Improvement of multi-dimensional processing efficiency by layout optimization of multi-axis machine tools

Abstract

The article considers the issues of optimizing the layout of multi-axis machine tools for multi-dimensional processing using various criteria. Optimization of layouts is implemented using CAD/CAM/CAE/PDM systems, SolidWorks and MS Excel.

Full Text

Разработка и внедрение новых прогрессивных технологий и оборудования при производстве сложных деталей с криволинейными рабочими поверхностями является необходимым условием развития важнейших фондообразующих отраслей отечественного машиностроения, авиационной и оборонной промышленности. В отечественном машиностроении производится многоосевое металлообрабатывающее оборудование, использующее специальные методы обработки, способные реализовать технологии «новой волны» с помощью многокоординатного формообразования и нанотехнологичных процессов резания особых материалов лазером, плазмой, электрической дугой. Однако недостаточная эффективность операции МКО является следствием отсутствия комплексного подхода к обеспечению этой операции на стадии технической подготовки производства, что является производственной проблемой [1, 2]. Данная проблема может быть решена путем оптимизации компоновок многоосевых станков. Однокритериальная оптимизация (по критерию точности или по критерию габаритно-массовых характеристик (ГМХ)) не отражает в полной мере реальные производственные потребности и конкурентноспособный уровень станка. Оптимизацию конструкции станочной системы следует вести по интегральному показателю компактности [3, 4]. Под компактностью понимается конструктивное свойство станка обеспечивать требуемый набор технических характеристик при наименьших габаритных параметрах его конструкции. Это достигается на основе синергетических принципов создания станка путем оптимизации габаритных и массово-жесткостных параметров базовых деталей, а также параллельной передачей усилий или применением многопоточной передачи движений; объединением нескольких механизмов в одном; рациональным базированием деталей; применением компактных компонентов в кинематической структуре станка и другими способами (рисунок 1). Для обеспечения компактности несущей системы станка следует уменьшать размеры «петли силы», под которой понимается область несущей системы станка, по которой передается основная силовая нагрузка по ветвям компоновки между инструментом и заготовкой. Компактность не всегда свойственна прецизионным станкам, характеризующихся сложной кинематикой, которые, как правило, формируются по двум приоритетным критериям - точности и формообразующим возможностям. Поэтому конструкции таких станков часто не являются компактными. Компактность достигается конструированием станков путем управления геометрическими параметрами их конструкции. В данной постановке задача является оптимизационной, при которой варьирование управляемыми геометрическими параметрами (вылетами, размерами направляющих, длинами ходов узлов) можно добиться оптимального сочетания объемной точности, жесткости конструкции, минимизации ее габаритов и, как следствие, минимума затрат [5, 6]. Рисунок 1. Методика оценки габаритно-массовых характеристик конструкций станков Поскольку компактная конструкция обладает меньшими габаритно-массовыми характеристиками, это серьезно сказывается на стоимости станка. Разработан критерий конструктивной компактности станочной системы как показатель ее эффективного конструирования, содержащий геометрические параметры конструкции и оценку комплексного их влияния на статическую точность и ее габаритно-массовые характеристики . Это позволило находить компромиссные проектные решения, приводящие к наименьшим затратам без потери статической точности станка: , (1) где: , - параметры вылетов, характеризующие удаленность i-го подвижного стыка от зоны обработки; - длина хода узла; , , - габаритные размеры подвижных узлов и корпусных деталей, реализующих стык, в соответствии с разработанной моделью. За целевую функцию принимается мультипликативный критерий компактности станочной системы как показатель ее эффективного конструирования, содержащий геометрические параметры конструкции и оценку комплексного их влияния на статическую точность δ и ее габаритно-массовые характеристики. Для подтверждения эффективности использования многокритериальной оптимизации по критерию компактности была выбрана исходная произвольная компоновка обрабатывающего центра вертикально-фрезерного типа с габаритами рабочего пространства 850х560х610 и допуском по точности 0,005 мм (рисунок 2). Оптимизация проводилась по частному критерию точности, частному критерию габаритно-массовых характеристик и обобщенному критерию компактности. Сравним четыре синтезированные компоновки (рисунок 3). Рисунок 2. Компоновка обрабатывающего центра вертикально-фрезерного типа Рисунок 3. Сравнительная диаграмма синтезированных компоновок В результате проведенных исследований было установлено, что исходная компоновка не обладает требуемой точностью; компоновка, синтезированная в результате оптимизации по критерию точности, отличается высокой точностью, но значительно увеличились габаритно-массовые характеристики станка; габаритно-массовые характеристики третьей компоновки значительно ниже второй, даже исходной, но точность едва ли не превышает допустимую; компоновка, полученная в результате оптимизации по обобщенному критерию компактности, отличается высокими показателями точности и низкими показателями ГМХ. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что многокритериальная оптимизация по критерию компактности имеет неоспоримое преимущество по сравнению с методом однокритериальной оптимизации, соответственно ее применение является целесообразным на стадии технической подготовки производства.