/-1°

3 24,8 1,9 14,8-18,7 9,9 19°+/-1°

3* 15,7/8,2 1,2/ 1,8 5,4-5,0/3,4-7,2 12,4/3,8 19°+/-0,1°

4 15,1/10,5 0,8/0,7 10,2-8,8/7,5-8,2 6,8/4,0 19°+/-1°

6 6,5/ 0,7/ 3,2-2,6/ 4,5/ 19°+/-0,1°

Аналогично установлено, что сокращение диапазона температуры работы охлаждающей системы станка МС-300 приводит к уменьшению случайной составляющей точности позиционирования по координате Ъ.

Что касается угловых координат В и С, установлено, что уменьшение диапазона регулирования температуры проявляется так же, как и по X, в меньшей степени. Однако была подтверждена справедливость предположения о том, что для более качественного проведения измерения отклонения позиционирования по угловым координатам необходимо дождаться установления теплового режима станка (проводить измерения через 2 часа после включения).

В четвертой главе приведены результаты исследования и оценки жесткости станка по отклику на силовое ступенчатое воздействие.

Для измерения статической жесткости использовалось устройство, разработанное и изготовленное совместно ИМАШ РАН и ОАО НИАТ, представлен-

ное на рис. 4. Устройство основывается на применении датчика (динамометра) силы сжатия-растяжения с цифровым отсчетным устройством.

Нагружение несущей системы станка осуществлялось с помощью винтового домкрата. Для осуществления возможности проведения измерений перемещений (деформаций) при сжатии и растяжении при одной настройке винтового домкрата и динамометра был спроектирован и изготовлен специальный элемент присоединения динамометра к исследуемому узлу. Для измерения деформаций исследуемого объекта при тестовых испытаниях использовалась микронная индикаторная головка, а при исследовании статической жесткости станка МС-300 - индуктивные датчики «микрон 02».

Стол станка

Исследуемое приспособление

Рис. 4. Устройство для измерения статической жесткости

Индикаторная

Элемент присоединения динамометра к исследуемому узлу

Динамометр Винтовой ЦОУ сжатия-растяжения домкрат динамометра

Проведенное исследование показало:

- По координатам X и У:

1) Практически отсутствуют петли гистерезиса (рис.5). Это говорит о хорошей сборке (деформации происходят в области упругих), отсутствии зазоров (геометрических и упругих). Это также дает понять, что в несущей системе, содержащей привод, построенный на принципе ПИ-регулятора, исключается из статической жёсткости часть её, присущая механической системе, охваченной обратной связью привода (линейкой Не1с1епЬат).

2) Наблюдается недостаточная статическая жесткость в направлении действия нагружающей силы (1,« = 12.5 НУмкм, 1уу = 25 Н/мкм). Это будет отрицательно сказываться при обработке труднообрабатываемых материалов.

3) Практически отсутствует взаимовлияние (1ху > 500, ^ > 500, > 500, 1;г > 500). Такое поведение статической жёсткости по координатам X и У можно было бы считать идеальным, если бы .(„с, были > 75 Н/мкм.

Рис. 5. Кривые статической жесткости при погружении вдоль осей X и 2.

- По координате Ъ.

1) Наблюдается достаточно высокая статическая жёсткость в направлении действия нагружающей силы (1^=75 Н/мкм).

2) Наблюдается наличие взаимовлияния между действием силы и перемещениями в направлении X (12х= 136 Н/мкм). Это, возможно, является дефектом конструкции (несимметричность и отсутствие разгрузки от веса, т.к. шпиндельная бабка «висит» на ШВП). Последнее может при определённых условиях приводить к возникновению автоколебаний.

3) Наблюдается наличие ощутимой петли гистерезиса в статической жесткости .Ги = 136 Н/мкм. Это может быть вызвано дефектом конструкции (несимметричность и отсутствие разгрузки от веса шпиндельной бабки).

- Статическая крутильная жёсткость планшайбы.

Статическая жёсткость (крутильная) планшайбы в приведённом виде составляет 1сс= 153 Н/мкм. В данном случае жёсткость определялась как отношение линейного перемещения точки на планшайбе, отстоящей от оси вращения на радиусе =100 мм к приложенной нагружающей силе Р на плече = 100 мм. Это говорит о высокой крутильной жёсткости части механической системы, не охваченной обратной связью привода планшайбы.

Для измерения динамической жесткости нагрузка в несущую систему многоцелевого станка (стол - корпус шпинделя) подавалась через винтовой механический домкрат и электронный динамометр до нагружающей силы, равной 500 Н. В процессе нагружения происходило накопление потенциальной энергии в упруго-пластических деформациях звеньев механизмов несущей системы станка (стол—^-шпиндель). Далее с помощью спускового механизма резко снималась нагрузка в несущей системе (механически отсоединялся винтовой домкрат). В этот момент потенциальная энергия «сжатой пружины» начинала переходить в энергию движения отдельных элементов несущей системы станка. Как правило, звенья несущей системы совершали сложные затухающие колебания. В настоящих исследованиях записывалось относительное движение корпуса шпинделя относительно поверхности планшайбы стола с помощью лазерного интерферометра ШЛО.

Для оперативной оценки предварительной статической и динамической жесткости несущей системы станка предлагается использовать следующие вычисляемые параметры (рис.6):

1. кст = 500/Аср [Н/мкм] - интегральная статическая жесткость;

2. кд = АдИ„/Аср - коэффициент динамичности;

3. те - время релаксации - отрезок времени, за которое амплитуда колебаний будет уменьшена в е (2,718281...) раз;

4. foc„ - основная собственная частота переходного процесса.

Исходя из полученных результатов временных сигналов «отклика» несущей системы по координатам X и Y на ступенчатое силовое воздействие 500Н сделан вывод, что такое протекание переходного процесса можно считать нормальным (быстрое затухание и небольшое «перерегулирование»).

Из рис. 7 хорошо видно, что в несущей системе координаты Z при воздействии на неё ступенчатой силы возникают колебания типа «биение», затухание которых происходит медленно. На спектре колебаний видны два близких пика в районе 40 Гц.

Псгемядеяне. нк*

"Î5

щшш

Рис. 6. Сигнал «перемещение — время» и параметры оценки динамической жесткости по реакции на ступенчатое силовое воздействие.

S-ЛОХЧ

I

г; «хм

%

I 8'01

10,005

fli'i -ц>1' '<« [Il ! 1 Р>* s'< ' / f )h i,!!! il1 'Il y- ■ > > '

1 { ^ ( -

4 Lf> l.S

it {«вы

Рис. 7. «Отклик» несугцей системы координаты Z.

Проведение дополнительных исследований установило, что это влияние объяснялось неправильной настройкой привода по координате Ъ (параметры привода были близки к потере устойчивости). В дальнейшем протекание переходного процесса по координате Ъ после ступенчатого силового воздействия стало нормальным (как и для координат X и У).

Пятая глава посвящена исследованию отклонений воспроизведения эталонной траектории. В случае измерения отклонения воспроизведения эталонной траектории устройствами, дающим действительное значение,

являлись станок и его исполнительные органы (шпиндель и стол). В качестве меры - физического (материального) воплощения эталонной величины перемещения - выступал измерительный прибор <ЗС-10 11егш1ш\у.

В приборе (ЗС-10 ЯешзЬалу в качестве эталонной траектории использовалась окружность, которая обходилась с постоянной скоростью, но в разных направлениях. В нашем случае прибор располагался в координатных плоскостях линейных координат: ХУ, XX, УХ.

Некруглость воспроизведения окружности в плоскостях ХУ и УЪ составляла 0=6,9 и С>=6.1 мкм соответственно, что входило в допуск отклонения (8 мкм). Некруглость в плоскости XX при радиусе эталонной окружности 11=100 мм и скорости Р = 300 мм/мин равняется (2=22,3 мкм. При этом выявлены особенности:

- 21% - отклонение от перпендикулярности в плоскости

- 13% - несогласованность масштабов;

- 9% - люфт по движению вдоль оси Х\

- 8% - циклическая ошибка ШВП по оси X;

В данном случае большое отклонение от перпендикулярности в плоскости XZ (21% - 73 мкм/м) свидетельствовало о необходимости проведения дополнительных исследований по выявлению источников (причин) возникновения таких больших отклонений. Всплески при реверсе по осям X и X составляли 1,53,1 (6%) и 0,5-3,1 мкм (9%) соответственно. Это свидетельствовало о наличии люфта в несущей системе приводов осей X и X, охваченной обратной связью (от двигателя до датчика-линейки).

После переборки узла крепления ШВП и изменения натяжки ремня, вращающего ШВП, а также введения коррекции перпендикулярности в плоскости УХ, некруглость в плоскости XX уменьшилась до значения () = 12,5 мкм (уменьшилась на 43 %).

Одновременно с проведением измерений прибором (^С-Ю совершался тест окружности в системе ЧПУ станка. Данные теста окружности выводились на монитор пульта ЧПУ. Разница между измерениями заключается в том, что во втором случае (тест в системе ЧПУ) наблюдалось отклонения с учетом введенных прежде компенсаций, накладывающихся друг на друга в системе ЧПУ. Первый же случай (прибор ВаНЬаг) показывал реальную динамику станка: от приводов осей до точки шпинделя, где крепится инструмент.

Также в процессе исследования были выявлены следующие факты:

1) Измерения надо проводить на прогретом станке (время прогрева станка—от 1 часа). Амплитуда эталонной окружности прогретого станка визуально изображена на рис.86;

2) Настройка значения динамического коэффициента усиления для регулятора скорости в системе ЧПУ станка для координаты X существенно влияла на значение эталонной окружности, исследуемой как прибором (^С-Ю, так и внутренним тестом машины. При значении коэффициента 0,5 можно было наблюдать повышенные вибрации в системе. С увеличением значения коэффициента (1; 1,5; 2; 2,5) некруглость в плоскости ХЪ снижалась до значений 8,2 и 13,6 мкм соответственно (рис.8а, б). Однако, при достижении коэффициентом

значения 3 появлялся специфичный звук в приводах, и погашенные амплитуды вибрации резко увеличивались.

к' 2,5 в плоскостиХ2: а) прибором ()С-10, б) в НМ1 станка.

В заключении подводятся итоги работы по улучшению точности 5-координатного многоцелевого станка с ЧПУ модели МС-300.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Анализ особенностей построения, систематизация методов и средств измерений первичных отклонений звеньев механизмов и исследование геометрической точности, статической и динамической жесткости, а также отклонений воспроизведения эталонной окружности на 5-координатных многоцелевых станках с ЧПУ позволяет сделать следующие выводы по работе:

1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное практическое и методическое значение для станкостроения, заключающаяся в повышении "объемной точности" 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ на основе разработанных в диссертации приспособлений и устройств нагружения станка, а также методов измерения первичных отклонений с целью их устранения.

2. Накопленный опыт измерений первичных отклонений (отклонение от перпендикулярности, плоскостности, прямолинейности) на этапе сборки позволил минимизировать их влияние (около 10% от всех первичных отклонений станка). После сборки первичные отклонения измерялись на стадии проведения калибровки станка с последующим внесением соответствующих изменений в ПО системы ЧПУ. Таким образом геометрическую "объемную" точность станка удалось повысить в несколько раз (до заданных значений по нормам точности геометрических отклонений). В качестве примера можно привести отклонения от перпендикулярности траектории (направления) перемещения шпиндельной бабки к направлению перемещения салазок (до ввода коррекции/после):

- в плоскости ХОг - 20/3,5 мкм;

- в плоскости ЧОЪ - 40/5 мкм.

3. Для разработанной классификации видов первичных отклонений предложены методы измерения геометрической точности, которые упрощают процедуры измерения, существенно уменьшают время, затраченное на них.

Разработано устройство и методы измерения отклонений от пересечения осей поворотных координат, которые позволяют существенно повысить точность измерений, снизить трудоёмкость и уменьшить время проведения измерительных операций для всех 5-координатных станков с ЧГГУ.

4. Экспериментально подтверждено предположение, что регулярное (детерминированное) включение холодильной системы, работающей в релейном режиме, вызывает случайные отклонения позиционирования. На основе проведенных исследований сокращен диапазон регулирования температуры с 2° до 0,2°, что позволило существенно уменьшить (на 20 - 70%) случайную составляющую отклонения позиционирования по линейным и угловым координатам и привело к улучшению общей точности станка. Также установлено, что оставшуюся систематическую (функциональную) составляющую отклонения позиционирования можно устранить путем ввода коррекции в систему ЧПУ станка.

5. Разработанные методы измерения статической и динамической жесткости несущей системы многокоординатных станков с ЧПУ показала свою работоспособность. Она может применяться:

- для оценки уровня совершенства конструкции несущей системы многокоординатной машины с ЧПУ;

- для оценки качества сборки станка в целом;

- для анализа причин невозможности достижения заданной статической жесткости несущей системы многокоординатной машины с ЧПУ.

6. Для оперативной оценки предварительной статической и динамической жесткости несущей системы станка предложено использовать следующие вычисляемые параметры: - интегральная статическая жесткость; кд — коэффициент динамичности; те - время релаксации; - основная собственная частота переходного процесса. Сравнивая несущие системы станков по указанным четырём параметрам можно утверждать, что чем меньше каждый из 3-х первых параметров (кст, кд и х), тем выше жесткость несущей системы и лучше демпфирующие свойства. Знание основной собственной частоты £)С„ является важным при эксплуатации станка для выполнения условия, чтобы частоты внешних возмущающих воздействий не были близки к

7. Проанализирован процесс измерения отклонения воспроизведения эталонной окружности, в частности, процесс разложения интегрального отклонения на простые составляющие и дальнейшие способы их устранения. Выявлены способы сравнения первичных отклонений, полученных в системе станка с ЧПУ, охваченной обратной связью датчиков, с отклонениями, которые показывают реальную динамику перемещений узлов станка.

Проведенные эксперименты дали возможность установить, что при увеличении динамического коэффициента усиления для регулятора скорости (до значения 2.5) происходит уменьшение амплитуды вибраций, что ведет к уменьшению отклонения воспроизведения эталонной окружности.

8. Даны рекомендации по измерению отклонений геометрической точности, которые должны осуществляться при установленном тепловом режиме 5-координатного многоцелевого станка:

- для измерения отклонения позиционирования по угловым координатам необходимо проводить измерения через 2 часа после включения;

- для измерения отклонения воспроизведения эталонной траектории необходимо проводить измерения через 1 час после включения.

Результаты диссертационной работы применяются при производстве 5-координатных станков на предприятиях ОАО НИАТ.

Основные положения диссертации отражены в работах:

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Никуличев И. В. Методы и средства измерения первичных отклонений звеньев механизмов несущей системы многокоординатных станков с ЧПУ/ Серков Н. А. / Проблемы машиностроения и автоматизации. М., 2012. № 2. С. 43-51.

2. Никуличев И. В., Серков Н. А. Влияние системы охлаждения на точность позиционирования многоцелевого станка модели МС-300М // Вестник МГТУ «Сталкип». М., 2012 (22). № 3. С. 77-82.

3. Никуличев И. В., Серков Н. А., Коваленко А. В., Шлесберг И. С. Влияние охлаждения на точность позиционирования многокоординатного станка МС-300 // Авиационная промышленность. М., 2013. №1. С. 33-38.

4. Никуличев И. В., Шлесберг И. С., Серков Н. А. Исследование жесткости станков с ЧПУ по отклику на силовое воздействие // Научное обозрение, 2013. №1. С.124-128.

Публикации в других изданиях

5. Никуличев И. В. Исследование и оценка жесткости многокоординатных машин с ЧПУ по отклику на силовое ступенчатое воздействие / Серков Н. А., Мерзляков А. А. / Сборник докладов международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении», М., 2012. С. 406-411.

6. Никуличев И. В. Исследование и оценка статической и динамической жесткости многокоординатных машин с ЧПУ / Серков Н. А., Мерзляков, А. А. / Сборнк трудов X Международного научно-технического форума «ИННОВАЦИЯ, Экология и РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ (ИнЭРТ-2012)» -Ростов нУД: ИЦ ДГТУ. 2012. С. 345-350, [Электронный ресурс] http://static.dstu.edu.ru/inert-2012.shtinl.

7. Никуличев И. В. Особенности цостроения 5-ти координатных станков с ЧПУ / Серков Н. А., Шлесберг И. С. / Книга Научные труды Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» - М.: Машиностроение, 2010. С. 95-102.

Научное издание

Никуличев Игорь Викторович

Повышение точности 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ на основе разработанных методов измерения геометрических отклонений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 13.05.2013

Формат 60* 90 1/16. Бумага 80 г.

Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 105.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет <<СТАНКИН>> 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

ФГБОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

На правах рукописи

04201358091

Никуличев Игорь Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ 5-КООРДИНАТНЫХ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ С ЧПУ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ОТКЛОНЕНИЙ

Специальность 05.02.07

Технология и оборудование механической и

физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Хомяков Вадим Сергеевич

Москва, 2013

Содержание

Введение...................................................................................................................4

Глава 1. Анализ особенностей конструкции 5-ти координатных

станков с ЧПУ........................................................................................................10

1.1. Применение 5-координатных станков......................................................10

1.2. Основные структуры 5-ти координатных станков с ЧПУ.....................11

1.2.1. Станки группы 5КСТ2,о.......................................................................12

1.2.2. Станки группы 5КСТ]д.......................................................................13

1.2.3. Станки группы 5КСТ0,2.......................................................................15

1.3. Постановка задачи......................................................................................20

Глава 2. Методики и средства измерений первичных отклонений звеньев механизмов несущей системы станков........................................................................22

2.1. Основные понятия, применяемые для измерения отклонений.............22

2.2. Виды и методики измерений первичных отклонений............................28

2.2.1. Методика определения отклонений позиционирования.................29

2.2.2. Методика определения отклонений от прямолинейности..............32

2.2.3. Методика определения угловых отклонений подвижного узла.....34

2.2.4. Методика определения осевого и радиального биения поворотных столов станков................................................................................................36

2.2.5. Методика определения отклонений от перпендикулярности движений подвижного узла..........................................................................37

2.2.6. Методика измерения отклонений «непересечения» осей В и С.....40

2.2.7. Методика измерения отклонений от взаимной перпендикулярности поворотных осей В и С.................................................................................44

Краткие выводы по главе..................................................................................49

Глава 3. Исследование влияния системы охлаждения на

точность позиционирования 5-координатного станка МС-300........................50

3.1. Параметры оценки точности позиционирования....................................50

3.2. Влияние температурных деформаций по линейным осям.....................52

3.2.1. Координатах.......................................................................................52

2

3.2.2. Координата Y.......................................................................................59

3.2.3. Координата Z.......................................................................................68

3.3. Влияние температурных деформаций по угловым осям........................72

3.3.1. Координата С.......................................................................................72

3.3.2. Координата В.......................................................................................77

Краткие выводы по главе..................................................................................81

Глава 4. Исследование и оценка жесткости по отклику на

силовое ступенчатое воздействие........................................................................83

4.1. Понятие жесткости для 5-координатных станков...................................83

4.2. Устройства и методики измерения жесткости........................................85

4.3. Результаты исследования статической жесткости станка......................87

4.3.1. Статическая жесткость по линейным осям.......................................87

4.3.2. Статическая (крутильная) жесткость поворотного стола...............92

4.4. Анализ результатов измерения статической жесткости.........................93

4.5. Методика и результаты измерения динамической жесткости.............95

Краткие выводы по главе................................................................................106

Глава 5. Исследование отклонений воспроизведения

эталонной траектории.........................................................................................108

5.1. Понятие эталонной траектории...............................................................108

5.2. Способы и средства измерения отклонений..........................................109

5.3. Результаты исследования процедуры измерения отклонений

воспроизведения плоских траекторий прибором Renishaw QC-10............112

Краткие выводы по главе................................................................................119

Заключение...........................................................................................................120

Общие выводы по работе....................................................................................121

Литература............................................................................................................124

Приложение..........................................................................................................129

Введение

Станкостроение относится к числу базовых отраслей машиностроения, от технического состояния которого во многом зависит уровень развития всей экономики страны. Развитие станкостроения также является одним из важнейших факторов обеспечения модернизации промышленности в целом.

Как отмечают эксперты [1], современное станкостроение в связи с возросшими требованиями потребителей сместилось от производства отдельных специализированных к многоцелевым станкам, совмещающим максимально возможное число операций, к созданию гибких, программно-управляемых обрабатывающих центров с возможностью последующей автоматизации производства. Это не просто многоцелевые станки с ЧПУ сверлильно-фрезерной группы (сверление, фрезерование, растачивание и нарезание резьбы) или токарной группы (все виды токарной обработки), а комплексные многокоординатные станки с ЧПУ (complex multi-axis machines), позволяющие с одного ус-танова заготовки проводить все виды фрезерных, токарных, сверлильных, расточных, шлифовальных, хонинговальных и др. работ. При этом на одном станке последовательно осуществляются предварительные (черновые), получистовые и чистовые операции. По-существу получается, что один станок заменяет целый гибкий участок станков с ЧПУ. Эта концепция развития станкостроения получает в настоящее время реальное воплощение в станках для автомобильной и космической промышленности [2-3].

Современные станки ведущих зарубежных компаний обеспечивают большую производительность при высокой точности. Такой подход значительно расширяет возможности серийного образца без его серьезной реконструкции, избавляя от необходимости приобретать специальные станки. Большое внимание западные станкостроительные концерны уделяют совершенствованию не только механической части, но и электронной, а также улучшению эргономики и дизайна.Покупатели станков ориентируются на такие характеристики, как производительность и точность изготовления деталей при наимень-

4

ших затратах (табл.1). Станки должны обладать возможностью установки на них систем электронного управления, цифровой индикации, объединения нескольких станков в технологические линии.

Таблица 1.Приоритеты американских заказчиков станков.

По данным ufastanki.ru.

Технические и экономические приоритеты аме- Показатель при-

риканских заказчиков обрабатывающих центров оритетности, %

1 Надежность 96,9

2 Эксплуатационные характеристики 96,9

3 Точность обработки 93,6

4 Наличие запасных частей 91,9

5 Возможность своевременного решения возникших проблем 91,3

6 Наличие системы заводского обслуживания станков и технической поддержки 89,7

7 Легкость работы на станке и удобство доступа к нему 82,6

8 Возможности системы ЧПУ 82,2

9 Наличие в данном регионе сервисной службы поставщика и системы технической поддержки 80,7

10 Простота эксплуатации станка 79,6

11 Полная документация, поставляемая вместе со станками 75,5

12 Время цикла обработки и скорость проведения операции 73,5

13 Возможность телефонной связи с поставщиком 72,:3

14 Длительная гарантия на поставляемый станок 70,5

15 Возможность обучения операторов работе на станке у поставщика 68,4

16 Необходимость размещения станка в термоконстантном помещении 64,9

17 Стоимость запасных частей 59,9

18 Финансовая устойчивость поставщика 57,7

19 Стоимость станка 56,9

20 Установка станка силами поставщика 55,2

Первую пятерку западных импортеров составляют традиционно сильные в этом секторе производители Японии, Германии, Китая, Италии, Южной Кореи. Чуть отстает от корейских производителей Тайвань. Завершают список лидеров США и Швейцария [1]. Можно конкретно назвать мировых производителей станкостроения: Yamazaki Mazak, Trumpf, Gildemeister AG, Amada и др. А отдельно выделить фирмы Siemens и GE Fanuc, чьи доходы значительно превышают доходы упомянутых выше фирм. Что касается России, то сегодня в станкостроительной отрасли насчитывается около 300 предприятий [4]. Для многих станкостроительных заводов одним из основных рынков сбыта служит автомобилестроение.

Среди производителей станков выделяются лишь несколько предприятий, для которых станкостроение— основной вид деятельности. К ним относятся лидеры отрасли — ОАО «Стерлитамак МТЕ» в Башкирии, Рязанский станкостроительный завод, ОАО «Саста» (г. Сасово, Рязанская обл.), Санкт-Петербургский завод прецизионного станкостроения, Ульяновский завод тяжелых и уникальных станков, Нижегородский завод фрезерных станков, Астраханский станкостроительный завод.

Большинство остальных предприятий отрасли одновременно с выпуском станков производят авиационную или сельскохозяйственную технику, комплектующие детали и узлы для промышленности. К таким предприятиям можно отнести Боткинский завод (Удмуртия), завод «Сельмаш» (Киров), Тульский станкоремонтный завод [5].

Возвращаясь к станкостроению, как к отрасли производства и развития промышленности, можно отметить, что в последнее время, все больше предпочтений отдается 5-координатным станкам с ЧПУ. Это связано с широкими технологическими возможностями станков данного типа: они позволяют проводить черновые и чистовые операции за один установ, наилучшим образом обрабатывать сложные детали (колеса турбин, гребные винты и сборные лопасти), пресс-формы или детали из труднообрабатываемых материалов. Такие

станки становятся незаменимыми в военной, авиационной, космической и ав-

6

томобильной промышленностях, наряду с гибочными или автоматическими линиями.

Однако, повышение требований к качеству изготовления деталей для ответственных изделий, а также техническое совершенствование материалов требует постоянного контроля точности, как отдельных элементов конструкций, так и составных узлов в целом. Как результат, предъявляются повышенные нормы точности к оборудованию, на котором происходит обработка деталей, и, в первую очередь, к металлорежущим станкам.

Соответственно, обеспечение необходимой «объёмной» точности 5-ти координатных станков при их изготовлении и эксплуатации является важной задачей, решению которой в последнее время посвящается все больше теоретических и экспериментальных исследований. Актуальными становятся вопросы отладки, юстировки и диагностики многокоординатных центров. Наибольший вклад в решение данных задач внесли: Проников A.C., Knapp W., Zhang G., В. Bringmann В. Однако, в этих работах не уделяется должного внимания всему многообразию возможных методик измерений точности станков и их усовершенствованию, а также влиянию возмущающих факторов (вес узлов станка, температура) на точность 5-ти координатных машин с ЧПУ.

На основании вышесказанного, тема диссертационной работы является актуальной при непрерывно растущей потребности в отслеживании, выявлении и решении проблем, оказывающих воздействие на изменение точности многокоординатных станков с ЧПУ.

Целью данной работы является оовышение точности 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ на основе разработки новых (метод измерения отклонения непересечения поворотных осей, оценка статической и динамической жесткости, уменьшение влияния системы охлаждения) и существующих методов измерения геометрических отклонений.

В качестве объекта исследования в данной работе были использованы 5-

координатные многоцелевые станки модели МС-300. Применительно к станкам

этой группы, по разработанным методикам, проводились необходимые измере-

7

ния, с последующим внесением соответствующих коррекций и компенсаций в его систему ЧПУ. Все эти мероприятия позволили повысить точностные характеристики исследуемого станков.

Предметом исследования в работе являлось улучшение точностных характеристик станков, а также изучение возможности их коррекции в случае необходимости с помощью системы ЧПУ.

Научная новизна работы заключается в:

• создании новых методов экспериментальных исследований и анализа погрешностей несущей системы станка на стадии калибровки (в том числе, отклонений от непересечения осей угловых координат его узлов), позволивших повысить точность 5-координатных станков с ЧПУ;

• разработке алгоритмов и программ коррекции работы системы ЧПУ станка на основе полученной информации о первичных отклонениях (от перпендикулярности, параллельности, позиционирования и прямолинейности) исполнительных органов станка, что позволило повысить объемную точность станка в несколько раз (до заданных значений);

• выявлении на основе проведенных на 5-координатном станке экспериментов, количественных взаимосвязей условий работы его системы охлаждения и случайных составляющих погрешностей позиционирования станка по линейным и угловым координатам;

• разработке методов анализа статической и динамической жесткости несущей системы многокоординатных станков, позволяющих оценивать качество сборки и уровня совершенства конструкции станка в целом.

Практическая значимость работы состоит в разработке методов и устройств диагностирования, юстировки и отладки, а также в выявлении влияния действий возмущающих факторов на первичные отклонения (отклонения перпендикулярности, параллельности, позиционирования, непересечения осей) исполнительных органов станков.

В основу данной диссертационной работы положены результаты научно-исследовательских работ, проведенных в ОАО "Национальный институт авиационных технологий" (НИАТ).

Работа, в значительной степени, выполнена по экспериментальным данным, что способствует накоплению информации и опыта для последующей оценки первичных отклонений 5-координатных станков

Основные положения работы опубликованы в 7 печатных работах, докладывались на 2 научно-технических и научно-практических конференциях.

Глава 1. Анализ особенностей конструкции 5-координатных станков с ЧПУ.

1.1. Применение 5-координатных станков

Многоцелевой 5-ти координатный станок — это металлорежущий станок с 5 активными координатами, предназначенный для выполнения нескольких различных видов обработки резанием, оснащенный ЧПУ и автоматической сменой инструмента.

Изобретателем первого станка с числовым (программным) управлением является Джон Пэрсонс, работавший инженером в компании своего отца Parsons Inc, выпускавшей в конце Второй мировой войны пропеллеры для вертолетов. Он впервые, в 1949 году, предложил использовать для обработки пропеллеров станок, работающий по программе, вводимой с перфокарт [6].

К концу 20 века, место популярных 3-х координатных станков стали занимать 5-координатные многоцелевые станки с ЧПУ. Наличие двух дополнительных поворотных координат и установка системы ЧПУ с поддержкой пяти-координатной интерполяции, позволяла производить обработку таких изделий, которые невозможно (либо затруднительно) обработать на обычных 3-х координатных станках с ЧПУ (например, обработка вертикальных поверхностей и сверления или фрезерования отверстий под различными углами [7]). Теперь сокращение вспомогательного времени достигается не только благодаря автоматической установке инструмента (заготовки) по координатам, но и по выполнению всех элементов цикла, смене инструментов, кантованию и смене заготовки, изменению режимов резания, выполнению контрольных операций, а также большим скоростям вспомогательных перемещений [8].

В настоящее время многоцелевые 5-координатные станки с ЧПУ получают все большее и большее применение. Так, например, эффективная обработка сложных поверхностей таких ответственных деталей, как рабочие колёса турбин, винтовые пары насосов, гребные винты, пресс-формы и др., возможна

лишь при взаимосвязанном относительном движении инструмента и заготовки

10

по 5-ти координатам. В частности, обработка сложных поверхностей на 5-ти координатных станках является основой эффективного изготовления монолитных конструкций из поковок или проката в мелкосерийном производстве (несущие детали самолёта, рабочие моноколёса турбин и др.) [9].

Обработка корпусных деталей, типа блоков цилиндров двигателей автомобилей, с одной установки на современных 5-ти координатных многоцелевых станках с ЧПУ конкурирует с обработкой на автоматических линиях [10].

Многоцелевые станки класса точности П, В и А весьма универсальны и используются для обработки крупногабаритных объемных форм на предприятиях машиностроения, в литейном производстве, в изготовлении аппаратов и средств для военной и космической отраслей, в автотюнинг�