Учебное пособие 800508

Применение изложенного метода суммированияпогрешностей поясняется примером токарного станка для патронной обработки (рис. 3.5, а). Закрепленная в шпинделе деталь характеризуется системой координат , а остальные узлы — системами координат, приведенными в табл. 3.1. При этом формула (3.2) для текущего значения вектора фактически обрабатываемой поверхности на токарном станке принимает вид

где— радиус-вектор формообразующей точки кромки режущего инструмента в системе координат.

Для конкретного случая продольного обтачивания цилиндра диаметром D с продольной подачей

где а — координата правого торца по оси Z.

При этом текущее значение погрешности обработки

Выражение (3.3) может быть использовано для вероятностной оценки точности станка. В этом случае математическое ожидание и дисперсию ошибки определяют через математическое ожидание и дисперсию составляющих погрешностей по формулам для линейных функций от случайных величин. получается из формулы (3.3) при подстановке значений матриц, сведенных в табл. 3.2.

Результаты аналитического расчета суммарной погрешности при чистовой обработке в патроне цилиндрической детали диаметром 200 мм на станке нормальной точности приведены на рис. 3.5, б.

В станках с ЧПУ особую роль играет точность позиционирования, которая характеризуется ошибкой выхода в заданную координату. При одновременном проявлении систематических и случайных погрешностей точность позиционирования можно условно определять следующими частными показателями: 1) зоной рассеяния случайных ошибок положения подвижного узла при его подводе к заданной координатной точке с заданного направления (стабильность позиционирования); 2)

систематической составляющей перемещения подвижного узла из одной точки в другую при движении в заданном направлении (ошибка перемещения); 3) систематической разностью ошибок положения при подводе подвижного узла к заданной точке с разных сторон (зона нечувствительности); 4) изменение положения подвижного узла в систематическим изменением течение заданного периода времени (погрешность размерной настройки).

Точность позиционирования как важнейшая характеристика станка с ЧПУ часто снимается экспериментально и включается в его паспорт (рис. 3.6). Существуют различные методы экспериментальной проверкиточности позиционирования. В частности, указанные выше четыре показателя

— стабильность позиционирования, ошибка перемещения, зон нечувствительности и погрешность настройки могут быть получены по результатам одной серии испытаний. При этом произвольно выбранный пути перемещения по координате разбивают на k интервалов и перемещают подвижной узел по управляющей программе на основе случайной функции в каждую из k точек сначала в одном направлении, а затем в противоположном. Каждое испытание повторяютm раз, получая

получают на основе допущения о том, что во всем рабочем пространстве их математическое ожидание не меняется. Стабильность позиционирования соответствует усредненным результатам по всем столбцам матрицы.

Закон распределения обычно близок к нормальному закону распределения, ограничивая поэтому поле рассеяния значением ; зону нечувствительности получаем в виде

43

Известные для данного числа характеристики точности позиционирования могут быть учтены и скорректированы при составлении управляющей программы. Следует при этом иметь в виду взаимное влияние погрешностей. Так, геометрические ошибки станка существенно

системе, имеет особо важное значение. Эксплуатационная надежность, связанная с отказами различного характера, влияет на производительность и на экономическую эффективность системы.

Отказы деталей и механизмов станка имеют разнообразный характер, и для их описания принимают обычно трехпараметричеcкое распределение Вейбулла: , или иначе,

, где а, Ь, с, г = — постоянные параметры распределения. Иногда в целях упрощения обработки экспериментальных данных принимают двухпараметрическое распределение Вейбулла, полагая. В качестве примера на рис. 3.8 приве дены данные о надежности автоматической станочной системы для обработки призматических деталей, состоящей из четырех многооперационных станков.

.

Погрешности обработки

Т а б л и ц а 3.2

где — производительность многооперационного станка; а — среднее число одновременно обрабатываемых деталей.

Технологическая надежность станков с ЧПУ и автоматических станочных систем из этих станков как свойство сохранять во времени первоначальную точность оборудования и соответствующее качество обработки имеет важное значение в связи с большим сроком службы этого вида оборудования и интенсивной его эксплуатацией. В основе аналитических методов оценки технологической надежности станков с ЧПУ лежит разработка математической модели изменения точности обработки во времени. Если выбрать основные виды исходных погрешностей, наиболее существенно снижающих точность станков с ЧПУ во времени, то модель формирования суммарной ошибки можно привести к виду, изображенному на рис. 3.9.

Первичная настройка станка на величину контролируемого параметра осуществляется исходя из условия

где — минимально допустимое значение контролируемого параметра;— систематические ошибки от геометрии и деформации станка; —зона рассеяния от действия случайных ошибок при установке детали , от привода позиционирования i, при размерной установке инструмента ;

По мере работы станка под воздействием возмущений, имеющих характер случайных процессов, центр зоны рассеяния размера смещается на некоторую величину b (t), которую следует рассматривать как случайную функцию времени. Смещение происходит главным образом под воздействием температурных, износных и динамических факторов. К концу наладочного периода суммарная погрешность обработки достигает предельно допустимого значения

где — зона рассеяния случайных ошибок к концу периода настройки. Для оценки технологической надежности станка можно пользоваться запасом по точности обработки или коэффициентом k запаса

точности:

Эффективным средством повышения надежности станков автоматической станочной системы является диагностика. При этом осуществляют направленный сбор текущей информации о состоянии станка и его важнейших узлов и элементов. Для сбора информации используют преобразователи, дающие сигнал по естественным для станка возмущениям или на основе специально возбуждаемых периодических воздействий. Поиск и диагностику ошибок, неисправностей, опасных отклонений от нормальной работы осуществляют различными методами. При использовании функциональной модели станок и отдельные его узлы (привод подачи, несущая система) разбивают на конечное число функциональных блоков с одним выходным контролируемым параметром. Совокупность выходных параметров, связанных в единую систему, служит основой модели всего узла или всего станка. Диагностирование ведут на основе алгебры логики; дефектное состояние функционального блока соответствует нулевому значению параметра, а нормальное состояние

соответствует булевскому значению «1». Конкретный набор булевских значений оценочных параметров характеризует определенный вид отказа и соответствующим образом кодируется. Для быстрого анализа ситуации и нахождения дефектного блока составляется диагностическая матрица и соответствующая программа для ЭВМ. При этом методе диагностика носит дискретный характер.

При непрерывном действии станка или его узла используют параметрический метод диагностики. В этом случае математическую модель станка составляют в виде системы дифференциальных уравнений, а параметры в уравнениях уточняют по экспериментальным данным. В соответствии с принятой целевой функцией для станка или его узла выбирают критерии оптимизации, по которым на основе текущей информации осуществляются непрерывное регулирование (адаптивное управление) и диагностика.

Иногда используют энергетическую модель, основу которой составляет диаграмма распределения энергетического потока при оптимальных условиях работы станка. Значения параметров уточняют экспериментально. Изменение распределения потоков энергии,

фиксируемое встроенными в станок датчиками, анализируется; оно является основой диагностического контроля..

У н и в е р с а л ь н о с т ь станочных систем определяется затратами на переход от обработки партии одних деталей к обработке партии других деталей. Для каждого вида оборудования существуют оптимальные условия эксплуатации, связанные с масштабом производства. Это относится и к отдельным станкам и к станочным системам разной универсальности. В зависимости от соотношения затрат на переналадку оборудования и затрат, связанных с изготовлением «лишних» деталей, существует оптимальный размер партии деталей для каждого конкретного оборудования (рис. 3.10).

Универсальность и производительность являются противоречивыми требованиями, поэтому с уменьшением универсальности станков и станочных систем их производительность может быть повышена за счет концентрации технологических операций, совмещения времени рабочих и вспомогательных операций, применения многоинструментальной обработки. Целесообразный уровень универсальности оборудования в зависимости от масштаба производства приведен для станков и станочных систем на рис. 3.11 и в табл. 3.3, которая обобщает некоторый опыт эксплуатации в различных условиях производства автоматических станочных систем для обработки корпусных деталей.

Э к о н о м и ч е с к а я э ф ф е к т и в н о с т ь является важнейшим параметром для оценки автоматической станочной системы, поскольку любой вид технологического оборудования направлен на снижение затрат труда в производстве.

Определение экономической эффективности осуществляют суммированием приведены затрат как при создании нового

Характеристики станочных систем Т а б л и ц а 3.3

оборудования (рис. 3.12), так и при его эксплуатации. Таким образом, приведенные затраты S представляют собой сумму годовой себестоимости С продукции и нормативных отчислений от капитальных вложений F в производственные фонды:

где k — нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений.

3.2. НЕСУЩАЯ СИСТЕМА СТАНКА

Несущая система станка как последовательность базовых деталей и их соединений в значительной мере определяет правильность взаимного расположения детали и инструмента и соответственно точность обработки. Шпиндельные узлы и направляющие, которые входят в состав несущей системы, рассмотрены отдельно; в данном разделе рассматриваются базовые детали .и их неподвижные соединения.

К несущей системе станка при его проектировании предъявляются следующие основные требования: 1) ограничение геометрических погрешностей при изготовлении и сборке, а также сохранение этих ограничений в течение требуемого срока эксплуатации станка; 2) ограничение упругих перемещений несущей системы под действием силовых факторов, возникающих в работающем станке;

3)ограничение амплитуды колебаний несущей системы при действии периодических возмущений во всем рабочем спектре частот;

4)ограничение температурных деформаций несущей системы как в стационарном, так и в нестационарном температурном режиме;

5)минимально возможные затраты материала и труда на изготовление и сборку при сохранении всех проектных ограничений. Выполнение проектных требований зависит как от правильности конструирования отдельных базовых деталей и их соединений, так и от компоновки всей несущей системы.

(шпиндельная бабка, стойка, станина, стол) между инструментом и обрабатываемой деталью и их ориентацию в пространстве. Среди всех базовых деталей одна должна

быть неподвижной (это обычно станина, основание), а ее расположение в цепочке базовых деталей несущей системы определяет ориентацию в пространстве и структурную компоновку станка. Число последовательно расположенных базовых деталей (узлов станка) на единицу больше числа необходимых относительных движений, . причем каждое движение требует направляющих подвижных соединений. Общее число возможных компоновок и их особенности могут быть выявлены на основе структурного анализа по методу Ю. Д. Врагова [7].

Формализация компоновок основана на том, что неподвижному узлу присваивают символ О, узлам, перемещаемым вдоль координатных осей, соответственно символы X, Y, Z, а узлам с относительным вращательным движением относительно этих осей — символы А, В, С. При записи формулы компоновки начинают с узла, несущего заготовку, и кончают узлом, несущим инструмент. Примеры соответствующих

48

Для станков особо высокой производительности, например при обработке легких сплавов, важнейшим проектным критерием для выбора варианта компоновки может стать удобство сбора и отвода большого количества стружки. В этом случае лучшими будут иные компоновки (рис. 3.15), которые в ущерб другим проектным критериям обеспечивают свободное удаление стружки из рабочей зоны станка.

А г р е г а т и р о в а н и е является важной предпосылкой развития многооперационных станков, встраиваемых в автоматические станочные системы. Основными достоинствами агрегатирования, когда различные станки используют одинаковые узлы, выполняемые в виде отдельных независимых агрегатов, являются удешевление производства станков за счет повышения серийности, сокращение сроков их изготовления, повышение надежности, что особенно важно при их использовании в сложных и дорогих комплексных системах. Принцип агрегатирования используют при проектировании автоматических линий (рис. 3.16), а в последнее время при создании многооперационных станков. В стране разработаны принципы стандартизации узлов многооперационных станков с горизонтальным шпинделем для обработки корпусных деталей на автоматических станочных системах (рис. 3.17). Предусмотрено агрегатирование базовых деталей (станина, стойка, стол, приспособление-

спутник, шпиндельная бабка), привода шпиндельных узлов, инструментальных магазинов, устройств смены обрабатываемых

Реализация подобных принципов позволяет осуществить поузловую специализацию станкостроительных заводов и организовать централизованное производство комплектующих изделий и вспомогательных устройств.

Дальнейшим развитием принципов агрегатирования в автоматических станочных системах является создание технологических модулей, один из которых приведен на рис. 3.18. На основе комплекта агрегатных узлов предусмотрено большое число модификаций для использования в различных автоматических системах в зависимости от их служебного назначения. Набор агрегатных узлов включает два типа станин ( с двумя или с тремя направляющими), три типа стоек с различными по размеру направляющими, два варианта шпиндельной бабки (мощность И или 22 кВт), три варианта шпиндельного узла с различной частотойвращения и несколько типов столов для обрабатываемых деталей. Предусмотрен большой набор устройств для автоматической смены инструмента и для автоматической смены заготовок. Основой технологического модуля является стойка с крестовым перемещением по двум горизонтальным координатам, т. е. компоновка станка соответствует рис. 3.13, б..

Другой пример компоновки многооперационных станков для обработки корпусных деталей в рабочем пространстве 500x500x500 для трех вариантов с горизонтальным или вертикальным расположением шпинделя, а также с револьверной головкой, представлен на рис. 3.19.