научная статья по теме ПЕРВИЧНЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ ЗВЕНЬЕВ МЕХАНИЗМОВ С ПОСТУПАТЕЛЬНЫМИ И ВРАЩАТЕЛЬНЫМИ ПАРАМИ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ПЕРВИЧНЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ ЗВЕНЬЕВ МЕХАНИЗМОВ С ПОСТУПАТЕЛЬНЫМИ И ВРАЩАТЕЛЬНЫМИ ПАРАМИ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 2, 2011

УДК 621.9.06

© 2011 г. Серков Н.А.

ПЕРВИЧНЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ ЗВЕНЬЕВ МЕХАНИЗМОВ С ПОСТУПАТЕЛЬНЫМИ И ВРАЩАТЕЛЬНЫМИ ПАРАМИ

Обеспечение необходимой "объемной" точности прецизионных пятикоординат-ных станков при их изготовлении и эксплуатации является важной задачей современного машиностроения. Одним из основных направлений повышения точности станков является метод коррекции первичных отклонений механизмов станков с ЧПУ. Модели отклонения взаимного положения исполнительных органов станка являются мощным инструментом исследования точностных возможностей алгоритмов коррекции. Для построения модели матричного типа необходима информация о первичных отклонениях звеньев механизмов с поступательными и вращательными кинематическими парами. Определены первичные отклонения звеньев, входящих в поступательные и вращательные кинематические пары, в понятиях норм точности станков. Уточняется понятие несущей системы станка (машины) и предложена стратегия ее разбивки на подсистемы с одной кинематической парой, что является основой для создания модели отклонения взаимного положения исполнительных органов многокоординатного станка.

В современном машиностроении широко применяются пятикоординатные многоцелевые станки с ЧПУ. Это обусловлено тем, что эффективная обработка сложных поверхностей таких ответственных деталей, как рабочие колеса турбин, винтовые пары насосов, гребные винты, пресс-формы и др., возможна лишь при взаимосвязанном относительном движении инструмента и заготовки минимум по трем линейным и двум угловым координатам. В частности, обработка сложных поверхностей на пяти-координатных станках является основой эффективного изготовления монолитных конструкций из поковок или проката в мелкосерийном производстве (несущие детали самолета, рабочие моноколеса турбин и др.) [1].

Современные системы CAD/CAM позволяют рассчитывать и генерировать траекторию движения исполнительных органов станка с теоретически неограниченной точностью, например погрешностью аппроксимации 0,05 мкм [2]. Однако, реально на станке получить указанную точность воспроизведения траектории в настоящее время не удается. Хорошо известная среди производителей прецизионных станков фирма DIXI гарантирует для четырех и пятикоординатных станков модели DHP 50 и DHP 80 точность позиционирования по одной координате в пределах 0,990 мкм, а по данным [3] точность в объеме 3D для четырехкоординатной обработки на этих станках составляет уже 15 мкм, а для пятикоординатной — 25 мкм.

Обеспечение необходимой "объемной" точности прецизионных пятикоординат-ных станков при их изготовлении и эксплуатации является важной задачей современного машиностроения, решению которой посвящено большое число теоретических и экспериментальных исследований. В работе [4] рассмотрены основные направления повышения точности металлорежущих станков и выявлено, что одним из основных

направлений является метод коррекции первичных отклонений механизмов станков с ЧПУ.

Модели отклонения взаимного положения исполнительных органов станка являются мощным инструментом исследования точностных возможностей алгоритмов коррекции. В работе [5] представлена математическая модель матричного типа отклонения взаимного положения измерительной головки и измеряемой детали для трехко-ординатной измерительной машины (КИМ) по первичным отклонениям механизмов ее несущей системы. Механизм несущей системы КИМ портальной конструкции представляет собой размещенные один на другом и перемещаемые по программе три ползуна. Первичные отклонения перемещаемого по программе звена (ползун) рассматриваются как отклонения по шести степеням свободы твердого тела в пространстве [6].

Модели такого типа основываются на понятиях "твердотельной механики" [7], а в качестве исходных данных о "первичных" отклонениях параметров механизмов позиционирования используются результаты измерения параметров точности реального станка. Такой подход позволяет в модели, построенной в понятиях "твердотельной механики", учитывать наряду с отклонениями (размеров, формы, расположения) изготовления присоединительных поверхностей деталей и узлов также жесткостные и тепловые свойства станка.

Наряду с этим для построения модели используются понятия и основные положения теории точности механизмов [8].

В настоящей статье рассмотрены первичные отклонения параметров звеньев поступательной и вращательной пар, часто используемых в конструкциях современных машин, например пятикоординатного станка мод. МС-300 [9]. Первичные отклонения рассматриваются в понятиях норм точности станков, в частности, ГОСТ 30027-93 "Модули гибкие производственные и станки многоцелевые сверлильно-фрезерно-расточные. Нормы точности".

Первичные отклонения параметров звеньев кинематических пар

Поступательная пара. На рис. 1, а представлена компоновочная схема пятикоординатного станка мод. МС-300, являющегося характерным примером станка с последовательной структурой, а на рис. 1, б дана структурная схема механизмов его несущей системы.

Из структурной схемы рис. 1, б видно, что в несущей системе станка используются два механизма (7 — шпиндель). С помощью механизма перемещения корпуса шпинделя "станина (1) ^ салазки (2) ^ стойка (3) ^ шпиндельная бабка (4)" осуществляется перемещение корпуса шпинделя по линейным координатам X, У, 2. С помощью меха-

х = хн ЧПУ

ЕЮ

^ ВО

\1 ток|

>

к» 1

V,

1

Рис. 2. 1 — программа — ведущее звено механизма "привод подачи по координате X", 2 — тахогенератор обратной связи по скорости, 3 — двигатель привода подач, 4 — салазки, несущие стойку со шпинделем — выходное звено, 5 — датчик линейных перемещений

2

Рис. 3

низма поворотного стола "станина (1) ^ корпус планшайбы (5) ^ планшайба (6)" реализуются угловые координаты В, С. В механизме перемещения корпуса шпинделя применяются три поступательные пары, а в механизме поворотного стола — две вращательные пары.

Для построения модели образования интегрального отклонения по первичным отклонениям применительно к описанной структурной схеме пятикоординатного станка достаточно описания первичных отклонений звена — ползуна, перемещение которого осуществляется приводом по программе "поступательная пара", и звена — круглого стола, поворот которого осуществляется приводом по программе "вращательная пара".

На рис. 2 представлена типичная схема привода подачи по линейной координате X [10]. Если бы привод подачи по координате X был идеальным, то стол находился бы точно в номинальном положении хн. При неидеальном приводе подачи стол в направлении оси X будет находиться в действительном положении хд с отклонением 8х(х) = хд — хн. Наряду с этим стол одновременно со стойкой образует поступательную пару, в которой действительные сопрягающиеся поверхности имеют отклонения от идеальных (номинальных). Соответственно, как твердое тело в пространстве, в общем случае стол будет иметь также отклонения по другим пяти координатам (У, А, В, С).

На рис. 3 представлены первичные отклонения в положении стола (ползуна), перемещаемого по программе по прямолинейным направляющим (линейная координата х)

([6] и в соответствии с ISO 230-1): линейные отклонения 8х, 8y, 8z вдоль X, Y, Zи угловые отклонения ax, ay, az (повороты вокруг осей X, Y, Z). Эти отклонения являются первичными отклонениями звена — ползуна.

Для построения модели интегрального отклонения по первичным отклонениям удобно пользоваться уравнениями отклонений 8х(хн), 8у(хн), 8г(хн), ах(хн), ау(хн), аг(хн) в функции координаты хн невозмущенного (номинального) поступательного движения ползуна относительно неподвижной системы координат, связанной со стойкой.

В соответствии с [11, с. 315] переход тела из одного положения в другое смежное может быть совершен при помощи различных поступательных перемещений, зависящих от выбора той точки тела (полюса), перемещение которой определяет поступательное перемещение. Из этого следует, что при проведении измерений отклонений 8х(хн), 8у(хн), 8г(хн), ах(хн), ау(хн), аг(хн) нужно иметь в виду, что они относятся к определенному полюсу и все измерения нужно проводить относительно этого полюса P (рис. 3). Полюс P находится в точке пересечения линий измерений. В эту же точку помещается начало Ol системы координат XlYlZl, связанной с ползуном. При переходе к другому полюсу полученные результаты измерений необходимо пересчитать в соответствии с координатами старого и нового полюса и положения осей поворота.

Таким образом, исходной информацией для построения модели интегрального отклонения для стола (ползуна 1) на направляющих (поступательная пара 6) является (рис. 3): отклонение 8х(хн) = хд — хн при позиционировании вдоль координаты X (EXX, линия 5); отклонение от прямолинейности 8у(хн) в плоскости XY (EYX, линия 7); отклонение от прямолинейности 8г(хн) в плоскости XZ(EZX, линия 3); поворот ах(хн) вокруг оси X(EAX, линия 4); поворот ау(хн) вокруг оси Y(EBX, линия 8); поворот аг(хн) вокруг оси Z (ECX, линия 2); координаты линий измерения линейных отклонений 8х(хн), 8у(хн), 8г(хн), принимая, что полюс перемещений находится в точке их пересечения.

Вращательная пара. Аналогичный подход к описанию первичных отклонений можно применить к механизму привода подачи по угловой координате.

На рис. 4 представлены схемы различных конструкций поворотных столов, имеющих две степени подвижности. На рис. 4, а представлен поворотный стол консольной конструкции станка мод. МС-300, а на рис. 4, б поворотный стол глобусной конструкции станка мод. МС-700 (1 — планшайба, 2 — корпус планшайбы).

о

////// I I

3

2

/ Система

ф = Фн ЧПУ

Фи

J3,

0

И

о

о

1

ток

Рис. 5. 1 — программа — ведущее звено механизма "привод подачи по координате С", 2 — тахогенератор обратной связи по скорости; 3 — двигатель поворота планшайбы; 4 — планшайба, несущая обрабатываемую деталь — выходное звено; 5 — датчик угла поворота

ECC

Рис. 6

Планшайба предназначена для поворота обрабатываемой детали по координате C. Поворот корпуса планшайбы в зависимости от конструкции стола осуществляется либо вокруг оси Y(

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком