научная статья по теме ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ ТОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ ТОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 4, 2015

УДК 621.9.06.61

© 2015 г. Кузнецов А.П.

ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ ТОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Московский государственный технологический университет "СТАНКИН", г. Москва

Рассмотрены вопросы влияния тепловых факторов при работе металлорежущих станков на их выходные параметры точности. Приведены взаимосвязи и уровень воздействия случайных и систематических составляющих погрешностей. Разработана система управления точностью металлорежущего станка при случайных тепловых воздействиях.

Высокие требования к параметрам точности, обрабатываемым на станках изделий, обусловливают необходимость постоянного увеличения точности самих металлорежущих станков, систем и методов управления и обеспечения выходных параметров точности станков. Инженерами и специалистами постоянно проводятся работы как по достижению требуемых параметров точности обработки, так и станков на всех этапах их жизненного цикла — при проектировании, производстве и промышленной эксплуатации станков. Диапазоны предельных значений точности обработки деталей в различных отраслях промышленности приведен в работах [1, 2].

Характер и уровень изменения достижимого уровня точности (рис. 1) для различных методов обработки (резание, шлифование, полирование и т.п.) приведен в [3] (по данным Норио Танигучи, 1996 г.) и охватывает период времени с 1900 г. по настоящее время, а повышение точности станков в течение последнего столетия (данные табл. 1 приведены в работе [4], в которой сведения о величине точности обработки получены экстраполяцией на основании величин точности диаграммы Танигучи Н. (рис. 1)). Прогресс в обеспечении требуемой точности обработки потребовал, соответственно, и развития методов моделирования, оценки и управления точности металлорежущих станков. Например, скачок в повышении точности в период 1960—1980 гг. обеспечили новые подходы в объяснении и формировании параметров и характеристик точности, их взаимосвязей и взаимовлияний на конечные выходные показатели.

В табл. 2 для логического сопоставления с показателями и тенденциями развития точности (табл. 1) приведены (на основе анализа открытых и доступных источников) предложенные авторами основные методы оценки точности станков. Следует также отметить, что уровень достижимой точности имеет случайный, вероятностный характер и в большинстве случаев подчиняется нормальному закону распределения (рис. 1). Этот факт обусловливается большим количеством параметров и факторов, случайным образом оказывающим своё влияние на точность обрабатываемой детали, а их природа, степень влияния и сочетание воздействий или изменений не всегда могут быть заранее и достаточно точно описаны и определены. Непосредственная оценка характеристик точности станка дает возможность проводить качественное и количественное определение влияния различных конструктивных, технологических и иных факторов

Рис. 1. Характер изменения уровня точности обработки по годам [3]: 1 — стандартная обработка; 2 — прецизионная обработка; 3 — высокоточная обработка; 4 — сверхвысокоточная обработка; I — точение; II — шлифование; III — доводка; IV — полирование; V — ультрапрецизионные виды; VI — нанообработка

на точность обрабатываемых изделий и создает все необходимые предпосылки для разработки средств и методов управления рассматриваемыми свойствами точности станка при проектировании, изготовлении и эксплуатации. Однако эта оценка точности станка не может гарантировать стабильную точность обработки в определенном диапазоне даже на станках, выпускаемых одним заводом. Характерные кривые распределения к-й характеристики точности станка и этой же характеристики точности для группы однотипных станков приведены в [5].

Таблица 1

Вид обработки 1920 1940 1960 1980 2000 2020 (прогноз)

Нормальная, мкм - 60 30 5 1 0,1

Точная, мкм - 75 5 0,5 0,1 0,03

Высокоточная, мкм (прецизионная) 75 5 0,5 0,05 0,01 >0,003

Сверхточная, мкм (ультрапрецизионная) 5 0,5 0,05 0,005 0,001 <0,3 нм

Таблица 2

Автор Год Метод исследования, анализа и оценки

Бруевич Н.Г. 1946 Вариация функции входных и выходных параметров

Соколовский А.П. 1952 Статистические методы оценки точности и её составляющих

Балакшин Б.С. 1957 Размерные цепи

Проников А.С. 1971,1982 Вероятностная модель изменения точности во времени. Программный метод испытаний

Schultchik R. 1977 Векторный анализ объемной точности

Базров Б.М. 1978 Метод координатных систем с деформируемыми связями

Кузнецов А.П. 1979,1983 Образование, деформация и искажения геометрических образов

Donaldson R. 1980 Анализ составляющих погрешностей

Knapp W. 1983, 1998 Статистические методы, методы повышения геометрической точности

Weck M. 1984 Методология точности станков

Косов М.Г. 1985 Метод гранично-объемных конечных элементов

Решетов Д.Н., Портман В.Т. 1986 Вариационный метод расчета поведения станков

Scheiekens P.H.J. 1986 Моделирование точностного поведения станков

Donmez M. 1986 Преобразование форм соединительных элементов

Theuws 1991 Однородные преобразования координатных систем

Slocum A. 1992 Однородные преобразования координатных систем

Soons J.A. 1992 Термомеханический анализ квазистационарного состояния

Kiridena V.S.B. 1993 Кинематика твердого (rigid) тела (квазистатическая) и однородные преобразования координатных систем

Soons H. 1993 Однородные преобразования координатных систем

Moriwaki T., Sugimura N., Miao Y. 1993 Точность движений формообразования (shape generation) на основе однородных преобразований координатных систем

Chen J. 1993, 1996 Кинематика твердого тела, нейронные сети

Ferreira P.M. 1994 Кинематика твердого тела (квазистатическая) и однородные преобразования координатных систем

Nakazawa H. 1994 Принципы прецизионного проектирования на основе независимых функций и состояний

Spann H.A.M. 1995 Однородные преобразования координат. Программный метод компенсации

Hohg, Ehmann 1995 Система поверхностных форм

Yang H. 1996 Нейронные сети

Ni J. 1997 Преобразование координатных систем, авторегрессионный анализ

Inasaki I., Kishinami K., Sakamoto S., Takeuchi Y., Tanaka F. 1997 Теория движений формообразования (shape generation)

Таблица 2 (Окончание)

Автор Год Метод исследования, анализа и оценки

Yang H., Lee 1998 Нейронные сети + система изменения и контроля

Wang et al. 1998 Теория Грей систем

Portman V., Inasaki I., Sakakura M., Iwatate M. 1998 Образование форм (form-shaping) системой станка

Okafor A.C., Ertekin Y.M. 2000 Кинематика твердого тела

Mize, Zeigert 2000 Нейронные сети

Ramesh R. 2000, 2004 Нейронные и Байесовские сети

Wang C., Svoboda O., Bach P., Liotto G. 2004 Объемные ошибки не твердого (non rigid) тела при диагональном методе их описания

Кузнецов А.П., Косов М.Г. 2012 Структурная точность металлорежущих станков на основе функций поля состояний

В общем случае математическое ожидание измеренных величин к-го параметра точности станка МХ и группы однотипных станков МХг не совпадают между собой, а

г

величина дисперсии а этого параметра точности группы станков ах превышает соответствующее значение дисперсии г -го станка ах. Отношение математических ожиданий МХг/МХ = Ам и дисперсий (оХ/ох)2 = Ла измеренных величин к -го параметра точности станка позволяет судить о стабильности процесса изготовления станков и степени влияния на к -й параметр точности станка случайных факторов. Предельным значением соотношений Ам и Аст, очевидно, следует считать значение их величины равной единице. В этом случае в процессе производства и функционирования станка стабильно обеспечивается сохранение и взаимодействие факторов, обусловливающих формирование к-го параметра точности станка. Кроме того, соотношение значений Ам = Лст = 1 практически трудно достигаемо, и можно говорить лишь о степени приближения к этой величине. В силу этого можно рассматривать лишь вопрос о вероятности нахождения к -го параметра точности в заданных пределах

/

Xв - MX ,_ Ф

Xн _ MX

Р(Хн < X < Xв) = Ф

где Хв, Хн — соответственно верхнее и нижнее допустимые значения величины к -го параметра точности.

Еще большая неопределенность будет при определении параметров точности обрабатываемых деталей, когда количество факторов, случайным образом проявляющих своё влияние на точность обрабатываемых деталей велико, а их природа и степень влияния не могут быть определены с достаточной точностью. Например, на рис. 2 приведены результаты исследования температурного смещения шпинделя вертикально-фрезерного станка при его многократных испытаниях (рис. 3, а) и аналогичные испытания группы (рис. 3, б) этой модели станков по одноименному параметру точности.

Основные показатели точности (погрешностей) металлорежущих станков, механизм их образования и влияние на них источников воздействий в процессе работы приведены[4—6] на схеме рис. 3.

Взаимосвязи показателей точности станков с параметрами, формирующими их тепловой режим можно проиллюстрировать при рассмотрении источников тепловых воздействий в соответствии с рис. 3. Источники тепловыделений, воздействуя на параметры, от которых зависит формирование теплового режима станка, приводят к по-

А, мкм

Рис. 2. Температурные смещения шпинделя А вертикально-фрезерного станка (а) и группы этой же модели станка (б). 1 — математическое ожидание; 2, 3 — соответственно, матожидание плюс и минус три среднеквадратических отклонениях

I МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЙ СТАНОК"

Рис. 3. Схема формирования погрешностей металлорежущего станка и влияния на них источников воздействий

явлению температурного поля деталей и узлов станка, которые в своей совокупности определяют температурное поле станка в целом. Сформированное температурное поле узлов и деталей станка приводит к их тепловым деформациям.

Эти деформации узлов и деталей станка, с одной стороны, формируют тепловые смещения шпинделя, а с другой стороны, изменяют некоторые частные выходные параметры станка, такие как, например, геометрическая точность, жесткость и др. [6, 7]. Все это приводит к изменению начальных показателей качества металлорежущего

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

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»