На правах рукописи

Макальская Екатерина Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МНОГООСЕВЫХ

МЕХАТРОННЫХ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ГОЛОВОК

ДЛЯ ТОКАРНЫХ И РАСТОЧНО-ФРЕЗЕРНЫХ

ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРОВ,

ПРИМЕНЯЕМЫХ В МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ

В АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.03.01 Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009 Диссертационная

Работа выполнена в Московском государственном индустриальном университете (МГИУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Босинзон Марк Аркадьевич

Официальные оппоненты:

Лауреат Ленинской премии, доктор технических наук, профессор Тимирязев Владимир Анатольевич кандидат технических наук Шашин Андрей Дмитриевич

Ведущая организация: Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ОАО «ЭНИМС»)

Защита состоится «10» июня 2009 г. в 14-15 часов в аудитории на заседании диссертационного совета Д 212.129.01 в Московском государственном индустриальном университете (МГИУ) по адресу:

115280, Москва, Автозаводская ул., д.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИУ.

Автореферат разослан «7» мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.129. кандидат технических наук, доцент Иванов Ю.С.

Общая характеристика работы

.

Актуальность работы. Данная диссертационная работа посвящена решению проблемы пятикоординатной обработки сложных корпусных деталей для автомобильной промышленности на сравнительно простых трехосевых станках, за счет использования (трехкоординатных) специальных многоосевых обрабатывающих головок. Внедрение мехатронных головок позволяет осуществить модернизацию уже существующих станков с ЧПУ.

До настоящего времени сложные детали, требующие пятикоординатной обработки, изготавливались:

или последовательно на нескольких трехкоординатных металлорежущих станках;

или на сложных пятикоординатных станках;

или, в некоторых частных случаях, на трехкоординатных станках при необходимости нескольких различных переустановок детали (за несколько установов).

Впервые поставлена и решена научно-техническая задача металлообработки деталей сложной конфигурации на трехкоординатных станках с ЧПУ (обрабатывающих центрах) за один установ.

На основании прогноза и анализа развития станкостроения можно выделить следующие основные направления:

• качественное изменение конструкций металлорежущих станков (конструкции станков с параллельной кинематикой, гексаподные конструкции, конструкции типа “Box in a box” и др.);

• существенное повышение производительности и точности станков, реализация технологий скоростной обработки;

• широкая унификация станков, реализация принципов модульного конструирования.

Для решения вышеперечисленных задач наряду с совершенствованием технологии обработки, появлением новых режущих материалов, инструментов создаются принципиально новые мехатронные станочные узлы на базе интеграции средств прецизионной механики, электроники, электротехники. Конструктивное объединение исполнительного и приводного элементов механизмов вращательных перемещений станков, реализующих концепцию привода прямого механические преобразователи и передачи, повысить точность, быстродействие, снизить потери. Наличие в данных конструкциях встроенных систем автоматического управления и датчиков контроля технологического процесса делает мехатронные узлы интеллектуальными автономными станочными модулями, на базе которых могут не только создаваться конструкции перспективных металлообрабатывающих станков, но и модернизироваться уже существующие станки.

металлообработки сложных корпусных деталей для автомобильной промышленности посвящены работы ведущих ученых О.В. Таратынова, О.И. Аверьянова, В.В. Клепикова, В.Г. Якухина и ряда других авторов.

Вопросам исследования статических, динамических и температурных свойств узлов станков были посвящены работы общепризнанных ученых В.В. Каминской, З.М. Левиной, В.А. Кудинова и др. Ряд ведущих ученых занимаются непосредственно разработкой и исследованием мехатронных модулей. Среди них: Ю.В. Падураев, М.А. Босинзон, С.В. Демидов, В.Г. Каган, В.О. Астанин и др.

Разработка методов обработки сложных деталей для автомобильной промышленности на сравнительно простых трехкоординатных станках с ЧПУ с помощью мехатронных обрабатывающих головок является новой задачей, как в теоретическом, так и в практическом плане.

Настоящая диссертационная работа, являющаяся продолжением научных работ, проводимых на кафедре «Технология и металлорежущие системы автомобилестроения» МГИУ, посвящена проблеме совершенствования процессов металлообработки сложных деталей для автомобильной промышленности.

Цель работы. Разработка и исследование методов обработки сложных деталей на трехкоординатных станках с помощью мехатронных обрабатывающих головок, использование которых позволит создать научные основы разработки и внедрения в промышленность конкретных принципиально новых технологических процессов обработки деталей для автомобильной промышленности.

Задачи работы:

• создать методику и технологию обработки сложных деталей для автомобильной промышленности на трехкоординатных станках;

• разработать методы проектирования и структурного построения мехатронных обрабатывающих головок;

• разработать методы существенного повышения производительности, качества и точности обработки за счет использования мехатронных обрабатывающих головок на трехкоординатных станках;

• разработать методику оптимального управления мехатронными обрабатывающими головками, обеспечивающую заданный уровень автоматизации модернизируемого металлообрабатывающего оборудования;

• на базе теоретических исследований создать и внедрить в производство пятикоординатную обработку конкретных деталей для автомобильной промышленности на трехкоординатных станках с помощью мехатронных обрабатывающих головок.

Методы исследования. Теоретические исследования базировались на комплексном объединении узлов точной механики, с электронными, механообработки со специальным последовательным программным управлением многокоординатными движениями. При этом использовался математический аппарат теории оптимальных решений многофакторных задач.

Разработка методов многокоординатной мехатронной обработки базируется на следующих научно-технических дисциплинах:

конструирование станков, металлообработка, точная механика, теория резания, теория автоматического управления.

Методологической основой исследования являются принципы параллельного проектирования – одновременный и взаимосвязный синтез всех компонентов систем. При исследовании мехатронных систем использовались методы анализа проблемно ориентированных объектов.

При синтезе мехатронных модулей, как объектов динамического движения использовались методы математического моделирования динамических процессов с помощью ЭВМ и методы оптимального автоматического управления узлами станков.

Автором также проведены исследования эффективности применения обрабатывающих центрах квалиметрическими методами.

подтверждаются применением современных математических методов и компьютерного моделирования, проверенных методик системного анализа и экспериментальными исследованиями.

Научная новизна. Научная новизна результатов работы заключается в том, что впервые поставлена и решена научно-техническая задача трехкоординатном станке с ЧПУ за один установ.

металлообработки деталей для автомобильной промышленности на станках с ЧПУ с использованием мехатронных обрабатывающих головок.

методология обработки, которую можно условно назвать «3+2» (при обработке сложных деталей одновременно достаточно обеспечить движение по 3 (трем) координатам, при этом другие 2 (две) координаты выполняют подготовительную задачу).

оптимального управления движения режущего инструмента, обеспечивающие высокую точность сложного формообразования.

станков, значительного сокращения числа механических узлов и механических передач в оборудовании, предназначенном для обработки сложных пяпикоординатных деталей, за счет применения специальных мехатронных обрабатывающих головок.

Практическая ценность и реализация работы:

• разработанное и исследованное принципиально новое научнотехническое решение позволяет осуществить модернизацию промышленной эксплуатации, и обеспечить на сравнительно простых станках комплексную обработку (за один установ) сложных деталей, требующих пятикоординатную обработку;

• разработана конструкция специальной мехатронной обрабатывающей головки для обработки сложных корпусных деталей для автомобильной промышленности;

• использование разработанных принципиально новых алгоритмов оптимального управления движения режущего инструмента формообразования, создать системы, адаптивные к внешним возмущениям.

• разработана методика и программное обеспечение обработки конкретных деталей для автомобильной промышленности; в том числе, разработана технология и программное обеспечение комплексной обработки сложной детали – детали «Картер главного тормозного цилиндра для ЗИЛ 4105» производства АМО ЗИЛ за один установ.

Автор защищает:

1. Концепцию разработки методов эффективной металлообработки промышленности на трехкоординатных станках с ЧПУ за один установ с использованием мехатронных обрабатывающих головок.

2. Методику комплексной оценки точности металлообрабоки на станках с ЧПУ с мехатронными обрабатывающими головками.

Исследование точности обработки с учетом электромеханической системы взаимного перемещения инструмента и заготовки.

3. Математические модели движения режущего инструмента при обработке сложных деталей для автомобильной промышленности.

Личный вклад автора. Автором разработана, теоретически исследована и внедрена методология обработки, которую можно условно назвать «3+2» (при обработке сложных деталей одновременно достаточно обеспечить движение по 3 (трем) координатам, при этом другие 2 (две) координаты выполняют подготовительную задачу).

Автором лично получены результаты, научно обосновывающие эффективность применения мехатронных обрабатывающих головок при модернизации трехкоординатных металлорежущих станков. Автором проанализированы вопросы комплексной точности электромеханической системы обработки деталей на станках с ЧПУ с мехатронными головками.

Автором разработаны методики оптимального управления мехатронными обрабатывающими головками, обеспечивающие обработку сложных теоретических исследований разработаны конкретные рекомендации по применению мехатронных обрабатывающих головок в станках. В качестве практической части работы автором разработаны конкретные методы обработки сложных деталей для автомобильной промышленности. В частности, автор разработал принципиально новую технологию, управляющую программу и методику обработки детали «Картер главного тормозного цилиндра для ЗИЛ 4105» производства АМО ЗИЛ на трехкоординатном станке за один установ.

докладывались и обсуждались на региональных и международных конференциях и семинарах: «Отечественное прогрессивное металлообрабатывающее оборудование и технологии для российского машиностроения» Москва, ЗАО «Экспоцентр», 2006 г.); «Новые дополнительные опции к токарному оборудованию фирмы «Deckel Maho Gildemeister» (Тортона, Италия, г.); «Системы автоматизации и применение роботов в станкостроении»

(Пфронтен, Германия, 2007 г.); «Контрольно-измерительные системы в «Особенности инструмента» (Билефельд, Германия, 2007 г.); «Новейшие технологии в области металлообработки» (выставка «Металлообработка 2007», Москва, авиакосмической промышленности» (Пфронтен, Германия, 2007 г.);

Конференция на Выставке EMO 2007 (Ганновер, Германия, 2007 г.);

«Инновационные технологии» (Пфронтен, Германия, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, 5 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из наименований. Она содержит 153 страницы машинописного текста, рисунка и 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, изложены цели и задачи работы и формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы, сделан обзор новейших достижений отечественной и зарубежной науки в области создания мехатронных обрабатывающих головок. Рассмотрены вопросы использованием мехатронных инструментальных обрабатывающих головок. Разработана концепция модульного построения токарных и фрезерно-расточных обрабатывающих центров с мехатронными инструментальными обрабатывающими головками.

Во второй главе рассматриваются вопросы исследования и разработка методов повышения точности станков. На основании аналитического исследования и расчетов разработаны методы оценки точности КЦ (кинематических цепей) и КС (кинематических систем). В этой главе дается оценка функциональной погрешности в КС станка. При рассматривается точность не конкретного механизма, а множества геометрически подобных механизмов (изготовленных по одним и тем же (вероятностный) подход к суммированию различных погрешностей в КЦ (КС). При этом применено смешанное суммирование погрешностей.

При оценке точности рассматривались КЦ не только механического, но (электромеханические коэффициентов влияния для анализа баланса точности при частотногрупповом суммировании погрешностей. Предложен частотный метод при погрешности КС и выходные показатели точности системы.

При анализе точности КС станка автором вводится понятие: «КЦ комбинированного вида». Наряду с механическими передачами в точностных КЦ станков применяют электрические и гидравлические электромеханических (а-д) и электрогидромеханических (е;ж) цепей в ОЦ приведены на рис. 1.

Мехатронная обрабатывающая головка с двумя степенями свободы изображена двойным контуром. Механические связи вращательного движения показаны одинарной линией со стрелкой, указывающей направление передачи потока мощности; связи поступательного движения – двойной линией.

Как видно из рис. 1, многие комбинированные КЦ содержат значительное число передач, оказывающих существенное влияние на точность КЦ (схемы а;е). В то же время имеются очень короткие КЦ (схемы в;д).

Рис. 1. Структурные схемы электромеханических (а-д) и электрогидромеханических (е, ж) цепей в ОЦ дополнительных погрешностей, приводящих к неравномерному движению выходного звена А или несинхронности движений нескольких выходных звеньев (в разветвленной КС, состоящей из нескольких электро- или гидромеханических КЦ).

На основании анализа КЦ (КС) комбинированного типа получены основные показатели точности системы:

1. Предельное значение погрешности 2. Величина поля рассеяния погрешности приведенных (к звену А) погрешностей iA звеньев КЦ (КС); ( iA )v – приведенные погрешности, относящиеся к определенной частотной группе; – групповая приведенная погрешность;

При сложении низкочастотных и высокочастотных погрешностей амплитуда суммарного колебания будет практически равна сумме разночастотных погрешностей.

При определении выходных показателей точности системы (ОЦ, станка, изделия) с помощью частотного метода возникает вопрос о влиянии действующих и приведенных погрешностей на обрабатываемое изделие (изделие, звено A). На рис. 3 (a – фрезерно-расточного; б – токарного) приведены результаты анализа баланса точности ОЦ и его изделия.

Рис. 2. Экстремальные случаи сложения разночастотных погрешностей (при равных амплитудах) Pис. 3. Примеры построения диаграмм баланса точности для ОЦ На основании исследований, приведенных во второй главе, и анализа баланса точности системы показаны возможности существенного повышения точности КЦ ОЦ и станков, а как конечный результат – повышение точности изделия при применении ОЦ с мехатронными обрабатывающими головками.

В третьей главе приведена разработка математических моделей движения режущего инструмента в обрабатывающих центрах и станках с мехатронными обрабатывающими головками. Проведен анализ управляемого движения инструмента по одной координате (оси).

Разработаны методы оптимизации управления с целью обеспечения высокой точности позиционирования и движения по заданной траектории.

многокоординатного движения по пяти координатам (осям) в классической компоновке обрабатывающего центра или станка. Проведено исследование и разработка математической модели и алгоритмов применения мехатронных обрабатывающих головок в обрабатывающих центрах с параллельной кинематикой.

На рис. 4 приведена математическая модель, описывающая линейное перемещение мехатронной обрабатывающей головки по одной оси (координате).

Рис. 4. Математическая модель, описывающая линейное перемещение мехатронной Высокоточный скользящий режим работы может быть обеспечен коэффициентом усиления, который реализуется с помощью релейного элемента.

В соответствии со структурной схемой передаточные функции разомкнутой и замкнутой систем следящего электропривода могут быть представлены в виде:

где s – оператор Лапласа;

КРП – коэффициент передачи регулятора положения (РП);

ТРП – постоянная времени РП;

где Тдт – постоянная времени фильтра датчика тока (ДТ);

С учетом того, что выбрано ТП=ТДТ.

При реализации скользящего режима релейный элемент может быть заменён усилителем с бесконечно большим коэффициентом усиления КР.

Введем элемент с характеристикой 1/m=КР, С учетом этого перепишем уравнение в виде:

Wзам.п ( s ) = определяется уравнением передаточной функции.

Данная методика может быть применена при проектировании привода настройки регуляторов, а также разработки программы управления движением мехатронной обрабатывающей головки по одной координате (оси).

В четвертой главе приведена разработка методики и программного обеспечения обработки конкретных деталей для автомобильной промышленности. Приведены результаты разработки технологии и программного обеспечения комплексной обработки сложной детали – производства АМО ЗИЛ за один установ. В настоящее время на АМО ЗИЛ данная деталь обрабатывается на шести станках. Автор разработал и реализовал программу обработки данной детали на одном станке с использованием мехатронной обрабатывающей головки. На рис. приведены эскизы выполнения конкретных операций по программе.

Рис. 5, a. Операция 12 обработки детали «Картер главного цилиндра» для ЗИЛ Рис. 5, б. Операция 9 обработки детали «Картер главного цилиндра» для ЗИЛ Приведена разработка конструкции и выбор специальной мехатронной обрабатывающей головки. Проведена оценка эффективности применения мехатронной обрабатывающей головки для обработки деталей для автомобильной промышленности. Приведены результаты исследования квалиметрическими методами эффективности использования станков с мехатронными обрабатывающими головками. Проведено исследование влияния применения мехатронных модулей на точность, производительность и др. показатели станков. Приведены результаты, полученные при непосредственном участии автора, экспериментальных исследований и внедрения мехатронных модулей в металлорежущих станках и ОЦ с ЧПУ.

обрабатывающих головок квалиметрическими методами были получены мехатронным приводом, используемые при назначении режимов и диагностировании (см. рис. 6).

Рис. 6. Квалиметрические зависимости Разработанные при участии автора квалиметрические методы исследования эффективности использования станков с мехатронными обрабатывающими головками позволили выявить основные критерии оценки качества нового оборудования. Данная методика позволяет на стадиях разработки, изготовления и испытания нового оборудования выработать критерии численной оценки качества и эффективности.

Основные выводы:

отечественной и зарубежной науки в области создания и эксплуатации расточно-фрезерных и токарных станков с ЧПУ обоснована необходимость и эффективность пятикоординатной обработки сложных корпусных деталей для автомобильной промышленности на сравнительно простых трехосевых (трехкоординатных) станках, за счет использования специальных многоосевых обрабатывающих головок.

Разработана, теоретически исследована и внедрена методология обработки, которую можно условно назвать «3+2» (при обработке сложных деталей одновременно достаточно обеспечить движение по трем подготовительную задачу).

системы показаны возможности существенного повышения точности КЦ станков, а как конечный результат – повышение точности изделия при применении станков с мехатронными обрабатывающими головками.

инструмента в станках с мехатронными обрабатывающими головками, как по одной, так и по нескольким координатам (до 5-ти). Разработаны методы оптимизации управления с целью обеспечения высокой точности позиционирования и движения по заданной траектории. Разработаны принципы создания математической модели многокоординатного движения по пяти координатам мехатронных обрабатывающих головок в обрабатывающих центрах с параллельной кинематикой.

Разработана методика и программное обеспечение обработки конкретных деталей для автомобильной промышленности. В частности, приведены результаты разработки технологии и программного обеспечения комплексной обработки сложной детали – детали «Картер главного тормозного цилиндра для ЗИЛ 4105» производства АМО ЗИЛ за один установ.

Разработана конструкция специальной мехатронной обрабатывающей головки. Проведена оценка эффективности применения мехатронной обрабатывающей головки для обработки деталей для автомобильной промышленности. В частности, показано, что применение трехкоординатных станков с мехатронной обрабатывающей головкой позволяет повысить производительность в несколько раз.

Приведены результаты исследования квалиметрическими методами эффективности использования станков с мехатронными обрабатывающими головками. Проведено исследование влияния применения мехатронных модулей на точность, производительность и др. показатели станков.

Разработанные методы исследования статических, динамических и точностных характеристик станков с мехатронными обрабатывающими головками имеют универсальный характер и могут использоваться при модернизации существующего, а также при разработке и проектировании металлообрабатывающего оборудования нового поколения с заданными технологическими характеристиками.

Основные научные результаты изложены в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ 1. Макальская Е.В. Обеспечение высокой точности механической обработки сложных деталей на многоосевых обрабатывающих центрах. //М.: Приводная техника - 2007, № 3 - с. 18-26.

2. Макальская Е.В. Применение мехатронных головок для обработки сложных деталей на ОЦ с ЧПУ. //М.: Приводная техника - 2009, №2 -с. 34-39.

обработки с применением мехатронного привода в металлорежущих обрабатывающих центрах. //М.: Приводная техника. - 2006, № 4 - с. 45-51.

4. Босинзон М.А., Нахапетян Е.Г., Макальская Е.В. Проектирование и наладка мехатронных устройств перестраиваемого (реконфигурируемого) оборудования. //М.: Приводная техника - 2007, № 2 - с. 4-13.

5. M.A. BOSINZON, E. G. NAKHAPETIAN, Е.V. MAKALSKAJA.

Design and setup of the mechatronic systems of reconfigurable equipment./ Engineering & automation problems (Special issue) выпуск)] - Scientific, technical and economical problems. - VOLUME 6, NUMBER 1, 2008, 31-38.

Публикации в российских и зарубежных изданиях 6. Макальская Е.В. Анализ точности кинематических цепей с электрическим и гидравлическим приводом в металлорежущих станках./ В сб. Технология, экономика и организация производства технических систем – Межвузовский сборник научных трудов – М.:

МГИУ, 2007, с. 115-123.

7. Босинзон М.А., Макальская Е.В. Мехатронные расточные головки для пятикоординатной обработки на ОЦ./- Тезисы докладов машиностроения». – М.: ЗАО “Экспоцентр” – 2006, с. 58-65.

(Конференция на выставке «Металлообработка 2006», 24.05.2006).

механической обработки за счёт использования многоосевых организация производства технических систем – Межвузовский сборник научных трудов – М.: МГИУ, 2006, с. 15-20.

9. E. Makalskaja. Die neuen Methoden der Bearbeitung der komplizierten Werkstuecke an Frs- und Ausbohrmaschinen / Konferenzunterlagen „Innovative Technologien“. Pfronten, Deutschland. 7-15.01.08. - S. 134Е. Макальская. Новые методы обработки сложных деталей на "Инновационные технологии"/Pfronten, Германия. 7-15.01.08. - с.

134-143).