Перспективы применения многоступенчатых фрикционных передач для сверхпрецизионной обработки

ЛИТЕРАТУРА

1.Ермаков Ю.М. Комплексные способы эффективной обработки резанием: библиотека технолога / Ю.М. Ермаков. М.: Машиностроение, 2005. 272 с.

2.Селиванов А.Н. Обеспечение качества обработки валов из титановых сплавов методом высокоскоростного фрезерования и фрезоточения / А.Н. Селиванов, Т.Г. Насад // Вестник СГТУ. 2010. №3 (46). Вып. 1. С. 55-61.

Селиванов Александр Николаевич -

аспирант кафедры «Технология электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета

Selivanov Aleksander Nikolaevich -

Postgraduate Student of the Department of «Technology of Electro-chemical and Electro-physical Processing Methods» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University

Насад Татьяна Геннадиевна -

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Технология электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета

Nasad Tatiyana Gennadievna -

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Technology and Equipment of Electro-chemical and Electro-physical Processing Methods» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University

Торманов Сергей Яковлевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в

Tormanov Sergei Yakovlevich -

candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of «Technology and Equipment of Electro-chemical and Electro-physical Processing Methods» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University

щю 13.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011

УДК 621.9.06.08

Е.А. Сигитов, М.В. Виноградов

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ ДЛЯ СВЕРХПРЕЦИЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

Рассмотрены состояние и перспективы применения многоступенчатых фрикционных передач для сверхпрецизионной обработки.

Фрикционная передача, сверхпрецизионная обработка, точность

E.A. Sigitov, M.V. Vinogradov

PERSPECTIVES OF APPLICATION OF MULTISTAGE FRICTION GEARS FOR SUPERPRECISION HANDLING

Are considered a condition and perspectives of application of multistage friction gears for superprecision handling

Friction gear, superprecision handling, exactitude

Сверхпрецизионной принято называть обработку, которая в данный период времени обеспечивает предельно возможную точность. По мере развития науки и техники верхний предел достижимой точности непрерывно повышается. В настоящее время стало возможным вести обработку с точностью размеров до 0,01 мкм. Шероховатость обработанной поверхности может составлять всего 0,001 мкм, т.е. 1 нм. Потенциально достижимая точность механической обработки со снятием стружки составляет 10 ангстрем [1]. По мере повышения верхнего предела точности сверхпрецизионной обработки повышается предел точности как «прецизионной», так и «нормальной» механической обработки. Возможность обработки со сверхпрецизионной точностью зависит от решения целого комплекса вопросов. Необходимо не только сверхпрецизионное оборудование, но и соответствующие режущий инструмент и измерительные средства. Многое зависит от свойств материала заготовки, режимов обработки, окружающей среды.

В современном автоматизированном прецизионном технологическом оборудовании и контрольно-измерительных машинах все более широко применяются многоступенчатые фрикционные передачи, позволяющие при определенных условиях обеспечить показатели точности, недостижимые с помощью других механических передач. Например, применение многоступенчатых фрикционных передач в металлорежущих станках (MFC) обеспечивает значительное упрощение кинематических цепей, высокий кпд (до 98%), отсутствие люфтов, приемлемую технологичность, низкий уровень вибраций, плавность перемещений [2].

Фрикционный электромеханический привод используется во многих сверхточных станках, в т.ч. уникальных. По принципу действия фрикционная передача, преобразующая вращение электродвигателя в поступательное движение рабочего органа, напоминает реечную передачу. Отличие заключается в том, что зацепление звеньев передачи осуществляется за счет сил трения. Подобные приводы применены, например, на станках мод. UDT-130B фирмы Toshiba (Япония) для точения мини-дисков [1].

Фрикционные приводы имеют высокую надежность и обеспечивают высокую точность и плавность перемещений. Фрикционными приводами оснащен один из самых крупногабаритных в мире станков модели LODTM (Large Optics Diamond Turning Machine) для алмазного точения металлических зеркал [1]. Каждый из приводов перемещений по оси X и Z станка имеет стальной ведущий ролик диаметром 50,8 мм, который находится в контакте с плоским стальным брусом шириной 25,4 мм, установленным на инструментальном ползуне или раме. При вращении ролика происходит перемещение бруса, т.е. вращательное движение преобразуется в поступательное. Если брус закреплен неподвижно на раме, то перемещается узел, в котором смонтированы опоры валика (суппорт). Обратная связь осуществляется с помощью лазерного интерферометра.

Изучение разработанных и принятых на государственном уровне стратегий структурной модернизации и развития автомобильной и аэрокосмической промышленности, а также конверсии оборонной промышленности показывает, что в соответствии с мировыми тенденциями развития технологии металлообработки и организации производства основу потреб-

ности этих отраслей будут составлять высокоточные автоматизированные виды оборудования для создания гибких быстропереналаживаемых производств. Освоение отечественными производителями указанных видов продукции не только позволит решить вопросы удовлетворения потребности и импортозамещения, но и явится базой для дальнейшего развития экспорта.

Условием повышения точности обработки являются стабильные (без автоколебаний) движения в технологических системах в соответствии с запроектированной кинематикой движения. Проблемы устойчивости технологических систем являются определяющими при проектировании и эксплуатации, особенно автоматизированных и автоматических технологических систем, так как устойчивость обеспечивает необходимую работоспособность системы, производительность труда, точность и качество поверхностей.

Системы автоматического управления по отклонению выходной величины содержат измерительные устройства для определения величины регулируемого параметра, усилительные устройства для преобразования и усиления сигналов рассогласования, исполнительный механизм для автоматической компенсации возникающих погрешностей обработки. Особенности обработки резанием приводят к значительным трудностям при создании измерительного устройства и исполнительного механизма. Эти трудности обусловливаются большой шероховатостью обработанной поверхности, значительными окружными скоростями детали и силами резания, необходимостью защиты приборов от стружки, невозможностью использования уже имеющихся штатных узлов станка для исполнительного механизма.

Необходимо отметить некоторые основные особенности процессов обработки резанием как объекта автоматического управления:

- многофакторность процесса, т.е. наличие большого числа возможных управляющих воздействий и выходных параметров;

- нелинейность большинства характеристик связи между входными и выходными переменными процесса и отсутствие между ними строгих аналитических зависимостей;

- нестационарность статических и динамических характеристик процесса;

- неконтролируемость ряда выходных параметров из-за отсутствия конструкций соответствующих измерительных преобразователей;

- наличие технологических и технических ограничений на действие управляющих воздействий;

- высокий уровень помех при измерении некоторых переменных, обусловленный наличием сходящей стружки, СОЖ, вибрациями узлов технологической системы.

Перечисленные особенности должны учитываться при разработке специальных технических диагностирующих и управляющих средств.

Переход к работе станков в режим безлюдной технологии, т.е. без непосредственного участия человека в технологическом процессе, а только в качестве наблюдающего за состоянием станков невозможен без использования систем, управляющих процессом резания, по крайней мере, по параметрам точности и стабильности технологических операций.

Таким образом, системный подход к проблеме качества заключается в комплексном решении задач нелинейной механики металлорежущих станков, моделировании и управлении точностью процессов резания.

Развитие нанотехнологий потребовало от станкостроителей создания принципиально нового сверхпрецизионного металлообрабатывающего оборудования. Современные параметры, обеспечиваемые сверхпрецизионной обработкой резанием: точность обработки 0,01-1 мкм; шероховатость обработанной поверхности Яа=0,001 мкм. Для деталей электронной и аэрокосмической промышленности точность обработки еще выше (0,005-0,1 мкм).

Для более точного исследования вышеуказанной проблемы необходимо учитывать влияние упругого звена, образованного ротором двигателя и присоединенной к валу инерци-

онной нагрузкой. Динамическую систему момент инерции двигателя - вал двигателя - момент инерции нагрузки можно представить системой с упругой связью. Жесткость конструкции приводов, предназначенных для работы в широкой полосе пропускания частот, должна определяться с учетом устойчивости системы электропривода.

Основные требования к современным станочным электроприводам сводятся к обеспечению необходимого диапазона и точности регулирования частоты вращения исполнительного двигателя, снижению её неравномерности, получению высоких динамических характеристик. Для повышения качества обработки деталей на металлорежущих станках необходимо обеспечить равномерное перемещение в широком диапазоне регулирования скорости механизмов подач. При работе электропривода механизма подачи на низких частотах вращения к валу электродвигателя прикладывается нагрузка в виде момента сухого трения, ухудшающая его равномерность движения.

Качество привода подачи во многом определяет качество обработанных поверхностей. Оценка качества привода на стации проектирования и отладки позволяет выявить его слабые стороны и учесть их возможное влияние на процесс обработки.

Традиционно для управления подачей в прецизионном станке используют приводы на основе шариковых винтовых пар (ШВП). Такие приводы находятся на пределе своих возможностей. Тем более не приходится ожидать высокой точности позиционирования, если в кинематической цепи привода, основанной на ШВП, присутствуют ременная или зубчатая передачи. На точности также очень сильно сказывается большая инерционность всего привода. При каждой остановке движения в ШВП присутствуют нежелательные деформации частей привода. Они приводят к износу сопрягаемых элементов в процессе эксплуатации и потере исходной точности. Следует заметить, что ремонт изношенного привода ШВП или замена его на новый - процедура крайне сложная и, что самое важное, очень дорогая. Её некачественное проведение может значительно снизить получаемую точность. ШВП имеет свои пути эволюции. Так, например, для ликвидации зазоров в соединение винта с гайкой вводятся специальные устройства натяга соединения. Ходовые винты особо точных станков изготавливают по классу эталонных, погрешности шага винтов пытаются скомпенсировать системами компенсаторов, в борьбе с температурными деформациями создаются невероятно сложные системы охлаждения и т. д. Но даже при таком обилии средств борьбы с недостатками приводов ШВП невозможно серьёзно улучшить их эксплуатационные свойства.

Наиболее существенным недостатком линейных приводов является низкое тяговое усилие. Повышение мощности, подаваемой на обмотки статора, как правило, приводит к незначительному увеличению тягового усилия и к значительному перегреву обмоток, что негативно сказывается на ресурсе линейного двигателя и точности перемещений. Выходом из этой ситуации становится установка нескольких ЛД для организации движения по одной оси.

В ряде работ рассматривались вопросы точностных характеристик приводов подач, однако в приложении к прецизионной токарной обработке малогабаритных деталей с использованием многоступенчатых фрикционных передач (МФП) в приводах подачи они требуют более детального рассмотрения. Применяемый в токарных модулях ТПАРМ-100 привод подачи имеет в своей основе многоступенчатую фрикционную передачу, содержащую фрикционный редуктор и фрикционную передачу ролик-шток для преобразования вращательного движения в поступательное [2]. Использование жесткой обратной связи позволяет свести статическую ошибку к величине, определяемой разрешающей способностью лазерного интерферометра, используемого в качестве датчика обратной связи в приводе подачи модуля (рис. 1). Величина скольжения зависит от параметров МФП (перекос осей и т.п.), которые в процессе работы меняются незначительно, и от величины передаваемого момента [3]. Очевидно, что величина скольжения не может быть определена на стадии проектирования и учтена для каждого конкретного случая. Таким образом, реальные условия работы МФП делают её амплитудные характеристики неста-

бильными, причем в режиме резания наибольшее воздействие на изменение характеристик будет оказывать сила резания, поведение которой носит существенно нелинейный характер. Количественная оценка общей связи силы резания со скольжением не представляется возможной, поэтому математическую модель, описывающую динамические процессы в МФП, можно составить только для определенных областей режимов работы, где возможно делать определенные допущения. При составлении расчетной схемы обычно скорости всех элементов приводят к одной скорости, чаще всего к скорости входного вала [3].

Приведение 1-го элемента, движущегося с угловой скоростью к скорости щ осуществляется по формулам

¿пр1 = ,

где /1; = щ/сог - передаточное число от вала приведения к г-му валу передачи; I - податливость, J - момент инерции.

6 < 7

8 ....__________:

Рис. 1. Функциональная схема привода подачи: 1 - УЧПУ; 2 - регулятор положения; 3 - регулятор скорости; 4 - двигатель привода подачи; 5 - тахогенератор; 6 - фрикционная передача; 7 суппорт; 8 - лазерный интерферометр

Предварительный анализ показал, что предельная частота привода ограничена величиной 20 Гц, то есть низкочастотным диапазоном. Это дает возможность свести расчетную схему (рис. 1) к трехмассовой системе с упругодемпфирующими связями. Эквивалентные (приведенные) коэффициенты демпфирования И„р рассчитываются как при последовательном соединении элементарных звеньев

1 п 1

ТТ = 2 ТТ '

К 1=1 ^

где Т - коэффициент демпфирования г-го звена.

Анализ трехмассовой системы рассмотрен в [3]. С учетом демпфирующих связей (скольжения) модель МФП можно представить в виде системы уравнений

М - МС1 - М12 = Jl рюх,

< М 12 - Мс2 - М23 = J2 ра>2,

М23 - Мс3 = J3РЩ3.

где М12, М23 - момент упругого взаимодействия между массами J1 - J2 и J2 - J3

М12 =

М23 = Т2 Щ2 - С3 )+ С2 - Ф ) .

Мс1, Мс2, Мс3 - моменты сопротивления, действующие соответственно на массы J1, J2, J3. 148

На основании уравнений движения структурная схема привода с МФП будет иметь вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема привода с МФП

Преобразовав структурную схему, получим передаточную функцию механической части привода по управляющему воздействию при выходной переменной

Шоз(р) = (Оз(р)/М(р) =[к1к2р2+(с1к2+С2к1)р+С1С2]/рУ13:>]зр4+ {Jlh2(J2+Jз)+Jзhl(Jl+J2)}p3+

+ ^1С2^1 +Jз) +JзСl

Электрическая и механическая части привода объединяются в единую электромеханическую систему электромеханической связью, благодаря которой движение механической части, вызванное воздействием момента двигателя, оказывает, в свою очередь, влияние на момент двигателя.

Экспериментальная проверка точности отработки заданных перемещий приводом подачи с трехступенчатой фрикционной передачей, имеющей передаточное отношение i=100, показала, что текущая суммарная погрешность позиционирования суппорта токарного прецизионого модуля TПAPM-100 при величине перемещения 10 мм составляла 0,2±0,2 мкм, что соответствует относительной погрешности 0,002%.

Измерения проводились путем контроля повторяемости перемещения суппорта по программе в заданные точки с помощью датчика Minicom (Япония) с ценой деления 0,1 мкм. Конструкция модуля включает МФП, лазерный интерферометр, газовые направляющие суппорта. Анализ результатов показал высокую повторяемость перемещений, поскольку среднее значение отклонения перемещения от заданного не превышало 0,2 мкм, а СКО среднего - 0.1 мкм [2, 3].

Аналогичные измерения проведены и на модулях ТПАРМ-100М и ТПАРМ-80, причем в регламентированных температурных условиях до 20 + 0,5°С. Результаты измерений свидетельствуют, что на упомянутых ТМ повторяемость перемещения суппорта составила 0,1...0,2 мкм при СКО 0,1 мкм; указанное соответствует требованиям к приводам подачи для обеспечения точности обработки по 1...2 квалитетам. МФП в приводах прецизионных токарных станков позволяют снизить нелинейности, связанные с особенностями зубчатых передач, и обеспечить возвратно-поступательные перемещения рабочего органа с частотой до 20 Гц (в режиме стружкодробления) с нанометровой точностью.

Использование лазерного интерферометра в качестве датчика перемещений и скорости позволяет значительно уменьшить влияние скольжения МФП на линейность характеристики привода. Если без обратной связи скольжение зависит от конструкции МФП и передаваемого момента и колеблется в пределах 0,002...0,6% [5], то в замкнутой системе его величина стремится к нулю.

Полученные в результате моделирования на ЭВМ переходные процессы для заданных значений параметров привода и при различных значениях передаточного отношения МФП показали, что привод подачи с МФП с учетом ввода корректирующего звена (интегро-дифференцирующего) с передаточной функцией Жк(р) обеспечивает высокое быстродействие и повышение точности позиционирования с увеличением передаточного отношения МФП. Экспе-

риментальная проверка возможности использования МФП для достижения нанометровой точности проводилась путем установки на модуль ТПАРМ двух последовательно соединенных трехступенчатых фрикционных передач с общим передаточным отношением 10000. Такое исполнение привода с коэффициентом передачи 6 мкм на оборот входного вала обеспечивало дискретность задания перемещения - 0,01-0,025 мкм [4]. Результаты эксперимента подтвердили возможность использования МФП в приводах подачи сверхпрецизионных станков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Петров Н. А. Состояние и перспективы развития технологии и оборудования для сверхпрецизионной обработки: аналитический обзор / Н.А. Петров. М.: ВНИИТЭМР, 1991. 44 с.

2. Игнатьев А.А. Привод подачи с многоступенчатой фрикционной передачей для прецизионного токарного ГПМ / А.А. Игнатьев, М.В. Виноградов, Е.А. Сигитов // СТИН. 2004. № 11. С. 7-12.

3. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков. Ч. 3 /А.А. Игнатьев, В.А. Добряков, М.В. Виноградов, В.В. Бондарев, В.В. Горбунов. Саратов: СГТУ, 1999. 124 с.

4. Виноградов М.В. Обеспечение нанометровой точности формообразующих перемещений рабочих органов прецизионных автоматизированных станков: монография / М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.А. Сигитов. Саратов: СГТУ, 2011. 102 с.

Сигитов Евгений Александрович -

кандидат технических наук, директор ЗАО «НПК Прецизионного оборудования», г. Саратов

Виноградов Михаил Владимирович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета

Sigitov Evgenie Aleksandrovich -

Candidate of Technical Sciences, the Director of Joint-Stock Company «NPК the Precision eguipment», Saratov

Vinogradov Michael Vladimirovich -

Candidate of Technical Sciences, the senior lecturer of chair «Automation and management of technological processes» the Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 04.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011

УДК 629.621.018.66

К.Л. Слитников, И.К. Данилов, А.П. Беликов

ПЛАНИРОВАНИЕ РЕМОНТНЫХ ЦИКЛОВ ДВС И ОЦЕНКА ИХ ТРУДОЕМКОСТИ СЕТЕВЫМИ МЕТОДАМИ

Рассматривается планирование ремонтных циклов ДВС сетевыми методами, учитывающими параллельные процессы восстановления работоспособности. Обосновывается экспоненциальный характер трудоемкости ремонтных воздействий, которая может использоваться при оценке ремонта нормо-часами.

Сеть, система, сервис, ДВС, цикл, метод