Компенсация упругих деформаций

Упругие деформации в станках возникают от действия внешних сил, веса перемещающихся узлов (изменение относительного положения), зажимных устройств и могут изменяться от долей до тысяч микрометров (деформация ползунов токарно-карусельных станков). Деформации определяются жесткостью деталей, которая для станков имеет особенно большое значение. Станки, особенно прецизионные, приходится проектировать значительно более массивными (для обеспечения высокой жесткости), чем другие машины при тех же нагрузках. Особенно сложно бороться с упругими деформациями в тяжелых и точных станках, так как они сопоставимы или превышают требуемую геометрическую точность станка. Так, деформации узлов одностоечного токарно-карусельного станка с диаметром планшайбы 10 м и с максимальным диаметром обработки 22 м (рис. 2.30) составляют: стойки δ1 = 1,25 мм; консоли δ2 = 1 мм; планшайбы (при нагрузке F = 300 т) δ3 = 0,05 мм; станины δ4- зависит от жесткости фундамента. Очевидно, что допускаемое отклонение от прямолинейности перемещения суппорта в горизонтальной плоскости (0,06 мм) без дополнительных конструкторских и технологических мер обеспечить невозможно.

Компенсация упругих деформаций

Методы снижения упругих деформаций и их отрицательного влияния на точность станка рассмотрены ниже.

Повышение жесткости деталей. Наиболее доступными способами увеличения жесткости являются выбор рациональных сечений деталей, правильное их зоребрение и назначение материала. В тяжелых станках широкое применение находят сварные конструкции базовых деталей, обеспечивая благоприятное соотношение между весом деталей и их жесткостью (модуль упругости примерно в 2 раза выше, чем у чугуна). Расширяется также область использования нетрадиционных материалов, таких как полимербетон, волокнистые композиционные материалы и керамика. Станины, выполненные из полимербетона, повышают жесткость в 1,5 раза и более.

При выборе поперечных сечений деталей ориентировочную оценку их жесткости можно проводить при работе на изгиб и кручение (это относится к стойкам, поперечинам, ползунам и другим деталям типа балок). Изгибная и крутильная жесткость определяются соответственно осевым Jx и полярным J0 моментами инерции сечения, которые для ряда сечений одинаковой удельной массы приведены на рис. 2.31, а. Из анализа рис. 2.31, а и зависимостей, определяющих моменты инерции, следует:

  1. для замкнутых профилей толщина стенок S влияет на жесткость в первой степени, а размер сечения а - в третьей, поэтому целесообразно выбирать тонкостенные профили. Для разомкнутых профилей размер а сказывается на изгиб в первой степени;
  2. при действии изгибающего и крутящего моментов лучше выбирать тонкостенные сечения с контуром, максимально удаленным от оси (круглый профиль оптимален);
  3. при работе на кручение необходимо избегать применения разомкнутых сечений.

Эти выводы справедливы при исключении местных деформаций сечения, которые возникают при нагружении деталей, например, через направляющие (место присоединения направляющих к основному сечению является слабым звеном). Для избежания искажения формы сечений деталей предусматривают ряд продольных № 6 (или диагональных) и поперечных №№ 2-5 ребер. С увеличением числа ребер расход металла (масса детали) растет быстрее, чем увеличивается жесткость (Сх и Ск, где Сх и Ск - жесткость детали при работе соответственно на изгиб и кручение). Вертикальные продольные ребра мало сказываются на жесткости; значительно лучше простые поперечные перегородки № 4 с диагональными или V-образными продольными ребрами № 6, подпирающими направляющие 1 и 2. Таким образом, не следует стремиться к чрезмерному заребрению деталей (за исключением разомкнутых профилей, где это крайне важно, а также мест передачи нагрузки, например, направляющих).

Компенсация упругих деформаций

По технологическим и конструктивным соображениям часто в корпусных деталях предусматривают окна (рис. 2.31, в, схемы II, III), которые могут приводить к существенному снижению жесткости на кручение. (В схеме I δ - деформации Сок, С - жесткость деталей с окнами и без них.) При работе деталей на изгиб следует:

  1. располагать окна ближе к нейтральному сечению (схема II), а также по возможности исключить окна в разных стенках в одном сечении;
  2. избегать размеров окон, превышающих 1/2 размера сечения (D/a < 0,5);
  3. предусматривать бобышки вокруг окон или хорошо закреплять крышки.

Однако изложенное не всегда справедливо, так как требуется учитывать особенности работы отдельных узлов. Например, станины тяжелых станков устанавливают на индивидуальном фундаменте, который и определяет их жесткость. Увеличение сечения станины мало сказывается на прогибе, в то время как повышение жесткости фундамента приводит к пропорциональному снижению деформации станины. Большое влияние на жесткость планшайб кроме высоты оказывает заребрение деталей.

Рациональные схемы нагружения. Существенных успехов можно достигнуть при благоприятной схеме нагружения корпусных деталей. Например, нагружение узлов, перемещаемых по гидростатическим направляющим или направляющим скольжения, происходит более равномерно (распределенная нагрузка), чем при опорах качения (сосредоточенная нагрузка). Установка на планшайбу 2 крупных деталей I (рис. 2.32, а), превышающих ее диаметр, вызывает ее деформацию (штриховые линии). Для исключения скручивания планшайбы 3 и перекоса направляющих (рис. 2.32, б) деталь 4 устанавливают на балках 1, закрепленных на промежуточной детали 2. При такой установке планшайба воспринимает только сосредоточенные нагрузки, а момент воспринимается балками 2.

На рис. 2.32, в балки 1 закрепляются на стальной (нерабочей) планшайбе 2 и опираются плоскостью 3 на рабочую планшайбу 4 между гидростатическими направляющими 5 и 6. При этом исключается закручивание планшайбы и обеспечивается возможность установки деталей различного диаметра на одних и тех же балках. Такая схема реализована в конструкции одностоечного токарнокарусельного станка с диаметром планшайбы 10 м и диаметром заготовок до 22 м. При относительно небольших размерах планшайбы можно обрабатывать весьма крупные детали.

Установка крупных деталей на столах или планшайбах при гидростатических направляющих может контролироваться по разности давлений в отдельных карманах. Более благоприятное распределение нагрузки на станину, шпиндельную и заднюю бабки при обработке тяжелых валов достигается за счет использования дополнительных люнетов.

Компенсация упругих деформаций

Создание на рабочей поверхности направляющих формы, обратной той, которая возникает при деформациях. Это относится, прежде всего, к поперечинам (консолям), ползунам, стойкам, планшайбам. Прогиб поперечины портальных станков удается компенсировать за счет создания «арки» размером 5 шабрением, шлифованием, выставкой планок 1 (рис. 2.33, а). Таким образом, удается компенсировать деформацию поперечины от собственного веса и веса одного из суппортов 2. Аналогичным образом компенсируется деформация стоек, а также станин (например, деформацией всего сечения станины тяжелых станков при установке их на фундаменте).

Деформация поперечины противоположного знака создается с помощью балок 1 (рис. 2.33, б), прикрепленных к поперечине в местах связи ее со стойками 3 и 4 (см. рис. 2.33, а). Винтами 2 поперечина изгибается и скручивается в плоскостях, противоположных направлениям деформаций, возникающих при работе станка. Недостатками такой конструкции являются: сложность, увеличение массы и невозможность компенсации деформаций при произвольном расположении на поперечине двух суппортов (на рис. 2.33, а показан один суппорт).

Компенсация упругих деформаций

Предварительный прогиб ползуна достигается местным его нагревом газовой горелкой в отдельных точках до температуры 150...200 °С (рис. 2.33, в). Предварительная деформация ползуна производится постоянным моментом М (рис. 2.33, г), создаваемым при деформации планки 1 (схема I), При этом компенсируется 80...90% прогиба δ от собственного веса под действием момента MG (δ < δ1) (схема II).

Разгрузка от веса перемещаемых узлов. При уменьшении деформации направляющих поперечины 1 за счет разгрузки ее от веса суппорта 3 (рис. 2.34, а) вес суппорта передается не на направляющие 2, а на дополнительную балку 4 через гидроцилиндр 5 и точные направляющие 2, поперечины воспринимают только силы резания.

При разгрузке от веса деталей консольного станка за счет изменения натяжения троса 1 (рис. 2.34, б) при подводе масла под давлением в гидроцилиндр 2 можно компенсировать кроме веса суппорта 3 также вес консоли 4. На точность перемещения суппорта оказывает влияние место «подвеса» троса. Полностью компенсировать погрешность вертикального перемещения и перекоса суппорта вследствие деформаций консоли не удается. На рис. 2.34, в показаны схемы возникновения погрешностей при такой схеме компенсации. Если устранить деформацию направляющих консоли таким образом, чтобы вертикальное перемещение отсутствовало (Δz = 0, схема I), т.е. обеспечить идеальную параллельность перемещения суппорта, то погрешность в горизонтальном направлении Ах не изменяется по величине. Если компенсировать 1/2 величины деформации Δz (схема II), то можно добиться уменьшения погрешности Ах до 0. (На схемах Kφ - коэффициент контактной податливости направляющих консоли, G - вес суппорта.) Прогиб ползуна 1 (рис. 2.34, г), который подвешен в центре тяжести с помощью ролика 3 на планке 2 шпиндельной бабки, при изменении его вылета не изменяется. Дополнительно предусмотрено автоматическое смещение на величину I ролика 3 на ползуне, которое зависит от веса, устанавливаемого на ползуне узла. В этом случае компенсируется также вес сменных узлов.

Компенсация упругих деформаций

Компенсация упругих деформаций

Уравновешивание перемещающихся узлов (управляемая разгрузка). Компенсация переориентации шпиндельной бабки при изменении вылета ползуна основана на принципе управляемой разгрузки шпиндельной бабки, осуществляемой с помощью тросов или гидроцилиндров. При увеличении вылета ползуна 1 в конструкции, показанной на рис. 2.35, а, увеличиваются давление в гидроцилиндре 2 и натяжение троса 3, а в конструкции, показанной на рис. 2.35, б, клиновая планка 3 смещает золотник 2, благодаря чему происходит увеличение давления в гидроцилиндре 4, и соответственно, момента, действующего на бабку в направлении, противоположном моменту от ползуна. Можно устанавливать различные законы изменения момента, обеспечивая различный уровень компенсации деформации (включая избыточную).

Введение дополнительных опор. В шпиндельном узле тяжелого токарного станка (рис. 2.36, а), в котором жесткость шпинделя повышена на 25...30 % за счет введения под планшайбой дополнительных гидростатических опор 7 и 2, в качестве основных опор 4 и 5 шпинделя могут использоваться как гидростатические, так и подшипники качения. Если объем подводимого в карманы дополнительных опор масла изменяется пропорционально нагрузке (давлению в кармане), контролируемой, например, датчиком давления 3, то жесткость можно повысить в несколько раз.

В конструкции планшайбы тяжелого токарно-карусельного станка (рис. 2.36, б), в которой предусмотрена дополнительная осевая опора 2 в виде упорного подшипника, которая может воспринимать нагрузку, приложенную близко к центру, упорный подшипник установлен подвижно в осевом направлении и величина нагрузки на него регулируется давлением в гидроцилиндре 3. В этом случае гидростатические направляющие 1 планшайбы деформируются (скручиваются) меньше и повышается их работоспособность. В отдельных конструкциях предусматриваются: дополнительные опоры ползунов, уменьшающие консоль (рис. 2.36, в, I); подвижные 1 (схема II) и неподвижные 1 (схема III) люнеты (включая гидро- и аэростатические) под нежесткие обрабатываемые детали типа валов, труб; расточные оправки (IV) с резцами 1 и направляющими опорами 2.

Компенсация упругих деформаций

Использование эталонных линеек. Для обеспечения правильной траектории движения салазок 3 независимо от нагрузки F (рис. 2.37), деформации направляющих 4 и других факторов положение салазок 3 в вертикальном направлении определяется точностью измерительной линейки 1 и контролируется датчиком положения 2. Сигналы от датчика 2 (фактическое положение), а также от устройства 6 (заданной толщины масляной пленки h) поступают в регулирующее устройство 5, которое управляет сопротивлением дросселя 7, через который масло поступает в карман 8 гидростатической направляющей. Изменяя поверхность эталона, можно обеспечивать разный закон движения (в качестве эталона может использоваться струна, деформируемая лента, линейка и др.).

Компенсация упругих деформаций

Компенсация деформаций с помощью адаптивных систем управления. На рис. 2.38, а показана система автоматического регулирования заданного горизонтального положения ползуна вне зависимости от изменяющихся условий эксплуатации. Уровень 1, установленный на суппорте, фиксирует перекос ползуна 2 и через усилитель управляет золотником 3. Благодаря этому изменяются толщины h1 и h2 масляной пленки в направляющих шпиндельной бабки и компенсируется наклон суппорта, например, от разного вылета ползуна.

Получили развитие системы управления на базе лазерных измерительных устройств для контроля и компенсации прогиба стоек, консолей, ползунов тяжелых станков. В системе измерения прогиба ползуна тяжелого продольнофрезерного станка с помощью лазерного устройства 1 (рис. 2.38, б, I) деформация 5 ползуна от силы резания контролируется измерительным датчиком 2, установленным на угловой фрезерной головке 3. Датчик представляет собой цилиндрическое зеркало, от которого луч отражается и падает на фотодиоды 4 (схема II). Величина смещения h луча зависит от прогиба ползуна. Изменение положения ползуна для компенсации деформаций производится аналогично рассмотренному выше случаю за счет изменения толщин масляной пленки в нижней и верхней гидростатических опорах (регулированием производительности насосов в системе насос-карман).

Компенсация упругих деформаций

В системе компенсации прогиба борштанги 1 при расточке детали 2 (рис. 2.38, в) в качестве привода резца 3 используется встроенный в борштангу пьезоэлектрический датчик 4, который преобразует электрический сигнал (поступающий к приводу через контактное кольцо 6) в радиальное перемещение резца. Измерительная система представляет собой лазерный источник 9, луч от которого проходит сквозь полое отверстие шпинделя и борштанги и попадает на призму 5. Призма смонтирована в непосредственной близости от резца со смешением вершины с оси борштанги на величину L (схема II). Перемещение призмы регистрируется в двух перпендикулярных направлениях с помощью зеркала 7 и фотодатчика 8, генерирующего напряжение, пропорциональное координатам отраженного от призмы 5 луча (при отсутствии погрешностей траектория луча представляет собой идеальную окружность). Цилиндричность оценивается сопоставлением желаемой и контролируемой траекторий движения. Применение системы позволяет уменьшить погрешность более чем в 2 раза.

Применение системы ЧПУ. В настоящее время большинство систем ЧПУ позволяет проводить коррекцию ошибок положения узлов, обусловленных деформациями. Например, при перемещении суппорта по координате х (см. рис. 2.34, б, в) производится принудительное смещение ползуна по координате z, т.е. осуществляется коррекция его положения даже в случае, когда обрабатывается торец заготовки. Система ЧПУ автоматически реализует эту коррекцию без ее введения в управляющую программу. Величину коррекции назначают в зависимости от величины деформации, измеренной при экспериментальном контроле станка. При этом можно учесть взаимное влияние двух суппортов, расположенных на одной поперечине, и решать другие задачи. В большинстве случаев механические и электронные методы коррекции дополняют друг друга и используются совместно.

Смотрите также