Применение современных систем автоматизированного проектирования обработки и контроля деталей с периодическими дорожками

УДК 621.83.06

А. В. Капитонов, Р. А. Калентионок, А. М. Пашкевич

ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБРАБОТКИ И КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ С ПЕРИОДИЧЕСКИМИ ДОРОЖКАМИ

UDC 621.83.06

A. V. Kapitonov, R. A. Kalentionok, A. M. Pashkevich

APPLICATION OF MODERN CAD SYSTEMS IN PROCESSING AND MONITORING COMPONENTS WITH PERIODIC RACEWAYS

Аннотация

Рассмотрены разработанные методы наладки технологического оборудования и контроля периодических дорожек планетарных кулачковых передач, которые позволяют проектировать и изготавливать их с заданной точностью, высокой производительностью, а также оценивать их геометрические параметры без проектирования специальных контрольных приспособлений. Разработана компьютерная программа для анализа массива выходных данных точек поверхности дорожки, полученных после изготовления и измерения на координатно-измерительной машине, дающая возможность рассчитать погрешности формы дорожки и произвести оценку ее геометрических параметров.

Ключевые слова:

обработка и контроль деталей, периодическая дорожка, наладка, программирование, измерительная система.

Abstract

The paper presents the techniques developed for adjusting technological equipment and monitoring periodic raceways of cam-based planetary gear trains, which make it possible to design and manufacture gear trains with specified accuracy and high productivity, and to evaluate their geometric parameters without developing special control devices. A computer program has been developed to analyze the output data set for points of the raceway surface obtained after manufacturing and measuring in a coordinate measuring machine, to calculate errors in the shape of the raceway and to estimate its geometric parameters.

Key words:

machining and control of parts, periodic raceway, adjustment, programming, measuring system.

Периодические дорожки планетарных кулачковых передач выступают наиболее важными элементами их конструкции. Они в немалой степени влияют на эксплуатационные характеристики передачи, в связи с чем к ним предъявляются высокие требования геометрической точности их профиля, так как по периодическим дорожкам перемещаются сателлиты (шары или цевки) с большими скоростями и ускорениями.

Для обеспечения высокой точности изготовления дорожек необходимо использовать современные системы автоматизированного проектирования [1, 2].

При проектировании технологии изготовления деталей с периодическими дорожками планетарных кулачковых передач были применены существующие современные методы обработки и контроля изделий на основе высокотехнологичного оборудования.

© Капитонов А. В., Калентионок Р. А., Пашкевич А. М., 2017

Наладка технологической системы для обработки периодических дорожек

На рис. 1 представлены компьютерная модель детали с замкнутой периодической дорожкой криволинейной формы кулачковых передач с промежуточными телами качения и схема наладки технологической системы для фрезерования дорожки.

При данном способе наладки оператор устанавливает заготовку в самоцентрирующий патрон. Затем при помощи управляющего устройства, предусмотренного конструкцией станка, перемещает инструмент до касания точек А и В. При касании в точке на панели отображается фактическое значение координат Х и 2, которые вносятся оператором в память инструментального магазина.

Рис. 1. Компьютерная модель детали с периодической дорожкой и схема наладки для ее обработки

Далее в автоматическом режиме система управления станка делает коррекцию на диаметр фрезы и ее геометрические параметры. Приведенный метод наладки имеет некоторые недостатки, связанные с вероятностью ошибки

оператора. При подводе инструмента к контрольной точке существует риск повреждения инструмента, если оператор вовремя не остановит его подачу и совершит удар о заготовку.

При обработке периодических

дорожек деталей кулачковых передач использовались концевые фрезы, материал режущей части - твердый сплав. Для установки фрез применялись фрезерные оправки [3], в которых основными элементами для базирования и закрепления являются конус, кольца и зажимная часть (рис. 2). При этом рассматривались следующие типы конусов: 7:24, конус Морзе, ИБК. На практике в большей степени используется

первый тип. В станках, оснащённых высокоскоростными шпинделями

(свыше 15000 об/мин), чаще применяется последний тип. Кольца необходимы для захвата инструмента манипулятором магазина в соответствии с различными стандартами (MAS 403 BT, DIN 69871-1, Yamazaki и др.). Закрепляющая часть предназначена для зажима инструмента и может иметь разнообразную конструкцию.

Рис. 2. Схема оправки для установки фрез

Обработка дорожек проводилась фрезами диаметром до 20 мм с применением цанговых патронов (рис. 3, а), которые обеспечивают достаточную жёсткость закрепления для данной обработки. Биение установленных фрез в патронах не превышало 0,02 мм. Использовались цанги типа ЕЯ, которые имеют 2 конуса (рис. 3, б).

При шлифовании дорожек и работе с высокими частотами вращения шпинделя (более 10000 об/мин) одним из основных требований к оправкам являются высокие и стабильные усилия закрепления и минимальное биение инструмента. Им соответствуют оправки с гидропластом, гидромеханическим зажимом и термическим зажимом [3].

Применение CAM-систем при

программировании обработки

Разделим все виды фрезерной обработки дорожки по количеству одновременно программируемых осей. Простейший уровень - 2 или 2,5 оси. Основные операции - это обработка по контуру. В данном случае программируются перемещения по осям X, Y и позиционирование по оси Z. Использовалась программа MasterCam (MC), которая имеет модуль Mill для фрезерования. Геометрия обрабатываемой детали создавалась средствами самого MC, также можно ее создать любой системе CAD. Во втором случае необходимо транслировать контуры или 3D-модель в MC.

а)

б)

Рис. 3. Цанговый патрон для установки фрез: а - цанговый патрон; б - цанга типа ЕЯ

Создание моделей обработки и ее программирование осуществлялось в следующей последовательности: указывался обрабатываемый контур; выбирался режущий инструмент; задавались режимы резания и условий обработки

(рис. 4 и 5). Также задавались такие параметры, как: тип фрезерования -встречное, попутное; включение (или отключение) коррекции радиуса инструмента; количество проходов по глубине и вдоль контура и т. д.

Рис. 4. Задание параметров в модуле Mill при программировании и моделировании обработки периодических дорожек

Рис. 5. Задание параметров в модуле Mill при программировании обработки периодических дорожек

Все операции сводятся в так называемое дерево операций, где с ними можно совершать разные действия (редактирование, удаление, изменение порядка) (см. рис. 5). Затем выполняется проверка созданной траектории в различных режимах (двухмерном и твёрдотельном), благодаря чему можно рассмотреть получившуюся деталь на экране после моделирования обработки. На последнем этапе производится трансляция в автоматическом режиме программы обработки дорожки из внутреннего языка САМ-системы в управляющие коды станка с помощью специализированного конфигурационного файла - постпроцессора.

Применение измерительной системы станков с ЧПУ для наладки инструмента

Обработка детали с периодической дорожкой выполнялась на токарном об-

рабатывающем центре М^ак, оснащенном высокоточным измерительным приспособлением - измерительной рукой для многоцелевых токарных центров производства фирмы ЯешвЬа'. Отводимая вручную рука ЯешвИа' серии НРЯА имеет высокую точность позиционирования (рис. 6).

При наладке инструмента определяется его длина от базовой поверхности шпинделя с целью задания коррекции на длину и для проверки допуска на длину. Задается коррекция на размер инструмента. Приспособление позволяет проводить наладку инструмента диаметром от одного миллиметра с точностью позиционирования один микрометр; нагрузка, прикладываемая на датчик, составляет от 1,5 до 3,5 Н. На рис.7 показан местный вид приспособления для наладки фрезы.

При использовании данного приспособления наладка происходит следующим образом.

Рис. 6. Общий вид приспособления Renishaw серии ИРЯЛ для наладки инструмента

Оператор устанавливает заготовку в трехкулачковый патрон. Затем выбирает необходимый инструмент из инструментального магазина. Далее переводит станок в режим наладки и отво-

дит измерительную руку. При помощи управляющего устройства станка перемещает инструмент до касания измерительных датчиков по осям Х и Ъ соответственно, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Местный вид приспособления Renishaw серии ИРЯЛ для наладки фрезы

При касании инструментом измерительного датчика с заданным усилием происходит фиксирование координат точек режущей кромки в памяти станка относительно его начала координат и тем самым описывается положение инструмента в системе координат станка. В автоматическом режиме выполняется коррекция длины вылета инструмента из державки и радиуса режущих граней инструмента. При этом способе наладки положение режущего инструмента задается с высокой точностью и без возможных рисков повреждения во время наладки как инструмента, так и самой заготовки.

Метод контроля профиля периодической дорожки

Точность изготовления профиля центрального колеса кулачково-плун-жерной передачи в наибольшей степени влияет на ряд ее эксплуатационных характеристик [4-6]. Периодический профиль дорожки центрального колеса образуется фрезерованием концевой фрезой на станке с ЧПУ. При фрезеровании ось фрезы перемещается по периодической кривой, описываемой уравнением согласно [4]. Центральное колесо представляет собой тело вращения со сложным внутренним профилем (рис. 8).

Рис. 8. Чертеж центрального колеса с периодическим профилем дорожки

Для обеспечения необходимых рабочих параметров в качестве материала для конструкции колеса выбрана сталь 40ХЛ ГОСТ 977-75.

Разработан метод контроля и оценки точности геометрических параметров периодической дорожки колеса с использованием координатно-измерительной машины DuraMax (Zeiss). В результате оценки формы профиля был получен массив коорди-

нат точек, определяющий контур детали после обработки, на основе которого производились вычисления погрешностей профиля.

Для анализа и расчета отклонений профиля была разработана программа в среде программирования VBA. На рис. 9 показано окно программы с полученными координатами реального профиля и рассчитанными значениями его погрешностей. Программа позволяет

рассчитать и построить контур, задаваемый уравнением согласно [4], и сравнить его геометрию с профилем, полученным при фрезерной обработке на токарном обрабатывающем центре Mazak Smart 100.

Исходя из расчетных данных, была построена круговая диаграмма, отражающая фактический профиль детали. По результатам вычислений определено максимальное отклонение полученного профиля после обработки относительно

теоретического профиля. Величина данного отклонения составила 0,2157 мм. Таким образом установлено, что поверхность периодической дорожки выполнена по 11 квалитету точности и соответствует конструкции передачи средней точности. Для повышения точности кулачковых передач и их основной детали с периодическим профилем необходимо производить отделочную механическую обработку дорожки, например, шлифование.

X V h Ф р Х2 Y* Ah

1,265222013 51,70795728 -13,54563723 51,72392715 88,52110953 48,482292 1,165682 48,46825 0,162082

1,209311154 51,71541991 -13,54835465 51,73055695 88,70543667 48,5199389 1,095195 48,50755 0,160531 Фактический контур детали

1Д17164184 51,72813578 -13,54731908 51,74019898 88,80780526 48,5657628 1,010481 48,55525 0,158722 -SB—

1,030449294 51,73519261 -13,54812201 51,74645352 88,90403855 48,6089573 0,929753 48,60005 0,156875

0,941902352 51,74179979 -13,54822044 51,75037222 89,00222792 48,6531404 0,847234 48,64576 0,154862

0,842991078 51,74760531 -13,54968801 51,7544712 89,11188403 48,7026078 0,754898 48,69675 0,152593

0,555589816 51,7576092 -13,55018361 51,75176233 89,31946883 48,7955821 0,579579 48,79314 0,148259

0,559482544 51,76257463 -13,55013898 51,75559815 89,42606922 48,8449926 0,489282 48,84254 0,14603

0,461515863 51,77115137 -13,55183009 51,77320843 89,53453721 48,8943918 0,397132 48,89278 0,143941

0,379055936 51,77537587 -13,55084184 51,77675341 89,52597114 48,9350176 0,319465 48,93497 0,142037

0,286265713 51,77524171 -13,54256234 51,77703307 89,72870797 48,9829079 0,231941 48,98235 0,139706

0,199533956 51,77807878 -13,5460471 51,77845324 89,82474004 49,0257966 0,149977 49,02657 0,137583

0,098820831 51,77321554 -13,5357529 51,77331085 89,93623089 49,0778133 0,054634 49,07778 0,134775

-0,032995853 51,77502513 -13,53559933 51,77503564 89,9908846 49,102844 0,007823 49,10284 0,13361

-0,093493581 51,77517175 -13,55012878 51,77625615 90,05786474 49,1335376 -0,04961 49,13351 0,132136

-0,215252641 51,77121026 -13,54127714 51,77165774 90,19259386 49,1953737 -0,15544 49,1951 0,128814

-0,316125463 51,77381539 -13,54206858 51,7747815 90,30436697 49,2466311 -0,2615 49,24594 0,125408

-0,407747538 51,77258181 -13,54900378 51,77418744 90,40581837 49,2932207 -0,34912 49,29198 0,124048 --м—

-0,50935769 51,77101367 -13,55036228 51,77351931 90,51833353 49,3449087 -0,44639 49,34289 0,121431

-0,501375494 51,76742279 -13,54832363 51,77091572 90,52025724 49,3917389 -0,53467 49,38884 0,118959

-0,594323443 51,76351183 -13,54861734 51,76815823 90,72322541 49,4390489 -0,62402 49,43511 0,115456

-0,794929504 51,75958804 -13,54857569 51,75569199 90,83458395 49,4902509 -0,72094 49,485 0,113772 ж—-

-0,898761224 51,75733771 -13,54853897 51,75514057 90,94959223 49,5430637 -0,82114 49,53625 0,111104

-0,986096983 51,75252847 -13,54871388 51,7619222 91,04649201 49,5874917 -0,90564 49,57922 0,108722

Ï1 7/Л5ПЧОС

Рис. 9. Окно программы VBA с круговой диаграммой периодического профиля дорожки

Заключение

1. Применение современного технологического оборудования позволило минимизировать погрешность формы периодических дорожек деталей планетарных кулачковых передач.

2. Использование при программировании станочного оборудования современных CAM-систем дало возможность оптимизировать временные затраты и упростить до минимума создание программы обработки сложного периодического контура дорожки.

3. Разработанная компьютерная программа для анализа массива выходных данных точек поверхности дорожки,

полученных после изготовления на токарном обрабатывающем центре и измерения на координатно-измерительной машине, позволяет рассчитать погрешности формы дорожки и произвести оценку ее геометрических параметров.

4. Использованные и разработанные методы наладки технологического оборудования и контроля периодических дорожек дают возможность проектировать и изготавливать их с заданной точностью, высокой производительностью, а также оценивать их геометрические параметры без проектирования специальных контрольных приспособлений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кондаков, А. И. САПР технологических процессов : учебное пособие / А. И. Кондаков. -Москва : Академия, 2008. - 272 с.

2. Малюх, В. Введение в современные САПР / В. Малюх. - Москва : ДМК Пресс, 2012. - 192 с.

3. Технологическая оснастка : учебное пособие для вузов / В. Е. Антонюк [и др.] ; под ред. В. Е. Антонюк. - Минск : Изд-во Гревцова, 2011. - 375 с.

4. Капитонов, А. В. Компьютерное 3Б-моделирование конструкций и кинематических параметров планетарных малогабаритных передач / А. В. Капитонов, К. В. Сасковец, А. И. Касьянов // Вестн. Полоцкого гос. ун-та. - 2016. - № 11. - С. 34-40.

5. Капитонов, А. В. Методы контроля геометрических параметров деталей с многопериодными дорожками / А. В. Капитонов // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2011. - № 3. - С. 40-46.

6. Автоматизированное проектирование конструкций малогабаритных радиально-плунжерных редукторов с использованием современных САПР / А. В. Капитонов, К. В. Сасковец, А. И. Касьянов, Д. В. Лешко, П. А. Фильченко // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2015. - № 3. - С. 25-32.

Статья сдана в редакцию 21 июля 2017 года

Александр Валентинович Капитонов, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-298-36-97-41.

Роман Александрович Калентионок, аспирант, Белорусско-Российский университет.

Александр Михайлович Пашкевич, канд. техн. наук, Белорусско-Российский университет.

Тел.: +375-291-29-43-91.

Aleksandr Valentinovich Kapitonov, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +375-298-36-97-41.

Roman Aleksandrovich Kalentionok, PhD student, Belarusian-Russian University.

Aleksandr Mikhailovich Pashkevich, PhD (Engineering), Belarusian-Russian University. Phone: +375-291-29-43-91.