Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 23
1.1. Влияние различных факторов динамической системы станка на точность и производительность обработки 23
1.2. Представления о рабочем пространстве станка 27
1.3. Описание состояния рабочего пространства станка 30
1.4. Моделирование сложной динамической системы по частям 32
1.5. Обоснование выбранного направления работы и постановка задачи исследования 35
Глава 2. Разработка моделей производительности и точности в рабочем пространстве станков 39
2.1. Анализ использования рабочего пространства станка 39
2.1.1. Зонное представление рабочего пространства 40
2.1.2. Конструирование представительных деталей-образцов для испытаний 43
2.2. Анализ показателей производительности металлорежущего станка 51
2.3. Анализ ограничений производительности 54
2.4. Модели производительности в рабочем пространстве 58
2.5. Понятие внутренних и внешних ограничений производительности 60
2.6. Модели для ограничений производительности и точности 61
2.7. Планирование испытаний для построения эмпирических моделей 62
2.8. Определение граничных значений показателей производительности 70
2.9. Расчетно-экспериментальные модели для ограничений в
динамической системе станка 72
2.9.1. Модели ограничений для мощности и нагрузок 72
2.9.2. Модели для ограничений по точности обработки 72
2.9.3. Модели для ограничений по волнистости и шероховатости поверхности
2.9.3.1. Образование микрорельефа поверхности 79
2.9.3.2. Образование микрорельефа поверхности при точении 88
2.9.3.3. Образование микрорельефа поверхности при торцевом фрезеровании 90
2.10. Выводы 95
Глава 3. Разработка и исследование динамических моделей упругой системы станка в рабочем пространстве 96
3.1. Модели, учитывающие изменение характеристик упругой системы станка в рабочем пространстве 96
3.1.1. Изменение жесткости в рабочем пространстве станка 96
3.1.2. Изменение динамических характеристик в рабочем пространстве станка 102
3.2. Методы определения частотных характеристик упругой системы в произвольной точке рабочего пространства 104
3.3. Методы экспериментального определения базовых частотных характеристик ПО
3.3.1. Определение базовых частотных характеристик при абсолютном нагружении основной системы 112
3.3.2. Определение базовых частотных характеристик при относительном нагруженииупругойсистемы 119
3.4. Построение динамических моделей упругих систем станков по результатам испытаний 120
3.4.1. Определение структуры модели упругой системы 120
3.4.2. Идентификация упругих связей в динамической модели 126
3.4.2.1. Цепные многомассовые системы 127
3.4.2.2. Плоские системы 128
3.4.2.3. Системы с распределенными параметрами 130
3.4.2.4. Задание демпфирования 136
3.5. Модели вынужденных колебаний в рабочем пространстве 140
3.5.1. Исследование колебаний холостого хода в рабочем пространстве 140
3.5.2. Вынужденные колебания при резании 145
3.5.3. Метод косвенных измерений колебаний в зоне резания
3.6. Экспериментальные исследования колебаний холостого хода 150
3.7. Выводы 158
Глава 4. Идентификация динамической характеристики процесса резания 161
4.1. Методы определение частотной характеристики процесса резания 151
4.2. Определение регрессионных моделей связи частотной характеристики упругой системы с устойчивостью при резании 173
4.3. Характеристика силы резания по площади среза 179
4.4. Выводы 181
Глава 5. Анализ ограничений и критерии оптимизации характеристик станков 182
5.1. Оценка производительности станка 182
5.2. Анализ ограничений производительности
5.2.1. Зонный анализ ограничений 184
5.2.2. Понятие условных технологических ограничений 186
5.2.3. Взаимный анализ ограничений внутри зон 187
5.2.4. Межзональный анализ ограничений 191
5.3. Критерии оценки характеристик станка и установление путей совершенствования станка 194
5.4. Критерии оптимизации характеристик станка 198
5.5. Выводы 202
Глава 6. Результаты исследований, направленных на диагностику и повышение эффективности использования станков 204
6.1. Экспериментальное исследование динамических характеристик в рабочем пространстве многоцелевых станков 204
6.2. Диагностирование состояния и определение виброустойчивости в рабочем пространстве токарных станков 212
6.3. Диагностика и прогнозирование виброустойчивости фрезерных станков 219
6.4. Выводы 232
Общие выводы 234
Библиографический список
- Описание состояния рабочего пространства станка
- Анализ показателей производительности металлорежущего станка
- Изменение динамических характеристик в рабочем пространстве станка
- Критерии оценки характеристик станка и установление путей совершенствования станка
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные тенденции развития машиностроения в совокупности с использованием автоматизированных станочных систем предъявляют требования к повышению производительности, точности размеров и качества обрабатываемых поверхностей деталей машин. Рост производительности сдерживается показателями динамического качества упругих систем, такими как виброустойчивость. Станкам присуща анизотропия характеристик в рабочем пространстве в силу их различной компоновки и конструкции, а также качества изготовления и сборки. Отсутствие информации о свойствах рабочего пространства вынуждает занижать режимы обработки для станков с ЧПУ, чтобы не допустить брака обрабатываемой детали при безусловной потере производительности. Проблему усугубляет и тот факт, что характеристики, связанные с производительностью и точностью, изменяются по мере физического износа станка или разрегулирования его элементов. Использовать этот огромный резерв повышения производительности пытаются многие исследователи, создавая системы адаптивной обработки, системы диагностики и мониторинга.
Недостаточность информации на этапе проектирования станочного оборудования и научно обоснованных рекомендаций, направленных на решение проблемы сбалансированности характеристик приводов и несущей системы станков, приводит к неэкономному расходованию материальных и энергетических ресурсов.
Производители станков, стремясь к максимальной прибыли, рекламируют возможности выпускаемого оборудования по точности и производительности, используя их максимальные показатели, достигаемые в отдельных областях рабочего пространства с наиболее удачными соотношениями характеристик заготовок и режущего инструмента, в то время как потребителя интересует оборудование, обеспечивающее решение всего спектра технологических задач, стоящих перед предприятием. В этой ситуации необходимо иметь инструментарий, позволяющий адекватно оценивать технологические возможности изготавливаемого и приобретаемого оборудования во всем диапазоне его рабочего пространства, сравнивая возможности различных станков по интегральным показателям. Для решения этих проблем требуются мобильные технические средства и комплекс расчетных и экспериментальных методик, позволяющих оперативно оценивать характеристики станков во всем рабочем пространстве с учетом многообразия применяемых заготовок и видов инструмента, и оценивать, таким образом, возможности станка по производительности и точности. Отмеченное выше может быть обеспечено только на основе создания научно обоснованной информационной базы знаний о динамических характеристиках станков, доступной широкому кругу специалистов, занимающихся проектированием, исследованием, эксплуатацией, ремонтом и модернизацией оборудования.
Цель работы. Повышение эффективности станков на основе их диагностирования, оценки виброустойчивости в рабочем пространстве и разработки принципов создания конструкций со сбалансированными характеристиками по мощности, моменту, жесткости и виброустойчивости.
Для реализации цели работы поставлены следующие задачи:
- разработать структуры (модели) и методы анализа технологического
многофакторного пространства станка, включающего набор составляющих
элементов, набор факторов, диапазоны варьирования с учетом вероятности ис
пользования в технологическом процессе обработки изделий;
разработать методы и программно-математическое обеспечение для экспериментально-расчетной оценки динамических характеристик системы ста-нок-приспособления-инструмент-заготовка, включающих методы исследования сложных динамических систем по частям;
разработать модели ограничений и системы интегральных оценок производительности и точности в технологическом рабочем пространстве станка по результатам испытаний и исследований;
разработать методы, аппаратные комплексы, программно-математическое и информационное обеспечение экспериментального определения динамических характеристик, диагностирования состояния упругой системы и отдельных элементов станка с помощью импульсного и гармонического нагружения и на основе анализа вибрационных процессов;
- разработать методы экспериментального определения передаточной
функции процесса резания;
- экспериментально подтвердить основные положения теоретических раз
работок.
Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, конструирования металлорежущих станков, теории колебаний и динамики станков, теории анализа случайных процессов, методах математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием станочного оборудования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов проводилась средствами вычислительной техники с применением положений математической статистики, спектрального анализа и теории планирования эксперимента.
Научная новизна работы заключается в:
установленных теоретических и эмпирических зависимостях частотных характеристик упругих систем станков от координат рабочего пространства и определенных границах виброустойчивости в различных точках рабочего пространства станка;
разработанных математических моделях, описывающих взаимосвязи динамических характеристик на базовых поверхностях станков (в местах установки сменных приспособлений для закрепления заготовки и инструмента) с динамическими характеристиками в зоне резания;
разработанных алгоритмах обработки сигналов, адаптированных к применению импульсного возбуждения при диагностике упругой системы станка с целью определения динамических характеристик путем усреднения спектров по ряду выборок;
разработанной методике идентификации характеристики процесса резания по частотной характеристике упругой системы станка и данных о предельных режимах резания без вибраций путем обеспечения одинаковых свойств замкнутой системы (устойчивость и частота возникающих автоколебаний);
предложенной системе показателей для оценки различных конструкций и компоновок станков по производительности, точности и взаимной сбалансированности характеристик несущей системы и приводов станка, способствующих созданию оборудования без чрезмерного запаса по отдельным показателям;
построенных математических моделях ограничений производительности и точности в технологическом рабочем пространстве станка, учитывающих мощность привода, моменты и усилия в зоне резания, параметры инструмента, режимы резания, характеристики приспособлений;
разработанных алгоритмах диагностирования состояния отдельных элементов динамической системы станков на основе анализа виброакустических сигналов.
Практическая ценность работы заключается:
в рекомендациях по проектированию оборудования, разработке научно обоснованных требований к характеристикам несущих систем проектируемых станков и оценки качества станков по интегральным показателям характеристик в рабочем пространстве, дающих объективную оценку качества оборудования;
в технологических рекомендациях по выбору режимов обработки для станков с ЧПУ с учетом показателей производительности и качества обработки в различных зонах технологического рабочего пространства станка, позволяющих повысить производительность обработки и обеспечить заданное качество обработки;
в методиках и программах определения динамических характеристик на базовых поверхностях станков при гармоническом и импульсном нагружении упругой системы, позволяющих оценивать качество приобретаемого оборудования, оперативно диагностировать его состояние при эксплуатации и выявлять резервы улучшения конструкции;
в программно-математическом, аппаратном обеспечении и методиках диагностирования упругих систем станков, опор шпинделей, выявления дефектов и слабых узлов, позволяющих оперативно определять причины вибраций и низкой виброустойчивости станков при обработке и анализировать их вынужденные колебания.
Реализация результатов работы. Работы выполнялись в МГТУ «Стан-кин» в рамках хоздоговорных тем (№№ гос.рег. 76039110, 78048699, 80005590, 81014197, 81022088) и госбюджетных контрактов (№№ гос.рег. 01823048325, 01850081771, 01200804876). Результаты работы используются на станкостроительных заводах ОАО «Стерлитамак-М.Т.Е», ОАО «Красный пролетарий», в ОАО «Савеловский машиностроительный завод», в инжиниринговой компании «Pride TWL», ОАО «Дальэнергомаш», ОАО «Пензадизельмаш» и др.
Материалы диссертации в виде программ для ПК используются в учебном процессе ряда вузов РФ: МГТУ «Станкин», Тихоокеанский государственный университет, Пермский государственный технический университет, Оренбургский государственный университет, Уфимский государственный авиационный технический университет, Ульяновский государственный технический университет, Пензенский государственный университет и др.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных научно-технической конференциях (НТК) «Динамика станков» в Куйбышеве (1980) (1984), на международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» в Белгороде (2007), на X, XI и ХП-ой научных конференциях МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН по математическому моделированию и информатике (2007, 2008, 2009), на ХХ-ой международной НТК по современным проблемам машиноведения в ИМАШ РАН (2008), на международной НТК «Информационные средства и технологии» в Москве (2007), на 6-й международной НТК «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» в Брянске (2008), на международной НТК «Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем» в Уфе (2009), на международном Российско-китайском Симпозиуме «Современные материалы и технологии» в Хабаровске (2009) и многих других.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 печатные работы, в том числе 16 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 авторских свидетельства, 3 свидетельства на программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (192 наименования) и приложения. Общий объем диссертации 255 страниц, включая 117 рисунка и 19 таблицы.
Описание состояния рабочего пространства станка
При испытаниях правильная оценка любой машины может быть сделана только на основе глубокого анализа тех условий, в которых машине предстоит работать. Для универсального металлорежущего станка условия эксплуатации могут быть весьма разнообразны. Поэтому испытатель должен быть вооружен методологией, позволяющей представить условия работы испытываемого станка и на основе этого выбрать условия испытаний и критерии оценки. Этот вопрос является кардинальным. Для его решения используется понятие рабочего пространства.
Рабочее пространство станков исследовалось многими авторами [8, 24, 28, 29, 184-187 и др.]. Наиболее близким по идеологии настоящей работе является подход, предложенный в работах Ю.Д. Врагова [28, 29]. Здесь рабочее пространство понимается как "пространство, занимаемое обрабатываемой заготовкой наибольших размеров в её среднем положении и примыкающее к месту установки - столу, планшайбе и т.п.". На этом изучение рабочего пространства, пожалуй, заканчивается. Далее автор переходит к подробному изучению рабочего поля компоновки, которое представляет область пространства, в пределах которого происходит образование поверхностей и нагружение станка силами резания. Понятие рабочего поля отличается от понятия рабочего пространства (в представлениях настоящей работы) так же, как понятие компоновки станка отличается от понятия его динамической системы [77]. Рабочее поле компоновки является аппаратом анализа качества компоновки. Основной особенностью рабочего поля является то, что внутри поля деформации и нагрузки связаны только геометрическими соотношениями, т. е. смещения в любой точке поля получаются геометрическими преобразованиями смещений» элементов4 компоновки, несущих инструмент и заготовку. Таким образом, рабочее поле обладает свойством невесомых и недеформируемых связей. Такое представление полезно при сравнительном анализе компоновок при проектировании [4, 6,20, 151-154]. При испытаниях роль деформации узлов, расположенных в рабочем поле весьма велика и не может игнорироваться. Поэтому с точки зрения испытателя понятие рабочего поля компоновки целесообразно заменить понятием рабочего пространства станка.
В работе [8], рассматривается «...распределение жесткости в рабочей зоне токарного станка» (рис. 1.5). На наш взгляд «рабочая зона» может рассматриваться как часть технологического факторного пространства.
Для того чтобы обработать деталь, на станке устанавливают различную технологическую оснастку (приспособления), деталь и инструмент. Разнообразные приспособления, закрепляемые на установочные места станка (столы, резцедержки и т.п.) в совокупности занимают некоторый объем, который назовем подпространством приспособлений (1111). ПП ориентируется относительно установочных мест станка, которые для краткости будем называть базами. Будем различать подпространство приспособлений для закрепления инструмента (ППИ) и для закрепления деталей (ППД). ППИ и ППД связаны с различными базами станка (фланцем шпинделя, поверхностью стола и т.п.) и вместе с подвижными узлами станка могут перемещаться в координатном пространстве станка. Все возможные положения ППИ и ППД образуют другие (расширенные) подпространства, которые будем обозначать VIШИ и УППД (рис. 1.6). Закрепляемые в приспособлениях инструменты занимают подпространство инструмента (ПИ), а детали - подпространство детали (ПД), которые также могут перемещаться в координатном пространстве станка вместе с его подвижными узлами, занимая соответственно расширенные подпространства УПИ и УПД. Та область, в которой пересекаются \/ПИ и \/ПД образует подпространство резания (ПР). Внутри этого подпространства происходит формообразование и нагружение станка силами резания (рис. 1.7):
Рабочим пространством (РП) станка называется пространство, объединяющее подпространства детали, режущего инструмента и приспособлений для их закрепления при всех возможных положениях подвижных узлов станка, несущих установочные места для закрепления этих приспособлений.
Пусть в фиксированный момент времени на станке происходит обработка некоторой детали. Рассмотрим множество условий, которые необходимо задать, для того чтобы однозначно описать состояние динамической системы станка. Будем рассматривать только те условия, которые могут оказать влияние на характеристики обработки - точность и производительность.
Для описания произвольного случая обработки, т.е. для описания произвольного состояния динамической системы, необходимо описать состояние РП станка, которое в свою очередь описывается состоянием его элементов: - состоянием подпространства приспособлений, - состоянием подпространства детали, - состоянием подпространства инструмента, - состоянием процесса резания. Состояние подвижных узлов станка, несущих установочные места для крепления приспособлений, задается описанием абсолютного положения соответствующего подпространства. Факторы, описывающие состояние элементов РП станка, даны в табл. 1.1. Факторы состояния РП станка являются взаимосвязанными, образуют определенную иерархию (рис. 1.8). Таблица 1.1. Факторы состояния рабочего пространства
Анализ показателей производительности металлорежущего станка
Характеристики производительности станка будем исследовать внутри пространства резания. В общем случае характеристики производительности представляют непрерывные функции (поля) в пространстве резания. Однако при экспериментальном исследовании и цифровой обработке на ЭВМ значительно удобнее дискретное представление характеристик в ПР. Для этого разделим ПР на ряд зон (в общем случае объемных) таким образом, чтобы исследуемые характеристики внутри зоны можно было считать неизменными с заданной степенью точности Б. Величина є определяет число зон ПР и размеры Ах зон вдоль координатной оси х из условия: где G - исследуемая характеристика динамической системы. Зонное представление удобно для анализа использования ПР при эксплуатации станка. Алгоритм анализа использования зон ПР показан на рис. 2.2. Исходными данными для анализа являются:
Для каждой5 детали выбирается схема базирования и тип приспособлений для ее закрепления из комплекта приспособлений к станку. Выбор баз детали определяет положение начала координат системы детали, а также конфигурацию, тип и начало координат ПР в системе координат станка. Начало
Алгоритм анализа использования зон пространства резания (ПР). Затем на пинается после довательный анализ всех поверхностей детали. Каждая обрабатываемая поверхность размещается в соответствующей зоне ПР. Если поверхность попадает сразу в несколько зон, то она учитывается в каждой зоне, а статистическая весомость поверхности распределяется по зонам пропорционально длине. Возможность обработки поверхности подтверждается выбором режущего инструмента из комплекта к станку, который выполняется с использованием рекомендаций [93, 97, 130-132]. После этого выбирают приспособление для закрепления режущего инструмента (оправки, державки и т.п.).
Характеристики динамической системы зависят не только от того, в ка кой зоне выполняется резание, но и от конфигурации заготовки в целом. В ча стности от конфигурации заготовки зависит жесткость динамической системы. Поэтому при описании поверхности в зоне, необходимо указать в каких зонах располагаются другие поверхности этой же детали. Для такого описания ис пользуем метод межзонной корреляционной связанности поверхностей. Меж зонная корреляция задается кодом, в котором указываются номера зон, в кото рых находятся поверхности детали. Зонная таблица описания поверхности включает марку обрабатываемого материала, твердость, описание типа поверх ности, код межзонной корреляции. При использовании зонного представления пространства резания описание состояния РП станка при обработке в /-той зоне включает: Элемент РП станка Характеристики состояния Обозначение Подпространство заготовки Обрабатываемый материалТвердостьТип поверхностиМежзональный код Й= 4 Подпространство приспособлений. заготовки и инструмента Код приспособления детали Код приспособления инструмента . Й= пд пи Подпространство режущего инструмента Код режущего инструмента &= &
Подпространство процесса резания Скорость резания Подача Глубина резания &= V S t Характеристики состояния режущего инструмента (материал режущей части, геометрия пластины и др.) будем рассматривать как внешние, не подлежащие анализу и оптимизации характеристики, поэтому состояние подпространства режущего инструмента задаем кодом, характеризующим определенные наборы этих характеристик.
Состояние динамической системы при обработке в г-той зоне РП станка опишем вектором ={& 6, 6, 6, ц} где ц - вектор неучитываемых или случайно изменяющихся условий: колебания твердости заготовки, отклонения фактических видов поверхностей от закодированных и т.п.
Таким образом, всякий частный случай обработки детали на станке описывается номером зоны пространства резания и зонным вектором состояния ,-.
Экспериментальное определение и оценка характеристик станка при различных условиях работы, т.е. для различных состояний технологического факторного РП станка, может выполняться двумя методами:
Метод I - основан на определении зонных характеристик станка для различных зонных векторов состояний и последующей статистической обработкой зонных характеристик для получения средних по РП станка характеристик и дисперсии характеристик. Этот метод, называемый далее методом зонных характеристик является основным, так как позволяет не только дать сравнительную оценку характеристикам станка, но и может использоваться для их оптимизации.
Метод 2 - основан на определении характеристик станка путем обработки статистически представительных деталей образцов. Этот метод, как правило, используется для сравнительных испытаний станков. Причем искомые характеристики могут быть получены как непосредственно резанием заготовок на станке, так и путем имитационного моделировании процесса обработки на ЭВМ.
Метод зонных характеристик подробно разрабатывается в последующих разделах. Здесь остановимся на методе представительных деталей-образцов.
Конструирование представительных деталей-образцов выполняется на основе банка данных по обрабатываемым деталям. Алгоритм конструирования показан на рис. 2.3.
Из множества имеющихся в банке деталей выбирают подмножество, удовлетворяющее ограничениям, накладываемым характеристиками испытуемого станка. Пространство деталей, образованных подмножеством, разбиваем на зоны, аналогично разбиению пространства резания.
Последовательно анализируя детали и их поверхности, определяем зонные характеристики дет алей, включающие: обрабатываемый материал, твердость, коды основных и вспомогательных поверхностей, точность и шероховатость поверхности.
Описание конфигурации детали в целом выполняется путем задания кода, который представляет последовательность номеров зон, через которые проходят основные поверхности детали. Рассмотрим задание межзонного кода для деталей типа тел вращения. Для этих деталей основными поверхностями являются цилиндрические и торцевые поверхности, на которых располагаются вспомогательные поверхности - резьбы, канавки, буртики, пазы и т.п.(рис. 2.4). Определяя точки входа I и выхода 0 основных поверхностей из зоны, строим зонный контур, который имеет вид либо "цилиндр-торец" (рис. 2.4,а), либо "цилиндр- цилиндр" (рис. 2.4,6). После построения зонных контуров для всех поверхностей детали определяется код межзонной связи детали. Например, конфигурация детали нарис. 2.5 задаете кодом: 7-4-5-8-9-6-3, 4-5-2-3, где первая строка кода описывает наружную конфигурацию, а вторая - внутреннюю.
Изменение динамических характеристик в рабочем пространстве станка
Коэффициенты для расчетных моделей определяются только с использованием справочных данных без привлечения результатов испытаний исследуемого станка. Эти модели являются основными для внешних ограничений.
Расчетно-экспериментальные модели характеризуются тем, что коэффициенты для этих моделей определяются экспериментально при исследованиях и испытаниях исследуемого станка, как правило, без применения резания. На основе этих характеристик строят модели для параметров ограничений, которые позволяют прогнозировать граничные значения производительности без применения резания деталей-образцов.
При построении расчетно-экспериментальных моделей, как правило, требуется разработка промежуточных моделей, связывающих некоторые характеристики динамической системы с параметрами ограничений. Например, при построении модели для волнистости и шероховатости поверхности предварительно нужно задать модель для связи этих параметров с вынужденными колебаниями в динамической системе. Несмотря на сложность, расчетно-экспериментальные модели обладают одним большим преимуществом - они не требуют большого расхода металла на проведение испытаний. Эмпирические модели строят на основе информации, получаемой при обработке резанием специальных деталей-образцов. Эти детали-образцы не следует путать с пред ставительными дет алями-образцами, в общ ем случае он и имеют различную конфигурацию. В связи с большим разнообразием условий эксплуатации станка (т.е. с большой размерностью вектора состояния РП станка) этот метод требует большого объема экспериментальных работ. Практически метод может применяться для определения граничных значений производительности при максимально больших уровнях представительности, т.е. для наиболее типичных условий эксплуатации.
Основной проблемой эмпирического метода является то, что при обработке резанием деталей-образцов непосредственно можно измерить только одно граничное значение, соответствующее наименьшему (действующему) ограничению, так как дальнейшее увеличение режимов резания становится невозможным. Для прогнозирования граничных значений для других (недействующих) ограничений строят эмпирические прогнозирующие модели. Эти модели описывают изменение параметра ограничения от режимов резания.
Анализ производительности для более ши роких услови й эксплуатаци и (т.е. для меньшего уровня представительности) может выполняться только с привлечением расчетно-экспериментальных моделей.
Таким образом, эмпирическая модель описывает изменение параметра ограничения в зависимости от режимов резания при определенных значениях вектора состояния технологического факторного РП станка. При испытаниях режимы резания будем рассматривать как варьируемые факторы, а значения вектора состояния как условия испытаний.
Структура эмпирических моделей для ограничений, связанных с динамической системой станка дана в табл.2.3. Главным образом модели представлены в виде показательных функций. Часть моделей имеют форму неравенств.
Логарифмическим преобразованием модели приводятся к линейным относительно неизвестных коэффициентов. Неизвестные коэффициенты определяются путем обработки результатов экспериментов. Эксперименты выполняют по разработанному плану при варьировании режимов резания и измерении параметров ограничений. Этот способ построения моделей назовем непосредственным.
Ряд параметров ограничений трудно непосредственно измерить при резании деталей-образцов, например для непосредственного измерения нагрузок, возникающих в динамической системе (сил резания и крутящих моментов) требуется размещение динамометров, которые могут исказить динамическую сие 64 тему. В этом случае параметры ограничений оценивают косвенно по коэффициентам, полученным при определении других ограничений.
Выбор интервалов варьирования факторов. Факторами в описываемом эксперименте являются режимы резания. Режимы резания устанавливают на основе рассмотрения условных технологических ограничений, описание которых дано в п. 2.4. Такой подход вытекает из основной гипотезы работы, согласно которой оценки станка выполняют путем сопоставления ограничений динамической системы с условными технологическими ограничениями. Основные технологические ограничения даны в табл. 2.4.
Назначение режимов резания для каждого вектора состояния РПС производится путем выполнения оптимизации по критериям минимальной стоимости или минимального времени [172]L При выполнении оптимизации все ограничения, связанные с характеристиками станка, приспособлений, и детали, не принимаются во внимание, т.е. принимаются бесконечно большими.
Рекомендуется выполнять двумерную оптимизацию в плоскости "V-S". Глубина резания принимается равной среднему припуску на обработку для условий Как правило, оптимизация приводит к следующему алгоритму выбора режимов: - назначается максимально возможная подача S из условия шероховато сти поверхности и прочности режущей пластины. Глубина резания равна сред нему припуску. - скорость резания определяется из условия стойкости инструмента.
Критерии оценки характеристик станка и установление путей совершенствования станка
Забегая вперед и рассматривая рис. 5.8 можно увидеть, что взаимное влияние ограничений производительности происходит, главным образом, через динамическую систему станка за счет изменения её характеристик упругих или инерционных или за счет изменения характеристик возбуждений. Для определения чувствительности изменения одних ограничений к изменению других, для диагностики источников возмущений и для определения "слабых" звеньев динамической системы необходим аппарат построения динамических моделей упругих систем станков. В настоящее время широкое распространение получили расчетные методы определения динамических моделей станков [31, 53, 78, 104, 128, 148]. Эти методы успешно используются при проектировании станков. Однако фактические значения параметров реальных станков могут отличаться от расчетных значений за счет качества изготовления. Поэтому важной задачей диагностики и оптимизации станков по результатам испытаний является экспериментальное определение (идентификация) параметров динамических систем.
Структура динамической модели при испытаниях определяется методом измерения форм колебаний [67, 77, 81].
Построение форм колебаний начинают с анализа конструкции станка путем внешнего осмотра и изучения его чертежей. Результатом такого анализа является формирование так называемой первичной модели, в которую включены узлы и детали станка, которые могут предположительно оказывать влияние на част отные характеристики в зо не рез ания. В пе рвичную модель включаются не только узлы, входящие в цепь силового замыкания, но и лежащие вне этой цепи, например, двигатели главного движения, подачи, элементы гидросистемы, навесное оборудование и т.п.
Влияние колебаний отдельных узлов оценивается методом приложения импульсного воздействия к узлу и измерения возникающих при этом колебаний в зоне резания (в рабочем диапазоне частот) [118, 119]. Если выполняется условие (рис. 3.18): то влиянием колебаний данного узла можно пренебречь.
Пример первичной модели для то карного ста нка п оказан на рис. 3.19. Элементы первичной модели (т.е. узлы или детали станка) классифицируем по четырем типам: м ассивы, стержни, валы, пластины. Эта классификация соответствует работам [49, 104, 113]. Массивы представляют жесткие тела, собственной деформацией которых можно пренебречь. Движение массивов осуществляется только за счет податливости в местах крепления массивов. Примерами массивов являются жесткие шпиндельные бабки, столы, и т.п. Упомянутые выше элементы первичной модели соединяются друг с другом, образуя стыки. На расчетных схемах стыки обычно изображаются пружинами. датчик колебашШ
Стержнем назовем корпусную деталь, деформация которой (изгибная и крутильная) существенна (станины, стойки). Валами называем детали типа шпиндель, заготовка. Пластины - детали, два размера которых значительно превышают третий.
Принадлежность элемента к тому или иному типу определяет число точек измерения колебаний. Расположение точек измерения (предпочтительное) показано в табл. 3.2. Для массивов минимальное число точек измерения колебаний равно трем (рис. 3.20). Точки располагаются таким образом, чтобы колебания вдоль каждой оси были бы измерены, по крайней мере, в двух различных точках. Измеренные колебания должны обеспечить расчет поступательных смещений массива вдоль трех осей X, Y и Z и поворотов вокруг этих же осей. Для повышения точности измерения число точек следует выбирать больше трех. Рекомендуется измерять колебания в восьми угловых точках массива, причем в каждой точке измерение выполнять в трех направлениях (рис. 3.20). Таблица 3.2.
Расположение точек на массиве при измерении форм колебаний: а - минимальное число точек на массиве; б — рекомендуемое расположение точек на массиве.
Стержень разбивают на ряд элементов Mh каждый из которых можно считать массивом (рис. 3.21). Для каждого элементарного массива точки измерения выбирают как для обычного массива, причем точки, расположенные
Для валов (рис. 3.22) точки измерения стараются расположить равномерно по длине. Точки измерения, реально расположенные на периферии вала (#i при измерении колебаний в направлении Z и Ъ\ при измерении колебаний в направлении X) относят к одной точке 1, условно расположенной на оси вала.
Способы возбуждения упругой системы при определении форм колебаний: а) с помощью вибратора; б) импульсное возбуждение.
При использовании синусоидального возбуждения вибрации создают на резонансных частотах упругой системы и измеряют колебания в установленных точках элементов первичной колебаний), а второй - номеру модели. В результате определяют матрицу форм колебаний где первый индекс соответствует номеру точки измерения колебаний (ns -общее число точек измерения резонансной частоты (пр - число резонансных частот).
При импульсном возбуждении определяют две формы колебаний SH\ и SH2 при возбуждении ветви детали силой Pi и ветви инструмента силой Р2. Тогда форма колебаний станка будет: SH — SHX — SH2. Анализируя формы колебаний на первичной модели уточняют: - существенность колебаний каждого элемента, - правильность отнесения элемента к соответствующему типу. Значимость того или иного элемента в динамической системе оценивают по-разному в зависимости от расположения этого элемента. Для элемента, расположенного в цепи силового замыкания силы резания (рис. 3.25), значимость оценивается по той доле, которую этот элемент вносит в колебания между инструментом и заготовкой. Например, если для элемента А получены колебания qa в точке а, то в точке резания С эти колебания приведут к смещению: частотная передаточная функция.
