УДК 621.9.06.

Пуховський Є.С., д.т.н.; Бецко Ю.М.

Національний технічний університет України «КПІ», Україна

ВИБІР ОБЛАДНАННЯ ГВС З УРАХУВАННЯМ ПАРАМЕТРІВ КООРДИНАТНОГО ПРОСТОРУ ВЕРСТАТІВ

Ефективність обробки деталей в умовах гнучких виробничих систем (ГВС) значною мірою визначається правильністю призначення параметрів координатного простору верстатів, тобто обробка деталей на верстаті з завищеними значеннями координатних переміщень, вартість якого за інших однакових характеристик відповідно більша, економічно менш ефективна [1]. Відсутність методики визначення параметрів координатного простору основного технологічного обладнання (ОТО) збільшує вірогідність призначення завищених значень координатних переміщень. Це особливо справедливе при організації обробки корпусних деталей на горизонтальних багатоцільових верстатах з ЧПК типу “обробляючий центр”, які дають змогу виконати багатобічну обробку різними інструментами без додаткових переустановлень заготовки на столі верстата.

Методика визначення параметрів координатного простору горизонтального багатоцільового верстата за критерієм мінімуму допоміжних переміщень дає можливість відшукати оптимальні значення координатних переміщень, які задовольняють як умові можливості виконання багатобічної обробки заготовки, так і умові мінімізації допоміжних переміщень [2]. Застосовувати її доцільніше у разі використання при організації обробки корпусних деталей відомого методу формалізованої побудови технологічних процесів (ТП) обробки деталей з уніфікованих схем обробки окремих конструктивно-технологічних елементів (КТЕ), які утворюють деталь. При цьому кожному окремому переходу в схемах обробки КТЕ визначені необхідний режим і допоміжні інструменти з конкретними геометричними параметрами та траєкторією переміщень і відповідні режими різання.

Найбільш значними факторами, які визначають параметри координатного простору ОТО, є форма та габаритні розміри оброблюваних деталей, види та типорозміри різального та допоміжного інструменту, що використовується. Крім того, на параметри координатного простору горизонтального багатоцільового верстата з ЧПК з пристроєм автоматичної зміни інструменту впливає використаний варіант здійснювання зміни інструменту.

У загальному випадку відрізняють такі варіанти зміни різального інструменту (РІ) на горизонтальному багатоцільовому верстаті: “перед деталлю”, “над деталлю”, “поза деталлю” (рис. 1).

Зміна РІ “перед деталлю” передбачає відведення шпинделя від деталі (або навпаки залежно від компонування верстата) у напрямі Z (осі координат і напрями руху позначено згідно з ГОСТ 23597-79) на відстань, що дає змогу витягати із шпинделя верстата обробляючий інструмент та встановлювати черговий РІ певного вильоту. Варіанти зміни РІ “над деталлю” та “поза деталлю” передбачають відведення шпинделя від деталі у напрямі відповідно X та Y на відстань, що дає змогу витягати із шпинделя верстата відпрацьований інструмент та встановлювати черговий РІ певного параметра. При виборі варіанту зміни РІ керуються, як правило, прагненням мінімізувати допоміжні переміщення та забезпечити необхідну точність розташування поверхонь деталі. Значною мірою цим вимогам відповідає варіант зміни РІ “перед деталлю”, що підтверджується його широким використанням на практиці.

Методика визначення параметрів координатного простору горизонтального багатоцільового верстата за критерієм мінімуму допоміжних переміщень дає можливість визначати оптимальні координатні переміщення для випадку, коли кожний наступний перехід ТП виконується після зміни РІ, причому змінюється інструмент в певній фіксованій точці.

Необхідною умовою можливості виконання багатобічної обробки є забезпечення можливості обертання заготовки (рис. 2):

,

(1)

де – відстань від центра А стола до максимально віддаленої вершини контуру проекції деталі на площину поверхні стола верстата:

,

(2)

де – координати центра А стола верстата в системі координат деталі; – координати k-ї вершини контуру проекції деталі на площину поверхні стола верстата в системі координат деталі; – максимальна відстань від торця шпинделя до осі стола; – максимальний виліт інструментів наладки верстата; – довжина хвостової частини корпуса оправки; Δ – мінімальний безпечний зазор (звичайно беруть Δ = 10мм).

Враховуючи вираз (2), умова (1) набуває вигляду:

,

звідки

,

(3)

У загальному випадку розв’язання задачі мінімізації допоміжних переміщень передбачає знаходження таких координат центра стола верстата в системі координат оброблюваної деталі, за яких час допоміжних переміщень буде мінімальним. Розв’язання задач мінімізації часу допоміжних переміщень при обробці корпусних деталей на горизонтальному багатоцільовому верстаті адекватне одночасному розв’язанню трьох задач мінімізації допоміжних переміщень у напрямах відповідно X, Y, Z.

Сумарна величина допоміжних переміщень вузлів верстата в напрямі X визначається виразом

,

(4)

де – відповідна координата кінцевого положення j-го інструменту при виконанні переходу обробки i-го КТЕ при повороті системи координат верстата на кут (для можливості обробки i-го КТЕ). Враховуючи формули перетворення декартових прямокутних координат при повороті осей, формула (4) набуває вигляду

,

де – координата кінцевого положення j-го інструменту при виконанні переходу обробки i-го КТЕ в системи координат верстата. Відповідно до рис. 2

,

(5)

де – координата кінцевого положення j-го інструменту при виконанні переходу обробки i-го КТЕ в системи координат деталі.

Тоді сумарні допоміжні переміщення в напрямі X набувають вигляду

,

(6)

Згідно з (6) час допоміжних переміщень в напрямі X

,

(7)

де – швидкість швидкого переміщення вузлів верстата.

Розв’язання задачі мінімізації часу допоміжних переміщень у напрямі V передбачає встановлення заготовки на певній висоті над поверхнею стола верстата, що негативно впливає на жорсткість технологічної системи, точність обробки та ін. В зв’язку з цим доцільність мінімізації допоміжних переміщень в цьому напрямі вимагає окремого поглибленого техніко-економічного оцінювання.

Допоміжні переміщення вузлів верстата в напрямі 7 (див. рис. 2)

,

де – відстань від торця шпинделя до осі стола верстата в момент переключення руху вузлів верстата зі швидкості швидкого переміщення на швидкість робочої подачі для виконання переходу обробки i-го КТЕ j-м інструментом при повороті системи координат верстата на кут (для можливості обробки i-го КТЕ).

У свою чергу,

,

(8)

де – відповідна координата кінцевого положення j-го інструменту при виконанні переходу обробки i-го КТЕ у разі повороту системи координат верстата на кут ; – величина робочого переміщення j-го інструменту при виконанні переходу обробки i-го КТЕ; – повний виліт j-го інструменту i-го КТЕ; – довжина ділянки j-го інструменту i-го КТЕ, який не бере участі у формуванні заданої поверхні.

З урахуванням формул перетворення декартових прямокутних координат при повороті осей відстань

,

(9)

Тоді згідно з (5) та (9) рівняння (8) набуває вигляду

,

(10)

Максимальна величина допоміжних переміщень вузлів верстата в напрямі Z

,

(11)

Час допоміжних переміщень вузлів верстата в напрямі Z можна подати у вигляді суми

,
,	(12)
,		(13)

де – сумарна кількість інструментів, які виконують переходи обробки КТЕ, що можливо за конкретного фіксованого значення кута повороту .

З аналізу рівняння (13) випливає, що значення не залежить від значень координат центра стола верстата, тобто мінімізувати цю частку загального часу допоміжних переміщень у напрямі Z неможливо.

Враховуючи вирази (3), (10), (11), рівняння (12) можна подати в розгорнутому вигляді:

,

(14)

Шукані значення координат , за яких функція

,

(15)

(де змінні описуються виразами відповідно (7) та (14)) набуває мінімального значення, можна визначити методами прямого пошуку для функцій кількох змінних, наприклад методом Хука-Дживса. Вигляд функції F визначається технічними можливостями пристроїв ЧПК верстата. Наприклад, якщо число одночасно керованих координат верстата менше двох, функція (15) набуває вигляду

,

Значення параметра Z_max верстата визначають за формулою (3). Оптимальні значення координатних переміщень

,

,

Таким чином, урахування параметрів координатного простору верстатів з ЧПК дозволяє більш ретельно дослідити технологічні можливості ОТО та уникнути небезпеки вибору обладнання з надлишковими технологічними можливостями, а отже, з завищеними капітальними затратами.

Список літератури:

1. Лищинский Л.Ю. Технико-экономический анализ и методы выбора рациональных структур гибких производственных систем. –М.: ВНИИТЭМР, 1985.–64 с.

2. Пуховский Е.С., Кукарин А.Б. Проектирование станочных систем многономенклатурного производства. –К.: Тэхника, 1997. –222 с.