ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ СТАНКИ. Лекции по курсу металлорежущие станки
 Скачать 3.81 Mb.
|
|
Компоновка станков Основные определения. Задачи компоновочного проектирования станков Определяющую роль при размерной обработке заготовок играют траектории движений формообразования, от которых зависит самый важный показатель качества станка – его точность. Заданные траектории формообразующих движений и их расположение в пространстве обеспечиваются исполнительными звеньями и несущей системой станка. Совокупность исполнительных звеньев и деталей несущей системы, которая характеризуется их количеством, типом, пространственным расположением и пропорциями, называется компоновкой станка. Сами исполнительные звенья станка, узлы и детали его несущей системы (включая стыки) будем называть далее элементами компоновки. Компоновка станка, как правило, состоит из одного стационарного (постоянно неподвижного) и нескольких подвижных элементов, разделенных стыками. Стационарный элемент компоновки не обязательно соответствует станине. Он может быть образован станиной и неподвижной стойкой (как у расточного станка), станиной и шпиндельной бабкой (как у обычного токарного станка) и т.п. каждый подвижный элемент компоновки выполняет одно определенное координатное движение, перемещаясь по направляющим подвижного стыка. Совокупность элемента компоновки и соответствующего ему подвижного стыка называется подвижным блоком. Ряд подвижных блоков от исполнительного звена до стационарного элемента компоновки образует ветвь компоновки. Ветви составляют компоновку станка. Она представляет собой конструкционную структуру, строение станка, но без детализации отдельных его элементов. Отсутствие детализации проявляется, например, в том, что элементы компоновки обычно изображают как простые геометрические тела (призмы, цилиндры и др.) или их комбинации. Для их изображения необходимо указать, кроме типа, лишь размеры, в основном определяющие габарит элементов компоновки – так называемые компоновочные параметры, которые служат как бы связующим звеном между компоновкой и непосредственно конструкций узлов станка. Основы изучения компоновки станков как самостоятельного объекта заложены Ю.Д. Враговым [13]. Обычно разработка (синтез) компоновки производится на ранней стадии проектирования станка после обоснования его характеристик, выбора метода и движений формообразования, предварительного определения его кинематической структуры. Эта стадия проектирования является самой ответственной, когда от правильности выбора компоновки во многом зависит успех проекта в целом. Компоновке обычного токарного станка (рис) соответствует расположение неподвижной бабки с вращающимся шпинделем на станине, по направляющим 128 которой перемещается продольный суппорт с поперечными салазками. Если передать продольное а) б) Рис. Компоновки токарных станков: а – с продольным перемещением суппорта; б – с продольным перемещением шпиндельной бабки перемещение П 2 шпиндельной бабке, оставив суппорту лишь поперечную подачу П 3 , то получится иная компоновка, свойственная токарным станкам фасонно- продольного точения (рис., б). Структура обеих компоновок различна. Формообразующие свойства и кинематическая структура одинаковы. Введем понятие компоновочного фактора, назвав им возможное существенное воздействие конструктора на показатели качества станка через выбор его компоновки. В состав компоновочных факторов входят: 1) структура компоновки как совокупность определенным образом связанных элементов (стационарного и подвижных, совершающих координатные движения); 2) пространственное расположение элементов компоновки (в частности основных плоскостей стыков); 3) габариты элементов компоновки (главным образом их размерные пропорции), от которых зависит соотношение жесткостей элементов компоновки по разным координатным осям; 4) вылеты – координатные расстояния (рис) между центрами жесткости стыков и точками приложения нагрузки (силы резания, веса элементов), сильно влияющие на перенос силовых воздействий и перемещений; 5) факторы категории сопряжений – типы подвижных стыков, отличающиеся соотношением длин подвижной и неподвижной частей. Компоновочные факторы не зависят от конструкции узлов станка. Все они имеют количественное выражение и в значительной степени влияют на основные показатели качества станка. Из изложенного следует, что задачами проектирования компоновки станков является определение компоновочных факторов, которые при 129 Рис. Вылеты: 1 – центр жесткости подвижного станка; 2 – точка резания; 3 – центр тяжести элемента компоновки F X , F Y , F Z – составляющие силы резания, x2, y2, z2, x3, z3 - вылеты заданном наборе координатных движений исполнительных звеньев обеспечивают потенциальную возможность получения оптимальных (или близких к ним) значений основных показателей качества станка (подробнее см. § 4.3). В качестве исходных данных на проектирование компоновки обычно используют: 1) вид и взаимное расположение инструмента и заготовки; 2) координатные движения исполнительных органов станка; 3) максимальные размеры заготовки, которые определяют размеры пространства, в котором производится обработка (рабочего пространства станка). Функции автоматического измерения, контроля процессов и диагностики в станках с ЧПУ Для обеспечения трудосберегающей («безлюдной») технологии обработки на станках с ЧПУ и ГПМ, входящих в состав гибких автоматизированных систем, технологическое оборудование должно быть оснащено аппаратными и программными средствами автоматического контроля, измерения и диагностики. Рассмотрим некоторые задачи обеспечения функционирования станочного оборудования с ЧПУ в автоматизированном производстве. Контрольно-измерительная подсистема выполняет автоматический контроль заготовки, детали, инструментов и основного рабочего процесса (например, процесса резания) с целью обеспечения работоспособности металлообрабатывающего оборудования, требуемого качества выпускаемой продукции и заданной производительности обработки. Для достижения указанных целей контрольно-измерительные функции выполняются на станках с ЧПУ перед обработкой, во время обработки (постоянно или периодически между отдельными переходами технологических операций) и после завершения обработки. При контроле заготовок перед обработкой необходимо выполнить следующие операции: опознание стола-спутника с требуемой заготовкой (например, по штриховому коду); контроль пространственного положения заготовки на станке в зоне обработки; привязку системы координат детали в системе координат станка 130 и соответствующую корректировку геометрических параметров программ обработки; измерение припуска и твердости материала заготовки для расчета необходимого числа проходов. Во время обработки осуществляется измерение получаемых на детали размеров и отклонений ее формы от заданных, а также расчет необходимых коррекций в управляющей программе (например, перед выполнением чистового прохода). После завершения обработки выполняется контроль размеров детали и собираются данные, характеризующие статистические оценки качества и партии обработанных деталей. Диагностическая подсистема ЧПУ ставит своей целью определение технического состояния оборудования и распознавание «симптомов» неисправностей, места и причины их возникновения. Диагностика объекта выполняется на основании общего алгоритма, соответствующего структурной схеме на рис. 8.19. Используя исходную информацию F 3 , содержащую в управляющей программе, сигналы датчиков обратной связи по контролируемым параметрам X i и результаты измерений F i в станке с ЧПУ, диагностическая подсистема формирует данные о текущем состоянии (F Ф ) объекта. Совокупность специальных контрольно-измерительных процедур, проводимых над объектом с целью выявления его технического состояния, называется тестированием. Анализ данных, полученных при тестировании технологического оборудования (например, при измерении некоторых параметров во время эксплуатации), дает возможность определить неисправности уже в самом начале их возникновения. Тем самым можно избежать аварийных ситуаций, исключить снижение качества обрабатываемых изделий. Кроме того, тестирование позволяет своевременно назначать и целенаправленно проводить ремонт оборудования, снижая время его простоя из-за неисправностей. В зависимости от интервалов времени между последовательными операциями тестирования различают три типа диагностики: непрерывная (в процессе эксплуатации оборудования); периодическая (с разными промежутками времени); случайная (только при отказах). Непрерывной является, например, диагностика процесса резания, выполняемая с помощью описанного выше монитора, а также тестирование собственного устройства ЧПУ системными программными средствами. Периодически через небольшие промежутки времени, например, контролируют размеры детали и состояние размерного износа инструмента. Данные периодического контроля инструмента и точности обработки используют, в частности, для диагностики состояния механизмов станка и параметров технологического процесса. Для выполнения такого контроля обычно используют встроенные в станок контрольно-измерительные средства. Периодический контроль с более высокой точностью выполняют на специальном оборудовании – контрольно- измерительных машинах с ЧПУ, имеющихся в составе гибких производственных систем. К диагностированию с большим промежутком времени относят все проверки, которые проводят в период планового технического обслуживания технологического оборудования с ЧПУ. В этом случае необходимо контролировать геометрические, кинематические и динамические характеристики, изменяющиеся очень медленно, а определение которых требует значительного времени и специальных контрольно-измерительных средств. К 131 такому виду диагностики можно отнести периодическую проверку точности позиционирования станка с ЧПУ, позволяющую определить его общее техническое состояние. Системы адаптивного управления Процесс обработки на металлорежущих станках характеризуется значительными колебаниями параметров заготовок, изменением свойств упругой системы станка в рабочем пространстве, параметров срезаемой стружки, геометрии резания и т.д. Колебание твердости заготовок (НВ) вызывается неравномерностью твердости исходного материала, особенностью заготовительных операций (образование литейной корки с включением большой твердости, возникновение поверхностного слоя повышенной твердости при ковке, штамповке и т.п.), а также процессом термообработки. Экспериментальные исследования показывают, что колебание твердости в пределах одной заготовки составляют 10-15%, а в пределах партии однотипных заготовок до 40%. Погрешность заготовки (неравномерность припуска h) на данной операции или переходе определяется методом ее получения или погрешностью обработки на предыдущей операции. Например, в условиях единичного и мелкосерийного производства допускаемые отклонения на размеры отливок в разовые формы из чугуна, стали, цветных металлов и сплавов, регламентируемые по ГОСТ, составляют 2-6 мм для заготовок средних размеров и 10-12 мм для крупногабаритных заготовок. Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы. Во время обработки на станок действует множество факторов (возмущений) как случайных, так и систематических, которые, во-первых, не позволяют обеспечить оптимальные режимы резания, во-вторых, приводят к изменениям силы резания и, как следствие, к колебаниям между режущей кромкой и технологическими базами, что влечет за собой появление погрешности обработки (погрешность размера, формы и шероховатость). В-третьих, приводят к поломке инструмента, детали или элементов станка. Отсюда естественной является необходимость оснащения станка таким устройством, которое реагировало бы на изменение возмущающих факторов и вносило коррективы в работу в соответствии с поставленной целью, т.е. приспосабливало (адаптировало) станок к этим изменениям. Такие устройства получили название систем адаптивного управления (САУ) [3,4]. Классификация систем адаптивного управления. В настоящее время под системой адаптивного управления металлорежущего станка понимают комплекс технических и программных средств, обеспечивающих автоматическое управление процессом обработки в соответствии с поставленной целью. В зависимости от того, что является предметом управления (регулирования) САУ в станкостроении принято подразделять на технологические и геометрические. Технологические САУ управляют технологическими параметрами, в основном, режимами резания; геометрические – точностью обработки. Кроме того, выделяют комбинированные САУ, управляющие как технологическими, так и геометрическими параметрами. 132 В зависимости от используемого принципа управления САУ как технологические, так и геометрические подразделяются на предельные, оптимальные и самообучающиеся (интеллектуальные). Адаптивные системы предельного управления в свою очередь подразделяются на системы стабилизации следящие и системы программного регулирования. Системы стабилизации, как это можно заметить из названия, предназначены для поддержания какого-либо параметра на заданном уровне: мощности резания, крутящего момента, силы резания, скорости резания, координаты положения инструмента и т.д. Следящие системы предназначены для управления положением детали или инструмента с целью компенсации упругих деформаций системы СПИД, погрешности кинематических цепей и т.п. Самообучающиеся системы имеют возможность использовать предыдущий опыт для коррекции закона управления. Если целью управления является достижение оптимального значения выбранного критерия, то такие САУ называют системами оптимального управления. В зависимости от алгоритма обеспечения оптимальности выбранного критерия, системы оптимального управления подразделяют на поисковые и беспоисковые (функциональные). Испытания и ремонт станков После изготовления и ремонта станки должны соответствовать по своим техническим характеристикам и параметрам определенным техническим условиям. Общие технические условия на универсальные станки включают следующие виды испытаний. 1. Проверка качества изготовления деталей, сборки, внешний осмотр. 2. Испытания на холостой ход с проверкой всех механизмов, в том числе электро-, гидро-, пневмооборудования, системы смазки и охлаждения. 3. Проверка потребляемой мощности с определением коэффициента полезного действия привода. 4. Проверка паспортных данных. 5. Испытания под нагрузкой и на производительность. 6. Проверка геометрической точности. 7. Проверка кинематической точности для станков со сложными движениями. 8. Проверка жесткости, виброустойчивости. 9. проверка станка на шум. 10. Проверка станка на технологическую надежность. Перед испытанием станок должен быть установлен на башмаках или других опорах на стендовой плите. Клинья под мелкими и средними станками ставятся с интервалом в 800 мм, а длинные и тяжелые станки стоят на башмаках с интарвалом в 1 м. Для исключения вибрации станки необходимо устанавливать на виброизолированные, 133 резинометаллические, пневматические и другие опоры. Жесткие станки могут быть установлены непосредственно на фундамент. 1. Предварительный осмотр отдельных деталей, узлов и всей сборки несет большую информацию о работе изготовленного или отремонтированного станка. 2. Испытания на холостой ход производятся последовательным включением всех скоростей от минимальной до максимальной. При этом на максимальных оборотах станок должен работать до момента установления температуры в подшипниках, но не более 30 минут. Температура в коробках скоростей у подшипников качения не более 95°С. В коробках подач и других механизмах станка температура не должна превышать 50°С. При испытаниях коробок подач включаются минимальные, максимальные и средние подачи и быстрое перемещение. Кроме того, проверяется работа всех блокировок, фиксирующих элементов, усилия в органах управления. 3. Испытание на мощность с определением КПД производится методом нагружения станка резанием до полной мощности. 4. Из паспортных данных проверяется соответствие величин скоростей, подач, быстрых перемещений, величина ходов, углов поворота, соблюдение мнемоники перемещений, соответствие габаритных размеров, массы, наличие принадлежностей станка. 5. Под нагрузкой станки нужно испытывать в условиях, близких к эксплуатационным. С этой целью обработка деталей в этом случае ведется при номинальной мощности, а также при кратковременном превышении максимальной мощности на 25%, в том числе при максимально допустимом усилии подач. На производительность испытывают специализированные станки, при заказе которых оговорена штучная производительность. 6. Геометрическая точность станков – это точность траекторий прямолинейных и вращательных движений поверхностей, базирующих заготовки. 7. Станки со сложными формообразующими движениями должны обладать также кинематической точностью. Для проверки кинематической точности механизмов станков применяют приборы, которые позволяют установить изменение передаточного отношения, возникающего из-за погрешностей зубчатых передач. 8. Для проведения испытаний на жесткость используют специальные приборы. Основными частями каждого такого прибора является нагрузочное устройство (домкрат и предварительно отградуированный динамометр с индикатором нагрузки) и индикаторы перемещений. При проверке обычно измеряют суммарную податливость станка, характеризуемую относительным смещением его узлов, несущих инструмент и обрабатываемую заготовку, при заданной нагружающей силе. Нормируют наибольшее допустимое перемещение (т.е. нижнюю границу жесткости). Одним из важнейших критериев работоспособности станка является его виброустойчивость, которую можно понимать как способность станка сопротивляться возникновению автоколебаний при резании. Программой испытаний станков при работе предусмотрена оценка границ устойчивости процесса резания. Испытание сводится к определению предельной стружки ПР t Под предельной стружкой понимают максимальную глубину резания, снимаемую 134 при работе без вибраций. Для опытных образцов станка определяют зависимость ПР t от частоты вращения шпинделя для всех характерных видов обработки и нескольких подач. 9. Цель проверки шумовых характеристик – установить, не превышает ли уровень шума станка допустимого значения. Допустимые значения устанавливаются в зависимости от чувствительности человеческого уха к шумам в различных частотных диапазонах (до 90 дБ – для частот менее 350 Гц, до 75 дБ – для частот свыше 4 кГц). Для оценки шума используют шумомеры, реагирующие на звук подобно человеческому уху. Шум обычно измеряют при наибольшей частоте вращения шпинделя. 10. Технологическая надежность станка – это его способность сохранять качественные показатели технологического процесса (точность обработки и качество поверхности) в течение заданного промежутка времени. Для этого следует проводить испытания станков на технологическую надежность. Эти испытания должны, во-первых, установить запас по точности обработки, которым обладает данный станок и, во-вторых, дать прогноз по длительности расходования станком этого запаса точности. Для оценки состояния станков, находящихся в эксплуатации, применяют методы диагностирования, позволяющие выявить механизмы, изменение параметров которых влияет на технические характеристики станка. Ремонт и обслуживание станков Для поддержания станков в работоспособном состоянии и восстановления утрачиваемых в процессе эксплуатации технических показателей применяется разработанная в СССР специальная система планово-предупредительного ремонта (ППР). Основные положения этой системы: 1. Ремонт оборудования производится через равные, заранее планируемые промежутки времени (межремонтные периоды). Эти периодические ремонты составляют основной объем ремонтных работ по восстановлению работоспособности оборудования. 2. Период времени от начала работы станка до его капитального ремонта является ремонтным циклом, т.к. станок после капитального ремонта должен отвечать всем требованиям, предъявляемым к новому станку. 3. Структура ремонтного цикла обуславливается системой ППР и одинакова для различных типов станков. 4. Длительность межремонтного периода устанавливается в зависимости от типа станка и условий его работы. Для ремонтного цикла применяется шестипериодная (I–I–II–I–I–III) и девятипериодная (I–I–II–I–I–II–I–I–III) структуры, где I – малый, II – средний, III – капитальный ремонт. Длительность межремонтного периода в зависимости от типа и условий работы колеблется в пределах 2600–5850 часов, отработанных станком. 135 При малом (I) ремонте производят замену или восстановление небольшого числа изношенных деталей, регулирование механизмов, проверку состояния станка и правильности функционирования системы смазки. При среднем (I) ремонте производят больший объем ремонтных работ, который включает частичную выверку координат станка и восстановление утраченной точности. Средний ремонт производится без снятия станка с фундамента. При капитальном ремонте (III) производят полное восстановление утраченной работоспособности станка. |