📄Работа №110495
Тема: Разработка комплексной методики определения технических характеристик малогабаритных станков
Тип работы
Магистерская диссертация
Предмет
Машиностроение
Объем:
90 листов
Год:
2020
Просмотров:
244
5500
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение
1Обзор методов диагностики и испытаний оборудования
1.1Основные положения о испытаниях и диагностике станков
1.2Точность станков
1.3Жесткость станков
1.4Методы машинного обучения
1.5Анализ точности и эффективности обработки
1.6Определение прямолинейности движения
2Динамика процесса фрезерования
2.1Общие положения
2.2Модель фрезерования
2.2Оптимизация фрезерования
3Методики испытания станков
3.1Виды испытаний и контролируемые параметры
3.2Измерение жесткости станка
3.3Определение баланса деформаций шпиндельного узла - фрезы
3.4Геометрическая точность станка
4Методика испытаний и диагностики геометрической точности
4.1Параметры точности
4.2Проверка на параллельность и перпендикулярность движения
4.3Методы и средства измерения
4.5Установка станка
4.5Подготовка проверки и настройка контрольных приборов
4.6Тест на стабильность системы
5Анализ жесткости и динамических параметров станка
Заключение
Список используемой литературы
1Обзор методов диагностики и испытаний оборудования
1.1Основные положения о испытаниях и диагностике станков
1.2Точность станков
1.3Жесткость станков
1.4Методы машинного обучения
1.5Анализ точности и эффективности обработки
1.6Определение прямолинейности движения
2Динамика процесса фрезерования
2.1Общие положения
2.2Модель фрезерования
2.2Оптимизация фрезерования
3Методики испытания станков
3.1Виды испытаний и контролируемые параметры
3.2Измерение жесткости станка
3.3Определение баланса деформаций шпиндельного узла - фрезы
3.4Геометрическая точность станка
4Методика испытаний и диагностики геометрической точности
4.1Параметры точности
4.2Проверка на параллельность и перпендикулярность движения
4.3Методы и средства измерения
4.5Установка станка
4.5Подготовка проверки и настройка контрольных приборов
4.6Тест на стабильность системы
5Анализ жесткости и динамических параметров станка
Заключение
Список используемой литературы
📖 Введение
Все больше станков различного исполнения выпускают в категории малогабаритных, портативных или настольных. Они предназначены для обработки в основном методами фрезерования пластика, дерева, цветных сплавов. Обработка заключается в формировании пазов различной конфигурации, отрезки, разрезки, гравировки. Инструмент - мелкоразмерные фрезы. При необходимости можно оборудовать такие станки головками для лазерной обработки, 3D печати полимерными материалами, контрольными головками.
Для качественной обработки такие станки должны обладать определенными конструктивными параметрами. К ним относят жесткость конструкции, жесткость сопряжений-стыков, демпфирование динамических возмущений, конструктивная точность относительных перемещений узлов станка, точность позиционирования при отработке управляющих воздействий. При этом из-за малых габаритов такие станки обладают незначительной жесткостью и при обработке возникают динамические процессы возмущений. По видам такие возмущения могут одновременно относиться к вынужденным или параметрическим колебаниям, а также к автоколебаниям.
Цель работы - комплексная систематизация требований к малогабаритным станкам портального типа, предназначенных для фрезерных и гравировальных работ и разработка методики для обеспечения и определения этих параметров для конкретного станка, разработанного в рамках проекта «Формула-станок».
Необходимо выявить закономерности в поведении формообразующих технологических подсистем при изменении их пространственных связей по перемещению, скорости, ускорению для обеспечения параметров по точности деталей.
Достижение указанной цели обеспечивается за счет решения следующих задач:
-классификации технических требований к станкам;
-анализ и расчет размерных требований в рамках размерного анализа сборочных конструкторских цепей;
-разработка методики определения геометрических параметров станка;
-разработка методики определения конструктивных параметров станка (жесткости, демпфирования);
-экспериментальное исследование жесткости, демпфирования станка;
-разработка рекомендаций по формированию технических параметров станка в виде паспорта технологического оборудования.
Гипотеза исследования состоит в том, что для эффективного использования портативных фрезерных станков с автоматизированным управлением необходимо иметь заверенные надежные данные по:
-геометрической точности;
-конструктивной и эксплуатационной жесткости в статическом и динамическом состоянии;
-надежности работы механической части и системы управления.
Теоретико-методологическую основу исследования составили технология машиностроения, теория конструирования деталей машин, размерный анализ, моделирование методом конечных элементов.
Базовыми для настоящего исследования явились также: теория конструирования станков.
Методы исследования: теоретическое моделирование, натурные
испытания.
Опытно-экспериментальная база исследования - прототип
портативного фрезерного станка.
Теоретическая значимость исследования заключается в:
-систематизации требований к портативным станкам;
-разработке методики по определению в статическом состоянии геометрических параметров портативного фрезерного станка;
-методике определения деформации в статическом и динамическом состояниях рабочего органа фрезерного станка в рабочем пространстве в зависимости от его положения направляющих элементов.
Практическая значимость исследования заключается в разработке комплексной методики для формирования геометрических характеристик станка по параллельности, перпендикулярности, стабильности позиционирование в рабочей области станка с учетом различных положений на направляющих инструментального шпинделя. Методика определения частотных характеристик собственных частот и форм колебания зависимости от позиционирования рабочего органа станка на направляющих элементах.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивались:
-основанном на реальных характеристиках станка теоретическом моделировании;
-размерным анализом для обоснования технических требований для отдельных деталей;
-использованием экспериментальных данных, полученных на реальном прототипе.
Для качественной обработки такие станки должны обладать определенными конструктивными параметрами. К ним относят жесткость конструкции, жесткость сопряжений-стыков, демпфирование динамических возмущений, конструктивная точность относительных перемещений узлов станка, точность позиционирования при отработке управляющих воздействий. При этом из-за малых габаритов такие станки обладают незначительной жесткостью и при обработке возникают динамические процессы возмущений. По видам такие возмущения могут одновременно относиться к вынужденным или параметрическим колебаниям, а также к автоколебаниям.
Цель работы - комплексная систематизация требований к малогабаритным станкам портального типа, предназначенных для фрезерных и гравировальных работ и разработка методики для обеспечения и определения этих параметров для конкретного станка, разработанного в рамках проекта «Формула-станок».
Необходимо выявить закономерности в поведении формообразующих технологических подсистем при изменении их пространственных связей по перемещению, скорости, ускорению для обеспечения параметров по точности деталей.
Достижение указанной цели обеспечивается за счет решения следующих задач:
-классификации технических требований к станкам;
-анализ и расчет размерных требований в рамках размерного анализа сборочных конструкторских цепей;
-разработка методики определения геометрических параметров станка;
-разработка методики определения конструктивных параметров станка (жесткости, демпфирования);
-экспериментальное исследование жесткости, демпфирования станка;
-разработка рекомендаций по формированию технических параметров станка в виде паспорта технологического оборудования.
Гипотеза исследования состоит в том, что для эффективного использования портативных фрезерных станков с автоматизированным управлением необходимо иметь заверенные надежные данные по:
-геометрической точности;
-конструктивной и эксплуатационной жесткости в статическом и динамическом состоянии;
-надежности работы механической части и системы управления.
Теоретико-методологическую основу исследования составили технология машиностроения, теория конструирования деталей машин, размерный анализ, моделирование методом конечных элементов.
Базовыми для настоящего исследования явились также: теория конструирования станков.
Методы исследования: теоретическое моделирование, натурные
испытания.
Опытно-экспериментальная база исследования - прототип
портативного фрезерного станка.
Теоретическая значимость исследования заключается в:
-систематизации требований к портативным станкам;
-разработке методики по определению в статическом состоянии геометрических параметров портативного фрезерного станка;
-методике определения деформации в статическом и динамическом состояниях рабочего органа фрезерного станка в рабочем пространстве в зависимости от его положения направляющих элементов.
Практическая значимость исследования заключается в разработке комплексной методики для формирования геометрических характеристик станка по параллельности, перпендикулярности, стабильности позиционирование в рабочей области станка с учетом различных положений на направляющих инструментального шпинделя. Методика определения частотных характеристик собственных частот и форм колебания зависимости от позиционирования рабочего органа станка на направляющих элементах.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивались:
-основанном на реальных характеристиках станка теоретическом моделировании;
-размерным анализом для обоснования технических требований для отдельных деталей;
-использованием экспериментальных данных, полученных на реальном прототипе.
✅ Заключение
В диссертации рассмотрена методика определения эксплуатационных характеристик малогабаритного станка портального типа для фрезерных работ. Для этого проанализированы государственные и международные стандарты по определению различных параметров станков. Данные стандарты группируются по характеристикам, которые они регламентируют. Есть отдельные стандарты для регламентации и определения точности станка, виброустойчивости, шума, точности позиционирования инструмента для автоматизированного оборудования, безопасности эксплуатации станка. С учетом специфических особенностей настольного малогабаритного станка, которые включают в себя малую конструктивная жесткость элементов станка, неопределенность геометрических параметров деталей, сделанных в условиях единичного производства, предложена упрощенная методика определения базовых параметров станка, которая включает в себя параметры по геометрической точности и жесткости станка. Для определения отклонений от параллельности и плоскостности в горизонтальной плоскости стола станка проведен цикл экспериментальных работ по определению отклонения торца инструмента относительно плоскости стола станка. Дополнительно к этому циклу работ выполнен теоретический расчет по размерному анализу сборочных конструкторских цепей. В ходе анализа получены обоснованные допуски на размеры деталей и сопряжения, которые обеспечат заданную геометрическую точность фрезерования. Также выполнен комплекс теоретических исследований методом конечных элементов по определению упругой деформации инструмента и шпиндельного узла. Для этого построена трехмерная сборочная модель. В ходе анализа она разбивалась на сетку конечных элементов, задавались граничные условия и условия нагружения. Для определения параметров жесткости по всей рабочей зоне станка проводилось измерение смещения шпиндельного узла относительно плоскости стола в девяти контрольных точках. Было произведено нагружение силами в перпендикулярных направлениях. Дополнительно к этому проведен анализ баланса деформаций инструмента и шпинделя в зависимости от геометрических размеров инструмента. Этот анализ дает границу ограничения по диаметру инструмента, выше которой необходимо учитывать жесткость несущей системы станка. Соответственно, ниже этой границы, все деформации приходятся на мелкоразмерный фрезерный инструмент. Представленная методика систематизирована в нескольких пунктах, которые определяют порядок необходимых работ по определению основных геометрических и жесткостных характеристик проектируемого станка. Данная методика требует в будущем дополнений в виде нескольких этапов, которые связаны с определением виброустойчивости, точности позиционирования инструмента в горизонтальной и вертикальной плоскостях с учетом системы управления.
Рассмотрены основные понятия, связанные с нормированием точности и других показателей, характеризующих качество металлообрабатывающего оборудования. Приводится описание базовых методов по определению прямолинейности движения рабочих органов станка. Рассмотрены основные методы контроля процессов обработки , протекающих на станке, включая определение статических и динамических деформаций.
Рассмотрены алгоритмы анализа полученной информации с диагностических сигналов, которые определяются задачами управления.
Сформулированы основные требования к геометрическим измерениям малогабаритного фрезерного станка.
Проанализирован процесс фрезерования. Для данного метода обработки разработана расчетная схема.
Для расчетной схемы составлена математическая модель в виде системы уравнений. Она характеризует деформацию заготовки и инструмента под действием сил резания в различных направлениях, а также включает в себя уравнения, определяющие силы фрезерования (тангенциальную, осевую и радиальную). По предложенной математической
модели данные силы являются переменными характеристиками в
зависимости от угла поворота фрезы.
Для расчетной схемы и полученной математической модели составлена структурная схема, которая позволила смоделировать данный процесс в программе matlab. Результаты моделирования показывают, что влияние крутильной жесткости оказывает значительное влияние на поперечные деформации инструмента, что особенно актуально при обработке на малогабаритных станках фрезами мелко размерной серии. Смещение инструмента вносит определяющую долю деформации в балансе смещений технологической системы.
Рассматривается методика определения жесткости станка в статическом положении. Для этого используется нагрузочное динамометрическая устройство и индикатор часового типа, закрепленный в штативе. В процессе измерения производят несколько раз нагружение и разгрузку. Производят построение кривой, которая позволяет определить не только коэффициент жесткости, но и определить параметры гистерезиса. Они связаны с контактной деформацией в стыках, а также люфтами.
Определяющим элементом по деформациям является инструмент. Из- за его небольшого диаметра возникает, как правило, максимальная деформация на конце данного инструмента и он является ограничительным звеном по максимальной нагрузке, которая допустима на предлагаемом станке.
Выполнен размерный анализ по определению обоснованных
геометрических отклонений на размеры и отклонения расположения поверхностей на отдельные детали станка, которые позволили бы обеспечить необходимую геометрическую точность по движению инструментального шпинделя по верхней и нижней кареткам станка. Для этого в разных направлениях составлены размерные сборочные конструкторские цепи и для заданных замыкающих размеров произведен расчет допусков на составляющие звенья, где параметрами являются не только допуски на 82
размеры, но и отклонения по параллельности и перпендикулярности, а также соосности конструктивных элементов отдельных деталей.
Рассматривается методика для определения геометрической точности проектируемого, разработанного станка. Для этого определяется погрешность расположения рабочего органа в виде торца инструментального шпинделя в рабочей зоне станка при перемещении верхней каретки относительно нижней во всем возможном диапазоне значений. После этого идет построение карты погрешностей в рабочей зоне, которая позволяет определить максимальную и минимальную точность. Выбрана методика измерения, необходимые инструментальные средства (индикатор часового типа или, как альтернативный вариант, датчики бесконтактного типа) установленные в инструментальном шпинделе.
Базами являются рабочая поверхность стола станка или поверочная плита, которая устанавливается на этом столе. Для определения деформации при обработке в статическом и динамическом состоянии проведено моделирование методом конечных элементов по расчетной программе Ansys. Для этого отобрана только верхняя каретка. Методика отработана и может быть реализована для всего станка при условии достаточных информационных ресурсов.
Верхняя каретка закрепляется по направляющей пластине, которая крепится на нижней каретке. Далее идет разбивка сеткой конечных элементов, задание граничных условий закрепления, как уже было сказано выше, по пластинам, которыми она крепится к нижней каретке. Сила нагружении прикладывалась к шпинделю. Далее производился расчет статической деформации, причем был проведен в нескольких вариантах для различных положений каретки на направляющих (в крайних положениях и в середине). Это позволило определить, что при различных положениях каретки, деформация меняется.
Второй метод расчета - модальный анализ, которой позволяет определить собственные частоты выбранных узлов станка. Результат этого анализа позволил определить первые шесть собственных гармоник колебаний, а также построить соответствующие формы колебаний, которые показывают деформации всех узлов на соответствующих частотах. Это дает возможность установить при обработке без вибрационные режимы резания, которые не попадают в соответствующие частотные диапазоны собственных гармоник узлов станка, чтобы не возникло эффекта резонанса. Это позволяет обеспечить повышение виброустойчивости при фрезеровании.
Результат показал зависимость собственной частоты системы от положения рабочей каретки на направляющих. При фрезеровании это приведет к изменению динамических режимов при перемещении каретки с рассеиванием по точности и шероховатости.
Рассмотрены основные понятия, связанные с нормированием точности и других показателей, характеризующих качество металлообрабатывающего оборудования. Приводится описание базовых методов по определению прямолинейности движения рабочих органов станка. Рассмотрены основные методы контроля процессов обработки , протекающих на станке, включая определение статических и динамических деформаций.
Рассмотрены алгоритмы анализа полученной информации с диагностических сигналов, которые определяются задачами управления.
Сформулированы основные требования к геометрическим измерениям малогабаритного фрезерного станка.
Проанализирован процесс фрезерования. Для данного метода обработки разработана расчетная схема.
Для расчетной схемы составлена математическая модель в виде системы уравнений. Она характеризует деформацию заготовки и инструмента под действием сил резания в различных направлениях, а также включает в себя уравнения, определяющие силы фрезерования (тангенциальную, осевую и радиальную). По предложенной математической
модели данные силы являются переменными характеристиками в
зависимости от угла поворота фрезы.
Для расчетной схемы и полученной математической модели составлена структурная схема, которая позволила смоделировать данный процесс в программе matlab. Результаты моделирования показывают, что влияние крутильной жесткости оказывает значительное влияние на поперечные деформации инструмента, что особенно актуально при обработке на малогабаритных станках фрезами мелко размерной серии. Смещение инструмента вносит определяющую долю деформации в балансе смещений технологической системы.
Рассматривается методика определения жесткости станка в статическом положении. Для этого используется нагрузочное динамометрическая устройство и индикатор часового типа, закрепленный в штативе. В процессе измерения производят несколько раз нагружение и разгрузку. Производят построение кривой, которая позволяет определить не только коэффициент жесткости, но и определить параметры гистерезиса. Они связаны с контактной деформацией в стыках, а также люфтами.
Определяющим элементом по деформациям является инструмент. Из- за его небольшого диаметра возникает, как правило, максимальная деформация на конце данного инструмента и он является ограничительным звеном по максимальной нагрузке, которая допустима на предлагаемом станке.
Выполнен размерный анализ по определению обоснованных
геометрических отклонений на размеры и отклонения расположения поверхностей на отдельные детали станка, которые позволили бы обеспечить необходимую геометрическую точность по движению инструментального шпинделя по верхней и нижней кареткам станка. Для этого в разных направлениях составлены размерные сборочные конструкторские цепи и для заданных замыкающих размеров произведен расчет допусков на составляющие звенья, где параметрами являются не только допуски на 82
размеры, но и отклонения по параллельности и перпендикулярности, а также соосности конструктивных элементов отдельных деталей.
Рассматривается методика для определения геометрической точности проектируемого, разработанного станка. Для этого определяется погрешность расположения рабочего органа в виде торца инструментального шпинделя в рабочей зоне станка при перемещении верхней каретки относительно нижней во всем возможном диапазоне значений. После этого идет построение карты погрешностей в рабочей зоне, которая позволяет определить максимальную и минимальную точность. Выбрана методика измерения, необходимые инструментальные средства (индикатор часового типа или, как альтернативный вариант, датчики бесконтактного типа) установленные в инструментальном шпинделе.
Базами являются рабочая поверхность стола станка или поверочная плита, которая устанавливается на этом столе. Для определения деформации при обработке в статическом и динамическом состоянии проведено моделирование методом конечных элементов по расчетной программе Ansys. Для этого отобрана только верхняя каретка. Методика отработана и может быть реализована для всего станка при условии достаточных информационных ресурсов.
Верхняя каретка закрепляется по направляющей пластине, которая крепится на нижней каретке. Далее идет разбивка сеткой конечных элементов, задание граничных условий закрепления, как уже было сказано выше, по пластинам, которыми она крепится к нижней каретке. Сила нагружении прикладывалась к шпинделю. Далее производился расчет статической деформации, причем был проведен в нескольких вариантах для различных положений каретки на направляющих (в крайних положениях и в середине). Это позволило определить, что при различных положениях каретки, деформация меняется.
Второй метод расчета - модальный анализ, которой позволяет определить собственные частоты выбранных узлов станка. Результат этого анализа позволил определить первые шесть собственных гармоник колебаний, а также построить соответствующие формы колебаний, которые показывают деформации всех узлов на соответствующих частотах. Это дает возможность установить при обработке без вибрационные режимы резания, которые не попадают в соответствующие частотные диапазоны собственных гармоник узлов станка, чтобы не возникло эффекта резонанса. Это позволяет обеспечить повышение виброустойчивости при фрезеровании.
Результат показал зависимость собственной частоты системы от положения рабочей каретки на направляющих. При фрезеровании это приведет к изменению динамических режимов при перемещении каретки с рассеиванием по точности и шероховатости.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.