МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДУЛЯ КИНЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА NX

MODELLING OF GEOMETRIC ERRORS IN METAL-CUTTING MACHINE TOOLS USING NX CAE KINEMATIC ANALYSIS MODULE

Rustem Khusainov

candidate of Technical Sciences, associate professor of the NaberezhnyeChelny institute (branch) of the Kazan federal (Volga) university,

Russia, Naberezhnye Chelny

Alexandr Kudishkin

bachelor of the NaberezhnyeChelny institute (branch) of the Kazan federal (Volga) university,

Russia, Naberezhnye Chelny

АННОТАЦИЯ

Цель статьи заключается в моделировании геометрических погрешностей в среде NX CAE. В данной среде были спроектированы отклонения и построен график траектории движения направляющих. С использованием полученных данных становится возможным определить, способен ли станок обеспечивать требуемую точность обработки.

ABSTRACT

This article's objective concludes in modelling of geometric errors in metal-cutting machine tools with the use of NX CAE. There has been modelled a set of geometric errors in metal-cutting machine's guide-ways and a graph of their move trajectories. Using the data gathered, it is possible to define the capability of the machine tool to provide required cutting precision.

Ключевые слова: моделирование; анализ; геометрическая точность.

Keywords: modeling; analysis; geometric accuracy.

В условиях современного производства важное значение имеет задача обеспечения точности обработки на металлорежущих станках. Одним из факторов, влияющих на качество изготавливаемых на станке деталей, является геометрическая точность станка. Для оценки влияния геометрической точности станка на точность обрабатываемых деталей широко применяется математическое моделирования. Наиболее распространены математические модели, использующие матрицы преобразования координат. Такие модели достаточно универсальны, просты в расчете, хорошо поддаются расчету с использованием вычислительной техники. Однако, они не учитывают все нюансы проявления геометрических погрешностей станка. Известно, что геометрические погрешности станка проявляются в виде искажения траектории подвижных узлов или нарушения их относительного положения. На это влияют не только сами величины нарушений формы базовых деталей, направляющих и опор подвижных узлов, но и такие факторы как трение и зазоры в стыках, которые влияют на смещение подвижных узлов, а, следовательно, и на искажение их траектории. Традиционные методики моделирования не учитывают эти факторы.

Для решения этой задачи очень удобно применять программные средства для кинематического анализа механизмов. Одним из таких средств является модуль кинематического анализа в программном пакете Siemens NX. Применение данного программного обеспечения имеет преимущества еще и потому что оно содержит модули для многих видов инженерного проектирования и анализа, в частности, трехмерные модели станков, используемые для решения данной задачи, также могут использоваться и для симуляции обработки в модуле автоматизированной подготовки управляющих программ.

В качестве примера, в данной работе проиллюстрировано моделирование геометрической точности на примере вертикально-фрезерного станка с ЧПУ. Исследование выполняется в несколько этапов:

1. Создание кинематической структуры станка на основе его трехмерной модели.
2. Задание геометрических погрешностей.
3. Выполнение расчета.
4. Анализ траектории движения характерной точки станка.

1. Для построения кинематической структуры прежде всего необходимо задать звенья этой структуры. Эти звенья при расчете учитываются как твердые тела. В качестве звеньев принимаем трехмерные модели узлов станка. Первыми взаимодействующими звеньями будут станина и салазки. Станина будет неподвижным звеном, салазкам зададим возможность перемещения по оси Y (рис. 1).

Рисунок 1. Задание характеристик звеньев

Далее необходимо задать условии взаимодействия между звеньями. Для решения данной задачи наиболее оптимального использования связи между звеньями в виде 3D контакта. 3D контакт позволяет промоделировать столкновение свободного тела с другими телами в процессе их движения в симуляции. Контакт определяет условия столкновения между телом и неподвижным телом, двумя подвижными телами и задает условие действия одного тела на другое.

Рисунок 2. 3D контакт между звеньями

2. Моделирование геометрических погрешностей выполняется как задание отклонений формы базовых поверхностей, направляющих и опор станка. Для этого их необходимо измерить на самом станке с помощью стандартных испытаний на геометрическую точность [1]. В данном случае было измерено отклонение от прямолинейности перемещения салазок в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Результаты испытания переносим на модель в виде сплайна, который огибает точки в которых проводились испытания. В качестве координат этих точек задаются: по оси Y – текущая координата вдоль оси движения, по оси Х – отклонение от прямолинейности в горизонтальной плоскости в этой точке, по оси Z – отклонение от прямолинейности в вертикальной плоскости в этой точке.

Рисунок 3. Моделирование погрешности в виде сплайна

Полученный сплайн будет использоваться в качестве условной траектории движения с использование ограничения «Точка по кривой». За функцию движения отвечает привод «Движитель», в качестве его объекта указываем созданное ограничение «Точка на кривой».

Рисунок 4. Задание движителя

Следующим этапом будет установка маркера. Для анализа механизма часто необходимо отследить траекторию движения некоторых точек связи, ориентацию связи или выявить закон изменения расстояния между определенными точками связей. Для этого предназначены маркеры, ассоциативные точки и сенсоры. Устанавливаем маркер на точку первоначального контакта инструмента и заготовки.

Рисунок 5. Установка маркера

3. После проделанных выше действий, требуется решить анализ. Тип анализа применяем «Кинематика/динамика». В меню решении указываем время – 10 с, количество шагов 10 и выполняем действие «решить». После решения появляется меню с анимацией, построением графиков и передачей нагрузок.

Рисунок 6. Задание решения

4. С точки зрения поставленной задачи необходимо отследить смещения точки контакта заготовки и инструмента. Эти смещения формируют погрешность обрабатываемой поверхности. Для их отслеживания строим графики траектории движения созданного маркера при перемещении подвижного узла. В данном случае в лане отклонения от плоскостности обработанной поверхности значения имеют отклонения маркера оп оси Z. Для этого формируем график отклонений по этой оси.

Рисунок 7. Отклонения траектории движения маркера по оси Z

Таким образом, с применением предложенной методики можно анализировать влияние геометрических погрешностей станка на точность обрабатываемых поверхностей с учетом зазоров и трения в стыках, инерционных составляющих движения подвижных узлов.

Список литературы:

1. Бушуев В.В. и др. Металлорежущие станки: В 2 т. Том 1 Учебник. – М.: Машиностроение, 2011. – 608 с. ISBN 978-5-94275-594-2 Металлорежущие станки: В 2 т. Том 2 Учебник. – М.: Машиностроение, 2011. – 586 с.
2. Бушуев В.В. Станочное оборудование автоматизированного производства. – М.: Изд-во «Станкин», 1996.
3. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. – М.: Машиностроение, 1986. – 336 с.
4. Рудаков К.Н. FЕМАР 10.2.0. Геометрическое и конечно-элементное моделирование конструкций. – К.: КПИ, 2011. – 317 с.