Повышение точности 5-координатных многоцелевых станков с чпу на основе разработанных методов измерения геометрических отклонений
На правах рукописи
НИКУЛИЧЕВ ИГОРЬ ВИКТОРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ 5-КООРДИНАТНЫХ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ С ЧПУ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ОТКЛОНЕНИЙ Специальность 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва, 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Хомяков Вадим Сергеевич ФБГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рогов Владимир Александрович ФГБОУ ВПО РУДН, г. Москва Заведующий кафедры кандидат технических наук Ермолаев Вадим Константинович ООО «СП СТАНКОВЕНДТ», г. Москва Заместитель генерального директора
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет», г.Москва
Защита состоится «20» июня 2013 г. в «14.00» часов на заседании диссер тационного совета Д212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адре су: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.3а.
Ваши отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения (организа ции), просим высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».
Автореферат разослан «15» мая 2013 года.
Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Волосова М.А.
Актуальность темы. Станкостроение относится к числу базовых отраслей машиностроения, от технического состояния которого во многом зависит уро вень развития всей экономики страны. Развитие станкостроения также является одним из важнейших факторов обеспечения модернизации промышленности в целом.
Можно отметить, что в последнее время все больше предпочтений на предприятиях отдается 5-координатным станкам с ЧПУ. Это связано с широ кими технологическими возможностями таких станков: они позволяют прово дить черновые и чистовые операции за один установ, наилучшим образом об рабатывать сложные детали (колеса турбин, гребные винты и сборные лопасти), пресс-формы или детали из труднообрабатываемых материалов. Такие станки становятся незаменимыми в военной, авиационной, космической и автомо бильной отраслях промышленности наряду с автоматическими линиями.
Однако, повышение требований к качеству изготовления деталей, а также техническое совершенствование материалов требует постоянного контроля точности как отдельных элементов конструкций, так и их составных узлов в целом. Как результат, предъявляются повышенные требования к точности обо рудования, на котором происходит обработка деталей, и, в первую очередь, к металлорежущим станкам.
Соответственно, обеспечение необходимой "объемной" точности 5-ти ко ординатных станков при их изготовлении и эксплуатации является важной за дачей, решению которой в последнее время посвящается все больше теоретиче ских и экспериментальных исследований. Актуальными становятся вопросы отладки, юстировки и диагностики многокоординатных обрабатывающих цен тров. Однако в этих работах не уделяется должного внимания всему многооб разию возможных методов и методик измерений точности станков и их усо вершенствованию, а также влиянию возмущающих факторов (вес узлов станка, температура) на точность 5-ти координатных машин с ЧПУ.
Существует непрерывно растущая потребность в отслеживании, выявле нии и решении проблем, оказывающих воздействие на повышение точности многокоординатных станков с ЧПУ. В связи с этим тема диссертационной ра боты на соискание ученой степени кандидата технических наук, направленная на повышение точности 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ, на примере моделей МС-300, производимых в ОАО "Национальный институт авиационных технологий" (НИАТ) является актуальной.
Цель работы. Повышение точности 5-координатных многоцелевых стан ков с ЧПУ на основе разработки новых (метод измерения отклонения непересе чения поворотных осей, оценка статической и динамической жесткости, уменьшение влияния системы охлаждения) и существующих методов измере ния геометрических отклонений.
Задачи исследования. Для достижения заданной в работе цели поставле ны следующие задачи:
1) Систематизировать и предложить новые методы и средства измерения первичных отклонений исполнительных органов применительно к 5 координатным станкам.
2) Провести экспериментальные исследования на многоцелевых станках и дать оценку их "объемной" точности с последующим выявлением причин от клонений от заданных траекторий движения рабочих органов. Предложить пу ти повышения точностных характеристик 5-координатных многоцелевых стан ков с ЧПУ.
3) Выявить и исследовать влияние погрешностей изготовления и сборки, а также возмущающих факторов (вес, температура станка) на первичные откло нения рабочих органов многоцелевых станков и принять соответствующие ме ры, в том числе по вводу программной коррекции в систему ЧПУ.
4) Разработать метод экспериментальных исследований для оценки стати ческой и динамической жесткости рабочих органов многокоординатных стан ков с ЧПУ по отклику на силовое ступенчатое воздействие.
5) Разработать метод повышения точности воспроизведения эталонной траектории и выявить способы сравнения первичных отклонений, полученных в системе станка с ЧПУ, охваченной обратной связью датчиков, с отклонения ми, которые показывают реальную динамику перемещений узлов 5 координатных станков с использованием прибора Ballbar.
В качестве объекта исследования в данной работе были использованы 5 координатные многоцелевые станки модели МС-300. Применительно к станкам этой группы по разработанным методам проведены необходимые измерения с последующим внесением соответствующих коррекций и компенсаций в его систему ЧПУ. Все эти мероприятия позволили повысить точностные характе ристики исследуемых станков.
Предметом исследования в работе является улучшение точностных ха рактеристик станков, а также изучение возможностей коррекции измеряемых параметров с помощью системы ЧПУ.
Научная новизна работы заключается в:
создании новых методов экспериментальных исследований и анализа погрешностей несущей системы станка на стадии калибровки (в том числе, от клонений от непересечения осей угловых координат его узлов), позволивших повысить точность 5-координатных станков с ЧПУ;
разработке алгоритмов и программ коррекции работы системы ЧПУ станка на основе полученной информации о первичных отклонениях (от пер пендикулярности, параллельности, позиционирования и прямолинейности) ис полнительных органов станка, что позволило повысить объемную точность станка в несколько раз (до заданных значений);
выявлении на основе проведенных на 5-координатном станке экспери ментов, количественных взаимосвязей условий работы его системы охлаждения и случайных составляющих погрешностей позиционирования станка по линей ным и угловым координатам;
разработке методов анализа статической и динамической жесткости несущей системы многокоординатных станков, позволяющих оценивать каче ство сборки и уровня совершенства конструкции станка в целом.
Практическая значимость работы состоит в разработке методов и уст ройств диагностирования, юстировки и отладки, а также в выявлении влияния действий возмущающих факторов на первичные отклонения (отклонения пер пендикулярности, параллельности, позиционирования, непересечения осей) ис полнительных органов станков.
Работа, в значительной степени, выполнена по экспериментальным дан ным, что способствует накоплению информации и опыта для последующей оценки первичных отклонений 5-координатных станков. Результатом работы являются рекомендации по установлению теплового режима станка для изме рения отклонений позиционирования и воспроизведения эталонной окружно сти.
Реализации и внедрения. Результаты работы внедрены и использованы на 5-координатных станках МС-300, применяемых в производстве ОАО На ционального института авиационных технологий (НИАТ).
Апробации работы. Результаты, полученные автором в ходе работы, док ладывались на заседаниях кафедры «Станки» МГТУ «СТАНКИН», заседаниях Международной научно-практической конференции «Фундаментальные про блемы и современные технологии в машиностроении» (ИМАШ им. Благонра вова, Москва, 2010), XXIII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС-2011» (ИМАШ им. Бла гонравова, Москва, 2011), международной научной конференции «Фундамен тальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (ИМАШ им. Благонравова, Москва, 2012), X Международного научно технического форума «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии (ИнЭРТ-2012)» (ИЦ ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2012).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 - в трудах международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы из 58 наименова ний. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 11 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована научная новизна работы, отмечена ее актуаль ность и практическая значимость.
В первой главе дано определение объекта исследования, история развития и подтверждена справедливость предположений об использовании 5 координатных многоцелевых станков с ЧПУ в таких отраслях как машино строение, в литейном производстве, в изготовлении аппаратов и средств для военной и космической отраслей, в автотюнинге, в судостроении, в строитель стве, в мебельном и столярном производстве, в рекламе и в других областях об работки материалов.
В качестве объекта исследования были выбраны 5-координатные многоце левые станки модели МС-300, применяемые в производстве ОАО НИАТ (г.
Москва).
Многокоординатный обрабатывающий центр (МЦ) модели МС-300 раз работан и предназначен для комплексной высокоскоростной обработки дета лей, изготовленных из различных материалов, в условиях мелкосерийного и се рийного производства. МЦ выполняет следующие операции:
операции сверления;
растачивания;
сверление одновременно с фрезерованием резьбы комбинированным ин струментом в деталях малых и средних размеров прямолинейного, контурного и объемного фрезерования;
нарезания резьбы;
МЦ имеет класс точности А (станки особо высокой точности). Центр име ет пять формообразующих координатных движений (рис.1) и позволяет обра батывать детали, имеющие сложную геометрическую форму (лопатки газотур бинных двигателей, прессформы, штампы и т.п.). Дискретность задания пере мещения по линейным координатам составляет 0,0001 мм, по угловым 0,0001.
Рис. 1. Схемы расположения управляемых координат в 5-ти координатном многоцелевом станке модели МС-300.
Изменение компоновки и усовершенствование моделей станков являются весьма важными задачами. Кроме этого, производители всегда берут во внима ние повышение надежности, точности, жесткости и возможности своевремен ного решения проблем с отладкой, юстировкой и выверкой основных парамет ров станков.
Первичные отклонения звеньев и кинематических пар в механизмах по следовательных подсистем регламентируются нормами точности на изготовле ние станка. Требуемая точность станка достигается как технологией изготовле ния отдельных деталей, так и технологией сборки узлов и станка в целом. При сборке станка для достижения необходимой точности в настоящее время широ ко используются различные методы коррекции первичных отклонений через математическое обеспечение системы ЧПУ. Для проведения коррекции необ ходимо измерять первичные отклонения с помощью хорошо развитых методов и средств измерения (ГОСТ 22267-98).
Однако в производстве получается, что для станков различных групп и структур создаются свои, не похожие на остальные, методы измерения и мето дики, которые могут упростить процедуры измерения, существенно уменьшить время, затраченное на них, или поспособствовать повышению точности изме рения в целом. Так, например, наличие 2-х угловых координат в 5-ти коорди натных станках требует проведения новых проверок геометрической точности на холостом ходу:
- для измерения отклонений «непересечения» осей поворота;
- для измерения отклонений от перпендикулярности осей поворота;
- для привязки осей поворота к линейным координатам.
На основе выполненного анализа и обнаруженных проблем сформулиро вана цель и поставлены задачи исследования.
Во второй главе описаны методы и средства измерений первичных откло нений звеньев механизмов несущей системы станков. Рассмотрены основные понятия, связанные с методами и средствами измерения первичных отклонений машин: точность станка, косвенное и прямое измерение, метод непосредствен ной оценки и метод сравнения с мерой, принцип измерения и их средства.
В ходе исследований объемной точности был сделан вывод о том, что набор первичных отклонений для звеньев, входящих в поступательные и вращательные пары механизмов несущей системы станка МС-300, состоит из 38 отклонений:
1) EXX, EYY, EZZ, EBB, ECC - отклонения позиционирования по линейным и угловым координатам. Для измерения точности позиционирования использовалось измерительное средство метода непосредственной оценки лазерный интерферометр с линейной и угловой оптикой (глава 3);
2) EYX, EZX, EXY, EZY, EXZ, EYZ - отклонения от прямолинейности движения. Использовались поверочные твердокаменные линейки класса точности 00 с широкой рабочей поверхностью ТУ 2-034-816-81 из твердока менных пород. В ходе исследования, отклонение от прямолинейности движения салазок (XZ, YX), стойки (XY, YZ) и шпиндельной бабки (XZ, YZ) не превысило 5мкм, что входит в допуск;
3) EAX, EBX, ECX, EAY, EBY, ECY, EAZ, EBZ, ECZ — отклонения осей поворота узлов станка линейных координат. В качестве прибора для измерения использовались электронные уровни (мод. EMP-832P-50-W2 (Mahr Federal Inc., USA)). Постоянство углового положения по всем координатам оказалось ниже предельного значения 2.5, что может свидетельствовать о качественной сборке станка;
4) EAB, ECB, EBC, EAC — отклонения от вертикали и горизонтали осей поворота поворотных столов B и C. Для измерения данного отклонения использовался лазерный интерферометр с угловой оптикой;
5) EXB, EZB, EXC, EYC — радиальные биения поворотных столов;
6) EYB, EZC — аксиальные биения поворотных столов. В качестве измерительных средств для измерения осевого и радиального биения (EXB, EYB, EZB, EXC, EYC, EZC) поворотных столов применялись измерительные головки, работающие по методу непосредственной оценки (система измерительная портативная с индуктивным преобразователем БВ-6436). Для измерения осевого биения использовались плоские измерительные наконечники и эталонный шарик небольшого диаметра 5 мм, устанавливаемый на проверяемом узле (планшайбе). Радиальное биение оси вращения и торцевое биение рабочей поверхности планшайбы стола меньше заявленных допусков (8 мкм);
7) xy, xz, yz, bc, bxz, byz - отклонений от перпендикулярности движений.
Для измерения данного отклонения использовались обычный проверочный угольник из твердокаменных пород класса точности 00 и индуктивный преоб разователь с показывающим прибором "Микрон-02". Так, для опытного образца MC 300 № 6 результаты измерения отклонений от перпендикулярности следующие:
- отклонения от перпендикулярности траектории (направления) перемеще ния стойки к направлению перемещения салазок (плоскость XOY) составляют мкм;
- отклонения от перпендикулярности траектории (направления) перемеще ния шпиндельной бабки к направлению перемещения салазок:
в плоскости XOZ - 3,5 мкм;
в плоскости YOZ - 5 мкм, что входит в допуск нормы точности.
Если отклонения превышает допуск перпендикулярности (8 мкм), по изме ренным значениям создается таблица компенсации, которая вводится в систему ЧПУ станка.
8) bcx, bcy — отклонения «непересечения» осей B и C. Для измерения от клонений от «непересечения» осей B и C (bcz, bcx) стандартных средств изме рения в настоящее время нет. В ИМАШ РАН совместно с ОАО НИАТ было разработано измерительное устройство с эталонным шаром.
Отклонение от «непересечения» осей C и B есть наименьшее расстояние между осями C и B (общий перпендикуляр к осям C и B). Прямое измерение наименьшего расстояния между осями C и B представляет сложную метрологическую задачу.
Для измерения отклонений bcx и bcz удобно пользоваться измерительным приспособлением, принцип действия которого основан на свойстве шара – равноудалённости каждой точки поверхности от его центра.
На рис. 2 показан общий вид приспособления, с помощью которого была реализована схема измерений отклонений bcx и bcz.
Рис. 2.Общий вид приспособления для измерения bcx и bcz при горизонтальном и вертикальном положении планшайбы.
Эталонный шар выставляют так, чтобы ось поворота планшайбы проходила через центр шара. Это достигается путём вращения планшайбы (ось C) и «выстукивания» приспособления с эталонным шаром по показаниям индуктивного датчика.
Далее, поворачивая корпус планшайбы вокруг оси B на +90 и -90, можно по показаниям датчика линейных перемещений, касающегося поверхности эта лонного шара в самой верхней её точке, определить отклонение «непересечения» осей x вдоль оси X x = (a-90 - a+90)/2, где: a+90 - показания датчика при повороте корпуса планшайбы на +90(обычно a+90 «сбрасывается на ноль»), a-90 - показания датчика при повороте корпуса планшайбы на -90.
В конструкции станка МС-300 предусмотрены регулировочные винты для смещения корпуса планшайбы в направлении оси X. Эта процедура носит итерационный характер и проводится до тех пор, пока величина x не станет меньше заданного допуска. Итерационный характер процедуры обусловлен контактными деформациями сопрягающихся поверхностей при затяжке крепёжных винтов.
Положение корпуса датчика по координате Z корректируется в соответствии с оставшейся величиной x, и индуктивный датчик «сбрасывается на ноль».
Следует отметить, что ось B должна лежать на «зеркале» планшайбы с отклонением, регламентируемом допуском на «непересечение». Регулировка положения планшайбы в направлении оси Z осуществляется с помощью ре гулировочных винтов по результатам измерения z блока концевых мер, набранного на размер радиуса эталонного шара R = 29.938 мм и устанавливаемого на зеркало планшайбы в соответствии с рис.2.
В случае, если поворот стола по оси В не равноценен (например +60 и 120), метод измерения отклонения "непересечения" осей B и С можно не сколько изменить: совершать поворот не на 90, а на 30. При этом смещение корпуса планшайбы будет происходить на 0.5 от разницы величин измерения в точках +30 и -30.
Результаты опробования разработанного метода показали, что после проведения юстировки станка отклонения «непересечения» осей поворота на станке МС-300 составили bcx= +/- 3 мкм и bcz = 6 мкм, что фактически меньше установленного допуска в 10 мкм на 40%.
Следует отметить, что применительно к 5-координатным станкам других структур количество указанных параметров естественно останется прежним — 38, но обозначения параметров измерений будут другими. Таким образом, проведение измерений согласно разработанным и описанным методам, а также составление программной коррекции с последующей компенсацией "провисов" в элементах несущей системы, позволяют существенно улучшить (в несколько раз) точностные характеристики многокоординатных станков.
Третья глава посвящена влиянию системы охлаждения на точность позиционирования пятикоординатных многоцелевых станков МС-300.
Следует отметить, что все станки МС-300 находились в термоконстантном помещении при температуре 20+/-1. Таким образом, исключалось влияние из менений температуры окружающей среды на основные узлы станков.
Для проведения высокоскоростной обработки металлов резанием приме няются безредукторные привода, в работе которых выделяется большое коли чество тепла, которое отводится с помощью системы охлаждения с холодиль ным агрегатом. Непрерывное выделение тепла в несущей системе станка и от вод его в релейном режиме приводит к циклическому изменению температуры основных узлов станка, что существенно влияет на точностные характеристики станка. Впервые эта особенность для 5-координатного комплекса МС-300 была выявлена при измерении отклонения позиционирования по линейным коорди натам.
Если рассматривать отклонение позиционирования на множестве точек ис следуемого диапазона L положений (при двустороннем подходе по одной коор динате), то получим кривые отклонения позиционирования (рис. 3).
Рис.3. Оценка отклонения позиционирования на отрезке L.
Такая оценка точности позиционирования соответствует ISO-230-2 1997 и ГОСТ 27843-88. Здесь: А – общая точность позиционирования, М – общая функциональная составляющая часть двустороннего позиционирования, М1 и М2 - функциональная (средняя) часть общей составляющей при перемещении в прямом направлении и обратном направлении. R – общая случайная состав ляющая часть двустороннего позиционирования, а, соответственно, R1 и R2 – случайные функциональные части (повторяемость) при перемещении в прямом направлении и обратном. X1 и X2 – отклонение обратного хода (нечувстви тельность) при перемещении в прямом направлении и обратном, B = X1 - X (с учётом знака) – погрешность обратного хода (нечувствительность) двухсто роннего позиционирования.
Кривые М, М1 и М2 характеризуют функциональную составляющую от клонения от положения точки позиционирования как в одной точке, так и на всем диапазоне L. Напротив, зоны R, R1 и R2 характеризуют случайную состав ляющую отклонения от положения точки позиционирования как в одной точке, так и на всем диапазоне L.
Для оси X было выявлено, что функциональная составляющая занимает большую часть отклонения позиционирования (около 75 % всего отклонения).
В данном случае это резерв для повышения точности позиционирования, кото рый реализуется методом введения коррекции. По составляющейся в приложе нии Renishaw Laser таблице компенсации создается и вводится в программную систему управления станка 840 D фирмы Siemens AG (Германия) коррекция движения салазок по направляющим, установленным на станине. Таблица ком пенсации, в свою очередь, составляется относительно среднего значения ре зультатов трех экспериментов.
При калибровке станка МС-300 с заводским номером «4» было выявлено, что параметр - случайная составляющая R (повторяемость) - ведет себя неста бильно. Это ещё больше проявилось при измерении точности позиционирова ния по линейным координатам Y и Z. Было выяснено, что данная нестабиль ность связана с релейным режимом работы охлаждающей системы станка. Был сокращен диапазон терморегуляции с 2°С до 0,2°С.
Как и предполагалось изначально, точность позиционирования по коорди нате X мало зависит от работы системы охлаждения, в отличие от координат Y и Z (чугунная станина станка обладает большей теплоёмкостью, чем корпус шпиндельной бабки).
При измерении отклонения позиционирования по оси Y для станка № 1 ус тановлено, что параметры отклонения позиционирования по оси Y превосходят заданные по паспорту станка нормы и существенно зависят от положения ли нии измерения. Для обнаружения основных причин, вызывающих данные от клонения, проводились дополнительные исследования, которые показали сле дующие результаты:
1) С увеличением расстояния от направляющих координаты Y точность позиционирования падает: показатель A увеличивается;
2) Также увеличивается случайная составляющая в общей точности с уве личением расстояния от направляющих координаты Y;
3) Кроме того, для всех положений линии измерений наблюдается сущест венное значение доли случайной составляющей R в общем показателе точности A. Эта доля в среднем составляет 66 %;
4) Также наблюдается увеличение отклонения обратного хода B.
Были сформулированы предположения, что такое поведение кривых точ ности можно объяснить двумя причинами:
- отклонения позиционирования, в основном, могут определяться поворо том стойки EAY при её движении по координате Y (это объясняет увеличение отклонений позиционирования с уменьшением величины H);
- случайная составляющая отклонений позиционирования вызывается тем пературными деформациями шпиндельной бабки и стойки в результате выде ления и отвода тепла в шпиндельном узле.
Для доказательства данного предположения проводились измерения в ручном режиме при отключенном холодильнике и приводах, которые показали, что холодильная система, работающая в релейном режиме, существенно влияет на точность позиционирования по координате Y.
Сокращение диапазона температуры (от 2С до 0,2С) серьезно сокращает случайную составляющую отклонения позиционирования (табл.1).
Табл.1. Параметры отклонения позиционирования по оси Y для 5 станков МС–300.
С № A, мкм, B, мкм, R, мкм, M, мкм, без корр./с без корр./ с без корр./с без корр./с корр. корр. корр. корр.
1 13,4/ 0,9/ 8,6-7,8/ 5,7/ 19+/- 1* 5,0/ 0,6/ 1,6-1,7/ 3,6/ 25+/-0, 2 23,0/13,6 1,4/2,9 9,3-8,4/9,0-8,7 14,7/3,6 19+/- 3 24,8 1,9 14,8-18,7 9,9 19+/- 3* 15,7/ 8,2 1,2/ 1,8 5,4-5,0/3,4-7,2 12,4/ 3,8 19+/-0, 4 15,1/10,5 0,8/0,7 10,2-8,8/7,5-8,2 6,8/4,0 19+/- 6 6,5/ 0,7/ 3,2-2,6/ 4,5/ 19+/-0, Аналогично установлено, что сокращение диапазона температуры работы охлаждающей системы станка МС-300 приводит к уменьшению случайной со ставляющей точности позиционирования по координате Z.
Что касается угловых координат В и С, установлено, что уменьшение диапазона регулирования температуры проявляется так же, как и по X, в меньшей степени. Однако была подтверждена справедливость предположения о том, что для более качественного проведения измерения отклонения позиционирования по угловым координатам необходимо дождаться установления теплового режима станка (проводить измерения через 2 часа после включения).
В четвертой главе приведены результаты исследования и оценки жестко сти станка по отклику на силовое ступенчатое воздействие.
Для измерения статической жесткости использовалось устройство, разра ботанное и изготовленное совместно ИМАШ РАН и ОАО НИАТ, представлен ное на рис. 4. Устройство основывается на применении датчика (динамометра) силы сжатия-растяжения с цифровым отсчетным устройством.
Нагружение несущей системы станка осуществлялось с помощью винто вого домкрата. Для осуществления возможности проведения измерений пере мещений (деформаций) при сжатии и растяжении при одной настройке винто вого домкрата и динамометра был спроектирован и изготовлен специальный элемент присоединения динамометра к исследуемому узлу. Для измерения де формаций исследуемого объекта при тестовых испытаниях использовалась микронная индикаторная головка, а при исследовании статической жесткости станка МС-300 - индуктивные датчики «микрон 02».
Рис. 4. Устройство для измерения статической жесткости Проведенное исследование показало:
- По координатам X и Y:
1) Практически отсутствуют петли гистерезиса (рис.5). Это говорит о хо рошей сборке (деформации происходят в области упругих), отсутствии зазоров (геометрических и упругих). Это также дает понять, что в несущей системе, со держащей привод, построенный на принципе ПИ-регулятора, исключается из статической жёсткости часть её, присущая механической системе, охваченной обратной связью привода (линейкой Heidenhain).
2) Наблюдается недостаточная статическая жесткость в направлении дей ствия нагружающей силы (Jxx = 12.5 Н/мкм, Jyy = 25 Н/мкм). Это будет отрица тельно сказываться при обработке труднообрабатываемых материалов.
3) Практически отсутствует взаимовлияние (Jxy 500, Jxz 500, Jyx 500, Jyz 500). Такое поведение статической жёсткости по координатам X и Y мож но было бы считать идеальным, если бы Jxx, Jyy были 75 Н/мкм.
Рис. 5. Кривые статической жесткости при нагружении вдоль осей X и Z.
- По координате Z:
1) Наблюдается достаточно высокая статическая жёсткость в направлении действия нагружающей силы (Jzz =75 Н/мкм).
2) Наблюдается наличие взаимовлияния между действием силы Fz и пере мещениями в направлении X (Jzx = 136 Н/мкм). Это, возможно, является дефек том конструкции (несимметричность и отсутствие разгрузки от веса, т.к. шпин дельная бабка «висит» на ШВП). Последнее может при определённых услови ях приводить к возникновению автоколебаний.
3) Наблюдается наличие ощутимой петли гистерезиса в статической же сткости Jzx = 136 Н/мкм. Это может быть вызвано дефектом конструкции (не симметричность и отсутствие разгрузки от веса шпиндельной бабки).
- Статическая крутильная жёсткость планшайбы.
Статическая жёсткость (крутильная) планшайбы в приведённом виде со ставляет Jcc = 153 Н/мкм. В данном случае жёсткость определялась как отно шение линейного перемещения точки на планшайбе, отстоящей от оси враще ния на радиусе = 100 мм к приложенной нагружающей силе P на плече = мм. Это говорит о высокой крутильной жёсткости части механической систе мы, не охваченной обратной связью привода планшайбы.
Для измерения динамической жесткости нагрузка в несущую систему мно гоцелевого станка (стол - корпус шпинделя) подавалась через винтовой меха нический домкрат и электронный динамометр до нагружающей силы, равной 500 Н. В процессе нагружения происходило накопление потенциальной энер гии в упруго-пластических деформациях звеньев механизмов несущей системы станка (столшпиндель). Далее с помощью спускового механизма резко сни малась нагрузка в несущей системе (механически отсоединялся винтовой дом крат). В этот момент потенциальная энергия «сжатой пружины» начинала пере ходить в энергию движения отдельных элементов несущей системы станка. Как правило, звенья несущей системы совершали сложные затухающие колебания.
В настоящих исследованиях записывалось относительное движение корпуса шпинделя относительно поверхности планшайбы стола с помощью лазерного интерферометра ML10.
Для оперативной оценки предварительной статической и динамической жесткости несущей системы станка предлагается использовать следующие вы числяемые параметры (рис.6):
1. kст = 500/Aср [Н/мкм] – интегральная статическая жесткость;
2. kд = Aдин/Aср – коэффициент динамичности;
3. e - время релаксации - отрезок времени, за которое амплитуда колеба ний будет уменьшена в e (2,718281…) раз;
4. fосн - основная собственная частота переходного процесса.
Исходя из полученных результатов временных сигналов «отклика» несущей системы по координатам X и Y на ступенчатое силовое воздействие 500Н сделан вывод, что такое протекание переходного процесса можно считать нормальным (быстрое затухание и небольшое «перерегулирование»).
Из рис. 7 хорошо видно, что в несущей системе координаты Z при воздей ствии на неё ступенчатой силы возникают колебания типа «биение», затухание которых происходит медленно. На спектре колебаний видны два близких пика в районе 40 Гц.
Рис. 6. Сигнал «перемещение – время» и параметры оценки динамической же сткости по реакции на ступенчатое силовое воздействие.
Рис. 7. «Отклик» несущей системы координаты Z.
Проведение дополнительных исследований установило, что это влияние объяснялось неправильной настройкой привода по координате Z (параметры привода были близки к потере устойчивости). В дальнейшем протекание переходного процесса по координате Z после ступенчатого силового воздействия стало нормальным (как и для координат X и Y).
Пятая глава посвящена исследованию отклонений воспроизведения эталонной траектории. В случае измерения отклонения воспроизведения эталонной траектории устройствами, дающим действительное значение, являлись станок и его исполнительные органы (шпиндель и стол). В качестве меры - физического (материального) воплощения эталонной величины перемещения - выступал измерительный прибор QC-10 Renishaw.
В приборе QC-10 Renishaw в качестве эталонной траектории использовалась окружность, которая обходилась с постоянной скоростью, но в разных направлениях. В нашем случае прибор располагался в координатных плоскостях линейных координат: XY, XZ, YZ.
Некруглость воспроизведения окружности в плоскостях XY и YZ составляла Q=6,9 и Q=6.1 мкм соответственно, что входило в допуск отклонения (8 мкм). Некруглость в плоскости XZ при радиусе эталонной окружности R=100 мм и скорости F = 300 мм/мин равняется Q=22,3 мкм. При этом выявлены особенности:
- 21% - отклонение от перпендикулярности в плоскости XZ;
- 13% - несогласованность масштабов;
- 9% - люфт по движению вдоль оси Z;
- 8% - циклическая ошибка ШВП по оси Z;
В данном случае большое отклонение от перпендикулярности в плоскости XZ (21% - 73 мкм/м) свидетельствовало о необходимости проведения дополни тельных исследований по выявлению источников (причин) возникновения та ких больших отклонений. Всплески при реверсе по осям X и Z составляли 1,5 3,1 (6%) и 0,5-3,1 мкм (9%) соответственно. Это свидетельствовало о наличии люфта в несущей системе приводов осей Х и Z, охваченной обратной связью (от двигателя до датчика-линейки).
После переборки узла крепления ШВП и изменения натяжки ремня, вра щающего ШВП, а также введения коррекции перпендикулярности в плоскости YZ, некруглость в плоскости XZ уменьшилась до значения Q = 12,5 мкм (уменьшилась на 43 %).
Одновременно с проведением измерений прибором QC-10 совершался тест окружности в системе ЧПУ станка. Данные теста окружности выводились на монитор пульта ЧПУ. Разница между измерениями заключается в том, что во втором случае (тест в системе ЧПУ) наблюдалось отклонения с учетом введен ных прежде компенсаций, накладывающихся друг на друга в системе ЧПУ.
Первый же случай (прибор Ballbar) показывал реальную динамику станка: от приводов осей до точки шпинделя, где крепится инструмент.
Также в процессе исследования были выявлены следующие факты:
1) Измерения надо проводить на прогретом станке (время прогрева стан ка – от 1 часа). Амплитуда эталонной окружности прогретого станка визуально изображена на рис.8б;
2) Настройка значения динамического коэффициента усиления для регу лятора скорости в системе ЧПУ станка для координаты Z существенно влияла на значение эталонной окружности, исследуемой как прибором QC-10, так и внутренним тестом машины. При значении коэффициента 0,5 можно было на блюдать повышенные вибрации в системе. С увеличением значения коэффици ента (1;
1,5;
2;
2,5) некруглость в плоскости XZ снижалась до значений 8,2 и 13,6 мкм соответственно (рис.8а, б). Однако, при достижении коэффициентом значения 3 появлялся специфичный звук в приводах, и погашенные амплитуды вибрации резко увеличивались.
Рис.8. Круглограмма обхода окружности после перенастройки коэффициента k=2,5 в плоскости XZ: а) прибором QC-10, б) в HMI станка.
В заключении подводятся итоги работы по улучшению точности 5 координатного многоцелевого станка с ЧПУ модели МС-300.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ Анализ особенностей построения, систематизация методов и средств измерений первичных отклонений звеньев механизмов и исследование геометрической точности, статической и динамической жесткости, а также отклонений воспроизведения эталонной окружности на 5-координатных многоцелевых станках с ЧПУ позволяет сделать следующие выводы по работе:
1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное практическое и методическое значение для станкостроения, заключаю щаяся в повышении "объемной точности" 5-координатных многоцелевых стан ков с ЧПУ на основе разработанных в диссертации приспособлений и уст ройств нагружения станка, а также методов измерения первичных отклонений с целью их устранения.
2. Накопленный опыт измерений первичных отклонений (отклонение от перпендикулярности, плоскостности, прямолинейности) на этапе сборки по зволил минимизировать их влияние (около 10% от всех первичных отклонений станка). После сборки первичные отклонения измерялись на стадии проведения калибровки станка с последующим внесением соответствующих изменений в ПО системы ЧПУ. Таким образом геометрическую "объемную" точность станка удалось повысить в несколько раз (до заданных значений по нормам точности геометрических отклонений). В качестве примера можно привести отклонения от перпендикулярности траектории (направления) перемещения шпиндельной бабки к направлению перемещения салазок (до ввода коррекции/после):
в плоскости XOZ - 20/3,5 мкм;
в плоскости YOZ - 40/5 мкм.
3. Для разработанной классификации видов первичных отклонений предложены методы измерения геометрической точности, которые упрощают процедуры измерения, существенно уменьшают время, затраченное на них.
Разработано устройство и методы измерения отклонений от пересечения осей поворотных координат, которые позволяют существенно повысить точность измерений, снизить трудоёмкость и уменьшить время проведения измерительных операций для всех 5-координатных станков с ЧПУ.
4. Экспериментально подтверждено предположение, что регулярное (де терминированное) включение холодильной системы, работающей в релейном режиме, вызывает случайные отклонения позиционирования. На основе прове денных исследований сокращен диапазон регулирования температуры с 2° до 0,2°, что позволило существенно уменьшить (на 20 - 70%) случайную состав ляющую отклонения позиционирования по линейным и угловым координатам и привело к улучшению общей точности станка. Также установлено, что остав шуюся систематическую (функциональную) составляющую отклонения пози ционирования можно устранить путем ввода коррекции в систему ЧПУ станка.
5. Разработанные методы измерения статической и динамической жестко сти несущей системы многокоординатных станков с ЧПУ показала свою рабо тоспособность. Она может применяться:
- для оценки уровня совершенства конструкции несущей системы много координатной машины с ЧПУ;
- для оценки качества сборки станка в целом;
- для анализа причин невозможности достижения заданной статической жесткости несущей системы многокоординатной машины с ЧПУ.
6. Для оперативной оценки предварительной статической и динамической жесткости несущей системы станка предложено использовать следующие вы числяемые параметры: kст - интегральная статическая жесткость;
kд – коэффи циент динамичности;
e - время релаксации;
fосн - основная собственная часто та переходного процесса. Сравнивая несущие системы станков по указанным четырём параметрам можно утверждать, что чем меньше каждый из 3-х первых параметров (kст, kд и ), тем выше жесткость несущей системы и лучше демп фирующие свойства. Знание основной собственной частоты fосн является важ ным при эксплуатации станка для выполнения условия, чтобы частоты внеш них возмущающих воздействий не были близки к fосн.
7. Проанализирован процесс измерения отклонения воспроизведения эта лонной окружности, в частности, процесс разложения интегрального отклоне ния на простые составляющие и дальнейшие способы их устранения. Выявлены способы сравнения первичных отклонений, полученных в системе станка с ЧПУ, охваченной обратной связью датчиков, с отклонениями, которые показы вают реальную динамику перемещений узлов станка.
Проведенные эксперименты дали возможность установить, что при увели чении динамического коэффициента усиления для регулятора скорости (до зна чения 2.5) происходит уменьшение амплитуды вибраций, что ведет к уменьше нию отклонения воспроизведения эталонной окружности.
8. Даны рекомендации по измерению отклонений геометрической точно сти, которые должны осуществляться при установленном тепловом режиме 5 координатного многоцелевого станка:
- для измерения отклонения позиционирования по угловым координатам необходимо проводить измерения через 2 часа после включения;
- для измерения отклонения воспроизведения эталонной траектории необ ходимо проводить измерения через 1 час после включения.
Результаты диссертационной работы применяются при производстве 5 координатных станков на предприятиях ОАО НИАТ.
Основные положения диссертации отражены в работах:
Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:
1. Никуличев И. В. Методы и средства измерения первичных отклонений звеньев механизмов несущей системы многокоординатных станков с ЧПУ/ Серков Н. А. / Проблемы машиностроения и автоматизации. М., 2012. № 2. С.
43-51.
2. Никуличев И. В., Серков Н. А. Влияние системы охлаждения на точ ность позиционирования многоцелевого станка модели МС-300М // Вестник МГТУ «Станкин». М., 2012 (22). № 3. С. 77-82.
3. Никуличев И. В., Серков Н. А., Коваленко А. В., Шлесберг И. С. Влия ние охлаждения на точность позиционирования многокоординатного станка МС-300 // Авиационная промышленность. М., 2013. №1. С. 33-38.
4. Никуличев И. В., Шлесберг И. С., Серков Н. А. Исследование жесткости станков с ЧПУ по отклику на силовое воздействие // Научное обозрение, 2013.
№1. С.124-128.
Публикации в других изданиях 5. Никуличев И. В. Исследование и оценка жесткости многокоординатных машин с ЧПУ по отклику на силовое ступенчатое воздействие / Серков Н. А., Мерзляков А. А. / Сборник докладов международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машино строении», М., 2012. С. 406-411.
6. Никуличев И. В. Исследование и оценка статической и динамической жесткости многокоординатных машин с ЧПУ / Серков Н. А., Мерзляков, А. А. / Сборнк трудов X Международного научно-технического форума «ИННОВА ЦИЯ, Экология и РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ (ИнЭРТ-2012)» Ростов н/Д: ИЦ ДГТУ. 2012. С. 345-350, [Электронный ресурс] http://static.dstu.edu.ru/inert-2012.shtml.
7. Никуличев И. В. Особенности построения 5-ти координатных станков с ЧПУ / Серков Н. А., Шлесберг И. С. / Книга Научные труды Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современ ные технологии в машиностроении» - М.: Машиностроение, 2010. С. 95-102.
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Никуличев Игорь Викторович Повышение точности 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ на основе разработанных методов измерения геометрических отклонений Подписано в печать Формат 60х90 1/16 Бумага 80 г/м Усл. п.л. – 1,25 Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в Издательском центре МГТУ «Станкин». Лицензия ЛР №01741 от 11.05. 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.