CC BY
30
УДК 621.9.066-52
АНАЛИЗ РАЗМЕРНЫХ СВЯЗЕЙ В СТАНКАХ С УСТРОЙСТВОМ ЧПУ
А.Ф. Проскуряков
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Мак/ллада станокты куйлеу процестде тагайындалатын влшемдер желт сипатталып, ЕББ (ЧПУ) ъурылгысы бар станоктарды пайдалану дыц тшмдШгш арттыру мацсатында олардыц талдауы жасалган,
В статье рассмотрены размерные цепи, настраиваемые в процессе наладки станка, и выполнен их анализ с целью повышения эффективности эксплуатации станков с устройством ЧПУ.
In the article there have been considered the chains which are adjusted in the process of machine-tools impair and their analysis has been carried out with the aim of rising of the effectiveness of exploitation of machine-tools with the DPM (digital program management) apparatus.
Появление и последующее интенсивное развитие числового программного управления (ЧПУ) оборудованием и, в частности металлорежущими станками, привело не только к истинно революционным изменениям как отдельных узлов, механизмов, так и в целом станка, но и к развитию отдельных установившихся методов проектирования, наладки станков. Здесь необходимо отметить новые подходы к определению рабочей зоны станка и настройки размерных связей в станках, в основу которых положено понятие координатной системы. В настоящее время в станковедении прочно укрепились такие понятия, как система координат станка
(СКС), система координат инструмента (СКИ), система координат детали (СКД), ноль станка, ноль рабочего органа, исходное положение рабочего органа, плавающий ноль [ 1 ]. Между указанными системами координат, характерными положениями этих систем и рабочих органов станка объективно действуют размерные связи, которые настраиваются в процессе наладки станка и реализуются в процессе его работы, обеспечивая тем самым заданное качество (точность) производимой продукции. Однако в современной научной и технической литературе теоретическому и практическому анализу размерных связей в станках с устройством ЧПУ до сих
пор не уделено должного внимания. Результатом этого является тот факт, что специалисты, занимающиеся непосредственно эксплуатацией станков с ЧПУ, руководствуются лишь теми инструкциями, которые предписаны соответствующей технической документацией на станок. Ярким примером тому является выполнение процесса наладки станка, когда наладчик нажимает предписанные инструкцией клавиши не задумываясь над физическими процессами, следующими за отработкой вводимых им таким образом директив в устройство ЧПУ [2]. Не проникая глубоко в анализ размерных связей, а порой и не зная их, нельзя обеспечить и требуемый уровень качества наладки, сокращение трудоемкости наладки, а в конечном итоге и повышение эффективности эксплуатации станков.
На рис. 1 представлена теоретическая модель размерных связей в токарном станке с устройством ЧПУ. Теоретическая модель отражает общепринятые положения и включает в себя:
- систему координат станка XOcZ, которая является главной расчетной системой и которую по рекомендациям ISO увязывают с базовыми поверхностями рабочего органа станка, несущего заготовку (в данном случае с базовыми поверхностями шпинделя);
- систему координат инструмента XOhZ, в которой определяются размеры режущих инструментов совместно с элементами инструментальной оснастки и которую также увязывают с базовыми поверхностя-
ми рабочего органа, несущего инструмент (на данном станке с базовыми поверхностями шпинделя револьверной головки);
- систему координат детали Х0 2, в которой определяются все размеры детали относительно ее базовых поверхностей;
- "ноль станка", под которым понимают характерную точку, соответствующую началу системы координат станка;
- "ноль рабочего органа", который в физическом смысле соответствует одному из возможных фикси-рованных положений рабочего органа, в данном случае суппорта, и это положение непосредственно привязывается к измерительной системе станка (на рис. 1 это правое и переднее крайнее положения суппорта);
- "плавающий ноль" Znя., под которым понимают возможность переноса системы отсчета координат в какую-либо учебную точку, т.е. фактически перенос начала СКС.
Между указанными системами координат и характерными точками существуют две замкнутые технологические размерные цепи соответственно по оси X
Р1 - Хи - Хис - Хи -Хт
и по оси Ъ
Р4 - ги - 2ис - Ъ\\ -Ъх- ¿пл.,
где параметры Р1, Р4 - определяют нулевое положение рабочего органа в СКС;
Хис, Zиc - определяют исходное нию вершины режущего инструмен-
положение рабочего органа; та;
Хи, Ты - характеризуют размеры 2пл. - характеризует одно из мно-
режущего инструмента в СКИ; жества возможных смещений изме-
Хт, Ъх - определяют текущее поло- рительной системы станка или, что
жение рабочего органа по положе- тоже самое, СКС.
¿г
й
*т
У.,
13
й
-X
Рис. 1. Теоретическая модель различных связей в токарном станке с ЧПУ
Из рис. 1 следует, что параметры Хи и ¿и в представленных размерных цепях являются лишними и могут быть исключены. Однако при последующем переходе к фактически реализуемым цепям в процессе настройки станка они приобретут вполне определенное свое смысловое и физическое значение. В отличие от представленной теоретической модели размерных связей фактическая статическая модель этих же связей претерпевает значительные изменения. Причиной этого является тот факт, что нулевое
положение рабочего органа станка, определяемое датчиками положения, конечными выключателями, на заводе-изготовителе не подвергается точной настройке, т.е. аттестации в соответствии с рис. 1. По этой причине параметр Р1, характеризующий в физическом смысле наибольший диаметр обработки, и параметр Р4, который при левом крайнем положении суппорта и условии совпадения вершины резца с "нулем станка" равен нулю, определяет в конечном итоге не положение вершины какого-то резца-эталона в СКС, а
положение некоторой точки О'и. При этом положение этой точки для группы станков одного типоразмера будет различным и описываться некоторой областью Р из-за присутствия элемента случайности в принятой методике настройки нулевого положения рабочего органа на заводе - изготовителе (рис. 2). Зна-
чение параметра Р4 = 0, которое вводится в память устройства ЧПУ, на этапе настройки размерных связей определит смещение положения СКС относительно базовых поверхностей шпинделя, а параметр Р1 определит положение точки О'и на оси X, не совпадающей с вершиной резца - эталона.
/ /и гкхС^Р -1 —7 \..... (
I I......(
1 X :
Е
о'
X !
Рис. 2. Влияние нулевого положения рабочего органа на формирование различных связей
Появление в размерных связях некоторой материализованной точки О'и с помощью параметров Р1 и Р4, а также принятого метода настройки нулевого положения рабочего органа и приводит к тому, что вылеты инструментов приобретают свое вполне определенное смысловое значение с учетом возможных их типоразмеров, используемых в наладке станка (рис. 2). Необходимо также отметить, что для более сложных станков, например много-
целевых, на которых используется внестаночная настройка инструментальных блоков, вылеты инструментов определяются непосредственно в СКИ относительно ее начала, т.е. точки О'и.
С учетом вышеизложенного фактические размерные связи в рассматриваемом токарном станке примут вид согласно рис. 3.
По оси X:
Р1 -Хис-Хи-Хт
и по оси Z
Р4 - гис -Ъл,- Хт - Zпл.
Последующий анализ рассматриваемых размерных связей следует вести в технико-экономическом аспекте, т.е. необходимо, с одной стороны, определить источники погрешностей и как точно должна быть выполнена настройка раз-
мерных связей с целью обеспечения заданной точности обработки изделия. С другой стороны, необходимо установить, каким способом при обеспечении заданной точности настройки можно достичь повышения эффективности дорогостоящего оборудования с устройством ЧПУ за счет сокращения непроизводительно затрачиваемого времени на выполнение наладочных работ.
Рис. 3. Фактически настраиваемые различные связи в токарном станке с ЧБУ
С точки зрения технической в представленных размерных цепях замыкающими звеньями являются текущие значения координат Хт, 2г, т.к. именно эти звенья в конечном итоге определяют точность размеров детали (здесь и далее вопросы точности рассматриваются в статике, без учета динамических процессов). Точность определения этих
звеньев при настройке размерных связей зависит лишь от точности оценки вылетов режущих инструментов Хи, Ъх\ и значения плавающего нуля Zтш. Остальные звенья размерных цепей, значения которых регламентируются технической (Р1, Р4) и технологической (¿ис, Хис) документацией, следует считать абсолютно точными.
Процесс настройки размерных связей обычно включает в себя ряд последовательно выполняемых процедур.
1. Ввод в память устройства ЧПУ, контроль и редактирование станочных параметров Рь Эта процедура выполняется при первоначальной наладке станка и в последующем, если по каким-либо причинам массив параметров в памяти устройства ЧПУ нарушен. В результате выполнения процедуры начинается формирование размерных цепей, т.е. устанавливается значение параметров Р1 и Р4.
2. Настройка измерительной системы станка, или, как иначе ее называют, привязка измерительной системы к СКС. Эта процедура выполняется путем вывода рабочего органа станка в нулевое положение, а в результате параметры Р1 и Р4 устанавливают связь СКС с рабочим органом станка.
3. Выбор и ввод в память устройства ЧПУ значений исходного положения рабочего органа. Это положение выбирает либо сам наладчик, либо он руководствуется технологическим документом - эскизом наладки. По этой процедуре рабочий орган или выводится в исходное положение, и после этого установленные параметры вводятся в память, или, если последние известны из эскиза наладки, то вводятся сразу в память устройства ЧПУ.
4. Настройка размерных связей между СКС и СКИ и между СКС и СКД. Эти процедуры часто именуют как привязку СКИ и СКД к СКС. В физическом смысле они сво-
дятся к определению и вводу в память устройства ЧПУ вылетов инструментов и значения плавающего нуля. Наиболее часто эта процедура выполняется методом пробных проходов, что соответствует решению размерных цепей методом регулировки. В качестве регулируемых звеньев в данном случае используются вылеты инструментов Хи, ¿и, а сам процесс регулировки осуществляется изменением непосредственно их значений или вводом коррекций на эти значения в память устройства ЧПУ.
С точки зрения временных затрат данный метод является наименее эффективным. Временные затраты возрастают при увеличении количества инструментов, одновременно используемых в наладке станка, эти процедуры повторяются в полном объеме при переналадке станка на обработку другой детали, при каждой замене затупившегося инструмента на новый. Все это приводит к снижению эффективности эксплуатации станков с устройством ЧПУ.
В тоже время потери рабочего времени на наладку и переналадку станка могут быть значительно сокращены при простом изменении метода решения размерных цепей, не прибегая к дополнительным экономическим затратам. Один из таких методов может быть построен по следующему принципу. Для некоторого инструмента - эталона, в качестве которого может быть принят один из наиболее часто применяемых типоразмеров, производится аттестация его вылетов при на-
ладке станка. При известных габаритах этого инструмента в результате аттестации размеров Хи и Ъ\\ определяется положение точки Ои. Для всех остальных инструментов их вылеты могут быть определены через известные размеры инструментальной оснастки и габаритные размеры этих инструментов на этапе подготовки производства, т.е. на этапе разработки соответствующей технологической документации [рис. 2]. В этом случае отпадает необходимость в выполнении пробных проходов для определения вылетов каждого инструмента, а остается лишь ввести их в память устройства ЧПУ согласно эскизу наладки и карты кодирования инструмента. Если же дополнительно обеспечить стабильность типоразмеров используемых инструментов в наладке станка, то можно перейти в конечном итоге от решения размерной цепи методом регулировки к методу полной взаимозаменяемости. А это практически будет соответствовать тому, что при переналадке станка на обработку другой детали с учетом изменения габаритов заготовки по отношению к предыдущей в память устройства ЧПУ необходимо будет внести соответствующие изменения размеров Хис, ¿ис, Zпл. и вылеты новых инструментов при необходимости (ввод новой управляющей программы на размерные
связи не влияет). Процесс ввода этих параметров соответствует затратам в 1 -2 минуты.
В целом опыт эксплуатации подобного оборудования показывает, что переход от метода регулировки к методу полной взаимозаменяемости при настройке размерных цепей сокращает время настройки более, чем в 10 раз.
Метод построения и настройки размерных связей практически не претерпевает больших изменений для любых станков с устройством ЧПУ, как одно - так и многоцелевых. Незначительно меняется лишь структура размерных цепей в зависимости от особенностей конструкции станка и программного обеспечения устройства ЧПУ.
Выполненный анализ размерных связей охватывает станки с устройством ЧПУ, на которых не используется внестаночная настройка на размер инструментальных блоков. Однако, как это следует из анализа, и в этом случае существуют пути использования более эффективных методов настройки размерных связей в сравнении с методом регулировки (методом пробных проходов), что значительно снижает непроизводительно затрачиваемое время на наладку, переналадку станков, а в конечном итоге повышает эффективность эксплуатации подобного оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гжиров Р.И., Серебрениц- 2. Сосонкин В.Л. Программ-
ой П.П. Программирование обра- Ное управление технологическим ботки на станках с ЧПУ. - Ленинг- оборудованием. - М., Машиностро-рад. Машиностроение, 1990. - 588 с. ение, 1991.- 509 с.
