В ряду станков с ЧПУ можно выделить широкий классуниверсальные станки для обработки осесимметричным инструментом сложнопрофильных деталей, включающих поверхности свободной формы. К этому классу относятся многокоординатные металлорежущие станки фрезерно-расточной группы, лазерные станки, станки для гидроструйной обработки, деревообрабатывающие станки для обработки фасонных поверхностей.
Создание нового станка является чрезвычайно сложным процессом и включает в себя многие мероприятия — от составления технического задания до запуска в серию. Основные этапы проектирования регламентированы ГОСТ 2.103−68:
• техническое задание;
• техническое предложение;
• эскизный проект;
• технический проект;
• разработка рабочей документации;
• изготовление опытного образца, выпуск установочной серии, выпуск промышленной серии.
ГОСТ регламентирует, прежде всего, требования к оформлению технической документации. Разделение же проектирования на последовательные этапы является достаточно условным. Характерными признаками проектирования станка как сложной системы являются неопределенность и многовариантность. Каждый из последующих этапов проектирования последовательно уменьшает неопределенность и число вариантов решения проектной задачи. Основными принципами, обеспечивающими решение задачи проектирования, являются последовательность и итерационность. Последовательность заключается в строгой очередности выполнения этапов проектирования станка, а итерационность — в корректировке проектных решений, полученных на предыдущих этапах проектирования, на. основе анализа результатов, полученных на последующих этапах.
Техническое задание обосновывает те показатели, которыми должен обладать проектируемый станок. В нем устанавливается основное назначение станка, обосновывается целесообразность его создания и регламентируются основные технические характеристики. Исходными данными для составления технического задания являются реализуемый станком технологический процесс, номенклатура изготовляемых деталей и тип производства.
Техническое предложение, являясь первым этапом проектирования, уточняет и развивает техническое задание. На данном этапе обосновывают и уточняют технические характеристики: диапазоны нагрузок и скоростей приводов станка, мощность электродвигателей для них. Выбирают окончательный вариант компоновки как самого станка, так и всего комплекта станочного оборудования, пользуясь результатами синтеза и оптимизации вариантов компоновок. Разрабатывают принципиальные схемы станка: кинематическую, гидравлическую, пневматическую, электрическую и др. Итогом работ является определение технических характеристик и проведение технико-экономического обоснования целесообразности проектирования нового станка.
Эскизный проект является развитием технического предложения и содержит предварительную конструкторскую проработку всех основных узлов. Принятие решений обосновывается расчетами, оптимизацией важнейших параметров и характеристик станка. При этом следует максимально использовать стандартные и унифицированные детали, узлы и элементы для снижения стоимости проектируемого станка.
Технический проект включает в себя окончательную конструкторскую проработку всех схем станка, узловых чертежей и его общих видов. Здесь осуществляют все виды уточненных расчетов, выполняют оптимизацию параметров узлов и систем, окончательно определяют эффективность станка или станочной системы.
Разработка рабочей документации является завершающим этапом проектирования. Выполняется разработка рабочих чертежей всех оригинальных деталей и формируются технические требования на их изготовление. Рабочая документация должна содержать все данные, необходимые для изготовления станка или станочной системы, в том числе: спецификации оригинальных и комплектующих деталей, инструкции по эксплуатации, транспортировке и монтажу и ряд других документов.
После завершения разработки комплекта рабочей документации выполняется технологическая подготовка производства, а также последующие этапы изготовления и отладки спроектированного станка.
Последовательность выполнения основных этапов проектирования и изготовления новых станков показана на рис. 1 [44].
Обеспечение этапов.
Этапы.
Техническое задание.
Техническое предложение Т.
Эскизный проект.
Технический проект А.
Рабочая документация.
Назначение станка.
Технические показатели.
Анализ конструкций.
Патентный поиск.
Основные требования к станку.
Тип производства Ж.
Кинематика, гидравлика, пневматика, электрооборудование 4- Нагрузки, скорости.
Эскизы, расчеты, оптимизация, технико-экономическое обоснование.
Стандартные и унифицированные узлы и детали.
Конструктивные решения, основные параметры, расчеты, оптимюация.
Окончательные технические решения, общие виды, схемы, расчеты, технические требовании.
Деталировка, рабочие чертежи, технические требования на детали и узлы.
Корректировка документации.
Паспорт, карга технического уровня, технические условия на станок, руководство по эксплуатации.
И зготовление опытного образца, установочная серия*, промышленная серия.
Расчет экономической эффективности.
Корректировка конструкторской И ДОЦУМШ&ЦИИ.
Рис. 1. Этапы проектирования станка.
Стадия концептуального проектирования технологических систем, включающая проведение НИР, разработку и обоснование технического задания, разработку технического предложения, является наиболее важной, поскольку на ней формируются основные затраты на проектирование, изготовление и эксплуатацию, а также определяются основные технические показатели (точность обработки, производительность, универсальность и т. п.) [15]. В то же время она является и наименее формализованной стадией. Важной проблемой является повышение качества и производительности проектируемого станка. Решение данной проблемы основано на максимально возможной формализации задач структурного и параметрического анализа и синтеза, применении методов оптимизации [1,5,16,17,18].
На рис. 2 показана последовательность проектных процедур на стадии разработки технического задания на технологическую систему. Проектирование станка начинается с синтеза исходного варианта его структуры. Для оценки этого варианта создается математическая модель, станка. Обычно первоначально осуществляют изменения параметров составленной математической модели — параметрический синтез. В том случае, если путем параметрического синтеза не удается добиться выполнения условий ТЗ, то используют путь, связанный с изменением структуры. Если изменения структуры станка также не позволяют выполнить технических требований, тогда осуществляется корректировка самого ТЗ.
Рис. 2. Структурный и параметрический синтез компоновки станка ^ на этапе разработки технического задания и технического предложения ь.
Технологические возможности станков определяются [15,44]:
• видом и типом поверхностей, которые могут быть обработаны;
• размерами рабочего пространства;
• точностью размеров, расположения и формы получаемых поверхностей и их качеством;
• типом и количеством используемого режущего инструмента, материалом его режущей части;
• способом крепления заготовки, числом зажимных позиций;
• степенью автоматизации;
• производительностью и себестоимостью обработки.
Первые два показателя формируются преимущественно на этапе выбора компоновки станка, к которой относятся:
• количество степеней подвижности основного исполнительного механизма станка;
• разделение степеней подвижности станка на исполнительный механизм, манипулирующий инструментом, и на исполнительный механизм, манипулирующий обрабатываемой деталью (в совокупности эти два механизма составляют основной исполнительный механизм станка);
• тип степеней подвижности основного исполнительного механизма станка;
• расстановка степеней подвижности в пространстве (размеры, определяющие относительное расположение степеней подвижности станка);
• диапазоны линейных и угловых перемещений по степеням подвижности станка.
Компоновка станка оказывает также значительное влияние на формирование остальных показателей технологических возможностей станка, то есть, в конечном итоге, обуславливает его востребованность и конкурентоспособность.
Принципиальной особенностью многокоординатных станков с ЧПУ является то обстоятельство, что на них могут обрабатываться поверхности самой различной формы, которые формируются за счет различных вариантов совокупного движения степеней подвижности (управляемых координат) станка. Универсальные пятикоординатные станки с ЧПУ сверлильно-фрезерно-расточной группы позволяют (при соответствующем выборе инструмента) обрабатывать любые поверхности, поэтому они проектируются, в отличие от специальных станков, не под обработку узкого класса поверхностей, а по иным принципам. В частности, кинематическая структура станка выбирается таким образом, чтобы с учетом конечного набора доступных технических решений получить максимально универсальный станок, позволяющий обрабатывать как можно большее количество разнотипных деталей, геометрическая форма которых заранее неизвестна разработчику.
Совершенствование технологий обработки и инструментов, их реализующих, предъявляет все более высокие требования к станочным исполнительным механизмам, манипулирующим инструментом относительно обрабатываемой детали. Относительное движение инструмента и обрабатываемой детали, образующееся в результате совокупного движения сочленений исполнительного механизма станка, несмотря на статические и динамические нагрузки, возникающие в процессе движения, должно выполняться все с большими скоростями и ускорениями, при возможно меньших допустимых отклонениях от заданного пользователем закона движения (программной траектории).
Требуемые законы относительного движения инструмента и обрабатываемого изделия усложняются с усложнением геометрической формы обрабатываемых изделий, например, при обработке сложнопрофильных деталей, таких как турбинные моноколеса и крыльчатки.
На начальном этапе проектирования станка разработчик должен выбрать такую компоновку, которая при минимуме затрат обеспечила бы воспроизведение всего требуемого множества программных траекторий движения инструмента относительно обрабатываемого изделия с требуемым качеством при учете ограничений, накладываемых условиями реализации технологического процесса, конструктивными особенностями инструмента и набором доступных разработчику конструкторских решений для исполнительного механизма.
Осознание разработчиками станков важности удачного и оригинального выбора компоновки подтверждается появлением в последнее время в мире множества экспериментальных станков с «нетрадиционной» компоновкой — станков с параллельной кинематической структурой (гексаподов), станков, у которых традиционные линейные степени подвижности заменяются на вращательные (например, станки на базе поворотных столов).
Варианты традиционных компоновок обрабатывающих центров представлены на рис. 3.
Станок с ориентированием инструмента пятикоординатнъш деревообрабатывающий центр Smart CNC фирмы Bacci, Италия).
Станок с глобусным столом для ориентирования детали (, пятикоординатнъш металлообрабатывающий центр МЦ-320 НПО «Микрон»).
Рис. 3. Варианты традиционных компоновок обрабатывающих центров.
Инструмент сверлильно-фрезерно-расточных обрабатывающих центров в общем случае представляет собой осесимметричное твердое тело, вращающееся во время обработки относительно своей оси симметрии. Для произвольного перемещения и ориентации такого тела в пространстве необходим и достаточней механизм с пятью степенями подвижности, из которых как минимум две степени подвижности должны изменять ориентацию инструмента относительно детали, например, быть вращательными.
Традиционная компоновка многоцелевого сверлильно-фрезерно-расточного станка (обрабатывающего центра) для пятисторонней обработки сложнопрофильных деталей включает в себя три взаимно перпендикулярные линейные степени подвижности для осуществления перемещения режущего инструмента относительно детали и две вращательные степени подвижности для изменения в процессе обработки ориентации инструмента относительно детали. Вращательные степени подвижности размещаются, как правило, вместе и завершают кинематическую цепь одного из исполнительных механизмовмеханизма, манипулирующего инструментом или деталью.
Применение вращательных степеней подвижности не только для ориентирования инструмента, но и для его перемещения относительно детали, то есть замена части или всех линейных степеней подвижности X, У, Ъ на вращательные может дать следующие преимущества:
• уменьшить массу перемещаемых в процессе обработки узлов станка, соответственно, снизить динамические нагрузки на приводы и механическую систему станка;
• снизить стоимость станка за счет исключения дорогостоящих направляющих и шариковинтовых передач;
• уменьшить габариты, массу и стоимость станины.
Конечно, компоновка многокоординатного станка с более чем двумя вращательными степенями может иметь и ряд недостатков по сравнению с традиционной, например:
• погрешности, связанные с дискретностью измерения угла поворота вращательной степени подвижности, возрастают по мере удаления инструмента от оси вращательной степени подвижности, что может привести к низкой точности станка, особенно на периферии его рабочей зоны;
• существенно усложняются алгоритмы преобразования координат, используемые при управлении станком, как следствие может снизиться качество управления и повыситься стоимость системы ЧПУ.
Вообще говоря, выбор компоновки пятикоординатного станка для обработки сложнопрофильных деталей, особенно, если рассматриваются варианты компоновки более чем с двумя вращательными степенями подвижности, может оказаться неочевидным. Для того чтобы оценить все плюсы и минусы, связанные с тем или иным вариантом компоновки, и выбрать оптимальную в некотором смысле компоновку станка, необходимы специальные математические алгоритмы.
Как было отмечено выше, компоновка станка выбирается и оптимизируется на стадии технического задания и технического предложения. На этих стадиях еще отсутствуют конкретные технические решения, которые появляются на более поздних стадиях проектирования. Следовательно, отсутствует информация для составления более или менее развернутой математической модели станка. Математическая модель, которая может быть составлена на этапе разработки компоновки, может быть сформирована на основе шарнирно-рычажной модели основного исполнительного механизма станка. Поскольку станки в большинстве случаев проектируются с использованием унифицированных узлов и с учетом предыдущего опыта проектирования, кинематическая шарнирно-рычажная модель может быть дополнена следующими ожидаемыми (прогнозируемыми) параметрами, определяемыми свойствами планируемых к применению приводов, передаточных механизмов и системы ЧПУ:
• максимальные скорости и ускорения степеней подвижности;
• максимальные усилия (моменты), развиваемые приводами отдельных степеней подвижности;
• погрешности перемещений по отдельным координатам станка;
• жесткость механизма станка в направлении перемещений степеней подвижности.
Составленная с учетом перечисленных параметров математическая модель компоновки не учитывает ряд принципиально важных параметров, в особенности в части жесткостных и точностных характеристик станка, зависящих не только от жесткости и точности степеней подвижности. Тем не менее, анализ и синтез компоновки станка на начальной стадии проектирования должен быть осуществлен на базе той информации, которая доступна разработчику. На более поздних стадиях проектирования для уточнения или коррекции полученных результатов используются более полные математические модели станка.
Основной результат, которого можно добиться на основе доступной на ранних стадиях проектирования информации, — получить компоновку станка, оптимальную по способности перемещать и ориентировать инструмент относительно обрабатываемой детали, чем определяется универсальность будущего станка.
Рядом авторов [29,37,38,47,53,66−81] для шарнирно-рычажных механизмов различного назначения предложены математические модели, оценки свойств (критерии качества) и алгоритмы оптимизации, применимые для разработки компоновок станков на начальных стадиях проектирования. Перенося эти результаты на случай проектирования компоновок пятикоординатных станков, работающих осесимметричным инструментом, можно получить:
• критерии качества компоновок, сформулированные в общем виде (обобщающие известные критерии);
• математические оценки свойства многокоординатных станков ориентировать в пространстве осесимметричный инструмент;
• практическое обоснование, математическая постановка задач и методики анализа, выбора и оптимизации компоновок многокоординатных станков по важнейшей характеристике универсальности станка для обработки сложнопрофильных деталей — способности ориентировать осесимметричный инструмент.
Целью, которая ставится в настоящей работе, является создание компоновок универсальных многокоординатных станков с числом вращательных степеней подвижности более двух для обработки сложнопрофильных деталей осесимметричным инструментом.
Для достижения заданной цели были поставлены следующие задачи:
• провести анализ предлагаемых различными исследователями критериев качества компоновок универсальных многокоординатных станков и другого технологического оборудования, включающего многозвенные исполнительные механизмы с числом вращательных степеней подвижности более двух (глава I);
• выполнить обобщение локальных критериев качества компоновок многокоординатных станков (Глава I);
• генерировать критерии, описывающие способность многокоординатного станка ориентировать в пространстве осесимметричный инструмент (Глава И);
• разработать глобальные математические оценки (критерии качества) способности многокоординатных станков с более чем двумя вращательными степенями подвижности ориентировать осесимметричный инструмент при обработке сложнопрофильных деталей (Глава III);
• сформулировать постановки задач анализа и оптимального выбора компоновок станков рассматриваемого класса в общем виде и для наиболее значимых практических случаев (Глава IV);
• разработать алгоритмы оптимального параметрического синтеза компоновок станков рассматриваемого класса.
При решении задач, поставленных в работе, были использованы методы теории механизмов и машин применительно к металлорежущим станкам, методы моделирования механических систем станков, методы экстремального анализа функций векторных переменных, методы теории матриц. Полученные теоретические результаты проверены с помощью математического моделирования.
Главы V и VI посвящены практической реализации результатов работы, в частности:
• разработанной и внедренной на ОАО «Савеловский машиностроительный завод» (ОАО «СМЗ») программной системе AMC для анализа и оптимального выбора компоновок многокоординатных станков для обработки сложнопрофильных деталей, которая используется на заводе в отделе главного конструктора для анализа нетрадиционных компоновок многокоординатных обрабатывающих центров на этапе их проектирования, а также для выработки рекомендаций для потребителей по практическому применению выпускаемых ОАО «СМЗ» станков;
• оптимизации, с использованием разработанных алгоритмов параметрического синтеза, опытного образца многоцелевого станка МС630ПМФ4, построенного на базе унифицированных поворотных столов.
Выработанные рекомендации по улучшению конструкции станка МС630ПМФ4 переданы на ОАО «СМЗ».
На защиту выносятся следующие научные результаты:
• систематизация локальных и глобальных критериев качества компоновок многокоординатных станков для обработки и контроля сложнопрофильных деталей осесимметричным инструментом;
• критерий качества компоновки многокоординатного станка, характеризующий, в зависимости от параметров компоновки станка, объем части рабочего пространства станка, в которой инструмент может быть сориентирован заданным образом (объем одноориентационного рабочего пространства);
• критерий качества компоновки многокоординатного станка, характеризующий, в зависимости от параметров компоновки станка, форму зоны сервиса станка в заданной точке его рабочего пространства;
• постановка задачи и алгоритм параметрического синтеза компоновки многокоординатного станка, имеющего более двух вращательных степеней подвижности, по предложенному критерию одноориентационного рабочего пространства.
Практическая ценность работы состоит в:
• сокращении затрат на ранние этапы проектирования многокоординатных станков для обработки сложнопрофильных деталей осесимметричным инструментом;
• увеличении максимальных размеров обрабатываемых деталей для станков типа МС630ПМФ4 на базе унифицированных поворотных столов при сохранении габаритных размеров станка.
Результаты работы были доложены на 3 российских и международных научно-технических конференциях и на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН».
По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работ.
Работа выполнялась на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» под руководством заведующего кафедрой, профессора, д.т.н. Сергея Николаевича Григорьева. Автор выражает благодарность научному руководителю работы, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» и Центра физико-технологических исследований МГТУ «Станкин» за помощь, оказанную при выполнении работы.
I. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ КРИТЕРИЕВ КАЧЕСТВА КОМПОНОВОК.
МНОГОКООРДИНАТНЫХ СТАНКОВ, ОПИСАННЫХ ШАРНИРНО-СТЕРЖНЕВЫМИ МОДЕЛЯМИ.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.
1. Обобщение существующих критериев качества компоновок многокоорднатных станков, дополнение их новыми критериями и применение алгоритмов анализа и параметрического синтеза компоновок позволяет с меньшими затратами времени получать более совершенные компоновки универсальных многокоординатных станков, предназначенных для обработки сложнопрофильных деталей осесимметричным инструментом и имеющих более двух вращательных степеней подвижности.
2. Анализ критериев качества компоновок многокоординатных технологических машин вообще и универсальных металлорежущих станков — в частности, показал, что, предложенные различными авторами формулировки локальных критериев (характеризующих свойства компоновки в точке рабочего пространства) могут быть приведены к общему виду, что позволяет ввести систематизацию локальных критериев, учитывающую как известные, так и вновь предлагаемые локальные критерии.
3. Предложенная систематизация локальных критериев является основой для построения различных вариантов глобальных критериев как суммарных оценок двигательных свойств компоновки многокоординатного станка во всем его рабочем пространстве.
4. Из проведенного исследования различных компоновок многокоординатных станков по предложенным в работе новым критериям манипулятивности (оценкам способности станка ориентировать осесимметричный инструмент) следует, что наибольший практический смысл эти критерии имеют для сравнительного анализа станков, имеющих более двух вращательных степеней подвижности.
5. Проведенные численные эксперименты показали, что для оптимизации способности многокоординатного станка, имеющего более двух вращательных степеней подвижности, ориентировать осесимметричный инструмент в пространстве наиболее целесообразным является комбинация систематического поиска по равномерной сетке с последующим покоординатным спуском из «подозрительных» узлов сетки.
6. На примере станка МС630ПМФ4 показано, что оптимизация компоновки многокоординатного станка, включающего четыре вращательных степени подвижности, по критерию одноориентационного рабочего пространства может без изменения габаритных размеров станка дать заметное увеличение максимальных размеров обрабатываемых на станке деталей.
