Алгоритм диагностирования состояния токарных станков с ЧПУ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.5

О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, А.В. Агеенко

АЛГОРИТМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ

Предложен алгоритм диагностирования состояния токарных станков с ЧПУ, позволяющий с помощью системы диагностирования выявить и компенсировать статические и динамические составляющие контурной погрешности траектории перемещения исполнительных органов.

Ключевые слова: алгоритм диагностирования, токарный станок с ЧПУ, контурная погрешность, система диагностирования, траектория перемещения, исполнительные органы станка.

Модернизация системы управления токарного станка с ЧПУ путем замены системы ЧПУ требует согласования устройства ЧПУ с приводом главного движения и приводом подачи токарного станка с целью повышения его точности. Согласование возможно за счет настройки станочных параметров. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит изменение состояния как самого станка, так и его системы управления и, как результат, потеря его точности. Восстановление точности станка также возможно за счет настройки станочных параметров [3].

Алгоритм диагностирования точности токарного станка с ЧПУ состоит из нескольких этапов. На первом этапе проводятся проверки с целью определения статических погрешностей. На втором этапе происходит отработка круговой траектории исполнительными органами токарного станка и определение контурной погрешности траектории исполнительных органов станка Дк (в дальнейшем - контурная погрешность) от установленного допуска формы. На третьем этапе определяется влияние динамических составляющих контурной погрешности, а также выполняется их сортировка по степени влияния на контурную погрешность. На четвертом этапе компенсируются составляющие контурной погрешности [4] путем настройки соответствующих станочных параметров. На пятом этапе определяется вариант ремонта узлов токарного станка с ЧПУ с минимальной себестоимостью. И наконец, на шестом этапе выполняется ремонт узлов токарного станка с ЧПУ в соответствии с выбранным вариантом.

Алгоритм диагностирования точности токарного станка с ЧПУ представлен на рис. 1.

Последовательность диагностирования точности токарного станка с ЧПУ следующая. Вначале выполняются проверки прямолинейности и параллельности траектории продольного перемещения суппорта относительно оси вращения шпинделя в вертикальной и горизонтальной плоскостях, перпендикулярности траектории перемещения поперечных салазок суппорта к оси вращения шпинделя, точности установки направляющих в поперечном направлении. Проверки проводятся в соответствии с ГОСТ 18097-93 (для то-карно-винторезных станков), ГОСТ 17-70 (для токарно-револьверных станков), ГОСТ 18100-80 (для прутковых одношпиндельных токарно-револьверных станков). Целью проведения проверок является определение углов поворота продольного суппорта относительно осей X и Y фх2, фу2 (рис. 2), угла поворота поперечного суппорта относительно оси Y фу3, угла поворота продольного суппорта относительно оси Z ф^ (блок 1). Далее на токарном станке с ЧПУ отрабатывается круговая траектория исполнительных органов станка радиуса R и определяется контурная погрешность Дк с помощью разработанной системы диагностирования точности токарного станка с ЧПУ (блок 2) [1]. После этого контурная погрешность Дк сравнивается с допуском формы (блок 3). Если контурная погрешность находится в пределах допуска, то делается вывод о работоспособности станка и процесс диагностирования завершается.

НАЧАЛО

—I-

Определение статических погрешностей, влияющих на контурную погрешность Д„

©

Отработка круговой (2)

траектории радиуса и определение значения А,.

Определение динамических погрешностей, влияющих на контурную погрешность Дк

Сортировка погрешностей, влияющих на контурную погрешность Д., по степени влияния

/'= /+1

Определение значений станочных параметров (СП)

© ®

0

Компенсация /-й погрешности, влияющей на контурную погрешность Дк,с помощью СП

Отработка круговой траектории радиуса Р и определение значения Дк

Определение абсолютного отклонения [Д — £ . 7 ]

Определение комбинаций

погрешностей

[Д - к .7 ] < (=1

Выбор варианта ремонта (замены) узлов токарного станка с ЧПУ с минимальной себестоимостью Ст!п

Ремонт (замена) узлов токарного станка с ЧПУ

1

Отработка круговой траектории радиуса Р? и определение значения Д,

Определение себестоимости С ремонта (замены) узлов токарного станка с ЧПУ с целью устранения погрешности для каждой комбинации погрешностей

17

Станок работоспособен

о»;

КОНЕЦ

Рис. 1. Блок-схема алгоритма диагностики точности токарного станка с ЧПУ: Дк - фактическое значение контурной погрешности; к - поправочный коэффициент; - допуск формы; Дк,- - текущее значение контурной погрешности; - значение 1-й составляющей контурной погрешности

Если контурная погрешность превышает требуемый допуск, то происходит определение динамических составляющих контурной погрешности (блок 4) [2] и сортировка статических и динамических составляющих по степени влияния на контурную погрешность Дк (блок 5). В блоках 6 - 11 компенсируются составляющих контурной погрешности Дк [3]. Причем статические и динамические погрешности компенсируются в порядке уменьшения их влияния на контурную погрешность Дк. После компенсации каждой составляющей происходит отработка круговой траектории и сравнение контурной погрешности Дк с требуемым допуском формы (блоки 9,10).

Если компенсация составляющих погрешности с помощью станочных параметров не привела к уменьшению контурной погрешности Дк до допустимых значений, то определяется абсолютное отклонение контурной погрешности от допуска Дку- - [кТУ (блок 12). Далее определяются комбинации составляющих контурной погрешности Дк, сумма которых превышает абсолютное отклонение (блок 13):

где - 1-я составляющая контурной погрешности.

Затем определяется себестоимость устранения каждой комбинации составляющих контурной погрешности Дк (блок 14). Среди всех комбинаций выбирается комбинация составляющих с наименьшей себестоимостью (блок 15). Далее выполняется ремонт узлов станка в соответствии с составляющими погрешности, входящими в данную комбинацию (блок 16). В блоках 17, 18 происходит определение контурной погрешности Дки и сравнение ее с допуском формы. Если контурная погрешность Дк„ находится в пределах допуска, то делается вывод о работоспособности станка и процесс диагностирования завершается, иначе повторяются действия, описанные в блоках 12 - 18, пока контурная погрешность Дк„ не будет соответствовать допуску формы.

Обычно на чертежах указывается допуск на размер детали. При этом часть допуска на размер отдается на погрешность формы. В общем случае погрешность формы не должна превышать допуск на размер. Суммарную погрешность Д^ для контура детали (рис. 3) можно рассчитать по следующей зависимости:

Рис. 2. Схема для определения контурной погрешности траектории перемещения исполнительных органов токарного станка с ЧПУ

А к- - [Щ ] ,

Д1=(Ду2+Дн2+(1,73ХДст)2+(1,73£Дт)2+Ди2)0,5,

где Ду - погрешность установки заготовки; Дн - погрешность, вызванная настройкой резца на выполняемый размер; ХДст - погрешность, вызванная геометрической неточностью станка; Ди - погрешность, вызванная размерным износом резца; £Дт - погрешности, вызванные температурными деформациями системы.

Для того чтобы определить, какой точностью должен обладать токарный станок с ЧПУ, чтобы обеспечить требуемую точность детали, в блоке 3 (рис. 1) вводится поправочный коэффициент k. Поправочный коэффициент k позволяет вычленить из допуска формы профиля продольного сечения долю, вносимую кинематической неточностью станка (с учетом класса точности токарного станка с ЧПУ).

Схема выделения погрешности, обусловленной кинематической неточностью станка, представлена на рис. 4.

Рис. 3. Контур детали для определения суммарной погрешности обработки детали

тф

Рис. 4. Схема выделения погрешности, обусловленной кинематической неточностью станка: Ътф - коэффициент, учитывающий точность формы; Ъст - коэффициент, учитывающий точность станка; Ъгеом - коэффициент, учитывающий геометрическую неточность станка; Ъкин - коэффициент, учитывающий кинематическую неточность станка

Значения коэффициентов, учитывающих точность формы (Ъф) [5], точность станка (Ъст) [6], а также отношение коэффициентов, учитывающих геометрическую (Ъгеом) и кинематическую (Ъкин) неточность станка [7], представлены в таблице.

Таблица

Зависимость коэффициентов, учитывающих точность формы, точность станка отношение коэффициентов, учитывающих геометрическую (Ъгеом) и кинематическую (Ъкин)

неточность станка

Класс точности станков Ътф Ъ А-ст Ъ / Ъ ^кин' ^геом

Нормальной точности (Н) - 0,3 2,3

Повышенной точности (П) - 0,4 1,5

Высокой точности (В) 0,25 0,5 0,67

Особо высокой точности (А) 0,4 0,6 0,33

точные (С) 0,6 0,7 0,18

Поправочный коэффициент Ъ определяется как

k • k ,

k __CT тф

1+(k / k )

v геом кин'

Состояние токарного станка с ЧПУ удовлетворяет требованиям точности, если выполняется условие

А <

k • k ф

ст тф

• T

к 1 + (к / к ) л •

V геом кин /

Разработанный алгоритм был реализован на токарном станке модели 1В340Ф30 с системой ЧПУ КС201М с помощью спроектированной системы диагностирования (рис. 5, 6).

Рис. 5. Идеальная траектория исполнительных органов станка, заданная в управляющей программе

Рис. 6. Результат реализации алгоритма диагностирования: 1 - исходная траектория (до корректировки); 2 - окончательная траектория (после корректировки)

Результат действий по исследованию и настройке устройства ЧПУ позволил изменить контурную погрешность траектории перемещения исполнительных органов станка с 0,085 до 0,060 мм только за счет настройки станочных параметров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Агеенко, А.В. Методика настройки параметров УЧПУ токарных станков для обеспечения заданной точности контура детали / А.В. Агеенко // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: Гос. ун-т - УНПК, 2011.-№4.- С.70-76.

2. Федонин, О.Н. Обеспечение точности токарного станка с ЧПУ за счет настройки станочных параметров / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - М.: Машиностроение, 2013.-№11.- С.10-14.

3. Федонин, О.Н. Повышение эффективности работы токарно-револьверного станка с ЧПУ 1В340Ф30 путем модернизации и настройки его системы управления / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко // Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. - 2010.-№4.- С.82-89.

4. Федонин, О.Н. Учет погрешностей системы управления в балансе точности токарного станка с ЧПУ / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, А.В. Хандожко, А.В. Агеенко // Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. - 2013.-№3.- С.55-57.

5. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. / под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой [и др.]. - М.: Машиностроение-1, 2001. - Т.1. - 912 с.

6. Сосонкин, В.Л. Микропроцессорные системы ЧПУ станками / В.Л. Сосонкин. - М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.

7. Кузнецов, Ю.Н. Станки с ЧПУ / Ю.Н. Кузнецов. - Киев: Высш. шк., 1991. - 278 с.

Материал поступил в редколлегию 16.05.14.