автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление термодеформационным состоянием станка на основе автоматизации прогнозирования температурных перемещений исполнительных органов

На правах рукописи

0050128^

МАРУСИЧ КОНСТАНТИН ВИКТОРОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫМ СОСТОЯНИЕМ

СТАНКА НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНО В

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

2 9 мдр ¿012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005012873

На правах рукописи

МАРУСИЧ КОНСТАНТИН ВИКТОРОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫМ СОСТОЯНИЕМ

СТАНКА НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗ АЦИИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учревдешш высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» (ОГУ)

Научный руководитель ■

Официальные оппоненты:

Ведущая ор ганизация -

доктор технических наук, профессор Поляков Александр Николаевич

Лысов Владимир Ефимович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», профессор кафедры электропривода и промышленной автоматики

Сергеев Александр Иванович, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», доцент кафедры систем автоматизации производства

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Защита состоится 13 апреля 2012 г. в 12:30 на заседании диссертационного совет Д 212.181.02 созданном на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный уни верситет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан 12 марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета [ЗД^г В.И. Рассоха

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экспериментальные данные фирм - производителей станков показывают, что температурные перемещения исполнительных органов в современных прецизионных металлорежущих станках могут превышать 100 м:ш, определяя до 70% значения общей погрешности механообработки.

Для достижения стабильной размерной точности механообработки в пределах 10 мкм необходимо оснащение станков системами компенсации температурной погрешности, которые строятся на двух альтернативных методах: прямого измерения температурной погрешности на станке и прогнозирования температурной погрешности.

Первый метод обладает высокой точностью, но требует оснащения станка дополнительным измерительным оборудованием, что приводит к существенному увеличению стоимости станка (не менее, чем на 30%).

Точность второго метода полностью определяется качеством реализуемых моделей прогнозирования тепловых характеристик. На сегодняшний день в открытой печати отсутствует описание моделей и методов прогнозирования тепловых характеристик станков, адаптированных к применению в системах компенсации юс температурной погрешности.

Поэтому актуальной научной задачей является разработка метода прогнозирования тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов.

Решение поставленной научной задачи позволит разработать алгоритм компенсации температурной погрешности станка, реализация которого на станках с ЧПУ обеспечит существенное повышение точности обработки.

Работа выполнялась в рамках г/б НИР №01200316424 «Разработка автоматизированной системы теплового моделирования металлорежущих станков» и г/б НИР №01200902660 «Исследование физико-технических свойств металлообрабатывающего оборудования» кафедры технологии машиностроения, металлообрабатывающих станков и комплексов ОГУ. Этапы работы финансировались в рамках грантов №01200607409 «Разработка методологии создания высокоэффективных производственных систем нового поколения с заданными свойствами» и № 1.6.11 «Разработка методологии создания термостабильных мехатронных станков», выполняемых в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы».

Объект исследования - температурная погрешность металлорежущих станков средних размеров, работающих в условиях переменных тепловых режимов.

Предмет исследования - средства управления исполнительными органами станка, работающего в условиях переменных тепловых режимов, приводящие к снижению температурной погрешности.

Цель исследования - повышение точности обработки на металлорежущих станках на основе управления исполнительными органами по результатам прогнозирования тепловых перемещений.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

- провести натурные эксперименты и выявить закономерности изменения тепловых характеристик станка в зависимости от режимов его работы;

- разработать методику компьютерного моделирования тепловых характеристик станка, работающего в условиях переменных тепловых режимов;

- разработать метод прогнозирования тепловых характеристик станка;

- провести экспериментальную апробацию разработанного метода прогнозирования тепловых характеристик станка; ПГ1

- разработать средства управления исполнительными органами станка по снижению его температурной погрешности, включающие алгоритмическое и математическое обеспечение.

Научная новизна работы включает:

- экспериментально установленные закономерности изменения тепловых характеристик металлорежущих станков, отличающиеся от известных тем, что получены для переменных тепловых режимов работы;

- прогнозные модели тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов, отличающиеся от известных тем, что получены из экспериментальных характеристик непрерывного режима работы;

- метод прогнозирования тепловых характеристик станков, описывающии содержание, последовательность и инструментарий получения и использования математических моделей для компенсации температурных погрешностей;

- алгоритм компенсации температурных погрешностей станков с ЧПУ на основе использования математических моделей, отражающих изменение тепловых характеристик в различных режимах эксплуатации.

Практическую значимость определяют:

- результаты натурных и вычислительных экспериментов прецизионного станка, представленные в виде базы данных компьютерных моделей;

- разработанное программное средство для компьютерного моделирования тепловых характеристик металлорежущих станков в среде САЕ - системы Ansys,

- методика компьютерного моделирования тепловых характеристик станков, включающая ряд последовательных процедур создания и использования компьютерных моделей в CAD- и САЕ-системах;

- методическое обеспечение разработанного метода прогнозирования тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режи-

мов.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории автоматического управления, испытании станков, планирования эксперимента, модального анализа, теории упругости, термодинамики, теории моделирования, идентификации и оптимизации сложных технических систем. Использованы методы: конечных элементов и конечных разностей, теории вероятностей и математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии и линейной алгебры, аппроксимации функций и оптимизации.

Реализация работы. Результаты работы, представленные в виде методического, программного, информационного обеспечения и практических рекомендаций, приняты к использованию на Оренбургских предприятиях - ОАО «Завод бурового оборудования» и ФГУП ПО «Стрела», а также используются в учебном процессе кафедр «Технология машиностроения, металлообрабатывающие станки и комплексы» и «Системы автоматизации производства» ОГУ.

На защиту выносятся:

- результаты натурных и вычислительных экспериментов по выявлению тепловых характеристик прецизионного станка Deckel FP3;

- методика и программное средство компьютерного моделирования тепловых характеристик станков в CAD- и САЕ-системах;

- математические модели прогнозируемых тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов работы;

- программное средство для компьютерного моделирования тепловых характеристик металлорежущих станков в среде CAE - системы Ansys;

- метод прогнозирования тепловых характеристик станков.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на международных конференциях: «Инновации в машиностроении» (Бийск, 2010), «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)» (Самара, 2010), «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010), «Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях» (Воронеж, 2011), «Современные вопросы науки - XXI век» (Тамбов, 2011) «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2011); на российских конференциях: «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2007, 2009 и 2010); «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2009, 2011), «Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов» (Кострома, 2010), «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2011), «Инновационные технологии в машиностроении» (Москва, 2011), «Машиностроение - традиции и инновации» (Юрга, 2011), «Молодежь и современные информационные технологии» (Воронеж, 2011).

■ Результаты работы докладывались на: межкафедральных семинарах научной группы по информационной поддержке изделий машиностроения (ОГУ, 2010-2011), региональной научной школе-семинаре молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства (ОГУ, 2010), окружном этапе Приволжского Федерального округа (УлГГУ, Ульяновск, 2011) и финале проекта «Национальной научно-технической конференции» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2011), научном семинаре кафедры систем автоматизации производства (ОГУ, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, из них 3 статьи в ведущих научных рецензируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников 174 наименований и приложений на 51 странице. Основная часть работы изложена на 190 страницах, включая 121 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности выбранной темы, сформулированы научная задача, объект и предмет исследования, цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлен обзор публикаций в области формирования if

компенсации температурной погрешности станков, а такжеР^^ экспериментальных исследований теплового состояния станков и применения

CAE-систем для их моделирования.

Большой вклад в раскрытие тепловых явлений в металлорежущих станках внесли исследования В.И. Алферова, А.И. Бельзгцкого, В.В. Бушуева, А.Н. Поляков" Проникова, A.B. Пуша, Ж.С. Равва, Д.Н. Решетова, Л.Г. Рейдмана, Е.И. Сам™ва А П Сепщы, ЮЛ. Соколова, АЛ. Соколовского, Ю М. Соломенцева, ВС^одубова, В Л. Юрина, В.В. Юркевича, Attia М„ Harns Т.А., Jetojewski J., Kons L Yang H. и др. Успешные разработки в области обеспечения тегшоустоичи-

вГи ™в осуществляют фирмы - производи — °тоты м?Га' Nakamura-tome, Mori Seiki, Chiron, Index, Gildemeister, HAAS, Moore Tool,

Для дальнейшего однозначного изложения материала в работе использованы

ТеРМИКо« 6Гте^ГеГ СР™ узлов современных прецизионных станков не могут гарантировать их высокую теплоустойчивость. Поэтому станки оснащаются системами термостабилизации и компенсации температурньгспо-грешностей в процессе эксплуатации станков. Например, разработчики фирмы Olcutna (Япония) устанавливают на своих станки систему термостабилизации, которая отслеживает изменение температуры окружающей среды и в режиме реального времени вносит коррекцию для температурных перемещении. Э^ м^я позволяет удерживать температурные перемещения в пределах 10 мкм во врет длительной рабош станков при изменении температуры в помещении в пределах 8 С,

что обеспечивает высокую точность обработки. ___

Более дешевым методом является компенсация температурной погрешности в станках базирующаяся на так называемых прогнозных моделях температурных перемещений, причём точность компенсации в значительной степени определяется точностью прогнозирования температурных перемещений.

В заключении были сформулированы цель и задачи работы. Во второй главе описана методика проведения и представлены результаты натурных тепл овых испытаний, проведенных на фрезерно-сверлильном станке высокой точности Deckel FP3.

Эксперименты проводились с помощью испытательно - диагностического

комплекса (рисунок 1). Для измерения температур применялся цифровой многока-ГГый измеритель температуры МИТ-12ТП-П. Для измерения температурных перемещений использовались многооборотные индикаторные головки.

Исследования проводились в диапазоне начальных температур станка от 13 С до 28 °С Длительность каждого испытания составляла от 300 до 480 минут, суммарная продолжительность испытаний превысила 200 часов. Исследования станка проводились в трех режимах работы: непрерывный; нагревание-о™ие пере. мешый тепловой режим работы по различным циклограммам. Исследов^ись че-таре типа циклограмм: ступенчатый рост частоты вращения шпинделя; повторно-современный режим работы; ступенчатое снижение частоты врашения шпин деля; обобщенный тип, допускающий как рост частоты вращения, так и ее падение. По полученным экспериментальным данным строились функциональные зависимости: «температура - время» Г(г), <сгемпературные перемещения - время» ä№ «температурные перемещения - температуры» S(T).

Рисунок 1 - Схема испытательно-диагностического комплекса

В качестве примера на рисунке 2 представлены экспериментальные характеристики 3(Т) и ¿(Одля различных режимов работы станка (представлены перемещениями вдоль оси шпинделя).

Рисунок 2 - Экспериментальные тепловые характеристики станка Deckel FP3

(режимы работы: 1 - непрерывный; 2 - ступенчатый рост частоты вращения; ' 3,4- различные варианты обобщенного типа; 5 - повторно-кратковременный)

Анализ представленных на рисунке 2 характеристик 3(Т) показывает, что для различных режимов работы станка при одном и том же значении температуры появляются различные температурные перемещения. Диапазон изменения перемещений Аг составляет более 50% от минимального значения перемещения (в I представленном варианте 25 мкм) при фиксированной температуре. Это означает, что только по показаниям термодатчика, без знания циклограммы работы станка, невозможно реализовать адекватный прогноз температурных перемещений.

Циклограмма станка отражает последовательность технологических переходов, осуществляемых на нем. Получить тепловые характеристики для всех таких циклограмм заранее из натурных испытаний невозможно. В связи с этим для расширения базы данных тепловых характеристик станка было использовано компьютерное моделирование процессов.

В третьей главе представлена разработанная методика компьютерного моделирования тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов, разработанные компьютерные модели и результаты их верификации

В качестве системы компьютерного моделирования использовалась САЬ -система Ansys. Для определения температурных перемещений реализована несвязанная задача термоупругости с последовательным использованием двух расчетных моделей: тепловой и упруго-деформационной. Для сокращения времени моделирования и повышения удобства выполнения анализа получаемых результатов разработана методика компьютерного моделирования тепловых характеристик станка с основными этапами (рисунок 3): а) разработка геометрической модели несущей системы станка (НСС) в CAD-системе,

б) формирование расчетной модели НСС для теплового расчета;

в) автоматизированное формирование ступенчатой тепловой нагрузки по циклограмме; г) определение температурного поля НСС на основе решения задачи теплопроводности; д) формирование расчетной модели НСС для определения температурных перемещений; е) циклическое решение упругодеформационной модели НСС с определением температурных перемещений и построением соответствующих характеристик.

Разработка геометрической модели НСС 9 САО-систене

Импорт модели в ANSÏS и построение сеточной модели

33

Автоматизированное формирование ступенчатой тепловой нагрузки па циклограмме : .

Решение тепловой модели б нестационарной постановке

Формирование сеточной модели НСС для расчета перемещений

IИ

Циклическое решение упругодеформационной модели НСС и формирование характеристик

Рисунок 3 - Схема реализации методики компьютерного моделирования тепловых характеристик станка

Отличительной особенностью методики является использование разработанного программного средства на встроенном языке программирования APDL (Ansys

Parametric Design Language). штп1

Для апробации разработанной методики моделирования разработано несколько расчетных моделей в CAE-системе Ansys (модели несущих систем различных типов станков, в том числе использованного в натурных испытаниях станка Deckel FP3) Для верификации расчетной модели НСС Deckel FP3 были выполнены расчеты согласно циклограммам работы станка в натурных испытаниях. Для этого использовались тестовые циклограммы, реализующие: ступенчатое повышение тепловой нагрузки; ступенчатое понижение тепловой нагрузки; повторно-

кратковременные режимы с различными периодами. Оценка результатов моделирования показала, что закономерности изменения расчетных и экспериментальных тепловых характеристик в зависимости от циклограммы работы идентичны.

В четвертой главе представлен метод прогнозирования тепловых характеристик станков, описывающий содержание, последовательность и инструментарий получения и использования математических моделей для компенсации температурных погрешностей.

Математическую основу метода составляет решение дифференциального уравнения теплопроводности, которое при нагревании (1) и остывании (2) станка в упрощенном виде может быть представлено в виде:

T(t) = A(l~e-"T) + Be~"r шш T(t) = -е4"0") + Ве-{,-')1т, (1)

T(t) = B(l~e-'T) + Ae-"T или = + (2)

где А,В - уровни установившейся и начальной температуры; т - тепловая постоянная времени станка; /„ - интервал времени, характеризующий запаздывание; t - время.

Установлено, что все многообразие циклограмм работы станков описывается комбинацией трех базовых типов: дискретное повышение частоты вращения шпинделя; повторно - кратковременный тип работы станка; дискретное понижение частоты вращения шпинделя. С использованием результатов натурных и вычислительных экспериментов были созданы математические модели тепловых характеристик в виде кусочных функций для каждого участка циклограммы. На практике кусочные функции выбираются в виде отдельных участков заранее построенных тепловых характеристик для соответствующих частот вращения шпинделя. Эти тепловые характеристики получаются либо из натурного эксперимента, либо по результатам построения аппроксимирующих зависимостей «температурное перемещение - частота вращения шпинделя и время» S(n,t).

В таблице приведены математическая модель (I) и графическая схема (II) построения прогнозируемых характеристик для повторно-кратковременного режима. Пунктиром показаны характеристики из натурного эксперимента S^t). Первый участок характеристики циклограммы S-£ (t) для области определения [0,/ll(] представляет собой копию ¿i(f) для этой же области определения. Второй участок характеристики циклограммы для области определения [ilM,r2l(] представляет собой копию участка характеристики остывания станка T°(t), равной по длительности Af0. Особенностью является выбор границ копируемого участка характеристики Г"(t) - t01 и (о2- Выбор осуществляется в ручном или в автоматическом режимах, предусмотренных программным средством. Третий участок характеристики циклограммы <5^ (i) для области определения [i2lf,i3lf] выбирается аналогично

первому. Критерием выбора начала копируемого участка St(t) является равенство ординат характеристик (<) и ^ (О-

Построение аппроксимирующих функций для промежу/точных частот ■ Вращения ; :

Формирование циклограммы работы станка по технологическому процессу

--——-' ^----—---—7 ~ '

.———-----■

Анализ участков циклограммы по типам: рост; понижение; повторно-кратковременный а

Г-■ •-•■ Л

Формирование отдельных участков , прогнозируемой характеристики

Построение прогнозируемых тепловых характеристик

ь;.'. :.:.. ______-_

У Ч

......

Натурные испытания станка на отдельных частотах вращения

і,

т •

Таблица - Математические модели прогнозируема ^—-г Тип циклограммы:^ет^но^ к]татео^менныА режим работы^-

Математическая модель

Графическая интерпретация

т т

<5,0 -к)

<2='2,-'¡А

и

Кл = Ґ»-1ч ~< 1 - 'м

Рисунок 4 10

Й,(Г)- прогнозируемые значения перемещений; 5,(0" экспериментальные харакгерисшки температурных перемещений нагревания Станка для фиксированных частот вращения; <5,(0 - экспери-ме бальные характеристики температурных перемещений остывания станка для фиксированных частот вращения; ¿„„-Л, - фиксированные моменты времени; »-число участков Циклограмм._

Основные этапы разработанного метода и последовательность их выполнения представлены на рисунке 4 в виде схемы.

^........———

■ Схема реализации метода прогнозирования тепловых характеристик

На первом этапе проводят серию тепловых испытаний станка в условиях непрерывного режима на холостом ходу типа «нагревание - остывание» на фиксированных частотах вращения шпинделя. Для построения тепловых характеристик на промежуточных частотах выполняют построение аппроксимирующих зависимостей вида <5(п,1). В соответствии с технологическим процессом механообработки формируют соответствующую циклограмму для станка. Эти три этапа формируют необходимые исходные данные для построения прогнозируемых характеристик. Следующие три этапа завершают построение прогнозируемых характеристик согласно примеру, представленному в таблице.

На основе полученных математических моделей разработаны алгоритмы и программное средство в системе МаНаЬ, оснащенное графическим пользовательским интерфейсом (рисунок 5).

> ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКОВ (21

.. нагревание --• - ' Файл-данных__

;ск_в_285 0.2010.dat Щ

1.1 СЮОЛй

"|а_аск_0эк_2011 1ооо_о.(М

^_йо»_0305_2Ш1 1250 0.dat ;|>с1_йск_0305_^г011 _1 бООдМ Ц>

' файлы данных ^оочы........;;

;;а_аск_оэо5_2011 _еоо.вы щ

1«_**_С005_2011_1 ЄОО.сМ \*^J**JOOSJ2(n1J1X!.^M %

Лрогмо*ироа»ние гвпповык карактврис«»»; станков (переменный твміаяой режим)

г .3 • V 30 "їяГ 90 ТЙЮ, 'ШТібОО 'їм "«о*

6 190 220 І11000

« 220 260 1600

7 280 300 ' 200

0 0 с

9 10 11 « 0 0 Л, т ГІ 0 о" 0 ~0 0 о" о"

13 0 0 с

15 0 0 0

0 0 | 0

tf 12 П .

сокранвнке цотяагрг««*

о! 07 05 2011

....... ..............остывание........... ••

>1 файл данных

, (выбор - деояно» нажатие)

фк^^Ьзк^їУШ^рїш.....Щ

І ?і_с1ок_0305^011 _2000_0<И Н**_0Э05_2011_200_0ла ■ 0305,2011 500 0.(1«

1 _900_0Л< V

р <к*_0305 20H.1600_0.det ^ а_(1ск_С005_2011J00_0.de! *_,**_0Э05_2011 _500_0 сМ Й_<1ск_0305_2011 .800.0.1«

......Гфї^яам^'^нтроля'

степень гам^нома і ґервнвщ*ни» (Х-<, У-2.2-3) Ц точ» чсіьні»м4» 1 П'501 і Ф »"ЯрегеД'*»'« Онор>ц»>к»

І ьефоваии» ¥

уровень : 50 ": ио«вр лагчи»

і*'.

; І проітз-рсст

І

ООГЬИв««

ІЩШРоГ ваППооІ!' зоГ ШіЇхюіхГ І

протда-лоткенив

?С»_(1_0Ю5_2Ьі1 ВАТ ' л

Щок. а 01 05.2011 ВАТ Ш

і(*.а_02_05_2011<« £•(.¿.0405.2010_1600.de! Я*_<)_0405_2011_1800М>

' - Ж

.............:..

выбранный -фйЛьдвиних '" с»_а_07~к_2тім ~ \ Введите имя^айм

шю

; •надгее-остыввни»* ;

х хар»сгвристик І^МЗЛенмау сік сҐ07 05 2011 Ы ■ АИСКреттгь <-

..............' ................... иетарпапяцуи

фзнлфклагрэмиы (выбор) 2000 г............

»ОмкЗ«*................^ 11гт :

ро>_0205_т.&< ... П«»

. 1рс4.0Э052011 с* . ЩН

ІГИ.І ■ ГГГІТ ' пттті

4»нг-ы даннмї ІІичКЯІ

рюшуп&гш------------------:

' іт г,_г,_і йи л

:ро«_п о

......У;

.{ ро«,п_о_£о« ГГГП

фвЙЛЫ-ДИМИЫК

{«ттгацгадов ;

Ш п о ШМ

_ро)пл.(ііа ШЦ;

: 50 і

200 ' у Й50: 1Т

Рисунок 5 - Экранная форма программного модуля прогнозирования тепловых

характеристик станков

В программном средстве формирование моделей прогнозируемых тепловых характеристик осуществляется для различных типов циклограмм. В качестве исходной информации используются текстовые файлы тепловых характеристик. Характеристики могут быть получены как в результате полного натурного эксперимента, так и не полного, а сокращенного во времени (по работам профессора Полякова А.Н.). В этом случае в программном средстве предусмотрена процедура экстраполяции тепловых характеристик, основанная на экспериментальном модальном анализе. Для удобства практического использования программного средства разработано методическое обеспечение в виде методических указаний и инструкций пользователя.

В пятой главе представлены результаты экспериментальной апробации разработанного метода прогнозирования тепловых характеристик, а также алгоритм компенсации температурной погрешности станка.

Проведены серии вычислительных экспериментов для пятидесяти вариантов циклограмм, полученных из натурных и вычислительных экспериментов.

На рисунке 6 приведены результаты для двух вариантов циклограмм - повторно-кратковременный и обобщенный режимы работы станка.

50 3, мкм 40

45 5, мкп 36

21

Уд Л

N у4 ?хз

Г

/

1

а)

I, мин 300

Рисунок 6 - Типовые примеры результатов вычислительных экспериментов: 1 - экспериментальная кривая (тестовый эталон); 2 - прогнозируемая кривая;

3 - максимальная погрешность прогнозирования

Установлено, что:

-погрешность прогнозирования характеристик температурных перемещении существенно различается по координатным осям; по координате, соответствующей оси шпинделя она является минимальной и не превышает 10%;

- погрешность прогнозирования существенно зависит от типа циклограмм: минимальная погрешность фиксировалась для циклограмм первого типа; наибольшая погрешность фиксировалась для циклограмм второго типов;

- существенное влияние на погрешность прогнозирования для циклограмм второго и третьего типов оказывает выбор соответствующих участков экспериментальных тепловых характеристик остывания.

На основе разработанного метода прогнозирования тепловых характеристик разработан алгоритм компенсации температурной погрешности для его использования в системах ЧПУ станков (рисунок 7).

Исходными данными для алгоритма компенсации температурной погрешности являются прогнозируемая характеристика температурных перемещений и требуемые показатели точности 5Т.

Результатом алгоритма служит система корректирующих воздействий, формируемая для каждого технологического перехода, вида:

Л (3)

клоло

где т-число технологических переходов; и,,и„ и {(1} = (',1>-->'ц) ■ = - -количество корректирующих воздействий на 1-ом и т-ом технологических переходах и последовательности интервалов времени, в течение которых действуют корректирующие воздействия; {Д} = АР1), - соответствующие

последовательности корректирующих воздействий на 1-ом и т-ом технологических переходах.

50 S, мкм 45

t, мин 300

Рисунок 7 - Схема компенсации температурной погрешности станка (характеристики температурных перемещений: 1 - без коррекции температурной погрешности; 2-е коррекцией температурной погрешности)

На рисунке 7 показатели точности ST для каждого перехода приняты одинаковыми, равными 10 мкм. В данном случае алгоритм компенсации температурной погрешности позволил сформировать систему корректирующих воздействий в виде:

3; {18,27,15} ;{0,10,10} 3; {15,40,5}; {ОД 0,10} R = \ 1;{60};{0} (4)

1;{60};{0} 1;{60};{0}

Из (4) следует, что при прогнозируемом уровне температурной погрешности j Д и заданном показателе точности достаточно задать корректирующие воздействия j только на двух первых технологических переходах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработаны математическое, алгоритмическое, программное и методическое обеспечения для автоматизированной системы управления исполнительными органами станка, позволяющее компенсировать температурную погрешность.

1. Выявлены закономерности изменения тепловых характеристик металлорежущих станков средних размеров для переменных тепловых режимов рабспы. При этом максимальный разброс экспериментальных данных для температур составлял ±0,5"С, а для перемещений +5мкм.

2. Разработана методика компьютерного моделирования тепловых характеристик станка, работающего в условиях переменных тепловых режимов, позволяющая выполнять многовариантный анализ в автоматическом режиме за счет использования разработанного программного средства на встроенном в CAE- систему языке программирования.

3. Разработан метод прогнозирования тепловых характеристик станков, базирующийся на использовании кусочных аппроксимирующих функций для каждого участка циклограммы по тепловым характеристикам, полученным из предварительных натурных экспериментов на соответствующих частотах вращения шпинделя.

4. Экспериментально установлено, что погрешность прогнозирования характеристик температурных перемещений по координате, соответствующей оси

шпинделя, не превышает 10%.

5. Разработаны средства управления исполнительными органами станка по снижению его температурных погрешностей с использованием прогнозных тепловых характеристик, обеспечивающие тепловые смещения вдоль оси шпинделя в пределах 10 мкм, независимо от продолжительности технологической операции, выполняемой на данном станке.

Основные результаты диссертации представлены в работах:

В рецензируемых научных журналах:

1. Марусич, К.В. Исследования экспериментальных зависимостей температурных перемещений от температур в металлорежущих станках / А.Н. Поляков, А.Н. Гончаров, К.В. Марусич // Технология машиностроения. - 2011. - №2. - С. 16-22.

2. Марусич, К.В. Исследование термодеформационного состояния металлорежущего станка в условиях переменных тепловых режимов работы / А.Н. Поляков, КВ. Марусич, С.В. Каменев II Справочник. Инженерный журнал. - 2011. - №11. - С. 45-53.

3 Марусич, К.В. Прогноз температурных перемещений станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов / К.В. Марусич II Обработка металлов. -2011. -№4.- С. 74-77.

В прочих изданиях:

4. Марусич, К.В. Автоматизация тепловых исследований металлорежущих станков в режиме реального времени : сборник материалов 6-й всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» / К.В. Марусич, А.Н. Гончаров. -Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007. - С. 380-382.

5 Марусич, К.В. Исследование теплового состояния металлорежущего станка в режиме реального времени / К.В. Марусич // Вестник Оренбургского государственного

университета. - 2008. - №2 (82). - С. 232.

6. Марусич, К.В. Оценивание температурных характеристик станков с использованием производных высшего порядка: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» / А.Н. Поляков, И.В. Парфенов, А.Н. Гончаров, К.В. Марусич. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009.-С. 391-397.

7. Марусич, К.В. Тепловые испытания фрезерно-сверлильного станка иесШ РРЗ : сборник материалов всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии». - Оренбург: ИПК ГОУ

ОГУ, 2009.-С. 504-509.

8. Марусич, К.В. Исследование тепловых деформаций фрезерно-сверлильного станка • сборник материалов всероссийской научно-практической конференции «Ре-

инжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов». - Кострома: КГУ им. H.A. Некрасова, 2010. -С. 126-130.

9. Марусич, К.В. Исследование термодеформационного состояния фрезерно-сверлильного станка с использованием экспериментального модального анализа : материалы международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» / А.Н. Поляков, К.В. Марусич, А.Н. Гончаров. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010.-С. 272-274.

10. Марусич, К.В. Разработка автоматизированной системы прогнозирования термодеформационного состояния технологического оборудования : труды международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)». - Самара: Изд-во СамГАУ, 2010.-С. 239-241.

11. Марусич, К.В. Исследование термодеформационного состояния станка в условиях переменных режимов работы с использованием САЕ-системы ANSYS : сборник трудов 16-й международной конференции «Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях» / А.Н. Поляков, К.В. Марусич, C.B. Каменев. - Воронеж: Изд-во «Научная книга», 2011. - С. 270-273.

12. Марусич, К.В. Использование САЕ-системы ANSYS для моделирования элементов несущей системы станка в условиях переменного теплового режима работы : материалы всероссийской научно-методической конференции «Актуальные проблемы реализации образовательных стандартов нового поколения в условиях университетского комплекса» / А.Н. Поляков, К.В. Марусич, C.B. Каменев. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2010. - С. 1290-1294.

13. Марусич, К.В. Метод прогнозирования тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов : материалы всероссийской научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» / А.Н. Поляков, К.В. Марусич. - Орск: Изд-во ОГ-ТИ,2011.-С. 186-189.

14. Марусич, К.В. Прогнозирование термодеформационного состояния станка : материалы 2-й международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях». — Курск: Юго-Зап. гос. ун-т., 2011. - С. 251-255.

15. Марусич, К.В. Прогнозирование тепловых характеристик станков в условиях переменных режимов работы : материалы 7-й международной научно-практической конференции «Современные вопросы науки - XXI век». - Тамбов: Изд-во Тамбовского областного института повышения квалификации работников образования, 2011.-С.90-91.

16. Марусич, К.В. Алгоритм компенсации температурной погрешности станка : материалы международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» / К.В. Марусич, А.Н. Поляков, А.Н. Гончаров. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - 2 ч. - С. 184-186.

17. Марусич, К.В. Прогноз температурных перемещений станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов : сб. тр. Всероссийской молодежной конференции «Машиностроение - традиции и инновации». - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - С. 245-250.

18. Марусич, К.В. Автоматизированная система прогнозирования тепловых характеристик станков : материалы Всероссийской научной школы «Управление, информация и оптимизация». - Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2011. - С. 221-222.

19. Марусич, К.В. Графоаналитический метод построения прогнозных тепло-

вых характеристик станков : материалы Всероссийской молодежной конференции «Инновационные технологии в машиностроении (ИТМ-2011)» / А.Н. Поляков, КБ. Марусич. - М.: МГТУ «СТАНКИН», 2011. - С. 228-234.

20. Марусич, К.В. Программа для термодеформационного моделирования несущей системы станка : свидетельство о регистрации программного средства № 50201150731 / C.B. Каменев, К.В. Марусич. Москва: ВНТИЦ. - 2011. - 49158 кбайт.

21. Марусич, К.В. PROGNOZ - прогнозирование тепловых характеристик станков : свидетельство о регистрации программного средства № 50201100099 / А.Н. Поляков, К.В. Марусич. Москва: ВНТИЦ. - 2011. - 992 кбайт.

22. Св-во гос. per. прогр. для ЭВМ №2011618214, Российская Федерация. Программа для прогнозирования тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов «PROGNOZ 2» / А.Н. Поляков, К.В. Марусич; правообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет». №2011616454; дата поступления 25.08.2011; дата регистр, в Реестре программ для ЭВМ 19.10.2011 г.-Опубл. 2011г.,Эл. бюл. №2.

23. Св-во гос. per. прогр. для ЭВМ №2011618397, Российская Федерация. Программа для моделирования тепловых характеристик металлорежущих станков «Heat_Mod» / C.B. Каменев, К.В. Марусич; правообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет». - №2011616599; дата поступления 01.09.2011; дата регистр. в Реестре программ для ЭВМ 25.10.2011 г. - Опубл. 2011г., Эл. бюл. №2.

Термины, принятые в работе:

- Температурная характеристика - временная зависимость температуры объекта, полученная при определенном тепловом режиме работы.

- Характеристика температурных перемещений - временная зависимость температурных перемещений объекта, полученная при определенном тепловом режиме работы.

- Тепловая характеристика - обобщенный термин, включающий две характеристики: температурную характеристику и характеристику температурных перемещений.

- Температурная погрешность станка - перемещения исполнительных органов станка, обусловленные тепловыми процессами в несущей системе станка и приводящие к формированию размерной погрешности обработки.

- Термодеформационное состояние станка - деформированное состояние несущей системы станка, обусловленное ее тепловым состоянием.

Отпечатано в ЗАО «Оренмет», г.Орекб^г. уд. Туркестанская, 22, тел 72-34-72. Тираж 120 un.

61 12-5/2111

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Управление термодеформационным состоянием станка на основе автоматизации прогнозирования температурных перемещений исполнительных органов

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)

На правах рукописи

Марусич Константин Викторович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Поляков А.Н.

Оренбург 2012

Содержание

Термины и сокращения...........................................................................................4

Введение...................................................................................................................5

1 Обзор состояния тепловых явлений в станках................................................10

1.1 Актуальность тепловых явлений в станках..................................................10

1.2 Переменные режимы работы станка.............................................................21

1.3 Сравнительные испытания станков на холостом ходу и под нагрузкой...28

1.4 Применение САЕ-систем для создания тепловых моделей в станках.......33

1.5 Современные системы компенсации температурной погрешности в станках....................................................................................................................40

1.6 Выводы и постановка задачи работы............................................................48

2 Экспериментальные исследования термодеформационного состояния металлорежущего станка......................................................................................50

2.1 Методика проведения экспериментов...........................................................50

2.2 Серия испытаний в условиях непрерывного режима работы.....................55

2.3 Серия испытаний в условиях нагревание-остывание..................................61

2.4 Серия испытаний в условиях переменных тепловых режимов..................63

2.4.1 Серия хаотичных режимов работы.............................................................64

2.4.2 Серия повторно-кратковременных режимов работы...............................70

2.5 Экспериментальные зависимости температурных перемещений от температур в металлорежущих станках..............................................................75

3 Моделирование термодеформационного состояния станков........................82

3.1 Математическое описание..............................................................................82

3.2 Методика создания программного средства в среде САЕ-системы..........88

3.3 Апробация разработанного программного средства...................................95

4 Метод прогнозирования тепловых характеристик станка...........................108

4.1 Базовые уравнения метода............................................................................108

4.2 Математическое описание прогнозируемых характеристик....................115

4.3 Автоматизированное построение прогнозируемых тепловых характеристик......................................................................................................131

4.4 Реализация метода прогнозирования тепловых характеристик..............139

5 Экспериментальная апробация метода прогнозирования............................143

5.1 Прогнозирование температурных характеристик.....................................143

5.1.1 Прогнозирование температурных характеристик для 1-го типа циклограмм..........................................................................................................144

5.1.2 Прогнозирование температурных характеристик для П-го типа циклограмм..........................................................................................................151

5.1.3 Прогнозирование температурных характеристик для Ш-го типа циклограмм..........................................................................................................154

5.1.4 Прогнозирование температурных характеристик для 1У-го типа циклограмм..........................................................................................................155

5.2 Прогнозирование характеристик температурных перемещений ............159

5.3 Средства управления исполнительными органами станка

по снижению его температурной погрешности...............................................162

Основные выводы и результаты работы...........................................................171

Список использованных источников ...............................................................172

Приложение.........................................................................................................191

Термины и сокращения

1 Термодеформационная система станка описывается группами параметров: температурой, перемещениями и их производными. (Для формализации описания тепловых процессов в станках используется системное представление станка - термодеформационная система станка. Термодеформационная система включает упругую систему станка и дополнительные компоненты, формирующие ее тепловое и термодеформационное состояние.)

2 Температурная характеристика - временная зависимость температуры объекта, полученная при определенном тепловом режиме работы.

3 Характеристика температурных перемещений - временная зависимость температурных перемещений объекта, полученная при определенном тепловом режиме работы.

4 Тепловая характеристика - обобщенный термин, включающий две характеристики: температурную характеристику и характеристику температурных перемещений.

5 Температурная погрешность станка - перемещения исполнительных органов станка, обусловленные тепловыми процессами в несущей системе станка, и приводящие к формированию размерной погрешности обработки.

6 Термодеформационное состояние станка - деформированное состояние несущей системы станка, обусловленное ее тепловым состоянием.

ШУ - шпиндельный узел.

НСС - несущая система станка.

ТХ - температурные характеристики.

ХТП - характеристики температурных перемещений.

Введение

Актуальность темы. Экспериментальные данные фирм - производителей станков показывают, что температурные перемещения исполнительных органов в современных прецизионных металлорежущих станках могут превышать 100 мкм, определяя до 70% значения общей погрешности механообработки.

Для достижения стабильной размерной точности механообработки в пределах 10 мкм необходимо оснащение станков системами компенсации температурной погрешности, которые строятся на двух альтернативных методах: прямое измерение температурной погрешности на станке и прогнозирование температурной погрешности.

Первый метод обладает высокой точностью, но требует оснащения станка дополнительным измерительным оборудованием, что приводит к существенному увеличению стоимости станка (не менее, чем на 30%).

Точность второго метода полностью определяется качеством реализуемых моделей прогнозирования тепловых характеристик. На сегодняшний день в открытой печати отсутствует описание моделей и методов прогнозирования тепловых характеристик станков, адаптированных к применению в системах компенсации их температурной погрешности.

Поэтому актуальной научной задачей работы является разработка метода прогнозирования тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов.

Решение поставленной научной задачи работы позволит разработать алгоритм компенсации температурной погрешности станка, реализация которого на станках с ЧПУ обеспечит существенное повышение точности обработки.

Настоящая работа выполнялась в рамках г/б НИР №01200316424 «Разработка автоматизированной системы теплового моделирования металлорежущих станков» и г/б НИР №01200902660 «Исследование физико-

технических свойств металлообрабатывающего оборудования» кафедры технологии машиностроения, металлообрабатывающих станков и комплексов ФГБОУ ВПО ОГУ. Этапы работы финансировались в рамках грантов №01200607409 «Разработка методологии создания высокоэффективных производственных систем нового поколения с заданными свойствами» и № 1.6.11 «Разработка методологии создания термостабильных мехатронных станков», выполняемых в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы».

Объект исследования - температурная погрешность металлорежущих станков средних размеров, работающих в условиях переменных тепловых режимов.

Предмет исследования - средства управления исполнительными органами станка, работающего в условиях переменных тепловых режимов, приводящие к снижению температурной погрешности.

Цель работы - повышение точности обработки на металлорежущих станках на основе управления исполнительными органами по результатам прогнозирования тепловых перемещений.

Задачи работы. Для достижения цели работы необходимо решить задачи:

- провести натурные эксперименты и выявить закономерности изменения тепловых характеристик станка в зависимости от режимов его работы;

- разработать методику компьютерного моделирования тепловых характеристик станка, работающего в условиях переменных тепловых режимов;

- разработать метод прогнозирования тепловых характеристик станка;

- провести экспериментальную апробацию разработанного метода прогнозирования тепловых характеристик станка;

- разработать средства управления исполнительными органами станка по снижению его температурной погрешности, включающие алгоритмическое и математическое обеспечение.

Научная новизна работы включает:

- экспериментально установленные закономерности изменения тепловых характеристик металлорежущих станков, отличающиеся от известных тем, что получены для переменных тепловых режимов работы;

- прогнозные модели тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов, отличающиеся от известных тем, что получены из экспериментальных характеристик непрерывного режима работы;

- метод прогнозирования тепловых характеристик станков, описывающий содержание, последовательность и инструментарий получения и использования математических моделей для компенсации температурных погрешностей;

- алгоритм компенсации температурных погрешностей станков с ЧПУ на основе использования математических моделей, отражающих изменение тепловых характеристик в различных режимах эксплуатации.

Практическую значимость определяют:

- результаты натурных и вычислительных экспериментов прецизионного станка, представленные в виде базы данных компьютерных моделей;

- разработанное программное средство для компьютерного моделирования тепловых характеристик металлорежущих станков в среде САЕ - системы Ansys;

- методика компьютерного моделирования тепловых характеристик станков, включающая ряд последовательных процедур создания и использования компьютерных моделей в CAD- и САЕ-системах;

- методическое обеспечение разработанного метода прогнозирования тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории автоматического управления, испытаний станков, планирования эксперимента, модального анализа, теории

упругости, термодинамики, теории моделирования, идентификации и оптимизации сложных технических систем. Использованы методы: конечных элементов и конечных разностей, теории вероятностей и математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии и линейной алгебры, аппроксимации функций и оптимизации.

Реализация работы. Результаты работы, представленные в виде методического, программного, информационного обеспечения и практических рекомендаций, приняты к использованию на Оренбургских предприятиях ОАО «Завод бурового оборудования» и ФГУП ПО «Стрела», а также используются в учебном процессе кафедр «Технология машиностроения, металлообрабатывающие станки и комплексы» и «Системы автоматизации производства» Оренбургского государственного университета.

На защиту выносятся:

- результаты натурных и вычислительных экспериментов по выявлению тепловых характеристик прецизионного станка Deckel FP3;

- методика и программное средство компьютерного моделирования тепловых характеристик станков в CAD- и САЕ-системах;

- математические модели прогнозируемых тепловых характеристик станков, работающих в условиях переменных тепловых режимов работы;

- программное средство для компьютерного моделирования тепловых характеристик металлорежущих станков в среде CAE - системы Ansys;

- метод прогнозирования тепловых характеристик станков.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты

диссертационной работы обсуждались и были одобрены на международных конференциях: «Инновации в машиностроении» (Бийск, 2010), «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)» (Самара, 2010), «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010), «Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях» (Воронеж, 2011), «Современные вопросы науки - XXI век» (Тамбов, 2011) «Инновации, качество и сервис в тех-

нике и технологиях» (Курск, 2011), «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2011); на российских конференциях: «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2007, 2009 и 2010); «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2009, 2011), «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога» (Оренбург, 2010), «Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов» (Кострома, 2010), «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2011), «Актуальные проблемы реализации образовательных стандартов нового поколения в условиях университетского комплекса» (Оренбург, 2011), «Автоматизация и информационные технологии» (Москва, 2011), «Машиностроение - традиции и инновации» (Юрга, 2011), «Молодежь и современные информационные технологии» (Воронеж, 2011), «Инновационные технологии в машиностроении (ИТМ-2011)» (Москва, 2011), «Управление, информация и оптимизация» (Воронеж, 2011).

Результаты работы докладывались на: межкафедральных семинарах научной группы по информационной поддержке изделий машиностроения (ОГУ, 2010-2011), региональной научной школе-семинаре молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства (ОГУ, 2010), Окружном этапе Приволжского Федерального округа (УлГТУ, Ульяновск, 2011) и финале проекта «Национальной научно-технической конференции» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2011) и научном семинаре кафедры систем автоматизации производства (ОГУ, 2011).

1 Обзор состояния тепловых явлений в станках

1.1 Актуальность тепловых явлений в станках

Тепловые деформации составляют существенную долю в общем, балансе погрешностей обработки на металлорежущих станках. В работах [57, 60, 99, 103, 104] показано, что доля погрешностей обработки вследствие температурных деформаций может составлять до 30 - 70 % от общей погрешности обработки. Полную погрешность обработки А,, связанную с температурными деформациями, обычно определить не удается. Приближенно принимают для операций с жесткими допусками на обработку hAt = (0,1...0,4)А2, причем для обработки лезвийным инструментом ЕА, = (0,1...0,15)А£, при шлифовании ZA, составляет 30...40 % суммарной погрешности Д2 [26]. Особенно заметно их влияние при выполнении чистовых операций, при которых статистические и динамические деформации упругой системы станка не оказывают существенного влияния на погрешности, возникающие при обработке детали.

Первые работы, посвященные исследованию влияния тепловых процессов на точность металлорежущих станков, были проведены Шлезингером в начале 30-х годов. В нашей стране начальный период исследований связывают с именем Д.Н. Решетова и относят к 40-м годам [18, 110, 111]. Однако, полномасштабные исследования под его руководством были проведены лишь в 50-е и 60-е годы [2, 14, 31, 120, 123]. Эти и ряд других работ заложили фундамент в разработку тепловых моделей металлорежущих станков и определили основные направления тепловых исследований.

Значительный вклад в области тепловых исследований внесла большая плеяда ученых: В.И. Алферов, А.И Бельзецкий, А.И. Глухенький, И.А. Зверев, А.П. Кузнецов, Г.А. Левит, М.З. Лурье, Л.Я. Перель, А.Н. Поляков, A.C. Проников, В.Э. Пуш, A.B. Пуш, Ж.С. Равва, Л.Г. Рейдман, Е.И. Самохвалов, А.П. Сегида, Ю.Н. Соколов, Ю.М. Соломенцев, B.C. Стародубов, A.M. Фи-гатнер, В.Н. Юрин, В.В. Юркевич, A. Palmgren, К. Okushima, М. Sakamoto,

11ес1геЗе\¥81а, У.Ио и многие другие.

В ходе экспериментальных исследований теплового состояния одностоечного координатно-расточного станка [31] были выявлены основные источники тепла и построены температурное поле станка и тепловые деформации шпинделя. Основными источниками теплообразования оказались шпиндельная бабка, размещенная на стойке и двигатель главного движения, размещенный внутри стойки. Нагрев стойки вызвал угловые и линейные смещения оси шпинделя. Суммарные линейные смещения оси шпинделя в горизонтальной плоскости составили 19 мкм, хотя температурный градиент при этом в стенках стойки не превышал 3.. .4 °С.

Тепловые деформации плоскошлифовальных станков, вызванные тепловыми потоками из шпиндельной бабки и станины, представлены в работах [122-124]. Б