Экспериментальное исследование статических и динамических свойств механизма параллельной структуры на примере несущей системы станка — гексапода

Актуальность темы

В настоящее время остро стоит задача создания и внедрения высокотехнологичного оборудования, соответствующего тенденциям развития современных производств. В области самолетостроения тенденции развития конструкций самолетов и современных технологий их сборки требуют перехода от сборных деталей к монолитным. Это, в свою очередь, ставит новые задачи перед станкостроением, в частности существенно повысить скорость съема металла при обработке алюминиевых сплавов. Создание станков с соответствующими характеристиками связано с разработкой новых механизмов их несущих систем (НС), обладающих улучшенными статическими и динамическими свойствами.

К таким механизмам относятся механизмы параллельной структуры, в которых выходное звено, несущее режущий инструмент или обрабатываемую деталь приводится в движение несколькими параллельными кинематическими цепями.

В Институте машиноведения им. А. А. Благонравова РАН традиционно ведутся работы по теоретическому исследованию кинематических, статических и динамических свойств и структурному синтезу механизмов параллельной структуры (Диментберг Ф.М., Колискор А. Ш., Крайнев А. Ф., Умнов Н. В., Глазунов В. А, Синёв А. В., Афонин B.JI. и др.).

Большой вклад в развитие теоретических основ построения машин, в частности роботов, построенных с использованием механизмов параллельной структуры, внесли ученые: Каган В. Г., Подураев Ю. В., Челпанов И. Б., проф. Neugebauer R. (TWU, Germany) Neumann К.Е. (SMT Tricept AB, Sweden) и др.

Первый в России станок-гексапод, позволяющий проводить 5-координатную фрезерную обработку, был создан в Новосибирском электротехническом институте в 1981 г. Учитывая этот опыт, в «Национальном институте авиационных технологий» был создан первый опытный образец станка-гексапода, предназначенного для 5-координатной высокоскоростной фрезерной обработки длинномерных деталей самолетостроения.

Однако применение механизмов параллельной структуры и разработка новых схем и структур станков с параллельной кинематикой вызывает необходимость дальнейшего развития теоретических и экспериментальных методов исследований статических и динамических свойств механизмов параллельной структуры.

Апробация работы первого опытного образца станка-гексапода определила задачу последующих исследований статических и динамических свойств механизма параллельной структуры на примере несущей системы. Результаты этих исследований представлены в настоящей работе.

Цель диссертационной работы: — разработка методов экспериментального исследования точностных, жесткостных и динамических свойств механизма параллельной структуры — платформы Гауфа-Стюарта, выявление взаимосвязей статических и динамических свойств несущей системы станка-гексапода.

Для достижения поставленной цели быта рассмотрены и решены следующие задачи:

— создание классификации структурных схем 5-ти координатных станков по признаку связности приводов и обзор применения механизмов параллельной структуры в станках;

— измерение и оценка точности позиционирования и точности воспроизведения эталонной окружности на станке-гексаподе;

— измерение жесткости несущей системы станка-гексапода;

— разработка методов измерения динамической жесткости при нагружении центробежной силой вращающегося шпинделя со смещенным центром масс и при нагружении — разгружении «ступенчатой» силой;

— измерение динамической жесткости несущей системы (НС) станка-гексапода при различных методах создания нагружающей силы;

— оценка взаимосвязи статических и динамических свойств платформы Гауфа-Стюарта;

— экспериментальная проверка зависимости статических и динамических свойств платформы Гауфа-Стюарта и свойств обработанной поверхности на станке-гексаподе.

Методы исследования. Проведенное исследование базируется на методах экспериментального исследования статических и динамических свойств механизмов и машин, в частности станков. Для анализа экспериментальных данных использовалась среда математических расчетов «Matlab» и прикладные программные продукты основных измерительных средств: 1) Лазерного интерферометра ML 10, 2) Прибора Ballbar QC 10, 3) Программный пакет «Vibro 12».

Научная новизна работы:

— развита классификация структур многокоординатных станков по признаку связанности приводов;

— разработаны методики измерения динамической жесткости НС станка-гексапода при нагружении центробежной силой вращающегося шпинделя со смещенным центром масс и при нагружении — разгружении «ступенчатой» силой;

— произведено измерение точности позиционирования, точности воспроизведения эталонной" траектории, статической и динамической жесткости станка — гексапода;

— выявлена взаимосвязь статических и динамических свойств платформы Гауфа-Стюарта, используемой в НС станка-гексапода;

— выработан комплексный подход к исследованию статических и динамических свойств станков с параллельной кинематикой.

Практическая ценность:

— разработанный комплексный подход к исследованию статических и динамических свойств станков с параллельной кинематикой применим к исследованию станков также других структур;

— выявленные особые точностные свойства механизма параллельной структуры — платформы «Гауфа — Стюарта» (малые отклонения обратного хода, малая доля случайной составляющей интегрального отклонения) позволяют создавать несущие системы новых станков с новыми точностными свойствами;

— по результатам исследования статической жесткости разработаны рекомендации по «ужесточению» станка «Гексамех-1»;

— выявленное наличие поперечных деформаций при продольной нагрузке является характерным свойством механизма платформы «Гауфа-Стюарта» и должно учитываться при проектировании и создании машин с её использованием;

— разработанные методики исследования динамической податливости при гармоническом возбуждении нагружающей силы и при ступенчатом силовом воздействии могут быть использованы при исследовании динамических свойств машин различной конструкции;

— при составлении управляющих программ для станка «Гексамех-1» необходимо учитывать, что движение платформы должно происходить без резких перепадов по величине подачи для исключения инерционных импульсных или ступенчатых нагрузок на неё;

— выявленная закономерность при натурных исследованиях на станке «Гексамех-1», что при режимах резания близких к высокоскоростному фрезерованию алюминиевых сплавов S=5000 об/мин. влияние сил резания при входе фрезы в металл на подаче 1000 мм/мин. на качество обработанной поверхности практически отсутствует, может быть использована при разработке новых технологий обработки лёгких сплавов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Международной Интернет-конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения МИКМУС (г. Москва 2005 г.) и (г.

Москва, 2006 г.), на семинаре «The 5th Chemnitz Parallel Kinematics Seminar».

Germany, Chemnitz, 2006 г.), на XV Симпозиуме: «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем» (Москва-Зеленоград, 2006 г), на Международной конференции по теории механизмов и механике машин", (г. Краснодар, 2006 г), на Международной конференции по теории механизмов и механике машин", (г. Астрахань, 2007 г), на VIII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (Ростов-Дон, 2007), на научной конференции «Ориентированные Фундаментальные исследования РФФИ — Федеральные целевые программы, наукоемкое производство» (Москва, 2007 г.).

Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 10 печатных работах.

На защиту выносятся следующие положения;

1. Развитие классификации структурных схем 5-ти координатных станков по признаку связности приводов.

2. Методика измерения динамической жесткости НС станка — гексапода при нагружении центробежной силой вращающегося шпинделя со смещенным центром масс и при нагружении — разгружении «ступенчатой» силой.

3. Методика комплексного исследования статических и динамических свойств механизма станков с параллельной кинематикой.

Результаты экспериментальных исследований статических и динамических свойств механизма параллельной структуры на примере платформы Гауфа — Стюарта, как основного элемента несущей системы станка «Гекса-мех — 1». Результаты экспериментальных исследований сравнивались с результатами аналогичных исследований несущих систем станков традиционных структур

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных источников.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Показано, что при создании 5-ти координатных станков для обработки деталей из алюминиевых сплавов используются различные схемы их построения: традиционные и с использованием механизмов параллельной структуры.

2. Проведен сравнительный анализ различных структур построения пятико-ординатных многоцелевых станков с точки зрения «связности» применяемых приводов. Такой подход позволяет упорядочить построение структур многоцелевых станков.

3. Показано, что точность позиционирования вдоль линейных координат X, Y, Z находится в пределах норм точности на изготовление станка мод. Гексамех-1 (класс точности Н). Кривые точности позиционирования для станков с механизмами параллельной структуры имеют тот же характер что и для станков традиционной конструкции.

4. Выявлены особые свойства отработки траектории «эталонная окружность» платформой «Гауфа — Стюарта»:

• отсутствие отклонения обратного хода,.

• другое местоположение «всплесков» отклонений по сравнению со станками традиционной структуры,.

• наличие низкочастотных «волн» в кривых отклонений от «эталонной окружности».

5. Выявлено, что жесткость несущей системы станка «Гексамех-1» недостаточна (4,6−15,5 Н/мкм). Её можно увеличить, ужесточив элементы присоединения штанг к раме станка.

6. Показано, что линейные и угловые деформации НС станка зависят от расположения точки нагружения в рабочем пространстве. Наибольшее влияние на изменение жесткости происходит при переходе от нижнего положения платформы к её верхнему. Наименьшее влияние на жесткость НС станка оказывает перемещение платформы в плоскости XY.

7. При исследовании статической жесткости наблюдается взаимовлияние, т. е. при действии нагружающей силы возникают перемещения, перпендикулярные направлению действия силы.

8. Разработаны методики исследования динамической податливости при гармоническом возбуждении нагружающей силы и при ступенчатом силовом воздействии.

10. Получены кривые динамической податливости несущей системы станка-гексапода методом гармонического и ступенчатого силового воздействия. Выявлено, что динамическая податливость зависит от положения платформы в рабочем пространстве станка и от направления измерения. Во всех исследованных положениях платформы наблюдается 1 -я собственная частота в районе 15−17 Гц.

11. Показано, что измерение динамической податливости при ступенчатом воздействии позволяет определять поперечную динамическую податливость.

12. Подтверждено, что если есть инерционная импульсная или ступенчатая нагрузка, то «вибрационный след» образуется за счёт поперечных колебаний платформы Гауфа-Стюарта. Частота вибрационного следа совпадает с 1-й собственной частотой на спектре динамической податливости (17 Гц).

13. Если возникают автоколебания при резании на частоте, близкой к 1-й собственной частоте (15−17 Гц) НС станка, как это происходит при обработке образца — изделия № 2, то амплитуда колебаний может достигать Юмкм.

14. При режимах резания приближающихся к высокоскоростному фрезерованию алюминиевых сплавов S=5000 об/мин. влияние сил резания при входе фрезы в металл на подаче 1000 мм/мин. на качество обработанной поверхности практически отсутствует.