CC BY
16
УДК 658.652
Е.А. Сигитов, А.А Игнатьев, В.А. Добряков
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА ПРЕЦИЗИОННЫХ ТОКАРНЫХ МОДУЛЯХ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УЗЛОВ ФОРМООБРАЗУЮЩЕЙ ПОДСИСТЕМЫ
Аннотация. Рассматриваются результаты влияния погрешностей позиционирования суппорта, резцового блока и динамической балансировки шпинделя прецизионных токарных модулей типа ТПАРМна точность обработки.
Ключевые слова: прецизионные токарные модули, формообразующая подсистема, точность позиционирования суппорта и резцового блока, динамическая балансировка шпинделя
E.A. Sigitov, A.A. Ignatiev, V.A. Dobryakov
INCREASING WORKING ACCURACY OF PRECISION TURNING MODULES BASED ON IMPROVEMENT OF NODES IN SHAPING SUBSYSTEMS
Abstract. The impact of errors in the positioning of the support part and cutting unit, and dynamic balancing of the spindle in precision turning modules of the TPARM type on the working accuracy are considered.
Keywords: precision turning modules, shaping subsystem, accuracy of the support part and cutting block positioning, dynamic spindle balancing
ВВЕДЕНИЕ
Возрастающие требования к точности изготовления деталей для изделий авиа-, приборо- и машиностроения обусловливает необходимость соответствующего повышения качества автоматизированных металлорежущих станков (АМС).
Для оценки технологической надежности станков разработан комплекс специальных методик проведения испытаний, а также аппаратурное и программно-математическое обеспечение. Общее число контролируемых параметров при испытаниях на различных этапах жизненного цикла определяется типом станка и может достигать нескольких десятков [1-4].
Повышение технологической надежности современных АМС достигается применением системного подхода к вопросам совершенствования его основных узлов [4], что соответствует общим тенденциям развития станкостроения [6-9]. Важнейшим компонентом токарного АМС является формообразующая подсистема, в состав которой входят приводы подачи, шпиндельный узел и резцовый блок.
Именно от их параметрической надежности в процессе эксплуатации зависит точность обработки деталей на прецизионном станке. В связи с этим представляется актуальным выполнение оценки параметрической надежности указанной подсистемы на примере отечественного токарного прецизионного автоматизированного роботизированного модуля (ТПАРМ), ряд узлов которого модернизировался в процессе эксплуатации.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Испытания АМС предусматривают контроль точности перемещения рабочих органов (суппорта и резцового блока), точности вращения шпинделя, уровня вибраций, величины тепловых деформаций и ряда других параметров. При прецизионной обработке малогабаритных деталей из алюминиевых и медных сплавов (размеры до 100 мм) снимаемые припуски и, соответственно, силы резания, вибрации и тепловыделения малы, станки работают в термоконстантном помещении, влияние других возмущающих факторов минимизируется [5, 6]. В этом случае значительную роль в формировании точности деталей играет точность позиционирования рабочих органов, непосредственно определяющих траекторию перемещения резца.
Точность позиционирования фактически определяется через погрешность позиционирования суппорта, представляющую собой отклонение действительного положения рабочего органа от запрограммированного при его многократном перемещении в различные точки рабочей зоны по одной из координатных осей. В соответствии с достигаемой точностью позиционирования рабочего органа металлорежущие станки разделяются на 5 групп по классу точности: Н, П, В - нормальной, повышенной и высокой точности, А, С - особо высокой и сверхвысокой точности [10].
Метод измерения погрешностей позиционирования определяется стандартами каждой страны. В России проверка точности позиционирования проводится в соответствии с ГОСТ 27843-88. Вся длина перемещения L разделяется на интервалы, у границ которых проводят измерения отклонений (не менее пяти в каждой контрольной точке); длины интервалов Al выбирают в пределах 0,1... 0,3 длины перемещения, проводят измерения при определенной температуре, соответствующей нормальным условиям. При измерениях применяется двусторонний подход к каждой контрольной точке, причем в каждой j-й позиции ( j = 1,...,n) определяются следующие величины: отклонения положения
рабочего органа от заданного при т подходах справа лу,пр и слева Лу сл; средние отклоне-
ния от заданного значения при подходах справа х^ пр и слева х ^ сл
1 m
X = _X X ■
,пр ¿—1 г, /,пр'
mi=1
1 т
Х1,сл = X Хг', ),сл;
т г =1
среднее систематическое отклонение от заданного значения:
Х],а = ,пр + Х ,сл
зона нечувствительности:
А j xj,пр xj,сл '
(1) (2)
(3)
(4)
среднее квадратическое отклонение а по всем точкам контроля с учетом х j с в каждой
точке
1 N
G = 2N j:ri(G j , пр+G j с);
(5)
где
G j,np =
1
(m -1) i=i
Z (xi, j,np xj,c ) ;
J,c'
G
текущая погрешность позиционирования:
j,cn
А,.
1
1
(m -1) i=1
Z (x
i, j,cn
j )2;
Pj = xj с ± (3g + ),
2
(6)
где выражение в скобках определяет доверительный интервал для х ^ с .
Затем по значениям величин, полученным по формулам (1)-(6), строится график точности позиционирования. Результаты могут дать различные значения погрешности позиционирования в пределах рабочей зоны. Соответственно, реальный класс точности станка может отличаться от проектного.
Для определения реальной точности позиционирования суппорта токарных модулей типа ТПАРМ выполнена серия экспериментов, причем проверка осуществлялась по методике, подробно изложенной в работе [10].
Измерения проведены на двух модулях ТПАРМ-100, двух модулях ТПАРМ-100М и одном модуле ТПАРМ-80. Модули отличаются рядом конструктивных доработок, выполненных в процессе эксплуатации.
В рабочей зоне АМС выполнялось перемещение в 5 контрольных точках по заданной программе, причем осуществлялись 15 подходов справа и 15 подходов слева для вы-
явления возможной зоны нечувствительности, т. е. зазора в приводе. Измерение отклонения перемещения от заданного в каждой точке осуществлялось индуктивным датчиком Мтюот с дискретностью 0,1 мкм.
Затем производилась статистическая обработка массивов отклонений справа х,пр и слева х, сл с вычислением средних значений для подходов справа хпр и подходов слева х, сл.
Результаты этих изменений показали, что средние значения отличаются на пренебрежимо малую величину порядка 0,005...0,01 мкм, то есть МФП является практически беззазорной передачей.
Далее массивы значений отклонений справа х,пр и слева х1 сл объединены в один
массив {х;} с количеством измерений 30 в каждой точке контроля. Результаты измерений представлены на рисунке.
Гистограммы распределения погрешностей позиционирования суппорта на станках типа ТПАРМ
Результаты статистической обработки массива отклонений х, с вычислением среднего значения X (математическое ожидание), среднего квадратического отклонения (СКО), коэффициента крутости т (эксцесса), характеризующего отклонение закона распределения погрешностей позиционирования от нормального закона, приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Результаты контроля точности позиционирования суппорта
Модуль Математические ожидания X отклонений, мкм Среднее квадратическое отклонение, с, мкм Эксцесс, х
ТПАРМ-100 0 0,14 -0,16
ТПАРМ-100М 0 0,09 0
ТПАРМ-80 0 0,05 +0,33
Результаты измерений на АМС различных моделей свидетельствуют о том, что модули обладают высокой точностью позиционирования, причем наиболее высокая точность у модуля ТПАРМ-80. Гистограммы распределения погрешностей постепенно становятся более узкими и островершинными.
Указанное связано с совершенствованием как технологии настройки многоступенчатой фрикционной передачи (МФП) привода подачи, так и системы управления (в частности, лазерного интерферометра как датчика обратной связи привода подачи). Из рисунка видно, что погрешность позиционирования фактически определяется дискретностью датчика обратной связи: у модуля ТПАРМ-100М - 0,2 мкм, у модуля ТПАРМ-80 - 0,1 мкм (использован интерферометр на базе одночастотного лазера) [12]. В этом случае МФП является практически линейным беззазорным звеном.
Помимо погрешности позиционирования суппорта на формирование размеров детали влияет погрешность позиционирования резцового блока. Для ее оценки выполнена серия измерений при неподвижном суппорте. Контроль погрешности позиционирования осуществлялся с помощью индуктивного датчика, дискретность отсчета которого составляла 0,1 мкм. Вращение резцового блока задавалось от системы ЧПУ. Результаты измерений представлены в табл. 2.
Особо следует выделить высокую точность позиционирования АМС ТПАРМ -100М с линейной резцовой головкой, которая перемещается при обработке по координатным осям, то есть не вращается. В этом случае искомая погрешность определяется погрешностью позиционирования суппорта. Такие резцовые головки применяются для высокоточной обработки специальных деталей.
Для минимизации погрешности формы деталей (отклонения от круглости) выполнена динамическая балансировка шпинделя по специальной методике с применением двух виброизмерительных приборов ВШВ-003М3 непосредственно в производственных условиях. Балансировка выполнялась вместе с обрабатываемой деталью на частоте вращения шпинделя.
Признано целесообразным осуществление динамической балансировки шпинделя при переналадке модуля на другую деталь, если ее масса существенно отличается от
предыдущей. Указанное обусловлено тем, что шпиндель имеет аэростатические опоры и его жесткость несколько ниже, чем у шпинделей на обычных подшипниках [13]. В результате динамической балансировки биение шпинделя не превышает 0,1 мкм, откуда следует, что отклонение от круглости детали составляет не более 0,2 мкм.
Таблица 2 - Результаты контроля погрешности позиционирования резцовой головки модулей типа ТПАРМ
Модель станка Число измерений Значение отклонения, мкм Число отклонений Значение отклонения, мкм Число отклонений Систематическая погрешность позиционирования, мкм Средне-квадрати-ческое отклонение, мкм
ТПАРМ-60 150 4,0 5 0 45 -0,57 ±1,94
3,0 10 -1,0 25
1,0 19 -2,0 -3,0 -4,0 21 13 12
ТПАРМ-100 150 2,0 4 -1,0 27 -0,019 ±1,16
1,5 19 -1,5 18
1,0 35 -2,0 10
0 37
ТПАРМ-100М 150 1,0 8 -0,5 32 0,015 ±0,55
0,8 15 -0,7 15
0,5 28 -1,0 5
0 47
ТПАРМ-100М 150 0,2 9 -0,1 41 -0,011 ±0,1
с линейной 0,1 30 -0,2 15
резцовой 0 55
головкой
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обобщая результаты измерений основных погрешностей, влияющих на точность обработки на прецизионных АМС типа ТПАРМ различных моделей, можно установить, что точность позиционирования суппорта у модулей фактически определяется дискретностью привода подачи. Указанное связано с совершенствованием технологии настройки МФП и повышением точности измерения перемещения суппорта лазерным интерферометром. Динамическая балансировка шпинделя обеспечивает повышение точности положения его оси в пространстве при обработке. Наиболее низкая погрешность позиционирования резцовой головки зафиксирована у модуля ТПАРМ-100М, оснащенного линейной резцовой головкой. В комплексе указанное позволяет реализовать прецизионную обработку деталей из алюминиевых и медных сплавов
с размерами до 100 мм с погрешностью не более 0,5 мкм, отклонением от круглости не более 0,2 мкм и шероховатостью Ra при алмазном точении 0,02... 0,04 мкм [14]. Из изложенного следует, что АМС типа ТПАРМ имеют класс точности С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Проников А.С. Программный метод испытания металлорежущих станков. Москва: Машиностроение, 1985. 288 с.
2. Типовые методики и программы испытаний металлорежущих станков: методические указания / В.И. Алферов, Ю.И. Сазанов, Л.И. Айзенштат и др. Москва: ЭНИМС, 1988. 97 с.
3. Камышев А.И., Кочинев Н.А. Автоматизация испытаний и исследований металлорежущих станков: обзор. информ. Москва: ВНИИТЭМР, 1988. 56 с.
4. Расторгуев Г.А. Системный обзор испытаний технологического оборудования // Справочник. Инженерный журнал. 2013. № 1. С. 3-10.
5. Игнатьев А.А., Добряков В.А., Игнатьев С.А. Прикладной системный анализ объектов машиностроения. Саратов: СГТУ, 2021. 160 с.
6. Пуш А.В. Основные принципы проектирования прецизионных и сверхпрецизионных станков // СТИН. 1999. № 3. С. 12-14.
7. Черпаков Б.И. Тенденции развития мирового станкостроения в начале XXI века // СТИН. 2003. № 9. С. 3-7; № 10. С. 3-7.
8. Состояние и направления развития научных исследований в станкостроении / В.В. Бушуев, А.П. Кузнецов, Ф.С. Сабиров и др. // СТИН. 2015. № 11. С. 12-20.
9. К проблеме построения прецизионных станков для изготовления изделий с нанометровой точностью / В.И. Телешевский, С.Н. Григорьев, А.Г. Андреев и др. // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2015. № 3 (34). С. 9-14.
10. Точность и надёжность станков с числовым программным управлением / А.С. Проников, В.С. Стародубов, М.С. Уколов, Б.М. Дмитриев. Москва: Машиностроение, 1982. 256 с.
11. Виноградов М.В., Игнатьев А.А., Сигитов Е.А. Приводы подачи прецизионных автоматизированных станков с многоступенчатой фрикционной передачей. Саратов: СГТУ, 2014. 140 с.
12. Игнатьев А.А., Сигитов Е.А., Добряков В.А. Применение лазерного интерферометра в качестве датчика обратной связи привода подачи прецизионного токарного модуля // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2021. С. 41-49.
13. Пуш А.В. Шпиндельные узлы: качество и надежность. Москва: Машиностроение, 1992. 288 с.
14. Самойлова Е.М., Игнатьев А.А. Методы и алгоритмы интеллектуализации мониторинга технологических систем на основе автоматизированных станочных модулей. Саратов: СГТУ, 2018. Ч. 2. 100 с.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Сигитов Евгений Александрович -
кандидат технических наук, директор ООО «Научно-производственный комплекс прецизионного оборудования», Саратов
Игнатьев Александр Анатольевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Добряков Владимир Анатольевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Evgeny A. Sigitov -
PhD (Technical Sciences), Director of LLC Scientific and Production Complex of Precision Equipment, Saratov
Alexander A. Ignatiev -
Dr. Sci. Tech., Professor, Department of Technical Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Vladimir A. Dobryakov -
PhD (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Technical Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 01.12.2021, принята к опубликованию 22.02.2022
