eng
Выпуск #3/2020
А. КУЗНЕЦОВ
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ: СИСТЕМНЫЕ ПРИНЦИПЫ. ЧАСТЬ 1
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ: СИСТЕМНЫЕ ПРИНЦИПЫ. ЧАСТЬ 1
Просмотры: 1879
DOI: 10.22184/2499-9407.2020.20.03.30.41
Рассмотрены механизмы повышения эффективности создания нового, более прогрессивного и инновационного технологического оборудования на базе анализа циклов эволюционного процесса развития технологических способов производства в соотношении с непрерывным совершенствованием конструкций станков, их компонентов и подсистем.
Рассмотрены механизмы повышения эффективности создания нового, более прогрессивного и инновационного технологического оборудования на базе анализа циклов эволюционного процесса развития технологических способов производства в соотношении с непрерывным совершенствованием конструкций станков, их компонентов и подсистем.
Теги: design efficiency mechatronic and adaptronic systems scientific and technological progress technological equipment мехатронные и адаптронные системы научно-технический прогресс проектирование технологическое оборудование эффективность
Направления развития металлорежущих станков:
Системные принципы
Часть 1
Александр КУЗНЕЦОВ
Рассмотрены механизмы повышения эффективности создания нового, более прогрессивного и инновационного, технологического оборудования на базе анализа циклов эволюционного процесса развития технологических способов производства в соотношении с непрерывным совершенствованием конструкций станков, их компонентов и подсистем.
Развитие научно-технического прогресса в области материального производства определяется и обусловливается применением научных и технических достижений, которые базируются на изучении физических процессов, явлений, систем и структур, способов, форм и видов их взаимодействий, приводящих к созданию новых технологических принципов, более эффективных технологий, машин, оборудования, а также совершенствованию и развитию существующих методов и способов производства изделий.
Поэтому их развитие принципиально возможно в двух направлениях: совершенствование и создание нового предмета и его свойств; совершенствование и создание новых технологий производства. Очевидно, выбор первого направления развития является в длительной перспективе менее эффективным и конкурентоспособным, так как новый предмет и его свойства (очевидное и обозримое множество) достаточно быстро воспроизводятся существующей технологией, а выбор развития по второму направлению более эффективен и конкурентоспособен, так как его воспроизводство менее очевидно и достижимо в ближайшей перспективе в силу множества параметров и характеристик, формирующих и обусловливающих создание новой технологии. Конечно, исходя из рассмотрения развития как системы, существует и третье направление (требует существенно больше необходимых ресурсов для развития) как комбинация двух названных, но при выборе приоритета (при ограниченных ресурсах) развития предпочтение отдается второму.
В настоящее время создано большое число производственных способов обработки, получения и формирования деталей и изделий, технологических процессов и оборудования для их осуществления. Тенденции повышения производительности, точности, надежности, гибкости, экономичности и эффективности как производственного и технологического оборудования, так и систем машин, создание производств со все меньшим участием человека, потребность в разработке перестраиваемых и переналаживаемых производств на базе оборудования с переменной структурой, с широким спектром технологических методов воздействия на объект производства требуют создания новых системных методов анализа для реализации указанных задач и создания новых конструкций, в полном объеме реализующих различные физические процессы. Несмотря на давнюю историю машиностроения, на практике удалось внедрить небольшое число технологических методов, реализуемых технологическим и металлообрабатывающим оборудованием.
В машиностроении 80‒85% затрат предопределяется техническими решениями, которые формируются в процессе конструирования и разработки технологий. Важность проблемы повышения эффективности конструирования иллюстрируется следующими данными: производительность труда в производстве за 20 век возросла на 1 500%, а в проектировании ‒ на 40‒50%; сложность промышленных изделий (оцениваемых по числу деталей) возрастала каждые 15 лет в два раза; затраты времени на создание новых изделий уменьшались каждые 25 лет в два раза; число классов технических систем удваивалось каждые 10 лет.
Последовательное развитие машин определяется эволюцией технологических способов производства и сопровождается длительным и непрерывным совершенствованием конструкций, то есть еще до завершения работ над машинами одного поколения формулируются задачи, связанные с дальнейшим их развитием и обновлением. Переход к новому технологическому оборудованию, изделию происходит при следующих наиболее вероятных циклах исчерпания возможностей конструкции:
после исчерпания возможностей улучшения по циклу 1:
Развитие технологического объекта по описанному сценария иллюстрируется так называемой S-образной кривой (рис. 1а). Это развитие происходит до уровня Кх придельных показателей, параметров, характеристик, свойств, а также возможностей применяемого физического принципа действия. В моменты TA и TB появляется новый технологический объект на одном и том же физическом принципе действия. Возможности развития определяются расстоянием от Кх до КА и КВ, то есть степенью достижения предельного уровня. Очевидно, что изделие В улучшать не имеет большого технического и экономического смысла и нужно переходить на другой принцип его действия, так как время (затраты) на развитие ТХ ‒ ТВ от уровня КВ до КХ существенно превышают изменение достигаемого эффекта (Кх ‒ КВ), в отличие от предыдущих соотношений затрат (времени) ТВ ‒ ТА и изменения (КВ – КА) в получаемом эффекте.
Таким образом, эволюция развития достижимых показателей, параметров, характеристик технологического оборудования обусловлена, в первую очередь, требованиями, потребностями и направлениями развития общества и, в частности, промышленности. Это определяет и необходимый (для этого уровня развития технологий, техники, требований к ее деталям, узлам, механизмам, устройствам и системам) потенциал технологий и процессов и используемые ими физические принципы и явления, уровень их совершенства и др. Следовательно, учитывая изложенное, представляется возможным представлять процесс изменения (эволюцию) достижимых показателей, параметров, характеристик технологического оборудования в соответствии с рис. 1б, обосновывающим развитие с применением различных физических принципов создания машин, реализующих те или иные технологии, положенные в основу их функционирования.
Научной основой создания новых технологий служат:
открытие и использование неизвестных ранее физических процессов и явлений и их физико-химических механизмов воздействия на материал;
на практике это приводит к разработке новых высоких технологий с уникальными возможностями;
непрерывное совершенствование широко применяемых в промышленности методов, способов и средств обработки в следующих направлениях: разработка технологического оборудования и устройств с расширенными функциональными возможностями; совершенствование конструкций инструментов и материалов;
улучшение технологических свойств обрабатываемых материалов;
оптимизация параметров; использование дополнительных источников энергии и др.;
познание новых, ранее неизученных или неизвестных процессов и явлений, физического механизма того или иного метода.
Вместе с тем, поиск и создание новых технологий носят, в основном, спонтанный характер и связаны, как правило, с работами, вызванными необходимостью решения конкретных практических задач. Большое количество наработок в области современных технологий нуждается в систематизации и создании научно-методической основы, позволяющей правильно оценить место и перспективность каждого отдельного достижения, наметить новые направления исследований.
Развитие технологического оборудования (рис.1а, б) идет в направлении роста (приближения к технической идеальности) их полезных характеристик и свойств (мощности, производительности, точности, жесткости, прочности и т.п.) с одновременным снижением потерь при функционировании (трение, износ, скорость, потеря времени и т.д.) и затрат (вес, трудоемкость, габариты и т.п.) на их производство. В то же время, относительные показатели технологического оборудования (КПД, эффективность, надежность) и удельные показатели определяют обобщенные или интегральные свойства. Технические характеристики и свойства изделий, особенно средств производства, являются главной и наиболее важной частью, определяющей их полезность и, соответственно, эффективность, конкурентоспособность и прогрессивность.
Технологические и технические совершенствования (рис. 1а), в общем случае, могут относиться либо к оптимизации на уровне процесса и развитию совершенства технических систем и компонентов, либо к фундаментальному изменению на системном уровне.
Оптимизация характеризуется адаптацией отдельных процессов под конкретные задачи посредством настройки элементов системы или функций в пределах рабочих параметров и характеристик процесса, так что становится возможным реализовать оптимальные показатели, например производительность, энергоэффективность. Фундаментальные системные изменения характеризуются заменой или добавлением элементов или подсистем в структуру построения оборудования как системы, в то время как совершенствование отдельных технических систем и компонентов обусловливает их модернизацию и развитие без изменения принципов работы и внутренней структуры.
Например, этапы развития станков с ЧПУ характеризуются переходом от традиционных (достаточно совершенных) кинематических цепей к модульному принципу построения структур станков на базе мехатронных модулей, которые становятся функционально совмещенными с исполнительными органами станков, а далее к адаптронным системам, которые активно начинают применяться. Это обусловлено соединением в них трех начал – энергетического, информационного и управляющего, что определяет получение принципиально новых конструкторских решений (рис. 2).
Термин «адаптроника» (adaptronics) подразумевает использование в качестве датчиков так называемых «умных материалов», на основе применения которых построены актуаторы (приводы). В качестве таких материалов находят применение сплавы с памятью формы и магнитострикционные, пьезокерамика, электрореологические жидкости, то есть осуществляется интеграция в саму механическую или мехатронную структуру функций автоматического получения информации о характеристиках движения и форме его осуществления.
Мехатронные системы (рис. 2) обычно состоят из самостоятельных, отдельных элементов: привода, датчика и управления функциями. В адаптронных системах эти важные элементы скорее аффилированы, так как применяемые «умные материалы» не просто неотъемлемая часть системы, а являются частью структуры, которая сочетает в себе сенсорные, приводные и механические функции.
Каждый раз, когда прогресс совершенства отдельных технических систем и компонентов, предназначенных для реализуемой в оборудовании технологии, уже не может обеспечить значительный рост показателей, на смену существующему оборудованию приходит новое, обладающее более совершенной структурой и конструкцией, с другими, более эффективными, параметрами и характеристиками. Это дает новый толчок развитию, которое будет продолжаться до тех пор, пока и новая машина не исчерпает себя.
Таким образом, развитие технологического оборудования есть сочетание непрерывного прогресса отдельных технических систем и компонентов с периодическими революционными преобразованиями структуры и конструкции. В период этого процесса совершенствования и развития зарождается потребность не только в совершенствовании реализуемой оборудованием технологии с лимитом ее физического потенциала, но и в проведении работы по нахождению технологий с такой же целевой функцией, но реализующих иные физические принципы с более высоким пределом достижимых параметров и характеристик (рис. 1б).
Следовательно, с технологической точки зрения, идеальным для реализуемого физического процесса будет считаться оборудование непрерывного действия с максимальным использованием возможностей технологии (реализуемого физического процесса), а любая дискретизация оборудованием его технологической функции является частным (более или менее совершенным) решением, поэтому следует искать пути всемерного сокращения избыточных функций по отношению к реализуемому физическому процессу (технологии) и приближаться к максимальной непрерывности действия.
При оценке прогрессивности новой техники должен учитываться фактор времени с сопоставлением фактических и экономически допустимых или общественно необходимых темпов роста параметров, характеристик и показателей. Любая самая современная техника сегодняшнего дня, если сроки ее проектирования, создания и освоения чрезмерно затягиваются, оказывается морально устаревшей еще до ввода в эксплуатацию. Любая техника не может оставаться прогрессивной вечно и рано или поздно морально устаревает даже при сохранении своих технических параметров. Прогрессивность новой техники должна оцениваться сопоставлением уровня показателей эффективности, достигаемых посредством различных технических решений.
Для создания нового, более прогрессивного и инновационного технологического оборудования необходимо не только обеспечить структурные (жесткость, прочность, динамическая устойчивость, пространство обработки и т.п.) и функциональные возможности (функции формообразования, управления, контроля и т.п.), основанные на принципах проектирования машин, но и быстро внедрять передовые технологии, материалы и компоненты, разрабатывать новые технологии в области машиностроения.
Технологическое оборудование интегрирует в себе технологии, связанные с различными областями научных знаний (табл.1), а также результаты, относящиеся к широкому спектру научных дисциплин: механике, физике твердого тела, электронике, мехатронике, инженерному проектированию, метрологии, технологическому проектированию, информатике и др. Взаимосвязь областей знаний, научно обоснованных и практически апробированных решений (рис. 3) обусловливают возможность обеспечения требований, предъявляемых к технологическому оборудованию промышленностью.
Область знаний (рис. 3) содержит и определяет методы описания поведения, состояния, структуры и свойств процесса объекта проектирования. Применительно к технологическому оборудованию, в том числе металлорежущим станкам, такими объектами рассмотрения являются детали, узлы и системы структуры проектируемого оборудования, которые укрупненно можно разделить на неподвижные, подвижные и функциональные.
Для создания станков, которые смогут удовлетворить будущие запросы промышленности, потребуется не только точно описать ситуацию для развития станкостроения, но и провести научный анализ различных явлений, возникающих при эксплуатации станков. На рис. 4 показано место станкостроения как науки, которая интегрирует в себе различные научные области знаний. В области станкостроения имеется множество старых проблем, помимо которых возникают новые задачи исследований, например применение новых материалов в структуре станков или разработка новых датчиков, приводов с новыми принципами действия и т.п.
Для получения новой структуры станка необходимо проведение следующих мероприятий: проектирование «идеальной» структуры; устранение или изоляция источников потерь и погрешностей во всей структуре; минимизация количества источников погрешностей; контроль и управление источниками погрешностей и т.д. Для новых станков потребуется использовать все большее количество датчиков и систем с улучшенными характеристиками.
По этой причине при помощи методов механотроники и адаптроники производится разработка элементов станков. Систематизация знаний в области станкостроения позволяет значительно повысить уровень инженерных навыков, необходимых для разработки инновационных станков.
Область требований (см. рис. 3) содержит и определяет параметры, характеристики и свойства объекта рассмотрения и проектирования, его структурных частей и элементов конструкции, обусловленные требованиями промышленности (рис. 5).
Тогда, при проектировании технологического оборудования требуется определить наилучшие из возможно достижимых значения показателей, параметров, характеристик и свойств объекта проектирования, структура элементов которого и их отношения формируют систему с заданными функциями и поведением. Взаимосвязи требований и выходных показателей станка приведены в табл. 2, где знаком «+» показано влияние составляющих структуры станка и их параметров и характеристик, которые формируют показатели через функции преобразований ФП требований потребителя в выходные показатели, которые определим как:
Значения показателей и соответствующие им классы станков приведены в табл. 3.
Анализ характеристик производителей станков позволил их систематизировать по двум группам (табл. 4): обычного (стандартного) назначения и станков для высокоскоростной обработки. Это, с одной стороны, позволяет судить о количественной оценке использования машинного времени, а с другой стороны, дает возможность увидеть тенденции в изменении рассматриваемых параметров.
Повышение скоростей и других параметров и характеристик требует значительного и постоянного увеличения энергетических затрат. Прогресс в создании новых инструментальных материалов позволяет существенно повысить скорости резания при обработке металлов на металлорежущих станках. Появился новый вид станков для высокоскоростной обработки HSC (High Speed Cutting). На рис. 6 приведены области скоростей резания, которые требуется обеспечить на станках для этих видов материалов.
Это приводит к изменению требований к создателям и производителям станков, изменению видов и разнообразию их конструкций, которые становятся все более адаптируемыми к требованиям потребителей. Поэтому хороший процесс проектирования – эффективный процесс структурирования по элементам:
Проектирование – это взаимодействие между «чего мы хотим достигнуть?» и «как мы достигаем этого?». Проектировщик пытается получить то, что он хочет достигнуть через соответствующее взаимодействие между обеими сторонами для удовлетворения ответов на эти вопросы.
В процессе принятия решения при создании станка, удовлетворяющего схеме, приведенной на рис. 5, осуществляются два ключевых этапа проектирования. Сначала мы должны разработать и создать структуру станка, которая удовлетворит требованиям выполняемых функций, путем разработки приемлемого набора параметров и характеристик структуры. Второй шаг – это необходимость обеспечить эти параметры составляющих структуры станка, которые обусловливаются и определяются возможным или достигаемым уровнем производства и/или существующей областью решений.
Другими словами, требования промышленности (рис. 5) преобразованы (ФП) в функциональные требования и структуру станка и далее иным преобразованием (ФП) в параметры и характеристики частей, систем, подсистем и станка в целом. Этот процесс должен носить параллельный зигзагообразный характер для удовлетворения сбалансированных интегральных или глобальных показателей.
Перечень и эволюция возникновения наиболее применяемых и эффективных методов проектирования машин и технологического оборудования приведен в табл. 5. Конкретные методы конструирования всегда индивидуальны, поэтому очень трудно формулировать рекомендации по их применению. Паркинсон С. Н. сказал, что «верблюд — это коллективно спроектированная лошадь», имея в виду, что коллектив не заменит творчески одаренного конструктора при решении конкретных задач.
Схема создания техники представляется следующей последовательностью:
потребность → функция → концепция → проектирование → производство → эксплуатация, испытания → проблемы, задачи → исследования, научно-технический задел → технический и технологический скачок → потребность → функция (рис. 7).
Этапы потребность → функция → концепция приводят к формированию структуры станка, методы формирования которой приведены в табл. 6.
Образы пространственных компоновочных структур металлорежущих станков на основе модулей движения/положения приведены на рис. 8.
Технологическое оборудование и системы нуждаются не в последовательном, а в параллельном, интегрированном методе проектирования. Результатом такого методологического проектирования должно стать обеспечение оптимальной комбинации критериев, параметров и характеристик, вовлеченных в процесс и вычисления. Другими словами, это проектирование, у которого есть самое высокое глобальное чувство удовлетворения качества.
Область решений содержит и определяет фактически достигнутые или возможно достижимые параметры, характеристики и свойства объекта рассмотрения и проектирования, его структурных частей и элементов конструкции на период времени создания объекта (станка).
Рассмотрим области решений для металлорежущих станков на примерах приводов перемещений узлов станка и приводов главного движения – шпиндельных узлов.
Одной из ключевых проблем в области мехатронных систем является управление движением исполнительных органов, несущих инструмент и заготовку. Конструкция механической части привода зависит от вида реализуемого перемещения (поступательное или вращение) и включает в себя перемещаемый узел (рабочий орган), тяговое устройство, муфту, а при недостаточном крутящем моменте двигателя в механической части привода – редуктор. Принципиальные структурные схемы (область решений) построения приводов линейных перемещений металлорежущих станков приведены на рис. 9.
Сравнительные параметры и характеристики типовых приводов линейных перемещений приведены в табл. 7. В обоих случаях применения приводов (шарико-винтовых или линейных) основная проблема достижения высоких значений их параметров связана с необходимостью снижения уровня нагрева и динамических характеристик, которые для шарико-винтовых передач (резонансная частота колебаний) являются лимитирующими в реально достижимой скорости перемещений.
Анализ данных параметров и характеристик показывает, что далеко не во всех случаях линейные двигатели имеют неоспоримое преимущество, так же как и шарико-винтовые передачи. Поэтому при создании станков требуется находить наилучшее или компромиссное решение при выборе вида привода подач и его конструктивного исполнения. Конструкции станков, разработанные для традиционных технологий обработки металлов резанием, не в полной мере соответствуют запросам производства в отношении величин подач, в связи с чем к эксплуатационным характеристикам приводов предъявляются новые требования, обусловленные более высокими параметрами резания.
Однако указанные величины достигаемых скоростей резания все еще требуют более глубокого обоснования границ допустимых областей и их связи с физическими процессами и явлениями при резании металлов.
Процесс проектирования привода подач (его механической части) до последнего времени сводился к выбору из области решений параметров двигателя, датчика положения и элементов механической части привода. При таком выборе учитываются энергетические, силовые и кинематические характеристики (мощность и момент привода, грузоподъемность и шаг передачи винт-гайка качения, требуемый диапазон частот вращения двигателя и т.п.), расчет на долговечность. Фактически, на этапе проектирования механической части привода подачи, анализ его динамических характеристик не проводится. Следствием такого подхода является недостаточная обоснованность принимаемых конструктором решений в отношении динамического качества и точности привода подачи.
Упругие свойства и распределенные инерционные характеристики механизмов привода подач, и в первую очередь тяговых устройств, оказывают существенное влияние на их динамические характеристики, а возникающие в механической части резонансные явления препятствуют увеличению до требуемого уровня скоростей. Основные допустимые характеристики приводятся в каталогах заводов производителей.
Наиболее радикальным решением этих проблем является переход к линейному приводу. Однако линейные приводы в силу своих свойств (относительно малое тяговое усилие, большое тепловыделение, высокая стоимость и др.) еще не находят широкого применения в металлорежущих станках общего назначения.
Повышение скорости подачи в приводах винт-гайка качения осуществляется за счет увеличения скорости вращения и шага винта. Частота вращения винта ограничивается быстроходностью передачи, которая достигает D ∙ n = (1‒1,5 (2)) ∙ 105 мм ∙ об/мин. Это позволяет обеспечить скорость быстрых перемещений рабочего органа до 20‒32 (40) м/мин (для винта диаметром 50 мм с шагом 10 мм). Увеличение шага винта до 20‒40 мм в сочетании с применением модульных направляющих качения позволяет повысить предельную скорость перемещения рабочего органа соответственно до 60‒120 м/мин.
Однако шарико-винтовые передачи повышенной быстроходности выполняются с минимальными натягами, что снижает их жесткость. Увеличение шага винта также негативно сказывается на жесткости. Решением данной проблемы может быть переход к многозаходным винтовым передачам, однако их применение ограничивается недостаточной точностью. Поэтому в настоящее время предельные скорости перемещения приводов с винтовыми передачами редко превышают 60 м/мин.
Таким образом, в конструкциях станков широкого (общего) назначения доминируют приводы с механическими тяговыми устройствами передачи винт-гайка качения, а для перемещения узлов более 5‒6 м применяются зубчато-реечные или червячно-реечные передачи.
Перспективные области инновационных исследований ‒ это так называемые «интеллектуальные» или «умные» материалы и конструкции, которые заключают в себе функциональные возможности сенсоров, датчиков и/или исполнительных механизмов. Функциональность привода означает изменение формы, положения, частоты или других механических свойств в зависимости от изменения температуры, электрических или магнитных полей.
Наиболее часто используются интеллектуальные материалы для приводов станков. На рис. 10 приведены сопоставительные параметры и характеристики «умных» материалов как основа эффективных направлений их применимости в станках. Ведутся также разработки и уже созданы элементы станка, которые полностью или преимущественно состоят из интеллектуальных материалов, представляют собой интеллектуальные структуры, объединяющие традиционные структуры с интеллектуальными элементами, такими как встроенные датчики или исполнительные механизмы.
КУЗНЕЦОВ Александр Павлович –
доктор технических наук, профессор кафедры станков МГТУ «Станкин»
Продолжение статьи будет опубликовано в следующем номере журнала.
Системные принципы
Часть 1
Александр КУЗНЕЦОВ
Рассмотрены механизмы повышения эффективности создания нового, более прогрессивного и инновационного, технологического оборудования на базе анализа циклов эволюционного процесса развития технологических способов производства в соотношении с непрерывным совершенствованием конструкций станков, их компонентов и подсистем.
Развитие научно-технического прогресса в области материального производства определяется и обусловливается применением научных и технических достижений, которые базируются на изучении физических процессов, явлений, систем и структур, способов, форм и видов их взаимодействий, приводящих к созданию новых технологических принципов, более эффективных технологий, машин, оборудования, а также совершенствованию и развитию существующих методов и способов производства изделий.
Поэтому их развитие принципиально возможно в двух направлениях: совершенствование и создание нового предмета и его свойств; совершенствование и создание новых технологий производства. Очевидно, выбор первого направления развития является в длительной перспективе менее эффективным и конкурентоспособным, так как новый предмет и его свойства (очевидное и обозримое множество) достаточно быстро воспроизводятся существующей технологией, а выбор развития по второму направлению более эффективен и конкурентоспособен, так как его воспроизводство менее очевидно и достижимо в ближайшей перспективе в силу множества параметров и характеристик, формирующих и обусловливающих создание новой технологии. Конечно, исходя из рассмотрения развития как системы, существует и третье направление (требует существенно больше необходимых ресурсов для развития) как комбинация двух названных, но при выборе приоритета (при ограниченных ресурсах) развития предпочтение отдается второму.
В настоящее время создано большое число производственных способов обработки, получения и формирования деталей и изделий, технологических процессов и оборудования для их осуществления. Тенденции повышения производительности, точности, надежности, гибкости, экономичности и эффективности как производственного и технологического оборудования, так и систем машин, создание производств со все меньшим участием человека, потребность в разработке перестраиваемых и переналаживаемых производств на базе оборудования с переменной структурой, с широким спектром технологических методов воздействия на объект производства требуют создания новых системных методов анализа для реализации указанных задач и создания новых конструкций, в полном объеме реализующих различные физические процессы. Несмотря на давнюю историю машиностроения, на практике удалось внедрить небольшое число технологических методов, реализуемых технологическим и металлообрабатывающим оборудованием.
В машиностроении 80‒85% затрат предопределяется техническими решениями, которые формируются в процессе конструирования и разработки технологий. Важность проблемы повышения эффективности конструирования иллюстрируется следующими данными: производительность труда в производстве за 20 век возросла на 1 500%, а в проектировании ‒ на 40‒50%; сложность промышленных изделий (оцениваемых по числу деталей) возрастала каждые 15 лет в два раза; затраты времени на создание новых изделий уменьшались каждые 25 лет в два раза; число классов технических систем удваивалось каждые 10 лет.
Последовательное развитие машин определяется эволюцией технологических способов производства и сопровождается длительным и непрерывным совершенствованием конструкций, то есть еще до завершения работ над машинами одного поколения формулируются задачи, связанные с дальнейшим их развитием и обновлением. Переход к новому технологическому оборудованию, изделию происходит при следующих наиболее вероятных циклах исчерпания возможностей конструкции:
- при неизменном принципе действия улучшаются параметры, характеристики, свойства технического объекта (оборудования, машины) до приближения их к оптимальным или эффективным;
после исчерпания возможностей улучшения по циклу 1:
- происходит переход к более рациональной структуре, после чего развитие опять идет по циклу 1;
- до приближения параметров, характеристик, свойств технического объекта этой структуры к глобальному экстремуму или пределу для данного принципа действия;
- после исчерпания возможностей циклов 1 и 2 осуществляется переход к созданию технического объекта на другом принципе или физической природе действия.
Развитие технологического объекта по описанному сценария иллюстрируется так называемой S-образной кривой (рис. 1а). Это развитие происходит до уровня Кх придельных показателей, параметров, характеристик, свойств, а также возможностей применяемого физического принципа действия. В моменты TA и TB появляется новый технологический объект на одном и том же физическом принципе действия. Возможности развития определяются расстоянием от Кх до КА и КВ, то есть степенью достижения предельного уровня. Очевидно, что изделие В улучшать не имеет большого технического и экономического смысла и нужно переходить на другой принцип его действия, так как время (затраты) на развитие ТХ ‒ ТВ от уровня КВ до КХ существенно превышают изменение достигаемого эффекта (Кх ‒ КВ), в отличие от предыдущих соотношений затрат (времени) ТВ ‒ ТА и изменения (КВ – КА) в получаемом эффекте.
Таким образом, эволюция развития достижимых показателей, параметров, характеристик технологического оборудования обусловлена, в первую очередь, требованиями, потребностями и направлениями развития общества и, в частности, промышленности. Это определяет и необходимый (для этого уровня развития технологий, техники, требований к ее деталям, узлам, механизмам, устройствам и системам) потенциал технологий и процессов и используемые ими физические принципы и явления, уровень их совершенства и др. Следовательно, учитывая изложенное, представляется возможным представлять процесс изменения (эволюцию) достижимых показателей, параметров, характеристик технологического оборудования в соответствии с рис. 1б, обосновывающим развитие с применением различных физических принципов создания машин, реализующих те или иные технологии, положенные в основу их функционирования.
Научной основой создания новых технологий служат:
открытие и использование неизвестных ранее физических процессов и явлений и их физико-химических механизмов воздействия на материал;
на практике это приводит к разработке новых высоких технологий с уникальными возможностями;
непрерывное совершенствование широко применяемых в промышленности методов, способов и средств обработки в следующих направлениях: разработка технологического оборудования и устройств с расширенными функциональными возможностями; совершенствование конструкций инструментов и материалов;
улучшение технологических свойств обрабатываемых материалов;
оптимизация параметров; использование дополнительных источников энергии и др.;
познание новых, ранее неизученных или неизвестных процессов и явлений, физического механизма того или иного метода.
Вместе с тем, поиск и создание новых технологий носят, в основном, спонтанный характер и связаны, как правило, с работами, вызванными необходимостью решения конкретных практических задач. Большое количество наработок в области современных технологий нуждается в систематизации и создании научно-методической основы, позволяющей правильно оценить место и перспективность каждого отдельного достижения, наметить новые направления исследований.
Развитие технологического оборудования (рис.1а, б) идет в направлении роста (приближения к технической идеальности) их полезных характеристик и свойств (мощности, производительности, точности, жесткости, прочности и т.п.) с одновременным снижением потерь при функционировании (трение, износ, скорость, потеря времени и т.д.) и затрат (вес, трудоемкость, габариты и т.п.) на их производство. В то же время, относительные показатели технологического оборудования (КПД, эффективность, надежность) и удельные показатели определяют обобщенные или интегральные свойства. Технические характеристики и свойства изделий, особенно средств производства, являются главной и наиболее важной частью, определяющей их полезность и, соответственно, эффективность, конкурентоспособность и прогрессивность.
Технологические и технические совершенствования (рис. 1а), в общем случае, могут относиться либо к оптимизации на уровне процесса и развитию совершенства технических систем и компонентов, либо к фундаментальному изменению на системном уровне.
Оптимизация характеризуется адаптацией отдельных процессов под конкретные задачи посредством настройки элементов системы или функций в пределах рабочих параметров и характеристик процесса, так что становится возможным реализовать оптимальные показатели, например производительность, энергоэффективность. Фундаментальные системные изменения характеризуются заменой или добавлением элементов или подсистем в структуру построения оборудования как системы, в то время как совершенствование отдельных технических систем и компонентов обусловливает их модернизацию и развитие без изменения принципов работы и внутренней структуры.
Например, этапы развития станков с ЧПУ характеризуются переходом от традиционных (достаточно совершенных) кинематических цепей к модульному принципу построения структур станков на базе мехатронных модулей, которые становятся функционально совмещенными с исполнительными органами станков, а далее к адаптронным системам, которые активно начинают применяться. Это обусловлено соединением в них трех начал – энергетического, информационного и управляющего, что определяет получение принципиально новых конструкторских решений (рис. 2).
Термин «адаптроника» (adaptronics) подразумевает использование в качестве датчиков так называемых «умных материалов», на основе применения которых построены актуаторы (приводы). В качестве таких материалов находят применение сплавы с памятью формы и магнитострикционные, пьезокерамика, электрореологические жидкости, то есть осуществляется интеграция в саму механическую или мехатронную структуру функций автоматического получения информации о характеристиках движения и форме его осуществления.
Мехатронные системы (рис. 2) обычно состоят из самостоятельных, отдельных элементов: привода, датчика и управления функциями. В адаптронных системах эти важные элементы скорее аффилированы, так как применяемые «умные материалы» не просто неотъемлемая часть системы, а являются частью структуры, которая сочетает в себе сенсорные, приводные и механические функции.
Каждый раз, когда прогресс совершенства отдельных технических систем и компонентов, предназначенных для реализуемой в оборудовании технологии, уже не может обеспечить значительный рост показателей, на смену существующему оборудованию приходит новое, обладающее более совершенной структурой и конструкцией, с другими, более эффективными, параметрами и характеристиками. Это дает новый толчок развитию, которое будет продолжаться до тех пор, пока и новая машина не исчерпает себя.
Таким образом, развитие технологического оборудования есть сочетание непрерывного прогресса отдельных технических систем и компонентов с периодическими революционными преобразованиями структуры и конструкции. В период этого процесса совершенствования и развития зарождается потребность не только в совершенствовании реализуемой оборудованием технологии с лимитом ее физического потенциала, но и в проведении работы по нахождению технологий с такой же целевой функцией, но реализующих иные физические принципы с более высоким пределом достижимых параметров и характеристик (рис. 1б).
Следовательно, с технологической точки зрения, идеальным для реализуемого физического процесса будет считаться оборудование непрерывного действия с максимальным использованием возможностей технологии (реализуемого физического процесса), а любая дискретизация оборудованием его технологической функции является частным (более или менее совершенным) решением, поэтому следует искать пути всемерного сокращения избыточных функций по отношению к реализуемому физическому процессу (технологии) и приближаться к максимальной непрерывности действия.
При оценке прогрессивности новой техники должен учитываться фактор времени с сопоставлением фактических и экономически допустимых или общественно необходимых темпов роста параметров, характеристик и показателей. Любая самая современная техника сегодняшнего дня, если сроки ее проектирования, создания и освоения чрезмерно затягиваются, оказывается морально устаревшей еще до ввода в эксплуатацию. Любая техника не может оставаться прогрессивной вечно и рано или поздно морально устаревает даже при сохранении своих технических параметров. Прогрессивность новой техники должна оцениваться сопоставлением уровня показателей эффективности, достигаемых посредством различных технических решений.
Для создания нового, более прогрессивного и инновационного технологического оборудования необходимо не только обеспечить структурные (жесткость, прочность, динамическая устойчивость, пространство обработки и т.п.) и функциональные возможности (функции формообразования, управления, контроля и т.п.), основанные на принципах проектирования машин, но и быстро внедрять передовые технологии, материалы и компоненты, разрабатывать новые технологии в области машиностроения.
Технологическое оборудование интегрирует в себе технологии, связанные с различными областями научных знаний (табл.1), а также результаты, относящиеся к широкому спектру научных дисциплин: механике, физике твердого тела, электронике, мехатронике, инженерному проектированию, метрологии, технологическому проектированию, информатике и др. Взаимосвязь областей знаний, научно обоснованных и практически апробированных решений (рис. 3) обусловливают возможность обеспечения требований, предъявляемых к технологическому оборудованию промышленностью.
Область знаний (рис. 3) содержит и определяет методы описания поведения, состояния, структуры и свойств процесса объекта проектирования. Применительно к технологическому оборудованию, в том числе металлорежущим станкам, такими объектами рассмотрения являются детали, узлы и системы структуры проектируемого оборудования, которые укрупненно можно разделить на неподвижные, подвижные и функциональные.
Для создания станков, которые смогут удовлетворить будущие запросы промышленности, потребуется не только точно описать ситуацию для развития станкостроения, но и провести научный анализ различных явлений, возникающих при эксплуатации станков. На рис. 4 показано место станкостроения как науки, которая интегрирует в себе различные научные области знаний. В области станкостроения имеется множество старых проблем, помимо которых возникают новые задачи исследований, например применение новых материалов в структуре станков или разработка новых датчиков, приводов с новыми принципами действия и т.п.
Для получения новой структуры станка необходимо проведение следующих мероприятий: проектирование «идеальной» структуры; устранение или изоляция источников потерь и погрешностей во всей структуре; минимизация количества источников погрешностей; контроль и управление источниками погрешностей и т.д. Для новых станков потребуется использовать все большее количество датчиков и систем с улучшенными характеристиками.
По этой причине при помощи методов механотроники и адаптроники производится разработка элементов станков. Систематизация знаний в области станкостроения позволяет значительно повысить уровень инженерных навыков, необходимых для разработки инновационных станков.
Область требований (см. рис. 3) содержит и определяет параметры, характеристики и свойства объекта рассмотрения и проектирования, его структурных частей и элементов конструкции, обусловленные требованиями промышленности (рис. 5).
Тогда, при проектировании технологического оборудования требуется определить наилучшие из возможно достижимых значения показателей, параметров, характеристик и свойств объекта проектирования, структура элементов которого и их отношения формируют систему с заданными функциями и поведением. Взаимосвязи требований и выходных показателей станка приведены в табл. 2, где знаком «+» показано влияние составляющих структуры станка и их параметров и характеристик, которые формируют показатели через функции преобразований ФП требований потребителя в выходные показатели, которые определим как:
- точность ‒ степень соответствия свойств предмета, объекта, системы, процесса, явления его номинальному, заданному, установленному, допустимому, идеальному значению или закону;
- производительность ‒ скорость изменения параметров, характеристик, свойств, состояния, структуры преобразуемой материи;
- эффективность ‒ степень использования какого-либо ресурса.
Значения показателей и соответствующие им классы станков приведены в табл. 3.
Анализ характеристик производителей станков позволил их систематизировать по двум группам (табл. 4): обычного (стандартного) назначения и станков для высокоскоростной обработки. Это, с одной стороны, позволяет судить о количественной оценке использования машинного времени, а с другой стороны, дает возможность увидеть тенденции в изменении рассматриваемых параметров.
Повышение скоростей и других параметров и характеристик требует значительного и постоянного увеличения энергетических затрат. Прогресс в создании новых инструментальных материалов позволяет существенно повысить скорости резания при обработке металлов на металлорежущих станках. Появился новый вид станков для высокоскоростной обработки HSC (High Speed Cutting). На рис. 6 приведены области скоростей резания, которые требуется обеспечить на станках для этих видов материалов.
Это приводит к изменению требований к создателям и производителям станков, изменению видов и разнообразию их конструкций, которые становятся все более адаптируемыми к требованиям потребителей. Поэтому хороший процесс проектирования – эффективный процесс структурирования по элементам:
- требования потребителя – высокий технический уровень;
- функциональные требования (чего мы хотим достигнуть) – обеспечить заданный (требуемый потребителями) технический уровень с заданной номенклатурой показателей;
- параметры проектирования – чем и какими параметрами и характеристиками объектов структуры станка обеспечить заданный технический уровень и удовлетворяются функциональные требования;
- область процессов изготовления – обоснование параметров обеспечения выбранного технического уровня.
Проектирование – это взаимодействие между «чего мы хотим достигнуть?» и «как мы достигаем этого?». Проектировщик пытается получить то, что он хочет достигнуть через соответствующее взаимодействие между обеими сторонами для удовлетворения ответов на эти вопросы.
В процессе принятия решения при создании станка, удовлетворяющего схеме, приведенной на рис. 5, осуществляются два ключевых этапа проектирования. Сначала мы должны разработать и создать структуру станка, которая удовлетворит требованиям выполняемых функций, путем разработки приемлемого набора параметров и характеристик структуры. Второй шаг – это необходимость обеспечить эти параметры составляющих структуры станка, которые обусловливаются и определяются возможным или достигаемым уровнем производства и/или существующей областью решений.
Другими словами, требования промышленности (рис. 5) преобразованы (ФП) в функциональные требования и структуру станка и далее иным преобразованием (ФП) в параметры и характеристики частей, систем, подсистем и станка в целом. Этот процесс должен носить параллельный зигзагообразный характер для удовлетворения сбалансированных интегральных или глобальных показателей.
Перечень и эволюция возникновения наиболее применяемых и эффективных методов проектирования машин и технологического оборудования приведен в табл. 5. Конкретные методы конструирования всегда индивидуальны, поэтому очень трудно формулировать рекомендации по их применению. Паркинсон С. Н. сказал, что «верблюд — это коллективно спроектированная лошадь», имея в виду, что коллектив не заменит творчески одаренного конструктора при решении конкретных задач.
Схема создания техники представляется следующей последовательностью:
потребность → функция → концепция → проектирование → производство → эксплуатация, испытания → проблемы, задачи → исследования, научно-технический задел → технический и технологический скачок → потребность → функция (рис. 7).
Этапы потребность → функция → концепция приводят к формированию структуры станка, методы формирования которой приведены в табл. 6.
Образы пространственных компоновочных структур металлорежущих станков на основе модулей движения/положения приведены на рис. 8.
Технологическое оборудование и системы нуждаются не в последовательном, а в параллельном, интегрированном методе проектирования. Результатом такого методологического проектирования должно стать обеспечение оптимальной комбинации критериев, параметров и характеристик, вовлеченных в процесс и вычисления. Другими словами, это проектирование, у которого есть самое высокое глобальное чувство удовлетворения качества.
Область решений содержит и определяет фактически достигнутые или возможно достижимые параметры, характеристики и свойства объекта рассмотрения и проектирования, его структурных частей и элементов конструкции на период времени создания объекта (станка).
Рассмотрим области решений для металлорежущих станков на примерах приводов перемещений узлов станка и приводов главного движения – шпиндельных узлов.
Одной из ключевых проблем в области мехатронных систем является управление движением исполнительных органов, несущих инструмент и заготовку. Конструкция механической части привода зависит от вида реализуемого перемещения (поступательное или вращение) и включает в себя перемещаемый узел (рабочий орган), тяговое устройство, муфту, а при недостаточном крутящем моменте двигателя в механической части привода – редуктор. Принципиальные структурные схемы (область решений) построения приводов линейных перемещений металлорежущих станков приведены на рис. 9.
Сравнительные параметры и характеристики типовых приводов линейных перемещений приведены в табл. 7. В обоих случаях применения приводов (шарико-винтовых или линейных) основная проблема достижения высоких значений их параметров связана с необходимостью снижения уровня нагрева и динамических характеристик, которые для шарико-винтовых передач (резонансная частота колебаний) являются лимитирующими в реально достижимой скорости перемещений.
Анализ данных параметров и характеристик показывает, что далеко не во всех случаях линейные двигатели имеют неоспоримое преимущество, так же как и шарико-винтовые передачи. Поэтому при создании станков требуется находить наилучшее или компромиссное решение при выборе вида привода подач и его конструктивного исполнения. Конструкции станков, разработанные для традиционных технологий обработки металлов резанием, не в полной мере соответствуют запросам производства в отношении величин подач, в связи с чем к эксплуатационным характеристикам приводов предъявляются новые требования, обусловленные более высокими параметрами резания.
Однако указанные величины достигаемых скоростей резания все еще требуют более глубокого обоснования границ допустимых областей и их связи с физическими процессами и явлениями при резании металлов.
Процесс проектирования привода подач (его механической части) до последнего времени сводился к выбору из области решений параметров двигателя, датчика положения и элементов механической части привода. При таком выборе учитываются энергетические, силовые и кинематические характеристики (мощность и момент привода, грузоподъемность и шаг передачи винт-гайка качения, требуемый диапазон частот вращения двигателя и т.п.), расчет на долговечность. Фактически, на этапе проектирования механической части привода подачи, анализ его динамических характеристик не проводится. Следствием такого подхода является недостаточная обоснованность принимаемых конструктором решений в отношении динамического качества и точности привода подачи.
Упругие свойства и распределенные инерционные характеристики механизмов привода подач, и в первую очередь тяговых устройств, оказывают существенное влияние на их динамические характеристики, а возникающие в механической части резонансные явления препятствуют увеличению до требуемого уровня скоростей. Основные допустимые характеристики приводятся в каталогах заводов производителей.
Наиболее радикальным решением этих проблем является переход к линейному приводу. Однако линейные приводы в силу своих свойств (относительно малое тяговое усилие, большое тепловыделение, высокая стоимость и др.) еще не находят широкого применения в металлорежущих станках общего назначения.
Повышение скорости подачи в приводах винт-гайка качения осуществляется за счет увеличения скорости вращения и шага винта. Частота вращения винта ограничивается быстроходностью передачи, которая достигает D ∙ n = (1‒1,5 (2)) ∙ 105 мм ∙ об/мин. Это позволяет обеспечить скорость быстрых перемещений рабочего органа до 20‒32 (40) м/мин (для винта диаметром 50 мм с шагом 10 мм). Увеличение шага винта до 20‒40 мм в сочетании с применением модульных направляющих качения позволяет повысить предельную скорость перемещения рабочего органа соответственно до 60‒120 м/мин.
Однако шарико-винтовые передачи повышенной быстроходности выполняются с минимальными натягами, что снижает их жесткость. Увеличение шага винта также негативно сказывается на жесткости. Решением данной проблемы может быть переход к многозаходным винтовым передачам, однако их применение ограничивается недостаточной точностью. Поэтому в настоящее время предельные скорости перемещения приводов с винтовыми передачами редко превышают 60 м/мин.
Таким образом, в конструкциях станков широкого (общего) назначения доминируют приводы с механическими тяговыми устройствами передачи винт-гайка качения, а для перемещения узлов более 5‒6 м применяются зубчато-реечные или червячно-реечные передачи.
Перспективные области инновационных исследований ‒ это так называемые «интеллектуальные» или «умные» материалы и конструкции, которые заключают в себе функциональные возможности сенсоров, датчиков и/или исполнительных механизмов. Функциональность привода означает изменение формы, положения, частоты или других механических свойств в зависимости от изменения температуры, электрических или магнитных полей.
Наиболее часто используются интеллектуальные материалы для приводов станков. На рис. 10 приведены сопоставительные параметры и характеристики «умных» материалов как основа эффективных направлений их применимости в станках. Ведутся также разработки и уже созданы элементы станка, которые полностью или преимущественно состоят из интеллектуальных материалов, представляют собой интеллектуальные структуры, объединяющие традиционные структуры с интеллектуальными элементами, такими как встроенные датчики или исполнительные механизмы.
КУЗНЕЦОВ Александр Павлович –
доктор технических наук, профессор кафедры станков МГТУ «Станкин»
Продолжение статьи будет опубликовано в следующем номере журнала.
Отзывы читателей
