Реновация - направление в области автоматизации прецизионных станков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.757

В.Е. Лысое

РЕНОВАЦИЯ ~ НАПРАВЛЕНИЕ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРЕЦИЗИОННЫХ СТАНКОВ

Рассматриваются перспективы развития прецизионного станкостроения на базе реновации стан-ков. Показывается, что этот путь не ведет к решению перспективных вопросов повышения точности и производительности станков. Отмечается необходимость скорейшего возобновления научных исследований в этой отрасли промы им ен ноет и в направлении создания новых конструкций и систем управления станками.

Сырьевая направленность [1] промышленной политики России сделала ненужной большую часть производственных мощностей и привела к тому, что отрасли по производству средств производства и, в частности, станкостроение, которое непосредственно не связано с добычей и продажей сырья, оказались невостребованными и, как следствие, приостановилось их развитие. Однако известно, что станкостроение - подотрасль машиностроения, которая является фондообразующей и определяющей уровень безопасности страны, ее потенциальные возможности. Объем продукции станкостроительных предприятий в машиностроении по Российской Федерации составляет всего 2,8% в год.

Сегодняшние требования к качеству изготовления и обработки деталей для последующих технологических операций непрерывно возрастают. Поле допусков к 1990 г. составляло 5 мкм [3] и к настоящему времени приблизилось к величине 1-3 мкм. Следует отметить значительные успехи в производстве инструмента за рубежом, что позволяет, в принципе, достичь ВЫСОКИХ скоростей обработки. Например, на станках японской фирмы Mazak Optonis скорость при торцевом фрезеровании составляет 1500 м/мин, при рассверливании скорость подачи - 60 м/мин. Шпиндели фирм SIP и Aciera имеют частоту вращения 35000-40000 об/мин, что позволяет высококачественно обрабатывать закаленные стали.

Производство металлообрабатывающего оборудования в 2004 г. (млн.USD)

Страна Всего Метал-лореж. станки в % Кузнечнопрессовое оборуд, в % Было произведено в 2003 г. Рост в %

1 Япония 10521,0 88 12 7885,9 33,4

2 Германия 9216,2 72,5 27,5 7737,7 19,1

3 Италия 4639,2 55,0 45,0 4154,1 11,6

4 КНР 4000,0 76,7 23,3 2980 34,2

5 Тайвань 2992,2 74,7 25,3 2110,8 37

6 США 2814,2 79,6 20,4 2274,0 23,8

7 Швейцария 2360 85 15 1879,4 25,6

8 Республика Корея 2298,0 66,5 33,5 2087,7 10,1

9 Испания 1023,5 64,6 35,4 926,1 10,5

10 Великобри- тания 877,2 81,2 18,8 664,2 32,1

В этих условиях роль прецизионных станков, в частности координатно-расточных (КРС), значительно возрастает. Однако Россия не входит в десятку стран - производителей прецизионных станков (см. таблицу) и в то же время претендует на то, чтобы быть в ряду восьми наиболее развитых стран [4]. Отставание объясняется тем, что точность станков, т.е. положения инструмента в рабочем пространстве станка, определяется не только геометрической точностью его узлов, но и другими важнейшими параметрами.

Среди упомянутых параметров отметим наиболее значимые.

1. Упругие деформации корпусных деталей (станины, стола, салазок, стоек, поперечины).

2. Упругие деформации кинематической цепи приводов перемещения узлов станка (ходовых винтов, валов, подшипников).

3. Упругие деформации в стыках контактных сопряжений (шпиндельный узел-поперечина, стойка-станина, станина-стол, вал-подшипник...).

4. Погрешности электроприводов главного движения и подач.

5. Температурные деформации. Источником их являются высокоскоростные шпиндели и электропривода, отмеченные в пк. 4.

6. Люфты в кинематических цепях возникают в червячных редукторах за счет накопленной

погрешности окружного шага, погрешности обката колеса, отклонения межосевого расстояния за оборот, погрешности винтовой линии в пределах оборота червяка, отклонения осевого шага червяка и его накопленная погрешность, осевого биения червяка. Схематично процесс формирования погрешностей в станке и пути их уменьшения представлены на рис. 1. Из представленной схемы следует вывод о том, что существуют два направления повышения точности обработки деталей. Первый путь заключается в том, что за счет соответствующей компоновки станка, установки и базирования деталей и механизмов станка, применения новых конструкционных материалов ликвидируются конструктивно-технологические ошибки в положении «инструмент-деталь». Второе направление связано с решением проблемы повышения точности за счет введения"САУ механическими параметрами станка и совершенных средств автоматики. При использовании второго пути необходимо постоянно иметь информацию о положении инструмента в рабочем пространстве. На основе ее сравнения с идеальным состоянием принимается решение о том или ином воздействии на узлы станка с целью минимизации погрешности в условиях реальных ограничений. Это позволит компенсировать действие детерминированных и случайных помех. Кроме того, наличие нелинейных зависимостей в структуре систем управления редуктора (нелинейная зависимость силы трения от скорости скольжения узлов), а также в ряде случаев многосвязность систем управления требует применения методов имитационного моделирования. Применение моделей и методов их использования позволяет проводить контролируемые эксперименты в ситуациях, когда экспериментирование на реальном объекте невозможно или экономически не оправдано. .

Очевидно, что оба направления повышения точности прецизионных станков являются наукоемкими и позволят в перспективе выйти на мировой рынок станков, что отмечено на схеме рис. 1.

В настоящее время не сформированы экономические условия для решения наукоемких задач в станкостроении, рассчитанных на перспективу. У покупателей станков на внутреннем рынке также отсутствуют средства для инвестиций в станкостроение. На внешний рынок наше станкостроение практически не выходит по причине неконкурентоспособности наших станков. Однако изношенное за последние 15 лет оборудование требует обновления. Решающую роль на этом этапе экономического состояния страны играет реновация станков. Реновация - от английского слова «renovate» - обновлять, восстанавливать, освежать. На рис. 1 показаны направления этого обновления на базе ранее выпущенных станков. Как следует из схемы, основными работами реновации являются: восстановление геометрии направляющих, обновление механизмов кинематики, замена электроавтоматики и электроприводов совместно с измерительными системами, оснащение цифровой индикацией. Значительно реже станок оснащается современной системой ЧПУ. Оснащения станка САУ компенсации упругих деформаций в несущих и подвижных узлах станка не производится.

Таким образом, значительная часть спроса на реновацию, особенно на введение САУ, повышающих точность и производительность станка и обеспечивающих возможности его работы по новым алгоритмам, остается без адекватного предложения, что способствует технологическому и производственному «торможению».

Но даже реализуемые мероприятия позволили существенно обновить парк станков в отечественной промышленности. Следует отметить, что при реновации происходит оснащение станков современными импортными электроприводами (Siemens, Shneider electriqe, Mitsubishi, Lenz), а также отечественного производства: «Приводная техника», ЧЭАЗ, Триол. Кроме того, надежно работают отечественные ЧПУ, такие как Маяк-600 (ИЖПРЭСТ - г. Ижевск), FMS3000 МОД МАШ (Нижний Новгород), 4С (Санкт-Петербург). Современные привода и ЧПУ позволяют надежно получать точности позиционирования узлов станка в пределах 5-10 мкм с повторяемостью +/- I мкм. К тому же применение в схемах электроавтоматики логических коммути-

рующих модулей, например, ЬСЮО фирмы Siemens, позволяет существенно уменьшить габариты шкафов управления станками.

Мировой рынок станков

САУ компенсации упругих деформаций (адаптивное управление)

Упругие деформации инструмента его износ

Упругие деформации корпусных деталей '

Упругие деформации кинематических .цепей приводов перемещений узлов станка

=/{х,у,г)

Исследования, разработка и внедрение новых принципов

Упругие деформации в стыках контактных сопряжений

Оснащение современным электроприводом с обратными связями по регулируемой координате

САУ стабилизации температуры

Совершенствован ие технологии обработки деталей

САУ компенсации действия нелинейностей

Погрешность электроприводе в главного движения и подач

Температурные

деформации

Г еометрическая погрешность узлов станка

Влияние нелинейностей на точность позиционирования узлов станка

Р и с. 1 . Формирование погрешности в положении «инструмент-деталь» и принципы ее минимизации:

5,6/>,5! - погрешность перед реновацией, после реновации и новой конструкции станка соответственно

Плохое экономическое положение на внутреннем рынке станков подталкивает к новым идеям в плане понижения стоимости модернизированных старых станков - к созданию многооперационных станков. Пионером в этой области, осуществляющем модернизацию на самом высоком научно-техническом уровне, стала немецкая фирма ЕМАС (1991), которая создала первый в мире многооперационный токарный станок. Подобные мероприятия можно провести и в отношении КРС. Например, наряду с расточкой, фрезерованием станок мог бы выполнять операцию прецизионного шлифования, Это уменьшает время простоев и увеличивает машинно-вспомогательное время до 20-30%. С той же целью в процессе реновации стремятся к оснащению станка магазином инструментов и превращению его в обрабатывающий центр. Мерой, расширяющей технологические возможности КРС, является установка на него поворотного прецизионного стола. Кроме того, в процессе реновации можно реализовать качественно новые технологии и сформировать новые алгоритмы управления.

Высказанные предложения проиллюстрируем практическими примерами. Реально создать на базе КРС многооперационный станок, включающий и прецизионное шлифование, можно на базе старой конструкции станка, например 2А440, у которого шпиндельный узел имеет беспи-

нольный шпиндель. Осцилляция в вертикальном направлении (ось V') осуществляете* ХОДОУ ШБ. Для этого необходимо оснастить станок системой разгрузки ШБ не только в статическом, но и динамическом режиме. Частота осцилляции будет определяться возможностями системы разгрузки. Беспинольный шпиндель обусловлен большим весом электрошпинделя с устройством его подачи для реализации шлифования.

В условиях реновации новое качество КШС получают за счет нового алгоритма реализации процесса шлифования. Например, в станке 3284СФ4 для достижения геометрической точности I мкм при чистоте поверхности 9 класса целесообразно осуществлять контроль мощности резания и ее стабилизацию [2], [5].Однако для КШС эта проблема прямо не может быть решена, поскольку мощность резания близка к мощности выхаживания. При прецизионном шлифовании нет привычных [2] операций - черновое (грубое), чистовое (точное) шлифование и выхаживание, В этой связи невозможно реализовать сверхмалую скорость подачи шлифовального круга (диапазон регулирования значительно выше 10000:1). Поэтому можно реализовать стабилизацию усредненной мощности, ограниченной пределами РмАХ и РМШ- Последнее значение соответствует выхаживанию. Алгоритм работает следующим образом. В момент операции выхаживания (РмПЧ) релейно включается подача шлифовального круга на величину, при которой значение мощности резания достигает (Р^дх). В этот момент отключается подача и идет процесс шлифования (выхаживание) до минимального значения, и затем все повторяется. Величина заданного припуска контролируется контуром положения. Величина скорости подачи инструмента контролируется контуром скорости. Структурная схема такой системы показана на рис. 2, а диаграммы съема припуска и изменения мощности - на рис. 3. Каждый из упомянутых контуров рассчитывается по известной методике [7.] Переход к адаптивным способам управления позволяет в среднем увеличить производительность на 20-30% [5]. Процесс прецизионного шлифования, безусловно, требует адаптивного управления поскольку существует множество помех, имеющих вероятностный характер, например, изменение температуры СОЖ, физико-химических свойств материала обработки, инструмента. Следует отметить мно-госвязность процесса. Это объясняется связью привода подачи инструмента в горизонтальной плоскости с осцилляцией его в вертикальной плоскости. Кроме того, для обеспечения плавности движения инструмента и высокой производительности процесса шлифования необходимо выдвижную пиноль разгрузить. Следует отметить, что возможности станка полностью раскрываются при управлении от ЧПУ,

Ру(р1„£,[>(р)

^рп(р)

РсеД-.

1*'рс(Р)

и.

^м(р)

и,

Woc(p)

^дм(р)

РрЕЗ

НуСр)

К

р

^лл(р)

Тд(рГ

Р и с. 2. Обобщенная структурная схема САУ подачи инструмента в горизонтальной плоскости: ^РП(р)) 'Л'рсСр), Рег. Р - регуляторы положения, скорости, мощности соответственно; \Ум(р), '»VрЕО(Р)> ^ПШ(Р)-

К

^]Кр), ’Л'дм(р), У/дп(р},-----передаточные функции электродвигателя, редуктора, процесса шлифования, перехо-

Р

да от силы резания к мощности, датчика мощности, перехода от силы резания к съему припуска

Реновация позволяет расширить технологические возможности КРС за счет установки на него прецизионного поворотного стола. В условиях реновации возможно использовать традиционные конструкции, которые вращают планшайбу электроприводом через червячный редуктор, имеющий все упомянутые выше недостатки. Точность позиционирования таких столов составляет 5-10 угловых секунд, и повысить ее практически невозможно.

Таким образом, реновация старых конструкций станков позволяет поддерживать етоасль на уровне существующих возможностей промышленности, но не дает новых принципиальных решений по повышению точности и производительности КРС. Например, для повышения производительности и точности позиционирования и плавности перемещения подвижных узлов станка наиболее целесообразно применять линейные электродвигатели с соответствующей системой управления. Для повышения точности позиционирования поворотных столов необходимо использовать мехатронные модули, например, на базе синхронных двигателей. Такие моторы выпускаются в Белоруссии - Rotary AC-synchronous motors Series RSM-36, а также некоторыми западными фирмами. В этом случае планшайба крепится непосредственно на вал двигателя, и нет необходимости в редукторе с его погрешностями, а часто и с нелинейными зависимостями в виде люфта. Высокоскоростные шпиндели, являясь источниками тепла и тепловых деформаций станка, требуют также принципиального изменения конструкции, например электрошпиндели с регулируемой величиной натяга [6]. Представленные предложения могут быть реализованы за счет развития научных исследований в отрасли при условии соответствующей финансовой поддержки.

Предприятия станкостроения в СССР в части исследований и новой техники обеспечивались за счет государства, и в настоящее время остались без оборотных средств. Самостоятельно же они в условиях жесткой конкуренции на мировом рынке не в состоянии заработать на развитие отрасли, ее научные изыскания. Они не могут следовать примеру появления известной фирмы OLIMPIA ENGINEERING (Канада, г. Онтарио), которые, занимаясь реновацией высокопроизводительных станков, вышли в первые ряды производителей прецизионных станков в Северной Америке. Следует отметить, что по применению высокопроизводительных станков первое место занимают США. Здесь используется 12% высокопроизводительных станков. В Европе эта цифра составляет 4% , в Японии -5%

В случае, если экономическая ситуация не будет складываться в пользу отрасли (имеется в виду отсутствие снижения налогов, отсутствие государственных инвестиций или инвестиций со стороны частного капитала), многие предприятия отрасли, занимающиеся реновацией станков, снизят свой статус до ремонтных мастерских.

Р и с. 3. Диаграммы шлифования заданной величины припуска по алгоритму стабилизации усредненной

мощности резания: 3 =. Г (р^) - кривая отработки заданного припуска, Р = Г { 5 д) - изменение мощности резания, 5 зд - заданное значение припуска

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рыбаков В. Развитие рынка модернизации станочного парка России И Станочный парк. Л'а4( 15), 2005. С. 16-17.

2. Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифованием. М.: Машиностроение, 1975. 303 с.

3. Klaus F. И Wîrtshafïlichkeitsrechung aïs entschudungshilfe fur die machinencuswahe Machinenmarkt-I983/-89. Да8. P. 114-117,

4. Маслов A.P. Производство современных станков //ИТО. №5, 2005. 4 с.

5. Решетов А.Г. Автоматизация шлифования и размерного контроля деталей. Тольятти, 2003. 190 с.

6. Курносое Е.В. Расширение функциональных возможностей высокоскоростных шпиндельных узлов Н Автоматизация и современные технологии. №7. 2005. С. 3-5.

7. Рапопорт Э.Я. Системы подчиненного регулирования электроприводов постоянного тока. Куйбышев, 1985. 55 с.

Лысое Владимир Ефимович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электропривод и промышленная автоматика». Почетный работник высшего профессионального образования России, автор более 100 научных работ.