CC BY
38Оптимизация несущий системы металлорежущего станка
о сч о сч
о ш m
X
<
m О X X
Ягопольский Александр Геннадиевич,
старший преподаватель кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана, nukmt@bmstu.ru
Тутукин Дмитрий Геннадьевич,
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана, thecoolday@yandex.ru
Андрюхин Николай Дмитриевич,
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана, nikolay2198@mail.ru
Современные производители станков разрабатывают и производят оборудование в соответствии с критерием максимальной жесткости и производительности для обеспечения обработки максимальной номенклатуры материала на высоких форсированных режимах резания. В результате чего, в большинстве машиностроительных задач несущая система станка является излишне жесткой, вследствие производства чрезмерно массивных станин и корпусных элементов станка. Данные элементы конструкции обладают высокими массогабаритными характеристиками, что приводит к повышению инерциальных нагрузок на приводные механизмы подач; при серийном и массовом производстве тяжелые элементы системы существенно увеличивают энергопотребление металлообрабатывающего комплекса, понижая при этом производительность труда. Современные методы оптимизации конструкции, совместно с методами конечных элементов позволяют решить проблему энергоэффективности и производительности посредством модификации несущих систем по критерию минимальной жесткости в соответствии с граничными условиями сил резания при обработки выбранной номенклатуры изделий. Ключевые слова: Параметрическая оптимизация, оптимизация несущих систем многоцелевых станков, современные методы проектирования станков, цифровизация, CAE системы.
Проблемы проектирование многоцелевых станков
Современные производители металлообрабатывающих станков в процессе проектирования закладывают повышенные требования на точностные и жесткостные характеристики разрабатываемого оборудования. Таким образом, обеспечивая полный диапазон требуемого качества обработки на всём рабочем поле станка, при любом обрабатываемом материале. Однако важно понимать, что особенно производительные задачи, требующие повышенных характеристик жесткости, могу создавать излишнюю нагрузку и вызывать повышенные деформации системы станка, как например при зу-бофрезеровании червячными фрезами. Исходя из чего могут возникнуть деформации в упругой системе, которые необратимо приведут к понижению номинальной точности обработки. Особенно, данная проблема может влиять при обработке на граничных, максимальных режимах резания, максимальных обрабатываемых диаметрах и длинах [1].
В качестве примера, рассмотрим процесс обработки вала-шестерни на токарно-фрезерном многоцелевом станке. В соответствии с технологически процессом, большая часть операций ведется токарным и фрезерным инструментом, закрепленным на револьверной головке. Обработка ведется на стандартных не форсированных режимах резания со средними режимами резания. Станина станка представляет цельнолитую конструкцию с сложным профилем из специального конструкционного сплава, которая однозначно обеспечивает необходимые требования жесткости при обработке с высокой точностью на размерном диапазоне детали (с максимальным диаметром обработка d~140 мм). Вследствие чего нет необходимости дополнительного анализа цепи инструмент - револьверная головка - привод - станина станка.
На станке отсутствует возможность обработки участка вала с эвольвентным профилем с использованием стандартного приводного инструмента револьверной головки, из-за недостаточной мощностью привода и невозможности закрепления червячной фрезы. Для выполнения данной операции технологического процесса на станке устанавливается вспомогательный узел -фрезерная колона, с помощью которой можно производить дополнительные фрезерные, токарные, шлифовальные и другие специальные методы обработки. Исходная конструкция узла представлена на рис. 1.
Конструкция узла состоит из следующих узлов:
На основание 2, посредством направляющих оси X 3 устанавливается несущая система (колона) 4, на которую помещена корпусная деталь 6 с фрезерной головкой 7. Фрезерная головка может перемещаться по оси Y с помощью вертикальных рельсовых направляющих 5. Для перемещения всего узла в рабочей зоне станка по оси W используются рельсовые направляющие 1. Основание 2 представляет собой сложную многомерную конструкцию с большим числом рёбер жесткости для обеспечения устойчивого и жесткого положения на направ-
ляющих продольного перемещения, структура конструкции аналогична основной станине станка. В корпусной детали 6 расположены все механические и электронные элементы для обеспечения передачи момента и поворота шпиндельной головки 7.
Рисунок 1. Фрезерная колона станка.
Конструкция колоны представляет собой коробчатую структуру с небольшой толщиной стенок до 50 мм, без дополнительных внутренних ребер жесткости. На лицевой и нижней части колоны выполнены дополнительные коробчатые элементы для закрепления и удержания линейных направляющих перпендикулярных осей. Для качественного сравнения на рис. 2 представлены сечения вертикальных станин специализированных зубофрезер-ных станков [2]:
Ц . 1 1
1
ФИ; ■ ■• )
*« >
лг
Рисунок 2. Станины зубофрезерных станков.
Из рисунка 2 видно, что конструкция специализированных станков представляет собой сложную пространственную систему с множеством поперечных и продольных рёбер жесткости для предотвращения излишней допустимой деформации при фрезерных операциях нарезания зубчатого профиля. Можно сделать вывод, что простая, тонкостенная оболочковая структура конструкции без поперечных и горизонтальных рёбер жесткости не даёт однозначного понимания о соответствии обеспечения требуемой жесткости при повышенных силах резания, воздействующих на систему при операции зу-бофрезерования. Поэтому при проектировании колоны для токарно-фрезерного станка необходимо:
1) Провести дополнительное исследование исходной несущей системы для соответствия обеспечения
точностных параметров детали при фрезеровании профиля зубьев с помощью узла фрезерной колоны.
2) В случае излишних прочностных и массогабарит-ных факторов оптимизировать конструкцию.
Рассмотрим основные методы проверки и выявления проблемы для решения данной задачи. Определим наиболее подходящий, для комплексной оценки воздействия входных параметров на изменение геометрии станка.
Методы решения проблемы
Каждый конструктор на этапе проектирования разрабатываемого изделия закладывает излишние требования к прочностным характеристикам конструкции, стараясь максимально упростить геометрию и одновременно уменьшить стоимость технологической составляющей изготовления. Для чего создаются излишне массивные корпусные детали. Что напрямую влияет на массогаба-ритные значения итогового изделия.
Для станочного оборудования данный фактор критически влияет на финальную стоимость проектирования и напрямую на финансовые затраты при покупке и использования станка. Так, увеличение массы исполнительного органа станка, подвижных корпусных деталей влечёт за собой следующие негативные последствия:
1) Увеличение массы подвижного узла влечет установку более мощных приводов, способных обеспечить их передвижение, а как следствие суммарное энергопотребление.
2) Возрастает нагрузка на направляющие качения, приводные винты, из-за чего возникает потребность установке более грузоподъемных элементов.
3) Возрастает суммарная нагрузка на основание станка.
Поэтому одной из важнейших задач инженера-конструктора является разработка геометрии, обеспечивающей максимальные прочностные качества при минимальной массе узла. Для чего применяются специальные способы оптимизации, тестирования и проверки конструкции [3]. Рассмотрим основные методы проверки и выберем наиболее подходящий для выявления и решения заданной проблемы, а именно: топологическая и параметрическая оптимизация.
Топологическая оптимизация
Оптимизация топологии — это метод, который позволяет получать новые, более эффективные топологии инженерных конструкций при заданных целевой функции и наложенных ограничениях. Поиск новых топологий в рамках этого метода осуществляется за счет введения набора управляющих переменных, которые описывают распределение материала в пределах расчетной области. Эти переменные определены либо в пределах каждого элемента сетки, либо в каждом сеточном узле. Изменение значения этих переменных приводит к изменению топологии объекта [4]. Это означает, что отверстия или пустоты в конструкции могут появляться, исчезать и сливаться, а границы объекта могут принимать произвольную форму. На рис. 3 представлен вариант топологической оптимизации конструкции кронштейна, на основе исходной геометрии:
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м о
о сч о сч
о ш т
X
<
т О X X
соответствие между множеством значений вектора параметров «а» и множеством полей поведения, которыми может обладать система. Выходными данными являются мономерные или многомерные поля распределения величин в зависимости от вариации исходных данных. Благодаря чему, складывается однозначная картина о влиянии рассматриваемых входных данных на выходные.
Таким образом, можно рассмотреть влияние положения вектора сил резания в пространстве на несущую системы колоны и оценить все возникающие напряжения и деформации в упругой системе станка в интересующем нас поле значений . Так на рис. 4 представлен Зх-мерная поверхность выходных значений, при вариации входных.
Рисунок 3. Топологическая оптимизация конструкции.
Топологическая оптимизация конструкции позволяет выявить ненагруженные элементы конструкции, либо те - в которых возникают минимальные напряжения и деформации, которыми можно пренебречь и устранить из общей геометрии, благодаря чему можно уменьшить итоговый вес без потери суммарной прочности. Так, например в колоне фрезерного станка можно устранить дополнительные приливы, излишние массивы материала и добавить окна в ненагруженных местах. Топологическая оптимизация применяется на финальной стадии проектирования для устранения излишних не нагруженных элементов или на начальной стадии проектирования для создания конструкции в ограниченных условиях.
Выявим преимущества данного метода:
1) Позволяет визуализировать ненагруженные элементы конструкции для оптимизации массы конечного изделия под действием заданных сил.
2) Позволяет проектировать принципиально новые конструкции для обеспечения работы в ограниченном пространстве, либо при жестких граничных условиях.
Обозначим недостатки данного метода:
1) Выходные данные не дают однозначного понимания о работе конструкции на всем диапазоне нагруже-ния и существенным образом изменяются при изменении вектора нагрузки.
2) Анализ топологии предполагает существенные изменения конструкции.
Вывод: данный метод оценки прочности конструкции не подходит для решения заданной проблемы.
Параметрическая оптимизация
Параметрическая оптимизация - процедура поиска и принятия оптимальных решений с использование средств автоматизированного проектирования. Данная проблема проявляется на всех шагах проектирования, определяет технико-экономическую эффективность и технологичность изготовления проектируемых узлов и деталей.
Параметрическая оптимизация — это метод, который позволяет анализировать структуру конструкции, варьируя входными граничным параметрами: геометрическими, силовыми, контактными и др. В общем случае каждому набору значений параметров системы соответствует определенная траектория или множество траекторий системы — поле поведения. Тем самым задается
-100 -100
Рисунок 4. Область значений при параметрической оптимизации.
Преимущества данного метода:
1) Параметрическая оптимизация даёт однозначное понимание об изменении выходных параметров системы на полном поле значений.
2) Параметрический контроль не требует внесения изменений в исходную разработанную систему.
3) Параметрическая оптимизация и контроль могут применяться на всех этапах проектирования для оценки критериев качества.
4) Возможность получения экстремума интересующего параметра.
Вывод: в качестве более просто и гибкого инструмента контроля выходных параметров несущей системы наиболее подходящим является метод параметрической оптимизации (контроля) для выявления заданной проблемы.
Методология проведения исследования
Решение задачи параметрической оптимизации сводится к последовательному выполнению следующих этапов исследовательской работы: 1) Выявление объекта исследования и оптимизации.
2) Исключение факторов и элементов системы не влияющих на рассматриваемый узел или элемент конструкции. Назначение граничных условий.
3) Определение входных параметров, прямо влияющих на изменение интересующего нас критерия.
4) Проведение эксперимента с средах имитационного моделирования на диапазоне определения критерия (функции).
5) Анализ поля полученных значений. Выявление экстремумов функции; поиск возможных путей решения проблемы и заключение работоспособности системы.
На рис. 5 представлено трехмерная поверхность распределения зависимости максимальных смещений в колоне токарно-фрезерного многоцелевого станка от воздей-
ствия силы резания в рабочем поле станка (при перемещении фрезерной головки по оси Y от 0 до 500 мм и при одновременном повороте от 0 до 360°). При заранее известных максимально допустимых смещениях при операции зубофрезерования, делается вывод о работоспособности несущей системы станка. При необходимости, вносятся корректировки в исходную геометрию колоны: уменьшаются или увеличиваются основные элементы конструкции, добавляются дополнительные ребра жесткости, производится корректировка сплава изделия.
Смещения, мкм
5.B7S
Рисунок 5. колоне.
0 40 ВО 120 160 200 240 200 320 360 Угол поворота, град.
Поверхность и плоскость значений в сплошной
точность обработки. При использовании средств МКЭ расчётов можно достичь наиболее выгодного соотношения между массогабаритными характеристиками объекта и производительностью станка, совместно с критерием энергоэффективности.
Литература
1. Коллектив авторов под ред. Д-ра техн. Наук. Д. Н. Решетова. Детали и механизмы металлорежущих станков, т. 1. М., «Машиностроение», 1972, стр. 664.
2. Каминская В. В., З. М. Левина, под редакцией Д. Н. Решетова. Станины и корпусные детали металлорежущих станков. М., «Машиностроение», 1960, стр. 367.
3. Ягопольский А.Г., Волохов В.А., «Перспективные методы испытания металлорежущих станков» // Известия высших учебных заведений. Серия «Машиностроение», 2006 №4, c 44-47.
4. Кульга, К.С., Виноградов П. В. Применение CAD/CAE-систем при проектировании компоновок многоцелевых станков с ЧПУ/ К.С. Кульга // СТИН. -2015. -№ 9. - С. 5-10.
Optimization of machine tool's bed Jagopolskiy A.G., Tutukin D.G., Andryukhin N.D.
Bauman Moscow State Technical University Modern manufacturers design and manufacture machine tool in accordance with the criterion of maximum rigidity and productivity to ensure the processing of the maximum material range at high cutting rates. As a result, in most performance tasks, the machine tool system is excessively rigidity, due to the production of excessively massive beds and body elements of the machine. These structural elements have high weight and size characteristics, which leads to an increasing in the inertial loads on the feed mechanisms; heavy elements of the system significantly increase the energy consumption of the metalworking complex, while reducing labor productivity in cases of serial and mass production. Modern methods of design optimization allow to solve the problem of energy efficiency and productivity by modifying the bed systems together with finite element methods. It reaches according to the criterion of minimum stiffness in accordance with the boundary conditions of the cutting forces. Keywords: Parametric optimization, optimization of machine tool beds, modern machine tool designing, digitalization, CAE systems. References
D. N.
Заключение
Современные методы оптимизации конструкции, проводимые посредством сред имитационного и математического моделирования позволяют выявить элементы геометрии несущей системы станка, подверженные критическим или максимально-допустимым критериям исследования. На этапе эскизного проектирования, посредством средств топологического или параметрического исследования конструкции создаётся оптимальная модель оборудования, позволяющая разработать наименее ресурсоёмкую топологию объекта, которая обеспечивает необходимую жесткость, прочность и
V. V. - M.:
1. Parts and mechanisms of metal-cutting machines. Reshetov. Textbook. - M.: «Mashinostroyeniye», 1972.
2. Beds and body parts of metal-cutting machines. Kaminskaya , Z. M. Levin, D. N. Reshetov. Textbook. «Mashinostroyeniye», 1960.
3. Jagopolskiy A.G., Volokhov V.A., «Advanced test methods for
machine tools»// Proceedings of higher educational institutions. Series "Mechanical Engineering", 2006 №4, p.44-47.
4. Application of CAD / CAE systems for designing layouts of multi-
purpose CNC machine tools. K. S. Kul'ga, P. V. Vinogradov. Article. - «STIN», 2015.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м о
