Использование управляемого процесса при восстановлении формы крупногабаритного тела вращения, не имеющего стационарной оси вращения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование управляемого процесса при восстановлении формы крупногабаритного тела вращения, не имеющего стационарной оси вращения

Аннотация

Разработана структурная схема управления станочным модулем при восстановительной обработке наружных поверхностей катания деталей с нестационарной осью вращения крупногабаритного технологического оборудования без их демонтажа. Разработаны рекомендации по определению формы детали бесконтактным способом.

Ключевые слова: управляемый процесс, бесконтактное измерение, станочный модуль, восстановительная обработка, крупногабаритный объект, тело вращения.

вращение станочный бесконтактный демонтаж

Восстановление наружных поверхностей катания деталей с нестационарной осью вращения крупногабаритного технологического оборудования без их демонтажа позволяет продлить сроки эксплуатации самого оборудования при невозможности технологических остановок на ремонт ввиду непрерывного производства.

Безостановочный вид ремонта экономически выгоден для восстановления различного оборудования в пищевой, химической промышленности, промышленности стройматериалов и т.п., где используется оборудование, содержащее технологичные барабаны, вращающиеся на роликоопорах. Использование восстановительных технологий на работающем агрегате для бандажей объясняется тем, что они не имеют стационарной оси вращения, положение рабочей поверхности носит стохастический характер, что не позволяет с приемлемой точностью определить величину снимаемого припуска. Существуют теоретические и практические разработки для восстановления поверхностей бандажей технологического оборудования, выполненные на кафедре «Технология машиностроения» БГТУ им. В.Г. Шухова (г.Белгород). Предлагаемое автоматизированное оборудование для восстановительной обработки с использованием бесконтактного измерения формы крупногабаритной детали позволит без значительных рисков и затрат восстанавливать поверхности катания при бесцентровой обработке.

Приведенная на рис. 1 схема демонстрирует постановку задачи для процесса бесцентровой обработки. Бандаж 1 расположен на роликах 2, при этом он вращается с постоянной круговой скоростью щ. Целью обработки является съем припуска ? для получения заданного радиуса R_д по всей поверхности детали.

Обработка ведется резцом 3, установленным на шарнирное соединение 4 с целью изменения угла б или поддержания постоянного угла режущей кромки по нормали к получаемой поверхности.

Рис. 1. Схема восстановления поверхности бандажа

При идеальных результатах обработки расположение центра вращения бандажа О_б является постоянным, что невозможно для мгновенного центра О, так как при износе бандажа радиус R может принимать любое (в определенных пределах) значение, а следовательно, снимаемый припуск имеет различную величину и изменяется совместно с радиусом.

Условная аппроксимация наружной поверхности катания дугами, хордами и пр. позволяет решить задачу восстановления с определенной вероятностью, что в принципе неприемлемо. Поэтому необходимо: 1) обеспечить точность поверхности катания бандажа с целью исключения поломок агрегата или его дальнейшего износа; 2) для сохранения жесткости конструкции агрегата обеспечить съем минимальной величины припуска ?; 3) приблизить мгновенные центры бандажа в каждом сечении при его вращении к теоретическому с точностью, обеспечивающей безаварийное функционирование агрегата.

Согласно рис.1, величину снимаемого припуска ? можно определить как

? = R - Rб, (1)

если совместить R и R_б. Как показывает практика, эти радиусы не совмещены. Вопрос определения величины минимального припуска возникает, если в качестве рабочей системы координат применить систему координат детали, которая сможет изменяться постоянно. Но если в качестве рабочей системы координат принять систему координат инструмента или оборудования, ситуация с центром вращения меняется. Центр начинает колебаться относительно этой системы, вследствие чего появляется возможность проследить эти колебания. Автор предлагает принять в качестве системы координат координаты центра подвижного соединения, так как он является первой неподвижной точкой относительно детали в технологической системе обработки (рис. 2).

Рис. 2. Расчетная схема обработки бандажа со стационарной системой координат

Так как изменение радиуса изношенного бандажа возможно только в определенных пределах, что определяется конструкцией агрегата, то из схемы, приведенной на рис. 2, видно, что выражение (1) действительно приемлемо для назначения глубины резания при съеме припуска ? [4]. Но оно не учитывает перемещения режущего инструмента в направлении оси Y_c и относительно мгновенного расположения координаты Y технологической системы, что невозможно. Следовательно, инструмент в заданную точку Y_p необходимо переместить предварительно, что возможно только при выполнении измерений в зоне подхода поверхности бандажа к точке резания. Подобные измерения могут быть выполнены любым контактным способом, но автором предлагается бесконтактный способ определения формы вращающейся детали.

Существуют современные лазерные приборы, которые определяют расстояние до объекта, проецируя луч до его поверхности. Эти приборы нашли свое применение в геодезии, строительстве и т.д. Для определения формы вращающихся деталей типа бандажей цементных печей можно использовать измерительное устройство, предложенное коллективом авторов кафедры «Технология машиностроения» [3].

При проецировании правильной геометрической фигуры на криволинейную поверхность бандажа в процессе его вращения проекция имеет определенную форму, по изменениям которой можно судить о форме поверхности, а по ее геометрическим параметрам - о геометрических характеристиках детали.

Схема образования проекции на криволинейной поверхности бандажа приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема образования проекции на криволинейной поверхности бандажа

Из рис. 4 видно, что на поверхности объекта формируется проекция прямоугольника, боковые поверхности которого искажены, хотя при проецировании изображения на ПЗС-матрицу прибора не происходит искажения высоты. Это обстоятельство позволяет определить расстояние до объекта, которое будет совершенно различно.

В принципе, можно определить расстояние до любой точки криволинейной поверхности, учитывая дугу, например А'О'В'. Радиус поверхности вычисляется согласно схеме, приведенной на рис. 5.

Рис. 4. Световая проекция на поверхность барабана

Рис. 5. Схема вычисления радиуса поверхности

Радиус окружности может быть вычислен по формуле

где

Длина дуги равна L=бR, а длина хорды составляет т.е.

(2)

Следовательно, зная длину дуги L и хорду d, можно определить угол б , а по нему -радиус окружности. При вычислении длины хорды A'D воспользуемся условием, показывающим, что начальная точка хорды D соответствует минимальной ширине проекции прямоугольника на криволинейную поверхность детали D_вmin, а конечной точке хорды А' соответствует D_вmаx. Длину дуги вычислим из условия, что по мере уменьшения угла б и соответственно хорды A'D длина дуги приближается к длине хорды, следовательно, дугу можно аппроксимировать элементарными хордами (рис. 6).

Рис.6. Схема определения длины дуги

При разбиении дуги на n-1 отрезков длина дуги будет составлять

(3)(4)

Остается лишь определить отрезки и . Согласно выбранной схеме измерений, ,а - соответствующая проекция. Под l_i понимается расстояние до проекции соответствующего сечения. Высоту треугольника O'D'A' определим как проекцию дуги A'D на криволинейную поверхность, остальные расчеты аналогичны. Выражение (3) можно записать следующим образом:

В процессе выполнения полного оборота возможно смещение центра окружности, составляющей контур изделия. В этом случае требуется найти величину смещения, для чего определимся с системой координат схемы измерений. При расчете радиуса окружности удобно пользоваться выражением (отпадает необходимость в сложных вычислениях радиуса), но это возможно, когда центр системы координат располагается в центре измеряемой окружности. Указанное противоречие можно разрешить, расположив центр системы координат, в которой выполняются измерения, в стационарной точке. Автор считает, что этой точкой является центр излучателя.

Изменение координат центра О_д в процессе выполнения оборота изделия можно определить согласно схеме на рис. 5.

Следует помнить, что в этом случае угол ц (угол луча) равен нулю, что значительно упрощает расчеты, и координата у=0. Это условие отображается в отношении A'D=DB'. Если равенство не выполняется, можно говорить о смещении оси окружности относительно выбранной системы координат. Тогда длину дуги окружности можно определить по известным , а реальные координаты центра окружности - из соотношения высот треугольника, отображающих проекции треугольника на криволинейную поверхность изделия.

Изображенная на рис.7 схема обработки с предварительными измерениями радиуса поверхности и положения центра учитывает условия расположения измерительной оси прибора 5 и режущей кромки инструмента по нормали к поверхности.

Рис. 7. Схема обработки бандажа с измерением радиуса

Глубина резания должна быть установлена за время прохождения расстояния L со скоростью щ. При этом бандаж поворачивается на угол в. Таким образом, величину поперечной подачи можно определить согласно выражению

S_поп = , (6)

где t - глубина резания, мм; щ - круговая частота вращения бандажа, рад ^-1; в - угол между осями прибора и резца, рад.

Так, для бандажа вращающейся печи диаметром 6 м при максимально возможной частоте вращения 1 об/мин и угле установки прибора 5-10? величина подачи будет равна S_поп = =7200 мм/мин, что неприемлемо, так как наиболее оптимальными при обработке бандажа являются величины на порядок меньше [1]. Таким образом, обработку бандажа следует выполнять на иных скоростях или с глубиной резания, не превышающей 2 мм, что является приемлемым. Скорость продольной подачи ограничена скоростью привода, которая в современном оборудовании может иметь величину до 1 м/с, или 60000 мм/мин, что позволяет соблюсти максимальные ограничения. К сожалению, скорость резания при этом составит всего 20 м/мин.

Измерение радиуса и вычисление мгновенного центра выполняются в одной позиции, а съем припуска - в позиции, смещенной от нее на угол в. Следовательно, при изменении радиуса на определенную величину точка съема припуска смещается по оси Y_c на величину, связанную с изменением радиуса. Смещение может проходить в любую сторону, и его необходимо учитывать. С учетом предельной величины износа бандажа цементной вращающейся печи [1] считаем, что максимальное колебание диаметра бандажа составляет ±20 мм при диаметре 6 м. Таким образом, согласно расчетной схеме, приведенной на рис.7, можно определить погрешность поверхности относительно режущей кромки инструмента 3. Согласно схеме, приведенной на рис.8, расположение обрабатываемой поверхности относительно режущей кромки инструмента изменяется на величину ±?L. В качестве условия задачи принимаем такое положение бандажа, когда он опирается на ролики поверхностями с максимальным и минимальным радиусами. Так как искажения формы бандажа связаны с его деформацией, то одновременное опирание только на поверхности с минимальным радиусом или только на поверхности с максимальным радиусом невозможно.

Рис. 8. Схема определения погрешности расположения обрабатываемой поверхности

Определим координату точки А, когда на левый ролик 2 происходит опирание минимальным радиусом, а на правый ролик - максимальным.

Координата Y₀ текущего центра складывается из высоты расположения центра роликов h и расстояния АО (расстояние между роликоопорами В неизменно). Координата центра O определяется соответствующими радиусами R_min и R_max, но при этом изменяется и координата Х. Это изменение компенсируется установкой режущей кромки инструмента по нормали к обрабатываемой поверхности.

(4)

где r- радиус опорного ролика, мм.

Для выражения (4) принято, что радиусы опорных роликов равны. Согласно выражению (2), OА не делит угол в на два равных. Следовательно, координата Х мгновенно смещается в сторону O_r1. Расчетная координата точки А не будет окончанием радиуса обрабатываемой поверхности. Для установки резца в точку обрабатываемой поверхности радиус его следует сместить по Х в отрицательном направлении. При смене радиусов инструмент смещается в противоположном направлении. Эту операцию проще выполнить смещением режущей кромки инструмента, так как измерение текущих радиусов поверхности, опирающейся на роликоопоры, связано со значительными затратами.

На основании представленных расчетов и рассуждений можно заключить, что погрешность расположения бандажа на роликоопорах легко компенсируется отслеживанием расположения режущей кромки инструмента относительно поверхности. Остановимся подробно на алгоритме управления поперечной подачей.

В начале работы следует задать получаемый радиус поверхности или определить его как минимальный возможный радиус поверхности катания. Прибор, выполняющий измерение поверхности, выдает информацию не только о радиусе поверхности, но и о расположении мгновенного центра бандажа, что является исходными данными об установке угла инструмента и координаты Х (на основании заданной глубины резания и требуемого радиуса). Приводы перемещают рабочие органы станочного модуля в требуемом направлении [1]. Поскольку радиус обрабатываемой поверхности не может изменяться скачкообразно (выбоины и т.п. могут быть легко идентифицированы), то и положение рабочих органов изменяется плавно. Ограничимся вербальным описанием алгоритма и вместо блок-схемы приведем схему управления станочным модулем (рис. 9).

Рис. 9. Структурная схема управления станочным модулем: ПИФ - прибор измерения формы; ЦП - центральный процессор; УВВ - устройство ввода-вывода; ПИ - привод инструмента (угла установки инструмента); ПХ - привод по оси Х технологической системы; ПY - привод по оси Y технологической системы; ПП - привод продольной подачи

Отдельно стоит вопрос о дискретности измерений, так как при выполнении измерений с большой частотой возможны перемещения рабочих органов, искажающие форму полученной поверхности. Согласно схеме, приведенной на рис. 3, следует воспользоваться выражением: f= . Параметр f определяет количество измерений, выполняемое за один оборот детали. Таким образом, чем меньше расстояние L между прибором и режущим инструментом, тем больше частота измерений и выше вероятность получения точной поверхности.

Список литературы

1. Пат. 101952 РФ. Станочный модуль для восстановительной обработки бандажей и роликов / Маслова И.В., Чепчуров М.С., Погонин Д.А., Хуртасенко А.В. - Опубл. в бюл. № 4. - 2011. _ 6с.

2. Пат. 110181 РФ. Устройство для определения погрешности формы крупногабаритных объектов / Чепчуров И.В., Маслова И.В., Хуртасенко А.В. - Опубл. в бюл. № 31. - 2011. _ 8с.

3. Технология машиностроения. Ч.1. Основы технологии сборки в машиностроении: учеб. пособие / И.В. Шрубченко, Л.В. Лебедев, А.А. Погонин [и др.]. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2005. - 170 с.

Размещено на Allbest.ru