Введение к работе
Актуальность темы определяется необходимостью создания конкурентоспособных металлорежущих станков. Приоритетным направлением повышения конкурентоспособности станков является улучшение их качества. Важнейшим показателем качества станка выступает его точность. Характерным показателем точности современных металлорежущих станков является размерная погрешность обработки в пределах 2-Ю мкм. Вместе с тем, температурные погрешности станка при обработке могут составлять от 40 до 100 мкм, что более, чем на порядок, превышает требуемую точность обработки.
Температурные погрешности станка вызываются .тепловыми деформациями его несущей системы. Величина тепловых деформаций предопределяется совокупностью решений, принимаемых на различных этапах жизненного цикла станка — от маркетинговых исследований до эксплуатации. Требуемая точность станка по величине его тепловых деформаций на различных этапах жизненного цикла определяется совокупностью решений, принимаемых специалистами разных профилей.
Современное автоматизированное производство, характеризуемое использованием CAD/CAM/CAE/PDM - систем, международных стандартов и форматов электронных данных, позволяет связать в единый комплекс решения, принимаемые на различных этапах жизненного цикла станка. Однако, для реализации этого необходима научная система поддержки решений, которая бы позволила количественно оценить влияние решений, принимаемых на различных этапах жизненного цикла станка, на величину его тепловых деформаций.
Анализ современного уровня развития автоматизации машиностроительного производства показывает, что наиболее эффективным способом повышения конкурентоспособности станков, приводящим к снижению стоимости проектирования, производства и эксплуатации оборудования, является использование новых интеллектуальных технологий, важнейшим компонентом которых являются автоматизированные системы научных исследований /АСНИ/. Так, практика предприятий, в частности станкозавода ОАО «СТЕРЛИТАМАК МТБ» (г.Стерлитамак), показывает, что только проектно-производственные решения по уменьшению влияния тепловых деформаций станков на точность обработки приводят к 30-50% увеличению их стоимости.
Использование АСНИ приводит не только к повышению эффективности и качества научных исследований, но и к улучшению технико-экономических характеристик разрабатываемых объектов. Применение технологий АСНИ в области управления тепловых деформаций станков сдерживается рядом причин, важнейшими из которых являются: малая информативность применяемых методов инженерного анализа термодефомационного состояния станков; относительно высокая длительность натурных тепловых испытаний станков; большие вычислительные затраты при прогнозировании термодеформационного состояния станка; недостаточная формализация управления температурной погрешностью станка при реализации конструкторских, технологических и эксплуатационных решений; недостаточное использование м^Й^і^даЩЩ^І^Ффективность
БИБЛИОТЕКА Cfleitptypr *>„ $ * 03 кип
построения математических моделей тепловых деформаций станков и применимых на этапах их проектирования, производства и эксплуатации.
Таким образом, научная проблема создания системы математических моделей тепловых деформаций станков для синтеза алгоритмов прогнозирования * и автоматической компенсации температурных погрешностей на различных этапах жизненного цикла станка является актуальной.
Решение этой проблемы осуществлялось в рамках следующих научно-технических программ: "Компьютеризированные интегрированные производственные системы" (приказ Мингособр СССР № 349 от 23.05.90), "Технологии, машины и производства будущего" (1990 - 1996 г., Госзаказчик - Миннауки России), "Инженирингсеть России" (Постановление Правительства РФ № 332 от 15.04.94); «Компьютерные и информационные технологии» (1996-2005 г., госзаказчик - Миноборонпром, Минатом, РКА); «Технологии промышленного оборудования».(1996-2005 г., Госзаказчик - Миноборонпром, Минатом, РКА, ГКНТ); г/б НИР "Разработка системы вероятностного моделирования металлорежущих станков как термодинамических систем" (1994 - 1998 гг).
Объект исследования - тепловые деформации металлорежущего станка на этапах проектирования, производства и эксплуатации.
Предмет исследования - закономерности управления температурной погрешностью станка за счет установления - связей между конструкторско-технологическими и эксплуатационными параметрами, с одной стороны, и выходными показателями точности, с другой.
Цель работы. Разработка автоматизированной системы поиска и принятия решения по автоматической компенсации температурной погрешности станка на различных этапах их жизненного цикла на основе установления связей между конструкторско-технологическими и эксплуатационными параметрами, с одной стороны, и выходными показателями точности, с другой.
Научная новизна работы состоит в совокупности теоретически обоснованных и экспериментально подтвержденных решений, обеспечивающих развитие АСНИ тепловых деформаций станков, и направленных на обеспечение параметров точности металлорежущих станков на различных этапах их жизненного цикла. Основными результатами, выносимыми на защиту, являются:
1) Структура, математическое описание и экспериментальное доказательство адекватности термоупругой модели, реализующей связи между конструктивно- технологическими и эксплуатационными параметрами, с одной стороны, и выходными показателями точности станка, с другой, обеспечивающая формализацию построения идентификационных и оптимизационных моделей.
2) Численно-аналитический подход к прогнозированию теплового состояния несущей системы станка, основанный на решении спектральной задачи теплопроводности для плоских, коробчатых и объемных элементов конструкций и обеспечивающий получение экспресс-оценки качества математической модели и выявление влияния на тепловую инерционность станка его конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров.
Модели и алгоритмы построения редуцированных систем большой размерности, направленных на повышение эффективности расчета нестационарного теплового состояния станка.
Метод определения длительности тепловых испытаний металлорежущих станков и алгоритм управления сокращенными тепловыми испытаниями станков, на основе установленной взаимосвязи интенсивности изменения температуры в фиксированной точке станка и времени его температурной стабилизации.
Система целевых функций, аналитически описывающих взаимосвязи выходных параметров термодеформационной системы станка с его конструктивно-технологическими и эксплуатационными параметрами, используемая: а) в идентификационной модели при уточнении математической модели станка по результатам тепловых испытаний; б) в оптимизационной модели при поиске рациональных термодеформационных систем станка.
Методы, модели и алгоритмы, позволяющие формализовать и автоматизировать уточнение математической модели станка по результатам его тепловых испытаний: а) аналитическое описание экспериментальных тепловых характеристик станка; б) метод коррекции расчетной схемы станка, базирующийся на установленных закономерностях влияния параметров конвективного теплообмена, теплопроводности и теплообразования на тепловое состояние станка; в) способ выбора критериев адекватности тепловой модели станка, основанный на выявленных фиксированных соотношениях между флуктуациями теплового состояния станка и изменениями его термодеформационного состояния.
7) Алгоритм автоматической компенсации температурной погрешности
станка на этапах проектирования, доводки и эксплуатации.
Практическая значимость состоит в создании программно-методического комплекса исследований теплового деформирования металлорежущих станков, включающего:
1) Три самостоятельных программно-математических комплекса, вклю
чающих модули:
прогнозирования теплового состояния, в том числе с реализацией алгоритмов редуцирования систем большой размерности;
расчета тепловых деформаций;
уточнения математических моделей по результатам тепловых испытаний;
- поиска комплектов рациональных проектных, технологических и экс
плуатационных решений по обеспечению заданной точности станка.
2) Методическое обеспечение, представленное:
методикой выбора методов редукции для систем большой размерности;
системой оценок эффективности реализации термоупругих моделей станков;
методикой построения расчетных схем станков;
методикой сокращенных тепловых испытаний станков;
. - методикой идентификации термодеформационных систем станков;
- методикой формирования комплектов рациональных проектных, техно
логических и эксплуатационных решений по обеспечению заданной точности
станка.
3) Информационное обеспечение, включающее:
экспериментальную информацию по термодеформационному состоянию станков различных типов, полученную в натурных экспериментах;
результаты машинных экспериментов в графическом и числовом представлении по точности и скорости вычислений для различных методов и алгоритмов (прогнозирования термодеформационного состояния станка, редуцирования, аппроксимации экспериментальных характеристик станка, однокрите-риальной и многокритериальной параметрической оптимизации);
количественные оценки коэффициентов теплоотдачи, плотностей тепловых потоков и коэффициентов теплопроводности стыков, полученные в ходе уточнения математических моделей и поиска рациональных решений для термодеформационных систем станков.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории конструирования и проектирования станочных систем, деталей машин, сопротивления материалов, теории упругости, термодинамики, теории моделирования, идентификации и оптимизации сложных технических систем. Были использованы численные методы решения уравнений математической физики; методы теории вероятностей и математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии и линейной алгебры; методы аппроксимации функций и оптимизации. Многие алгоритмы были построены на основе методов вычислительной математики.
Тепловые испытания металлорежущих станков различных типов и машинные эксперименты проводились с использованием теории планирования экспериментов для: подтверждения теоретических положений, выявления новых функциональных связей,формирования методического обеспечения компьютерных исследований термодеформационного состояния станка.
Реализация работы. Результаты работы, представленные в виде методического, программного, информационного обеспечения и практических рекомендаций, приняты к использованию на Оренбургских предприятиях: ОАО «Оренбургский станкозавод», ООО КБ «Гидропресс», завод гидропрессов «Металлист», 000«Оренбургский радиатор», ФГУП ПО «Стрела», а также используются в учебном процессе кафедр «Металлообрабатывающие станки и комплексы», «Технология автоматизированного машиностроения», «Летательные аппараты» и «Системы автоматизации производства» Оренбургского государственного университета и кафедры «Станки» МГТУ «СТАНКИН».
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на: региональной конференции молодых ученых Урала и Поволжья (г.Оренбург, 1994 г.); региональных конференциях молодых ученых и специалистов (г.Оренбург, 1995, 1997., 1998 г.); областной выставке научно-технического творчества молодежи (г.Оренбург, 1996 г.); первой международной научно-практической конференции «Дифференциальные уравнения и применения» (г.С.-Петербург, 1996г.), третьей международной научно-технической конференции «Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики» (г.Оренбург, 1997 г.); международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России
на пороге XXI века» (г.Оренбург, 1998 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г.Орск,
1998 г.); четвертой Российской научно-технической конференции «Прогрес
сивные методы эксплуатации и ремонта транспортных средств» (г. Оренбург,
1999 г.); международной юбилейной научно-практической конференции
«Учебная, научно-производственная и инновационная деятельность высшей
школы в современных условиях» (г.Оренбург, 2001 г.); всероссийской научно-
практической конференции «Качество профессионального образования: обес
печение, контроль и управление» (г.Оренбург, 2003 г.) ; всероссийской научно-
практической конференции «Современные аспекты компьютерной интеграции
машиностроительного производства» (г.Оренбург, 2003 г.); на ученом совете
Аэрокосмического института (1999 г.) и на кафедре систем автоматизации
производства (2003 г.) Оренбургского государственного университета; на ка
федре станков МПУ«СТАНКИН» (г.Москва, 2000г., 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 79 работ.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 251 наименования, приложения; содержит 306 страниц машинописного текста, 121 рисунков, 37 таблиц.
