CC BY
233
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
3. Кольцов, А. Г. Способы и условия обеспечения точности технологического оборудования / А. Г. Кольцов, В. Б. Сухи-нин // СТИН. - 2011. № 10. - С. 18-19.
4. Базаров, Б. М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков / Б. М. Базаров. — М. : Машиностроение, 1978. — 216 с.
5. Гаврилов, В. А. Исследование точности обработки на многоцелевых станках: моногр. / В. А. Гаврилов, А. Г. Кольцов. -Омск : ОмГТУ, 2003. - 87 с. Деп. в ВИНИТИ 09.09.2003, № 1657-В2003.
КОЛЬЦОВ Александр Германович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 17.01.2014 г.
© А. Г. Кольцов
УДК 621.9-05+621.7-187
А. Г. КОЛЬЦОВ В. С. САМОЙЛОВ
Омский государственный технический университет
МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ СТАНКОВ С ЧПУ
В статье описана природа возникновения погрешностей металлорежущих станков. Рассмотрены показатели точности станков, определенные способы увеличения точности металлорежущих станков. Описаны методы компенсации погрешностей, применяемое диагностическое оборудование. Обозначены предпосылки создания математической модели станка для эффективной компенсации тепловых погрешностей. Ключевые слова: погрешности, компенсация, тепловые и упругие деформации, диагностика.
Современное производство предъявляет все более жесткие требования к точности изготовления деталей. В связи с этим точностным характеристикам станков уделяется особое внимание, т.к. точность изготовления деталей в большей степени зависит от точности станка. Современные станки с каждым годом все более увеличивают производительность с одновременным повышением точности механической обработки. Чтобы достигнуть и выдержать точность в диапазоне равным нескольким микрометрам, требуется контролировать погрешности металлорежущих станков и производить их компенсации. Наибольший вклад в общую погрешность металлорежущих станков вносят геометрические, кинематические и тепловые погрешности. Ошибки, связанные с этими погрешностями, могут быть значительно уменьшены, но не могут быть полностью устранены. Увеличение точности станков достигается введением специальных конструкторских решений, повышением точности сборки станка, а также применением методов компенсации погрешностей.
На практике даже лучшие конструкторские решения не позволяют достигнуть требуемой точности. Это вызвано постоянно возникающими внешними и внутренними возмущениями, действующими на металлорежущий станок, которые ограничивают возможность достижения высокой точности механической обработки. Из-за этого факта различные методы компенсации ориентированы на отдельные виды погрешностей. Выбор метода зависит от требуемой скорости коррекции погрешностей, а также от их сложности.
Согласно ГОСТ 8-82 [1], точность металлорежущих станков определяется тремя группами показателей:
— показатели, характеризующие точность обработки образцов изделий;
— показатели, характеризующие геометрическую точность станков;
— дополнительные показатели, а именно способность сохранения взаимного расположения рабочих органов станка при условии приложения нагрузки, воздействия тепла, колебаний станка.
Точность металлорежущего оборудования может быть увеличена как во время его проектирования, так и во время его эксплуатации. В обеих областях возможно применить различные типы решений (табл. 1).
Согласно табл. 1, есть определенные способы увеличения точности металлорежущих станков. Все эти способы могут быть причислены к одной из двух показанных групп. Первая из них — конструкторские решения при проектировании металлорежущих станков по снижению погрешностей. Здесь главная проблема — стоимость таких решений, которая значительно увеличивается с увеличением точности станка. Вторая — это компенсация погрешностей металлорежущих станков. Поэтому все чаще точность механической обработки увеличивается посредством способов из второй группы, особенно методами компенсации погрешностей обработки.
Внедрение методов компенсации погрешностей обработки включает три этапа:
1. Идентификация погрешностей.
Анализ конструкции, структуры станка, определение типов погрешностей, определение оптимальных положений датчиков, измерение параметров, влияющих на величину погрешности в различных режимах эксплуатации. Данные действия можно производить с помощью диагностических комплексов, подробно описанных в [2].
Области возможного повышения точности станков
Область разработки Область эксплуатации
Повышение точности составляющих компонентов Улучшение качества сборки Минимизация источников тепла Активная коррекция погрешностей Избегать изменения частоты вращения в широком диапазоне Снижение изменений температуры окружающей среды и теплового взаимодействия при резании Приложения, использующие методы коррекции погрешностей
2. Моделирование и предсказание погрешностей.
Разработка моделей отдельных погрешностей,
включение единичных моделей в сложную модель погрешностей станка, разработка карты погрешностей, прогноз погрешности в определённых условиях эксплуатации. На данном этапе построение математической модели оценки точности металлорежущего станка основано на использовании элементов метода координатных систем [3] с учетом специфики решаемой задачи. Применяемый метод основан на декомпозиции металлорежущего оборудования на отдельные узлы [4].
3. Компенсация.
Установка системы компенсации погрешностей, внедрение алгоритмов компенсации или карты погрешностей в систему управления станка на основе значений измеренных экспериментальным путем п. 1 [5] или рассчитанных при помощи разработанных математических моделей п. 2.
У каждого металлорежущего оборудования есть определенная точность, заложенная в его конструкцию, однако невозможно устранить все ошибки, связанные со сборкой и условиями эксплуатации. Производство станка высокой точности — достаточно сложная и дорогостоящая работа. Наименее затратно применить компенсацию погрешностей уже изготовленного станка после идентификации погрешностей. Эффективная компенсация позволяет производить обработку с высокой точностью даже на станке средней точности, но у которого правильно были идентифицированы погрешности, рассчитана и введена компенсация.
Но для обеспечения эффективности компенсации точность определения погрешности должна быть очень высокой. Нужно учесть, что компенсация погрешностей помогает лишь немного увеличить точность, одновременно требуя времени на внедрение, для выполнения исследований и тестов. Это всегда вызывает дополнительные затраты. Оборудование для проведения тестов и исследований имеет значительную стоимость, например, лазерный интерферометр ХЬ-80 фирмы ЯЕМБНАШ стоит более 3 млн рублей, но с помощью данного диагностического комплекса можно создавать таблицы компенсации после проведенных тестов.
В случае точных и особоточных станков компенсация — обязательный и лучший инструмент для улучшения качества обработки. Теперь на многих заводах по производству станков во всем мире большое внимание уделяется исследованиям методов компенсации погрешностей.
Сущность компенсации погрешностей станка находится в их измерении, если диагностируется станок или предсказании в режиме реального времени по математической модели, и основанной на этом коррекции в системе управления или траектории
инструмента. По методу определения погрешностей различаются следующие виды компенсаций:
— прямые методы, основанные на измерениях датчиками, измеряющими погрешности;
— косвенные методы, основанные на измерениях датчиками, использующими математические модели, которые используют информацию от этих датчиков, установленных в определённых точках станка;
— гибридные методы, предсказывающие погрешности на основании математических моделей, которые используют информацию, взятую в определённых точках конструкции станка. А также учитывают данные станка, такие как частота вращения шпинделя, подача, и т. д.
Одним из факторов, влияющих на точность станков, являются тепловые деформации. Очень важной для предсказания тепловой погрешности в станке является разработка точной математической модели. Она учитывает как внутренние источники тепла, так и образующиеся в процессе резания, а также нагрев окружающей среды во время работы станка. Она должна учитывать тепловые деформации в момент нагрева станка до рабочей температуры, то есть до температуры стабилизации. Температурной стабилизации можно достичь прогревом станка при движении его рабочих органов по специально разработанной программе.
Интегрированная модель может быть использована для:
— точного предсказания тепловых режимов станка при различных внутренних и внешних условиях;
— определения температурных ошибок во всём рабочем пространстве станка при различных условиях эксплуатации и состояниях окружающей среды;
— определение положения датчиков температуры, а также их минимальное количество;
— проверки точности компенсации смещения в любых условиях эксплуатации.
Такая модель очень эффективна при компенсации температурных погрешностей. Она требует интеграции со сложной автоматизированной системой, которая будет симулировать точную модель конкретного станка.
Выводы.
Главной целью методов компенсации погрешностей является разработка очень точной математической модели предсказания погрешностей, что является очень сложной задачей. Методы, разработанные и применяемые в станках, пока не достигли удовлетворительного уровня точности, хотя в некоторых случаях удаётся значительно увеличить точность.
В настоящее время проводится множество исследований, которые посвящены совершенствованию методов компенсации. Они сконцентрированы, главным образом, на следующих аспектах:
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
—разработка сложной модели прогноза погрешностей, включая тепловые и геометрические, а также погрешности, вызванные силами резания;
—сокращение количества необходимых датчиков и поиск оптимального места их установки;
—улучшение надежности систем коррекции погрешностей в переменных условиях окружающей
среды.
Библиографический список
1. ГОСТ 8-82. Станки металлорежущие. Общие требования
к испытаниям на точность. — Введ. 1983 — 01—07. — М. : Изд-во стандартов, 1983. — 14 с.
2. Кольцов, А. Г. Диагностика технического состояния металлорежущего оборудования / А. Г. Кольцов // Омский научный вестник. — 2011. — № 3 (100). — С. 79 — 83.
3. Базров, Б. М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков / Б. М. Базаров. — М. : Машиностроение, 1978. — 216 с.
4. Кольцов, А. Г. Методика построения математической модели оценки точности технологического оборудования на базе многооперационного станка / А. Г. Кольцов // Вестник УГАТУ : науч. журн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. — 2013. — Т. 17, № 8 (61). - С. 97-107.
5. Кольцов, А. Г. Проверка пятикоординатного фрезерного обрабатывающего центра на точность / А. Г. Кольцов, А. В. То-поров, А. А. Петухов // Вестник УГАТУ: науч. журн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. — 2012. — Т. 16, № 4 (49). — С. 137-142.
КОЛЬЦОВ Александр Германович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты».
Адрес для переписки: [email protected] САМОЙЛОВ Владимир Сергеевич, студент гр. МС-410 машиностроительного института.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 17.01.2014 г.
© А. Г. Кольцов, В. С. Самойлов
УДК 621.868 Ю. А. КРАУС
М. О. МЫЗНИКОВ П. О. КРОПОТИН
Омский государственный технический университет
ОАО «Транссибнефть», г. Омск
СОКРАЩЕНИЕ
ОБЪЕМОВ ОТКАЧИВАЕМОЙ НЕФТИ И ВРЕМЕНИ ОСВОБОЖДЕНИЯ НЕФТЕПРОВОДА ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ПОРЯДКА ОТКРЫТИЯ ВАНТУЗОВ____________________________
Рассмотрена технология освобождения магистрального нефтепровода перед производством ремонтных работ, позволяющая сократить объем откачиваемой нефти, а соответственно, и время выполнения работ. Положительный эффект достигается за счет изменения порядка открытия вантузов. В работе приводятся формулы для оценки объема освобождения.
Ключевые слова: технология освобождения нефтепровода, сокращение объемов освобождения.
Перед проведением ремонтных работ на магистральных нефтепроводах (МН), требующих разгерметизации трубопровода, необходимо освободить внутреннюю полость ремонтируемого участка от нефти. При этом участок МН, подлежащий ремонту, отключается путем закрытия линейной запорной арматуры, после чего производится (при необходимости) подключение передвижных насосных установок (ПНУ) и открытие запорных задвижек в месте откачки; кроме того, на участке откачки должны быть предусмотрены вантузы и технологические отверстия, обеспечивающие приток воздуха [ 1].
На практике зачастую не уделяется должное внимание порядку открытия вантузов (сверлению
отверстий), в результате чего разгерметизацию внутренней полости трубопровода производят последовательно, начиная с вершины, соответствующей началу освобождаемого участка и далее вниз по потоку.
В процессе откачки, когда зеркало нефти сравнивается по высоте с локальной вершиной профиля (рис. 1), столб нефти разрывается и в трубопроводе образуются полости, заполненные парами, давление в которых будет равно давлению насыщенных паров нефти. Уместно провести аналогию с опытом Эванджелисты Торричелли [2], согласно которому давление в полости будет меньше атмосферного, что соответствует современным представлениям о магист-
