автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности и производительности точения на станках с ЧПУ на основе управления параметрами технологической системы

РГб ид

- 5 ЛПР 1333

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ШСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукопись

ОСТАЕЕ Евгений Антонович

.ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТОЧЕНИЯ НА СТАН -КАХ С ЧПУ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

с иста,ш .

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ-

диссертация на сосм^анле ученой степени кандидата тех -ничееких наук.

Москва, 1993

РаОота выполнена в Москоском институте прпйорострое-ния. .... ■ .

Научный руководитель - доктор технических наук, про- ' . • • . фессор АРШАНСКИЙ М.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор МиХАЙДОВ A.A. кандидат технических наук, доцент ДЕРЯБИН А-Л.

Benymée цредприятие - СПО " Црогресо''.

Защита состоится.20апреля 1993 г. на заседании спе -> '" -циализированного. Совета К.063.93.01 при Московском инсти -туте приборостроения по адресу: 107076 Москва, ул.Сгромын-ка,20.

С диссертацией можно ознакомиться в оиолиогеке института.

Баш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адрзсу.

Реферат разослан 03.93 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук,доцент

ОБДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ.

Актуальность исследования.Основными задачами технологии машиностроения являются ооеспечение несо: .димой точ . -ности и производительнойти изготовления деталей, одним из эффективных путей увеличения точности и производительности механической оорайотки служат оснащение металлорежущих стан ков системами автоматического управления (CAI), приоритет в создании которых щшиадоеашт отечественной научной школе. Отдавая дань зчаи раоогам, в той время необходимо' no« J черкнуть, что основное внимание в них уделени управлению статическими погрешностями, тогда как погрешности,.связанные с динамикой резания част01 остаются вне рассматривав -мых задач управления. *

В тоже время, отечественной научной школой' созданы основы динамики станков. Однако, задачи, решаемые учеными в о том направлении-, не нашли достаточного выхода в практику управления точностью и производительностью оараоотки. Такой разрыв между дв^ия научными направлениями, призванными решать одну техническую проолему, связан о тем, что механизм ооразования погрешностей, как следствия колеоа -ний, до настоящего времени раскрыт недостаточно. В частности, отсутствуют количественные взаимосвязи мехду параметрами колеоаний и точности, а также анализ качествен -ного влияния колеианиЙ на точность и производительность. Особенность подхода, развиваемого в настоящей диссертации, как раз и сводится к построена динамический модели технологической .оистемы'точения, что позво;шег качественно и количественно оценить взаимовлияаиь параметров тех-' нологической системы-и возмущений воздействующих на нее , и как следствие, на точность и производительность точения. При этом появляется возможность принципиально нового подхода к управлению, который визируется не на программи -руемом или адаптивном изменении положения резца относи -телыю заготовки, а на изменении динамической характеристики технологической системы точения. Такая постановка задачи является актуальной, поскольку создает предпосылки для разраРот'ки спооийа управления производительностью и точность!) точения, а такяе выоора технологических и кои -структивных параметров устройств реализующих данный спо-.. -3-

сои.

Цель и зацачи исследования. Целью диссертационной райоти является повышение производительности и точности ючения на станках с ЧПУ на основе'управления параметра- v ми технологической системы. Для реализации поставленной цели необходимо:

1. Построить модель ^ехнологической системы течения.

2. Рассмотреть осооеыности формооОразования поверхности детали при точении с учетом ртносительных колебаний между инструментом и заготовкой. •.'

3. Разработать спосоо и устройства управления параметрами технологической систеш.

4. Цроверить теоретические положения «жеперимепталь-но. •

5. Оценить технико-ькономическую эффективность огш-ueöa управления в производственных'условиях.

Методщ:а исследования. Теоретические положения диссертации Оазируются на классических методах механики,гео„ рии механизмов и машин, теории автоматического регулирования, oi'meii теории динамических систем и теории устойчивости. Из спзциальннх научных дисциплин использованы:технология машиностроения, динамика станков, теория роза -ния, основу алекгроприволэ.

Експериментальные исследования проводились на Киырексм станкостроительном заводе с использованием методов о/а -гистического анализа.

Научная новизна раоотц. Заключается в сознании динамической модели технологической системы точения, Ka46CiBBH", ный анализ которой позволил предложиь новый ,о по coli управления точностью и производительностью точения, а коли -чественные оценки - создать методику расчета параметров устройства , реализующего этот спосои. ,

Практическая ценность раоотц. Состоит в создании теоретических и методических основ для проектирования ¿стрсй-сгв управления точностью и производительности^ точ'.>н;:я.

Реализацией райоты явилось создание опытною образца устройства управления точением на станках с ЧЛУ.к^-тирое

-4-

ношдааовано на Кии роком станкостроительном заводе, на отанках 16К20Т1 и позволило .<зущзо1'вевно повысить их производительность и точность и получить эконшичгокиЯ эафект '3200 руб. на одно устройство' (в ценах' 1991 г.).

Адробеггия работы. Ооновкыэ положения дисоертации доло-га нн на следупфх конференциях.

. Вое.ооюзная нвучно-технйчеокая конференция Надежность технологического оборудования," качество поверхнсогп, трениа и иэноо", г.Хабаровок; 1991 г.

! Российская .Еаучно-практп^зока^г конференция "Проблемы оозданияи эксплуатации технологического оборудования. ГПС", гчХабаровок, 1992 г.

Малдународная научно-'тзхпическая конференции "Методы и орадотва сценки повышения надегноота приборов, 'уотро:!атв .и сготем", г.Пепза, 1992 г. ^

• 17 Научно-техническая конференция "Динамика атаночных ' слоте и гибких автоматизированных производств", г.Шшний Новгород, 1992 г,'

Публщапта. По теш дисоертационной работы опубликовано 4 статьи и получено 2 полсгате льннх решения на выдачу патента об изобретении. . ' ;

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, ■ общих выводов и описка дгтературы. Она оодерхат 114 страниц машинописного текста Г.С рисунков н 12'таблиц. -■•••;•'■•-..

. . Краткое, о одеряшше диооертации.

Пэтанй тазтал : "Анализ методов автоматического управления точностью и производительностью цеханичеохой обработки" поовящен раоомотрешго требований, предъявляемых к точности и производительности точения! классификации оущаотвущих оистем управления точноотьв и,ыетодов вибрационного резания. При Мол проанализированы сиотеш активного контроля, адаптивного управления, диагноогаки и комплексного управления технологпчзокоП надегноотьо,' рассмотренные а ргботах А.С. Прошткова.В.Л.Сооогашнй, Б.Н.Базрова, Ю.М.Содсшэндева и др. ■Оообоз внимание при атом удалено методам вибрационного резз-

ния, которым посвящены работы В.Л.Кудинова, В.Н.Подураева, В.Л.Вейца, А.А.Михайлова и др. При этом подчеркивается, что названные работы носиж, в ооновном, экспериментальный характер, что не позволило раскрыть механизм влияния вибраций на параметры, определяющие производительность и точ-нооть механической обработки, и создало своеобразную нишу для исследований, составляющих суть настоящей диссертации. В этой связи основными задачами, которые необходимо решить в ней, являютоя создание нового способа управления производительностью и точность*) точения и реализующего его устройства, ч~о базируется, в свою очередь, на решении комплекса задач, перечисленных на 0.4.

Второй раздел шсоевташш. Теоретические предпосылки • управления процессом точения поовящвны решению трех основных задач:

I. Анализу формообразования при точении.

' 2.■ Построению модели технологической системы точения.

3. Выбору критериев управления;

В результате решения первой задачи раооыотрен процесс формообразования поверхности детали о учетом относительных колебаний между резцом и заготовкой и .установлены количественные соотношения между параметрам колебаний и параметрами точности. . \

• В результате решения второй • ёадачи предлога на модель/" .технологической оиотемы точения,, приведенная па рис. 1.1 С Сущность ее заключается в следующем. Возмущения, воздействующие на процесс резания,, вызывают изменения сечения оре-заемого олоя и, соответственно, составляющих силы резания Рх (Т ) и Р2 ( Т ). Колебания упругой оиотемы любой чаото-ты X (Т ) и У (Т ) запаздывают относительно вызванного ими следа на поверхности детали на предацущем обороте на одно и тоже время, определяемое передаточной функцией .

Анализ этой модели позволил оформу)шровать уточненное, по сравнению с работами З.А.Кудинова, условие устойчивости замкнутой динамической системы при точении, заключающееся в оледущам.

Замкнутая'динамическая сиотема о перекрестными обратными овязями по оош координат X, 2 при точении о частотой вращения заготовки П об/мин уотойчива душ всех частот -

возмущений кратных -¡jjj— Для частот (j- ), на которых годограф передаточной функции (рие.2) пересекает линию, параллельную мнимой оси ¿^и.отатоящута от нрч на 0,5, замкнутая система устойчива, еоли выполняется условие:

НРШ ■

Рассмотренная динамическая система характеризует точэ-шге по "слезе?", оставленному резцом на предыдущем обороте детали, в результате чего образуется дополнительная обратная связь о запаздыванием, которая почтя в два раза сникает запас устойчивости (ом. рис.2).

Анализ критериэв управления показывает, что, помимо известных способов, запас устойчивости ыоеэт быть обеспечен разрызом названной дополнительной обратной связи, что достигается чаототным смещением спектра "оледа" относительно вызвавшего его опектра колебаний резца. Практически это обеспечивается модуляцией окорости вращения заготовки о большой амплитудой и инфранизкой частотой. При налога ига таких колебаний замкнутая оиатема как- бы размыкается и вероятность потеря ею устойчивости заметно уменьшается за счет того, что исключается возможность совпадения, как по частоте, так и по фазе гармоник относительных .колебаний швду инструментом и заготовкой', вызванных погрешностями фop.ru заготовка на предыдущем оборота, о гарлоникамп формы на текущем оборота. Такой способ управления универоален и применим при лз<?ых динамических возмущениях, причем исключается необходимость в предварительных динамических иопытц-Ш1ях о целью.выявления опасных чаотот."

Третий тазлэл. Посвящен экспериментальному исследованию п практике управл01шя процессом точения.

Как уга отмечалось, оановная идея онособа управления точения заключается в том, что непрерывно изменяется ско-рооть вращения заготовка, в результате чего опектр следа обработки непрерывно сдвигается по чаототе по отношению к опектру колебаний инструмента относительно заготовки, вызвавших атот след. При этом разрывается обратная овязь и исключается возможность регенерации вибраций упругой системы. -Г-

Рис. 2 Условие устойчивости эамкяутой системы. ban - ¡¿({раз

где лУц? L Sw^at ¿in fat* в-

.ЩГрл/ . cos+ 'г cos fpa3 z

Реализации предложенного опоообадля обработки на токарных отанках о ЧПУ Ьоущеотвляетоя синхронной модуляцией окорооти главного дата нал У * окорооти подачи Vj по отдельным кссряйатаи о помощью регулируемых приводов . постоянного тока для сохранения неизменной контурной окорооти подачи. Система соотоит ив одного управляющего модулятора (рао.З) частоты вращения шшнделя отанка и двух управляемых модуляторов приводов продольной и радиальной Ьодачи, выполненных на оемз аттенюаторах (уотанавлива-tenmx период и амплитуду модуляции) I, 9, 5, II, 13, 18, 20, 25. Для периодического изменения окорости был выбран треугольный закон, как наиболее легко реализуемый о помощью электронных интагралов. Конструктивно елотема управления представляет собой плату совместимую оо шкафом'релейной автоматики станка, куда она вставляется, не требуя никаких конструктивных изменений на в овысм отанке, ни в устройстве его управления. В втом да раздала прздяожена методика ряо-чета основных параметров уотройотва, в твкяз разработана методика и проведена его гкопаргментаяьноз исследование.

Целью проведения' эксперимента являяаоь отатиопггаокая оценка повышения точности обработки в вида отклонения от круглостя и повышения проаэюдзтодьноота обработки в вида предельной стругки. ' '

Для оценки эффективности работа уотройогаа кэ всего чаототного диапазона было выбрало.пять частот вращения о проведением трех серий испытаний на.кгцдой частоте. Установка яаадой следувщей частоты вращения заготовки осуществлялась случайным образом. В результата статистической обработки результатов эксперимента- било выявлено, что точность обработки upa использовании управления повышается в среднем на 22%, а производительность на 15прячем наиболее эффективно применение оистемы при использовании резцов из СТМ где точноать обработки мояэт быть повышена до 1,5 раз. .... "

В четвертом разделе проведена сценка технико-экономической Э'Мвптавнооти результатов иооледозания в условиях эксплуатации участка атанков о ЧТЕТ йгарокого станкостроительного завода, для чего необходимо было оценить: надежность работы устройства, реальные значения величины повыше-

^^¿¿¿аяюсций- моЗмятср!

-т-чш-гш

к.

Рис. 3 Схема устройства управления точением:

1, 9, 5. II. 13. 18. 20, 25 - атгэтсаторы

2, 6, 10, 12, 14, 19, 21, 26 - электронные ключи

3, 15, 22 - интеграторы

4, 16, 23 - сумматоры 7 - компаратор

8, 17, 24 - инвертор

-/а-

Ьия точности и производительности при обработка серийных деталей в производственных условиях, гкономическув зЗДек-тпвнооть внедрения.

Производственные испытания уотройотва управления показали, что оно позволяет повысить точность обработки на 205», сократить интервал разброса погрешности на 3155, производительность обработки на 105! п стойкость иаталлорввутца-го инструмента на 245», что обеспечивает вкоцомггсеский эффект (в ценах 1991 г.) а сумле 3200 руб. одно устройство. . \

■ОНИЕ ВЫВОДЫ.

1. Проанализирован пропаоо формообразования пря точэ-тш о учетом относительных колебания мяду инструментом я заготовкой я подучены апалитпчоокие зависимости, позволяющие определить взц погрешности а зав по голос та от ооотнслз-иия частоты колебаготй о частотоЗ вращения заготовка, а такаэ величину образующая погреснсотей Форш дзталз а линейного размара.

2. Разработана данамзчэокая модель тэхнолоппеокоЯ системы точеная, которая учитывает запаздывание колебаний упругой аистемн относительно следа на поверхности заготовка, прячем пзрэдаточная функция звзна обратной сьггаа в разных чаототных диапазонах могат быть п лшюПпоЗ и пэлипейяой, что существенно определяет уотойчпвооть замкнутой динамической система точения. Для одошш устойчивости данашчео-поП система предложены аналлтшхэокне зависимости.

3. Проанализированы технологачЭокзэ критерии управления на основания чзго прадлозэн способ управления точнос-тьп и проивводательностьп обработка, поклпчавщяй возмог-нооть точения "по следу", оставленному резцом па предыдущем обороте, за счет разрыва обратной рвязи, путем модуляции скороотей главного движения и подачи. Споооб унта рояле н а приманим при динамических возмущениях любой частоты.

4. Экспериментальное исследование устройств управления точностью процессом точения показало, что оинхронная модуляция скоростей главного движения и подачп приводит к повн-

тению технологичаокоИ надегоооти процеааа. Точность при этом повышается в ореднам ва 22^, а дроивводательноо ть реаания на 15?.

5. Для повышения точноати обработки применение устройства наиболее эффективно ери чиотовоы точанип, где она обеспечивает повышение точности обработки на 30$. Еще более эффективным будет использование оготемы при обработке резцами идРТМ, где точность обработка ыогет быть повы-_ , вена в 1,5 рара, при соответствующей снижении ввличивн шероховатости поверхности.

6. Для повышения производительности резания система может быть наиболее эффективно использована оря обдирка заготовок большого диаметра, где за счзт нэе произвьдатель-нооть может быть повышена более чей на 15$.

7. Применониа системы управления позволяет стабилизировать, то еоть исключить разброс в значениях "предельной огрукки", что чрезвычайно вагно для ряда прризводств, где прерывание процеоса резания недопустимо. ш

8. Анализ экспериментальных данных показал,.что использование сиотеш управления процессом точения позволяет резко сократить разброс как по значениям- точности обработки, . в виде.отклонений от круглости, так и по запасу устойчивости процесса. Бое ато имеет особое значение для условий безлюдной технологии. Поэтому такие сиотемы найдут овое применение в ооотаве гибких токарных модулей как работающих автономно, так и входящих в гибкие производственные оиотеыы.-

9. Производственные испытания устройства управления динамической характеристикой технологпчэокой састоиг показало, что оно позволяет повысить точнооть обработки на 20%, сократить интервал разброса погрешностей на 313!, повысить производительность обработки на Ю% и отойкость металлорежущего инструмента на 245«, что обеспечивает вкономнчэский аффекхЧв ценах 1991 г.) в оуыме 3200 руб. на один токарный атанок.с ЧШ\

Ооновное содержание диссертации опубликовано в работах:

I. Аршанский U.M., Еоалов.В.И., Оотаев Е.А. Повышение техиологичеокой надежности отапков о ЧПУ. "Вадехщоотъ технологического оборудования, качаетво поверхности, тре-

йие и изноа", 0.54, Хабаровск, 1991 г.

2. Аршанский М.М., Козлов В.И., Оотаев Е.А. Устройство для повниэнпя технологической еодостостз гскарнтлх _ п шлифовальных отанксв о ЧПУ. "Проблемы оозданпя с яко-плуатации технологического оборудования в гибких производственных оно темах", с.'Э. Хабаровск, 1992 г.

3. Аршанский М.М., Козлов В.И., Оотяпв Е.А. Управление точноотью токарных п шлифовальных станков о ЧПУ. "Динамика отаночных систем автоматизированных производств", 0.7. ПишшЯ Новгород, 1992 г.

4. Аршанский М.М., Козлов В.И., Оотаев Е.А. Повышение надожностя отанков.о ЧПУ я отаночных оистем. "Методы и ор^вствй оценки п позкиекия надекяостя приборов устройств и опатем", о.127. Пенза, 1992 г.

5. АршанокпЯ М.М., Козлов В.И., Оотаев Е.А. Способ управления точноотью точения. Полозктельноэ решение по выдачу патента на изобретение Jf 4949172/08 от 25. OB.ОТ г.

6. Арианокий М.М., Козлов В.И., Оотаав Е.А. и др. Уотройотво для управления точноотью точения. Положительное радение на выдачу патента на изобретение # 50I7SC-0 - от

1П.02.92 г.

Рис Л, Модель динамической оистеыи точения.

Wx =_, ^ Ч_Г

Мс)

W<:WnpWX Wa'Wflpty

VJoc - передаточная функция обратной связи

\Jfip - передаточная функция пропеооа реэшгая

lv6c wt - передаточные функции упруго* (ЧС) сиотами по соответствующей координате

Wt - передаточная функция запаздывания колебаний (Ус) относи'влъйо вызванного ими следа

AufrJ

- ивкеяеиие на отройки

¡\x[t) ¿ Z/t) - изианение положения шзструканта sa оборот ваготовки соответствующей координат? _

Поли, в' печать Ю.ОЗ.ОЯ. femmr 0Q]|84 1/lH. Обт. м I п. л. Тираж 1QO. Закк! ] ■ Издательство ИЦ *При5о^*стг, Ротац^ммт Milíl