автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Снижение погрешностей обработки на токарных станках с ЧПУ на основе моделирования динамической системы в технологическом препроцессоре САП

На правах рукописи

003057028

ИСАЕВ Василий Евгеньевич

СНИЖЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ НА ТОКАРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРЕПРОЦЕССОРЕ САП

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2007

003057028

Работа выполнена университете «МАМИ»

в

Московском государственном техническом

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Михайлов В. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чернянский П. М. кандидат технических наук, доцент Черепахин А. А.

Ведущее предприятие: ОАО «НИИТАВТОПРОМ»

Защита диссертации состоится «17» мая 2007 г. в 1Ц час. на заседании диссертационного совета Д 214.140.02 в Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023, Москва, Большая Семёновская ул., дом 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «МАМИ».

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан «16» апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н., проф.

М.Ю.Ершов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях рыночного хозяйства многие машиностроительные предприятия представляют собой мелкосерийные и единичные производства. При этом стоимость выпускаемой продукции достаточно высока и, для снижения риска выпуска непригодных деталей на металлорежущих станках с ЧПУ, требуется не только высокая культура производства, необходимая точность оборудования, инструмента, оснастки и т.д., но и учёт динамических и статических характеристик металлорежущего оборудования, оказывающих существенное влияние на точность обработанной детали.

Проблемами динамики металлорежущего оборудования занималось и продолжает заниматься большое число ученых. Однако, в большинстве работ рассматривается динамика только отдельных узлов станка, таких как шпиндель, привод главного движения, опоры и т.д. Такой подход не позволяет учесть последовательное влияние непостоянства частоты вращения электродвигателя главного движения, растяжения ремня, закручивания валов коробки скоростей и шпинделя на условия резания. Остаётся малоизученным совместное влияние упругого отжатия шпинделя, его прогиб и деформация винта поперечной подачи на глубину резания. И не учитываются влияние непостоянства частоты вращения электродвигателя подачи, деформация винта продольной подачи, в том числе и при обработке деталей сложной формы на точность перемещения вершины резца. Остаётся мало изученным влияние обратных связей на составляющие динамической системы при переменных составляющих силы резания.

Диссертация посвящена комплексному исследованию динамических и статических характеристик металлорежущего оборудования в виде взаимодействия следующих составляющих технологической системы: привод главного движения с электродвигателем, шпиндельный узел, привод подач с электродвигателем, процесс резания, система обратных связей. Комплексный подход дает возможность разработки и внедрения новых, более точных и эффективных методик расчета погрешностей обработки и их компенсации. Таким образом, исследования, направленные на разработку научно обоснованных методик расчета динамических погрешностей является актуальной научной задачей.

Цель работы. Повышение точности и качества обработки сложнопрофильных деталей на металлорежущих станках с ЧПУ за счет совершенствования методов определения погрешностей обработки, учитывающих максимальное число погрешностей, направленное на повышение производительности обработки.

Задачи работы. Получить научно обоснованные методики для управления точностью обработки;

Разработать основные принципы и методы компенсации погрешностей и технологическом препроцессоре САМ;

Разработать методику составления математической модели на основе системного подхода;

Составить математическую модель динамики привода станка на основе метода Эйлера, учитывающую переходные характеристики и процессы, происходящие в ТС в том числе и для обработки сложных поверхностей;

Создать математическую модель шпиндельного узла на упругих опорах, с учётом изгибной, крутильной, сдвиговой жёсткостей и жёсткости на растяжение/сжатие и с учетом действия силы тяжести;

Составить математическую модель процесса резания с учётом непостоянства составляющих режимов резания;

Создать геометрический образ обработанной детали, по которому можно прогнозировать точность обработки;

Провести испытания для проверки адекватности созданных моделей реальным процессам;

Разработать методику расчёта и внесения поправок в управляющие программы (УП) на основе полученного геометрического образа обработанной детали.

Методы исследований. Исследования проводились на базе теории точности станков, теории упругости, сопротивления материалов, метода «больших перемещений», теории автоматизированного управления. Экспериментальные исследования выполнены на серийно выпускаемом токарном станке с ЧПУ. Моделирование проводилось в программном комплексе ЕиЬЕЯ.

Научная новизна. Разработаны научно обоснованные зависимости, позволяющие управлять точностью обработки путем внесения коррекций в управляющие программы.

Исследованы и получены зависимости влияния характеристик привода на точность обработки.

Разработан метод определения и компенсации погрешностей обработки на основе системного моделирования "технологической системы - процесс резания".

Разработана модель формирования погрешностей обработки на станках с ЧПУ с учетом больших перемещений узлов станка.

Разработана динамическая модель привода главного движения, включающая ремённую передачу с учётом податливости ремня; шпиндельный узел в виде объёмной упругой балки, учитывающей изгибно-крутильную и растягивающе-сдвиговую жесткости, и установленной на упругие опоры, воспринимающей радиальные, осевые и угловые нагрузки; упругие валы; зубчатые колёса; электродвигатель с нелинейной характеристикой. Разработана динамическая модель движения каретки суппорта, с учётом упругости привода подач, нелинейной характеристики двигателя подач, демпфирующей способности стыка направляющие станины — каретка суппорта, непостоянства силы трения в направляющих, влияния положения поперечного суппорта с револьверной головкой на основе метода Эйлера, впервые используемого для этих целей.

Разработана модель процесса резания с обратными связями, учитывающая непостоянство силы резания из-за изменения толщины и глубины срезаемого слоя.

Разработана модель формирования геометрического образа обработанных поверхностей детали, на основе построения траектории движения рабочих органов станка с учетом погрешностей вносимых технологической системой.

Практическая ценность. Предложен специальный модуль (технологический препроцессор), обеспечивающий расчет и компенсацию погрешностей обработки на основе моделирования "технологической системы - процесс резания".

Разработана методика создания динамических системных моделей кинематики металлорежущих станков с учетом «больших перемещений» в ЕиЬЕ11.

Разработана методика расчета коррекций для УП на основе построения геометрического образа поверхности обработанной детали.

Создана библиотека моделей типовых элементов для моделирования различных станков с ЧПУ.

Разработаны рекомендации для практического применения результатов работы.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы реализованы на ОАО «РАТЭГГ» г. Серпухов для выпуска деталей типа валов и дисков. Материалы диссертации используются в курсе «Математическое моделирование процесса резания», читаемого в МГТУ «МАМИ».

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на Международном научном симпозиуме МГТУ «МАМИ». 1999 г., Международном научном симпозиуме МГТУ "МАМИ". 2000 г., XXXIX Международной научно-технической конференции ААЙ. МГТУ «МАМИ» 2002 г, Международном научном симпозиуме, посвященному 140-летию МГТУ «МАМИ» 2005 г.

Публикации. По материалам работы опубликовано 13 печатных рабо т.

Объём работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 98 наименований, приложений, содержит 193 страницы основного текста, 67 рисунков, 28 таблиц.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение: на основании анализа литературных источников обоснована решаемая в работе проблема и сформулированы задачи исследования.

В главе 1 освещено состояние вопроса и рассмотрены задачи исследования. В настоящее время основным направлением сокращения времени на подготовку производства и изготовления изделий, является разработка совершенных автоматизированных методов моделирования и управления точностью обработки на станках с ЧПУ и с микропроцессорным управлением уже на стадии создания управляющих программ. Современные системы САМ до сих пор в своей структуре не имеют необходимых для решения этих задач технологических препроцессоров. Создание таких подсистем возможно только при разработке принципиально новых методов определения погрешностей обработки на основе применения математических моделей достаточно просто адаптируемых в производственных условиях для решения конкретных задач.

Данная работа базируется на положениях теории динамики станков, разработанной д.т.н. Кудиновым В. А., теории методов обработки д.т.н. Кузнецова А. М. и иерархическом параллельно-последовательном методе решения задач, предложенным к.т.н. Михайловым В. А., следовательно, обеспечение заданной точности обработки при высокой производительности в условиях рыночной экономики является актуальным, имеет практическое и научное значение.

Обеспечить точность обработки на станках к.т.н. Ивапников С. Н. предлагает двумя путями:

- на стадиях проектирования и изготовления технологического оборудования, за счёт выполнения высокоточных расчётных работ и создания новых прогрессивных конструкций оборудования;

- за счёт выбора рациональных условий эксплуатации оборудования с полным учётом реальных технологических возможностей оборудования

Один из способов повышения точности обработки — рациональная компоновка и конструкция всех элементов технологической системы (с точки зрения точности их геометрических параметров, жёсткости, виброустойчивости, теплоустойчивости, износостойкости), точные их изготовление и сборка, а также последующая "правильная" эксплуатация (наладка, техническое обслуживание, ремонт, условия эксплуатации и др.). Однако эти мероприятия лимитированы допустимыми экономическими затратами и обеспечивают в основном повышение начальной точности, часто не гарантируя длительного сохранения этой точности в процессе эксплуатации и решение проблемы в реальном времени.

Компенсация погрешностей обработки в реальном времени может выполняться различными методами и, как правило, приводит к положительным результатам.

Системы управления точностью обработки предназначены для коррекции характеристик и параметров станка в целях повышения точности обработки. В этих системах используются обратные связи, контролирующие ход процесса, и возможности станка по изменению режимов работы, по коррекции заданного цикла, по получению информации о действительных параметрах технологического процесса, по контролю за состоянием отдельных систем станка и другие особенности, характерные для станков с программным управлением.

Проников А. С. и Васильев Г. Н. рассматривали системы автоматической подналадки станка выполненные обычно как системы автоматического регулирования. В станке может применяться одна или несколько систем и механизмов обеспечения точности обработки в зависимости от степени автоматизации станка и от эффективности тех или иных коррекций.

Для быстропротекающих процессов Коваль М. И., Ким Е. Н., Коробанов Ю. Я., Лейкум С. В. предлагают использовать простые устройства с адаптивным управлением, оснащенных датчиками. Сигналы с датчиков усиливаются и используются для корректировки подачи или изменения частоты вращения шпинделя, чтобы обеспечить выход станка из зоны неустойчивого резания.

При разработке систем управления точностью обработки Стародубов В. С. предлагал применение сравнительно простых систем, не связанных с конструктивными изменениями станка. При этом введение управляющих воздействий целесообразно осуществлять через систему ЧПУ станка, а подналадку положения инструмента или заготовки - существующими исполнительными механизмами станка. Применяют системы управления точностью следующих основных типов:

Следует отметить, что широкое применение автоматизированных систем приводит к существенному повышению стоимости оборудования и уменьшения надежности.

Реализацию второго пути обеспечения точности обработки и, соответственно, повышения эффективности использования станков с ЧПУ Гусев В. А. предлагал осуществить также и за счёт прогнозирования и управления точности обработки на стадии подготовки управляющих программ. Причём, прогнозирование и определение путей компенсации погрешностей обработки выполняется в технологическом препроцессоре автоматизированной системы подготовки управляющих программ (САП). Однако в этом случае система не обеспечивает компенсацию погрешностей обработки в реальном времени.

Для повышения эффективности использования САП требуется разработка и исследование технологических принципов, алгоритмов и программ для определения погрешностей обработки и управления точностью и качеством обработки на станках с ЧПУ. Из множества "факторов, влияющих на точность обработки на станках с ЧПУ, часть может быть учтена при создании УП. В этом числе могут быть учтены и устранены погрешности, вызванные влиянием динамических процессов, происходящих при работе оборудования. При этом природа динамических процессов не обязательно должна носить механический характер. Это могут быть динамические процессы, происходящие в электродвигателях, электронных обратных связях и т.д.

Кудинов В. А., Кедров С. С., Проников А. С., Решетов Д. Н., Портман 1$. I I., Михайлов В. А. представляли динамическую систему станка в пиде замкнутой схемы, учитывающей процессы, происходящие в электродвигателях, процессы резания, процессы трения и процессы, происходящие в упругой системе станка. Тем не менее, в большинстве работ предложенная схема исследуется не как единое целое, а в виде рассмотрения какой-либо из составляющих, редко в сочетании с другой составляющей.

Оценке динамической точности шпиндельных узлов посвящены работы Пуша А. В., Иванникова С. Н., Зверева И. А., Горелик И. Г. где на основе динамического анализа шпинделя как упругой балки, нагруженной постоянными по времени усилиями, получены величины смещений переднего конца шпинделя. Ивахненко А. Г., Данильченко Ю. М. провели исследования шпиндельных опор качения.

Вопросами динамики приводов занимались Ривин Е. И., ВейцВ. Л., предложившие методику составления расчетных динамических схем приводов главного движения и приводов подач металлорежущих станков.

Исследование динамики электроприводов проведено Башариным А. В., Новиковым В. А., Соколовским Г. Г., Москаленко В. В.

Аршанский М. М. и Щербаков В. П. рассмотрели методы управления процессом резания и предложили модель технологической системы контурного фрезерования.

Недостаточно исследована динамика технологического оборудования при комплексном рассмотрении, т.е. с учетом динамических процессов проходящих к других подсистемах.

Остается неисследованным поведение динамической системы при параметрическом задании нагрузки, с учетом обратных механических и электрических связей.

В связи с необходимостью решения задачи сбережения энергии и материалов поставлены следующие задачи:

• усовершенствовать схему динамики технологического оборудования с ЧПУ с применением метода декомпозиции;

• разработать методику составления математической модели динамической системы технологического оборудования;

• разработать методику создания библиотек типовых моделей составляющих конструкций технологического оборудования;

• выполнить аналитическое и экспериментальное исследование модели, составленной на основе усовершенствованной схемы динамики;

• разработать предложения по реализации результатов работы в промышленности.

В главе 2 объект исследования - станок, рассмотрен как сложная система. Сложные системы характеризуются большим числом элементов и большим числом связей. Элементы в сложной системе находятся в иерархическом взаимодействии. Системный подход включает следующие процедуры: представление объекта в виде системы; математическое моделирование; оценка качества системы. Решение проблемы основано на применении иерархического параллельно-последовательного метода, предложенного Михайловым В. А. Применительно к решаемой задачи принцип иерархичности определяет станочную систему в виде четырёхуровневых иерархических систем. Декомпозиция станочной системы на четыре уровня является приближенной, и могут быть предусмотрены дополнительные подуровни. Принцип декомпозиции в данной работе включает положение о блочности, что означает разбиение каждого уровня на ряд составных частей - блоков. Это позволяет выполнять поблочное моделирование и отладку. В соответствие с принятой методикой процесс создания математической модели также рассматривается как сложная система, имеющая два этапа синтеза: структурный и параметрический. На структурном этапе синтеза изучаются принципиальные схемные решения, разрабатываются нормализованные модели, устанавливается иерархическая структура и взаимосвязь элементов различного уровня, определяются общие свойства составляющих элементов. На этапе параметрического синтеза принятое схемное решение, являющееся реализацией метода обработки, воплощается в конкретные формы в виде совокупности отдельных механизмов, устройств и т. п. технологических решений отдельных элементов. Функциональные, временные, геометрические, структурные и размерно-точностные связи, а также их связи образуют модель технологической системы, что позволяет осуществить композицию сложных систем различного назначения из универсальных формальных элементов, модулей и агрегатов. При структурном синтезе общая модель станка была представлена в виде многоуровневой системы (рис. 1). Такой подход позволяет упростить сборку модели в едином проекте, а также исследовать модель по отдельным составляющим частям, что облегчает отладку модели и поиск ошибок. Модель имеет пять уровней иерархической системы: уровень систем; уровень подсистем (агрегатов); уровень узлов или механизмов; уровень функциональных составляющих; уровень элементарных составляющих. Такая декомпозиция, например коробки скоростей, позволяет учесть крутильную податливость валов

коробки скоростей, изгибпую податливость зубьев шестерён и шлицей линейную податливость ремня и т.д.

Для оценки погрешности положения инструмента или заготовки, установленной в шпинделе, ПрониковА.С. предложил определять траекторию точки, находящейся в центре шпинделя и пространственного вектора К перпендикулярного к плоскости установочной базы (касательного к оси шпинделя п точке её пересечения с плоскостью установочной базы) (рис. 2).

Рис. I

Положение вектора описывается с помощью двух углов: а - между проекцией вектора R на плоскост(. XOZ и осью X, и Р - между проекцией вектора R на плоскость XOY и осью X.

Модсл ь

шпинделя представлена в виде набора из шести элементов. Данное число элементов

выбрано но

рекомендациям к

профаммному комплексу b.UI-GR, как оптимальное сочетание между точностью счёта и машинным временем. При этом ошибка смещения крайней точки при изгибе составляет 2,8%. При разбиении шпиндели на 1 0 частей ошибка будет составлять 1%, однако время счёта увеличится более чем к 2 раза.

Рис. 2 Выходные параметры ЩУ, заданные положением вектора R

Данные элементы соединялись между собой упругими элементами, для которых были разработаны матрицы жёсткости вида:

0 0 0 0 0

0 я* 0 0 0 0

0 0 К,г 0 0 0

0 0 0 К« 0 0

0 0 0 0 Я» 0

0 0 0 0 0 К»

где К\ | -Квб - коэффициенты жесткости.

Значения коэффициентов определялись как обратная величина от значения определённого на длине х„ - хпЧ межузлового расстояния каждого упругого элемента интеграла от некоторой функции Л являющейся обратной величиной от таблично заданной функции к элементарных значений жёсткостей каждого вида.

Для каждого элемента указывалась плотность материала шпинделя и величина демпфирования материала. Каждый элемент имеет 6 степеней свободы перемещений, ограниченных действием упругих элементов.

Шпиндель станка имеет две опоры на подшипниках качения. При математическом моделировании принято, что опоры шпинделя имеют пять степеней свободы относительно корпуса - три поступательных и две вращательных. Шпиндель имеет одну степень свободы относительно каждой опоры -вращательную вокруг оси собственного вращения. Жёсткость опор рассчитывалась по методике Пуша А. В. и вводилась в модель в виде постоянных величин. Демпфирование в опорах задано постоянной времени демпфирования.

Валы коробки скоростей бесступенчатые. Модели валов представлены в виде наборов цилиндров, соединённых между собой упругими элементами, передающим только крутящий момент. Жёсткость и демпфирование упругих элементов задавалось константами.

Модели зубчатых передач представлены в виде угловых упругих элементов, где изгибные и контактные деформации зубьев приведены к крутильным деформациям вала.

Модель ремённой передачи представлена упругим угловым элементом, где линейная жесткость ремня приведена к угловой.

Модели электродвигателей реализованы в виде табличной функции зависимости крутящего момента от угловой скорости вала. В случае сложной обработки, например при обработке конуса, модель дополнена системой автоматического регулирования частоты вращения шпинделя, замкнутой по выходному параметру. В этом случае значение крутящего момента в зависимости от угловой скорости рассчитывается на каждом шаге интегрирования. '

Сборка объектов нижнего уровня проводилась с помощью установления связей между элементами кинематической цепочки привода главного движения.

Так, на вход математической модели ремённой передачи поступало значение крутящего момента с выхода математической модели электродвигателя. С выхода ремённой передачи на вход вала 1 и т. д. согласно схеме на рис. 3:

АО,С

\-----------------------------1 дос --------------------- -•)

Рис. 3

Связи между объектами носят линейный характер с коэффициентом передачи.

Динамическую систему главного привода можно условно разделить на механическую часть (упругая система) и электронную часть (электрические сигналы). Механические связи на схеме показаны сплошной линией, электронные -пунктирной линией. При этом механическая часть динамической системы будет являться разомкнутой, а электронная - замкнутой.

Согласно разработанной схеме привода подач состоят из ходового вита, гайки и электродвигателя подачи. Подвижные узлы несущей системы (каретка суппорта и салазки) приняты абсолютно жесткими.

Модель шарико-винтовой пары представлена в виде вала большой протяжённости для которого учитывается крутильная жёсткость и жёсткость при растяжении и сжатии. Разработанная матрица жёсткости упругого элемента винта имеет вид:

К и 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

Сборка динамической схемы привода подачи осуществлена при помощи задания связей между составляющими аналогично композиции привода главного движения. Схема динамической системы привода подачи показана на рис. 4:

¿У ^ ,——\M8ltl,-,Л9//Л-, РШ Связи между

-ЧШ-

Аас

ДОС

Рис. 4

составляющими имеют линейный закон.

Схема динамической системы, аналогично схеме привода

главного движения,

имеет две части: механическую и электронную. Механическая часть разомкнута, электронная - замкнута.

При врезании и выходе инструмента происходит изменение сил резания из-за переменности площади среза, деформаций изгибно-крутильной системы привода и технологической системы. Врезание и выход инструмента могут стать критическими режимами работы привода, так как при этих процессах нагрузка на шпиндель изменяется за очень короткое время, и динамические эффекты могут быть значительными. Особенно опасны режимы прерывистого резания, при которых врезание и выход инструмента происходят с большой частотой. Врезание характеризуется нарастанием во времени нагрузки на шпиндель и деформации

шпинделя, отрицательно влияющие на стойкость инструмента, качество и точность обработки. При врезании, вследствие геометрических параметров режущей части инструмента, особенностей заточки и расположения инструмента относительно заготовки, а также постепенной крутильной деформации привода нарастание нагрузки на шпиндель происходит не мгновенно. Закон изменения нагрузки резания при врезании состоит из двух участков: синусоидальное возрастание нагрузки от О до значения Мтах за время т; затем переменная нагрузка резания, значение которой рассчитывается в каждый момент времени по формуле 1:

/>г =С„-Л-1) где Ср, хр, ур, гр - постоянные для каждых конкретных условий обработки и составляющих силы резания; 5, V - переменные значения глубины резания, подачи и скорости резания, значение которых уточняется в каждый момент времени.

Значение глубины резания определялось по формуле:

где - радиус заготовки; Яо6р - радиус обработки; Лу — величина смещения центра заготовки по оси У (рис. 5). Значение величины подачи определялось по формуле:

Рис. 5

5 = 5.

треб

-АМЗ)

где Б треб - заданное значение подачи; А5- разность заданной подачи и реальной подачи.

После создания математических моделей уровня элементарных составляющих, уровня функциональных составляющих, уровня узлов или механизмов проводилась композиция динамических систем агрегатов с учётом связей (У\-Ум), действующих между ними, в динамической системы модели показана на рис. б:

системную модель. Схема

э/в У/г

глабного ^__ глабного

дбихенм дбихЕния

У/СШУ ПР Корешка -— У/С

"Г" 1 суппорта подачи

(Я)»-

ДОС

УЧПУ

ДОС

1_.

Т~

Салазки

ДОС

---0-

з/д

придода подачи

—0<

л.

З/Д приЬода подачи

Т

Сплошн ыми линиями обозначены прямые механические связи, характеризующ ие движущие нагрузки; пунктирными линиями -обратные механические связи,

характеризующие нагрузки сопротивления, действующие со стороны ПР на динамическую систему; штрихпунктирными линиями обозначены прямые электрические связи, характеризующие управляющие сигналы; пунктирными с

у/с

прибода подачи

Рис. 6

двумя штрихами линиями обозначены обратные информационные электрические связи с выходных звеньев каждого привода. Модель динамической системы станка замкнутая, многоконтурная система.

Силы трения в направляющих станины и каретки суппорта заданы в виде параметрических функций, в которых учитывается значение составляющих сил резания, рассчитанных на предыдущем шаге интегрирования.

Изменение положения инструмента и детали происходит в результате действия обратных связей, деформирующих упругие системы станка и изменяющих скорости вращения валов электродвигателей. Значения пространственных смещений детали, резца и угол поворота детали вокруг собственной оси, полученные в результате анализа модели динамической системы станка на каждом шаге расчётов, будут являться геометрией обработанной поверхности детали в виде точек в цилиндрических координатах.

Глава 3 посвящена разработке методики создания геометрического описания объектов технологической системы в программном комплексе EULER.

Методика составления моделей в программном комплексе EULER условно разбита на 6 этапов.

Этап 1. Исходная система.

Для проведения анализа с помощью EULER должен существовать сам объект исследования - техническая или другого рода система, которую можно представить в виде многокомпонентной механической системы. Исходная система должна существовать либо в реальном виде, либо в виде проекта, либо, по крайней мере, в воображении пользователя.

Этап 2. Формирование исходных данных и концепции модели.

Выбор типа и числа звеньев, которыми будет моделироваться исходная механическая система и какими шарнирами эти звенья соединяются. В использованной версии EULER звенья являются только жесткими телами. Выделение активных сил, влияющих на движение исходной системы.

Этап 3. Формирование геометрической модели.

Создание геометрического описания модели, что позволяет визуализировать механическую систему, по ней в EULER рассчитывается массово-инерционные характеристики частей системы. Геометрические объекты используются при задании кинематических связей, силовых воздействий и других объектов динамической модели системы. Для создания геометрической модели используются следующие типы объектов: точка (point), вектор (vector), узел (node), плоскость (plane), линия (line), поверхность (surface), тело (solid). Изображение частей (звеньев) механической системы в виде набора точек, линий или тел не является обязательным, но это очень удобно для процесса формирования модели, а особенно при проведении исследований, поскольку позволяет наблюдать процесс движения системы на экране.

Этап 4. Формирование динамической модели.

Описание динамической модели производится в понятных инженерных терминах. Для этого используются следующие типы объектов: звено (body), шарнир (joint), силовой элемент (force), привод (actuator), датчик (sensor), программное движение (motion), изменение механизма (reform), событие (event), условие

состояния механизма (condition), гравитационное притяжение (gravity) и другие типы объектов.

Этап 5. Автоматическое формирование математической модели. Формирование математической модели производится в EULER автоматически без непосредственного участия пользователя.

Первоначально, на этом этапе, производится топологический анализ структуры модели механической системы. В процессе его выполнения выявляются замкнутые кинематические цепи и формируются рабочие кинематические цепи, необходимые для формирования уравнений. Формирование кинематических цепей производится на основании результатов оптимизации расчетной схемы модели, которая позволяет существенно уменьшить объем вычислений.

Затем производится формирование систем уравнений описывающих движение исследуемой системы, куда включаются:

- Уравнения движения звеньев;

- Уравнения кинематических связей системы (для замкнутых кинематических цепей);

- Уравнения голономных и неголономных связей в шарнирах;

- Уравнения программных движений (каналов управления).

Математическая модель, которая представляет собой систему алгебро-дифференциальных уравнений, формируется в нелинейной постановке с учетом больших перемещений звеньев. Для всех характеристик описывающих поведение, управление и силовые воздействия в математической модели учитывается их нелинейная природа.

Этап 6. Исследование системы. Под исследованием ММС понимается проведение необходимых расчетов. В процессе проведения исследований есть возможность наблюдать поведение механической системы в каркасном или реальном графическом представлении. Одновременно выводятся графики и цифровые значения различных параметров движения механической системы. Для сохранения результатов исследования используются специальные файлы программного комплекса EULER, файлы различных графических и видео форматов системы Windows.

Исходной информацией для формирования модели механической системы являются следующие данные:

- Геометрические характеристики.

- Массово-инерционные характеристики.

- Характеристики активных сил, действующих на части механической системы.

- Структура деления механической системы на части.

- Типы и характеристики кинематических связей, соединяющих части механической системы.

- Структура каналов управления механической системы.

Согласно принятой в главе 2 структуре деления механической системы станка на части с помощью метода декомпозиции проводилось формирование геометрической модели станка. Модель каждого объекта не ниже четвёртого уровня (за исключением редких случаев) создавалась в отдельном проекте. Такой подход имеет следующие преимущества:

- Значительное упрощение процесса редактирования объекта; 14

- Возможность автономного исследования объекта;

- Упрощение сборок объектов более высокого уровня;

- Возможность неоднократного использований одного объекта в проектах более высокого уровня, а также в других проектах;

- Возможность создания библиотек объектов.

Для создания геометрического описания твердых тел использовались стандартные функции построения ЗВ-модедеЙ твёрдых тел - «цилиндр», «параллелепипед,», «тело вращения» и «тело выдавливания», соединенные между собой соответствующими стандартными шарнирами» представленными в библиотеках программного комплекса.

Композиция привода главного движения выполнялась в отдельном проекте, в который импортировались все функциональный составляющие этого агрегата: корпус, вал 1, вал 2, вал 3, вап 4, шпиндель и т.д.

Рис. 7 Общий вид модели главного привода ) 1осле расстановки составляющих на свои места для обеспечения им ¡необходимой возможности перемещения были установлены шарниры. Дилес устанавливались шарниры «зубчатая пара» между соответствующими зубчатыми колёсами с указанием передаточного числа, точек - центров шарниров и векторы, показывающие положительное направление вращения зубчатых колее. Аналогично собраны модели других агрегатов станка.

В

! I

ч ■ Л

Композиция системной модели была выполнена в отдельном проекте, в который были

импортированы модели созданных агрегатов. Станина принята лнерциальным звеном.

Создание геометрического описания процесса I эсзания. Для ;

Рис. 5 Композиция модели суппорта

проведения расчетов составляющих силы резания

устанавливались датчики для учета смещения заготовки в пространстве; положения вершины резца относительно заготовки; угловой скорости вращения Заготовки в данный момент времени.

Для построения образа обработанной детали по данным с датчиков рассчитывалось значения её радиуса на каждом шаге

моделирования, а также значения угла поворота детали и положение вершины резца

относительно правого торца детали, которые заносились в таблицу.

Таким образом, была подучена линия, близкая к винтовой, цилиндрической системы

у®85

Рис. 9 Общий вид модели станка каждая точка которой описывается координатами координат.

В главе 4 разработана методика и представлены результаты натурного исследования влияния режимов резания на динамику приводов и геометрию обработанной детали.

Для повышения Точности результатов для проведения эксперимента применён латинский квадрат 4x4. В этом случае, по сравнению с методикой проведения опытов с последовательным изменением варьируемых факторов, в два раза повышается точность получаемых результатов. Расположений элементов

квадрата оптимально в том смысле, что каждый элемент встречается только один раз в столбце и строке. Каким бы ни было нарушающее влияние источников неоднородностей, оно в равной мере скажется при подсчете средних значений но строке и столбцу.

После проведения опытов были составлены квадраты, содержащие значения целевой функции и расчётные данные по экспериментам.

Результаты по каждой клетке латинского квадрата представляются в виде линейной модели:

(4)

где у1]к - экспериментальный результат, полученный с г-м уровнем фактора 7', /м уровнем фактора В и к-ы уровнем фактора Я; ц — общий эффект во всех опытах, т. е. истинное среднее совокупности, из которой получена выборка; 7] — эффект строки (фактора Т)\ B¡— эффект столбца (фактора В); (1к — эффект элемента квадрата — источника неоднородности (фактора Щ\ — случайная ошибка в эксперименте.

Физический эксперимент проводился на станке модели 16А20ФЗ. В качестве деталей использовались цилиндрические гладкие заготовки из Стали 45. 11 результате получена функция зависимости радиуса поверхности обработанной детали от режимов обработки.

Проведена Обработка результатов компьютерного моделирования и рассчитан радиус впадин винтовой канавки, получаемой при точении. При точении деталей установка резца на необходимый размер /?М!)г,ш производится по Сп) вершине. Однако, в силу того, что вершина резца имеет радиус закругления, диаметр обработанной детали будет отличаться от заданного значения.

I р^РД^Д^ьй'^а'1" ' ---------------- ------------!

! |ея)Л,тлыновь!е\™э_ге<]мет£1»«\№о>(м|сд>!1 - I

;- ---------------------------;

' ч-*:.*- 1 ео^сгт р* 'С* ^ ■ I Оыгагь

Лог ВЫП0ЛИ6»И: -1

Лиим.бвьи л

Вмго еыбргно 40

Рвсч<тано547[) 1 ■

р4СЧ(ГЛИ№*5 дггм^и МГЧСЫС4»ТГСЛ о Фгйл l:\itsonc — Рабсгг« кидаавма ' .V.

5. . ■ *

Рис. 10 Интерфейс программы

\Rndius

Рис. 11 Схема формирования гребешка

Для получения значений радиусов вершин винтовых канавок, которые зависят от радиуса закругления вершины резца, величины мгновенной подачи, значения смещения заготовки относительно резца был разработан алгоритм и написана программа. Общий вид интерфейса программы показан на рис. 10. Диаметр обработанной детали можно определить по формуле А**. = 2 * {Коаш + А), где Д - вершина гребешка, образованного двумя соседними канавками (рис. 11). Полученная таблица значений радиуса обработанной поверхности использовалась для построения геометрического образа

обработанной детали (рис. 12, 13).

В главе 5 проведена статистическая обработка

результатов натурного и компьютерного экспериментов.

Проверка адекватности данных теоретических исследований реальным процессам показала что для уровня значимости = 0,98 предельное значение ? для критической области ?кр= 2,6. Расчётное значение критерия Стыодента / - 1,37, т. е. ?кр > I и результаты теоретических и экспериментальных исследований весьма близки друг к другу, что видно из построенных графиков влияния усреднённых величин глубины резания, подачи и частоты вращения шпинделя на радиус обработанной детали (рис. 14, 15, 16).

Для моделирования геометрии обработанной детали уравнение, с учетом полученных коэффициентов регрессии будет иметь вид:

Рис. 12 Линия вершин гребешка и линия впадины

К = Л,

,+0.0589 +

К„.

* 7.58244е -7 ... *1000

+ 0.0553*5,,

-1.01808 Ч.

(5)

Рис. 13 Геометрический образ обработанной детали

Рис. 14 Влияние глубины резания на радиус детали

39,7 39,65

|

и- 39,Б &

¡а

а 39,55 39,5 39,45

О

-эксперимент

1 подача, мм/об 1*5 •моделирование^!^ — л— маделирои<|мО-б

2 2,5

мсиелираеание_2.4

Рис.

39,66

39,64

39,62

г 39,6

* 39,58

>• 39,56

| 39,54 о.

39,52 39,5 39,48 39,46

0 200

I — модели ро ва ние_ 1,2

модепирова ние_2,

¡5 Влияние подачг( на радиус детали

400 600 800 1000 1200

частота вращения, об/мин

—■—эксперимент —л— моделирование^, б

Рис. 16 Влияние частоты вращения шпинделя на радиус детали ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. При исследовании динамики металлорежущих с~анков с ЧПУ объект исследования должен рассматриваться как пространственная четырехмерная модель. При таком подходе возможен комплексный учет максимально возможного числа погрешностей обработки, возникающих от внутренних и Внешних факторов, действующих не только последовательно, но и параллельно, В разных направлениях И в разное время, имеющих механическую, электронную иди другую природу.

2. Установлено, что учёт крутильной податливости валов коробки скоростей, изгибной податливости зубьев и шлицев зубчатых колёс, податливости ремня ременной передачи при исследовании динамики главного привода позволяет снизить отклонение результатов моделирования диаметра обработанной детали в Среднем на 5%.

3. Показано, что при исследовании динамической модели шпиндельного узла для модели, учитывающей изгибно-крутильно-сдвиговую податливость шпинделя, амплитуда колебаний переднего конца шпинделя будет меньше в среднем на 20%, по сравнению с моделью, учитывающей только изгиб.

4. Разработанная методика учёта и компенсации погрешностей в технологическом препроцессоре САМ позволяет подобрать режимы резания исходя из конкретного типа оборудования, материала детали, материала и геометрии инструмента при которых будет наименьшая погрешность обработки. Так, например, для токарного станка с ЧПУ 16К20ФЗ при наружном продольном точении деталей из стали 45 резцом со СНП из Т15К6, главным углом в плане (р = 45° и радиусом закругления вершины пластины г = 1,2 мм наиболее точной будет обработка при частоте вращения п- 1000 об/мин, подаче л-= 0,1 мм/об и глубине резания f = 0,8 мм. При г - 1,6 мм наиболее точной будет обработка при частоте вращения п = 1000 об/мин, подаче s = 0,5 мм/об и глубине резания / = 0,6 мм, для г = 2,4 мм наиболее точной будет обработка при частоте вращения « = 600 об/мин, подаче 5 = 0,1 мм/об и глубине резания /= 0,6 мм. Расхождение результатов расчета и эксперимента не превышает 9,4%.

5. Предложена и экспериментально проверена методика моделирования динамики приводов главного движения и подач и шпиндельных узлов металлорежущих станков с ЧПУ при обработке деталей сложной формы. Динамическое моделирование согласованного движения формообразующих узлов станка с учетом «больших перемещений» проводилось в программном комплексе EHLER. Средняя величина отклонения результатов моделирования диаметра обработанной поверхности от экспериментальных данных не превышает 13%.

Основные положения диссертации рассмотрены в следующих работах:

1. Исаев В. Е. Исследование динамики привода при фрезеровании концевыми фрезами. Международный научный симпозиум, посвященный 140-летию МГГУ МАМИ. Материалы 49-й международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». МГТУ МАМИ, 2005г. стр. 42 — 45,

2. Исаев В. Е. Исследование изгибно-крутильной системы шпиндельного узла и привода токарного станка. Тезисы докладов международного научного симпозиума, посвященного 135-летию МГТУ МАМИ. XXXI научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров». МГТУ МАМИ, 2000г. стр. 31 - 32.

3. Исаев В. Е. К вопросу о динамическом моделировании технологических систем. Тезисы докладов XXVII научно-технической конференции ААИ «автотракторостроение, промышленность и высшая школа». К 60-летию воссоздания МАМИ. МГТУ МАМИ, 1999. стр. 42-43.

4. Исаев В. Е. Моделирование геометрии обработанной детали при точении. Сборник трудов первой международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника». Тула, 2002г. стр. 31 - 34.

5. Исаев В. Е. Моделирование поверхности детали при обработке концевой фрезой. Международный научный симпозиум, посвященный 140-летию МГГУ МАМИ. Материалы 49-й международной научно-технической конференции ААИ

«Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». МГТУ МАМИ, 2005г. стр. 38 — 42.

6. Исаев В. Е. Моделирование процессов динамики главного привода токарного станка. Сборник трудов второй международной электронной научно-технической конференции «автоматизация и информатизация в машиностроении». Тула, 2001г. стр. 285-286.

7. Исаев В. Е., Михайлов В. А. Моделирование замкнутых динамических систем металлорежущих станков в ПК "Euler". Тезисы докладов международной XXXIX научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров». МГТУ МАМИ, 2002г. стр. 28 - 29.

8. Исаев В. Е., Михайлов В. А. Моделирование технологических систем в среде программного комплекса "EULER". // «САПР и графика», №1 1999г. стр. 42-45.

9. Исаев В. Е., Михайлов В. А., Кочанов К. А. К вопросу о моделировании технологических систем. Тезисы докладов международной XXXIX научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров». МГТУ МАМИ, 2002г. стр. 30 - 32.

10. Исаев В. Е., Михайлов В. А., Кочанов К. А. Применение технологий CAE для исследования динамики системы «ПРИВОД - ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ -ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ» алмазно-расточного станка. Сборник трудов первой международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника». Тула, 2002г. стр. 75 - 77.

11. Михайлов В. А., Кузнецов А. М., Исаев В. Е. Разработка иерархического параллельно-последовательного композиционного метода создания и управления технологическими системами на основе применения нечётких решений. Отчет по проекту 205.03.01.023. Госрег. 01.200.110758. МГТУ «МАМИ», 2002 г.

12. Михайлов В. А., Кузнецов А. М., Исаев В. Е. Разработка технологического процессора управления точностью обработки деталей транспортных устройств на основе применения электромеханических моделей. Отчет по проекту 205.03.01.052. Госрег. 01.200.110758. МГТУ «МАМИ», 2004 г.

13. V. Е. Isaev DYNAMICAL MODELING OF TECHNOLOGICAL SYSTEMS IN "EULER". 3-я Международная научно-техническая конференция "Интерактивные системы: Проблемы человеко-компьютерного взаимодействия" Россия, г. Ульяновск, Ульяновский Государственный Технический Университет, Сентябрь 22-24, 1999г.

Исаев Василии Евгеньевич

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «СНИЖЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ НА ТОКАРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ САП».

Подписано в печать Заказ Тираж

Бумага типографская___Формат 60x90/16_

МГТУ «МАМИ», Москва 105839 Б. Семеновская ул.,38

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ НА СТАНКАХ С ЧПУ

1.1 Общие положения.

1.2 Обзор и анализ систем обеспечения точности положения и траектории движения рабочих органов станка.

1.3 Технологические возможности автоматизированных систем подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ.

1.4 Обзор особенностей формирования погрешностей.

1.5 Обзор и анализ методов моделирования.

1.6 Обзор моделирующих подсистем.

1.7 Обзор известных способов моделирования приводов станков.

1.7.1 Моделирование систем главного привода станков.

1.7.2 Моделирование систем приводов подач.

1.7.3 Обзор известных способов моделирования шпиндельных узлов

1.8 Выводы.

1.9 Цели и задачи исследования.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОЧТИ И КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА СТАНКАХ С ЧПУ.

2.1 Основные технологические принципы управления точностью обработки на станке с ЧПУ.

2.2 Определение погрешностей обработки и алгоритм работы технологического препроцессора.

2.2.1 Основные технологические принципы определения точности обработки на станках с ЧПУ, как подсистемы методов обработки.

2.2.2 Математическая модель формирования погрешностей обработки на станках с ЧПУ.

2.3 Системный подход к моделированию.

2.4 Математическая модель привода главного движения.

2.4.1 Основные положения, используемые при формировании моделей элементов технологической системы.

2.4.2 Дифференциальные уравнения движения твёрдого тела.

2.4.3 Основные зависимости для колеблющегося стержня.

2.4.4 Уравнения изгибно-крутильных колебаний шпиндельного узла.

2.4.5 Формирование модели шпинделя.

2.4.6 Математическая модель опор шпинделя и валов.

2.4.7 Модели валов коробки скоростей.

2.4.8 Модель блока зубчатых колёс.

2.4.9 Модель ремённой передачи.

2.4.10 Модель электродвигателя главного движения.

2.4.11 Композиция модели привода главного движения.

2.4.12 Сравнительный анализ моделей приводов главного движения.

2.5 Математическая модель приводов подач.

2.5.1 Модель ходового винта.

2.5.2 Модель электродвигателя подачи.

2.5.3 Композиция модели привода подачи.

2.5.4 Моделирование траектории движения приводов для обработки сложных поверхностей.

2.6 Математическая модель рабочих процессов.

2.7 Математическая модель объектов несущей системы.

2.8 Композиция системной модели.

2.9 Выводы.

3 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

3.1 Методика составления моделей в ПК EULER.

3.2 Исходные данные для формирования модели.

3.3 Создание геометрической модели.

3.3.1 Создание геометрической модели шпинделя.

3.3.2 Геометрическая модель опор шпинделя.

3.3.3 Геометрическая модель блока зубчатых колёс.

3.3.4 Геометрическая модель валов тип 1.

3.3.5 Геометрическая модель валов тип 2.

3.3.6 Модель ремённой передачи.

3.3.7 Модель электродвигателя привода главного движения.

3.3.8 Композиция привода главного движения.

3.4 Геометрические модели приводов подач.

3.4.1 Геометрическая модель ходовых винтов.

3.4.2 Модели электродвигателей приводов подач.

3.4.3 Геометрическая модель гайки.

3.4.4 Композиция модели привода подачи.

3.5 Геометрическое описание объектов несущей системы.

3.5.1 Геометрическая модель корпуса коробки скоростей.

3.5.2 Геометрическая модель станины.

3.5.3 Геометрическая модель каретки суппорта.

3.6 Композиция системной модели.

3.6.1 Создание геометрического описания процесса резания.

3.6.2 Геометрическое описание процесса трения в направляющих.

3.7 Моделирование процесса обработки детали.

3.8 Выводы.

4 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Методика экспериментального определения траектории движения опорных точек шпинделя токарного станка. Условия проведения эксперимента.

4.2 Планирование эксперимента.

4.3 Обработка результатов машинного эксперимента.

4.4 Разработка алгоритма построения геометрического образца детали.

4.5 Создание геометрического образа обработанной детали с учётом погрешностей обработки.

4.6 Выводы.

5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1 Статистическая обработка результатов эксперимента.

5.2 Статистическая обработка результатов моделирования.

5.3 Установление корреляционной связи между режимами обработки и параметрами качества обработанной детали.

5.4 Проверка адекватности данных теоретических исследований реальным процессам.

5.5 Рекомендации по применению полученных результатов.

5.6 Выводы.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

Развитие техники непрерывно повышает требования к точности машин, приборов и других изделий. При этом к металлорежущим станкам предъявляются повышенные требования к качеству, надёжности, точности и производительности, т. к. - это машины, предназначенные для изготовления деталей других машин. Необходимый уровень качества станка определяется, в первую очередь, требованиями к точности обрабатываемых деталей, а именно к точности: размеров, формы, взаимного расположения обрабатываемых поверхностей, а также шероховатости и волнистости. Точность обработки и производительность во многих случаях являются взаимосвязанными друг с другом показателями технологической системы. Чем выше запас по точности, тем более высокие режимы обработки можно применять на станке.

В настоящее время основным направлением сокращения времени на подготовку производства и изготовления изделий, является разработка совершенных автоматизированных методов моделирования и управления точностью обработки на станках с ЧПУ и с микропроцессорным управлением уже на стадии создания управляющих программ. Современные системы САМ до сих пор в своей структуре не имеют необходимых для решения этих задач технологических препроцессоров. Создание таких подсистем возможно только при разработке принципиально новых методов определения погрешностей обработки на основе применения математических моделей достаточно просто адаптируемых в производственных условиях для решения конкретных задач. Следовательно, обеспечение заданной точности обработки при высокой производительности в условиях рыночной экономики является актуальным, имеет практическое и научное значение.

Данная работа базируется на положениях теории динамики станков, разработанной д.т.н Кудиновым В. А. [44], теории методов обработки д.т.н.

Кузнецова А. М. [46] и иерархическом параллельно-последовательном методе решения задач, предложенным к.т.н. Михайловым В. А. [53].

Целью данной работы является обеспечение точности и качества обрабатываемых поверхностей деталей на станках с ЧПУ путём управления траекторией движения рабочих органов станка на основе совершенствования методов определения и компенсации погрешностей обработки, моделирования "технологической системы - процесс резания" и внесения соответствующих корректив в управляющую программу.

Научной новизной работы является:

1. Разработка научно обоснованных зависимостей, позволяющих управлять точностью обработки.

2. Разработка научно обоснованных зависимостей влияния характеристик привода на точность обработки.

3. Метод определения и компенсации погрешностей обработки на основе системного моделирования "технологической системы - процесс резания".

4. Модель формирования погрешностей обработки на станках с ЧПУ.

5. Динамическая модель привода главного движения, включающая ремённую передачу с учётом податливости ремня; шпиндельный узел в виде объёмной упругой балки, учитывающей изгибно-крутильную и растяги-вающе-сдвиговую жесткости, и установленной на упругие опоры, воспринимающей радиальные, осевые и угловые нагрузки; упругие валы; зубчатые колёса; электродвигатель с нелинейной характеристикой.

6. Динамическая модель движения каретки суппорта, с учётом упругости привода подач, нелинейной характеристики двигателя подач, демпфирующей способности стыка направляющие станины - каретка суппорта, непостоянства силы трения в направляющих, влияния положения поперечного суппорта с револьверной головкой.

7. Модель процесса резания с учётом обратных связей, учитывающих непостоянство силы резания из-за изменения толщины и глубины срезаемого слоя.

8. Модель формирования геометрического образа обработанных поверхностей детали, на основе построения траектории движения рабочих органов станка с учетом погрешностей вносимых технологической системой.

К практической ценности работы относится:

1. Технологический препроцессор, обеспечивающий компенсацию погрешностей обработки на основе моделирования "технологической системы - процесс резания".

2. Методика создания динамических системных моделей кинематики металлорежущих станков.

3. Исследовано влияние режимов обработки на характеристики колебательных процессов возникающих в кинематической цепи главного привода и приводах подач станка.

4. Разработан визуализатор геометрического образа поверхности обработанной детали.

5. Создана библиотека моделей типовых элементов для моделирования различных станков с ЧПУ.

В первой главе выполнен анализ: систем обеспечения и управления точностью обработки на станках с ЧПУ; методов моделирования технологических систем; систем САМ', сформулированы задачи исследования.

Во второй главе разработана структура построения технологического препроцессора, позволяющего обеспечить требуемую точность обработки за счет управления траекторией движения рабочих органов; изложены теоретические основы метода математического моделирования применительно к решаемой задаче; разработаны математические модели упругой системы кинематики станка.

В третьей главе приведена методика создания геометрического описания математической модели.

В четвёртой главе выполнено планирование порядка проведения эксперимента и разработана программа для расчета координат точек, формирующих геометрический образ обработанной детали. Дано описание экспериментальной установки.

В пятой главе проведена обработка результатов натурного эксперимента и математического моделирования. Выполнено сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившее высокую эффективность разработанных методов.

8. Результаты работы реализованы в промышленности.

1. При исследовании динамики металлорежущих станков с ЧПУ объект исследования должен рассматриваться как пространственная четырехмерная модель. При таком подходе возможен комплексный учет максимально возможного числа погрешностей обработки, возникающих от внутренних и внешних факторов, действующих не только последовательно, но и параллельно, в разных направлениях и в разное время, имеющих механическую, электронную или другую природу.

2. Установлено, что учёт крутильной податливости валов коробки скоростей, изгибной податливости зубьев и шлицев зубчатых колёс, податливости ремня ременной передачи при исследовании динамики главного привода позволяет снизить отклонение результатов моделирования диаметра обработанной детали в среднем на 5%.

3. Показано, что при исследовании динамической модели шпиндельного узла для модели, учитывающей изгибно-крутильно-сдвиговую податливость шпинделя, амплитуда колебаний переднего конца шпинделя будет меньше в среднем на 20%, по сравнению с моделью, учитывающей только изгиб.

4. Разработанная методика учёта и компенсации погрешностей в технологическом препроцессоре САМ позволяет подобрать режимы резания исходя из конкретного типа оборудования, материала детали, материала и геометрии инструмента при которых будет наименьшая погрешность обработки. Так, например, для токарного станка с ЧПУ 16К20ФЗ при наружном продольном точении деталей из стали 45 резцом со СНП из Т15К6, главным углом в плане ср = 45° и радиусом закругления вершины пластины г = 1,2 мм наиболее точной будет обработка при частоте вращения п = 1000 об/мин, подаче s = 0,1 мм/об и глубине резания t = 0,8 мм. При г= 1,6 мм наиболее точной будет обработка при частоте вращения п = 1000 об/мин, подаче s = 0,5 мм/об и глубине резания t = 0,6 мм, для г = 2,4 мм наиболее точной будет обработка при частоте вращения п = 600 об/мин, подаче s = ОД мм/об и глубине резания t = 0,6 мм. Расхождение результатов расчета и эксперимента не превышает 9,4%. 5. Предложена и экспериментально проверена методика моделирования динамики приводов главного движения и подач и шпиндельных узлов металлорежущих станков с ЧПУ при обработке деталей сложной формы. Динамическое моделирование согласованного движения формообразующих узлов станка с учетом «больших перемещений» проводилось в программном комплексе EULER. Средняя величина отклонения результатов моделирования диаметра обработанной поверхности от экспериментальных данных не превышает 13%.

1. Алиев Р., Давыдов К. Использование систем симуляции для повышения точности и производительности механической обработки. // САПР и Графика №10, 2001 г. Стр. 41-44.

2. Арменский Е. В., Прокофьев П. А., Фалк Г. Б. Автоматизированный электропривод. М. Высш. шк., 1987 г. 143 с,: ил.

3. Аршанский М. М., Щербаков В. П. Вибродиагностика и управление точностью обработки на металлорежущих станках. М.Машиностроение, 1988. -136 е.: ил.

4. Аугустайтис В.- К. В., Мозура Г. П. К., Сливинскас Ю. Ф. Автоматизированный расчёт колебаний машин. М. Машиностроение. 1988 г.

5. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. Л. Энергоиздат, 1982. - 392 е., ил.

6. Бидерман В. Л. Прикладная теория механических колебаний. 1972 г.

7. Бойков В. Г. Программный комплекс автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем EULER. // «САПР и Графика» №9,2000 г. Стр. 28-31.

8. Бойков В. Г. Динамическое исследование многокомпонентных механических систем в ПК EULER. // «САПР и Графика» №10,1997 г. Стр. 83-86.

9. Бушуев В.В. Компенсация упругих деформаций в станках // Станки и инструмент, 1991 г. №3, стр. 42-46.

10. Василенко Н. В. Теория колебаний при резании металлов. 1975 г.

11. Васильев Г. Н. Автоматизация проектирования металлорежущих станков. М. Машиностроение. 1987.-280 е., ил.

12. Вейц В. Л., Дондошанский В. К., Чиряев В. И. Вынужденные колебания в металлорежущих станках. М. Л., Машгиз, 1959. 288 с.

13. Вермель В., Зарубин А. Обеспечение прямого управления станками с ЧПУ в системе Гемма-ЗО. // «САПР и Графика» №6,2000г. Стр. 45-48.

14. Вермель В., Николаев П. Гемма-ЗБ в составе интегрированных систем «проектирование-производство». // «САПР и Графика» №10, 1997 г. Стр. 6365.

15. Вермель В., Николаев П. Геометрические модели для программирования обработки на станках с ЧПУ. // «САПР и Графика» №1, 2001г. Стр. 38-40.

16. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти т. Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. Айрапетов Э. JI., БиргерИА. М.Машиностроение, 1999 г. 504 с.

17. Ганиев Р. Ф. Кононенко В. О. Колебания твёрдых тел. М. Наука. 1976 г.

18. Горелова Г. В., Кацко И. А. Теория вероятностей и математическая статистика в примерах и задачах с применением Excel. Учебное пособие для вузов. Изд. 2 исправленное и дополненное. Ростов н/Д: Феникс, 2002. - 400 е., ил.

19. Гусев В. А. Повышение точности обработки на станках с ЧПУ путём прогнозирования погрешностей. Дисс. канд. тех. наук М, 1988 г.

20. Добрынин С. А., Фельдман М. С. Методы автоматизированного исследования вибраций машин. 1987 г.

21. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин: Учебное пособие для втузов. 7-е изд., испр. - М.: Высш. Школа 2001 г. -447 с.

22. Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. 1986 г.

23. Зуев Н. Программный комплекс DADS: моделирование механических систем. // «САПР и Графика» №11, 1997г. стр.52-53.

24. Иванников С. Н. «Обеспечение качества и надёжности технологического оборудования для автотракторостроения» в сб. МГТУ «МАМИ», посвящён-ному 60-летию воссоздания МАМИ. Москва 1999. стр. 60-61.

25. Иванников С. Н. Обеспечение качества и надёжности токарной обработки путём прогнозирования и управления выходными параметрами точности шпиндельных узлов. Дисс. канд. техн. наук. Москва 1989 г.

26. Ивахненко А. Г. Обеспечение качества шпиндельных узлов на опорах качения посредством вибродиагностики предэксплуатационного состояния. Дисс. канд. техн. наук. Хабаровск 1990 г.

27. Ивович В. А. Переходные матрицы в динамике упругих систем. Справочник. М. Машиностроение. 1981 г.

28. Исаев В. Е. К вопросу о динамическом моделировании технологических систем. Тезисы докладов XXVII научно-технической конференции ААИ «автотракторостроение, промышленность и высшая школа». К 60-летию воссоздания МАМИ. МГТУ МАМИ, 1999. стр. 42-43.

29. Исаев В. Е. Моделирование геометрии обработанной детали при точении. Сборник трудов первой международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника». Тула, 2002г. стр. 31 34.

30. Исаев В. Е. Моделирование процессов динамики главного привода токарного станка. Сборник трудов второй международной электронной научно-технической конференции «автоматизация и информатизация в машиностроении». Тула, 2001г. стр. 285 286.

31. Исаев В. Е., Михайлов В. А. Моделирование технологических систем в среде программного комплекса "EULER". // «САПР и графика», №1 1999г. стр. 42-45.

32. Каминская В. В. Расчёты на виброустойчивость в станкостроении. 1985 г.

33. Кедров С. С. Колебания металлорежущих станков. М. Машиностроение. 1978 г. 199 е., ил.

34. Коваль М. И., Ким Е. Н., Коробанов Ю. А., Лейкум С. В. Автоматическая компенсация погрешности измерительных систем станков с ЧПУ // Станки и инструмент, 1985. № 1. Стр. 20-22.

35. Кононов В., Караулов И. EdgeCAM (Pathtrase Ltd) уникальный инструмент для разработки технологии и создания программ для станков с ЧПУ. // САПР и Графика» №6,2000г. Стр. 25-28.

36. Косовский В. Л., Козырев Ю. Г., Ковшов А. Н., Ратмиров В. А., Смол-ко Г. Г., Черпаков Б. И. Программное управление станками и промышленными роботами: Учеб для ПТУ. М. Высш. шк., 1989 г.

37. Кравчик А. Е., Шлаф М. М. Асинхронные двигатели серии 4А. М. Энерго-издат, 1982 г.

38. Кудинов В. А. Динамика станков. М. Машиностроение, 1967 г.

39. Кузнецов В. П. Прогнозирование надежности токарных станков с ЧПУ по параметру точности координатного перемещения рабочих органов: Авто-реф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. М. 1983 г.

40. Кузнецов А. М., Михайлов В. А., Гусев В. А., Прогнозирование погрешностей в технологическом блоке САП, МАМИ, 1991 г.

41. Лебедев А. М. и др. Следящие электроприводы станков с ЧПУ. М. Энер-гоатомиздат, 1988 г.

42. Левин А. И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков. М., Машиностроение, 1978 г.

43. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб.: Питер, 2004. - 560 с.

44. Маркова Е. В., Лисенков А. И. Планирование эксперимента в условиях не-однородностей. М., «Наука», 1973 г.

45. Михайлов В. А. Моделирование неоднородных технологических систем при композиционном проектировании. В сб. тезисов международного научного симпозиума, посвящённого 135-летию МГТУ МАМИ. Москва, МАМИ. 2000 г. стр. 39-40.

46. Михайлов В. А. Особенности проектирования инструментального обеспечения с использованием микро-ЭВМ// Высокоэффективные процессы обработки резанием конструкционных материалов. М.; МДНТП, 1986 г.

47. Михайлов В. А. Системный подход к модульному автоматизированному проектированию гибких производственных комплексов. М. Московский Автомеханический Институт. 1985 г.

48. Михайлов В. И., Федосов К. М. Планирование экспериментов в судостроении. Л., «Судостроение», 1978 г. 160 с.

49. Михайлов О. П. Динамика электромеханического электропривода металлорежущих станков. М. Машиностроение, 1989

50. Москаленко В. В. Электрический привод: Учебное пособие. М. Мастерство; Высшая школа, 2001. - 368 с.

51. Невельсон М. С. Автоматическое управление точностью обработки на металлорежущих станках. 1982 г.

52. Никифоров С. Н. Сопротивление материалов. М. Высшая школа. 1966 г.

53. Окопный Ю. А., Радин В. П., Чирков В. П. Механика материалов и конструкций: Учебник для вузов. М.Машиностроение, 2001, - 408 е.: ил.

54. Орликов М. Л. Динамика станков. 1989 г.

55. Пановко Я. Г. Введение в теорию механических колебаний. М. Наука. 1991.

56. Петкевич В. В. Теоретическая механика. М. Наука, 1990 г.

57. Пиотровский Л. М. Электрические машины. Л. Энергия. 1972. 504 е., ил.

58. Пичев С., Судов Е. CAD/CAM: интегрированная среда или интегрированная система? // САПР и Графика №7, 1997г. стр.36-37.

59. Погребинский А., Павлов А. Сравнительный анализ CAD/CAM-систем. // САПР и Графика №8,2000г. Стр. 75-77.

60. Программный комплекс "EULER". Примеры моделирования. 2000 г.

61. Проников А. С. Программный метод испытания металлорежущих станков. М. Машиностроение. 1985 г. 288 е., ил.

62. Проников А. С. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник. В 3-х т. Т. 1: Проектирование станков. М. Машиностроение. 1994. 444 е.: ил.

63. Проников А. С. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. В 3-х т. Т. 2, ч. 1. Расчет и конструирование узлов и элементов станков. М. Машиностроение. 1995. 371 е.: ил.

64. Проников А. С. Проектирование металлорежущих станков. В 3-х т. Т. 2, ч. 2. Расчет и конструирование узлов и элементов станков. М. Машиностроение. 1995. 320 е.: ил.

65. Пуртов Алексей. SprutCAM. Один год полет нормальный. // САПР и Графика» №6, 2000г. Стр. 29-32.

66. Пуш А. В. Шпиндельные узлы: Качество и надёжность. М. Машиностроение. 1992.-288 е.: ил.

67. Пхакадзе С. Д. Обеспечение точности и параметрической надёжности токарной обработки прецизионных деталей путём прогнозирования геометрического образа обработанных поверхностей. Дисс. канд. техн. наук. Москва 1993 г.

68. Решетов Д. И., Каминская В. В., Фельдман М. С. Детали и механизмы металлорежущих станков. 1987 г.

69. Решетов Д. Н., Портман В. Н. Точность металлорежущих станков. М. Машиностроение. 1986. 336 е., ил.

70. Ривин Е. И. Динамика привода станков. М. Машиностроение 1966.

71. Санкин Ю. Н. Динамика несущих систем металлорежущих станков. 1986. -96 с.

72. Санкин Ю. Н. Динамические характеристики вязко-упругих систем с распределёнными параметрами. 1977 г.

73. САПР: «Учебное пособие для ВУЗов». В 9-ти книгах. Кн. 4

74. Соломенцев Ю.М. Проектирование технологии, 1990 г., стр. 368 387.

75. Справочник технолога-машиностроителя. В двух томах. Том 1. Под редакцией А. Г. Косиловой. М. Машиностроение. 1985. 656 с.

76. Справочник технолога-машиностроителя. В двух томах. Том 2. Под редакцией А. Г. Косиловой. М. Машиностроение. 1985.-496 с.

77. Таратынов О. В. и др. Динамические характеристики станков инструментального производства (шпиндельные узлы): Учебное пособие. М. 1988 69 с.

78. Тишин И. Ф. «Математическое моделирование станков и ГПМ». 1991г.

79. Точность и надёжность станков с ЧПУ. под ред. Проникова А. С. М. Машиностроение, 1985 г.

80. Чернецкий В. И. «Математическое моделирование динамических систем». 1986г.

81. Чернянский П. М. Основы расчёта динамических систем станков. 1983 г.

82. Чикуров Н. Г. «Имитационное моделирование узлов металлорежущих станков на ЭВМ».1988г.

83. Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода. М.:Энергоиздат, 1981.

84. Шенк X. Теория инженерного эксперимента, М. «Мир», 1972 г.

85. Электропривод асинхронный глубокорегулируемый комплектный «Размер 2М-5-21/11». Техническое описание.

86. Wahl А. М., Kilgone L. А. Переходные пусковые моменты в асинхронных двигателях. Electronical Engineering, 1940, v. 95, p. 11.

87. Armstrong, C.G. "Modeling Requirements for Finite-element Analysis", Computer-Aided Design, Vol. 26, No. 7, pp. 573-578, 1994.

88. Bathe, K.-J. Finite Element Procedures in Engennering Analysis, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1982,

89. Crandall, S. H., Karnopp, D. C., Kurtz Jr., E. F., and Pridmore-Brown, D. C., Dynamics of Mechanical and Electromechanical System, McGraw-Hill, New York, 1968.

90. Glowinski R., P. Le Tallec. Augmented Lagrangian methods and operator-splitting methods in non-linear mechanics. SIAM, Philadelphia, 1989,

91. Szabo, B. and Babushka, I., Finite-Element Analysis, John Wiley & Sons, New York, 1991