Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 12
1.1 Анализ сложнопрофильных деталей для многокоординатной обработки 12
1.2 Анализ особенностей многокоординатной технологии формообразования 15
1.3 Особенности комбинированных способов обработки сложнопрофильных деталей
1.4 Анализ состояния вопроса в области оценки точности технологического оборудования и погрешности многокоординатного формообразования Обзор работ по моделированию и расчету точности технологического
1.5 Выводы по обзору 45
1.6 Цель и задачи исследования 46
ГЛАВА 2. Формирование комплекса моделей технологически обусловленного синтеза формообразующих станочных систем многокоординатной обработки 48
2.1 Систематизация и структуризация факторов, характеризующих операцию многокоординатной обработки 49
2.2 Граф-модель синтеза формообразующей системы многокоординатной обработки 63
2.3 Граф-модель структурно-параметрического синтеза многоосевой станочной системы 67
2.4 Формирование граф-модели исходной информации на операцию многокоординатной обработки 72
2.5 Формирование критерия эффективности операции многокоординатной обработки и средств ее оснащения 78
2.6 Выводы по главе 84
ГЛАВА 3. Математическая модель оценки объемной точности компоновки многоосевого станка
3.1 Методика моделирования и допущения 86
3.2 Моделирование точности станочной системы 97
3.3 Формирование модели частного конструктивного объема узла 102
3.4 Формализация оценки объемной точности в рабочем пространстве
3.5 Выводы по главе 124
ГЛАВА 4. Оптимизация конструктивной компоновки многоосевого станка 126
4.1 Постановка задачи оптимизации конструкции станка по критериям объемной точности и конструктивной компактности 127
4.2 Постановка задачи многокритериальной оптимизации конструкции станка по критерию эффективности операции многокоординатной
4.3 Реализация задачи одно и многокритериальной оптимизации на примере вертикально-фрезерного обрабатывающего центра 132
4.3.1 Реализация задачи параметрической оптимизации 132
4.3.2 Реализация задачи структурно-параметрической оптимизации 139
4.4 Алгоритм автоматизированного технологически обусловленного синтеза конструкции многоосевого станка 152
4.5 Выводы по главе 153
ГЛАВА 5. Внедрение в производство методики технологически обусловленного синтеза конструкции многоосевого станка 155
5.1 Особенности лазерных технологий обработки деталей и требований к станочному оборудованию 157
5.2 Разработка 3D-геометрического образа компоновки многоосевого станка для лазерной обработки 158
5.3 Верификация проекта многоосевого станка для лазерной обработки 161
5.4 Валидация многоосевого станка для лазерной обработки 167
5.5 Анализ конструктивных и технологических инноваций многоосевого станка для лазерной обработки 169
5.6 Выводы по главе 171
Заключение 172
Список литературы
- Анализ состояния вопроса в области оценки точности технологического оборудования и погрешности многокоординатного формообразования Обзор работ по моделированию и расчету точности технологического
- Граф-модель структурно-параметрического синтеза многоосевой станочной системы
- Формирование модели частного конструктивного объема узла
- Реализация задачи одно и многокритериальной оптимизации на примере вертикально-фрезерного обрабатывающего центра
Введение к работе
Актуальность темы. Разработка и внедрение новых прогрессивных технологий и оборудования при производстве сложных деталей с криволинейными рабочими поверхностями, является необходимым условием развития высокотехнологичных отраслей отечественного машиностроения, авиационной и оборонной промышленности.
Одним из эффективных методов металообработки криволинейных поверхностей является многокоординатное формообразование, позволяющее изготовить конструктивно сложные детали на одном рабочем месте, что обеспечивает выполнение заданных требований по их точности и качеству.
В настоящее время в отечественной промышленности реализуют операцию
многокоординатной обработки (МКО) с помощью импортных технологий и
оборудования. Устранение этой зависимости является приоритетным для
высокотехнологичных отраслей российского машиностроения в целях обеспечения
технологической безопасности государства. Отечественными предприятиями
производится многоосевое обрабатывающее оборудование, способное реализовать
инновационные технологии обработки с помощью многокоординатного
формообразования и высокотехнологичных процессов резания
труднообрабатываемых материалов лазером. Однако недостаточная эффективность операции МКО, связанная с отсутствием комплексного подхода к станочному оснащению этой операции и невысокой объемной точности многоосевых станков, является производственно-технологической проблемой.
Важнейшей рабочей характеристикой формообразующей станочной системы, обеспечивающей многокоординатную обработку с наибольшей эффективностью, является объемная точность станка, проявляемая в его рабочем пространстве. Разработка методов и средств управления объемной точностью при проектировании формообразующих станочных систем МКО под заданные производственные требования и ограничения является важной научно-практической задачей для инновационных предприятий, выпускающих высокотехнологичное оборудование. Решение этой задачи позволит обеспечить конкурентоспособность отечественных средств технологического оснащения операции МКО. Актуальным является систематизация исходной информации по этой операции, учет комплекса возмущений на технологическую систему и высоких требований к точности во всем объеме рабочего пространства (РП) станка при обработке сложнопрофильных деталей. Это обусловливает оптимальное формирование конструкции станочной системы при наложении большого числа производственно-технологических ограничений и требований на этапах подготовки производства. В условиях позаказного выпуска технологических систем актуальна разработка автоматизированных средств поддержки и алгоритмов управления геометрическим синтезом компоновки многоосевого станка по критериям объемной точности и конструктивной компактности.
Работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и научным направлением «Московского государственного машиностроительного университета
(МАМИ)» по ГБ НИР №01201372567 «Разработка макроструктурного интегрированного комплекса управления пространственной точностью сложнопрофильного формообразования высокотехнологичных изделий машиностроения»; в рамках тематического плана аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 годы)» № 01201066248 «Определение пространственной точности металлорежущих станков и разработка методов ее обеспечения»; в рамках «Проектной части государственного задания образовательным организациям высшего образования, подведомственным Минобрнауки России, на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности на 2014-2016 годы» №114110570009 «Система управления качеством обрабатываемой поверхности детали в процессе многолезвийной обработки».
Степень разработанности. Вклад в разработку методов управления объемной точностью изготовленного оборудования внесли такие ученые, как Б.М. Базров, Б.М. Бржозовский, Е.А. Калиберда, М.Г. Косов, А.П. Кузнецов, З.М. Левина, В.Г. Митрофанов, В.В. Погораздов, А.Н. Поляков, А.С. Пронников, СП. Радзевич, Д.Н. Решетов, Н.А. Серков, Ю.М. Соломенцев, М.Б.Флек и др.
Объект исследования.
Операция многокоординатной обработки и средства ее оснащения.
Предмет исследования.
Методы и инструментальные средства проектно-технологического синтеза станочных систем многокоординатного формообразования.
Целью работы является повышение эффективности многокоординатного формообразования путем оптимизации конструктивной компоновки многоосевого станка и управления его объемной точностью при проектировании.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1.Выявить и установить взаимосвязи эффективности технологической операции многокоординатной обработки с проектно-технологическими параметрами формообразующей системы станка;
2.0босновать выбор критериев, обеспечивающих проектирование оптимальной конструктивной компоновки многоосевого станка
3.Сформировать и аналитически описать модель оценки объемной точности многоосевого станка
4.Разработать оптимизационную модель выбора конструктивной компоновки станка на этапе проектирования
5.Апробировать разработанные модели и методики расчетным обоснованием реальных конструкций многоосевых станков на этапе их проектирования
Научная новизна работы состоит в:
выявлении и формализации взаимосвязей эффективности операции многокоординатной обработки с проектно-технологическими параметрами обрабатывающей системы многоосевого формообразования, как основы методики проектного синтеза станков;
- аналитическом обосновании и расчетном описании модели сравнительной оценки объемной точности станка в рабочем пространстве, разработанной с учетом
контактного взаимодействия сборочных элементов в условиях статического нагружения;
- системе целевых функций выбора структурных компоновок и габаритных
параметров сборочных элементов, аналитически выраженных через систему
конструктивных параметров проектируемого многоосевого станка.
Теоретическая значимость. Установлены взаимосвязи показателей
эффективности операции многокоординатной обработки с рабочими
характеристикам многоосевого станка, что позволяет направленно осуществлять поиск лучших проектных решений его конструкции для обеспечения заданных требований к операции.
Методы исследования. Все разделы работы выполнены с единых методологических позиций. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений конструирования станков, технологии машиностроения, теории построения сложных систем, теории графов, сопротивления материалов, исследований операций. Численные эксперименты проведены с использованием методов имитационного моделирования и применением средств современной вычислительной техники. При обработке результатов исследований использовались методы теории вероятности и математической статистики. Проверка достоверности научных положений, полученных выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, проводилась по результатам производственных испытаний многоосевых станков.
На защиту выносятся:
1.Структура взаимосвязей технико-экономических показателей станочной системы с показателями эффективности операции многокоординатной обработки.
-
Комплекс моделей управления объемной точностью в рабочем пространстве многоосевого станка на ранних этапах проектирования.
-
Новая, на уровне свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, методика автоматизированного синтеза средств станочного оснащения многоосевой обработки, позволяющая производить структурно-параметрическую оптимизацию конструкций станков с поддержкой инструментов геометрического 3D-прототипирования.
Степень достоверности. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований с использованием стандартных средств и методов измерений, технологического оборудования, а также одобрением полученных результатов на международных научно-практических конференциях.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Работа соответствует паспорту научной специальности 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» (технические науки) в пунктах области исследований:
- теория и практика проектирования, монтажа и эксплуатации станков,
станочных систем, в том числе автоматизированных цехов и заводов,
автоматических линий, а также их компонентов (приспособлений, гидравлических
узлов и т.д.), оптимизация компоновки, состава комплектующего оборудования и
его параметров, включая использование современных методов информационных технологий (п.1);
- создание, включая исследования, проектирование, расчеты, комплектующих агрегатов и механизмов, обеспечивающих достижение требуемых технологических и технико-экономических параметров оборудования (п.5).
Реализация результатов работы.
Разработанная методика автоматизированного синтеза средств оснащения многокоординатной обработки использовалась для расчетного обоснования конструкции пятиосевой станочной системы для лазерной обработки на ЗАО Научно-исследовательский институт электронного специального технологического оборудования» (ЗАО НИИ «ЭСТО») (г. Москва, Зеленоград), результаты исследований используются в учебном процессе в ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет».
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на международных научных и научно-технических конференциях: «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (г. Пенза 2011), «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии» (г. Липецк, 2012), «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (г. Новосибирск, 2013), МИКМУС-2014 (г. Москва, 2014), «Проблемы и перспективы развития машиностроения» (г. Липецк, 2016), на научных семинарах ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет» в 2012-2017 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем материала 8,56 печатных листов, где доля соискателя составляет 3,85 печатных листов. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - корректировка параметров кинематической модели, [2] - полиномиальная модель, [3] - граф-модель синтеза станочной системы, [4] -реализация задачи синтеза компоновок станка, [5] - разработка критерия конструктивной компактности, [6] - теоретические положения, [8] - методика управления объемной точностью станков для лазерной обработки, [9] -обоснование критериев оптимизации, [10] - теоретические аспекты воспроизведения криволинейных поверхностей, [11] - методика создания лазерного оборудования, [12] - расчетное моделирование компоновок многоосевого станка для лазерной обработки, [13] - оптимизация конструкции станочной системы, [14] -расчетное моделирование конструкции многоосевого станка для лазерной обработки, [15] - верификация статических и динамических характеристик станка. По материалам диссертации получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013661646 «Система автоматизированного синтеза средств оснащения многоосевой обработки».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 129 наименований и 3-х приложений. Материал изложен на 174 страницах, содержит 89 рисунков и 24 таблицы. Общий объем работы 214 страниц.
Анализ состояния вопроса в области оценки точности технологического оборудования и погрешности многокоординатного формообразования Обзор работ по моделированию и расчету точности технологического
Заготовка и инструмент закрепляются в конечных звеньях ветвей компоновки, а их относительная подвижность обеспечивает сложнопрофильное формообразование при условии согласования по определенному закону скоростных параметров движений кинематических пар (интерполяции движений по разным осям). Двухосевая интерполяция дает плоско-контурное формообразование, одновременно согласовывая две линейные оси; трехосевая интерполяция дает пространственное формообразование в 3-х мерном объеме декартовой системы координат, одновременно согласовывая три линейные оси XYZ. Как правило, многокоординатная обработка начинает свое исчисление с 4-х координат, одновременно интерполируемых с помощью системы ЧПУ станка - к традиционной 3-х координатной интерполяции линейных движений по трем осям XYZ (Пх, Пу, Hz) добавляется поворот относительно одной из этих осей (Вх, By, Bz) применением специальной оснастки: 2-х координатных инструментальных головок и (или) глобусных столов (рисунок 1.5). Любое интерполяционное «добавление» к этой системе вращательного движения относительно одной из осей увеличивает степень многокоординатности на соответствующее число степеней подвижности. Наиболее распространенная 5-ти координатная обработка включает одновременное согласование при резании 3-х линейных осей (ПхПуШ) и 2-х поворотных осей (BxBz).
Распределение этих подвижностей по ветвям компоновки станка не имеет значения, так как результирующая степень подвижности последовательно-кинематической станочной системы определяется как сумма степеней подвижности ветвей, поскольку каждая кинематическая пара имеет строго определенную осевую ориентацию в расчетно-управляемой системе координат станка.
Термины «многокоординатная» и «многоосевая» с позиций формообразования идентичны. Последний термин чаще используется для характеристики оборудования, а первая относится к технологии, т.е. к операции многокоординатной обработки. Обеспечить эффективную многокоординатную обработку возможно с помощью многоосевых станков. Процедура многокоординатного формообразования предполагает одновременную интерполяционную связь осевых приводов при обработке сложнопрофильной поверхности. Станочная система, поддерживающая многокоординатную обработку, должна иметь функциональную возможность реализации такой интерполяционной связи приводами линейных и поворотных осей станка. Это реализуется за счет мехатронизации приводов и модульного конструирования станочной системы или дооснащения ее специальными модулями. Такие станки называют многоосевыми. Наиболее просто многокоординатность станка увеличивается за счет его дооснащения многофункциональной оснасткой, например, одно- или двухкоординатными поворотными головками (рисунок 1.5), двухкоординатными (глобусными) поворотными столами (рисунок 1.6). Рисунок 1.6 - ЗБ-модель глобусного стола в CAD-среде
В обрабатывающих центрах с ЧПУ различные рабочие органы могут иметь дополнительные оси перемещения. Так, например, в обрабатывающих центрах Okuma серии MILLAC обработка обусловлена линейными перемещениями вдоль осей X, Y, Z, поворотными перемещениями стола (ось С) и поворотными движениями фрезерной головки (ось В) — всего 5 осей. Есть варианты 9-осевой обработки (серия MacTurn). Порядок анализа и синтеза обрабатывающей системы для обработки сложнопрофильных деталей в высокотехнологичном машиностроении определяется декомпозицией производственной проблемы на уровни и формированием требований к компонентам и средствам управления станком. На рынке технологического оборудования, используемого для механической обработки сложнопрофильных поверхностей, лидерами являются зарубежные фирмы, в частности LIECHTI (Швейцария), Schaublin (Швейцария), DMG MORI (Япония), Haas Automation (США), DECO (Швейцария), Hermle (Германия) и др. [119-125].
Фирма LIECHTI работает в области высоких технологий, создавая оборудование для обработки сложнопрофильных поверхностей, таких как турбинные лопатки, моноротора, крыльчатки, используемые в авиа- и энерготурбиностроении и других областях [119].
На рисунке 1.7 представлены типовые компоновки отечественных 5-ти координатных станков. Рисунок 1.7 - Типовые компоновки отечественных 5-ти координатных станков ОАО «НИАТ» и ЗАО «Стерлитамакский станкозавод» [84,85]
Учеными также ведутся исследования станочной кинематики по повышению точности и возможностей многокоординатной обработки за счет манипулятивных возможностей многоосевых станков разных компоновок [2,15,30]. Доказано, что требуется специальный пространственный анализ возможностей зоны сервиса таких станков, поскольку это оказывает существенное влияние на проявление точности обработки в различных зонах рабочего пространства.
Проведенный анализ зон сервиса (рабочего пространства) обрабатывающих систем для 2-х вариантов компоновок пятикоординатных станков показал, что для того, чтобы обеспечить полный поверхностный сервис, а значит - возможность обрабатывать поверхности произвольной формы, в некоторой желаемой зоне обработки, необходимо иметь достаточные диапазоны перемещений по линейным степеням подвижности. При этом параметры рабочего пространства существенно зависят от вылета инструмента: чем длиннее инструмент, тем меньше габариты сложнопрофильных деталей, которые возможно обработать на станке данным инструментом. Доказано, что для обрабатывающих центров, оснащаемых ориентирующей инструментальной головкой и глобусным столом, неравнозначно соотносятся рабочие зоны пятикоординатного станка с инструментальной двухкоординатной головкой (рисунок 1.8) и пятикоординатного станка с глобусным столом (рисунок 1.9), а также зоны их взаимодействия инструмента с заготовкой.
Граф-модель структурно-параметрического синтеза многоосевой станочной системы
Вопросам оценки точности обработки деталей криволинейной формы уделено большое внимание в работах Батуева В.В. [5-6], Босинзона М.А. [9], Бржозовского Б.М. [11-12], Заруднева А.С. [26], Макальской Е.В. [47], Радзевич СП. [77-78], Флека М.Б. [96-97]. Особую роль при многокоординатной обработке играет объемная точность. При испытании высокоточных фрезерно-расточных станков в 80-е годы была сделана попытка оценить ошибки перемещения органов станка во всем объеме рабочего пространства там, где может быть установлена обрабатываемая деталь. Объемная точность станка, формирование пространственного «поля ошибок» и оценка влияния на них тепловых деформаций являются, по мнению проф. Матиаса Е. А., более полной характеристикой станка [15,49].
В качестве критериальных и параметрических ограничений при многокоординатной обработке могут быть использованы критерии точности и качества обработки, возможности сплайн-управления формообразованием и доступности зон обработки комбинированным инструментом (концевой фрезой, лазерным лучом, плазмой, электрической дугой) [61].
Многокоординатная обработка в более значительной степени зависит от точности многоосевого станка, чем при применении традиционной 3-х кординатной системы, из-за большего числа подвижных стыков, «неуправляемости» погрешностей поворотных осей при изготовлении и сборке станка и значительного вклада аппроксимационных погрешностей СЧПУ сложнопрофильного формообразования. Доля вклада погрешностей многоосевого станка в результирующую погрешность многокоординатной обработки достигает 70% (для 3-хосевого станка эта доля, как правило, не превышает 30%). Обобщая результаты работ, проведенных в ЭНИМСе, МГТУ им. Баумана, Станкине, выявлено, что типовой баланс точности технологических систем на базе 3-хкординатных фрезерных станков примерно таков: станок - 25-30%; концевой инструмент - 30-35%; станочные приспособления и оснастка для автоматизированного базирования и закрепления заготовки и инструмента - 20%; деформации заготовки - 10%, погрешности формообразования от СЧПУ - 5-10% [76,79-80]. На долю погрешностей многокоординатного программирования при более затрудненной сплайновой аппроксимации сложнотраекторной задачи в СЧПУ и ее интерполяционно-системных погрешностей при передаче сигналов управления на станок приходится до 25% погрешностей из допуска на обработку сложной детали. Таким образом, при наличии еще и ошибок измерительных систем обратной связи и «дрейфующих» геометрических отклонений калибровки кинематических пар многоосевого станка доля станочной компоненты при многокоординатной обработке возрастает существенно - более чем вдвое, в сравнении с 3-х координатной системой [66].
Точность обработки деталей на станках с ЧПУ определена рядом частных показателей. Основные концепции определения точности машиностроительного производства изложены в работах Митрофанова В.Г [63] и Соломенцева Ю.М [85-86], которые формулируются в виде принципа оптимальности: для конкретного варианта технологического процесса механической обработки деталей и сборки.
Известны конструктивные методы, реализуемые за счет рациональной компоновки станочной системы, конструирования основных базовых деталей и механизмов с применением в приводах подач высокомоментных электродвигателей постоянного тока, беззазорных механизмов с высоким КПД. Такой подход применим для автоматических производственных систем традиционного направления и для гибкого производства [99]. С учетом изложенного актуальным является комплексный подход к решению задачи обеспечения точности многокоординатной обработки, которая многократно усложняется и переходит в иную плоскость концептуального рассмотрения, анализа и моделирования. Основными факторами, усложняющими ее решение, являются: многоконтурная связанность взаимодействия технологических компонентов в обрабатывающей системе; - иерархичная структура информационных взаимосвязей при управлении сложнопрофильной обработкой; пространственный характер представления и описания многокоординатной системы при моделировании; - принципиально иной класс решаемых задач при управлении точностью, для учета комплекса погрешностей, имеющих разную природу возникновения и проявления при обработке: а) необходимость применения синергетического подхода при адаптации и самоорганизации обрабатывающей системы при многокоординатной обработке сложных деталей); б) учет параметров согласования форматов и обмена данными при электронном представлении заготовки, станка и других компонентов технологической системы; в) доминирующий характер погрешностей управления траекторной точностью при пространственном формообразовании; г) значительное влияние геометрических погрешностей компонентов технологической системы, проявляющихся в кинематике формообразования из-за множественности управляемых координат и др. - мехатронный уровень технической реализации станка и электронно механический принцип автоматического управления им; использование разнородных средств управления (CAD/CAM/VDAFS/STEP-NC-ЧПУ) в ветвящихся информационных потоках. Работы Бржозовского Б.М. [11-14], Исмайловой Е.Ю. [31], Кована В.М. [36], Макальской Е.В. [47], Телешевского В.И. [94] посвящены разработке методов компенсации геометрических погрешностей многоосевых станков. В работах [11-14,31,36,47,94] обосновано, что в станочном механизме последовательной кинематики, каким является многоосевой станок, траектории перемещения механизма всегда задаются в системе координат, связанной с обрабатываемой деталью, установленной на одном из звеньев механизма. Для управления станком требуется знать законы перемещений в подвижных парах, связанных с приводами машины, и осуществлять преобразование из координат задания в координаты управления исполнительным механизмом подвижного узла. В общем случае математические выражения моделей, представляющие относительные координаты детали и инструмента, как функции координат подвижных пар многокоординатного станка, оказываются существенно нелинейными.
В настоящее время существует несколько хорошо разработанных методов математического описания кинематических цепей пространственных механизмов. Наиболее общим является векторный метод, широко используемый в теоретической механике [25,30]. Применительно к описанию и анализу механизмов этот метод в разное время использовали Бруевич Н. Г. [16], Овакимов А. Г. [68] и другие. Этот метод удобен для анализа кинематических свойств механизма, однако достаточно сложно формализуем для целей компьютерного моделирования [27].
Формирование модели частного конструктивного объема узла
Множество слоев и их глубины формирует множество вершин граф-модели Ху, где х - наименование переменной, отражающей какую-либо группу средств оснащения формообразующей системы, і- переменная, характеризующая порядковый номер слоя графа; j- переменная, характеризующая глубину г-го слоя графа.
Рассмотрим предметную направленность вершин граф-модели Г 1 по слоям. Для обработки деталей с криволинейными пространственно-сложными поверхностями используют следующие методы формообразования поверхностей деталей (слой Ixj): лезвийную обработку, абразивную обработку, электролучевую обработку, электрофизическую и комбинированную обработку и др. Выбор метода обработки зависит от требований точности, производительности и себестоимости обработки в рамках производственно-технических возможностей производственного предприятия. Таким образом, Іхі = Іхіі хі2 хтіхі] или Xl — U;=1 ХЦ Многокоординатная обработка в зависимости принятого метода (слой lх 1) может производиться на оборудовании (слой lх2) : -многоцелевых (станки сверлильно-фрезерно-расточной и токарно-фрезерной групп); -расточных (горизонтальных, координатных), -шлифовальных (станки сферошлифовальные, продольно-шлифовальные и др.), -эррозионных, -лазерных, -плазменных станках и т.д. Таким образом, 1х2 = {х21 , Х22, х2п1х2 ) или 1x2 = УУІ = І Х2Ї- В КаЧЄСТВЄ инструмента для многокоординатной обработки (слой lх3) используется концевой инструмент (например, фрезы с различной формами режущей кромки), расточной инструмент, сверлильный инструмент, абразивный инструмент (шлифовальные круги со сферическим профилем), проволока или электроды, лазерный излучатель, плазматрон и др. Таким образом, Іхз = Іхзі хз2 хзпіхз) или ХЗ — U;=1 ХЗІ Технологические возможности станков расширяются их дооснащением специальной оснасткой (слой lх4): по повышению степеней подвижности (одно-или двухкоординатные поворотные столы и инструментальные головки, поворотные головки или столы и др.); автоматизации функций контроля и измерения (лазерный интерферометры и измерительные линейки), диагностики состояния (датчики обратных связей, квалиметрические приборы и др.); загрузки-выгрузки заготовок, оснастки, инструментов и обработанных деталей (съемные паллеты и столы, автооператоры, бар-фидеры и др.) и т.д. Таким образом, 1х4 = {Х41, Х42 — x4nlx4 ) или х4 = U; 4 Х4І.
Слой lx5 отражает варианты реализации технологической подготовки производства, поддержки и управления эффективностью операции многокоординатного формообразования с помощью средств компьютерного управления станками и ЗБ-моделирования процессов формообразования. Они содержат средства CAD/CAM-моделирования, управления станочным комплексом, специализированные средства подготовки управляющих программ (УП), их верификации и адаптации УП к конкретному оборудованию. Эти средства интеллектуальной поддержки операции неразрывны от «hard»-компонентов формообразующей системы, поэтому эти средства включены в граф-модель. Таким образом, 1х5 = {х51,х52, ...,х5п1х5 } или lx5 = Ujf x5i.
Таким образом, множество возможных вариантов формообразующих систем многокоординатной обработки определяются совокупностью обходных путей графа, формируемых при последовательных переходах между слоями от вершины xs, содержащей исходную информацию, к вершине xt, определяющей выбор оптимального варианта решения. Условие учета всех заданных исходных требований определяет выполнение условия, характеризующего включение в обходной путь графа ребра, выходящего из вершины xs: Щхі У xsj = 1, для XiJ Є {0,l}(Vi,; Є {1,2,..., nlxl}) (2.2) Выбор метода обработки и формирования состава средств оснащения, включая станочное оборудование, инструмент и технологическую оснастку и средства CAD/CAM-управления, определяет выполнение условия, характеризующего включение в обходной путь ребер промежуточных слоев графа: :п = О, (уі Є {1,2,..., п], і Ф s,j Ф t) (2.3)
Выбор оптимального варианта решения из множества сформированных вариантов формообразующих систем многокоординатной обработки определяет выполнение условия, характеризующего включение в обходной путь графа ребра, входящего в вершину xt , характеризующую заданный критерий выбора: Щх5 xit = 1, для xtJ Є {0,l}(Vi,; Є {1,2,...,п1хБ}) (2.4) Алгоритм формирования обходных путей графа, позволяющий генерировать варианты конфигурации формообразующей системы многокоординатной обработки, определен выполнением равенств (2.2)-(2.4), описывающих условия включения дуг графа, соответствующих упорядоченной паре вершин {Xi,Xj), в путь. В качестве значений нагрузочных весов ребер сц следует использовать функциональные или технико-экономические характеристики средств оснащения, в частности стоимость, вес, жесткость, квалификация персонала и т.д., от включения каждого в вариант конфигурации (связь Ї-Й и j-й вершины ребра).
Реализация задачи одно и многокритериальной оптимизации на примере вертикально-фрезерного обрабатывающего центра
Для расчета объемной точности компоновки в РП необходимо задать следующие параметры: - структурный код компоновки, определяющий последовательность соединения узлов от инструмента через неподвижную станину к заготовке, - тип направляющих, характеризующийся различным соотношением длин подвижной и неподвижной части направляющих; - ориентацию узлов в глобальной системе координат станка, задаваемую углом поворота плоскости основных граней направляющих относительно оси перемещения узла (рисунок 3.5), - вылеты, измеряемые вдоль длины, ширины и высоты направляющих узла, от центров их жесткости до точки обработки, -размеры направляющих или значения их угловой жесткости относительно осей системы координат узла; -составляющие силы резания; -число точек рабочего пространства (по координатным направлениям). Допущениями расчетной модели являются: - рассматривается разомкнутая зона резания, в которой две контактирующие при резании формообразующие точки Ри (инструментальная поверхность) и Рз (заготовка), под действием отталкивающих сил резания расходятся (рассогласуются), вызывая погрешность обработки на обрабатываемой поверхности заготовки; - в зоне резания силы имеют векторное направление (Рх; Ру; Pz) и противоположные знаки с учетом размещения узлов в ветвях компоновки станка. Вектор силы резания варьируется в зависимости от набора технологических операций, выполняемых станком, что предполагает многовариантность расчетов для разных значений сил. Для окончательного решения принимается худший вариант по точности с учетом разброса расчетных точек в рабочем пространстве (например, наиболее приближенная точка т.1 и наиболее удаленная т.2 в РП); - учитываются податливости только подвижных стыков, как наиболее значимые и зависящие от компоновочной конструкции станка и геометрических параметров узлов; - линейные смещения от сил резания малы и учитываются лишь угловые смещения узлов станка в стыках, переносимые в зону резания за счет вылетов. Упругий поворот в подвижном стыке узла из-за податливости направляющих происходит относительно центра его жесткости и его значение зависит от величины геометрического момента инерции площади стыка, препятствующего повороту, и контактной податливости стыка С; - в сборной конструкции станка, имеющей последовательную структуру компоновки, справедлив принцип суперпозиции, когда смещение ветви компоновки определяется суммой составляющих (от каждого узла) для узлов, расположенных в это ветви. Искомое результирующее (рассогласующее) смещение станка определяется вычитанием смещений по ветвям станка.
Поскольку количество и параметры кинематических пар (подвижных узлов) в станке различны не только по конструктивному исполнению, но и разнесены кинематически по компоновке в соответствии с матрицей вариантов, то станки одного и того же технологического назначения будут различаться не только параметрами точности в одной точке РП, но и во всем его объеме.
Аналогично формируются аналитические выражения для оценки точности при действии веса подвижных узлов в рабочем пространстве станка. Различие проявляется лишь в формулах расчета моментов от сил - здесь учитываются не вылеты точки резания, а вылеты от центров масс узлов до центров жесткости их стыков Хцм,Уцм,Хцм, а вместо сил резания указываются силы тяжести узлов FT. Мх = FTy zm - FTz уцМ, (3.22) My = FTz ХцМ - FTx zm, (3.23) Mz = FTx уцМ - FTy ХцМ, (3.24) где : Хцм,Уцм,Хцм - вылеты от центра тяжести (масс) узлов до центра жесткости узлов, измеряемые вдоль осей координат;
В общем случае, для оценки точности станка под действием тепла и иных погрешностей следует свести задачу оценки деформаций в стыках к геометрическим отклонениям (бесконечно малым поворотам) подвижных узлов от различных возмущений с последующим их переносом по формулам Эйлера в зону резания (РП). Поскольку узлы станка совершают перемещения при обработке в пределах всего объема рабочего пространства, то происходит изменение соответствующих вылетов в разных его точках, что приводит к изменению точности станка в РП, пределы разброса которой можно оценить как нестабильность. Расчет объемной точности компоновок многоосевых станков автоматизирован в среде MS Excel (рисунки 3.15 - 3.17). Используя метод балансов (таблица балансов) находятся параметры влияния ( L, В, Н, D ), удовлетворяющие неравенству [G] S, где G - норматив точности (мкм) -допуск на обработку.