WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

ВИНОГРАДОВ Михаил Владимирович

Обеспечение точности исполнительных движений

в прецизионных автоматизированных станках

на основе привода подачи

с многоступенчатой фрикционной передачей

и переменной структурой управления

Специальности: 05.02.07 – Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Саратов – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»

Научный консультант        доктор технических наук, профессор

Игнатьев Александр Анатольевич

Официальные оппоненты:        Дмитриев Борис Михайлович

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «МГТУ имени Н.Э. Баумана»,

профессор кафедры «Металлорежущие станки»

Бровкова Марина Борисовна

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»

профессор кафедры «Информационная
безопасность автоматизированных систем»

Денисенко Александр Федорович

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»,

заведующий кафедрой «Автомобили
и станочные комплексы»

Ведущая организация        Институт проблем точной механики

и управления РАН (г.Саратов)

Защита состоится «26» декабря 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г.Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан «___» _____________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета        А.А. Игнатьев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Обеспечение точности токарной обработки малогабаритных деталей машино- и приборостроения по 1-2 квалитету в автоматизированном режиме обусловливает особое внимание к характеристикам прецизионных станков с ЧПУ и ГПМ. К прецизионным модулям предъявляются высокие требования как по конструкции станка в целом, так и по конструкции отдельных узлов с точки зрения точности и надежности, динамических характеристик, термостабильности, диагностированию состояния, то есть всего того, что обеспечивает устойчивое функционирование.

Прецизионные токарные модули, обрабатывающие детали с размерами не более 50…70 мм по указанному выше квалитету, должны обеспечивать погрешность обработки не более 0,5…1 мкм, шероховатость поверхности 0,03…0,1 мкм. При сверхпрецизионной токарной обработке силы резания малы (не более 30…50 Н), износ инструмента, особенно при резании легкообрабатываемых материалов, незначителен, и, кроме того, обеспечивается стабильный температурный режим работы модуля. Одним из ответственных узлов металлорежущего станка является также шпиндельный узел, участвующий в движениях формообразования. На его долю приходится от 50 до 80% погрешностей. Использование аэростатических опор и средств балансировки обеспечивает высокую точность вращения шпинделя и жесткость. В этих условиях растут требования к приводам подач, чьи характеристики непосредственно влияют на качество формообразующих перемещений рабочего органа - суппорта токарного модуля. Сверхпрецизионная обработка требует обеспечения точности позиционирования суппорта 0,01…0,1 мкм, что часто трудно реализовать из-за несовершенства традиционных механических передач приводов.

Привод подачи является важнейшей частью любого автоматизированного металлорежущего станка (МРС), точность движений его рабочих органов определяет точность обработки деталей, поэтому исследованию точности формообразующих движений рабочих органов металлорежущих станков уделялось особое внимание в исследованиях А.С. Проникова, А.В. Пуша, В.А. Кудинова, В.Н. Подураева, Б.М. Бржозовского, и ряда других ученых. Несмотря на высокие возможности современных цифровых управляющих систем и наличие датчиков положения высокого разрешения, исполнение приводом подачи команд управляющих устройств сопряжено с техническими трудностями вследствие слабой управляемости малых перемещений с дискретностью менее 1 мкм.

В современном автоматизированном прецизионном технологическом оборудовании и контрольно-измерительных машинах в некоторых случаях применяются многоступенчатые фрикционные передачи (МФП), позволяющие в сочетании с аэростатическими направляющими рабочего органа при определенных условиях обеспечить показатели точности, недостижимые с помощью других механических передач. Например, применение МФП в MРC обеспечивает значительное упрощение кинематических цепей, высокий кпд (до 98%), отсутствие люфтов, приемлемую технологичность, низкий уровень вибраций, плавность движений.

В ряде работ рассматривались вопросы точностных характеристик приводов подач, однако в приложении к прецизионной токарной обработке малогабаритных деталей с использованием МФП в приводах подачи они требуют более детального рассмотрения. Применяемый в токарных модулях электромеханический привод подачи имеет в своей основе МФП, содержащую фрикционный редуктор и фрикционную передачу ролик-шток для преобразования вращательного движения в поступательное, а также лазерный интерферометр как датчик обратной связи (ДОС). Исследованием фрикционных передач (ФП) занимались Б.А. Пронин, Р.В. Вирабов и другие ученые. Трехступенчатые ФП, разработанные И.Р. Зацманом, используются в приводе подачи токарных модулей типа ТПАРМ, обладающих высокой точностью позиционирования (до 0,2 мкм). Важным преимуществом МФП является возможность реализации режима стружкодробления. Однако существующие технические решения и условие применения МФП недостаточно исследованы, отсутствует развитая теоретическая база, благодаря которой можно было бы осуществлять автоматизированное проектирование современных приводов с МФП, особенно с большим числом ступеней, и организовать соответствующее управление.

Таким образом, повышение точности формообразующих движений рабочих органов является актуальным научным и практическим направлением представленной работы.

Целью работы является обеспечение сверхпрецизионной обработки на прецизионных МРС за счет повышения точности исполнительных движений в прецизионных автоматизированных станках на основе привода подачи с беззазорной многоступенчатой фрикционной передачей и переменной структурой управления.

Методы исследований. В основу методологии исследований положен системный подход к обеспечению точности формообразующих движений рабочих органов. При этом сложные взаимосвязи в технологической системе упрощаются благодаря тому, что выбраны формообразующие движения рабочих органов, которые имеют в данном случае основное значение в формировании вклада в результирующую погрешность обработки как меру точности. Теоретические исследования выполнены с использованием положений динамики станков, технологии машиностроения, теории резания, автоматического управления, теории вероятностей и математической статистики, основ метрологии, триботехники, теоретической механики.

Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных виброизмерительных приборов, аппаратуры для анализа случайных процессов, средств контроля точности деталей, а также оригинальных устройств измерения линейных движений на базе тензодатчиков и лазерных интерферометров, автоматизированного контроля температуры и динамических процессов в МРС. Исследования проводились на действующем технологическом оборудовании в лабораторных и реальных производственных условиях. Достоверность результатов обеспечивалась современными методами измерений, соответствующей контрольно-регистрирующей аппаратурой и приборами. Использовались современные программные средства вычислительной техники при моделировании процессов, протекающих в системе, а также при обработке и анализе экспериментальных данных.

Научная новизна работы состоит из следующих наиболее крупных результатов:

  1. Для обеспечения точности сверхпрецизионной обработки деталей машино- и приборостроения на основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения их результатов решена актуальная научная проблема, связанная с созданием научных основ синтеза беззазорных многоступенчатых фрикционных передач, позволяющих осуществить исполнительные движения рабочих органов с точностью до сотых долей микрометра при минимизации возмущающих воздействий.

2. Предложена и обоснована феноменологическая модель точности сверхпрецизионной обработки в виде двумерной функции нормального распределения погрешностей, сформированной на основе учета погрешностей двух формообразующих движений: погрешности позиционирования рабочего органа с инструментом и погрешности вращения шпинделя с заготовкой при условии минимизации влияния на точность обработки в установленных пределах возмущающих воздействий (температурных, вибрационных, силовых, упругодеформационных. триботехнических, износа инструмента).

3. Разработан комплекс моделей, описывающих физическую сущность процессов в многоступенчатой фрикционной передаче и определяющих параметрическую надежность привода, состоящий из:

  • математической модели распределения сил между элементами двух- и трехступенчатой МФП, позволяющей определить оптимальные значения угла между векторами сил поджима роликов, минимальное взаимовлияние фрикционных пар при передаче момента, создающего тяговую силу;
  • математической модели, описывающей динамические характеристики МФП, включающие анализ моментов инерции роликов и штока и выявление доминирующей роли момента инерции первых двух роликов, позволившей рассматривать МФП как звено с передаточной функцией 2-го порядка и выполнить оптимизацию передаточных отношений ступеней МФП;
  • экспериментально-аналитической модели скольжения в МФП как при непрерывных, так и при дискретных сигналах управления движением позволившей выявить практически совпадающие линейные зависимости скольжения от нагрузки на штоке и его пренебрежимо малое влияние на точность перемещений рабочего органа станка при прецизионной обработке;
  • физической модели контактных взаимодействий фрикционных пар МФП при работе без смазки и со смазкой, учитывающей изменение коэффициента трения, деформацию фрикционных пар и фреттинг-коррозию, позволившей обосновать целесообразность применения масла в качестве рабочей среды для стабилизации триботехнических и силовых параметров, снижение износа поверхностей и повышения долговечности МФП.

4. Предложена и обоснована методика и алгоритм диагностирования привода подач МФП токарного модуля. включающие контроль тяговой силы, потребляемого электродвигателем тока, текущей скорости и координат перемещения суппорта, обеспечивающих эффективное распознавание, а в ряде случаев и предотвращение отказов, что позволяет сократить время восстановления и значительно повысить эксплуатационную надежность модуля.

5. Обоснован алгоритм и переменная структура управления шаговым приводом подачи автоматизированного прецизионного станка с МФП, сочетающие замкнутое и разомкнутое управление с распределением задачи достижения точности перемещения между датчиком обратной связи и вычислительным управляющим устройством.

6. Получены модели погрешности позиционирования суппорта токарного модуля с малыми скоростями, которые позволяют обосновать, что при установленных ограничениях на погрешность вращения оси шпинделя, дискретность ДОС, изменение температуры элементов конструкции станка и окружающей среды, значения сил резания и характеристики режущей части резца, токарный станок обеспечивает сверхпрецизионную обработку малогабаритных деталей машино- и приборостроения.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на токарных МРС 16Б04П, ТПК-125В, ТПАРМ-100. ТПАРМ-100М, ТПАРМ-80 и шлифовальных станках 3А227В и SwaAGL-50, разработаны методы обеспечения макро- и микрогеометрических параметров точности деталей на прецизионных станках в условиях эксплуатации, использующие повышение точности формообразующих движений рабочего органа за счет применения привода подачи с МФП и лазерным интерферометром (ЛИ), минимизацию влияния в станках динамических процессов и управление точностью размеров. Реализованы методы анализа силовых взаимодействий фрикционных пар и динамических характеристик МФП. Обоснован алгоритм диагностирования привода подачи и предложена методика расчета долговечности МФП. Определение фактических значений коэффициентов трения фрикционных пар позволяет реализовать селективную настройку МФП при изготовлении и в условиях эксплуатации.

На основе результатов исследований на предприятиях авиационной, электронной, станкостроительной и подшипниковой промышленности г. Саратова внедрены методы и средства, обеспечивающие прецизионную обработку деталей на автоматизированных токарных и шлифовальных станках: метод и система оперативной оценки динамического состояния; переменная структура управления точностью движений при токарной и шлифовальной обработке; методы и средства настройки МФП и динамической балансировки шпинделей в условиях эксплуатации; методики испытаний МРС на технологическую надежность в производственных условиях; технические предложения по совершенствованию конструкции опытных и модернизации серийных образцов МРС.

Результаты работы внедрены на ряде предприятий, что подтверждено актами внедрения.

По результатам работы издано учебное пособие «Конструкции современных автоматизированных станков как объектов управления в машиностроении», используемое в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ им. Гагарина Ю.А.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 36 конференциях различного уровня.

на международных конференциях:

Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении, (Рыбинск, 2012); Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении (Саратов, 2002, 2006, 2007, 2009); Динамика технологических систем (Ростов-на-Дону, 2001, 2007); Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы, (Волжский, 2000, 2001, 2002, 2007); Современные технологии в машиностроении, (Пенза, 1997, 2006); Динамика технологических систем (Саратов, 2004); Высокие технологии в машиностроении (Самара, 2002); Актуальные проблемы электронного приборостроения и машиностроения (Саратов, 2002); Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин, (Пенза, 2001); Региональные особенности развития машино- и приборостроения, (Саратов, 2000); Точность и надежность технологических и транспортных систем, (Пенза, 1998, 1999); Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем, (Пенза, 1997); Точность автоматизированных производств, (Пенза, 1997); Проблемы управления точностью автоматизированных производственных систем, (Пенза, 1996); Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств, (Пенза, 1995).

на всероссийских конференциях:

Проблемы качества технологической подготовки (Волжский, 2007); Современные технологии в машиностроении, (Пенза, 2000, 2002); Информационные технологии в науке, проектировании и производстве (Н.Новгород, 2000); Состояние и проблемы измерений (Москва, 2000); Математические и условно-логические модели объектов для векторно-энергетического управления в технических, биологических и социальных системах (Москва, 1998); Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы (Волжский, 1997, 1998); Автоматизация технологической подготовки деталей на станках с ЧПУ (Санкт-Петербург, 1992); Автоматизация машиностроения на базе станков с ЧПУ и управляющих ЭВМ (Москва, 1976); Ремонт и модернизация технологического оборудования (Москва, 1975).

Экспериментальный образец МФП и результаты его исследований были представлены на VI Саратовском салоне изобретений. инноваций и инвестиций (2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 112 работ, в том числе 16 статей в изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ, 6 монографий, 1 авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 287 наименований и приложений. Работа содержит 346 страниц текста, 118 рисунков и 25 таблиц.

На защиту выносятся:

1. Методологические основы обеспечения точности обработки, базирующиеся на создании научных основ синтеза беззазорных многоступенчатых фрикционных передач, позволяющих осуществить исполнительные движения рабочих органов с точностью до сотых долей микрометра при минимизации возмущающих воздействий

2. Феноменологическая модель точности сверхпрецизионной обработки в виде двумерной функции нормального распределения погрешностей, сформированной на основе учета погрешностей двух формообразующих движений: погрешности позиционирования рабочего органа с инструментом и погрешности вращения шпинделя с заготовкой.

3. Комплекс моделей, описывающих физическую сущность процессов в многоступенчатой фрикционной передаче и определяющих параметрическую надежность привода, состоящий из математической модели распределения сил между элементами двух- и трехступенчатой МФП, математической модели, описывающей динамические характеристики МФП, включающие анализ моментов инерции роликов и штока, экспериментально-аналитической модели скольжения в МФП как при непрерывных, так и при дискретных сигналах управления движением, физической модели контактных взаимодействий фрикционных пар МФП при работе без смазки и со смазкой.

4. Методика и алгоритм диагностирования привода подач МФП токарного модуля. включающие контроль тяговой силы, потребляемого электродвигателем тока, текущей скорости и координат перемещения суппорта.

5. Алгоритм и переменная структура управления шаговым приводом подачи автоматизированного прецизионного станка с МФП, сочетающие замкнутое и разомкнутое управление.

6. Модели расчета погрешности позиционирования суппорта токарного модуля с малыми скоростями.

7. Результаты экспериментальных исследований и практического применения МФП в приводах подачи прецизионных модулей.

Содержание работы

В первой главе изложена методология обеспечения точности обработки, базирующаяся на концепции системного подхода к проблеме обеспечения технологической надежности прецизионных МРС (рис. 1). Необходимый уровень качества станка определяется, в первую очередь, требованиями к точности изготовленных деталей. В работах ряда отечественных и зарубежных ученых отражены различные аспекты проблемы обеспечения точности обработки, однако для прецизионных МРС, когда значительно повышается сложность конструкции и существенное влияние оказывают возмущающие факторы (в т.ч. стохастические), решение проблемы помимо традиционных дисциплин (конструирование станков, технология машиностроения, динамика станков и другие) требует привлечения положений теории автоматического управления, прикладных методов теории оптимизации и случайных функций, методов и средств вычислительной и информационно-измерительной техники. Установление такой взаимосвязи возможно только в рамках адаптированного к данной проблеме системного подхода как методологической основы, позволяющей на междисциплинарном уровне объединить упомянутые направления. Ранее А.с. Прониковым разработаны научно-методические основы системного подхода к проблеме надежности машин, а Б.М.Бржозовским и а.а.Игнатьевым сформулированы научно-методические основы системного анализа надежности и функциональной устойчивости МРС. В данном исследовании системный подход к указанной проблеме развивается в направлении решения ряда фундаментальных и прикладных задач, связанных с совершенствованием приводов подачи.

Рис. 1. Структура обеспечения точности формообразования
на прецизионных автоматизированных станках

Возрастающая роль в станочном парке машиностроительных производств автоматизированных прецизионных металлорежущих станков (МРС), обладающих новизной технических решений, и соответствующие условия эксплуатации ставят ряд новых задач в области обеспечения точности обработки и надежности их функционирования. Решение этих задач возможно только в комплексе на основе системного подхода к анализу всех имеющихся на сегодняшний день направлений исследований по проблеме обеспечения технологической надежности и повышения эффективности использования автоматизированного металлорежущего оборудования. При этом рассмотрение проблемы связано со всеми этапами создания МРС и периодом их практического использования (разработка, изготовление, эксплуатация). Кроме того, МРС рассматривается как сложная иерархическая система, на верхнем уровне которой выделяется совокупность трех взаимодействующих подсистем: формообразующая, управляющая и вспомогательная.

На уровне разработки для успешной реализации новых технических решений узлов прецизионных МРС необходимо не только использовать современные средства автоматизированного расчета и проектирования, но и определить основные узлы и их характеристики, которые следует контролировать в дальнейшем, выявить возможные дефекты конструкции и выбрать рациональные диагностические параметры, по которым осуществить конструкторскую проработку встраиваемых в станок и средств диагностирования, а также выполнить ряд испытаний отдельных узлов для уточнения расчетных значений параметров и моделей, причем в ряде случаев целесообразным является использование как детерминированных, так и статистических методов. На основе разработанных моделей, исследований и испытаний (в том числе станков – прототипов) выявляются факторы, оказывающие наиболее сильное влияние на станок, определяются пути создания серийного образца.

Длительные исследования токарных, шлифовальных и суперфинишных станков с ЧПУ, станков-автоматов и ГПМ определили комплекс факторов, обеспечивающих точность формообразования (рис. 2). Для осуществления сверхпрецизионной обработки необходимо обеспечить ряд организационно-технических мероприятий по минимизации возмущающих воздействий. В частности, следует обеспечить термостабильность окружающей среды в пределах ± 0,2С, практически исключить влияние вибрационных возмущений в диапазоне до 400 Гц, ограничить силы резания величиной не более 50 Н, обеспечить шероховатость поверхности режущей части резца Ra 0,001…0,01 мкм.

При минимизации указанных факторов, основную роль в формировании погрешности обработки будут играть два формообразующих узла: привод подачи и шпиндель. Существенное снижение роли вибраций шпинделя на качество обработки достигается его динамической балансировкой. Как показывает опыт, на прецизионных токарных модулях с аэростатическими опорами шпинделя удается снизить неточность вращения оси шпинделя до величины 0,05…0,1 мкм. Отсюда следует, что доминирующая роль в формировании точности отводится приводу подачи.

При разработке теории и методов проектирования новых конструкций механизмов все чаще приходится решать комплексные задачи, т.к. для заказчика представляет интерес разработка не отдельного механизма или узла, а привода в целом. Развитие этого направления сдерживается сложностью моделирования, проектирования, а также технологии изготовления вновь создаваемых конструкций и систем. Это особенно актуально при разработке таких сложных и наукоемких систем, как приводы автоматизированных металлорежущих станков. Кроме того, многообразие методов расчета и классификаций различных типов исполнительных механизмов требует создания универсальных методов проектирования.

Известно, что при малых перемещениях в станках в условиях трения твердых тел даже при постоянной силе тяги может возникать неравномерность скольжения, представляющая фрикционные автоколебания. Вредными проявлениями этого вида колебаний являются неплавность движения суппортов с режущим инструментом по направляющим и, как следствие, периодичность микрогеометрии обработанных поверхностей и погрешности позиционирования, представляющие рассогласование между заданной и фактической величинами подач.

Применяемые в современных автоматизированных металлорежущих станках высокоточные датчики положения и вычислительные устройства позволяют контролировать движение рабочего органа станка вплоть до долей микрометра и формировать управляющее воздействие для осуществление движения на микрометровую величину. Использование существующих исполнительных механизмов, предназначенных для осуществления требуемого движения в реверсивном режиме, сопряжено с трудностями реализации малых перемещений из-за наличия зазоров в зубчатых передачах, недостаточной жесткости ременных передач. Для повышения точности движений рабочего органа металлорежущего станка предлагается концепция исполнительного механизма, способного осуществить перемещение на требуемую малую величину, задаваемую устройством управления. Исследованием приводов подач занимались такие ученые, как М.Г. Чиликин, В.Э. Пуш, Б.А. Пронин, L. Moronuki и др.

Имеется положительный опыт использования электромеханического привода с фрикционной передачей в сверхточных станках, в т.ч. уникальных. По принципу действия фрикционная передача, преобразующая вращение электродвигателя в поступательное движение рабочего органа, напоминает реечную передачу. Отличие заключается в том, что зацепление звеньев передачи осуществляется за счет сил трения. Подобные приводы применены, например, на станках мод. UDT-130B фирмы Toshiba (Япония) для точения мини-дисков.

Анализ методов повышения точности движения рабочих органов прецизионных МРС и опыт исследований, выполненных в СГТУ, показал, что МФП обладает высокой технологичностью, не требует специализированных (зуборезных и т.п.) станков для производства, ее элементы могут сравнительно легко выполняться по самым высоким требованиям точности. Отсутствие зазоров и упругих элементов в кинематической схеме гарантирует высокую жесткость и низкую виброактивность привода, отсутствие геометрического скольжения обеспечивает высокий КПД. Указанные факторы в сочетании с направляющими с низким трением дают основание для применения МФП в составе прецизионного привода подачи. В соответствии с целью исследования и проведенным анализом в работе поставлен и решен ряд задач, связанных с разработкой феноменологической модели точности сверхпрецизионной обработки, с обоснованием комплекса моделей, описывающих физическую сущность процессов в многоступенчатой фрикционной передаче и определяющих параметрическую надежность привода, разработкой методики и алгоритма диагностирования привода подач МФП токарного модуля, с обоснованием алгоритма и переменной структуры управления шаговым приводом подачи автоматизированного прецизионного станка с МФП, сочетающих замкнутое и разомкнутое управление, с обоснованием модели расчета погрешности позиционирования суппорта токарного модуля с малыми скоростями и практической реализацией привода с беззазорной МФП в токарных модулях.

Во второй главе предложена и обоснована феноменологическая модель точности сверхпрецизионной обработки в виде двумерной функции нормального распределения погрешностей, учитывающей погрешности двух формообразующих движений: позиционирование рабочего органа с инструментом и вращение шпинделя с заготовкой, при условии минимизации влияния на точность обработки в установленных пределах возмущающих воздействий (температурных, вибрационных, силовых, упругодеформационных, триботехнических, износа инструмента).

Основные показатели качества Пк токарной и шлифовальной обработки: точность размера Тр, точность формы Тф, волнистость В, шероховатость Ш, качество поверхностного слоя Кпс (рис. 2)

Пк=f (Тр, Тф, В, Ш, Кпс).                                                                                                                                                                                                (1)

Доминирующими показателями качества П2к можно принять точность размера и волнистость, т.к. они наиболее явно влияют на эксплуатационные свойства изделий, сравнительно просто определяются и достигаются наладкой оборудования.

П2к=f (Тр, В).                                                                                                                                                                                                                                                        (2)

Эти факторы часто взаимосвязаны, т.к. определяются в основном точностью относительных движений инструмента и детали (рис. 2).

Рис. 2. Основные факторы, влияющие на качество прецизионной обработки

Для количественной оценки точности Тп по результатам реального измерения деталей вычисляется коэффициент запаса точности СТ по формуле

,                                                                                                                                                                                                                                (3)

где , – верхний и нижний предел допуска, соответственно; σ – среднее квадратическое отклонение размеров деталей.

Точность Тп оценивается исходя из следующих соотношений: Ст>1,33 – стабильный процесс формообразования, хороший запас точности;
Ст = 1,0… 1,33 – критический режим, так как могут появиться дефекты детали, требуется внимательное наблюдение; Ст < 1,0 – необходимо выяснить причину появления дефектных деталей и принять меры управляющего воздействия, неудовлетворительный запас точности.

Отклонения от точности (погрешность обработки) носит вероятностный характер, поэтому совместная функция плотности вероятностей будет определять вероятность того, что значения отклонений от размера и круглости для двух точек наблюдения находятся внутри некоторой определенной пары промежутков величин в любой момент времени

.                                (4)

Совместная функция плотности вероятности обеспечивает достаточно большое количество информации о качестве процесса формообразования. Учет всех комбинаций величин отклонений позиционирования инструмента и детали и вращения шпинделей нагляднее всего представить в трехмерном пространстве (рис. 3). При этом функции точности позиционирования инструмента и детали и вращения шпинделей сравнительно легко измерить, что способствует их широкому применению для описания случайных процессов формообразования.

Рис. 3. Модель точности обработки

Совместная функция плотности вероятности определяет вероятность того, что значения амплитуды изучаемого процесса на двух точках наблюдения находятся внутри некоторой определенной пары промежутков амплитуд в любой момент времени, т.е.

.                                                                                        (5)

Совместная функция плотности вероятности является гораздо более сложной, чем другие функции плотности вероятности, и хотя она обеспечивает довольно большое количество информации об изучаемом процессе, эта функция очень редко применяется на практике. Одна из существенных причин этого положения, вероятно, заключается в трудоемкости и продолжительности аналоговых измерений этой функции. Процесс измерений совместной функции плотности вероятности продолжителен, главным образом, потому, что необходимо учитывать все комбинации значений амплитуд х и у. Следовательно, результаты таких измерений получаются не в двухмерном, а скорей, в трехмерном пространстве.

Для случая n параметров решающее правило для признания МРС соответствующим заданному критерию точности

                                                                                                                                                                                                                               (6)

где . Параметрическая модель создается в течение ряда этапов. Для реальных технических объектов зависимость показателя качества от значений их основных параметров обычно сложна и получить ее в явном виде можно только для простейших объектов. Создание параметрической модели качества обработки на МРС существенно усложняется необходимостью анализа зависимости показателя качества – точности обработки – от параметров формообразующей подсистемы и процесса резания.

Первый этап такого анализа, в наименьшей степени поддающийся формализации – определение перечня параметров (составляющих вектора), оказывающих влияние на показатель качества.

Второй этап создания параметрической модели заключается в определении в пространстве параметров тех их разрешенных значений, которые позволяют сформировать область , соответствующую заданному значению показателя качества.

Третий этап построения модели связан с выделением доминирующих параметров, связанных с формообразованием на данном МРС при дополнительных ограничениях, накладываемых на внутренние и внешние влияющие факторы и выходные параметры точности обработки. При этом используются результаты экспериментальных исследований с применением методов математической статистики и планирования многофакторных экспериментов. Указанное позволяет в конечном итоге сократить количество измеряемых параметров вектора и осуществить переход от исходной n- мерной допусковой области к области с меньшей размерностью . Следует отметить, что область в этом случае представляет собой m - мерный гиперпараллелепипед. Снижение размерности допусковой области упрощает процесс построения и исследования искомой параметрической модели качества обработки на МРС.

В теории управления управляемость обозначает возможность перевести систему из одного состояния в другое. Другими словами управляемость это способность объекта должным образом реагировать на команды управления. Это одно из важнейших свойств системы управления и объекта управления описывающее возможность перевести систему из одного состояния в другое. Система управляема, если каждому воздействию управления соответствует строго определенное состояние параметров объекта, неуправляема или малоуправляема, если объект управления меняет свои параметры произвольно.

В приводах поперечной подачи шлифовальных станков достаточно эффективно использование разомкнутого шагового привода с беззазорной механической передачей, обеспечивающих движения с необходимой точностью и стабильностью. Возможность программного управления на основе современной микропроцессорной системы позволяет получить достаточно высокий уровень автоматизации как специализированных, так и универсальных шлифовальных станков.

К особенностям внутреннего круглого шлифования с точки зрения формообразования можно отнести низкую жесткость внутришлифовального шпинделя, сравнительно быструю потерю формы абразивным инструментом вследствие износа, а также трудности в управлении из-за того, что почти весь объем отверстия в процессе обработки занят инструментом и шламом, и доступ к внутренней обрабатываемой поверхности затруднен.

С участием автора было разработано и изготовлено устройство для автоматического управления приводом подачи внутришлифовального станка 3А227, лишенное указанных выше недостатков (рис. 4).

   

Расстояние между шлифовальным кругом и деталью в исходном положении шлифовальной бабки остается неизменным в течение всего периода стойкости шлифовального круга.

В устройстве предусмотрена возможность управления отдельными элементами цикла с помощью прибора активной контроля. В общем случае позиционирование рабочего органа осуществляется путем задания определенного числа импульсов, подаваемых на электронный коммутатор.

Для регистрации характера движений бабки изделия использовался датчик с чувствительностью 50 мм/мкм. Каждому управляющему импульсу соответствовало вполне определенное перемещение бабки изделия, равное 0,2 мкм (рис. 5). Сила, развиваемая бабкой изделия в направлении движения, составляет более 1000 Н.

Технические требования к поверхности качения колец роликовых подшипников предусматривают выпуклость профиля в продольном сечении в пределах нескольких микрометров. В способе многобрусковой обработки, используемом в станке МДА-92, это реализуется кинематикой формообразующих движений брусков относительно вращающегося кольца. За счет угла α≠0 между осями, при вращении инструментальной головки образуется выпуклый профиль наружной поверхности внутреннего кольца роликового подшипника.

Рассмотрим механизм формообразования, используя системный подход на базе традиционной математической модели погрешности механического устройства, что позволяет выявить влияние отдельных факторов на точность обработанной поверхности, то есть источники погрешности в самой схеме формообразования. Погрешность механического устройства будем представлять как функцию формообразования, так как для металлорежущего станка она представляет собой аналитическую зависимость между движением звеньев формообразующей системы станка и траекторией движения точек инструмента относительно обрабатываемой детали. Для построения функции формообразования наиболее удобен математический аппарат преобразования координат. Экспериментально-аналитическое моделирование позволило адекватно описать процесс формирования профиля поверхности качения внутреннего кольца подшипника при суперфинишной обработке.

Для токарных станков при дополнительных ограничениях, накладываемых на внутренние и внешние влияющие факторы и выходные параметры точности обработки (при условии достаточно жесткой конструкции, незначительный износ инструмента и т.п.) доминирующими параметрами, связанными с формообразованием, являются точность вращения шпинделя и точность перемещения инструмента (суппорта).

Параметрическая модель точности обработки для двух определяющих параметров x1 и x2 может быть представлена в виде зависимости некоторого критерия P(x1 x2) (рис. 3). Область D определяет минимально допустимое значение критерия PD(x1 x2), а ее проекция на плоскость параметров – допусковую область нахождения параметров x1 и x2. Для случая токарной обработки параметр x1 – точность позиционирования инструмента (суппорта) на прецизионном токарном модуле ТПАРМ достигла 0,2 мкм,
x2 – точность вращения детали (шпинделя). Эти параметры определяются на стадиях разработки, изготовления и эксплуатации станка. В результате такого подхода при условии минимизации тепловых и вибрационных возмущений точность при обработке деталей из алюминиевых сплавов на прецизионном токарном модуле ТПАРМ погрешность обработки не превышала 0,5 мкм при шероховатости поверхности Ra на уровне 0,04 мкм.

В третьей главе разработан комплекс моделей, описывающих физическую сущность процессов в многоступенчатой фрикционной передаче и определяющих параметрическую надежность привода, состоящий из:

- математической модели распределения сил между элементами двух- и трехступенчатой МФП, позволяющей определить оптимальные значения угла между векторами сил поджима роликов, минимальное взаимовлияние фрикционных пар при передаче момента, создающего тяговую силу.

- математической модели, описывающей динамические характеристики МФП, включающие анализ моментов инерции роликов и штока и выявление доминирующей роли момента инерции первых двух роликов, позволившей рассматривать МФП как звено с передаточной функцией 2-го порядка и выполнить оптимизацию передаточных отношений ступеней МФП, эффективность которого показана на примере анализа трехступенчатой ФП приводов подачи модуля ТПАРМ (рис. 6).

В динамическом режиме на фрикционный ролик действуют несколько сил – сила прижатия Pn, окружная сила F, приложенная со стороны ведущего ролика, и силы реакции Nк и N (рис.7). Силами тяжести и трения в опорах роликов (в подшипниках) можно пренебречь ввиду их несопоставимой малости с действующими силами. В передаче может применяться линейная и угловая схема расположения осей роликов. В линейной схеме ролики располагаются на одной прямой, в угловой схеме – в углах многоугольника. Линейная схема расположения роликов трудно реализуема технически, поэтому в дальнейшем не рассматривается. При угловом расположении роликов действующие в передаче силы влияют друг на друга. Передаваемые окружные силы вызывают соответствующие силы реакции N, которые, складываясь с прижимными силами, изменяют действие последних на ролики в сторону увеличения или уменьшения.

Увеличение прижимных сил приводит к перегрузке передачи и ускоренному износу роликов, уменьшение может привести к пробуксовке передачи. Построена математическая модель, оптимизирующая силы прижатия роликов.

Входными параметрами модели являются геометрические параметры роликов (d1 – d4, D2 – D4), коэффициент трения kтр роликов и требуемая максимальная развиваемая сила на выходе передачи Fтреб. Выходными параметрами являются передаваемые каждым роликом окружные силы F1 – F4, силы реакции Nк1 – Nк5, прижимные силы Pn1 – Pn4 и углы и между линиями, соединяющими оси роликов O1-O2-O3 и O2-O3-O4 (рис. 7).

Введём обозначения: 2 = d2/D2; 3 = d3/D3; 4 = d4/D4.

Определим требуемый момент двигателя:

       .        (7)

После выбора двигателя определим развиваемую им окружную силу:

       .        (8)

Запишем уравнения равновесия системы:

       (9)

Данная система имеет следующее решение:

       (10)

Оптимальные значения углов и с точки зрения минимизации сил прижатия получим, решив уравнения

               (11)

Подставив в модель данные трехступенчатого фрикционного редуктора ТПАРМ, получим оптимальные значения углов о = 112,0° и о = 105,5°. При отклонении углов и от оптимальных значений увеличиваются требуемые силы прижатия Pn1 – Pn3, необходимые для обеспечения заданной силы F4 на штоке передачи. На рис. 8 представлены графики изменения сил Pn1 – Pn3 и Nk4 в зависимости от углов и , сплошной и пунктирной линией обозначены графики при движении штока в разные стороны. Выбор оптимальных углов и минимизирует значения сил прижатия роликов Pn1 – Pn3 для обеспечения заданной силы Fтреб на штоке.

Рис. 8. Графики зависимостей сил Pn1 – Pn3 и Nk4 от углов и ,
сплошной и пунктирной линией отмечено движение штока в разные стороны

Взаимодействие сил в приводе оказывает влияние на его динамические параметры, важнейшим из которых является приведенный момент инерции, определяемый моментами инерции отдельных элементов и передаточными отношениями. Оптимизация сил в приводе позволяет минимизировать его приведенный момент инерции и диапазон скоростей и ускорений движения суппорта.

Геометрические параметры роликов фрикционной передачи имеют прямое влияние на момент инерции привода. Ролики, находящиеся в кинематической цепи дальше от вала двигателя, обладают меньшим моментом инерции, приведенным к валу двигателя. Расчет моментов инерции трехступенчатой ФП показал, что наибольшим приведенным моментом обладает второй ролик передачи. Для его уменьшения логично увеличить передаточное отношение первой пары роликов. С другой стороны, чем больше передаточное отношение пары роликов, тем больше диаметр второго ролика, что приводит к увеличению его момента инерции. Имеем два фактора, противоположно влияющих на величину передаточного отношения пары роликов. Для оптимизации распределения передаточных отношений пар роликов построена математическая модель, по которой, задав диаметр первого ролика, получим величины диаметров второго и последующих роликов. Модифицированный автоматизированный алгоритм вычисления динамических параметров привода, используя полученные геометрические параметры роликов, вычисляет момент инерции привода как функцию от параметра q, т.е. зависящую от распределения передаточных отношений в передаче.

На рис. 9. приведены графики зависимости момента инерции привода от параметра q, на которых виден явный минимум. Значению q в минимуме функции I(q), соответствуют оптимальные значения i0 и i1, графики которых для 10<iп<25 приведены на рис. 10.

Приведенные моменты инерции деталей привода изображены на рис. 11. Проведенный анализ динамических показателей привода подачи металлорежущего станка на основе трехступенчатой фрикционной передачи с преобразованием вращательного движения в поступательное показал, что наибольшее влияние на величину полного момента инерции привода оказывает второй ролик фрикционной передачи. Массивный суппорт, расположенный в конце кинематической цепочки, оказывает значительно меньшее влияние. Понижение момента инерции второго ролика его конструктивными изменениями оказывает наибольший эффект на полный момент инерции привода.

Рис. 11. Моменты инерции деталей привода

на основе трехступенчатой фрикционной передачи, приведенные к входному валу

Модернизация станка ТПАРМ 100 путем объединения двух трехступенчатых ФП в один блок показала возможность получения точности перемещений 0,02 мкм (рис. 12, а). Общее передаточное отношение фрикционного редуктора при этом составило 1/10000, а передаточный коэффициент 6 мкм/об. В указанной комплектации была достигнута точность движений суппортов станка до 10 нм. Фото станка с модернизированным приводом приведено на рис. 12, б.

  а  б

В рамках модернизации трехступенчатой ФП разработана схема четырехступенчатой ФП. Для осуществления прижатия один из роликов в фрикционной паре должен быть плавающим, расположенным на подвижной опоре. МФП с нечетным количеством ступеней имеют два соседних подобных ролика. Такое расположение роликов с подвижными опорами, как показала практика, сложно реализовать технически, поэтому разработан ряд многоступенчатых ФП с четным количеством ступеней.

На основании сравнительного анализа динамических характеристик привода на основе 3- и 4-ступенчатых ФП и на основе ШВП. Обоснована целесообразность применения МФП с четным числом ступеней, произведена оценка параметров ряда приводов с 2-, 4- и 6-ступенчатыми ФП.

В четвертой главе рассматривается надежность функционирования и организация диагностирования привода с мфп. Приведен анализ факторов, которые приводили к снижению параметрической надежности и отказам приводов и ТМ. Теоретические исследования и практический опыт обусловили необходимость системного подхода к анализу параметрической надежности не только привода подачи в целом, но и собственно МФП, что позволило в соответствии с концептуальными положениями связать на междисциплинарном уровне физические процессы в контактах фрикционных пар, вопросы долговечности МФП, особенности силового взаимодействия роликов, динамические и точностные характеристики привода, а также вопросы его настройки, диагностирования и обслуживания.

Используемые на ТМ типа ТПАРМ в приводах подачи МФП имеют, как указывалось выше, ограничения по величине развиваемой силы на штоке, причем верхний предел связан с величиной контактного напряжения сжатия σсждоп в наиболее нагруженной фрикционной паре, а нижний предел – с пробуксовкой роликов в случае, когда сила резания становится сравнимой с предельной величиной Fштmax. В первом случае снижается долговечность МФП, а во втором – резко снижается параметрическая надежность привода подачи и модуля в целом. Это обусловило целесообразность контроля величины Fштmax как интегрального диагностического параметра, определяющего работоспособность МФП.

Основная зависимость, определяющая работоспособность МФП, имеет вид

                                                                                                                                                                                                                               (12)

где Рn – сила прижатия роликов; kmp – коэффициент трения; βc – запас сцепления (для силовых передач βc = 1.2...2,0, для приборных βc = 2,0...3,0); Fτ – передаваемая окружная сила. Из формулы (15) следует, что сила Рn значительно превышает Fτ. Для роликов МФП используются закаленные стали твердостью HRC 60 (шероховатость поверхности Rа = 0,32...1,25 мкм), например, ШХ-4, ШХ-15, 18ХГТ, 18ХВН, 65Г и другие. Исследования показали, что периодические структурные преобразования поверхностных слоев взаимодействующих роликов в процессе работы наряду с попаданием на них пыли, влаги, масла и т.п., вызывают колебания значений kmp. При этом меняются не только тяговые свойства МФП, но и параметрическая надежность привода подачи.

В МФП действующая в зоне контакта роликов касательная сила Fτ, зависящая в основном от момента нагрузки, влияет на нормальные силы в соседних точках контакта. В процессе эксплуатации МФП взаимовлияние фрикционных пар проявляется в несимметрии привода подачи, выражающейся в различии максимальных усилий Fmax, развиваемых приводом при движении суппорта в различных направлениях, что влияет как на динамические свойства привода, так и на его параметрическую надежность в целом. Экспериментальные исследования показали, что относительное изменение Fmax при реверсировании привода составило около 40%. Упомянутое усилие может быть использовано для оценки технического состояния МФП и диагностирования привода подачи. Учет взаимовлияния сил в МФП обеспечивает рациональное распределение усилий в фрикционных парах и минимизацию их силового взаимовлияния при передаче момента, что способствует повышению кинематической точности и долговечности МФП.

При прижатии роликов МФП с силой Рn происходят их упругие деформации, в результате чего вместо линии касания образуется площадка (полоска) касания. При больших усилиях сжатия на площадке касания возникают значительные контактные напряжения, носящие переменный характер, которые при многократном приложении вызывают усталостное разрушение рабочей поверхности. Для расчета максимальной величины контактного напряжения сжатия используется формула Герца-Беляева:

                                                                                                                                                               (13)

где – приведенный модуль упругости; – приведенный радиус кривизны; σсждоп – допускаемое контактное напряжение сжатия (для закаленной стали σсждоп = 800 МН/м2).

Для оперативного определения усилия Fштmax,, развиваемого приводом в процессе эксплуатации, было разработано динамометрическое устройство (ДУ), позволяющее фиксировать усилие прижатия до 1000 Н с погрешностью не более 25 Н. В процессе измерения ДУ размещалось между элементами станины и кареток модуля. Движение кареток осуществлялось в ручном режиме. В момент проскальзывания фиксировалась величина Fштmax. В условиях эксплуатации контроль усилия Fштmax был выполнен на 38 модулях ТПАРМ-100 (рис. 11) и 2 модулях ТПАРМ-100М.

Результаты измерений (табл.1) свидетельствуют о том, что после внедрения ДУ в 2,5 раза уменьшилось количество «буксующих» приводов с Fштmax< 400Н, что обеспечило значительное снижение числа отказов ТМ.

Таблица 1

Усилие

Количество приводов

на штоке

до внедрения ДУ

после внедрения ДУ

<400 Н

25%

10%

400Н-600Н

75%

56%

>600Н

-

34%

После внедрения ДУ и предложенной методики настройки был проведен контроль функционирования ТМ на предмет фиксации отказов по причине привода в течении нескольких месяцев. Суммарное время восстановления за период наблюдений снизилось со 100 до 2 часов. Время наработки на отказ, соответственно, увеличилось со 100 часов до 400 часов (рис. 14).

Из схемы испытательного стенда (рис. 15) видно, что при наличии односторонней нагрузки на шток в виде груза, подвешенного через блок, скорость штока будет отличаться от расчетной или от скорости холостого хода: при опускании груза скорость будет больше, а при подъеме - меньше на величину, определяемую скольжением.

Обеспечив достаточно точную фиксацию штока в момент измерения, относительное скольжение можно определить по формуле

                                                                                                                                                                                                                                               (14)

где Δξ – абсолютное скольжение (мм), замеренное индикатором часового типа 4, L – длина одного прохода (мм), p – число двойных ходов.

Исследование МФП с ШД заключалось в определении зависимости величины скольжения от различных параметров работы привода. На рис. 16 показана зависимость относительного скольжения в МФП от нагрузки на штоке.

В результате испытаний подтверждена целесообразность применения ДУ для оперативной оценки величины Fштmax в условиях настройки и эксплуатации. Выявлена необходимость введения параметра «сила, развиваемая приводом подачи» в перечень показателей, включенных в ТУ на технологическое оборудование с МФП и в алгоритм диагностирования. Кроме того, алгоритм диагностирования включен контроль С учетом вышеизложенного можно сделать вывод о том, что МФП в состоянии конкурировать по надежности с зубчатыми и винтовыми передачами в приводах подачи прецизионного технологического оборудования.

В пятой главе обоснован алгоритм и переменная структура управления шаговым приводом подачи автоматизированного прецизионного станка с МФП, сочетающие замкнутое и разомкнутое управление с распределением задачи достижения точности перемещения между датчиком обратной связи и вычислительным управляющим устройством. Аэростатические направляющие и МФП в приводах подачи токарных обеспечивают отсутствие люфтов, мертвых ходов, нет зоны нечувствительности, прерывистых и скачкообразных подач, высокий КПД. Обеспечивается сохранение неизменно высокой начальной точности в течение долгих лет эксплуатации. Простота конструкции, надежность МФП обеспечивают высокую управляемость и надежность привода.

Предлагается принцип управления привода подачи прецизионного металлорежущего станка с частично-замкнутой схемой управления. На рис. 17 показан принцип действия такой системы. Суппорт с помощью замкнутой системы предварительного позиционирования с большой дискретностью устанавливается на одну из дискретных позиций (Ni) и далее в разомкнутом режиме с меньшей дискретностью доводится до требуемой точки X.

Рис. 17. Принцип работы системы с переменной структурой управления

Выполнены исследования и проведены серии экспериментов с целью оценки погрешности позиционирования привода. Был модифицирован привод поперечной подачи станка ТПК125В установкой фрикционной передачи вместо винтовой (рис. 18, а). Исследования проводились с помощью разработанной схемы управления шаговым приводом с МФП на основе ЭВМ. Измерения перемещения осуществлялись индикатором перемещения «Микрон-02» с индуктивным датчиком в режиме дискретности 0,01 мкм (рис. 18, б).

 

а                                                                                                                                                                                                                                                                                                                б

Измеренная величина реального перемещения при отработке одного шага составила 2,45 мкм, что соответствует значению, полученному с помощью автоматизированного алгоритма расчета параметров привода. Для измерения погрешности перемещения производилось реверсивное движение на 1 шаг с частотой 1 Гц, направление движения менялось на каждом шаге. При отработке серии из 100 импульсов погрешность перемещения на каждом шагу не превысила 0,15 мкм.

Известно, что дискретность измерений ДОС при использовании традиционных приводов должна быть на порядок выше разрешающей способности (дискретности) привода. Например, минимальный шаг подач линейных приводов Sodick – 0,1 мкм, поэтому используются дорогие линейки с дискретностью - 0,01 мкм. Предлагаемый принцип работы системы с переменной структурой управления позволит обеспечить более высокую точность перемещений, чем точность используемого ДОС за счет использования ШД, что позволяет осуществить управление движением между двумя соседними отсчетами измерительного устройства (датчика).

В прецизионных станках важнейшая задача приводов - поддержание величины подачи в соответствии с заданным системой ЧПУ. Любое отклонение величины подачи от оптимальной – это падение точностных характеристик привода и потеря качества обработки.

Функциональная схема системы, реализующий предложенный принцип управления, приведена на рис. 19. Блок управления на основе данных, поставляемых блоком мониторинга, генерирует управляющие шаговым двигателем сигналы, обеспечивая предварительное позиционирование и доводку. Используя возможности микрошагового режима шагового двигателя, доводка может позиционировать суппорт с достаточно высокой точностью (сотые доли микрометра).

Рис. 19. Функциональная схема управления привода
с шаговым двигателем и фрикционной передачей

Например, при движении суппорта на 100 шагов и относительном скольжении менее 0,1% проскальзывание фрикционной передачи составит менее 100 · 0,001 = 0,1 шага. При величине шага, равной 1 мкм, проскальзывание не превысит 0,1 мкм. При прохождении очередной дискретной позиции проскальзывание обнуляется. Оптимизация длины шагов предварительного позиционирования и доводки является одной из задач при проектировании такого привода.

Динамическое изменение нагрузки на режущий инструмент в процессе резания при переходе от одной позиции к другой, т.е. в моменты, когда фактическое значение положения инструмента неизвестно, может внести существенные отклонения в управляемое движение. Системой мониторинга в процессе движения собирается информация о фактическом соотношении заданного и отработанного перемещений (скольжении) в моменты прохождения дискретных позиций Ni под контролем обратной связи. При определении управляющего воздействия в разомкнутом режиме используются измеренные значения. Эти значения с определенной достоверностью соответствуют фактическим значениям в данный момент времени.. Чем измеренные значения ближе к точке позиционирования X (рис. 3а), тем они достовернее. Чем их больше, тем ниже вероятность выбросов. Оптимизация количества учитываемых измерений – одна из задач системы управления и контроля. Эта задача решается как при проектировании системы управления, так и при эксплуатации станка в процессе выполнения алгоритма управления. Использование МФП в сочетании с ШД обеспечивают высокую динамическую точность в реверсивном режиме работы прецизионных станков.

В табл. 2 представлены граничные значения динамических параметров 2-, 4- и 6-ступенчатых ФП. Передаточное отношение фрикционной пары целесообразно задавать в диапазоне от 1/2 до 1/7. Шаговый двигатель, помимо реализации полных дискретных перемещений, позволяет производить так называемые «микрошаги» – микроперемещения в пределах одного шага. В связи с особенностью контроллеров ШД, дискретность микрошагового режима обычно кратна 2n, где n – целое число. Современные контроллеры реализуют дробление шага 1/32 и 1/256. Специальные контроллеры позволяют достичь дискретности до 1/4096. В табл. 3 приведены значения дискретности шагового привода, функционирующего в микрошаговом режиме, с МФП.

Таблица 2

Основные параметры МФП

Количество ступеней

2

4

6

Передаточный коэффициент, мм/об

2,64

0,11

0,004

Момент инерции, 10-6 кгм2

1,37

1,34

1,33

Макс. скорость суппорта, мм/с

176

7,33

0,28

Дискретность, мкм

11

0,46

0,018

Таблица 3

Дискретность шагового привода с МФП в микрошаговом режиме

Дискретность дробления шага
микрошагового режима

Дискретность привода, мкм,
при количестве ступеней МФП

2

4

6

1/32

0,344

0,0140

0,000 560

1/256

0,043

0,0018

0,000 070

1/1024

0,010

0,0005

0,000 018

2-, 4- и 6-ступенчатые ФП могут применяться в машиностроении в качестве механической передачи прецизионного привода подачи в диапазонах скоростей 0,28 – 176 мм/с, дискретности 0,000018 – 11 мкм, передаточного коэффициента 0,004 – 2,64 мм/об.

Экспериментальная проверка возможности обеспечения сверхпрецизионной точности формообразующих движений рабочих органов автоматизированных станков на основе привода с МФП проводилась на модернизированном модуле ТПАРМ, используемом для электроискровой обработки. В качестве привода подачи была использована шестиступенчатая ФП, изготовленная путем объединения двух трехступенчатых ФП с общим передаточным отношением 10000.

Таким образом, задача повышения управляемости приводов подачи и достижения точности прецизионных станков смещается на вычислительные элементы системы управления. Смещение функции достижения точности в сторону усложнения управления (обработки информации) соответствует современным тенденциям развития машиностроения.

В шестой главе решается задача обеспечения прецизионной обработки на токарном модуле повышением точностных характеристик следящего привода подач.

В общем виде суммарная погрешность, связанная с работой следящего привода подач металлорежущего станка с ЧПУ, состоит из следующих основных слагаемых

                                                                                                                                                                                                               (15)

где – суммарная погрешность, связанная с конечной величиной времени восстановления, за период которого уже возникает дополнительное рассогласование. Процесс восстановления носит некоторый дискретно-непрерывный характер и возможно начало действий по исключению уже исчезнувшей или возросшей ошибки позиционирования, что можно наблюдать по возникновению явлений резонансного характера. – суммарная конструктивная погрешность всей системы. Отсюда время задержки исполнения увеличивается на время выделения информации.

Для построения и анализа динамической модели следящего привода подач необходимо свести параметры движения его элементов к начальному либо конечному звену, как указано в главе 3. Анализ необходим для организации высокоточного управления приводом.

Получены переходные функции:

по скорости

                                                                                               (16)

по перемещению

                                                                                               (17)

по ускорению

,                                                                                                                                                                        (18)

где постоянные множители

kv=f1/h1, ,  , ,  .

Функцию Hs(t) представим в виде Тs(t)

                                                                                                                                               (19)

являющейся гладкой кривой, поддающейся определению при выполнении криволинейных поверхностей по управляющей программе. Макро-отклонения реальной функции Трs(t) от Ts(t) исключаются введением коррекции. Микроотклонения Hs(t) от Ts(t) в виду кратности временных циклов исключить значительно сложней, что в конечном счете определяет волнистость на поверхности детали, вызванную именно погрешностями данной системы управления. На рис. 20 представлены графики изменения Hа(t) – кривая 1, Hv(t) – 2, Hs(t) – 3, а также, кривая 4 – Tps(t) =Ts(t) – Hs(t), 5 и 6 – линии верхней и нижней границы поля допуска.

Для уменьшения времени успокоения системы, упрощения программного управления по учету тенденции девиации погрешности и снижения вероятности ее возникновения, вводится корректирующее звено по отклонению.

Предложенные динамические модели влияния управления исполнительной подсистемой станка на конечную точность позиционирования суппорта токарного модуля для ситуации подачи единичного управляющего воздействия являются удобными для выявления основных значащих факторов.

Рис. 20. Результаты моделирования переходных процессов
К=21; R= 10мм; П1=10; П2=1; D=0.000016; в=0.0000125; Тд=0.03с; h=0.005; Ко=100

Получены модели погрешности позиционирования суппорта токарного модуля с малыми скоростями, которые позволяют обосновать, что при установленных ограничениях на погрешность вращения оси шпинделя, дискретность ДОС, изменение температуры элементов конструкции станка и окружающей среды, значения сил резания и характеристики режущей части резца, токарный станок обеспечивает сверхпрецизионную обработку малогабаритных деталей машино- и приборостроения. Измерения производились на токарных модулях ТПАРМ-100 (среднее квадратическое отклонение измерений – 0,2 мкм), ТПАРМ 80 (СКО – 0,1 мкм), электроискровых станках на базе ТПАРМ (СКО – 0,02 мкм).

Использование МФП на модулях типа ТПАРМ обеспечивает достаточно высокую точность деталей в условиях эксплуатации: погрешность размера не более 2 мкм, отклонение от круглости не более 0,5 мкм, шероховатость Ra – 0,03…0,05 мкм (рис. 21).

Рис. 21. Точностная диаграмма обработки на модуле ТПАРМ-I00M
при стабилизированном тепловом поле (деталь из сплава АK4T,
диаметр 62,5 мм, резец со вставкой из природного алмаза)

На модулях ТПАРМ-80 за счет совершенствования ЛИ точность обработки повышена до 0,5…1,0 мкм.

Основные выводы

  1. На основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований обоснована необходимость повышения точности формообразующих движений рабочих органов прецизионного технологического оборудования за счет применения МФП в силу того, что известные механические передачи приводов не удовлетворяют ряду требований для применения их в приводах подачи, обеспечивающих сверхпрецизионное формообразование деталей.
  2. Предложена феноменологическая модель формирования точности обработки на прецизионных станках и по результатам исследований шлифовальных, суперфинишных и токарных станков обосновано, что при минимизации основных возмущающих воздействий точность сверхпрецизионной обработки деталей с размерами 30... 80 мм по 1...3 квалитетам на прецизионных МРС достигается повышением точности позиционирования рабочих органов до 0,1...0.2 мкм и минимизацией влияния динамических процессов в технологической системе, при этом для решения проблемы необходим системный подход, базирующийся на реализации новых конструктивных решений, совершенствовании методов диагностирования, испытаний, технического обслуживания станков и управлении точностью обработки.
  3. На основе разработанного комплекса моделей, описывающих физическую сущность процессов в МФП, сформулированы принципы, предложены критерии и разработана методика формирования оптимальных структуры и динамических характеристик МФП.

4. Анализ контактных и силовых взаимодействий в многоступенчатой МФП определяет необходимые для конструирования соотношения геометрических размеров роликов, что обеспечивает, в совокупности с выбором оптимального угла между векторами сил поджима роликов, минимальное взаимовлияние фрикционных пар при передаче момента, создающего тяговое усилие МФП привода подачи модуля. Разработана математическая модель взаимодействия сил, возникающих при работе двух и трехступенчатой фрикционных передач, что позволяет оптимизировать силы прижатия роликов, обеспечить повышение кпд многоступенчатых фрикционных передач.

5. Исследования взаимодействия фрикционных пар при работе без смазки и со смазкой, а также полученные значения коэффициентов трения при различных состояниях поверхностей, свидетельствуют о целесообразности применения масла в качестве рабочей среды для стабилизации триботехнических и силовых параметров и повышения долговечности МФП.

6. Экспериментально-аналитическое исследование работы привода подачи с МФП в режиме стружкодробления, недостижимого другими приводами, выявило влияние динамических характеристик привода на характер формообразующих перемещений суппорта и образование микрорельефа обработанной поверхности, а полученные аналитические зависимости позволяют оценить действительное значение подачи. Установлено, что привод с МФП модуля ТПАРМ обеспечивает эффективное стружкодробление с частотой до 20 Гц и амплитудой до 0,1 мм.

7. Разработанные методика, приспособление и устройство для настройки и контроля тягового усилия МФП, организация диагностирования привода подач с МФП токарного модуля по предложенному алгоритму, обеспечивают эффективное распознавание, а в ряде случаев и предотвращение отказов, что позволяет сократить время восстановления и значительно повысить эксплуатационную надежность модуля.

8. Полученные модели погрешности позиционирования суппорта токарного модуля с малыми скоростями позволяют обосновать, что при установленных ограничениях на погрешность вращения оси шпинделя, дискретности ДОС, изменение температуры элементов конструкции станка и окружающей среды, значения сил резания и характеристики режущей части резца, токарный станок обеспечивает сверхпрецизионную обработку малогабаритных деталей машино- и приборостроения.

9. Использование МФП в приводе подачи прецизионного токарного модуля ТПАРМ-100М, оснащенного лазерным интерферометром как датчиком обратной связи привода и аэростатическими направляющими суппорта, обеспечивает высокую точность обработки малогабаритных деталей из медных и алюминиевых сплавов (погрешность не более 2…4 мкм) и высокое качество их поверхности (Rа = 0,05…0,1 мкм).

Основные научные положения и результаты диссертации изложены
в следующих 42 работах (из общего количества 112 публикаций)

Публикации в журналах из перечня ВАК РФ

  1. Виноградов М.В. Методология анализа формирования параметров точности прецизионной обработки на этапах жизненного цикла станка / М.В. Виноградов, А.А.Игнатьев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (52). С. 41-49.
  2. Виноградов М.В. Оптимизация параметров четырехступенчатой фрикционной передачи привода подачи прецизионного металлорежущего станка / М.В. Виноградов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 3 (48). С. 37-42.
  3. Виноградов М.В. Устройство автоматизированной балансировки шпинделя прецизионного токарного модуля в условиях эксплуатации / М.В. Виноградов, К.С. Усакин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 2 (45). С. 132-137.
  4. Виноградов М.В. Совершенствование и результаты применения методики и аппаратуры для диагностирования трибосопряжений методом контактного сопротивления / В.Г. Куранов, М.В. Виноградов, В.В. Куранов // Вестник  Саратовского государственного технического университета. 2010. № 2 (45). С. 69-75.
  5. Виноградов М.В. Совершенствование приводов подачи прецизионных станков / М.В. Виноградов // Вестник Саратовского государственного технического университета.  2009. № 3 (41). С. 56-58.
  6. Виноградов М.В. Математический анализ взаимодействия сил в трехступенчатой фрикционной передаче / М.В. Виноградов, А.А. Павлов // Вестник Саратовского государственного технического университета.  2008. № 3 (34). С. 14-19.
  7. Виноградов М.В. Точностные показатели отечественного и зарубежного парка прецизионных металлорежущих станков / М.В. Виноградов, А.А. Павлов // Вестник Саратовского государственного технического университета.  2006. № 3 (14). С. 92-96.
  8. Виноградов М.В. Управление режимам шлифования в системе мониторинга производства подшипников / В.В. Горбунов, С.А. Игнатьев, М.В. Виноградов, М.В. Карпеев // СТИН. 2006. №2. С. 33-36.
  9. Виноградов М.В. Привод подачи с многоступенчатой фрикционной передачей для прецизионного токарного модуля / М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.А. Сигитов // СТИН. 2004. №11. С. 11-12.        
  10. Виноградов М.В. Обеспечение точности обработки на прецизионных токарных модулях за счет применения привод ов подачи с фрикционными передачами        / М.В. Виноградов // Вестник Саратовского государственного технического университета.  2004. №2. С. 51-61.
  11. Виноградов М.В. Обеспечение параметрической надежности приводов подачи высокоточных автоматизированных станков / А.А. Игнатьев, М.В. Виноградов, Е.А. Сигитов // Известия вузов. Машиностроение. 2003. №10. С. 63-68.
  12. Исследование динамического состояния прецизионных металлорежущих станков / М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, В.А. Добряков // СТИН. 1997. №10. С. 16-20.
  13. Виноградов М.В.         Параметрическая надежность приводов подачи с фрикционной передачей / М.В.Виноградов        , А.А.Игнатьев // СТИН. 1996. №1. С. 12-15.
  14. Виноградов М.В. Исследование точностных характеристик приводов подач прецизионных токарных модулей / М.В.Виноградов, Б.М.Бржозовский, А.А.Игнатьев // Известия вузов. Машиностроение. 1990. №3. С. 132-135
  15. Виноградов М.В.Устройство для управления подачей шлифовального станка / В.А. Шаталин, М.В. Виноградов, В.А. Турпетко, А.И. Бурмак, В.А. Зинченко // Станки и инструмент. 1977. № 11. С. 18-19.
  16. Виноградов М.В. Точность поперечной подачи внутришлифовального станка с шаговым двигателем / М.В. Виноградов, В.Г. Гончаренко // Станки и инструмент. 1977. №11. с. 18-19.

Монографии

  1. Виноградов М.В. Обеспечение нанометровой точности формообразующих перемещений рабочих органов прецизионных автоматизированных станков / М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.А. Сигитов. Саратов: Изд-во СГТУ. 2011. 102 с.
  2. Виноградов М.В. Мониторинг станков и процессов шлифования в подшипниковом производстве / А.А. Игнатьев, В.В. Горбунов, С.А. Игнатьев и др. Саратов: СГТУ, 2004. 124 с.
  3. Виноградов М.В. Управление качеством формообразования на прецизионных автоматизированных металлорежущих станках / М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.А. Сигитов и др. Саратов: СГТУ. 2003. 132 с.
  4. Виноградов М.В. Контроль в системах автоматизации технологических процессов / А.А. Игнатьев, В.А. Добряков, М.В. Виноградов и др. Саратов: СГТУ. 2001. 124 с.
  5. Виноградов М.В. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков: в 3 ч. Ч. 3 / А.А. Игнатьев, В.А. Добряков, М.В. Виноградов и др. Саратов: СГТУ, 1999. 124 с.
  6. Виноградов М.В. Диагностика автоматических станочных модулей / Б.М. Бржозовский, М.В. Виноградов, В.В. Бондарев, Ю.С. Филиппов и др. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1987. 156 с.

Авторское свидетельство

  1. А.с. 532082 (СССР), Устройство для управления подачей шлифовального станка / М.В. Виноградов, А.И. Бурмак, В.А. Шаталин и др. // Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1976. №38.

Статьи в других изданиях

  1. Виноградов М.В. Повышение управляемости приводов подачи прецизионных станков / М.В.Виноградов // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении: Матер. 4-й Междунар. конф. Рыбинск: РГТАУ им. П.А.Соловьева, 2012. С. 345-349.
  2. Виноградов М.В. Механическая передача без зубьев / М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.А. Сигитов // Наука: 21 век (транспорт и машиностроение). 2012. № 1. С. 64-68.
  3. Виноградов М.В. Дифференциальный двухдвигательный привод подачи с ШВП / М.В.Виноградов //Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2011. С. 30-33.
  4. Виноградов М.В. Обеспечение параметрической надежности приводов подачи высокоточных автоматизированных станков / М.В.Виноградов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 25-28.
  5. Виноградов М.В. Фрикционные передачи в приводах подачи для обеспечения нанометровой точности обработки / М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.А. Сигитов // ХIV Международная научно-практическая конф.: сб. ст. Пенза: Приволж. Дом знаний, 2010. с. 340-344.
  6. Виноградов М.В. Фрикционные передачи в современных прецизионных электроприводах станков / М.В.Виноградов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 18-21.
  7. Виноградов М.В. Управление малыми перемещениями в приводах подачи станков / М.В.Виноградов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 31-37.
  8. Виноградов М.В. Оценка динамических характеристик сервоприводов подачи с многоступенчатой фрикционной передачей / М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев // Динамика технологических систем: тр. viiI Междунар. науч.-техн. конф. / ДГТУ. Ростов н/Д., 2007. Т. II. С 210-214.
  9. Виноградов М.В. Привод подачи шлифовального станка с фрикционной передачей и шаговым двигателем / М.В.Виноградов, А.А.Павлов // Материаловедение и технология конструкционных материалов – важнейшие составляющие компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки: сб. ст. Всерос. совещания. Волжский: ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, 2007. С. 298-301.
  10. Виноградов М.В. Применение матричного метода для расчета формообразующей системы станка / М.В.Виноградов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2004. С.33-36
  11. Виноградов М.В. Динамическая модель привода с фрикционной механической передачей при холостом ходе и резании / М.В.Виноградов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2003. С.48-51.
  12. Виноградов М.В. Повышение точности формообразующих перемещений при прецизионной обработке на автоматизированных металлорежущих станках / М.В.Виноградов // Исследования станков и инструментов для обработки сложных и точных поверхностей: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2002. С.29-34.
  13. Виноградов М.В. Пути повышения точности обработки на прецизионных автоматизированных станках / М.В. Виноградов // Актуальные проблемы электронного приборостроения и машиностроения: сб. науч. ст. VI Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2002. С. 123-126.
  14. Виноградов М.В. Обобщенная модель точности обработки на автоматизированных станках / М.В.Виноградов, А.А.Игнатьев // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2002. С. 109-114.
  15. Виноградов М.В. Модель номинального функционирования формообразующей системы / М.В.Виноградов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2001. С.38-41.
  16. Виноградов М.В. Высокоточные автоматизированные приводы подачи станков / М.В. Виноградов // Исследования станков и инструментов для обработки сложных и точных поверхностей: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2000. С. 64-68.
  17. Виноградов М.В. Моделирование динамических процессов в приводах токарного модуля в режиме стружкодробления / М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.В. Кученева // Информационные технологии в науке, проектировании и производстве: тез. докл. Всерос. конф. ч. 1. Н.Новгород, 2000. С. 26.
  18. Виноградов М.В. Управление переменной подачей при прецизионной токарной обработке для реализации стружкодробления / М.В.Виноградов, Ю.С.Филиппов, А.А.Игнатьев // Точность и надежность технологических и транспортных систем: сб.ст. Междунар. конф. Пенза: ПДЗ, 1999. С. 169-170.
  19. Виноградов М.В. Точность позиционирования рабочих органов прецизионных металлорежущих станков / М.В.Виноградов // Управляющие и вычислительные комплексы в машино- и приборостроении: межвуз. науч.сб. Саратов: СГТУ, 1999. С.13-18.

ВИНОГРАДОВ Михаил Владимирович

Обеспечение точности исполнительных движений

в прецизионных автоматизированных станках

на основе привода подачи

с многоступенчатой фрикционной передачей

и переменной структурой управления

Автореферат

Корректор Л.А. Скворцова

Подписано в печать        Формат 6084 1/16

Бум. офсет.        Усл. печ. л. 2,0        Уч.-изд. л. 2,0

Тираж 100 экз.        Заказ        Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Тел. 24-95-70; 99-87-39  е-mail; izdat@sstu.ru







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.