animateMainmenucolor
activeMenucolor
Главная / ЧПУ станок / Выбор Компоновки Металлообрабатывающего Станка С Чпу

Выбор Компоновки Металлообрабатывающего Станка С Чпу

Металлорежущие станки разнообразнее любых других технологических машин. Их различают по технологическому назначению и режущим инструментам, по размерам и типовым разновидностям, по системам управления и степени автоматизации и, кроме того, по компоновкам. Разнообразие компоновок является следствием не только множества технологических задач, размеров и форм обрабатываемых деталей, но и развития конструкций станков и способов обработки, причем в самом относительном характере движения формообразования заключено многообразие возможных вариантов движений заготовки и инструментов, а следовательно, и компоновок станков.

Особенно разнообразны компоновки специальных станков, однако типаж универсальных станков тоже непрерывно пополняется станками с новыми компоновками, существенно отличающимися от традиционных.

Традиционные компоновки фрезерных, расточных, токарных и других универсальных станков прошли долгий путь совершенствования в связи с необходимостью использования новых инструментов, расширения универсальности, повышения жесткости в связи с интенсификацией режимов резания.

Формирование современных компоновок станков не было равномерным и одновременным, как и развитие режущих инструментов. Ранее других оформилась компоновка токарного станка. Некоторые особенности современных компоновок расточных, фрезерных и других станков можно видеть в станках, построенных еще в первой половине XIX в.

Есть основания считать, что формирование структуры компоновок большинства современных универсальных станков завершилось к началу XX в., а в дальнейшем происходило только их усовершенствование. Ряд новых компоновок универсальных станков появился во второй и третьей четвертях нынешнего века. Например, появились фрезерные станки, компоновки которых позволили им успешно конкурировать с традиционными консольно-фрезерными станками. Быстро распространяются токарные полуавтоматы с новыми компоновками, а с развитием программного управления появились сверлильные станки с крестовыми столами и т. д.

Дальнейшее развитие компоновок универсальных станков связано с появлением многооперационных станков (обрабатывающих центров).

Предпринятый многими организациями и фирмами поиск привел к появлению большого числа совершенно новых компоновок, наиболее полно отвечающих условиям выполнения на одном станке различных операций. Однако качество этих компоновок еще требует соответствующего анализа.

Повышение требований к качеству станков в связи с общим повышением точности в машиностроении, изготовлением деталей из труднообрабатываемых сплавов, появлением новых инструментальных материалов, а также совершенствование программного управления заставляет искать пути повышения качества компоновок как важного слагаемого качества станков.

Вместе с тем применение в станках раздельных приводов, в том числе с программным управлением, внедрение направляющих качения, гидростатических направляющих и других элементов конструкций открывает широкие возможности совершенствования традиционных и создания новых компоновок.

Задача интенсификации производственных процессов и повышения качества промышленных изделий применительно к металлорежущим станкам должна решаться комплексно с учетом всех возможных факторов, в том числе такого важного фактора, каким являются компоновки станков.

В литературе мало работ, посвященных вопросам компоновок станков. Следовательно, в науке о металлорежущих станках имеется недостаточно исследованная область, касающаяся одной из самых ответственных стадий проектирования станков - стадии построения компоновки. Эту стадию эскизного проектирования выполняют наиболее квалифицированные конструкторы, которые руководствуются в основном опытом и интуицией. Между тем именно на этой стадии, еще до развертывания широкого фронта проектирования, закладывают основные предпосылки качества станка и его важнейших технико-экономических показателей.

Отставание в разработке теории компоновок металлорежущих станков имеет свои причины. Первая причина - взгляд на основные компоновки универсальных станков как на нечто незыблемое, само собой разумеющееся, не подлежащее изменению. Этот взгляд основан на традициях. Вторая причина заключается в отсутствии языка исследований - способа обозначения любых компоновок. Существующая система обозначения моделей универсальных и специальных станков преследует другие цели и в качестве языка исследования компоновок не может быть использована.

Третья причина заключается в сложности и многогранности вопросов, возникающих при обосновании построения компоновки, в трудности формализации многих интуитивных представлений, которыми руководствуются при этом ведущие конструкторы, руководители бюро и главные конструкторы СКБ и заводов. Вместе с тем эта причина в отечественном станкостроении диктует необходимость формализации проектирования с последующей его автоматизацией.

Еще одна причина заключается в известной неопределенности и неоднозначности самого понятия компоновки станка. Это понятие часто ассоциируется с технологической схемой построения станка, кинематической структурой, несущей системой, наконец, просто с конструкцией станка. Между тем компоновка - категория, соответствующая определенной стадии эскизного проектирования, следующей за разработкой технологической схемы и обоснованием технических характеристик. Она предшествует разработке конструкции узлов.

Отражая кинематическую структуру станка, компоновка не подменяет последнюю и требует при построении решения вопросов, выходящих за пределы кинематики. В зависимости от сложности и других особенностей кинематики станка построение компоновки выполняют до или после разработки кинематической схемы.

Компоновка - понятие более емкое, чем несущая система станка, которая является только физическим остовом компоновки, поддерживающим направляющие. Понятия структуры, универсальности, типа компоновки не совмещаются с понятием несущей системы. В то же время, когда идет речь о жесткости компоновки, подразумевают именно жесткость несущей системы. Следовательно, эти понятия, не являясь однозначными, дополняют друг друга. Компоновка - это система расположения узлов и направляющих станка, отличающаяся структурой, пропорциями и свойствами.

Станки с различными конструкциями узлов (сборочных единиц) могут иметь одинаковые компоновки, и, наоборот, станки с одинаковыми конструкциями основных узлов (например, с агрегатными силовыми головками) могут иметь различные компоновки. Поэтому понятия конструкции и компоновки не следует отождествлять. Более того, в целях повышения качества станка на всех этапах его проектирования необходимо, чтобы на стадии построения компоновки были бы выделены и проанализированы чисто компоновочные факторы качества. Для этого факторы, относящиеся к компоновке, должны быть по возможности отделены от факторов, связанных с последующей разработкой конструкции узлов.

Полное разграничение компоновки и конструкции не требуется и не представляется возможным, хотя бы потому, что при построении компоновки и выполнении соответствующих расчетов необходимы некоторые данные о типе и конструкции направляющих, а некоторые привязочные размеры определяются только в результате эскизной конструкционной проработкой. Тем не менее выделение компоновочных факторов и сознательное оперирование ими дает возможность конструктору дополнительно влиять на качество проектируемого станка. Как отождествление, так и противопоставление компоновки и конструкции при этом нежелательно. Таким образом, понятие компоновки станка имеет самостоятельное значение и может быть предметом особого исследования.

Построение компоновки станка имеет свои последовательные ступени, или этапы. Основополагающим этапом является разработка технологической схемы построения станка, когда в соответствии с технологической задачей определяют необходимый состав рабочих и установочных движений, число шпинделей, степень универсальности станка, форму (параллельная или последовательная) централизации обработки, число рабочих и загрузочных позиций и т. д. Результатом этого этапа является схема, которая может быть названа технологической компоновкой.

Существующие работы авторов позволяют считать, что теория технологических компоновок получила уже значительное развитие. Вместе с тем отсутствие единой классификации затрудняет пользование обозначениями технологических компоновок, разработанными на основе систематического деления на классы, подклассы, группы и т.д. Поэтому была бы желательна краткая система обозначения различных категорий технологических компоновок, не подменяющая собой имеющиеся классификации.

Последующими этапами построения компоновки станка являются координатная компоновка, раскрывающая состав и порядок сочетания координатных движений в станке; базовая компоновка, определяющая тип станка по разновидностям базовых узлов и другим признакам; конструкционная компоновка, уточняющая конструктивное исполнение и некоторые другие особенности компоновки. Далее ступенями уточнения компоновки являются также уже конкретные типоразмер и модель станка, с которыми связано определение всех основных размеров, конструкции и технологических возможностей станка.

Теория координатной, базовой и конструкционной компоновок, так же как теория размерных пропорций компоновки, пока не разработана. Имеется существенный разрыв между научными знаниями по теории технологических компоновок и научно обоснованными методами расчета и проектирования кинематических цепей, сборочных единиц и деталей станков. Восполнить этот разрыв могла бы теория компоновок - компонетика станков.

Теория компоновок могла бы оказать существенную помощь конструкторам на самой ответственной стадии проектирования и в конечном счете содействовать повышению качества станков. Эта теория смогла бы ответить на вопрос, является ли фатальной неизбежностью бесконечный рост типажа станков, указать пути совершенствования компоновок проектируемых станков и области оптимального использования существующих компоновок, ответить на многие другие вопросы, связанные с задачами интенсификации производства и повышения качества изделий.

Создание теории компоновок металлорежущих станков требует усилий многих людей и значительного времени. Первоочередными задачами в создании теории компоновок являются, по-видимому, разработка языка исследований и определение, компоновочных факторов качества. Первая задача предусматривает нахождение такого способа записи любых компоновок станков, который имел бы структурную основу и некоторые математические свойства, это позволило бы использовать такого рода язык не только для обозначения компоновок, но и в качестве инструмента исследований. Без этого нельзя анализировать различные структуры компоновок, исследовать совокупность уже существующих и возможность появления новых компоновок. Вторая задача - выделения компоновочных факторов качества - связана с необходимостью сравнения компоновок и повышения их качества. Отчетливое выделение и количественное выражение компоновочных факторов необходимы при расчетах компоновки в целях анализа влияния этих факторов на статические и динамические характеристики качества, а также в целях оперирования ими при оптимизации размеров и пропорций компоновки. Формализация компоновочных факторов могла бы стать существенным шагом к автоматизации проектирования компоновок.

Несмотря на существенное различие, эти две задачи не являются несовместимыми. Компоновочные факторы качества могут содержаться в самой структуре компоновки, а проявление структурных свойств зависит, в свою очередь, от реализации компоновочных факторов. Поэтому решения обеих задач призваны дополнять друг друга.

Обрабатывающие центры с ЧПУ и автоматической сменой инструментов являются прогрессивными станками, вобравшими все новейшие достижения станкостроения и средств автоматизации. Компоновки этих станков отличаются большим разнообразием. Фрезерно-сверлильно-расточные станки по характеру выполняемых операций и разнообразию применяемых режущих инструментов охватывают станки различных групп. Будучи станками высокой универсальности, эти станки представляют наибольшие трудности для анализа качества компоновок. Технико-экономические преимущества многооперационных станков указывают на возможность их быстрого развития.

Структура компоновок станков

Обработка на металлорежущих станках основана на относительном перемещении обрабатываемой заготовки и режущего инструмента. Траектория этого перемещения зависит от формы обрабатываемой поверхности и формы режущей кромки инструмента, а скорость определяется рациональным режимом резания. При формообразовании поверхностей различают метод копирования, при котором профиль режущего инструмента совпадает с профилем сечения обрабатываемой детали, и метод обкатки, при котором эти профили не совпадают, а необходимая форма детали получается за счет более сложного относительного движения заготовки и инструмента.

Для упрощения конструкции станка сложные относительные движения заготовки и инструмента составляют из простых элементарных движений, поступательных и вращательных, траектории которых обеспечиваются прямолинейными и круговыми направляющими станка. Теоретически относительное движение с любой траекторией может быть составлено не более чем из шести элементарных движений: трех поступательных вдоль ортогональных осей Координат и трех вращательных относительно тех же осей. Практически же в металлорежущих станках число элементарных движений формообразования редко бывает более трех.

Схемы сочетаний элементарных движений при резании классифицируют по следующим группам:

  • одно прямолинейное движение, например при операциях протягивания;
  • два прямолинейных движения, например разрезка ленточными пилами;
  • одно вращательное движение - протягивание круговых сегментов;
  • одно вращательное и одно прямолинейное движение - точение резцами, сверление, фрезерование (наиболее распространенное сочетание);
  • два вращательных движения - фрезерование тел вращения;
  • два прямолинейных и одно вращательное движение - затылование червячных фрез;
  • два вращательных и одно прямолинейное движение - зубофрезерование червячными фрезами;
  • три вращательных движения - нарезание конических зубчатых колес с дуговыми зубьями резцовыми головками.

Бывают сочетания и более чем трех элементарных движений, например зубошевингование колес с бочкообразным зубом, при котором одновременно совершаются вращательные движения шевера и обрабатываемого колеса, поступательное и качательное движения стола (три вращательных движения и одно поступательное), зубофрезерование некруглых зубчатых колес и нарезание цилиндрических колес червячной фрезой по методу диагональной подачи (два вращательных и два поступательных движения).

В каждой из перечисленных групп схемы движений различают по взаимному направлению движений, распределению движений между инструментом и заготовкой и соотношению скоростей. Например, поступательное движение может быть параллельным, перпендикулярным или направлено под углом к оси вращательного движения, причем линия движения вершины инструмента может пересекаться или не пересекаться с этой осью.

Важное значение при образовании компоновок станков имеет относительный характер движения формообразования, допускающий различные варианты распределения элементарных составляющих движения между заготовкой и инструментом. Например, при обточке или расточке резцом цилиндрической поверхности движение формообразования, состоящее из вращательного и поступательного элементарных движений, может выполняться в различных вариантах:

  • вращательное движение выполняет заготовка, а поступательное - инструмент (токарный станок);
  • вращательное движение выполняет инструмент, а поступательное - заготовка (алмазно-расточный станок);
  • оба движения выполняет заготовка (токарные автоматы продольного точения);
  • оба движения выполняет инструмент (расточный станок с выдвижным шпинделем).

По соотношению скоростей элементарные движения формообразования, выполняемые одновременно, отличаются в большинстве случаев весьма существенно. В связи с этим различают главное движение, наиболее быстрое, и движение подачи, которое может быть медленнее главного в сотни и даже тысячи раз. По характеру движения подача может быть непрерывной (позиционной), прерывистой (периодической) и осциллирующей. Быстрое движение формообразования предпочитают делать вращательным, благодаря чему уменьшается число реверсов и связанных с ними торможений и ускорений. Можно сослаться, например, на тенденцию перехода от строгания к фрезерованию.

На металлорежущих станках практически реализована лишь меньшая часть всех схем движений, входящих в рассмотренные Восемь групп. Из этого вытекает возможность появления новых схем резания, а следовательно и новых компоновок металлорежущих станков.

Компоновка металлорежущего станка обеспечивает выполнение всех элементарных движений формообразования и, кроме того, предусматривает возможность осуществления ряда дополнительных движений.

Движение врезания, выполняемое под нагрузкой, служит постепенного ввода инструмента в зону резания и может не совпадать по траектории с движениями формообразования.

Установочные движения, выполняемые без нагрузки ем, используют для взаимного позиционирования инструмента и заготовки перед началом резания. Они могут совпадать и не совпадать по направлению с движениями формообразования.

Дублирующие установочные перемещения, совпадающие по направлению с некоторыми из движений формообразования, применяют для облегчения и повышения точности ручной наладки станка (выдвижные шпиндельные гильзы) и для уменьшения деформаций рабочих узлов (выдвижного шпинделя или ползуна) за счет распределения общей величины хода между двумя узлами, второй из которых (дополнительные салазки или каретка) является установочным. Установочные перемещения узлов станка осуществляются также для расширения технологических возможностей обработки на станке (поворотные шпиндельные головки, поворотные и наклоняемые столы).

Движения деления представляют собой установочные движения, служащие для многократного повторения на заготовке участков формообразования.

Движения «отскока» применяют для отвода инструмента от заготовки при холостом обратном ходе во избежание неоправданного износа режущей части и нарушения чистоты обработанной поверхности.

Вспомогательные движения используют для смены инструментов (револьверные головки), для замены обрабатываемых деталей (загрузочные столы) и других целей.

В современных широкоуниверсальных станках и в многошпиндельных и многопозиционных специальных станках общий состав движений, включает одно-два или несколько главных движений, несколько движений подачи, несколько установочных и других движений, вследствие чего общее число элементарных движении может достигать нескольких десятков (агрегатные станки). Некоторое сокращение числа формообразующих и дополнительных движений достигается в станках переходом от возвратно-поступательных движений к непрерывному вращательному (станки непрерывного действия) и применением метода копирования формы инструмента (фасонное протягивание). Связанное с методом копирования усложнение режущих инструментов экономически оправдано в условиях массового производства.

Состав элементарных формообразующих и дополнительных движений и связей между этими движениями определяют кинематическую структуру станка, которая является основой построения компоновки и всей конструкции. Обусловленность кинематической структуры станка и его компоновки взаимная. Зависящее от компоновки станка распределение элементарных движений между заготовкой и режущим инструментом оказывает существенное влияние на структуру кинематических, связей. Однако кинематическая структура станка является первичным фактором, а компоновка - вторичным.

Для записи кинематической структуры введены следующие обозначения движений: Фv - формообразующее движение резания (главное движение); Фs - формообразующее движение подачи; Вр - движение врезания; Д - движение деления; Всп - вспомогательные движения. Характер элементарных движений, из которых состоят движения формообразования, обозначают буквами: В - вращательное, П - поступательное.

Кинематическую структуру (состав движений) можно записать в форме совокупности обозначений движений. Например, для консольно-фрезерного станка с элементарными движениями формообразования, в которые входят движения вращения шпинделя и одно из трех возможных поступательных движений подачи, состав движений записывают так: Фv (В1); Фs1 (П2); Фs2 (П3); Фs (П4). В скобках указаны элементарные движения с индексами, обозначающими порядковые номера, по которым легко определить общее число движений. Движения врезания и установочные движения в станке совмещены с формообразующими и в записи не фигурируют. Такая форма записи движений не раскрывает компоновку станка. Однако определение состава формообразующих и вспомогательных движений, состава и характера элементарных движений, из которых они состоят, имеют основополагающее значение при анализе структуры компоновок металлорежущих станков.

Компоновки станков различают по внешнему виду, координатной структуре, по расположению и пропорциям размеров основных частей и направляющих. По внешнему виду компоновки станков могут быть горизонтальные и вертикальные (по общей форме, а не по расположению оси шпинделя); прямоугольных форм и круглые либо звездообразные; открытые или туннельного типа.

Можно различать компоновки специфические, свойственные одной разновидности станков, и межгрупповые, свойственные станкам различных типов и групп, работающих инструментами различных видов. Число межгрупповых компоновок постепенно возрастает благодаря своеобразному «обмену» компоновками между группами станков различного технологического назначения.

В качестве примеров межгрупповых компоновок можно привести следующие:

  • продольные компоновки, используемые для продольно-строгальных, продольно-фрезерных, шлифовальных, координатно-расточных и обрабатывающих центров;
  • карусельные компоновки, используемые для токарно-карусельных, карусельно-фрезерных, зубофрезерных и шлифовальных станков;
  • вертикальные компоновки с крестовым столом (крестовые), применяемые для фрезерных, сверлильных, долбежных, координатно-расточных, координатно-шлифовальных и обрабатывающих центров.

Число примеров можно было бы увеличить. Из сказанного следует, что компоновки по внешнему виду до некоторой степени не зависят от вида инструмента и метода формообразования.

Интересна классификация компоновок металлорежущих станков по расположению инструмента относительно обрабатываемой заготовки, а последней - относительно рабочего (оператора), применяемая для однопозиционных станков. В этой классификации различают четыре типовые группы компоновок:

  • Узел инструмента расположен спереди или сзади обрабатываемой заготовки. К этой группе относят токарные, круглошлифовальные станки, зубофрезерные станки для нарезания реек и др.
  • Узел инструмента расположен сбоку заготовки. К этой группе относят зубофрезерные, горизонтально-расточные, зубострогальные, горизонтально-протяжные станки и др.
  • Узел инструмента расположен над заготовкой. К этой группе относят большое число типов станков: горизонтально- и вертикально-фрезерные, плоскошлифовальные, сверлильные, долбежные, зубодолбежные, координатно-расточные, хонинговальные и др.
  • Веерообразное расположение узлов инструмента по отношению к заготовке. Для станков этой группы характерно наличие нескольких узлов инструментов, которые одновременно обрабатывают заготовку с разных сторон. К ним относят карусельные, продольно-строгальные, продольно фрезерные станки по металлу, некоторые типы координатно-расточных станков.

В качестве вторичного признака в этой классификации принят характер перемещения заготовки во время обработки (вращение, поступательное движение, неподвижность). Приведенная классификация, разработанная проф. А. С. Прониковым, не раскрывает внутренней структуры компоновок, но является первым шагом в общей систематизации компоновок всех металлорежущих станков.

Существуют классификация и способ обозначения многосторонних и многопозиционных компоновок агрегатных станков. Вследствие специфичности она не может быть распространена на другие типы станков.

В основу анализа структуры компоновок металлорежущих станков любых типов должна быть положена кинематическая структура - состав элементарных движений, выполняемых их рабочими органами. Такой подход к исследованию позволит раскрыть структуру компоновки как внутреннее содержание, органически связанное с назначением.

Компоновка металлорежущего станка имеет блочную структуру и состоит из одного стационарного и нескольких подвижных блоков, разделенных линейными или круговыми направляющими. Каждый подвижный блок выполняет определенное координатное движение. Число направляющих равно или несколько меньше числа элементарных движений, предусмотренных кинематической структурой станка. Сокращение числа направляющих и блоков достигается совмещением в одном блоке формообразующего и установочного движений, объединением поступательного и вращательного движений, например, с помощью круглых направляющих, обладающих двумя степенями свободы.

Слово «блок» вместо слова «узел» здесь использовано в связи с тем, что в одном блоке может быть не один, а два и большее число узлов. Например, в стационарный блок могут входить станина и неподвижная стойка. Термин «стационарный» более точен, чем «неподвижный», поскольку любой подвижный блок некоторое время при работе станка может быть неподвижным, тогда как слово «стационарный» означает, что блок неподвижен всегда.

Станок, будучи составной частью замкнутой системы СПИД, является системой разомкнутой. Блоки, несущие заготовку и инструмент, в компоновке станка всегда - крайние блоки, через которые, после установки заготовки и инструмента, замыкается система СПИД. Именно эти крайние блоки осуществляют относительное движение заготовки и инструмента, соответствующее принятому способу формообразования. В станках токарной группы концевыми блоками компоновки являются шпиндель и суппорт, в станках фрезерно-сверлильно-расточной группы - стол станка и инструментальный шпиндель. Шпиндель станка можно рассматривать как блок, выполняющий определенное движение формообразования, а подшипники шпинделя - как вращательные направляющие, отделяющие его от другого блока.

Блоки в компоновке сопрягаются последовательно или параллельно. Последовательное сопряжение Подвижных блоков необходимо для получения сложных пространственных перемещений заготовки или инструмента. Например, в консольно-фрезерных станках перемещение заготовки в трехкоординатном рабочем пространстве обеспечивается последовательным сопряжением трех блоков - стола, салазок и консоли.

Параллельное сопряжение блоков не означает, что эти блоки перемещаются в пространстве обязательно в параллельных направлениях. Как и при последовательном сопряжении, параллельно сопряженные блоки могут иметь различные направления движений и перемещаться одновременно или порознь. При параллельном сопряжении у одного из блоков имеются две или более направляющих или шпиндельных подшипников, служащих для разветвления движения. Параллельное сопряжение блоков применяют, например, в агрегатных станках, где обеспечивается одновременная работа силовых головок и нескольких инструментальных шпинделей.

Понятие о блочной структуре и способах сопряжения блоков позволяет обозначать любую компоновку станка с помощью структурных формул.

Выбор компоновки станка

Выбор компоновки станка с чпу производится в 3 этапа:

Первый этап. Из множества возможных вариантов, отвечающих технологическим требованиям формообразования, отбирают ограниченное число с учетом структурно-технологических и конструктивных ограничений.

Анализ и отбор вариантов на этом этапе может быть формализован; структуры компоновок описываются формулами, однозначно определяющими последовательность расположения узлов станка; все возможные варианты сводятся в матрицу, из которой с помощью элементов алгебры логики выделяются возможные подмножества компоновок станков с учетом поставленных требований и ограничений.

Второй этап. Производят сравнительный расчетный анализ качественных показателей отобранных на первом этапе компоновок станков. Критериями сравнения обычно являются геометрическая точность, статическая жесткость, динамические характеристики, относительная металлоемкость и т.д. Так как проект станка обычно еще не разработан и многих исходных данных для расчета нет, расчеты носят только сравнительный характер. Недостающие данные принимают для различных вариантов обязательно одинаковыми по порядку величин не противоречащими опыту и здравому смыслу.

Рекомендации по сравнительных расчетам компоновок станков по критериям геометрической точности приведены в работах авторов Бобров А.Н., Перченок Ю.Г. “Автоматизированные фрезерные станки для объемной обработки” и “Инженерные расчеты станков специализации ОКБС” / МСиИП, ОКБС. Л., 1976 г., по статической жесткости в работе “Методика расчета сравнительной жесткости компоновок металлорежущего станка”. Методические рекомендации / МСмИП, НИЛСИ; ЭНИСМ. М., НИИМАШ, 1979 г.. Так как для разных точек рабочего поля станка величины погрешностей отличаются, рассчитывается совокупность значений для характерных зон поля. Характеристиками компоновки в целом служат наибольшие и наименьшие значения, средние величины и разброс значений в пределах рабочего поля.

Под критерием относительной металлоемкости gc, подразумевается отношение массы станка m величине его средней жесткости Cср

gc=m/Cср

Отбор вариантов на этом этапе производят по совокупности всех критериев с учетом их значимости.

Третий этап. Производят окончательный выбор из оставшихся вариантов с учетом организационно-технологических факторов - возможностей завода-изготовителя, степени унификации, сроков изготовления и т.д.

Выбор компоновки станка с чпу является весьма важной и сложной задачей и осуществляется, как правило, наиболее опытными конструкторами.(приближенные) и уточненные, существенная доля которых выполняется на ЭВМ. Современный конструктор должен владеть оценочными расчетами совместно со специалистами - расчетчиками осуществлять постановку задач при необходимости уточненных расчетов.

Оценка и основные виды расчетов при проектировании станков

Критерии оценки станка формируются в соответствии с основными группами требований, изложенными в настоящем разделе. При проектировании станков обычно выполняют следующие виды расчетов:

  • точность;
  • жесткость;
  • динамические характеристики;
  • износостойкость;
  • температура полей и деформаций;
  • кинематика;
  • силовые;
  • на прочность и долговечность;
  • геометрические расчеты передач;
  • технологические расчеты;
  • экономической эффективности;
  • надежность;
  • оптимизационные расчеты.

Инженерные расчеты являются неотъемлемой частью процесса проектирования станка. Они подразделяются на оценочные (приближенные) и уточненные, существенная доля которых выполняется на ЭВМ. Современный конструктор должен владеть оценочными расчетами совместно со специалистами - расчетчиками осуществлять постановку задач при необходимости уточненных расчетов.

Характеристики качества компоновок станков

Практика станкостроения постоянно указывает на то, что правильный выбор и рациональное построение компоновки оказывают большое влияние на качество станка. Во многих случаях создания специальных и универсальных станков это влияние оказывается решающим.

Влияние компоновки на качество станка проявляется по двум направлениям. Во-первых, через структуру, правильный выбор которой обеспечивает необходимую универсальность или специализацию станка и его соответствие ряду технологических и других требований. Во-вторых, через выбор рациональных конструкционных исполнений, размерных пропорций и расположения узлов в пространстве станка, чем обеспечиваются высокие технико-экономические показатели качества.

Возрастающее значение методов численного анализа компоновок объясняется повышением требований к качеству станков, в связи с чем для улучшения характеристик качества стремятся использовать все возможные факторы, среди которых компоновка играет существенную роль.

Понятия качества компоновки и качества станка отождествлять нельзя. Между выбором и построением компоновки на стадии эскизного проектирования и испытанием готового станка лежит большой путь проектирования, изготовления и сборки. Потребителя интересует качество готового станка, на которое оказывают влияние все этапы его создания, а также качество материалов и комплектующих изделий. Однако предпосылки качества станка закладывают еще на первом этапе - при построении его компоновки. Конечно, и при хорошей компоновке в случае неправильного конструирования и изготовления может получиться плохой станок, но ни качеством конструкции и материалов, ни тщательным изготовлением и сборкой нельзя компенсировать ущерб, нанесенный качеству выбором плохой компоновки и неверным определением ее основных пропорций. Именно по этой причине стадию эскизного проектирования считают самой ответственной и выполняют наиболее квалифицированные конструкторы.

Под качеством компоновки следует понимать свойственные ей потенциальные возможности создания станка более высокого качества, чем станки с другими компоновками. Качество компоновки определяют путем расчетного сопоставления компоновок, в связи с чем в анализе качества компоновок могут преобладать сравнительные методы, для которых характерны относительные оценки и возможность сравнения предметов только по различающимся особенностям.

Сравнительный анализ качества компоновок желательно выполнять на наиболее ранней стадии проектирования и с минимальной конкретизацией конструкции. Это необходимо не только для ускорения проектирования, но и для того, чтобы по возможности избежать влияния различий в конструктивных исполнениях узлов на результаты сравнения вариантов. Поэтому в методах анализа качества компоновок основное внимание должно быть уделено компоновочным факторам, а факторы, зависящие от подробностей конструкции, должны быть по возможности исключены.

Под компоновочными факторами здесь подразумеваются расположение в компоновке и основные пропорции узлов, направляющих и деталей несущей системы. Эти факторы и их влияние на качество станка, а также способы их численной оценки подробно рассмотрены ниже.

Конструкцию элементов при анализе качества компоновки следует учитывать лишь в той мере, в какой это необходимо для выполнения некоторых расчетов, и в сравниваемых вариантах компоновок она должна быть одинаковой или эквивалентной по качеству.

Сравнительные методы анализа позволяют исключать из расчета элементы и целые узлы, потенциально одинаковые для различных компоновок. Например, при расчетах жесткости, выполняемых для сравнения компоновок, податливость шпинделя и его подшипников можно не учитывать, если в сравниваемых вариантах имеется потенциальная возможность сделать эти элементы одинаковыми по размерам и конструкции.

Для сопоставимости результатов расчета качества компоновок необходимо соблюдение ряда условий. Непременным и первоочередным условием сравнения качества компоновок является их соответствие определенной технологической задаче. Основные размерные параметры компоновок, например размеры рабочего стола и величины наибольших координатных перемещений, должны быть одинаковы или различаться незначительно. Размеры режущих инструментов и их предельные положения относительно места установки детали, например поверхности стола, должны быть одинаковы. Одинаковыми должны быть и предполагаемые силы нагружения станков при резании. Желательно, чтобы в сравниваемых компоновках был принят единый вид направляющих (качения, скольжения), причем конструкции могут различаться размерами, но должны быть по возможности эквивалентны по допустимым удельным напряжениям и по точности изготовления.

Ориентировочная масса станков сравниваемых компоновок должна быть уравнена, за исключением тех случаев анализа, когда компоновки при прочих равных показателях сравнивают по металлоемкости.

Основные качественные и технико-экономические показатели металлорежущих станков общеизвестны, это - производительность точность, износостойкость, стоимость станка и себестоимость обработки на нем. К важнейшим характеристикам, косвенно влияющим на все остальные, должны быть отнесены жесткость и виброустойчивость.

Производительность станка существенно зависит от выбора технологической компоновки, особенно в тех случаях, когда на станке осуществляется концентрация обработки, т. е. когда станок выполняется многошпиндельным, многопозиционным и т. д.

Для одношпиндельных универсальных станков, в том числе многооперационных, влияние компоновки на производительность проявляется (при равных технологических возможностях) в оснащении станка дополнительными узлами, сокращающими вспомогательное время обработки (поворотными загрузочными столами, магазинами инструментов и др.), а также через жесткость и виброустойчивость, с которыми связано осуществление оптимальных режимов резания и сокращение числа проходов. Большое влияние на производительность имеет удобство обслуживания станка, тоже зависящее от компоновки.

Точность станка зависит от компоновки через расположение и пропорции направляющих, величину и характер изменения деформаций от массы заготовки и узлов станка при перемещениях последних, через жесткость несущей системы. Зависимость точности станка от компоновки столь существенна, что можно говорить о точности компоновки как о важной самостоятельной характеристике качества.

Износостойкость и прочность зависят от компоновки через размеры направляющих и некоторых корпусных деталей несущей системы, а также через расположение нагружаемых элементов относительно зоны резания. В определенной мере износостойкость и прочность зависят от жесткости и виброустойчивости. Практика расчетов станков на прочность и износостойкость показывает, что в большинстве случаев эти характеристики элементов несущей системы станка не являются лимитирующими и при достаточно высоком уровне жесткости обеспечиваются почти всегда.

Стоимость станка зависит от компоновки главным образом через металлоемкость, связанную с размерами основных узлов, и трудоемкость изготовления деталей несущей системы, которая, в свою очередь, зависит от массы этих деталей и размеров направляющих.

Металлоемкость компоновки может быть отражена в форме ориентировочной массы всех узлов станка либо в форме относительной металлоемкости, определенной с учетом основных размерных параметров или мощности станка.

Стоимость эксплуатации станка зависит от компоновки косвенно через производительность (жесткость, виброустойчивость), первоначальную стоимость станка (металлоемкость), через занимаемую станком производственную площадь, а также износостойкость и ремонтосложность несущей системы, которые связаны с размерами направляющих.

Из сказанного следует, во-первых, что все основные технико-экономические показатели станка прямо или косвенно зависят от компоновки и, во-вторых, что в числе важнейших характеристик при анализе качества компоновки должны определяться жесткость и виброустойчивость (динамические свойства).

Жесткость несущей системы и станка в целом существенно зависит от компоновки, в частности, от размеров и расположения направляющих и некоторых корпусных деталей. Оказывая непосредственное влияние на точность и виброустойчивость и будучи косвенно связанный с металлоемкостью, жесткость в этом смысле занимает центральное место среди характеристик качества компоновки.

Жесткость станков в значительной степени определяет их динамические качества и в настоящее время является основным рабочим критерием для всех элементов несущих и направляющих систем (станин, стоек, плит, коробок, шпинделей и т. д.), а также для ряда деталей привода. Следовательно, при анализе качества компоновок станков характеристики жесткости имеют первостепенное значение.

Жесткость компоновки - понятие более узкое, чем понятие жесткости станка в целом или системы СПИД. В отличие от способа исчисления жесткости системы СПИД в жесткости компоновки не учитывают упругие деформации инструмента, детали, приспособления и некоторых элементов станка, в частности, деформации конечных элементов приводов (винтовых передач, подшипников), поскольку они от компоновки не зависят.

В характеристиках компоновки универсального станка должны быть отражены как средний уровень жесткости, так и диапазон ее изменений при перемене направлений и точек приложения сил резания в пределах области пространства, где производится обработка.

Виброустойчивость как понятие, отражающее динамические свойства станка, недостаточно определенно. Например, считают, то под виброустойчивостью станка следует понимать устойчивость системы при резании, или, иначе, условия отсутствия автоколебаний при обработке. Поскольку эти условия зависят не только от компоновки, применение понятия виброустойчивости как характеристики качества компоновки было бы неоправданным. Вместе с тем влияние упругой несущей системы на динамическую устойчивость станка настолько значительно, что анализ динамических свойств компоновки представляется необходимым. Вместо термина виброустойчивость ниже будет использован термин динамические характеристики.

От компоновки зависят динамическая жесткость упругой механической системы и запас устойчивости, уровень частот, собственных колебаний, связанность и формы собственных колебаний, передаточные отношения между колебаниями узлов и смещениями инструмента и заготовки и другие характеристики.

Перечисленные характеристики качества компоновок поддаются расчету (хотя бы в качестве предварительных оценок) уже на стадии эскизного проектирования станков. К методам расчета этих характеристик могут быть предъявлены следующие общие требования, вытекающие из всего сказанного выше о качестве компоновок.

  • Методы расчета должны допускать их применение как в целях выбора компоновок путем сравнения качества, так и для оптимизации размеров и пропорций, если тип компоновки заранее задан.
  • Методы расчета должны быть преимущественно сравнительными, позволяющими применять в целях упрощения допущения, равнозначные для сравниваемых вариантов, и исключать из расчета потенциально одинаковые элементы или части компоновок.
  • Методы расчетов должны допускать их выполнение на стадии Эскизного проектирования станка с минимально необходимой конкретизацией конструкции и при небольшом числе фиксированных размеров компоновки. В эти размеры могут входить основные параметры станка, некоторые увязочные размеры и размеры направляющих, а также габаритные размеры несущих корпусных деталей, необходимые для определения массы узлов.
  • Расчетам должна быть придана форма, в которой на первый план выдвигаются компоновочные факторы, в связи с чем должны быть найдены способы численной оценки этих факторов и их изменения при координатных перемещениях узлов.
  • Результаты расчетов должны давать как оценки качества компоновки в целом, так и возможность определения «узких мест» компоновки по тем или иным характеристикам.
  • Методы расчетов должны допускать их выполнение в течение короткого срока.

Осуществление всех этих требований применительно к методам расчета характеристик качества компоновок сопряжено с рядом трудностей и вызывает необходимость введения некоторых новых понятий и определений. Например, необходимо более четкое определение упомянутых компоновочных факторов с нахождением способа их количественной оценки. Необходимо также введение понятия рабочего поля как области пространства, с которой связано изменение компоновочных факторов и характеристик качества компоновки.

Наряду с характеристиками качества, поддающимися расчету, при сравнении вариантов компоновок используют и характеристики, формализацию и количественный расчет которых пока еще не производят. В числе таких характеристик могут быть названы следующие: удобство обслуживания станка в процессе его работы; технологичность компоновки (в смысле изготовления деталей несущей системы); ремонтодоступность и удобство профилактического осмотра и ремонта узлов; возможность использования компоновки в качестве базы для технологических модификаций станка и для специальных станков; обратимость компоновки в смысле возможности переоборудования станка для других целей; потенциальная архитектоника компоновки (в смысле возможностей художественного конструирования).

Этот перечень не претендует на полноту и может быть дополнен характеристиками, обусловленными конкретными задачами проектирования станков.

Влияние компоновки на перечисленные характеристики весьма существенно и может быть предметом отдельного исследования. Ниже по этому поводу приведены только некоторые краткие соображения.

Удобство обслуживания как характеристика качества заключает в себе несколько слагаемых характеристик, каждая из которых зависит от компоновочных факторов: удобство загрузки-разгрузки станка связано с высотой места ручной установки детали и со свободным пространством над столом при установке тяжелых деталей с помощью крана; удобство наблюдения за процессом обработки связано с высотой зоны обработки и свободой обзора; удобство ручной смены инструментов или удобство обслуживания магазина при автоматической смене инструментов связаны с высотой расположения шпинделя или магазина и достаточным удалением последнего от опасной зоны; удобство удаления стружки связано с возможностью ее свободного падения и с размещением транспортера; удобное размещение органов ручного управления тоже существенно зависит от компоновки.

Правильное расчленение компоновки и ее блоков на узлы, агрегатное построение компоновки, соблюдение структурных признаков, связанных, в частности, с унификацией узлов, оказывают существенное влияние на другие нерасчетные характеристики качества компоновок. Например, одним из принципов архитектоники станков является требование зрительного опушения «устойчивости» компоновки, по которому узлы большой протяженности должны быть расположены ниже, чем узлы меньшего размера. Этот принцип практически совпадает с условием отбора компоновок М3.4, по которому блоки, имеющие большие перемещения, должны быть расположены в компоновке ближе к стационарному блоку.

При сравнении и выборе компоновок нерасчетные характеристики могут быть учтены численно с помощью метода взвешенных экспертных оценок. Метод экспертных оценок, несмотря на фактор субъективности, широко применяют при проектировании различных машин. Привлечение группы экспертов повышает объективность метода.

«Взвешенные» экспертные оценки отличаются от простых экспертных оценок тем, что характеристики, по которым устанавливают оценки, предварительно сами оценивают по их значению в конкретных условиях проектирования и производства с помощью «весовых» баллов.