автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности изготовления деталей на обрабатывающих центрах путем коррекции пространственных перемещений

На правах рукописи

__

(/

КУЗЬМИНСКИЙ Дмитрий Леонидович

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НА ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРАХ ПУТЕМ КОРРЕКЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

005543824

Москва-2013

005543824

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные станочные системы и инструменты» Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Максимов Юрий Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «Станклн», Тимирязев Владимир Анатольевич

кандидат технических наук,

доцент, заведующая кафедрой металлообрабатывающих систем с ЧПУ ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет» Аверьянова Инна Олеговна

Ведущее предприятие: ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ»

Защита состоится «27» декабря 2013 г. в_часов на заседании диссертационного

совета Д 212.200.01 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 65, корп.1, ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Отзыв на автореферат просьба направлять в двух экземплярах по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Д 212.200.01

Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного /1/ //

совета, к.т.н., доцент ^ /1 //¿л*^-^-^ Т.А.Чернова

К /V V /

//

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день многие отечественные предприятия используют в своей работе производственное оборудование, не зная его реальной пространственной точности. Данный факт не позволяет предприятиям увеличить точность обработки изделий за счет коррекции управляющих программ. Несмотря на то, что это является одним из наиболее мало затратных как по времени, так и по финансам, способов повышения точности обработки на станках с ЧПУ. Решение задачи повышения технологической точности современных обрабатывающих центров путем коррекции пространственных перемещений предполагает рассмотрение комплекса вопросов, связанных с обеспечением жизненного цикла технологического процесса и оборудования. В работе решается специфическая задача повышения технологической точности процесса обработки деталей на 3-х - 4-х координатном станке с ЧПУ вертикально-фрезерного типа путем коррекции пространственных перемещений. Станок предназначен для фрезерной обработки сложно-профильных деталей с использованием 4-х осей управления. Однако как показала практика, мало кто из пользователей станков задавался вопросом о влиянии пространственной точности на точность обработки в зависимости от точностных и технологических факторов. Отсутствие информации о таких недостатках станка как пространственная точность, жесткость несущей системы и вибрация вызванная процессом резания металла приводит к появлению брака деталей.

Проблемами повышения технологической точности станков занимается большое число ученых. Данная работа базируется на положениях теории динамики станков, разработанной Кудиновым В. А., теории надежности технологических систем, разработанной Прониковым A.C., иерархическом параллельно-последовательном методе решения задач, предложенным Михайловым В.А., работах: Базрова Б.М., Бушуева В.В., Дащенко А.И., Кузнецова П.М., Таратынова О.В., Тимирязева В.А., Чернянского П.М. и других ученых.

Одним из путей решения проблемы повышения технологической точности процесса обработки на станках является увеличение жесткости базовой несущей системы станка. В большинстве случаев такой подход приводит к увеличению стоимости оборудования, а для уже введенных в эксплуатацию станков он вообще не подходит. Наиболее рациональным решением является учет характеристик станка при разработке технологического процесса обработки и написании управляющей программы.

Диссертация посвящена комплексному исследованию проблемы повышения технологической точности замкнутой технологической системы, включающей в себя базовую несущую систему, шпиндельный узел, узлы подачи, а также разработку управляющей программы для станка. Комплексный подход заключается в учете - жесткости несущей системы, вибраций вызванных технологическим процессом, точности перемещения узлов станка в пространстве. Все это дает возможность разработки и внедрения новых, более точных и эффективных методик повышения технологической точности обработки деталей. Таким образом, исследования, направленны на разработку научно обоснованных методик повышения технологической точности при обработке на современных станках, посредством учета в управляющей программе особенностей станка, являются актуальной научной задачей и имеет практическую ценность.

Целью работы является повышение технологической точности обработки деталей на стадии разработки управляющих программ для обрабатывающих центров, за счет разработки технологического процессора, решающего задачи определения пространственной точности станка с учетом динамики процесса резания.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать математическую модель 3-х осевого вертикально-фрезерного станка с ЧПУ учитывающую — жесткость несущей системы, вибрационные процессы и пространственную точность перемещения узлов станка;

2. Выполнить математическое описание вибрационных процессов возникающих в 3-х осевом вертикально-фрезерном станке с ЧПУ при обработке деталей;

3. Разработать испытательный стенд на базе современных информационных систем, для оценки точности вращения шпинделя 3-х осевого вертикально-фрезерного станка с ЧПУ;

4. Провести измерения для определения пространственной точности действующего 3-х осевого вертикально-фрезерного станка с ЧПУ;

5. Разработать принципиальное программное обеспечение, позволяющее учитывать реальную пространственную точность станка, и на основании этого выполнять коррекцию управляющей программы станка с ЧПУ;

6. Разработать базисные компоненты информационной базы данных моделей модулей элементов технологической системы;

7. Провести эксперименты позволяющие подтвердить работоспособность предложенных в работе подходов по повышению точности обработки за счет учета пространственной точности 3-х осевого вертикально-фрезерного станка с ЧПУ на стадии разработки технологии изготовления деталей;

8. Проверить работоспособность системы в условиях реального производства.

Научная новизна:

1. Обоснована концепция обеспечения технологической точности на современных станках, за счет учета пространственной точности базовой несущей системы.

2. Разработан технологический процессор для обеспечения технологической точности обрабатывающего центра с учетом его индивидуальной несущей системы, путем рационального программирования управляющих программ для обработки;

3. Создана математическая модель обрабатывающего центра, учитывающая жесткость несущей системы, вибрационные процессы и пространственную точность перемещения узлов станка;

Практическая ценность данной работы заключается в следующем.

1. Разработаны рекомендации по повышению технологической точности современного оборудования;

2. Разработаны рекомендации по рациональному программированию управляющих программ для обрабатывающих центров, что позволило повысить точность позиционирования инструмента;

3. Создана библиотека моделей-модулей типовых процессов обработки деталей и инструментов, для дальнейшего использования в САМ системе при разработке технологии обработки и управляющих программ для обрабатывающих центров.

Методы исследований. Исследования проводились на базе теории параметрической надежности станков, технологических основ проектирования станков, теории упругости, метода конечных элементов. Экспериментальные исследования выполнены на современном вертикально-фрезерном станке Fine Tech SMV-450-H3 с ЧПУ. Моделирование проводилось в программном комплексе

Solid Works с использованием для расчета программных комплексов Nastran и MatLab.

Реализация работы. Разработанная методика расчета составляющих отклонений инструмента и технологический процессор для повышения технологической точности оборудования, путем рационального распределения пространственной точности, приняты к внедрению на производстве. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Автоматизированные станочные системы и инструменты» Университета машиностроения.

Апробация работы. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Автоматизированные станочные системы и инструменты» Университета машиностроения, на заседании кафедры «Стандартизации, сертификации и управления качеством производства нефтегазового оборудования» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, материалы представленные в диссертационной работе использовались при выполнении государственного контракта №16.740.11.0439 «Определение пространственной точности металлорежущих станков и разработка методов ее обеспечения» и государственного контракта № 2485 «Разработка средств обеспечения жизненного цикла, технологических систем и инструмента для процессов энергосберегающей комбинированной обработки в автомобилестроении и машиностроении».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, шесть из которых в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников в количестве 163 трудов и приложения. Основная часть работы изложена на 157 страницах, содержит 48 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована конечная цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе производится анализ методов повышения технологической точности на обрабатывающих центрах. Из проведенного анализа следует, что одними из главных факторов, определяющих пространственную точность обрабатывающего центра, являются статические и динамические показатели качества несущей системы. Из-за недостаточной жесткости элементов несущей системы обрабатывающего центра силовые воздействия от перемещающихся

подвижных узлов и обрабатываемой заготовки приводят к отклонению взаимного положения режущего инструмента и обрабатываемой заготовки и, как следствие, к снижению пространственной точности обрабатывающего центра. Анализ работ показывает, что в большинстве случаев, определение точности обрабатывающих центров сводится к определению точности только определенных отдельных узлов станка без учета их взаимодействия. Данный подход не позволяется получить информацию о пространственной точности обрабатывающего центра. Другим недостатком большинства работ, является отсутствие возможности учитывать полученные данные при измерении пространственной точности во время разработки технологического процесса. Большинство работ сводятся к констатации неточности станка и принятия этих данных как область недоопределенности, в то время как можно учитывать пространственную точность станка на стадии разработки технологического процесса и тем самым уменьшить область недоопределенности.

Как показал анализ известных работ в области станкостроения, до настоящего времени не разработаны достаточно точные и, в то же время, надежные методы расчета, учитывающие пространственные особенности несущей системы станков при разработке технологического процесса. На практике они рассчитываются либо приближенно, на основании формул сопротивления материалов, либо на основе изучения технологии аналогичных деталей, причем • размеры деталей иногда связываются эмпирическими зависимостями с параметрами, мало влияющими на выбор обработки. Отсутствие методов расчета вызвано тем, что несущая система станки представляет собой сложную • пространственную конструкцию, расчет которой, на основании теории упругости, встречает большие математические трудности.

В настоящее время широкое применение получили модели на основе метода конечных элементов (МКЭ). Применение МКЭ к моделированию сложных конструкций в станкостроении является ресурсоемкой задачей, так как получение достаточной точности в этом случае требует представления конструкции в виде большого числа конечных элементов. Программное обеспечение в области машиностроительных систем автоматизированного проектирования, обеспечивающее решение задач моделирования методом конечных элементов, представлено программными продуктами: М8С ЫаэЦ-ап, С08М08/\Уогкэ, Ь8-ЭУЫА, АВА(Зий, Рго/ЕЫОГЫЕЕЛ, РЕМРАТ, А^УБ, АПак и др. В тоже время результаты, полученные при расчете, остаются в программе и не учитываются при дальнейшей работе во время разработки управляющей программы для станка. Это

создает предпосылки для перспективного подхода к решению рассматриваемой задачи путем объединения нескольких программ в одну оболочку позволяющую, использовать сильные стороны каждой из программ, для решения конкретной части общей задачи. Однако, этот подход к моделированию пока не нашел должного применения в станкостроении при проектировании и создании технологических систем, и требует дополнительных исследований.

Для реализации метода по учету пространственной точности станка при разработке технологического процесса необходимо разработать программную оболочку, позволяющую объединить между собой ряд инженерных программ для обмена данными между собой. Данная оболочка должна позволять пользователю моделировать процесс обработки с большей эффективностью и достоверностью и передавать данные в САМ программу для дальнейшего их учета при разработке технологического процесса.

Во второй главе рассматривается построение математической модели формирования пространственной погрешности обработки на современном 3-х осевом вертикально-фрезерном станке с ЧПУ на основе иерархического параллельно-последовательного решения предложенного проф. Михайловым В.А., суть которого сводится к разбиению системной модели технологической системы на несколько уровней, что обеспечивает выполнение анализа не только системной модели станка, но и отдельных узлов и элементов, а также позволяет использовать метод композиции для формирования новых структур.

При структурном синтезе общая модель рассматривается в виде многоуровневой иерархической системы адаптированной к современным станкам со сменными элементами. Модель имеет пять уровней иерархической системы: уровень систем; уровень подсистем; уровень узлов или механизмов; уровень функциональных составляющих; уровень элементарных составляющих. Такая декомпозиция, позволяет учесть крутильную податливость валов, изгибную податливость зубьев шестерён, шлицев и т. д.

Основная идея предлагаемого метода коррекции погрешностей в 3-х осевом вертикально-фрезерном станке с ЧПУ состоит в том, что любые его погрешности, будь то начальные погрешности, погрешности из-за действия силовых и тепловых деформаций, можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей (пространственное поле, поле сил веса Р, температур Т и сил резания Р). При построении дискретной модели в рассматриваемом поле фиксируется конечное число узловых точек, в которых экспериментально

определяется значение погрешностей, при этом в каждой точке вычисляется величина математического ожидания, характеризующая систематическую составляющую погрешности, и величина среднего квадратичного отклонения, характеризующая случайную составляющую погрешности. Таким образом, поле разбивается на элементы, например, трехмерное пространственное поле на элементы типа параллелепипед.

В процессе фрезерной обработки появляются колебания системы из-за непостоянства процесса резания. Разработанная математическая модель позволяет учитывать погрешности вызванные колебаниями системы при выполнении обработки. В пространственной колебательной системе точки области получают перемещения, характеризуемые тремя компонентами и(.х>У,:)^ 1 IV (х, у,:)

вдоль осей Ох _ Оу _ О: соответственно (рисунок 1).

Рисунок I - Перемещения точек колебательной системы

Таким образом, функция перемещения в матричной форме может быть представлена как:

м

1 ЩМ>

Щх,у,=) {/-(*, у,=)}= У(Х,У,2) Щх,у,2)

(1)

После подстановки в полиномы координат узлов тетраэдального элемента '. к, 1 получим систему 12 уравнений с 12 неизвестными (2):

и, = а, + а2х, + а}у, + а4:, и 1 = а, + а2х, + а3у1 С/* =аг, +а2хк+а,у1 +а4:к и, = а, + а2х, + а,у, + а4:, V, = а, + + аг7>', +

^ =«5 +«6^ +«7^+««-/

К = а5 + «Л + «7Л + «8=1- (2)

V, = а5+айх, +<х1у,+аг?, IV, =а5+ а,х: + а-, у, + а^:, иг = «, + огш*; +а„^у ^ = а, + + а, + а,2г4 IV, = а, + а10х, + а, ,у, + ап:,

Чтобы перейти от распределенной нагрузки к нагрузке сосредоточенной в

узлах, представим распределенную нагрузку Я = Я(Х>У>:) в виде векторного поля

ф,у, -) = Х(х,у, г)/ + У(х, у, г)у + у, 2)к (3)

Где ', ', к - орты системы координат охуг, Х(х-г(.х'У>г\ -

компоненты векторного поля сил.

Определение собственных форм в методе конечных элементов осуществляется заменой распределенных масс на эквивалентные массы, сосредоточенные в узлах.

Сила инерции для единицы объема при колебаниях системы имеют следующие составляющие:

Я2ТГ ЯЧ' Я2Г.Г/

(4)

д2и „ д2¥ _ а2г

Х=~р—г; У = -р—г 2 = -р—=-д1г 812 д11

Каждый элемент системы подчиняется уравнению (5), и после объединения этих уравнений получим систему уравнений для всей колебательной системы.

[М.]= Р№]ЩФ(х,У,2)1[Ф(.Х,У,1)\1Ч[А-1) (5)

В процессе эксплуатации станка, используя заданный алгоритм коррекции

исполнительных движении, микропроцессор, получая текущие значения

Г. Р

Р, соответственно от ИП2, ИП3 и ИП4 (или введением этих данных с пульта оператора), находит в памяти Ч1ТУ необходимые матрицы погрешностей, а

используя текущие значения

X*

^ Ф°* И ^фак

необходимые элементы в этих

X У 7.

матрицах. В тех случаях, когда текущие значения ф"", ф™ и не совпадают со значениями ^ и при которых измерялись погрешности станка и внесенных в память ЧПУ, микропроцессор осуществляет интерполяцию по значениям в конечных точках интервала дискретизации.

I Так же во второй главе рассмотрена кинематика движения смежных звеньев

3-х осевого вертикально-фрезерного станка с ЧПУ относительно друг друга. Можно отметить, что уравнения позволяют описать формообразование любого металлорежущего станка с учетом произвольных погрешностей в размерах, форме или относительном расположении его звеньев, а также в условиях действия на этот станок различных возмущающих воздействий не в полном объеме.

Обоснована концепция повышения технологической точности на современных станках, за счет учета пространственной точности базовой несущей системы, на стадии конструкторско-технологической подготовки.

В третьей главе рассматривается разработанная программа, позволяющая объединить между собой ряд программ для моделирования и расчета станков с последующим применением результатов при разработке управляющих программ для станка с ЧПУ (рисунок 2).

Solid Wor ks

коррекция программы

Рисунок 2 - Структурная схема программного комплекса

Для моделирования базовой несущей системы станка использовался программный комплекс ЗоНс^огкв. Данный комплекс позволил создать объемную модель реального станка для последующего его расчета в САЕ системе МЯС^яиаГКазЦап (рисунок 3).

Рисунок 3 - Формирование начальных и граничных условий расчетной

Модель MatLab позволяет передавать в MSG visual Nasiran воздействия на систему, получая в ответ, реакции, возникающие в данной системе. Представленная связка программ, с учетом математического описания станка разработанного в предыдущей главе работы, позволяет оперативно рассчитывать пространственную точность созданной модели станка.

В результате проводимых манипуляций и расчетов полученная информация о пространственной точности станка передается в САМ систему для разработки управляющей программы с учетом полученных данных.

В четвертой главе для проверки результатов моделирования и оценки адекватности разработанной методики повышения пространственной точности несущей системы металлорежущих станков, были выполнены исследования несущей системы станка модели Fine Tech SMV-450-H3 с ЧПУ.

На первом этапе был проведен ряд экспериментов, позволяющий определить пространственную точность действующего оборудования (рисунок 4, 5, 6). Для этого, использовался измерительный комплекс, представляющий собой систему, состоящую из интерфейса и прецизионного линейного преобразователя (датчика), изменение длины которого может быть точно определено в пределах

схемы

перемещений ±1 мкм. Датчик генерирует электрические сигналы, которые преобразуются электронными устройствами в форму, допускающую их передачу в программное обеспечение, что позволяет измерять и анализировать самые незначительные изменения номинальной длины датчика. Так же использовался линейный интерферометр для определения погрешностей при линейных перемещениях вдоль всех рабочих осей станка. Для определения точности вращения шпинделя был разработан измерительный комплекс (рисунок 5) с использованием современного программного обеспечения LabView и оборудования фирмы National Instruments.

Рисунок 4 - Измерение в плоскости XY

Рисунок 5 - Общий вид испытательного комплекса в сборе

Рисунок 6 - Общий вид рамы с установленными на ней датчиками

Далее с целью подтверждения адекватности, на были проведены аналогичные измерения, подробно описанной выше, но с учетом коррекции управляющей программы по результатам расчета. При сравнении экспериментальных результатов, полученных при отработке программам станком с ЧПУ, соответствующих скорректированной (усовершенствованной) и базовой математической модели видно, что за счет использования коррекции (за счет учета ряда погрешностей, связанных с траекторий движения исполнительных органов и относительного положения узлов станка, несущих инструмент и заготовку) амплитудно-частотные колебания уменьшаются и не превышают допустимых значений.

На втором этапе проверки адекватности была выбрана типовая деталь (рисунок 7). Разработан и выполнен технологический процесс обработки детали без учета коррекции (рисунок 8). После чего была выполнена обработка данной детали, с учетом коррекции технологического процесса и управляющей программы (рисунок 9, 10). Полученные две детали были измерены на координатно-измерительной машине. Результаты измерений показали увеличение точности обработки до 23%.

Рисунок 8

- Технология обработки детали без учета коррекции

Рисунок 7 - Типовая деталь для фрезерного 3-х координатного станка

Рисунок 9 - Обработанная деталь с учетом коррекции технологии обработки

Фрагмент управляющей программы для обработки выше представленной детали без коррекции технологии обработки и с коррекцией технологии обработки представлен ниже, соответственно - (а) и (б).

N10 в17 040 090 064 071 N10 017 в40 090 064 071

N40 ТО4 М06 N40 Т04 М06

N50 32000 МОЗ N50 52000 МОЗ

N60 в54 N60 054

N70 000X207.914 У2.517 N70 ООО Х29.404 У142.

N80 25.616 М08 N80 22.307 М08

N90 СЮ1 24.616 РЮО. N90 001 21.307 РЮО.

N100 Х207.875 У2.37 23 851 N100 У142.691 2.542

N110 Х207.762 У1.952 23.202 N110 У142.258 2-.107

N120 Х207.593 У1.325 22.768 N120 У141.609 2- 541

N130X207.394 У.586 22 616 N130 У 140.844 2- 693

N140 Х206.955 У-.296 22.584 N140 Х16.818 Р200.

N150 Х206.209 У-.94 22 552 N150 У146.671

N160 Х205.272 У-1.246 22.52 N160X23.111

N170 X204.29 У-1.166 22.488 N170X29.404

N180 Х203.415 У-.712 22.456 N180 У140.844

N190 Х202.783 У.044 22.424 N190^136.136

N200 Х202.493 У.986 22.392 N200X12.111

N210 Х202.589 У 1.967 22.36 N210 У151.378

N220 Х203.057 У2.834 22.328 N220 Х23.111

N230 Х203.824 У3.454 22.296 N230 Х34.112

N240 Х204.77 У3.728 22.264 N240 У136.136

N250X205.749 У3.616 22.232 N250 Х29.404

N260 Х206.609 УЗ. 133 22.2 N260 У131.429

N270 Х207.215 У2.356 22.168 N270 Х7.404

N280 Х207.474 У1.405 22.136 N280 У156.085

N290 Х207.346 У.428 22.104 N290X23.111

N300 Х206.849 У-.423 22.072 N300X38.819

N310 Х206.062 У-1.017 22.04 N310 У131.429

N320 Х205.107 У-1.26 22.008 N320X29.404

N330 Х204.132 У-1 115 21.976 N330 У126.722

N340 Х203.289 У-.604 21.944 N340 Х2.951

N350 Х202.709 У.192 21.912 N350X2.72 У126.745

N360X202.481 У1.151 21.88 N360X2.697 У126.977

N370 Х202.642 У2.123 21.848 N370 У160.538

N380X203.167 У2.958 21.816 N380X2.72 У160.769

N390 Х203.973 У3.525 21.784 N390 X2.951 У160.792

N400 Х204.935 У3.737 21.752 N400X23.111

(а)

Рисунок 10 - Фрагмент управляющих программа для обработки детали а) без коррекции технологии обработки; б) с коррекцией технологии

обработки.

Таким образом, выполненная коррекция математической модели пространственной точности обрабатывающего центра модели Fine Tech SMV-450-НЗ с ЧПУ позволяет повысить точность и качество обработки на современных станках с ЧПУ за счет учета доминирующих погрешностей станка

В пятой главе выполнена обобщенная оценка теоретико-экспериментальных исследований проведенных в работе. Систематизация и оценка полученных результатов экспериментальных исследований, математической модели геометрической точности станка с ЧПУ, проведенные на обрабатывающем центре, подтвердили ее адекватность и возможность использования на станках ЧПУ для повышения точности позиционирования их рабочих органов. На основе математической модели геометрической точности станка разработан алгоритм программно-математической коррекции исполнительных движений рабочих органов станка с УЧПУ, который встраивают в управляющую программу станка в виде модуля (цикла).

Результаты данной работы позволяют рекомендовать ее для практического применения на предприятиях реального сектора экономики. Научные эксперименты, проведенные в работе, могут быть рекомендованы для применения в учебном процессе. Эксперименты выполнены на современном оборудовании, с применением современного программного обеспечения и позволяют наглядно продемонстрировать студентам в чем заключается пространственная точность станка, как она определяется и на что влияет

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований дано новое решение актуальной задачи - повышение точности обработки деталей на обрабатывающих центрах, путем коррекции пространственных перемещений и технологии обработки, без внесения конструктивных изменений в действующее оборудование.

1. Обеспечено повышение технологической точности процесса обработки деталей на обрабатывающих центрах путем коррекции пространственных перемещений на стадии разработки технологии обработки и управляющей программы.

2. Разработан технологический процессор для обеспечения требуемой точности обрабатывающего центра с учетом его индивидуальной несущей

системы, путем рационального программирования управляющих программ для обработки;

3. Создана математическая модель обрабатывающего центра с применением метода конечных элементов позволяющая учитывать при разработке технологического процесса обработки детали - жесткость несущей системы, вибрационные процессы и пространственную точность перемещения узлов станка;

4. Разработан испытательный стенд на базе современных информационных систем National Instruments, позволяющий оценить точность вращения шпинделя;

5. Для выполнения коррекции технологии обработки и управляющей программы обрабатывающего центра разработано принципиальное программное обеспечение, позволяющее учитывать реальную пространственную точность с учетом динамики процесса резания;

6. Для повышения производительности процесса разработки технологии обработки детали, созданы базисные компоненты информационной базы данных моделей модулей элементов технологической системы;

7. Проведены эксперименты позволяющие подтвердить работоспособность предложенных в работе подходов по повышению точности обработки за счет учета пространственной точности обрабатывающих центров на стадии разработки технологии изготовления детали;

8. Проверена работоспособность системы в условиях реального производства.

Основные положения диссертации рассмотрены в следующих печатных работах:

1. Михайлов В.А., Кузьминский Д.Л. Проектирование и моделирование многоскоростного зубчатого привода станков // Известия МПУ «МАМИ». - М., МГТУ «МАМИ», 2008 (журнал из рекомендованного списка ВАК РФ).

2. Анкин A.B., Кузьминский Д.Л. Разработка программного обеспечения для расчета пространственной размерной цепи. // Известия МГТУ «МАМИ». -М., МГТУ «МАМИ», №1 (7) , 2011, - С. 127-134 (журнал из рекомендованного списка ВАК РФ).

3. Максимов Ю.В., Кузьминский Д.Л. Абрамова А.Р., Мокринская А.Ю. К вопросу об обеспечении качества обработки сложнопрофильных деталей на станках с изменяющимися элементами. // Известия МГГУ «МАМИ» №1(13), 2012, С. 168-174 (журнал из рекомендованного списка ВАК РФ).

4. Максимов Ю.В., Кузьминский ДЛ. Порхунов С.Г. Особенности расчета и оптимизации сварной станины для уникальных станков. Известия МГТУ «МАМИ» №2(14), 2012, С. 98-104 (журнал из рекомендованного списка ВАК РФ).

5. Максимов Ю.В., Кузьминский Д.Л. Применение информационных технологий в науке на примере разработанного испытательного комплекса для измерения точности вращения шпиндельного узла станка. // Известия МГТУ «МАМИ» №1(15), 2013, т.2 С. 82-85. (журнал из рекомендованного списка ВАК РФ).

6. Максимов Ю.В., Кузьминский Д.Л. К вопросу о расчете пространственной точности. // Известия МГТУ «МАМИ» №1(15), 2013, т.2 С. 244-248. (журнал из рекомендованного списка ВАК РФ).

7. Государственный контракт №16.740.11.0439 «Определение пространственной точности металлорежущих станков и разработка методов ее обеспечения»

8. Государственный контракт № 2485 «Разработка средств обеспечения жизненного цикла, технологических систем и инструмента для процессов энергосберегающей комбинированной обработки в автомобилестроении и машиностроении»

Подписано в печать .11.13. Формат 60x90 1/16. Бумага 80 г/м2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ № 367-13.

Университет машиностроения 107023, г. Москва, Б. Семеновская ул. 38.

московский государственный машиностроительный

университет (мами)

04201451713 На правах рукописи

КУЗЬМИНСКИЙ Дмитрий Леонидович

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НА ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРАХ ПУТЕМ КОРРЕКЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Максимов Юрий Викторович

Москва-2013

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РАБОТ ПО ПОВЫШЕНИЮ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ ЧПУ.......................................................................9

1.1 Виды сложнопрофильных деталей и представление формы их поверхностей в системе ЧПУ.............................................................................9

1.2 Анализ конструкций много координатных станков.................................14

1.3 Анализ методов управления точностью обработки на металлорежущих станках с ЧПУ посредством программной коррекции их погрешностей.... 16

1.4 Выбор обобщенного показателя качества управления точностью обработки на станках с ЧПУ............................................................................17

1.5 Анализ программного метода коррекции погрешностей

металлорежущих станков с ЧПУ.....................................................................22

1.5.1 САУ, использующие априорную информацию.....................................23

1.6 Выводы..........................................................................................................30

1.7 Цель работы..................................................................................................31

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНТЕГРАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ И КОРРЕКЦИИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ..................................33

2.1 Теоретические предпосылки математического обеспечения программной коррекции исполнительных движений станка с ЧПУ...........33

2.2 Погрешности вибрации оборудования при резании................................36

2.3 Погрешности следящего привода..............................................................44

2.4 Блок-схема следящего привода подач с коррекцией исполнительных движений станка с ЧПУ....................................................................................46

2.5 Алгоритм программной коррекции исполнительных движений станка с ЧПУ.....................................................................................................................49

2.6 Матричный метод описания структуры металлорежущего станка с ЧПУ ..............................................................................................................................55

2.7 Кинематика движения смежных звеньев станка относительно друг друга...............................................................................................................

2.8 Статистические оценки точности вектора состояния..............................69

2.9 Выводы..........................................................................................................72

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ .................................................................................................................................73

3.1 Программно-математическое обеспечение поддержки и принятия решений для оценки пространственной точности станка.............................73

3.1.1 Расчетное моделирование конструкции станка в MSC.VISUALNASTRAN..................................................................................74

3.1.2 Разработка программного обеспечения для расчета пространственной размерной цепи..................................................................................................81

3.1.2.1 Принцип работы модуля Solid Works..................................................83

3.1.2.2 Принцип работы модуля MatLab.........................................................85

3.1.2.3 Принцип работы модуля Nastran..........................................................88

3.1.2.4 Принцип работы модуля Lab View......................................................88

3.1.2.5 Принцип работы модуля САМ.............................................................89

3.1.2.6 Программная оболочка комплекса РПРЦ...........................................89

3.2 Базисные компоненты информационной базы данных моделей модулей элементов технологической системы..............................................................94

3.2.1 Разработка базы данных для САМ системы..........................................94

3.2.2 Разработка базы данных инструмента и материалов............................95

3.2.3 Разработка стратегии обработки.............................................................97

3.3 Выводы..........................................................................................................99

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ СТАНКА........................................................................................101

4.1 Методика измерения точность позиционирования рабочих органов станка................................................................................................................101

4.2 Экспериментальное исследование и определение точности позиционирования рабочих органов станка.................................................108

4.3 Разработка испытательного комплекса для измерения точности шпиндельного узла станка..............................................................................114

4.3.1 Вихретоковый преобразователь перемещения (ВТТШ).....................115

4.3.2 Соединительный блок BNC 2120..........................................................116

4.3.3 Плата расширения DAQCard-6062E.....................................................117

4.3.3 Программное обеспечение для обработки сигнала с датчиков.........118

4.4 Экспериментальное измерение точности шпиндельного узла станка с помощью разработанного испытательного комплекса................................119

4.5 Экспериментальная проверка адекватности скорректированной, на основании пространственной точности, технологии обработки изделия . 122

4.6 Проверка адекватности результатов работы в условиях реального производства.....................................................................................................130

4.7 Выводы........................................................................................................133

5. ОБОБЩЕННАЯ ОЦЕНКА ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОВЕДЕННЫХ В РАБОТЕ..........................................134

5.1 Систематизация и оценка полученных результатов..............................134

5.2 Сопоставление и обобщение результатов анализа научно-информационных источников и теоретико-экспериментальных исследований....................................................................................................136

5.3 Разработка рекомендаций по возможности практического применения научных результатов работы в реальном секторе экономики и внедрения методик расчета в научно-образовательный процесс..................................137

5.4 Выводы........................................................................................................138

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................................................................139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа направлена на повышение технологической точности при обработке на обрабатывающих центрах. В качестве базового исследуемого обрабатывающего центра выбран 3-х координатный вертикально-фрезерный станок модели Fine Tech SMV-450-H3. На сегодняшний день, 3-х координатные вертикально-фрезерные станки являются наиболее распространенными станками, используемыми отечественными промышленными предприятиями.

Проблемами повышения технологической точности обработки деталей на обрабатывающих центрах, занималось и продолжает заниматься большое число ученых. Однако, в большинстве работ, при разработке технологии производства деталей делаются некоторые допущения: не учитываются индивидуальные особенности конструкции как модели станка в целом, так и конкретного станка; не учитываются концентрации напряжений, наличие которых характерно для мест резкого изменения формы; деформации считаются малыми и пропорциональными напряжениям.

Диссертация посвящена комплексному исследованию вопроса повышения технологической точности замкнутой технологической системы, включающей в себя базовую несущую систему, шпиндельный узел, механизм подачи и закрепления обрабатываемых изделий и узлы подачи, обусловленной деформациями базовой несущей системы станка, с учетом местных деформаций отдельных элементов корпусных деталей. Комплексный подход дает возможность разработки и внедрения новых, более точных и эффективных методик повышения технологической точности обработки деталей путем коррекции управляющей программы станки с учетом реальных характеристик конкретного станка. Таким образом, исследования, направленные на разработку научно обоснованных методик повышения технологической точности и повышения стойкости инструмента при обработке на станках, посредством учета жесткости базовой несущей системы станка и является актуальной научной задачей.

Данная работа базируется на положениях теории динамики станков, разработанной Кудиновым В. А. [69,70], теории надежности технологических систем, разработанной Прониковым A.C. [100-105], иерархическом параллельно-последовательном методе решения задач, предложенным Михайловым В. А. [92,93], работах: Базрова Б.М. [14,15], Бушуева В.В. [911], Дащенко А.Щ40], Кузнецова П.М. [71, 77], Таратынова О.В. [129], Тимирязева В.А. [130, 131], Чернянского П.М. [146] и других ученых.

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные станочные системы и инструменты» МГТУ «МАМИ», при сотрудничестве с ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» и ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», в рамках проведения НИР, при реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 по теме «Определение пространственной точности металлорежущих станков и разработка методов ее обеспечения».

Целью данной работы является: повышение технологической точности обработки деталей на стадии разработки управляющих программ для обрабатывающих центров, за счет разработки технологического процессора, решающего задачи определения пространственной точности станка с учетом динамики процесса резания.

Научная новизна работы

1. Обоснована концепция обеспечения технологической точности на современных станках, за счет учета пространственной точности базовой несущей системы.

2. Разработан технологический процессор для обеспечения технологической точности обрабатывающего центра с учетом его индивидуальной несущей системы, путем рационального программирования управляющих программ для обработки;

3. Создана математическая модель обрабатывающего центра, учитывающая жесткость несущей системы, вибрационные процессы и пространственную точность перемещения узлов станка;

Практическая ценность заключается:

- в разработке рекомендации по повышению технологической точности обработки деталей на обрабатывающем центре, с учетом базовой несущей системы, применительно к станкам, используемым в производственном процессе действующего предприятия;

- в разработке рекомендаций по рациональной коррекции управляющей программы для обработки деталей, что позволило повысить точность позиционирования инструмента на 23%;

- в создании библиотеки моделей-модулей типовых процессов обработки деталей и инструментов, для дальнейшего использования в САМ системе при разработке технологии обработки и управляющих программ для обрабатывающих центров.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы.

В первой главе выполнен анализ: методов повышения точности и качества обрабатываемых поверхностей сложно профильных деталей на современных станках; показателей качества управления точностью обработки на станках с ЧПУ; конструкций многокоординатных станков; сформулированы задачи исследования.

Во второй главе разработаны: алгоритм программной коррекции исполнительных движений станка; описание структуры металлорежущего станка с ЧПУ с помощью матричного метода; механизмы описания кинематики движения сложных звеньев станка относительно друг друга.

В третьей главе разработано программно-математическое обеспечение, позволяющей повысить технологическую точность при обработке на станках, путем учета несущей системы, за счет применения метода конечных элементов для моделирования конкретной модели станка с учетом его индивидуальных особенностей.

В четвертой главе выполнены экспериментальные исследования и определены составляющие пространственной геометрической точности

станка с учетом таких индивидуальных особенностей станка как: точность вращения шпиндельного узла; точность позиционирования рабочих органов станка.

В пятой главе выполнена обработка результатов натурного эксперимента и математического моделирования. Систематизированы результаты, полученные в результате проведенной работы. Сопоставление результатов натурного эксперимента и теоретических модели позволило разработать рекомендации по возможности практического применения научных результатов работы в реальном производственном процессе.

1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РАБОТ ПО ПОВЫШЕНИЮ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ ЧПУ 1.1 Виды сложнопрофильных деталей и представление формы их

поверхностей в системе ЧПУ

Высокотехнологичное машиностроительное производство предъявляет новые требования к техническому уровню обрабатывающих систем. В первую очередь, это связано со сложной пространственной топологией поверхностей деталей машин (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Обработка сложнопрофильных объемно-контурных

поверхностей

Сложнопрофильность поверхностей последних обусловлена криволинейностью производящих линий, с помощью которых воспроизводится требуемая траектория движения узлов, несущих инструмент и заготовку, имеющая пространственное описание. Управление такими

станками возможно с помощью специальных сред геометрического объемного ЗБ-моделирования с визуализацией контактного взаимодействия инструмента и обрабатываемой заготовки. САМ-система имитирует обработку - виртуально моделирует процесс обработки детали именно так, как это будет происходить на станке с учетом расположения оснастки и перемещения всех узлов в рабочем пространстве станка. Стратегии фрезерной обработки содержат механизмы формирования траектории высокоскоростного фрезерования: трахоидальные траектории врезания, скругление углов рабочей траектории, подходы и отходы по дуге обеспечивают гладкость траектории и постоянство площади сечения снимаемого материала. В совокупности с вычисляемой подачей все это обеспечивает возможность использования режимов высокоскоростного фрезерования.

Пространственная сложность поверхностей рассматриваемых деталей определяется следующими особенностями (рисунок 1.2):

1.Геометрическая сложность. Детали состоят из поверхностей двойной кривизны. Это не позволяет при расчёте траектории движения инструмента использовать метод проходов, подобных ограничивающим путям. Необходимо знать координаты точек на поверхностях и направления нормалей в них для точного расчёта координат положения и наклона инструмента;

2.Технологическая сложность. Взаимное расположение поверхностей с образованием «теневых зон» и сужениями. Наклон инструмента в этом случае необходимо задавать так, чтобы исключить задевание периферийной частью инструмента других поверхностей;

Рисунок 1.2 — Детали с пространственно сложными поверхностями

З.Геометрическо-технологическая. Соотношение геометрических размеров элементов детали (например, высота и толщина лопатки) не позволяет использовать постоянные технологические параметры (припуск на обработку). Переменная жёсткость в зависимости от высоты лопатки заставляет учитывать это влияние при расчётах управляющих программ (УП).

Многокоординатная обработка является перспективным методом изготовления деталей сложной формы. Понятие «многокоординатная» и «многоосевая» обработка идентичны. В обрабатывающих центрах с ЧПУ различные рабочие органы могут иметь свои дополнительные оси перемещения. Так, например, в обрабатывающих центрах Окита серии М11ХАС обработка обусловлена линейными перемещениями вдоль осей X, У, Ъ, поворотными перемещениями стола (ось С) и поворотными движениями фрезерной головки (ось В) — всего 5 осей. Есть варианты 9-осевой обработки (серия МасТигп). Порядок анализа и синтеза обрабатывающей системы для обработки сложнопрофильных деталей в высокотехнологичном машиностроении определяется декомпозицией производственной проблемы на уровни и формированием требований к компонентам и средствам управления ею (рисунок 1.2).

Описание сложнопрофильных поверхностей таких деталей производится сплайн методами, что позволяет применять инструменты

реинжиринга и САЕ)/САМ-моделирования для адекватного управления станочной системой. Таким образом:

1. Детали сложной формы могут быть обработаны на станках с многокоординатной кинематикой и элементами, расширяющими их формообразующие возможности за счет изменения угловой ориентации взаимодействующих компонентов - инструмента и заготовки. Для этого многокоординатный станок оснащается специализированными изменяемыми элементами - высокотехнологичной оснасткой в виде глобусных столов (и) или поворотных инструментальных головок;

2. Управление формообразованием и точностью многокоординатных станков требует разработки методов аналитического описания криволинейных поверхностей топологически сложных деталей. Для этого должна быть учтена кинематика пространственного движения многозвенного механизма во всем объеме его �