Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

УДК 621.9.06

д.т.н., проф. Кузнецов Ю.Н., к.т.н., доц. Дмитриев Д.А.,

ас. Подольский М.И., студ. Владимиров Л.С.

НТУУ "Киевский политехнический институт"

Херсонский национальный технический университет

ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ СВЕРЛИЛЬНО-ФРЕЗЕРНОГО СТАНКА НОВОЙ КОМПОНОВКИ

Постановка проблемы. Применение оборудования с механизмами параллельной структуры (МПС), является необходимостью, вызванной расширением функциональных возможностей, уменьшением трудоемкости изготовления сложных деталей, повышением точности и надежности [1,3]. Считается экономически оправданным использование многофункционального оборудования при концентрации различных операций на оборудовании одного класса. Так, современный станок рассматривается, как агрегатно-модульный комплекс способный выполнять все основные виды резания и вспомогательные операции при этом возрастает масса и габариты самого оборудования, а рабочее пространство и класс обрабатываемых деталей расширяется незначительно. Поэтому существует необходимость поиска новых оптимальных компоновок и конструкций станков с параллельной кинематикой (СПК) для обеспечения эффективности движений исполнительного органа (ИО) по рабочему пространству (РП) станка.

Цель исследования. Изготовить в натуральную величину опытный стенд сверлильно-фрезерного станка новой пирамидальной компоновки [2]. Выполнить анализ движений ИО и определить рабочее пространство станка с помощью натурного макета и трехмерной модели с программно-управляемыми движениям ИО с инструментальной системой.

Анализ предыдущих исследований. В основу станков с МПС положена классическая платформа Гофа-Стюарта (Гексапод – кинематическое соединение шести штанг переменной длины), данный модуль применяется в подвешенном состоянии и перевернутым, обусловлено это особенностью расположения обрабатываемой детали на столе станка. Приводным органом станка‑гексапода являются телескопические (раздвижные) штанги переменной длины, содержащие в себе конструктивные элементы, влияющие на металлоемкость и массивность всего механизма [4]. Первые попытки снизить массивность и металлоемкость механизма были предприняты путем уменьшения количества штанг до трех (Рис.1) и вводом дополнительных кинематических цепей [5] таких, как, линейные модули перемещения, ограничивающих шарнирно-скользящих стержней, специальных стабилизирующих муфт и т.п. [3].

Рис.1. Трипод с трехкоординатным приводом позиционирования подвижной платформы [5]

Однако задача не была решена полностью, поэтому следующие предложения по уменьшению недостатков сводятся к замене штанг переменной длины штангами постоянной длины в виду их очевидных преимуществ.

Основная часть. Авторами предложен многокоординатный сверлильно-фрезерный станок повышенной жесткости (Рис.2, а), который имеет укороченную длину штанг. Жесткость упругой пространственной рамной системы обеспечена конструктивным, а не металлоемким повышением сопротивления поперечных сечений кинематических звеньев и станины. Применение данной компоновки предполагает возможность обработки сложных конструктивных поверхностей.

Для изучения положений кинематических звеньев при формообразующих движениях ИО в условиях резания и кинетостатического анализа пирамидальной компоновки изготовлен макет станка в натуральную величину с инструментальной системой.

Макет станка имеет жесткую массивную раму (основание) и легкую коробчатой формы конструкцию направляющих, штанги постоянной длины.

а)	б)

Рис.2. Кинематическая схема – а), характерные положения опытного макета сверлильно-фрезерного станка – б)

Для углубленного анализа движений ИО, а также исследования рабочего пространства сверлильно-фрезерного станка с применением штанг постоянной длины, разработан дополнительный программный модуль в трехмерной графической среде 3DStudioMAX компании Autodesk. Ниже приведен основной расчетный фрагмент программы, например, для движения ИО станка (модели) по координате Z.

on spnZIO changed val do ( $RuhomaPlatforma.pos.z = val --переменные определяющие первую направляющую A x1A = $NaprPoint01A.pos.x x2A= $NaprPoint02A.pos.x y1A = $NaprPoint01A.pos.y y2A = $NaprPoint02A.pos.y z1A = $NaprPoint01A.pos.z z2A = $NaprPoint02A.pos.z k1A = (x2A-x1A)/(z2A-z1A) k2A = (y2A-y1A)/(z2A-z1A) --переменные определяющие вторую направляющую B x1B = $NaprPoint01B.pos.x x2B= $NaprPoint02B.pos.x y1B = $NaprPoint01B.pos.y y2B = $NaprPoint02B.pos.y z1B = $NaprPoint01B.pos.z z2B = $NaprPoint02B.pos.z k1B = (x2B-x1B)/(z2B-z1B) k2B = (y2B-y1B)/(z2B-z1B) --переменные определяющие третью направляющую С x1C = $NaprPoint01C.pos.x x2C= $NaprPoint02C.pos.x y1C = $NaprPoint01C.pos.y y2C = $NaprPoint02C.pos.y z1C = $NaprPoint01C.pos.z z2C = $NaprPoint02C.pos.z k1C = (x2C-x1C)/(z2C-z1C) k2C = (y2C-y1C)/(z2C-z1C) --переменные положения в пространстве шарнира A расположенного на суппорте aA = $SharnirA.pos.x bA = $SharnirA.pos.y cA = $SharnirA.pos.z RA = $ShtangaA.height --переменные положения в пространстве шарнира B расположенного на суппорте aB = $SharnirB.pos.x bB = $SharnirB.pos.y cB = $SharnirB.pos.z RB = $ShtangaB.height

--переменные положения в пространстве шарнира С расположенного на суппорте aC = $SharnirC.pos.x bC = $SharnirC.pos.y cC = $SharnirC.pos.z RC = $ShtangaC.height --коэффициенты в расчетной формуле (каретка A) S1A = (1+k1A^2+k2A^2) S2A = (-2*k2A^2*z1A+2*y1A*k2A+2*x1A*k1A-2*k2A*bA-2*cA-2*k1A*aA-2*k1A^2*z1A) S3A = k2A^2*z1A^2-2*k2A*z1A*y1A+y1A^2+k1A^2*z1A^2-2*k1A*z1A*x1A+x1A^2+bA^2+2*aA*k1A*z1A-2*aA*x1A+aA^2-RA^2+2*bA*k2A*z1A-2*bA*y1A+cA^2 --коэффициенты в расчетной формуле (каретка В) S1B = (1+k1B^2+k2B^2) S2B = (-2*k2B^2*z1B+2*y1B*k2B+2*x1B*k1B-2*k2B*bB-2*cB-2*k1B*aB-2*k1B^2*z1B) S3B = k2B^2*z1B^2-2*k2B*z1B*y1B+y1B^2+k1B^2*z1B^2-2*k1B*z1B*x1B+x1B^2+bB^2+2*aB*k1B*z1B-2*aB*x1B+aB^2-RB^2+2*bB*k2B*z1B-2*bB*y1B+cB^2 --коэффициенты в расчетной формуле (каретка С) S1C = (1+k1C^2+k2C^2) S2C = (-2*k2C^2*z1C+2*y1C*k2C+2*x1C*k1C-2*k2C*bC-2*cC-2*k1C*aC-2*k1C^2*z1C) S3C = k2C^2*z1C^2-2*k2C*z1C*y1C+y1C^2+k1C^2*z1C^2-2*k1C*z1C*x1C+x1C^2+bC^2+2*aC*k1C*z1C-2*aC*x1C+aC^2-RC^2+2*bC*k2C*z1C-2*bC*y1C+cC^2 --расчет каретки A $OporaA.pos.z = (-1*S2A + sqrt(S2A^2 - 4*S1A*S3A))/(2*S1A) $OporaA.pos.x = k1A*($OporaA.pos.z - z1A) + x1A $OporaA.pos.y = k2A*($OporaA.pos.z - z1A) + y1A --расчет каретки В $OporaB.pos.z = (-1*S2B + sqrt(S2B^2 - 4*S1B*S3B))/(2*S1B) $OporaB.pos.x = k1B*($OporaB.pos.z - z1B) + x1B $OporaB.pos.y = k2B*($OporaB.pos.z - z1B) + y1B --расчет каретки С $OporaC.pos.z = (-1*S2C + sqrt(S2C^2 - 4*S1C*S3C))/(2*S1C) $OporaC.pos.x = k1C*($OporaC.pos.z - z1C) + x1C $OporaC.pos.y = k2C*($OporaC.pos.z - z1C) + y1C

Подвижная платформа, места соединения шарниров и штанг, их длина и положение связаны переменными через математические зависимости, которые влияют на свойства объектов трехмерной модели.

Координаты положения кареток на направляющих станка подчиняются зависимости:

,

(1)

где

;

;

– коэффициенты;

a – координата x шарнира, расположенного на подвижной платформе;

b – координата у шарнира, расположенного на подвижной платформе;

c – координата z шарнира, расположенного на подвижной платформе.

(x₁ y₁ z₁), (x₂ y₂ z₂) – координаты двух точек определяющих направляющую в пространстве.

После вычисления (1) определяются координаты кареток по осям x и y, как их положение на линии направляющей по уравнению прямой проходящей через две точки:

,

(2)

При помощи программного модуля проанализированы движения ИО. Для этого проведен следующий эксперимент. При пошаговом движении ИО по координате Z, осуществлялись движения вдоль оси Х параллельно и с углом наклона к ней (через каждые 10⁰). Принято, что положение ИО существует в рабочем пространстве, если существуют действительные корни x, y, z уравнения (1), которые представляют пересечение направляющей в пространстве - прямая заданная двумя точками (x₁,y₁,z₁), (x₂,y₂,z₂) Проведя серию экспериментов, получены форма и размеры РП (Рис.3).

а)	б) г)
в)

Рис.3. а) – программно-управляемая трехмерная модель сверлильно-фрезерного станка новой компоновки;

б) - форма и размеры РП; в) – сечение поверхности РП;

г) – ход ИО на уровне координаты Z

Рис.4. Углы сервиса ИО с инструментальной системой в пирамидальной компоновке сферлильно-фрезерного станка

Выводы. Разработан программный модуль моделирования функциональности сверлильно-фрезерного станка, проанализированы движения исполнительного органа по координатам (X,Y,Z) и определены углы сервиса подвижной платформы. Собран опытный нагружаемый макет станка для дальнейших исследований и возможности поиска новых компоновок сниженной металлоемкости.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Агрегатно-модульне технологічне обладнання: у 3-х част. Під ред. Ю.М. Кузнєцова. Навч. посібних для ВНЗ. – Кіровоград, 2003 р.

2. Кузнецов Ю.Н., Дмитриев Д.А., Диневич Г.Е. Многокоординатный сверлильно-фрезерный станок / заявка на патент Украины №a200714710 от 25.12.2007 г.

3. Обрабатывающее оборудование нового поколения. Концепция проектирования / В.Л. Афонин, А.Ф. Крайнев, В.Е. Ковальов и др.; Под ред. В.Л. Афонина. М.: Машиностроение, 2001. – 256 с.

4. Крижанівський В.А., Кузнєцов Ю.М., Валявський І.А., Скляров Р.А. Технологічне обладнання з паралельною кінематикою.‑ Кіровоград, 2004. ‑ 449с.

5. Bing Li . Xiaoping Hu . Hao Wang Analysis and simulation for a parallel drill point grinder. Part 2: grinding kinematic modeling and simulation // Int J Advanced Manufacturing Technology (2006) 30: Р. 221–226.