Разработка методов обеспечения точности базирования и жесткости автоматически сменных узлов с распределенными базами в перекомпонуемых системах машин

Актуальность работы. Современное развитие автоматизированных систем в машиностроении ориентировано на создание систем машин переменной компоновки и структуры. Актуальны технические решения, обеспечивающие высокие технологические возможности, гибкость и приспосабливаемость автоматизированных систем к изменяющимся производственным условиям, сохраняя показатели высокой производительности механической обработки.

Данные тенденции охватывает развитие перекомпонуемых производственных систем (Reconfigurable Manufacturing Systems — RMS), предназначенных для выпуска постоянно меняющейся номенклатуры изделий, с увеличением производительности, снижением затрат на создание и эксплуатацию оборудования. В данных системах возникает необходимость применения автоматически сменных агрегатных узлов, в том числе призматической формы и с распределенными базами.

Автоматически сменный узел в RMS — носитель призматической формы, является неотъемлемой частью рабочей позиции и способствует автоматическому изменению структуры, увеличению вариантности компоновочных решений RMS. Это позволяет осуществлять многоинструментальную, многостороннюю, многоместную обработку сложных деталей с обеспечением максимальной концентрации процессов обработки на рабочей позиции RMS. Что решает вопросы автоматизированной обработки с достижением высокого уровня эффективности производства в условиях изменения производственных программ и номенклатуры изделий.

Работа направлена на исследования, обеспечивающие автоматизацию изменения структуры и компоновки RMS, при условии кантования носителя на рабочей позиции. Многосторонняя обработка деталей требует сохранения идентичности пространственного расположения деталей относительно каждой грани его корпуса при кантовании. Многообразие сочетаний методов технологического воздействия при многосторонней обработке приводит к возникновению переменных по величине упругих деформаций корпуса сменного узлов в направлении механической обработки, а, следовательно, и к потере точности изготовления деталей.

Внедрение сменных узлов призматической формы требует решения ряда проблем по обеспечению и повышению точности их базирования на рабочей позиции, одновременно решая вопросы повышения жесткости узлов RMS с учетом упругих деформаций, возникающих при многосторонней обработке корпусных деталей.

Решение изложенных проблем обеспечивает повышение эффективности применения автоматически сменных узлов призматической формы в RMS, что подтверждает актуальность выбранной темы работы. Работа выполнена в соответствии с Генеральным договором о сотрудничестве между Тольяттинским государственным университетом и ОАО «АВТОВАЗ» на 2001 -2005 г. г., п. 2.2.5.

Цель работы. Обеспечение жесткости и точности базирования автоматически сменных узлов с распределенными базами в RMS, на основе? разработки методов расчета упругих деформаций и обработки базирующих элементов при многосторонней обработке деталей.

Задачи работы.

1. Разработка математических моделей метода обеспечения жёсткости сменных узлов в зависимости от схем многосторонней обработки корпусных деталей на RMS.

2. Разработка основных положений метода обеспечения точности базирования носителя на рабочий позициях RMS.

3. Провести экспериментальные исследования по определению погрешности базирования и параметров жесткости автоматически сменных узлов RMS при многосторонней обработке деталей.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований получить зависимость влияния погрешности базирования и погрешности упругих деформации носителя на точность многосторонней обработки корпусных деталей на рабочей позиции RMS.

5. Разработать технические решения по конструктивному исполнению корпуса носителя в зависимости от схемы многосторонней обработки деталей.

6. Разработать предложения по применению сменных узлов призматической формы для реализации многоинструментальной, многосторонней, многоместной обработки сложных деталей на рабочей позиции RMS.

Методы исследования: Работа включает в себя теоретические исследования вопросов обеспечения точности и жесткости станочных систем, расчеты параметров точности и жесткости носителей призматической формы с переменными базами, результаты математического моделирования в том числе и на ЭВМ с использованием пакетов твердотельного моделирования NASTRAN, WinMachine, ANSYS, MATHLAB 6.5. Исследовалось поведение конструкции носителя призматической формы в условиях напряжённо-деформированного состояния. Для выполнения теоретических исследований использовались известные методы инженерных расчетов, а также результаты научно-исследовательских работ по выбранной тематике. При разработке метода обработки базирующих отверстий носителя относительно каждой егогграни применялись методы расчета размерных и технологических цепей в машиностроении. Методика расчета параметров жесткости корпуса носителя, разрабатывалась на основе прочностных расчетов нагруженных пространственных коробок в машиностроении.

Экспериментальные исследования проводились с использованием специально разработанного научно-исследовательского стенда и физической модели носителя призматической формы, включая компьютерную обработку экспериментальных данных в среде моделирования пакета MATHLAB 6.5 с применением программного обеспечения реального времени Simulink 5.0. Все пакеты применяемых программ являлись лицензионными.

Научная новизна.

— разработан метод обеспечения точности базирования носителя, позволяющий обеспечить изготовление базирующих отверстий с заданными параметрами точности на технологическом оборудовании;

— разработан метод обеспечения жесткости носителей призматической формы в RMS, и алгоритмы расчета параметров их жесткости для схем инструментального воздействия при многосторонней обработке, что позволяет проектировать схемы многосторонней обработки деталей при условии выполнения требований по точности изготовления деталей на носителе;

— разработан метод контроля параметров жесткости корпуса носителя при многосторонней обработке деталей, осуществляемый на рабочих позициях RMS в режиме реального времени;

— разработана методика применения носителя для типовых схем многосторонней обработки корпусных деталей в RMS, позволяющая выбрать его конструктивные исполнения;

— получена зависимость влияния параметров жёсткости носителя и точности его базирования на точность многосторонней обработки деталей.

На защиту выносятся:

— метод обеспечения точности взаимного расположения базирующих отверстий при их изготовлении на боковых гранях носителя;

— математическая модель метода обработки базирующих отверстий носителя со связанными параметрами точности;

— метод обеспечения жесткости носителя при реализации вариантных схем многосторонней обработки корпусных деталей на носителе;

— результаты расчета параметров конструкции корпуса носителя призматической формы для типовых схем многосторонней обработки;

— результаты теоретических исследований зависимости точности многосторонней обработки корпусных деталей на носителе от погрешности базирования носителя и упругих деформаций его корпуса;

— метод контроля упругих деформаций и внутренних напряжений корпуса носителя при многосторонней обработке деталей на рабочих позициях RMS;

— техническое решение конструктивного исполнения носителя для типовых схем многосторонней обработки корпусных деталей;

— предложения по реализации многосторонней обработки деталей на носителе.

Практическая ценность работы.

1. Разработанная конструкция носителя призматической формы, выполняет роль автоматически сменного узла на рабочей позиции RMS, при реализации многосторонней обработки корпусных деталей.

2. Предложенная методика обеспечения точности базирования носителей призматической формы, позволяет обеспечить точность обработки базирующих отверстий многогранного носителя.

3. Предложенная методика обеспечения жесткости носителей призматической формы, позволяет рассчитать параметры жёсткости корпуса носителя, оценить влияние параметров жесткости носителя на точность многосторонней обработки корпусных деталей, скорректировать технологический маршрут обработки корпусных деталей.

4. Методика контроля упругих деформаций носителя позволяет определить параметры жесткости станочной системы RMS, в режиме реального времени- '.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния над точность обработки деталей погрешности базирования и упругих деформаций носителя позволяют осуществлять выбор его конструктивного г исполнения.

Апробация работы.

1) Апробация работы осуществлялась в производстве ОАО «АвтоВАЗ» (г. Тольятти).

2) Новизна работы закреплена поданными заявками на изобретения и патентами РФ (Приложение 1).

3) Диссертационная работа выполнена на основе проведённых научных теоретических и экспериментальных исследованиях по госбюджетной теме № 01.200.205 164 «Теоретические исследования управления параметрами жесткости станочных узлов с распределенными базами в автоматизированных системах переменной структуры».

4) Разработан и изготовлен учебно-лабораторный стенд исследования жёсткости автоматически сменных модулей призматической формы для применения в КМБ.

5) Результаты проведённых исследований были представлены на международных выставках, салонах и были отмечены медалями, призами и дипломами (Приложение 4):

— «V Московский международный салон инноваций и инвестиций», Москва ВВЦ, 15−18 февраля 2005 г, Диплом и Серебряная медаль за разработку «Учебно-лабораторный стенд исследования жёсткости мехатронных модулей призматической формы».

— «Третья окружная ярмарка бизнес-ангелов и инноваторов», Самара, 14−15 апреля 2005 г, Диплом участника.

— «3-я специализированная выставка Автоматизация 2005», Москва ВВЦ, 18−21 мая 2005 г, Диплом и Золотая медаль за разработку «Учебно-лабораторный стенд исследования жёсткости мехатронных модулей призматической формы».

6) Результаты работы докладывались неоднократно на научных семинарах и конференциях Тольяттинского государственного университета и кафедр «Мехатроника и робототехника», «Резание, станки и инструмент».

Свидетельства РОСПАТЕНТА и публикации.

По теме диссертации получено свидетельство РОСПАТЕНТА на изобретение № 2 258 593 «Многоместное приспособление-спутник» от 20 августа 2005 г., а также опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 272 страницах машинописного текста, содержит 113 рисунков, 13 таблиц, 4 приложений.

Список литературы

включает в себя 130 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Применение разработанных технических решений автоматически сменных узлов призматической формы в перекомпонуемых производственных системах позволяет на одной рабочей позиции при многосторонней обработке деталей одного или нескольких наименований обеспечить более высокие показатели производительности и гибкости относительно многопозиционных автоматизированных систем.

2. Разработанная методика расчета упругих деформаций и напряжений автоматически сменных узлов призматической формы при многосторонней обработке деталей в RMS может быть применена при проектировании технологического маршрута многосторонней обработки деталей, выборе числа одновременно работающих инструментов, расчете режимов резания и выборе методов многоинструментальной обработки деталей.

3. Разработанная методика расчета погрешности обработки базирующих отверстий автоматически сменных узлов RMS может быть применена при обработке базирующих отверстий, с учетом зависимости входных и выходных параметров точности их изготовления. Экспериментально подтверждено повышение точности базирования сменных узлов RMS в 3 раза по результатам применения данной методики.

4. Получена аналитическая зависимость точности многосторонней обработки деталей от погрешности упругих деформаций и базирования автоматически сменных узлов RMS. Зависимость применима для оценки соответствия параметров точности базирования и жесткости автоматически сменных узлов RMS допустимым значениям точности многосторонней обработки деталей.

5. Предложена методика оценки упругих деформаций и напряжений сменных узлов RMS с применением компьютерной системы контроля и управления сигналами тензодатчиков. Получены зависимости изменения силы тока и напряжения от упругих деформаций сменных узлов RMS.

Осуществляется контроль параметров жесткости носителя в реальном, динамическом режиме функционирования оборудования.

6. Сформулированы рекомендации по осуществлению многосторонней обработки деталей в RMS. Изменяя конструктивное исполнение корпуса автоматически сменного узла, обеспечивается его жесткость с учетом количества одновременно обрабатываемых деталей. Экспериментально показано, что для конструкции корпуса сменного узла призматической формы с накладными боковыми плитами упругие деформации сокращаются на 30%.

7. На основе полученных теоретических и экспериментальных зависимостей показано, что с ростом количества одновременно обрабатываемых деталей, корпус автоматически сменного узла призматической формы может иметь сборную, облегченную конструкцию. Например, для случаев многоинструментальной обработки одновременно четырех или шести деталей на одной рабочей позиции RMS с применением автоматически сменных узлов призматической формы.

8. На основе разработанных технических решений, компьютерных средств контроля и управления предложена методика регулирования параметров жесткости автоматически сменного узла призматической формы за счет изменения геометрических параметров его корпуса в реальном времени, непосредственно при многосторонней обработке деталей в RMS.

9. Результаты выполненных исследований внедрены в учебный процесс Тольяттинского государственного университета при подготовке специалистов специальностей 151 002 и 220 402, а также отмечены грамотами, дипломами и медалями международных и всероссийских выставок г. Москвы.