Technological synthesis of mechatronic machine-tool systems for multi-axis machining

Abstract

There is considered a technique of technological synthesis of mechatronic machine-tool systems for multiaxis machining in the paper. The technique is visual, universal and implemented with the use of CAD/CAM/CAE/PDM system of SolidWorks software.

Full Text

Современный этап развития технологических систем высокотехнологичной обработки машиностроительных деталей характеризуется усилением конкуренции в области создаваемого производственного оборудования. Это проявляется в повышенных требованиях к качеству, надежности и многофункциональности технологических машин, вызванных появлением и освоением новых прецизионных и высокопроизводительных технологий. Возникает необходимость в создании нового поколения технологических машин, обладающих новыми возможностями и способных решать поставленные производственные задачи эффективно и с меньшими затратами. Одним из эффективных направлений развития технологических машин является создание многоосевых станков мехатронного типа, оснащенных новейшими видами инструментов, комбинирующих традиционные виды лезвийной и абразивной обработки с высокоэнергетическим воздействием лазерным лучом или плазмой [1, 2]. Многоосевой станок мехатронного типа является сложной динамической системой. Задача синтеза такого станка является сложной и многоплановой. Обеспечить эффективную многокоординатную обработку возможно при решении ряда наукоемких проблем, связанных с множеством разнородных производственных факторов для удовлетворения комплекса противоречивых критериев, таких как производительность, себестоимость, точность и качество обработки (рисунок 1). Рисунок 1. Структуризация основных факторов операции многокоординатной обработки сложнопрофильных деталей по критерию эффективности Технологический синтез многоосевых мехатронных станочных систем предполагает интегральное решение совокупности инженерных задач, связывающих проектную разработку с будущей производственной средой, в которой предполагается эксплуатировать станок. Это задачи: идентификации (проектно-конструктивный синтез геометрического образа станка по заданным исходным условиям технического задания (ТЗ)); верификации (установление соответствия конструкции требованиям ТЗ); валидации (технологическое обоснование эффективной применяемости станка в заданных производственных условиях и ограничениях). Технико-экономическими проектными критериями таких станков являются точность, жесткость, устойчивость, управляемость, габаритно-массовые параметры, эксплуатационная надежность, энергетические и кинетические характеристики, автоматизация и безопасность. Ключевым проектным критерием оценки работоспособности многокоординатной системы является точность формообразования. Процедура многокоординатного формообразования предполагает одновременную интерполяционную связь осевых приводов при обработке сложнопрофильной поверхности. Станочная система, поддерживающая многокоординатную обработку, должна иметь функциональную возможность реализации такой интерполяционной связи приводами линейных и поворотных осей станка. Это реализуется за счет мехатронизации приводов и модульного конструирования станочной системы. Технологический синтез многоосевых станков включает в себя совместное решение задач разработки компоновочного решения, оценки характеристик станка в области рабочего пространства, установление соответствия технических возможностей станка условиям планируемой эксплуатации. Многоосевая обработка различного целевого назначения реализуется вариативностью структурных компоновочных решений, образованных сочетаниями поступательных и вращательных кинематических пар относительно неподвижной станины в глобальной системе координат станка. В качестве примера в таблице 1 представлена область компоновочных решений для 7-ми координатной обработки, разработанных с использованием рекомендаций [3]. Таблица 1 Множество компоновочных решений Ветвь инструмента Матрица комбинаций размещения кинематических пар относительно стационарного блока О Ветвь заготовки Вxi О (Вzз) П П П Вyз Вzз Вxi Вzi О П П П Вyз Вzз Вxi Вzi П О П П Вyз Вzз Вxi Вzi П П О П Вyз Вzз Вxi Вzi П П П О Вyз Вzз Вxi Вzi П П П (Вyi) О Вzз Ветвь инструмента Стац. блок Ветвь заготовки Многоосевая обработка обеспечивается комбинацией линейных и поворотных кинематических пар. На рисунке 2 представлены 3D-геометрические образы вариантов компоновок станков, сформированные с использованием таблицы 1 в CAD/CAM/CAE/PDM системы SolidWorks. Направление и соотношение сил резания при многоосевой обработке в основном зависят от ориентации инструмента относительно заготовки и направления его движения. Для возможности оценки объемной точности станка на этапе его проектирования необходимо представление результирующего вектора сил резания в виде непрерывного силового поля, сформированного на дискретных квадрантах (рисунок 3). Для выбора лучших компоновочных решений следует проводить расчетную оценку характеристик упругой системы станка в пределах рабочего пространства по следующим показателям: геометрической точности; жесткости и устойчивости. Компоновка (ВyПz0ПyПxВz) Компоновка (ПzПy0ПxВyВz) Рисунок 2. 3D-геометрический образ вариантов компоновок станков Рисунок 3. Непрерывное представление силового поля Ниже представлены результаты реализации задачи технологического синтеза вариантов компоновок многоосевого станка для лазерной обработки хвостовиков турбинных лопаток из керамики. Матрица синтеза конструктивных параметров компоновок представлена в таблице 2. По каждому варианту конструкции были произведены расчеты статической точности (таблица 3). Расчеты показали, что лучшими по критерию точности признаны варианты 6-8 и 2-4, соответствующие портальной компоновке, имеющие больший запас точности. Таблица 2 Матрица синтеза конструктивных параметров компоновок Варианты/ варьируемые факторы I. Ориентация плоскостей направляющих стола II. Расстояние между направляющими стола, мм III. Расстояние между направляющими шпиндельной бабки, мм 900 00 760 860 638 738 I 90 1 2 3 4 0 5 6 7 8 II 760 1 5 1-3,5-7 1-4,5-8 860 2 6 2-3,6-7 2-4,6-8 III 638 3 7 1-3,5-7 2-3,6-7 738 4 8 1-4,5-8 2-4,6-8 Таблица 3 Результаты статического расчета Вариант/Погрешность rфакт (мкм) rдоп(мкм) Δ= |rдоп- rфак| (мкм) 1-3 5,9 6,18 0,28 1-4 4,6 5,9 1,3 2-3 5,8 5,95 0,15 2-4 3,3 5,9 2,6 5-7 4,6 6,1 1,5 5-8 3,6 5,7 2,1 6-7 4,2 5,3 0,5 6-8 2,6 5,7 3,1 Портальная компоновка позволяет обеспечить доступность луча ко всем обрабатываемым поверхностям заготовки, высокую кинетику формообразования и симметрию тепловых деформаций (рисунок 4). Ускорения узлов до 0,5G и знакопеременные нагрузки, вызывающие динамические возбуждения, обусловили применение виброустойчивой несущей системы станка за счет гранитных базовых элементов. Результаты интегральной оценки объемной точности пятиосевого станка представлены на рисунке 5. Рисунок 4. 3D-модель портальной многоосевой системы, сформированная в CAD/CAM/CAE/PDM системы SolidWorks Рисунок 5. Оценка объемной точности портального пятиосевого станка Как показали результаты расчетного моделирования, значительное влияние на устойчивость станка оказывают динамические характеристики его упругой системы (собственные частоты, формы колебаний на них и параметры демпфирования). На амплитудо-частотной характеристике (АЧХ) отражены амплитуды виброперемещений на первых собственных частотах, в которых вероятность резонанса весьма высока (диапазон внешнего возбуждения лежит в диапазоне от 0 до 200 Гц) (рисунок 6). Рисунок 6. Амплитудно-частотная характеристика упругой системы портального станка Анализ показал, что параметрические изменения варьируемых факторов оказывают значительное влияние на сдвиг собственных частот и амплитуду колебаний, что позволило уточнить перечень значимых факторов, подбор которых позволяет управлять динамической точностью станка на проектной стадии путем выявления «слабых» элементов (рисунок 7). Рисунок 7. Анализ «слабых» элементов портальной системы по динамическим факторам Так, отстройка частот от резонансной зоны произведена значительным ужесточением контактной податливости стыка «портальная каретка-балка» - на 50% относительно начальных данных, а также конструктивным поиском оптимального баланса центровки подвижных масс относительно центров жесткости стыков. Это позволило выработать уточняющие проектно-технологические мероприятия, улучшающие статические и динамические характеристики упругой системы станка до уровня технологически обусловленной жесткости, обеспечивающей требуемую прецизионность и производительность обрабатывающей системы. В результате выполненных исследований сформирована методика технологического синтеза мехатронных станочных систем для многокоординатной обработки. Методика наглядна, универсальна и реализована с использованием системы CAD/CAM/CAE/PDM системы SolidWorks. Практическая апробация методики была проведена путем технологического синтеза многоосевого станка для лазерной обработки модели МЛП4.1 фирмы «ЭСТО-Лазеры и аппаратура». Это позволило выработать уточняющие проектно-технологические мероприятия, улучшающие статические и динамические характеристики упругой системы станка до уровня технологически обусловленной жесткости, обеспечивающей требуемую прецизионность и производительность обрабатывающей системы. Работа выполнена в рамках научно-исследовательского направления по теме «Разработка макроструктурного интегрированного комплекса управления пространственной точностью сложнопрофильного формообразования высокотехнологичных изделий машиностроения».