CC BY
47
© 2015
LATHE CATTING MODERNIZATION
V. V. Korolev, the candidate of technical sciences., associate professor of the chair «Industrial electronics»,
Togliatti state university, Togliatti, (Russia)
R. E. Petrov, electrical engineer,
LLC «Fagor Automeyshn Rus», Moscow, (Russia)
Annotation. The results of the modernization of screw-cutting lathe 16K20F3. Modernization carried out using elements manufactured by Fagor. The calculation and selection of the main electric supply and drive axles as well as the power supply and switching of fiber optic cables. Selected CNC system and software written for it.
Keywords: power supply, modernization of machine tools, optical cable, a programmable logic controller, servo system CNC screw-cutting lathe, electric, motor drive axis, the spindle motor.
УДК 65.011.56:658.51.061.5
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ И ТОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКИ СМЕННЫХ УЗЛОВ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ
© 2015
Д. Г. Левашкин, кандидат технических наук, доцент кафедры «Оборудование и технологии
машиностроительного производства»
Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
Аннотация. Рассмотрены вопросы обеспечения точности обработки деталей с применением автоматически сменных узлов и перекомпонована рабочей позиции перекомпонуемых производственных систем. Показано суммирующее влияние точности базирования автоматически сменных узлов и жесткости их корпуса на точность многосторонней обработки деталей. Для решения вопросов многосторонней обработки деталей предложена модель автоматически сменного узла - носителя деталей, для моделирования вопросов обеспечения точности базирования и жесткости корпуса носителя на рабочей позиции перекомпонуемой производственной системы. Приведена конструкция носителя, выполненного в виде правильной прямоугольной призмы, где на боковых гранях расположены базирующие отверстия, а установку комплекта приспособления и детали выполняют в плоскости каждой грани. При этом обеспечивается пространственная повторяемость положения деталей относительно технологических узлов рабочей позиции и равная жесткость корпуса носителя в направлениях многосторонней обработки деталей. В статье рассмотрена модель системы равнорасположенных базирующих отверстий для моделирования точности базирования носителя. На основе размерного анализа показано влияние взаимного расположения каждого базирующего отверстия носителя на точность обработки детали. Данный аспект является определяющим для реализации многосторонней обработки деталей на носителе. Показано, что на точность многосторонней обработки деталей оказывают влияние силовые смещения корпуса носителя, возникающие вследствие наложения переменных внешних силовых факторов механической обработки. Проведен анализ многообразия направлений силовых воздействий, что позволило определить силовые факторы и говорить об исследовании вариантных схем пространственного нагружения корпуса носителя. Показан переменный характер силового нагружения корпуса носителя, как аспекта, определяющего переменный характер возникающих силовых смещений при многосторонней обработке деталей. Таким образом, совместное рассмотрение представленных аспектов обеспечения жесткости и точности базирования позволит решить задачи обеспечения точности многосторонней обработке деталей на носителях.
Ключевые слова: автоматически сменный модуль, гибкая производственная система, жесткость, многосторонняя обработка деталей, перекомпонуемые производственные системы, спутник автоматической линии, точность.
Для современных станочных систем характерны быстрая сменяемость технологической базы, расширение номенклатуры выпускаемой продукции, сокращение времени на подготовку производ-
ства, а также внедрение энергоэффективных технологий [1-3].
Результатом такой интеграции является переход от стационарных станочных систем с жест-47
кой компоновкой к перекомпонуемым системам, производствам переменной структуры и компоновки (RMS) на основе применения автоматически сменных производственно-технологических модулей (носителей) [4-8].
Основой функционирования RMS является -перекомпонуемость, изменение конфигурации и архитектуры основных и вспомогательных узлов, переменная во времени организация кинематических связей и кинематических структур, процессов управления. Наряду с известными решениями это возможно обеспечить, например, применением в качестве узлов базирования, крепления и транспортировки деталей - автоматически сменные узлы (носители) призматической формы [9, 10].
Эффективность внедрения носителей связана с решением вопросов обеспечения их жесткости и точности. Это связано с многообразием направле-
ний действия сил резания при многосторонней, многоместной механической обработке деталей и необходимостью обеспечения точности базирования деталей на корпусе носителя, с сохранением идентичности пространственного расположения их базовых и обрабатываемых поверхностей. Целью данной работы является анализ и формирование методологических аспектов вопросов обеспечения точности и жесткости автоматически сменных узлов для реконфигурируемых производственных систем.
В результате перекомпонована RMS обеспечивается многовариантность производственных процессов обработки деталей одного или нескольких наименований на одной рабочей позиции. Так, для рабочей позиции RMS (рис. 1) носители 2, 3 с размещением исполнительных узлов являются автоматически сменными [9, 10].
Рисунок 1 - Общий вид рабочей позиции RMS
Для обеспечения многоместной и многосторонней обработки деталей используют носитель 1. Данная компоновка RMS имеет существенные технико-эксплуатационные преимущества по сравнению с традиционными автоматизированными системами. Осуществляется наиболее полная обработка детали на отдельной рабочей позиции. Дифференциация процесса обработки деталей на рабочей позиции по технологическим переходам с чередованием смены инструмента. Существенно растут производительность, сокращаются производственные площади.
При выполнении обработки деталей на носителе RMS призматической формы (рис. 1) для базирования и крепления деталей на плитах-приспособлениях могут быть задействованы все шесть граней корпуса.
Симметричная форма корпуса носителя имеет равножесткую конструкцию с возможностью обеспечения инструментального воздействия со стороны каждой грани и позволяет максимально обеспечить концентрацию процессов обработки (рис. 2, где обозначено Vr - скорость вращения инструмента, Sr - подача инструмента).
48
Vr
)]Й
0
о о
i 3
о О
Ш
Vr
Sr
а)
Vr
T.
Vr
Vr
m
E
iT
3
VM[_
2]W
№ Д]
Vr
Sr
б)
Vr
D{(Vr|Sr Srl_C
T yjs
vML/bw
Vr
3L'b
S
S
r
r
S
r
r
S
r
S
r
в) г)
Рисунок 2 - Схемы выполнения многоместной обработки двух деталей для а) носителя RMS б) спутника АЛ, и многоместной двухсторонней обработки двух деталей для
в) носителя RMS и г) спутника АЛ
В отличие от спутника автоматических линий (АЛ) для базирования носителя применяют попарно два из четырех базирующих отверстий на каждой грани его корпуса. Это означает, что при ориентировании носителя на рабочей позиции допускается вариантность базирования носителя: 1) со стороны нижерасположенной грани; 2) со стороны верхней грани; 3) со стороны боковых граней; 4) по нескольким граням; устанавливая на носителе, как обрабатываемые детали, так и узлы, механизмы, с любой стороной по отношению к обрабатывающим узлам на рабочей позиции, (рис. 1).
Выделим комплект (группу) базирующих отверстий Tn Tn+1, Tn+2, Tm из множества Ti= {Tъ T2,..., Tn, Tn+1, Tn+2, Tm} на плоскости одной грани, (рис. 3). Каждое из отверстий с учетом погрешности обработки имеет ограниченное пределами поле допуска AT на диаметр обрабатываемого отверстия [11]:
Tn ± ATn, Tn+1 ± ATn+1 , Tn+2 ± ATn+2 , Tm ± ATm . (1)
Плоскость каждой грани в виде квадрата ограничена плоскостями взаимоперпендикулярных прилегающих боковых граней носителя и определена размерами B сторон грани множества
Bij = {Bn(n+l), Bn(n+2), B(n+1)m , B(n+2)m } . (2)
При многосторонней обработке с применением носителя, рисунок 3, на точность обработки размеров деталей накладываются погрешности расположения базирующих отверстий Тп Tn+1, Tn+2, Tm на гранях G1 ... G6, относительно которых носитель устанавливают на рабочей позиции RMS.
В этой связи необходимо учесть влияние расположения каждой грани G на расположение базирующих отверстий Tn Tn+1, Tn+2, Tm, так как они определяют точность межцентровых расстояний
Группу отверстий TnT(n+1),T(n+2),Tm определяют размерные связи: Aj - непересекающиеся межцентровые расстояния между отверстиями (i?jj=1,2,3,4,m), Aij" - пересекающиеся межцентровые расстояния. Каждое обработанное отверстие Tij-обладает набором задаваемых параметров Aj , Aij", Lxj, Lyij, Bjj (рис. 2), которые определяют положение каждого отверстия относительно грани носителя G.
На точность расположения отверстий влияют отклонения межцентровых расстоянии Aj , Aij", с учетом поля допуска базирующего отверстия Ti -TAJ. Точность обработки каждого отверстия характеризуется несколькими замыкающими звеньями размерных цепей. Для отверстия Tn это размеры Ln в направлениях ОХ, OY. Для отверстия Tn+1 это размеры An(n+1), L(n+1).
49
Рисунок 3 - Вариантность расчетных цепей изготовления отверстия Тт
Точность обработки каждого отверстия характеризуется несколькими замыкающими звеньями размерных цепей. Для отверстия Тп это размеры Ln в направлениях ОХ, OY. Для отверстия Тп+1 это размеры An(n+1), L(n+I). Для отверстия Тп+2 это размеры An(n+2), L(n+2), A(n+i)(n+2). Точность обработки отверстия Тт определяется точностью звеньев следующих цепей, в направлении ОХ: Bn(n+1), A(n+1)m,
Lm, L(n+1), в направлении 0Y. Bn(n+2), A(n+2)m, Lm, L(n+2).
Следует рассматривать вариантность размерных цепей, образуемых диагональными размерами по
осям 0Х, OY. An(n+2), A(n+2)m, A(nm); An(n+1), A(n+1)m, A(nm)
(рис. 3).
Рассматривая операционные размерные цепи обработки отверстий Tn,T(n+1),T(n+2),Tm последовательно, можно определить в расчетах номинальные значения неизвестных замыкающих звеньев.
Отверстие Tm является замыкающим в расчетах точности. Это позволяет, используя результаты расчетов определить вариант обработки отверстия Tm (цепь 1, рис 4а или цепь 2, рис. 4б), обеспечивающий наибольшую точность его позиционирования относительно соседних отверстий Tn,T(n+1),T(n+2) грани носителя.
При последовательном расчете точности замыкающих звеньев отверстия Tn+1 - An(n+1), L(n+1),
отверстИЯ Тn+2 - An(n+2^ L(n+2) A(n+1)(n+2), отверстия Tm
- A(n+2)m, A(n+1)m, A(nm), Lm, образующих расчетные цепи: 1) Tn, Tn+1 ^ Tm; 2) Tn Tn+2 ^ Tm расчет замыкающих звеньев расчетных цепей осуществляется в последовательности [20]:
1. Определяется номинальное значение замыкающего звена:
n
А(к)р ~ )A , (3)
i=1
где А(к)р - расчетный номинал замыкающего звена Ак, А, - номинал звена А, расчетной цепи, fyi) - передаточное номинала /-го звена расчетной цепи по отношению к номиналу замыкающего звена к, n - число звеньев цепи.
2. Определяют предельные значения замыкающего звена А-k(min)р, Ak(max)p:
Ak(min)p A(k)p Ак ; Ak(max)p A(k)p + Ak (4)
где Ak(min)P - минимальное расчетное значение замыкающего звена Ак, Ak(max)P - максимальное расчетное значение замыкающего звена Ак., Ак - расчетное отклонение замыкающего звена Ак,
n
Ak _ ^I^(i)Ai , (5)
i=1
Ai - отклонение звена Ai расчетной цепи.
3. Определяют верхнее VB и нижнее значение VH запаса (дефицит) по точности относительно расчетных предельных значений замыкающего звена и его допустимых значений:
VH Ak(min)p - Ak(min) ; VB Ak(max)p - Ak(max). (6)
где Ak(min) - минимальное заданное значение замыкающего звена Ак, Ak(max) - максимальное заданное значение замыкающего звена Ак.
50
4. Рассчитывают смещение (коррекцию) расчетного номинального значение замыкающего звена A(k)p при заданном значении звена А(ку.
ек= A(k)p - А(к), (7)
Полученное значение смещения ек позволяет определить точность замыкающего звена расчетной цепи по его абсолютному значению. В случае выполнения неравенства: ек Ф 0 определяется величина коррекции расчетного номинального значения замыкающего звена.
Обеспечение точного взаимного расположения боковых граней носителя при многосторонней обработке деталей также должно учитывать влияние упругих деформаций корпуса носителя при наложении на него внешних усилий резания при многоинструментальном воздействии на детали.
Многообразие сочетаний методов технологического воздействия при многосторонней и многоинструментальной обработке приводит к возникновению переменных по величине упругих деформаций корпуса узла, а следовательно, и к изменению точности изготовления деталей. В каждом случае реализации многосторонней обработки упругие деформации корпуса узла переменны [4].
Одновременная обработка деталей на гранях G носителя соответствует совмещенной во времени подаче (нескольких) шпиндельных узлов в зону
обработки и обработке деталей, закрепленных на различных гранях, (рис. 4).
Результирующие силы резания р™ распределяются относительно грани в направлениях, соответствующих многоинструментальной обработке, образуя общее пространство силового нагружения Q(x,y,z) с количеством n одновременно обрабатываемых деталей на носителе. По отношению к каждой грани
действует своя результирующая сила резания р .
На рисунке 4 месторасположения на боковых гранях деталей 3, закрепленных на плитах-приспособлениях 4, определяется конструкцией носителя, а также пространством расположения и объемом рабочей зоны 5 инструментального воздействия для каждой грани 2. При количестве боковых граней, равном шести, имеем шесть рабочих зон 5. Зона многоинструментального воздействия образует сферу 6 моделирования направлений многосторонней, многоместной обработки деталей на боковых гранях корпуса носителя [9]. Жирными стрелками показаны направления инструментального воздействия при обработке деталей.
Рисунок 4 - Модель носителя с многовариантностью силового нагружения при многосторонней, многоинструментальной и многоместной обработке
51
В данной постановке для RMS говорим о многовариантных схемах много инструментальной, многоместной и многосторонней обработки деталей на нескольких гранях носителя, обращенных к группе инструментов на рабочей позиции. При этом верно равенство:
N
n(x,y,z) = X (xk, Ук, Zk, Pkn, tkn), (8)
к=1
где N - количество возможных схем нагружения, к - соответствующая данному варианту многосторонней обработки схема нагружения носителя. Выражение (4) означает, что любое пространство силового нагружения Q(x,y,z) определяется индивидуальным сочетанием результирующих сил резания Pk, временем их воздействия на корпус носителя tk с координатами (xk, yk, zk) и направлением
их действия. Множество схем многосторонней обработки и нагружений носителя образовано вариантностью параметров (xk, yk, zk, Pkn, tkn).
Действием сил резания р = P j= Pyz грань
корпуса носителя получает упругое смещение на величину £эке и прилегающие к рёбрам элементы смежных ребер поворачиваются на угол, меняющийся по длине ребра. Рассматривая пространственную модель носителя в виде коробки, (рис. 5), обнаруживаем, что крутящий момент Мкр при переходе от пространственной системы к плоской меняет плоскость своего действия и превращается в изгибающий момент Ми, действующий в плоскости каждой смежной пластины.
Рисунок 5 - Расчетная пространственная модель корпуса носителя
Исследования показали, что применение на гранях корпуса носителя плит способствует существенному повышению его жесткости [9], при этом каждая нагруженная грань получает смещение на величину £экв.
В этой связи важным аспектом проектирования схем многосторонней обработки деталей на RMS является необходимость контроля и управления процессом силового нагружения для обеспечения баланса жесткости носителя. Необходимо осу-
ществлять контроль значений упругих деформаций, эквивалентных напряжений и учитывать их влияние на точность обработки деталей, установленных на боковых гранях носителя [9, 12].
В соответствии с этим предложена структурная схема управления параметрами, определяющими характер силового воздействия на носитель при многосторонней обработке деталей, с учетом их точности, (рис. 6).
52
Рисунок 6 - Структурная схема управления процессом силового нагружения и обеспечения точности обработки
Осуществляется управление процессом многосторонней обработки деталей {W}, где выходными являются параметры точности обработки Yi2 и силовых деформаций Yu носителя. При многосторонней обработке деталей под действием сил резания возникают силовые смещения и деформации корпуса носителя Yu и, как следствие, снижение точности обработки до величины Yi2. В результате получаем параметры Yu, Yi2, на множестве которых осуществляется выбор, расчет, корректировка входных параметров X] многосторонней обработки деталей.
Развитие RMS основано на перекомпонуемо-сти рабочей позиции, где в качестве узла базирования и транспортировки деталей применяют автоматически узлы призматической формы (носители). Многосторонняя обработка деталей на носителе характеризуются многовариантностью взаимного расположения инструмента относительно установленной на носителе обрабатываемой детали.
Показано влияние параметров базирования носителя на точность обработки детали. Данный аспект является определяющим для реализации многосторонней обработки деталей на носителе.
Показано влияние силовых смещений корпуса носителя на точность многосторонней обработки деталей, как следствие наложения переменных внешних силовых факторов механической обработки. Это позволило определить силовые факторы и говорить об исследовании вариантных схем пространственного нагружения корпуса носителя.
Показан переменный характер силового нагружения корпуса носителя как аспекта, определяющего переменных характер возникающих силовых смещений при многосторонней обработке деталей. Таким образом, совместное рассмотрение представленных аспектов обеспечения жесткости и точности базирования носителей позволит решить
задачи обеспечения точности многосторонней обработки деталей в RMS.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малышев В. И., Левашкин Д. Г., Селиванов А. С. Автоматизация гибридных и комбинированных технологий на основе модернизации станочного оборудования и выбора кинематических связей. // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2010. № 3. С. 70-74.
2. Платов С. И., Дема Р. Р., Зотов А. В. Модель формирования толщины плакированного слоя на деталях пар трения технологического оборудования. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2013. № 1 (41). С. 69-72.
3. Огин П. А. Структура и свойства зон перекрытия при лазерной закалке сталей и чугунов. // Вектор науки ТГУ. 2015. № 2 (32-2). С. 130-135.
4. Царев А. М., Самарцев И. А. Способ мно-
гоярусного компонования и перекомпонования рабочей позиции автоматической линии и пере-компонуемая рабочая позиция автоматической линии для реализации способа: Патент РФ
№ 2487004. // Бюллетень изобретений. 2013. № 19. С.18-35.
5. Mehrabi M. G., Ulsoy A. G., Koren Y. Reconfigurable manufacturing systems and their enabling technologies. International journal of manufacturing technology & management. Proquest ABI/INFORM, 2000, vol.1, pp.113.
6. Mustapha N., Daoud A-K., Wassy I. S. Availability modeling and optimization of reconfigurable manufacturing systems. Journal of quality in maintenance engineering . Emerald Group Publishing Limited, 2003, vol. 9, no. 3. pp. 284-302.
7. Mehrabi M. G., Ulsoy A. G., Koren Y. Reconfigurable manufacturing systems: key to future manufacturing. Journal of intelligent manufacturing. Sprin-
53
ger Science+Business Media B.V., Formerly Kluwer. Academic Publishers B. V., 2000. vol. 11. no. 11. pp.403-419.
8. Perez, R., Davila O., Molina A., Ramirez-Cadena M. Reconfigurable micro-machine tool design for desktop machining micro-factories. 7th IFAC conference on manufacturing modelling, management, and control, MIM 2013. 2013. pp. 1417-1422.
9. Царев А. М., Левашкин Д. Г. Перекомпо-нуемые производственные системы реконфигурируемого производства. Обеспечение жесткости автоматически сменных узлов призматической формы. М. : Компания Спутник+, 2007. 304 с.
10. Царев А. М., Левашкин Д. Г. Многоместное приспособление-спутник: Патент (РФ)
№ 2258593. // «Бюллетень изобретений». 2005. № 23. С. 23-25.
11. Матвеев В. В. Размерный анализ технологических процессов. М. : Машиностроение, 1982. 264 с.
12. Левашкин Д. Г. Методологические аспекты обеспечения точности и жесткости реконфигурируемых производственных систем с применением автоматически сменных узлов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. № 4 (30). 2014. С. 30-36.
PROCURING OF RIGIDITY AND PRECISION AUTOMATIC REPLACEMENT PARTS IN RECONFIGURABLE MANUFACTURING SYSTEMS
© 2015
D. G. Levashkin, сandidate of the technical sciences, docent of «Equipment and technology of engineering production»
Togliatti state university, Togliatti (Russia)
Annotation. The article covers the issues of assurance of accuracy and stability of parts processing using the auto-replaceable assemblies and the repackaging of active position of reconfigurable manufacturing systems. The summing influence of auto-replaceable assemblies locating accuracy and their body stability on the accuracy of multisided processing of parts is demonstrated. To solve the issues of multisided processing of parts the author suggested the model of auto-replaceable assembly - carrier of parts for simulation of the issues of locating accuracy and carrier body stability assurance in active position of configurable manufacturing system. The author gives the design of a carrier made in the form of right prism on the lateral faces of which the basing holes are located, and the installation of the tool set and a part is carried out on each face. This construction assures the dimensional repetitive accuracy of the parts location relative to production assemblies of the active position and the equal carrier body stability in directions of multisided processing of the parts. The article describes the model of the system of equally spaced basing holes for simulation of carrier location accuracy. The effect of relative position of each carrier basing hole on the accuracy of the part processing is shown on the base of dimensional analysis. This aspect is determinant for carrying out multisided processing of the parts on the carrier. It was proved that the accuracy of multisided processing of the parts depends on the forced displacements of the carrier body arising due to overlap of variables of external force factors of machine processing. The author carried out the analysis of variety of force actions directions that allowed to determine the force factors and to speak about the study of optional designs of dimensional loading of the carrier body. The author considered the variable type of force loading of the carrier body as the aspect specifying the variable type of arising forced displacements during multisided processing of the parts. Thus, joint considering of proposed aspects of stability and locating accuracy assurance will allow to solve the problem of assurance of accuracy of multisided processing of parts on the carriers.
Keywords: Reconfigurable manufacturing systems, automatic replacement parts, carrier of automation line, flexible manufacturing system, multilateral machining of details, accuracy, rigidity.
54
