eng
Выпуск #4/2017
А. Кузнецов
Точность металлорежущих станков в ее историческом развитии. Часть 2
Точность металлорежущих станков в ее историческом развитии. Часть 2
Просмотры: 2495
Представлен системный подход к различным методам оценки и контроля точности и качества металлорежущих станков. Дана историческая ретроспектива эволюции понятия «точность» применительно к металлорежущим станкам. Показаны тенденции и перспективы
развития точности станков при смене технологических укладов.
DOI: 10.22184/24999407.2017.9.4.14.21
развития точности станков при смене технологических укладов.
DOI: 10.22184/24999407.2017.9.4.14.21
Теги: accuracy achievable accuracy processing (cutting) methods technical and technological system technological structure достижимая точность методы обработки техникотехнологическая система технологический уклад точность
Для более достоверной оценки точности и качества станков необходимо определить такие выходные параметры, которые объективно отражают свойства станка, обусловленные его функциональным назначением, и могут быть рассчитаны, оценены и/или определены экспериментально. [1]
Металлорежущий станок при анализе точности рассматривается как система (рис.10), состоящая из множества деталей и узлов, которые в соответствии с заданными и осуществляемыми функциями делятся на две группы: неподвижные и подвижные. К ним относятся: станины, колонны, столы, салазки, каретки, направляющие, шпиндельные бабки и т.п., которые в разных случаях могут быть как подвижными, так и неподвижными − фиксированными (например, стол может быть как подвижным − с линейным перемещением или вращением, так и неподвижным, то есть фиксированным, колонна также может быть как подвижной, так и неподвижной и т.д.). Детали и узлы, в свою очередь, характеризуется присущими им параметрами, свойствами и характеристиками: геометрическими размерами и формой, физико-механическими характеристиками и теплофизическими свойствами материала, параметрами теплообмена с окружающей средой и сопряженными элементами станка.
Неподвижные и подвижные детали и узлы станка через функциональные связи и отношения образуют различные структуры металлорежущего станка, которые в зависимости от способа их формирования (связей и отношений) могут характеризовать и определять следующие структуры: координатную, компоновочную, упругую, динамическую, тепловую, термоупругую и др.
Отношения между деталями и узлами, а также их связи определяются видом и характером взаимодействия: жестким (неподвижным), упругим, термоупругим и упругопластическим.
John Loxham, основатель группы Cranfield Precision, первым ввел в оборот понятие детерминизма в контексте точки зрения инженеров-технологов, в соответствии с которой: «автоматические станки и измерительные машины совершенно повторяемые, как звезды и планеты». Детерминизм, в этом смысле, является одним из основополагающих принципов в проектировании, обеспечении и достижении точности станков. Предполагается, что нет такого понятия, как случайное поведение, каждая часть машины и процесса подчиняется причинно-следственным связям, которые могут быть объяснены на основании известных инженерных принципов. Детерминистский способ мышления не признает такого понятия, как «случайная ошибка». Считается, что любое поведение станка является результатом некоторых условий, которыми можно управлять, а перечень этих условий достаточно мал, что позволяет им управлять.
Изменение параметров, свойств, характеристик неподвижных и подвижных деталей и узлов, а также их функциональных связей и отношений происходят вследствие воздействия основных видов источников их дестабилизации: силовых и температурных, которые могут быть как постоянными и периодическими, случайными и систематическими, внутренними и внешними.
Тогда выходные параметры, характеризующие свойства станка, будут определяться способностью системы сохранять требуемые положения, связи и отношения неподвижных и подвижных деталей и узлов, обусловленные их функциональными назначениями. По причине возникновения отклонений выходные параметры можно разделить на три группы: положения, движения, состояния.
Погрешности положения обусловлены ошибками изготовления и монтажа (а также износом) узлов и деталей станка. К ним относятся такие погрешности, как, например, отклонение от перпендикулярности оси шпинделя к плоскости стола, отклонение от параллельности оси шпинделя направляющим, отклонения от параллельности/перпендикулярности направляющих и т.п. Исходя из функционального назначения элементов станка, погрешности положения определяются как характеристики взаимных положений в выбранной системе координат типовых геометрических элементов: «точка – точка», «точка – линия», «линия – линия», «линия – плоскость», «плоскость – плоскость» .
Погрешности движения обусловлены ошибками изготовления, монтажа и управления подвижными элементами станка. К ним относятся кинематические погрешности, погрешности функционирования, погрешности траектории движения рабочих органов, погрешность позиционирования и т. п. Следовательно, погрешности движения определяются как любые отклонения (в пространстве и во времени) от заданного закона изменения таких типовых геометрических элементов, как «точка», «линия», «плоскость», «объем», или взаимного относительного движения подвижных деталей и узлов станка в выбранной системе координат, для которой типовые геометрические элементы «точка – точка», «точка – линия», «точка – плоскость» «линия – линия», «линия – плоскость», «плоскость – плоскость» обусловливают и отражают требуемые функциональные законы их движения.
К погрешностям состояния относят отклонения, вызванные изменением состояния узлов и деталей станка вследствие статических и динамических воздействий на них силовых, тепловых и других видов энергии. К ним относятся, например, вибрации, упругие и тепловые деформации и т.п. В этом случае характеристики положения, движения или состояния геометрических объектов деталей и узлов металлорежущих станков могут быть описаны аналитическими зависимостями, которые определяют геометрические свойства их положения в пространстве и изменение состояния вследствие силовых и тепловых воздействий (см. рис. 10).
Все это обусловливает, формирует и определяет совокупность погрешностей (параметров точности) металлорежущего станка: геометрических, кинематических, упругих, динамических, температурных погрешностей, а также погрешностей управления (аппроксимации) и Аббе, которые (в отдельности) в достаточной степени описаны, систематизированы и представлены в отечественных и зарубежных стандартах. Рассмотренные погрешности зависят от многих факторов, поэтому они являются функциями состояний основных элементов. Под состоянием, в широком смысле этого слова, понимается совокупность пространственных, временных и энергетических параметров, определяющих значения данной функции. Областью состояний для одноименной погрешности является множество значений погрешности внутри рабочего объема станка.
Прогресс в обеспечении точности обработки и металлорежущих станков связан с развитием методов её моделирования и оценки, эволюция которых приведена в табл. 3. В частности, в 1940−1960 годы были предложены расчетно-аналитические и статистические методы оценки точности (Соколовский А.П.), а также методы анализа размерных цепей (Балакшин Б.С.). В период 1960−1980 годов появились новые подходы в объяснении и формировании параметров и характеристик точности, их взаимосвязей и взаимовлияний на конечные выходные показатели: векторный анализ объемной точности (Schultchik R.), вероятностная модель изменения точности станка во времени (Проников А.С), метод координатных систем с деформируемыми связями (Базров Б.М).
В 1980−2000 годах происходило дальнейшее развитие методов описания механизмов формирования выходных параметров точности станка, углубление знаний о взаимодействии, взаимосвязях и взаимозависимостях между составляющими элементарных погрешностей: анализ составляющих погрешностей (Donaldson R.), вариационный метод расчета поведения станков (Решетов Д.Н., Портман В.Т), геометрическое представление однородных преобразований координатных систем (Slocum A.), точность движений формообразования (shapegeneration) на основе однородных преобразований координатных систем (Moriwaki T, Sugimura N, Miao Y., Inasaki I., Kishinami K., Sakamoto S., Takeuchi Y., Tanaka F.), кинематика твердого (rigid) тела (квазистатическая) и однородные преобразования координатных систем (Kiridena V.S.B., Okafor A.C, Ertekin Y.M.).
В 2000–2016 годах повышение точности станков, в дополнении к традиционным конструкторско-технологическим методам, развивается на основе применения систем коррекции и управления с использованием функциональных возможностей систем ЧПУ на основе уже известных методов оценки точности, а также созданием различных их модификаций: на основе теории нейронных сетей (Chen J., Yang H., Lee, Mize, Zeigert, Ramesh R.), авторегрессионного анализа (Ni J.), грей-систем (Wangetal), статистических методов повышения геометрической точности (Knapp W.) и др. Продолжаются работы по созданию системных представлений о точности станков и методов их оценки: объемные ошибки нетвердого (non-rigid) тела (Wang C, Svoboda O, Bach P, Liotto G.), объемные 3D-ошибки твердого и нетвердого тела (Mekid S., Jedrjiewski J., KiongT.K., Wang C.), структурная точность и точность образов, формируемых станком, на основе функций поля состояний (Кузнецов А.П.), экспоненциальная модель интеграции геометрических ошибок станка (Fu G., Fu J., Xu Y., Chen Z.), модель общих смещений из-за погрешностей частей деталей станка и обрабатываемой детали в системах координат КИМ (Jie Gu, John S. Agapiou and Sheri Kurgin).
В табл. 3 приведены в исторической последовательности основные принципы, используемые в методах оценки показателей точности станков, а также технические и технологические события, приводящие к качественному изменению конструктивно-компоновочных решений самих станков, повышению их точности и функциональных возможностей, что требует соответствующего изменения методов оценки, которые должны быть адекватными уровню качества станка.
На современном этапе таким техническим событием можно считать преимущества мехатронного подхода, что позволяет реализовать синергетический эффект функционального интегрирования (рис. 11) в виде улучшения технических и эксплуатационных параметров устройств, таких как надежность, эффективность, удельное энергопотребление и т.д., а также создавать уникальные компоненты и системы, в целом не реализуемые без использования подобных технологий разработки и изготовления мехатронных модулей движения.
Первый качественный прорыв был сделан в информационно-управляющих компонентах на базе 2D-микроэлектронных технологий. До последнего времени подобные компоненты продолжают лидировать в процессе интеллектуализации и практически уже не лимитируют общий прогресс миниатюризации технических систем в целом. С точки зрения прогресса наиболее важными стали микроминиатюризация сенсорных компонентов на базе ЗD-микросистемных технологий, появление микро-электро-механических систем (МЭМС) и микро-опто-электро-механических систем (МОЭМС). Основными компонентами, сдерживающими дальнейшую миниатюризацию технических систем, являются исполнительные (силовые) компоненты. Они до настоящего времени базируются в основном на технических идеях двигателей 19 века. Их будущий прогресс связан с созданием микроминиатюрных исполнительных устройств. Мехатронный подход к проектированию технических систем на основе общесистемных критериев, соответствующих основным требованиям к системе, перспективен в первую очередь для технических систем, когда не предполагается расширение их функционального назначения и номенклатуры.
Системно-мехатронный подход значительно сложнее модульно-мехатронного в силу большей сложности объекта оптимизации. Даже оставаясь нереализуемым, он служит конечной целью или пределом, к которому следует стремиться. Сложность системно-мехатронного подхода логично объясняет тот факт, что мехатроника началась именно с создания однофункциональных компонентов. Следовательно, особенности мехатронного подхода позволяют получать синергетический эффект функционального интегрирования в виде улучшения технических и эксплуатационных параметров устройств, таких как надежность, эффективность, удельное энергопотребление и т.д., а также создавать уникальные компоненты и системы, по существу не реализуемые без подобных технологий разработки и изготовления. На рис. 12 приведена принципиальная структура инновационного станка – станка будущего, структура, свойства и характеристики которого определяются системой элементов, реализующих иные физические принципы взаимодействия, построение которых основано на одной из трех структур: трансформируемой, реконфигурируемой или бионической. Очевидно, что процесс достижения этой цели будет поэтапным и потребует соответствующих исследований и разработок на основе указанных физических принципов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Соколовский А.П. Расчеты точности обработки на металлорежущих станках. – М.Л.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1952. 288 с.
2. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. – М.: Машиностроение, 1986. 336 с.
3. Lamikiz A., Lopez de Lacalle L.N., Celaya A. Machine Tools for High Performance Machining. SpringerVerlag London Limited, 2009. 442 p.
4. Slocum A.H. Precision machine design, New Jersey. Prentice – Hall Inc, 1992. 750 p.
5. Бруевич Н.Г., Правоторова Е.А., Сергеев В.И. Основы теории точности механизмов. – М.: Наука, 1988. 238 с.
6. Бруевич Н.Г. О точности механизмов. – М.Л.: Издво Академии наук СССР, 1941. 52 с.
7. Бруевич Н.Г., Сергеев В.И. Основы нелинейной теории точности и надежности устройств. – М.: Наука, 1976. 136 с.
8. CIRP Encyclopedia of Production Engineering. SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2014. 1340 p.
9. Dornfeld D., Lee DE. Precision Manufacturing. Springer Science+Business Media LLC, 2008. 775 p.
10. Venkatesh V.C., Izman S. Precision engineering. Mc Grow Hill, 2007.
11. Mekid S. Introduction to precision machine design and error assessment. CRC Press Taylor & Francis Group, 2009. 330 p.
12. Кузнецов А.П. Структуры процессов и оборудования для обработки резанием. Ч. 2. Структуры технологических процессов и их классификация // Вестник машиностроения. 2015. № 3. С. 65–76.
12. Кузнецов А.П., Ткачева О.Н. Современные системы автоматизированного проектирования технологических процессов в машиностроении. – М.: НИИмаш, 1984. 72 с.
14. Кузнецов А.П. Методы оценки и контроля качества металлорежущих станков. – М.: ВНИИТЭМР, 1985. 68 с.
15. Кузнецов А.П. Тепловое поведение и точность металлорежущих станков. – М.: ЯнусК, 2011. 256 с.
16. Schwenke H., Knapp W., Haitjema H., Weckenmann A., Schmitte R., Delbressine F. Geometric error measurement and compensation of machines – An update. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2008. V. 57. P. 660–675.
17. Taniguchi N. Current Status in, and Future Trends of, Ultraprecision Machining and Ultrafine Materials Processing. CIRP Annals Manufacturing Technology. 1983. V. 32. Iss. 2. P. 573–582.
18. Smith S.T., Chetwynd D.G. Foundations of Ultraprecision Mechanism Design. Taylor & Francis Group, 2005. 320 p.
19. Jackson M.J. Microfabrication and nanomanufacturing. Taylor & Francis Group, 2006. 388 p.
20. Jackson M.J., Morrell J. Machining with nanomaterials. – Springer Science + Business Media, LLC, 2009. 368 p.
21. Кузнецов А.П. Структуры процессов и оборудования для обработки резанием. Ч. 3. Структуры процессов для обработки резанием // Вестник машиностроения. 2015. № 3. С. 76–87.
22. Bernd X. Weis. From ilea to innovation. A Handbook for Inventors,
23. Decision Makers and Organizations. SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2015. 262 p.
24. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Структурная точность металлорежущих станков // СТИН. 2012. № 2. С. 4–12.
25. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Структурная точность металлорежущих станков // СТИН. 2012. № 5. С. 2–7.
26. Концепция мехатронных технологий и микророботостроения / В.А. Лопота, Е.И. Юревич, А.С. Кондратьев, В.В. Кириченко http://www.energia.ru/ru/news/news2011/public_0721.pdf.
27. A general approach for error modeling of machine tools/ W. Tian, W. Gao, D. Zhang, T. Huang //International Journal of Machine Tools & Manufacture. Elsevier Ltd. 2014. V. 79. P. 17–23.
28. An identification method for key geometric errors of machine tool based on matrix differential and experimental test. Proc IMechE Part C/ D. Li, P. Feng, J. Zang, D. Yu, Z. Wu. // J. Mechanical Engineering Science 0(0). 2014. P. 1–15.
29. An Analysis Methodology for Stochastic Characteristic ofVolumetric Error in Multiaxis CNC Machine Tool/ Q. Cheng, C. Wu, P. Gu et al. // Mathematical Problems in Engineering. 2013. Article ID 863283, 12 p. http://dx.doi.org/10.1155/2013/863283.
30. Stephenson David A. Agapiou John S. Metal cutting theory and practice. Third edition. CRC Press. London – N.Y.: Taylor & Francis Group, 2016. 932 p.
31. Кузнецов А.П. Структуры процессов и оборудования обработки резанием. Ч. 4. Структуры оборудования обработки резанием // Вестник машиностроения. 2015. № 5. С. 63–77.
32. Kuznetsov A.P. Evolution of the methods of estimation accuracy of machine tools and its change trend. Part 1: The evolution of the concept of accuracy and its physical model. Russian Engineering Research, 2017. Vol. 37. No. 3. P. 171–179.
33. Бушуев В.В., Кузнецов А.П., Сабиров Ф.С., Хомяков В.С., Молодцов В.В. Проблемы точности и эффективности современных металлорежущих станков // СТИН. 2016. № 2. С. 6–16.
34. Кузнецов А.П. Вероятностные методы оценки и управления точностной надежностью металлорежущих станков при тепловых воздействиях // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2015. № 4. С. 72–81.
35. Бушуев В.В., Кузнецов А.П., Сабиров Ф.С., Хомяков В.С., Молодцов В.В. Состояние и направления развитие научных исследований в станкостроении // СТИН. 2015. № 11. С. 12–20.
КУЗНЕЦОВ Александр Павлович –
доктор технических наук, профессор кафедры станков МГТУ «СТАНКИН» / МГТУ им. Н.Э. Баумана, директор по науке, инжинирингу и инновационному развитию АО «Станкопром»
Металлорежущий станок при анализе точности рассматривается как система (рис.10), состоящая из множества деталей и узлов, которые в соответствии с заданными и осуществляемыми функциями делятся на две группы: неподвижные и подвижные. К ним относятся: станины, колонны, столы, салазки, каретки, направляющие, шпиндельные бабки и т.п., которые в разных случаях могут быть как подвижными, так и неподвижными − фиксированными (например, стол может быть как подвижным − с линейным перемещением или вращением, так и неподвижным, то есть фиксированным, колонна также может быть как подвижной, так и неподвижной и т.д.). Детали и узлы, в свою очередь, характеризуется присущими им параметрами, свойствами и характеристиками: геометрическими размерами и формой, физико-механическими характеристиками и теплофизическими свойствами материала, параметрами теплообмена с окружающей средой и сопряженными элементами станка.
Неподвижные и подвижные детали и узлы станка через функциональные связи и отношения образуют различные структуры металлорежущего станка, которые в зависимости от способа их формирования (связей и отношений) могут характеризовать и определять следующие структуры: координатную, компоновочную, упругую, динамическую, тепловую, термоупругую и др.
Отношения между деталями и узлами, а также их связи определяются видом и характером взаимодействия: жестким (неподвижным), упругим, термоупругим и упругопластическим.
John Loxham, основатель группы Cranfield Precision, первым ввел в оборот понятие детерминизма в контексте точки зрения инженеров-технологов, в соответствии с которой: «автоматические станки и измерительные машины совершенно повторяемые, как звезды и планеты». Детерминизм, в этом смысле, является одним из основополагающих принципов в проектировании, обеспечении и достижении точности станков. Предполагается, что нет такого понятия, как случайное поведение, каждая часть машины и процесса подчиняется причинно-следственным связям, которые могут быть объяснены на основании известных инженерных принципов. Детерминистский способ мышления не признает такого понятия, как «случайная ошибка». Считается, что любое поведение станка является результатом некоторых условий, которыми можно управлять, а перечень этих условий достаточно мал, что позволяет им управлять.
Изменение параметров, свойств, характеристик неподвижных и подвижных деталей и узлов, а также их функциональных связей и отношений происходят вследствие воздействия основных видов источников их дестабилизации: силовых и температурных, которые могут быть как постоянными и периодическими, случайными и систематическими, внутренними и внешними.
Тогда выходные параметры, характеризующие свойства станка, будут определяться способностью системы сохранять требуемые положения, связи и отношения неподвижных и подвижных деталей и узлов, обусловленные их функциональными назначениями. По причине возникновения отклонений выходные параметры можно разделить на три группы: положения, движения, состояния.
Погрешности положения обусловлены ошибками изготовления и монтажа (а также износом) узлов и деталей станка. К ним относятся такие погрешности, как, например, отклонение от перпендикулярности оси шпинделя к плоскости стола, отклонение от параллельности оси шпинделя направляющим, отклонения от параллельности/перпендикулярности направляющих и т.п. Исходя из функционального назначения элементов станка, погрешности положения определяются как характеристики взаимных положений в выбранной системе координат типовых геометрических элементов: «точка – точка», «точка – линия», «линия – линия», «линия – плоскость», «плоскость – плоскость» .
Погрешности движения обусловлены ошибками изготовления, монтажа и управления подвижными элементами станка. К ним относятся кинематические погрешности, погрешности функционирования, погрешности траектории движения рабочих органов, погрешность позиционирования и т. п. Следовательно, погрешности движения определяются как любые отклонения (в пространстве и во времени) от заданного закона изменения таких типовых геометрических элементов, как «точка», «линия», «плоскость», «объем», или взаимного относительного движения подвижных деталей и узлов станка в выбранной системе координат, для которой типовые геометрические элементы «точка – точка», «точка – линия», «точка – плоскость» «линия – линия», «линия – плоскость», «плоскость – плоскость» обусловливают и отражают требуемые функциональные законы их движения.
К погрешностям состояния относят отклонения, вызванные изменением состояния узлов и деталей станка вследствие статических и динамических воздействий на них силовых, тепловых и других видов энергии. К ним относятся, например, вибрации, упругие и тепловые деформации и т.п. В этом случае характеристики положения, движения или состояния геометрических объектов деталей и узлов металлорежущих станков могут быть описаны аналитическими зависимостями, которые определяют геометрические свойства их положения в пространстве и изменение состояния вследствие силовых и тепловых воздействий (см. рис. 10).
Все это обусловливает, формирует и определяет совокупность погрешностей (параметров точности) металлорежущего станка: геометрических, кинематических, упругих, динамических, температурных погрешностей, а также погрешностей управления (аппроксимации) и Аббе, которые (в отдельности) в достаточной степени описаны, систематизированы и представлены в отечественных и зарубежных стандартах. Рассмотренные погрешности зависят от многих факторов, поэтому они являются функциями состояний основных элементов. Под состоянием, в широком смысле этого слова, понимается совокупность пространственных, временных и энергетических параметров, определяющих значения данной функции. Областью состояний для одноименной погрешности является множество значений погрешности внутри рабочего объема станка.
Прогресс в обеспечении точности обработки и металлорежущих станков связан с развитием методов её моделирования и оценки, эволюция которых приведена в табл. 3. В частности, в 1940−1960 годы были предложены расчетно-аналитические и статистические методы оценки точности (Соколовский А.П.), а также методы анализа размерных цепей (Балакшин Б.С.). В период 1960−1980 годов появились новые подходы в объяснении и формировании параметров и характеристик точности, их взаимосвязей и взаимовлияний на конечные выходные показатели: векторный анализ объемной точности (Schultchik R.), вероятностная модель изменения точности станка во времени (Проников А.С), метод координатных систем с деформируемыми связями (Базров Б.М).
В 1980−2000 годах происходило дальнейшее развитие методов описания механизмов формирования выходных параметров точности станка, углубление знаний о взаимодействии, взаимосвязях и взаимозависимостях между составляющими элементарных погрешностей: анализ составляющих погрешностей (Donaldson R.), вариационный метод расчета поведения станков (Решетов Д.Н., Портман В.Т), геометрическое представление однородных преобразований координатных систем (Slocum A.), точность движений формообразования (shapegeneration) на основе однородных преобразований координатных систем (Moriwaki T, Sugimura N, Miao Y., Inasaki I., Kishinami K., Sakamoto S., Takeuchi Y., Tanaka F.), кинематика твердого (rigid) тела (квазистатическая) и однородные преобразования координатных систем (Kiridena V.S.B., Okafor A.C, Ertekin Y.M.).
В 2000–2016 годах повышение точности станков, в дополнении к традиционным конструкторско-технологическим методам, развивается на основе применения систем коррекции и управления с использованием функциональных возможностей систем ЧПУ на основе уже известных методов оценки точности, а также созданием различных их модификаций: на основе теории нейронных сетей (Chen J., Yang H., Lee, Mize, Zeigert, Ramesh R.), авторегрессионного анализа (Ni J.), грей-систем (Wangetal), статистических методов повышения геометрической точности (Knapp W.) и др. Продолжаются работы по созданию системных представлений о точности станков и методов их оценки: объемные ошибки нетвердого (non-rigid) тела (Wang C, Svoboda O, Bach P, Liotto G.), объемные 3D-ошибки твердого и нетвердого тела (Mekid S., Jedrjiewski J., KiongT.K., Wang C.), структурная точность и точность образов, формируемых станком, на основе функций поля состояний (Кузнецов А.П.), экспоненциальная модель интеграции геометрических ошибок станка (Fu G., Fu J., Xu Y., Chen Z.), модель общих смещений из-за погрешностей частей деталей станка и обрабатываемой детали в системах координат КИМ (Jie Gu, John S. Agapiou and Sheri Kurgin).
В табл. 3 приведены в исторической последовательности основные принципы, используемые в методах оценки показателей точности станков, а также технические и технологические события, приводящие к качественному изменению конструктивно-компоновочных решений самих станков, повышению их точности и функциональных возможностей, что требует соответствующего изменения методов оценки, которые должны быть адекватными уровню качества станка.
На современном этапе таким техническим событием можно считать преимущества мехатронного подхода, что позволяет реализовать синергетический эффект функционального интегрирования (рис. 11) в виде улучшения технических и эксплуатационных параметров устройств, таких как надежность, эффективность, удельное энергопотребление и т.д., а также создавать уникальные компоненты и системы, в целом не реализуемые без использования подобных технологий разработки и изготовления мехатронных модулей движения.
Первый качественный прорыв был сделан в информационно-управляющих компонентах на базе 2D-микроэлектронных технологий. До последнего времени подобные компоненты продолжают лидировать в процессе интеллектуализации и практически уже не лимитируют общий прогресс миниатюризации технических систем в целом. С точки зрения прогресса наиболее важными стали микроминиатюризация сенсорных компонентов на базе ЗD-микросистемных технологий, появление микро-электро-механических систем (МЭМС) и микро-опто-электро-механических систем (МОЭМС). Основными компонентами, сдерживающими дальнейшую миниатюризацию технических систем, являются исполнительные (силовые) компоненты. Они до настоящего времени базируются в основном на технических идеях двигателей 19 века. Их будущий прогресс связан с созданием микроминиатюрных исполнительных устройств. Мехатронный подход к проектированию технических систем на основе общесистемных критериев, соответствующих основным требованиям к системе, перспективен в первую очередь для технических систем, когда не предполагается расширение их функционального назначения и номенклатуры.
Системно-мехатронный подход значительно сложнее модульно-мехатронного в силу большей сложности объекта оптимизации. Даже оставаясь нереализуемым, он служит конечной целью или пределом, к которому следует стремиться. Сложность системно-мехатронного подхода логично объясняет тот факт, что мехатроника началась именно с создания однофункциональных компонентов. Следовательно, особенности мехатронного подхода позволяют получать синергетический эффект функционального интегрирования в виде улучшения технических и эксплуатационных параметров устройств, таких как надежность, эффективность, удельное энергопотребление и т.д., а также создавать уникальные компоненты и системы, по существу не реализуемые без подобных технологий разработки и изготовления. На рис. 12 приведена принципиальная структура инновационного станка – станка будущего, структура, свойства и характеристики которого определяются системой элементов, реализующих иные физические принципы взаимодействия, построение которых основано на одной из трех структур: трансформируемой, реконфигурируемой или бионической. Очевидно, что процесс достижения этой цели будет поэтапным и потребует соответствующих исследований и разработок на основе указанных физических принципов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Соколовский А.П. Расчеты точности обработки на металлорежущих станках. – М.Л.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1952. 288 с.
2. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. – М.: Машиностроение, 1986. 336 с.
3. Lamikiz A., Lopez de Lacalle L.N., Celaya A. Machine Tools for High Performance Machining. SpringerVerlag London Limited, 2009. 442 p.
4. Slocum A.H. Precision machine design, New Jersey. Prentice – Hall Inc, 1992. 750 p.
5. Бруевич Н.Г., Правоторова Е.А., Сергеев В.И. Основы теории точности механизмов. – М.: Наука, 1988. 238 с.
6. Бруевич Н.Г. О точности механизмов. – М.Л.: Издво Академии наук СССР, 1941. 52 с.
7. Бруевич Н.Г., Сергеев В.И. Основы нелинейной теории точности и надежности устройств. – М.: Наука, 1976. 136 с.
8. CIRP Encyclopedia of Production Engineering. SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2014. 1340 p.
9. Dornfeld D., Lee DE. Precision Manufacturing. Springer Science+Business Media LLC, 2008. 775 p.
10. Venkatesh V.C., Izman S. Precision engineering. Mc Grow Hill, 2007.
11. Mekid S. Introduction to precision machine design and error assessment. CRC Press Taylor & Francis Group, 2009. 330 p.
12. Кузнецов А.П. Структуры процессов и оборудования для обработки резанием. Ч. 2. Структуры технологических процессов и их классификация // Вестник машиностроения. 2015. № 3. С. 65–76.
12. Кузнецов А.П., Ткачева О.Н. Современные системы автоматизированного проектирования технологических процессов в машиностроении. – М.: НИИмаш, 1984. 72 с.
14. Кузнецов А.П. Методы оценки и контроля качества металлорежущих станков. – М.: ВНИИТЭМР, 1985. 68 с.
15. Кузнецов А.П. Тепловое поведение и точность металлорежущих станков. – М.: ЯнусК, 2011. 256 с.
16. Schwenke H., Knapp W., Haitjema H., Weckenmann A., Schmitte R., Delbressine F. Geometric error measurement and compensation of machines – An update. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2008. V. 57. P. 660–675.
17. Taniguchi N. Current Status in, and Future Trends of, Ultraprecision Machining and Ultrafine Materials Processing. CIRP Annals Manufacturing Technology. 1983. V. 32. Iss. 2. P. 573–582.
18. Smith S.T., Chetwynd D.G. Foundations of Ultraprecision Mechanism Design. Taylor & Francis Group, 2005. 320 p.
19. Jackson M.J. Microfabrication and nanomanufacturing. Taylor & Francis Group, 2006. 388 p.
20. Jackson M.J., Morrell J. Machining with nanomaterials. – Springer Science + Business Media, LLC, 2009. 368 p.
21. Кузнецов А.П. Структуры процессов и оборудования для обработки резанием. Ч. 3. Структуры процессов для обработки резанием // Вестник машиностроения. 2015. № 3. С. 76–87.
22. Bernd X. Weis. From ilea to innovation. A Handbook for Inventors,
23. Decision Makers and Organizations. SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2015. 262 p.
24. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Структурная точность металлорежущих станков // СТИН. 2012. № 2. С. 4–12.
25. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Структурная точность металлорежущих станков // СТИН. 2012. № 5. С. 2–7.
26. Концепция мехатронных технологий и микророботостроения / В.А. Лопота, Е.И. Юревич, А.С. Кондратьев, В.В. Кириченко http://www.energia.ru/ru/news/news2011/public_0721.pdf.
27. A general approach for error modeling of machine tools/ W. Tian, W. Gao, D. Zhang, T. Huang //International Journal of Machine Tools & Manufacture. Elsevier Ltd. 2014. V. 79. P. 17–23.
28. An identification method for key geometric errors of machine tool based on matrix differential and experimental test. Proc IMechE Part C/ D. Li, P. Feng, J. Zang, D. Yu, Z. Wu. // J. Mechanical Engineering Science 0(0). 2014. P. 1–15.
29. An Analysis Methodology for Stochastic Characteristic ofVolumetric Error in Multiaxis CNC Machine Tool/ Q. Cheng, C. Wu, P. Gu et al. // Mathematical Problems in Engineering. 2013. Article ID 863283, 12 p. http://dx.doi.org/10.1155/2013/863283.
30. Stephenson David A. Agapiou John S. Metal cutting theory and practice. Third edition. CRC Press. London – N.Y.: Taylor & Francis Group, 2016. 932 p.
31. Кузнецов А.П. Структуры процессов и оборудования обработки резанием. Ч. 4. Структуры оборудования обработки резанием // Вестник машиностроения. 2015. № 5. С. 63–77.
32. Kuznetsov A.P. Evolution of the methods of estimation accuracy of machine tools and its change trend. Part 1: The evolution of the concept of accuracy and its physical model. Russian Engineering Research, 2017. Vol. 37. No. 3. P. 171–179.
33. Бушуев В.В., Кузнецов А.П., Сабиров Ф.С., Хомяков В.С., Молодцов В.В. Проблемы точности и эффективности современных металлорежущих станков // СТИН. 2016. № 2. С. 6–16.
34. Кузнецов А.П. Вероятностные методы оценки и управления точностной надежностью металлорежущих станков при тепловых воздействиях // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2015. № 4. С. 72–81.
35. Бушуев В.В., Кузнецов А.П., Сабиров Ф.С., Хомяков В.С., Молодцов В.В. Состояние и направления развитие научных исследований в станкостроении // СТИН. 2015. № 11. С. 12–20.
КУЗНЕЦОВ Александр Павлович –
доктор технических наук, профессор кафедры станков МГТУ «СТАНКИН» / МГТУ им. Н.Э. Баумана, директор по науке, инжинирингу и инновационному развитию АО «Станкопром»
Отзывы читателей
