“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

КРИЖАНІВСЬКИЙ ВОЛОДИМИР АНДРІЙОВИЧ

УДК 621.91.06

СИНТЕЗ СИЛОВИХ ВУЗЛІВ АГРЕГАТНО-МОДУЛЬНОГО

ТЕХНОЛОГІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ

Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

Аатореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та системи”

Кіровоградського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України; на кафедрі “Конструювання верстатів та машин”

Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Кузнєцов Юрій Миколайович, Національний

технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри

“Конструювання верстатів та машин”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Остаф’єв Володимир Олександрович,

Національний технічний університет України “Київіський політехнічний

інститут”, професор кафедри “Технологія приладобудування”;

доктор технічних наук, професор, Залога Вільям Олександрович,

Сумський державний університет, професор кафедри “Металорізальні

верстати т аінструменти”;

доктор технічних наук, професор, Нагорняк Степан Григорович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя,

професор кафедри “Верстатно-інструментальні системи автоматизованих

виробництв”.

Провідна установа:

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра “Різання матеріалів та різальні інструменти”.

Захист відбудеться 12 листопада 2001 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою:

03056, м.Київ, проспект Перемоги, 37, корпус 1, ауд. № 214.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою:

03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 10 жовтня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Семенов О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Розширення застосування в машинобудуванні агрегатно-модульного технологічного обладнання (АМТО) пов’язано з його широкими технологічними та функціональними можливостями при одно- та
багатошпиндельній обробці. Цей тип обладнання забезпечує випуск продукції як у серійному, так і масовому виробництвах, завдяки компоновці його з окремих агрегатів та модулів різних конструктивних конфігурацій, які забезпечують необхідну продуктивність та точність обробки, гнучкість виробничих систем, що робить його найбільш перспективним з точки зору світового досвіду.

Основними компонентами АМТО є силові вузли (СВ), які визначають його основні техніко-економічні показники, тому актуальність проблеми підвищення ефективності АМТО полягає у синтезі конструкцій та розробці теоретичних основ проектування високоефективних СВ.

Рішення цієї проблеми допоможе в короткий час створити АМТО нового покоління на основі високоефективних СВ з мінімальними витратами їх виготовлення при одночасному зменшенні собівартості.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок роботи було включено до науково-технічної програми "ДКНТ СРСР 0.16.0" для виконання завдання 01.05.01.Н: "Разработать технологические методы обеспечения заданной точности и вопросы управления точностью изготовления изделий в ГПС"; по темі "Повышение функциональных возможностей силовых узлов агрегатных станков и автоматических линий" на 1987-88рр. У 1988-89 рр. роботи виконувались по темі 2-603-88 для організації п/я А-3736 та підприєм-ства п/я М-5755. Тема дисертації є частиною наукового напрямку кафедри
"Металорізальні верстати та системи" Кіровоградського державного технічного університету згідно з комплексними цільовими науково-технічними програмами України КЦНТП-14 та КЦНТП-22. Окремі наукові результати роботи пов’язані з дослідженням у НТУУ "КПІ" згідно з тематичними планами
науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України, реєстр. (№ U001291, 1998-99 р.).

Мета роботи. Підвищення техніко-економічних показників АМТО на основі розроблених нових принципів створення високоефективних СВ з перемінною структурою привода та запропонованих багатокомпонентних схем навантаження виконавчих органів приводу подачі.

Задачі досліджень. Поставлену мету реалізовано шляхом вирішення
наступних задач:– 

систематизація відомих та встановлення меж можливостей традиційних шляхів підвищення ефективності СВ АМТО на основі аналізу конструктивних особливостей компоновок, технологічної та функціональної надійності СВ традиційних конструкцій;– 

теоретичні дослідження вихідних параметрів традиційних структур та схем навантаження виконавчого органу приводу подачі, розробка нових шляхів їх підвищення;– 

структурно-схемний синтез принципово нових конструкцій СВ АМТО з
перемінною структурою приводу;– 

дослідження умов функціонування приводу подачі СВ перемінної структури з багатокомпонентним навантаженням виконавчих органів приводу подачі СВ різних типів;– 

проведення порівняльних експериментальних досліджень СВ традиційної та перемінної структури з багатокомпонентними схемами навантаження
виконавчих органів приводів подачі;– 

синтез нових конструкцій СВ, у тому числі на рівні винаходів, для багатономенклатурного, швидкозмінного крупносерійного і масового виробництв;– 

розширення області застосування високоефективних СВ з перемінною
структурою при створенні нового покоління АМТО, впровадження у виробництво і навчальний процес виконаних науково-дослідницьких та конструкторських розробок.

Об’єкти дослідження – існуючі та запропоновані автором конструкції СВ моноблочного та блочного типу.

Предмет дослідження – виконавчі органи приводу подачі, схеми навантаження традиційних та перемінних структур приводу СВ різних типів.

Наукова новизна роботи полягає в розробці нових принципів створення та синтезу СВ агрегатно-модульного технологічного обладнання, які
дозволяють при заданих параметрах процесу обробки здійснювати такі умови навантаження виконавчих органів приводу подачі, котрі забезпечують потрібні вихідні параметри продуктивності та точності обробки:

-

-

-

-

-

створена нова концепція агрегатно-модульних систем технологічного
обладнання з ЧПК на основі синтезованих СВ з перемінною структурою приводу.

Практична цінність роботи. На підставі теоретичних та експеримен-тальних досліджень синтезовано загальні просторові схеми навантажень виконавчих органів приводів подачі з традиційною та перемінною структурою; виз-начено залежності для оцінки рівня вихідних параметрів СВ; розроблені рекомендації вибору раціональних схем навантаження виконавчих органів приводу подачі з перемінною структурою приводу на етапі їх проектування; розроблено ряд кількісних показників, які уможливлюють визначення раціональних меж застосування традиційної і перемінної структури приводу на основі синтезованих схем навантаження виконавчих органів приводу подачі різних типів.

Розроблено принцип багатопоточного навантаження виконавчих органів приводу подачі на основі перемінної структури приводу СВ. Запропоновано нові методи та підходи що до вирішення питань підвищення ефективності
АМТО на основі застосування приводів СВ перемінної структури.

Розроблено принципово нові компоновки агрегатно-модульних систем на основі високоефективних СВ з перемінною структурою для реалізації сучасних технологій обробки деталей.

Реалізація результатів роботи. Результати виконаних досліджень були покладені в основу синтезу СВ з перемінною структурою приводу, на базі яких Глухівським заводом агрегатних вузлів було виготовлено й реалізовано в Україні та за її межами понад 1800 одиниць АМТО за період 1990-1999 р.р.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень передані для використання підприємствам і установам: ГЗАУ (м. Глухів), СКБ АВ (м. Харків), “ЭНИМС” (м. Москва), "ЮКТБС" (Киргизька Республіка, м. Бішкек).

Основні результати роботи і наукові положення відображені в монографії та викладаються в дисциплінах "Агрегатно-модульні системи верстатного
обладнання", "Розрахунок, проектування та САПР металорізальних верстатів", "Верстати-автомати та автоматичні лінії", "Верстати з ЧПУ та верстатні
комплекси", "Цільові механізми верстатів-автоматів і верстатів з ЧПУ" для підготовки бакалаврів, спеціалістів та магістрів спеціальності 8.090203 "Метало-
різальні верстати та системи" у Національному технічному університеті
України "КПІ", Кіровоградському державному технічному університеті,
Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя та ін.

Особистий внесок здобувача. Автор запропонував новий методологічний підхід до створення АМТО і розробив теоретичні основи синтезу, дослід-жень, розрахунків та проектування високоефективних СВ з перемінною структурою для АМТО на основі просторових багатокомпонентних схем навантаження виконавчих органів приводу подачі; провів теоретичні, експериментальні дослідження та промислові випробування АМТО, збудованого на основі СВ з перемінною структурою приводу.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися, обговорювалися та отримали позитивну оцінку більш, ніж на 30-ти симпозіумах, конференціях та семінарах різних рівнів, серед них: Всесоюзний науково-технічний симпозіум "Проблемные вопросы автоматизации производства" (жовтень 1987 р., м. Вороніж); Міжнародна науково-технічна конференція, присвячена 100-річчю КПІ "Прогрессивная техника и технология машиностроения, приборостроения и сварочного производства" (м. Київ, НТУУ "КПІ", травень 1998 р.); V, VI міжнародні науково-технічні конференції "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века" (вересень 1998 р., 1999 р., м. Севастопіль); Міжнародна конференція "Высокоэффективные технологии в машиностроении" (жовтень 1998 р., м. Харків); Міжнародна науково-технічна конференція "Процеси механічної обробки, верстати та інструменти" (вересень 1999 р., м. Житомир); Міжнародний науково-технічний семінар "Современные методы сборки в машиностроении и приборостроении" (лютий 2001 р., м. Свалява); науково-технічні конференції викладачів Кіровоградського державного технічного університету (з по 2001 р.р.).

Публікації. Основний зміст і результати дисертації опубліковані в 65 роботах, в тому числі 1 монографії, 20 науково-технічних статтях у спеціалізованих виданнях, 26 авторських свідоцтвах СРСР, 3 патентах України.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, що містить 311 найменувань, та додатків. Повний обсяг дисертації становить 432 сторінки, включаючи 143 рисунка і 7 таблиць. Ілюстрації, таблиці, додатки, список використаних джерел займають 162 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначається мета та задачі досліджень, викладається наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено сучасний стан проблеми створення високоефективних СВ для АМТО. Аналіз традиційних шляхів компоновки, проектування АМТО, виготовлення, модернізації та адаптації його до сучасних умов виробництва дозволяє зробити висновок про те, що простежується тенденція підвищення його ефективності шляхом використання високоефективних СВ. Ефективність АМТО можна оцінити за вихідними параметрами: продуктивність і точність обробки, технологічна й функціональна надійність, довговічність, матеріало- та енергоємкість.

Розроблено класифікацію сучасних АМТО на основі системи показників, до яких за традиційними методами проектування можна віднести рівні компоновки, спеціалізації, обробки, автоматизації.

Статистичні обстеження та аналіз результатів раніше проведених досліджень дозволили встановити, що основним вузлом АМТО є СВ, котрий забезпечує необхідні складові рухи формоутворення та допоміжні рухи.

Розроблено загальну структуру СВ, яка дає змогу синтезувати конкретну компоновку вузла, виходячи з вимог до вихідних характеристик АМТО.

Аналіз раніше виконаних провідними вченими досліджень та проведених автором дозволив встановити, що основним механізмом, від якого залежать вихідні параметри СВ, є виконавчий орган приводу подачі, його навантажувальна здатність та точність положення на напрямних, які визначають продуктивність і точність обробки, технологічну й функціональну надійність, довговічність.

На основі здійсненого аналізу суті проблеми створення високоефективного АМТО встановлено, що: основним компонентом АМТО є СВ, який забезпечує технологічні, функціональні та параметричні можливості цього обладнання; циклова продуктивність АМТО визначається фондом витрат часу СВ, який
витрачається на процес різання та здійснення прискорених рухів, що в загальному випадку складає приблизно 75часу загального фонду часу роботи
АМТО; максимальна сила подачі, що розвиває СВ в умовах максимального використання потужності двигуна головного руху визначає продуктивність обробки АМТО.

Проведений конструктивно-схемний аналіз представників традиційних типів СВ показав, що їх основні вихідні параметри, незалежно від конструктивної компоновки, функціонального та технологічного призначення, в першу
чергу визначаються виконавчим органом приводу подачі СВ і такою схемою навантаження при заданих параметрах процесу обробки, яка забезпечує необхідні вихідні характеристики СВ по точності та продуктивності обробки.

У другому розділі визначено напрямки розвитку традиційних структур приводу СВ. На основі проведених узагальнень кінематичних, функціональних та компоновочних рішень існуючих конструкцій СВ АМТО запропонована їх загальна структура (рис. ).

Синтезовано структури СВ, особливостями яких є присутність загальних або відокремлених двигунів приводів головного руху та подачі; наявність допоміжних приводів прискорених переміщень виконавчих органів приводів подачі; оснащення приводу автономними двигунами системи установочно-координатних переміщень по одній або декількох координатах.

Проведений аналіз дозволив визначити кінематично-компоновочні рішення СВ з традиційною структурою приводу. Розглянуто умови функціонування виконавчих органів з традиційною структурою приводу та схеми навантаження пінольного механізму (рис. 2).

На піноль 1 з боку процесу обробки діє сила Ро – осьова складова технологічного навантаження. З боку внутрішніх кінематичних зв’язків до пінолі прикладається сила подачі Рп, розташована на відстані е від лінії дії сили Ро. В напрямних пінолі довжиною L діють реакції R1, R2 та сили тертя Fтр1, Fтр2. У
рухомому шліцевому з’єднанні діє сила тертя Fтр. На основі розв’язання системи рівнянь статики отримано залежності для визначення питомих тисків у
напрямних пінолі. Встановлено, що найбільший вплив на питомі тиски у
напрямних здійснюють конструктивні параметри пінолі у такій послідовності: L, e, d (рис. 3).

Розглянуто умови функціонування пінольних механізмів СВ моноблочного типу при багатошпиндельній обробці. У цьому випадку піноль навантажується декількома осьовими складовими технологічного навантаження Ро1, Ро2, мають місце схеми навантаження, наведені на рис. 4.

а) б)

Рис. 4. Традиційні схеми навантаження пінолі в умовах багатошпиндельної обробки з розташуванням Ро: а) вище осі пінолі; б) нижче осі пінолі

Питомі тиски визначаються за формулами:–

для схеми рис. 4. а, коли сила Ро розташована вище осі пінолі:

; | (1)–

для схеми рис. 4. б, коли сила Ро розташована нижче осі пінолі при умові е у:

; |

(2)–

для схеми рис. 4. б, при умові е < у:

; | (3)–

для схеми рис. 4. б навантаження при умові е у:

. | (4)

У випадку, коли сила подачі Рп прикладена по осі пінолі (тобто е = 0), питомі тиски у напрямних пінолі визначають по формулі:

, | (5)

де уі – відстань між лінією дії сумарної осьової технологічного навантаження Ро та віссю пінолі; 1 – коефіцієнт тертя у напрямних пінолі; 2 – коефіцієнт тертя у шліцевому з’єднанні; Мр – момент різання, який діє на шліцеве з’єднання; dср – середній діаметр шліців.

За результатами визначення умов функціонування пінольних механізмів СВ моноблочного типу можна зробити висновок, що величини сили подачі,
питомих тисків та контактних деформацій, які обумовлюють навантажувальну здатність, довговічність, точність та технологічну надійність обробки, визначаються конструктивними параметрами схем навантаження, координатами точок прикладення сили подачі та осьової складової технологічного навантаження. Встановлено, що функціональні й технологічні можливості СВ моноблочного типу з традиційною структурою приводу та існуючими схемами навантаження пінолі вичерпані.

Конструктивною особливістю традиційних компоновок СВ блочного типу а також СВ з рухомим корпусом є різне розташування лінії дії сили подачі відносно площини напрямних рухомої платформи або корпусу. Сила подачі може бути розташована в площині напрямних, вище або ж нижче від неї.

Показником раціональних умов функціонування виконавчого органу приводу подачі запропоновано коефіцієнт використання сили подачі:

, | (6)

де Pmax – максимальна сила приводу подачі.

На основі проведеного структурно-кінематичного аналізу існуючих конструкцій СВ блочного типу визначено дві основні схеми навантаження (рис. 5).

Так, для схеми навантаження рис. 5. а коефіцієнт використання сили подачі має вигляд: |

(7)

для схеми рис. 5. б за умови, коли : |

(8)

для схеми рис. 5. б за умови, коли : |

(9)

Встановлено, що для традиційних схем навантаження виконавчого органу приводу подачі для поліпшення умов його функціонування необхідно прямувати до зменшення та стабілізації коефіцієнта тертя ; збільшення довжини L напрямних; мінімізації ординат точок прикладання сил Ро та Рп. У випадку
багатошпиндельної обробки необхідно розташовувати співвісно силу Рп та
рівнодіючу осьових складових технологічного навантаження.

Таким чином, обмеження продуктивності обробки при інтенсифікації режимів обробки та збільшенні ступеня концентрації операцій зумовлене навантажувальною здатністю виконавчого органу приводу подачі.

У третьому розділі розглянуто питання синтезу й аналізу загальних схем навантаження виконавчих органів приводів подачі СВ з традиційною структурою приводу.

Основою розробки загальної традиційної схеми навантаження (рис. 6) є конструктивно-компоновочний аналіз єдиної гами СВ.

Піноль діаметром d має довжину L. З боку процесу обробки на
піноль діє результуюча сила технологічного навантаження Р, що розташована з ексцентриситетом r у площині XOY і нахилена до осі ОZ під кутом . Дія сили Р може бути розташована у будь-якій точці площини XOY на куті відносно початкової точки А прикладення сили Р, на відстані r від осі симетрії ОZ пінолі. Для подолання технологічного навантаження і сил тертя у напрямних пінолі R11 та R21 від реакцій R1, R2 на піноль діє сила Рп, що розташована з ексцентриситетом е у площині XOZ і нахилена відносно осі пінолі у площині ZOY під кутом . Сила Рп може діяти на піноль під кутом у площині XOY. Реакції R1 і R2 нахилені у площині XOY відносно осі Z під кутами 1 і 2.

Частка напрямних довжиною s характеризує відстань прикладення сили подачі Рп відносно довжини напрямних L пінолі. Відстань q – довжина консолі, на якій прикладено силу Р.

Для оцінки впливу конструктивних, силових параметрів синтезованої схеми навантаження пінолі, а також координат точок прикладення сил Ро, Рп на миттєвий коефіцієнт передачі сил, були отримані графіки (рис. ).

Аналіз отриманих графічних залежностей дозволив встановити, що:
збільшення ординати точки прикладення сили Р та кута ? нахилу її у площині YOZ при одночасному збільшенні ординати точки прикладання сили Рп приводить до збільшення миттєвого коефіцієнта передачі сил ? на 28–33; найбільший вплив на коефіцієнт ? визначають умови тертя в напрямних, координат
точки прикладення сил Р та Рп, а також кутів ? і ? розташування сил Рп і Р, неправильний вибір умов може привести до заклинювання, при цьому небезпечна зона лежить при ??? 20; ??> 27 у площині YOZ.

Рис. . Залежності коефіцієнта ? від конструктивно-геометричних
параметрів схеми навантаження

Аналогічні результати отримані при дослідженні математичної моделі умов функціонування повзунових механізмів СВ корпусного типу.

Для визначення умов функціонування виконавчого органу приводу
подачі СВ блочного типу для традиційної схеми навантаження (рис. ) була складена система рівнянь рівноваги рухомої платформи:

При розробці математичної моделі умов функціонування виконавчого органу приводу подачі СВ блочного типу були зроблені наступні допущення: рухома і нерухома платформи – абсолютно жорсткі деталі, крім поверхневих шарів напрямних, які деформуються; контактні деформації пропорційні питомим тискам; похибками виготовлення напрямних можна знехтувати.

Функції для визначення реакцій у напрямних через їх геометричні параметри мають вигляд:

, (14)

, (15)

де bi – ширина стику напрямних; k – коефіцієнт контактної податливості; ?і – зазор у центрі стику; ?і – кут повороту рухомої платформи; L – довжина напрямних рухомої платформи.

Встановлено залежність для визначення сил тертя у напрямних:

. (16)

За допомогою розробленої математичної моделі функціонування рухомої платформи СВ блочного типу проведено теоретичне дослідження сил тертя в напрямних від моментів Мх і Му та сили Ру , що діють на рухому платформу (рис. 9).

Залежність на рис. 9. а складається з двох дільниць. На першій – зовнішній момент не перевищує , тобто . При цьому працюють лише основні грані напрямних і сили тертя визначається вагою рухомої платформи: . На другій дільниці, де момент Мх перевищує ,
починають працювати притискні планки, і сили тертя визначається величиною моменту Мх і дорівнює .

Величина сил тертя від Му прямо пропорційна його модулю (рис. 9. б). Сила тертя при Му визначається величиною сили Ру та коефіцієнтом тертя ? в напрямних. Перевірка за допомогою ПЕОМ показує, що відхилення величини сил тертя, розрахованих по приведеній залежності (16) від отриманих за
допомогою математичної моделі, складає до 5%.

На основі комп’ютерного дослідження загальних схем навантаження
виконавчих органів приводу подачі СВ традиційної структури встановлено, що: умови функціонування виконавчих органів визначаються їх конструктивними параметрами, силами тертя в напрямних та координатами прикладення осьової складової технологічного навантаження; мінімізація вантажних витрат, які
характеризуються миттєвим коефіцієнтом передачі сил, може бути досягнута співвісним розташуванням сили подачі та осьової складової технологічного
навантаження як в умовах одно-, так і багатошпиндельної обробки, що є критерієм вибору раціональної схеми навантаження виконавчого органу приводу
подачі з традиційною структурою.

Четвертий розділ присвячений синтезові нових СВ з перемінною структурою приводу.

Можливість керування вихідними параметрами СВ створює умови для оптимізації експлуатаційних параметрів АМТО. Структура приводу СВ має
декілька рівнів свого розвитку, кожний з яких відповідає більш високому рівню вихідних параметрів.

Встановлено, що підвищення ефективності структур приводу традиційними шляхами практично вичерпано. Подальше підвищення ефективності СВ слід шукати у створенні перемінної структури приводу, в основу якого
покладено такі умови силового навантаження виконавчого органу приводу
подачі, при яких забезпечуються необхідні вихідні параметри по точності та продуктивності обробки, при цьому не змінюються параметри процесу обробки.

Модель формування вихідних параметрів СВ перемінної структури приводу можна представити у вигляді:

де ПО – процес обробки та його параметри; t – глибина різання; S – подача; VP – швидкість різання; – ККД виконавчого органу; Q – продуктивність обробки; – точність обробки; Д – довговічність; ТН – технологічна надійність.

Згідно з призначенням приводу подачі його функції умовно розділяють на силові та кінематичні, а потужність до виконавчого органу приводу подачі підводиться двома шляхами: по короткому кінематичному ланцюгу з високим ККД, що не визначає кінематичної функції, та по кінематичному ланцюгу
подачі. Це, з одного боку, створює умови для підвищення ККД вузла, оскільки основна потужність витрачається на подачу по короткому кінематичному
ланцюгу, а з другого – дозволяє знизити навантаження на механізм подачі, який визначає точність обробки. Таке розгалуження потужності змінює структуру приводу СВ (рис. 11).

Суть перемінної структури СВ полягає в тому, що між механізмом перетворення ПМГ та виконавчим органом ВОГ головного руху встановлено механізм переміни структури МПС, виконаний, наприклад, у вигляді диференціального механізму, вихідні ланки якого зв’язані з виконавчими органами головного руху ВОГ та приводу подачі ВОП, що реалізують процес обробки ПО деталі Д. Механізм переміни структури МПС та процес обробки ПО охоплені зворотним зв’язком ЗЗ. Під час обробки виконавчі органи ВОГ та ВОП сприймають відповідні навантаження МР та Р. Завдяки зворотному зв’язку механізм МПС сприймає частку навантаження МР виконавчого органу ВОГ, яка перетворюється у додаткову силу Рд, спрямовану на компенсацію складової технологіч-ного навантаження приводу подачі. Таким чином, виконавчий орган ВОП
приводу подачі під час обробки отримує силу подачі двома шляхами: перший – традиційним шляхом від приводу М, ПМГ, передаточно-перетворюючий механізм подачі ППМП; другий – від механізму переміни структури МПС.

На основі вищесказаного була синтезована загальна схема СВ з перемінною структурою приводу (рис. 12).

Привід СВ з перемінною структурою функціонує таким чином. Рух від двигуна 1 через передаточний механізм 2 передається через перетворюючі механізми 5 та ланки перетворення 6 виконавчим органам 7 – 10, на котрі привод здійснює відповідну силову дію. Одночасно рух підводиться до механіз-му, який має n виходів, з’єднаних через зворотній зв’язок ЗЗ з виконавчими органами 7 – 10, в результаті чого на виконавчі органи кінематичних ланцюгів подач діє другий силовий потік Рд1Рдn, що відбирається диференціальним механізмом 3 від двигуна 1. Таким чином, кожний кінематичний ланцюг діє на виконавчі органи 7 – 10 силами Рп1Рпn, а диференціальний механізм – силами Рд1Рдn. Оскільки рівнодіючі Рп + Рд сприймають технологічне навантаження Рп та сили опору FTP, переміщення виконавчого органу сприймає тільки частину навантаження, визначену рівнянням:

. (20)

Це рівняння - математична модель функціонування схеми навантаження виконавчого органу приводу подачі СВ з перемінною структурою. Можливість керування величиною додаткової сили Рд дає змогу керувати величиною сили Рп, що сприймається виконавчим органом приводу подачі. На основі запропонованої загальної СВ з перемінною структурою приводу АМТО проведено структурно-схемний синтез СВ з перемінною структурою приводу.

Суть багатокомпонентного навантаження виконавчого органу приводу подачі полягає у його просторовому навантаженні кількома силами з боку процесу обробки та з боку внутрішніх кінематичних зв’язків, що є характерним для перемінної структури приводу.

Запропонована схема навантаження (рис. 13) відрізняється від традиційної тим, що з боку кінематичних зв’язків приводу силового вузла виконавчий орган приводу подачі – піноль навантажується додатковою силою Рд, що діє на неї від механізму переміни структури приводу.

На основі аналітичного рішення системи рівнянь статики рівноваги пінолі отримано залежність для визначення миттєвого коефіцієнта передачі сил:

(21)

Згідно з комп’ютерним дослідженням умов функціонування перемінної структури приводу СВ були визначені критерії мінімізації коефіцієнта та сили подачі. Параметром оцінки рівня перемінної структури прийнято коефіцієнт переміни структури . В результаті проведених досліджень встановлено, що при зростанні коефіцієнта Кп 1,0 виконуються вимоги 1,0, а Рп min (рис. 14).

Синтезовано принципово нові структурно-схемні рішення СВ з перемінною структурою приводу, захищені авторськими свідоцтвами СРСР та патентами України.

У п’ятому розділі встановлено коефіцієнти передачі сил повзунів та виконавчих органів приводу подачі СВ блочного типу з перемінною структурою приводу.

Запропоновано загальну схему навантаження повзуна з призматичними напрямними СВ корпусного типу з перемінною структурою приводу. Рівновага положення повзуна на напрямних описується системою рівнянь статики, рішен-ням якої є отримані рівняння четвертого ступеня відносно миттєвого коефіцієнта передачі сил .

Отримано аналогічні пінольному механізму вирази для визначення миттєвого коефіцієнта передачі сил , сили подачі, сил тертя у напрямних повзуна та результати комп’ютерних досліджень, що підтверджують правильність
методологічних підходів до теоретичних досліджень.

У результаті досліджень встановлено, що: схеми навантаження виконавчого органу приводу подачі СВ блочного типу перемінної структури забезпечують можливість управління величиною миттєвого коефіцієнта передачі сил за рахунок зміни конструктивно-геометричних параметрів схеми навантаження та величини коефіцієнту переміни структури Кп; найбільш раціональною схемою навантаження виконавчого органу приводу подач, яка дозволяє мінімізувати коефіцієнт , є схема, в котрій додаткова сила Рд прикладена далі від площини напрямних, ніж осьова складова технологічного навантаження, таким
чином, щоб сила Ро була розташована між силами Рд і Рп; за рахунок зміни коефіцієнта переміни структури приводу Кп є можливість мінімізації коефіцієнта при будь-яких конструктивно-геометричних параметрах схеми навантаження незалежно від процесу обробки.

У шостому розділі наведено порівняльний аналіз експериментальних досліджень вихідних параметрів СВ із традиційною та перемінною структурою приводу. В лабораторних умовах досліджено вплив схеми навантаження
виконавчого органу приводу подачі на його геометричну точність на прикладі СВ моноблочного типу з традиційною структурою приводу мод. У1Х4035 і мод. У1Х4035М із перемінною структурою. За експериментальними даними були встановлені кореляційні залежності між геометричною точністю переміщень виконавчого органу приводу подачі для традиційної схеми навантаження  ,47_,464D та багатокомпонентної схеми навантаження п= 0,86+0,22D, де: D – діаметр свердла. Порівняльний аналіз експериментальних даних дозволив зробити висновок, що: переміщення виконавчого органу приводу подачі у площині дії сили подачі для багатокомпонентної схеми навантаження приблизно в 1,7 рази менше, ніж у випадку застосування традиційної схеми навантаження; доля контактно-пружних деформацій напрямних в сумарних переміщеннях виконавчого органу в площині дії сили подачі при використані багатокомпонентної схеми навантаження виконавчого органу приводу подачі СВ з перемінною структурою приводу у 3,8 рази менше, ніж при навантаженні згідно з традиційною схемою.

Експериментальні дослідження впливу структури приводу на основі традиційної та багатокомпонентної схеми навантаження виконавчого органу приводу подачі СВ моноблочного і блочного типів на їх навантажувальну здатність (рис. ) виконувались у лабораторних умовах на спеціальному
випробувальному обладнанні.

Застосування багатокомпонентної схеми навантаження виконавчого органу приводу подачі СВ з перемінною структурою приводу дозволяє в 2-2,5
рази підняти навантажувальну здатність приводу подачі при однакових значеннях миттєвого коефіцієнту передачі сил для СВ моноблочного типу. Дослідження навантажувальної здатності СВ блочного типу з перемінною структурою приводу на базі силового столу мод. УЕ4532 проводилось методом фізичного моделювання в статиці.

У результаті проведених експериментальних досліджень отримано
підвищення навантажувальної здатності СВ блочного типу з перемінною структурою до 2 разів при одночасному зменшенні кута повороту рухомої платформи до 3 разів.

Експериментально доведено підвищення точності обробки при застосуванні перемінної структури приводу СВ моноблочного типу. Так, при обробці отворів для схем навантаження традиційної та перемінної структури приводу з коефіцієнтами переміни структури привода kп 0,25...1,0, з’явилася можливість підвищити точність обробки від ХІ ступеня до ІХ за ГОСТ 24643-81.

Експериментально встановлено, що в процесі експлуатації контактна жорсткість стику напрямних виконавчого органу приводу подачі визначається схемою його навантаження. Так, для традиційної схеми навантаження жорсткість напрямних виконавчого органу приводу подачі зменшилась у середньому на 50% за увесь період випробувань у площині дії сили подачі, а для багатокомпонентних схем навантаження жорсткість напрямних зменшилась на 20...40% від початкової і залежить від величини коефіцієнта переміни структури.

У сьомому розділі розглядається практична реалізація перемінної структури приводу СВ при створенні АМТО нового покоління.

Розроблено ряд конструкцій СВ моноблочного типу з перемінною струк-турою приводу, які захищені авторськими свідоцтвами СРСР та впроваджені на верстатобудівних заводах м. Києва, Харкова, Глухова та Кіровограда. Так, в ОКБА (м. Харків) при модернізації вертикально-свердлувального верстата 2Н125 було впроваджено а.с. з економічним ефектом 1365 грн/рік. Впроваджено а.с. , 835662 в агрегатних верстатах мод. 2ХА18438. 2ХА18439, розроблених СКБ АВ (м. Харків), з економічним ефектом 3935 грн/рік. При розробці конструкції агрегатного верстату мод. 2ХА12.342 СКБ АВ (м. Харків) була підвищена продуктивність обробки на 180%, що дало річний економічний ефект у розмірі 13645,45 грн. Рекомендації по застосуванню конструкції СВ з перемінною структурою по а.с. 547326 впроваджено у ВАТ “Завод агрегатних вузлів”, який за період з 1981 по 1998 р. впроваджував
рекомендації та розробки даної роботи.

Так, у результаті впровадження у виробництво рекомендацій автора та дванадцяти авторських свідоцтв по напрямку дисертації ВАТ “Завод агрегатних вузлів” та СКБАВ отримано річний економічний ефект біля 970 тис. крб. СРСР за станом на 1988-91 р.р. За період з 1988 по 1991 р. ВАТ “Завод агрегатних
вузлів” освоїв випуск СВ мод. 1УХ4035М підвищеної вантажної здатності для комплектації агрегатних верстатів, що випускаються Харківським заводом
агрегатних верстатів.

Розроблено та впроваджено на ВО “Большевик” (м. Київ) нові конструктивно-компоновочні рішення СВ блочного типу з перемінною структурою
приводу для багатошпиндельної обробки, захищених а.с. 1017469, 1704951, при розробці багатошпиндельного двостороннього агрегатного верстата для
глибокого свердління при обробці деталі теплообмінника.

На замовлення Міністерства верстатобудівної промисловості
колишнього СРСР було розроблено гаму СВ перемінної структури приводу мод. УК125.00, УК160.00, УК260.00 для компоновки багатокоординатних СВ з ЧПУ та для компоновки гнучких агрегатних верстатів і автоматичних ліній. По замовленнях ЭНИМС (м. Москва) та СКБ АВ (м. Харків) ВАТ “Завод агрегатних вузлів” була розроблена конструкція багатокоординатного СВ з перемінною структурою приводу мод. СМ-100, яка знайшла застосування при створенні перспективних компоновок гнучких агрегатних верстатів.

На замовлення ВО ім. В.І.Леніна та “ЮКТБС” (м. Бішкек, Киргизька РСР) було розроблено агрегатно-модульні системи ФАМ-1 і ФАМ-2 на основі СВ з перемінною структурою для компоновки АМТО. У 2001 р. розпочато
серійний випуск на базі СВ ФАМ-2 токарно-фрезерно-сверлильно-розточувального модуля ЮК-1.

ВАТ “Завод агрегатних вузлів” (м. Глухів) освоїв випуск агрегатно-модульного комплексу КДС-1 на базі модернізованих СВ моноблочного та
блоч---ного типів з перемінною структурою приводу, а також універсальних
верстатів фрезерної та свердлувальної групи на базі силового вузла 1УХ4035М із перемінною структурою. Так, за останні десять років цим заводом було
виготовлено та реалізовано понад 1800 верстатів мод. ГФР-16, ГФР-16С, ФСН-80, ФСН-80М, СВП25/18 та ін. на основі СВ з перемінною структурою.

Висновки

Основний результат роботи – вирішення важливої науково-технічної проблеми, яка має велике народногосподарське значення і пов’язана з підвищенням техніко-економічних показників агрегатно-модульного технологічного
обладнання за рахунок створення високоефективних СВ.

1. Вперше запропонований і реалізований новий методологічний підхід при підвищенні продуктивності агрегатно-модульного технологічного обладнання шляхом збільшення навантажувальної здатності виконавчих органів
приводу подачі СВ різних типів, завдяки перемінній структурі приводу СВ
виникають такі умови експлуатації, які при мінімальних витратах на модернізацію дають можливість підвищити точність обробки. Розробкою принципово нових конструкцій СВ перемінної структури приводу вирішено задачі побудови схем навантаження виконавчих органів приводу подачі, при яких змінюється функціональне призначення приводу подачі, суть якого полягає в тому, що він частково або повністю позбувається силових функцій, виконуючи кінематичні функції у безвантажному або маловантажному режимі.

2. Досягнуто зниження на 40-70 % вантажних витрат і підвищення навантажувальної здатності до 2,5-3 разів приводу подачі та, як похідна, продуктивності обробки завдяки застосуванню приводу перемінної структури, котра у процесі обробки створює такі умови функціонування виконавчого органу
приводу подачі, за яких він навантажується допоміжною силою, направленою на компенсацію осьової складової технологічного навантаження, що є основою раціональних схем навантаження виконавчого органу приводу подачі, які
формують більш ефективні умови його функціонування.

3. Реалізовано якісний перехід до нових рівнів вихідних параметрів СВ агрегатно-модульного технологічного обладнання на основі їх структурно-схемного синтезу та розробки раціональних схем навантаження виконавчих
органів приводу подачі, вибраних за критеріями: мінімізації вантажних витрат у приводі подачі; підвищення вантажної спроможності приводу подачі силового вузла та продуктивності обробки, точності траєкторії переміщень виконавчого органу приводу подачі, технологічної та функціональної надійності, довговічності, зносостійкості та жорсткості напрямних виконавчого органу приводу
подачі.

4. Доведено, що найбільш придатним для оцінки ефективності приводу перемінної структури є запропонований новий кількісний показник – коефіцієнт співвідношення силових потоків, що діють на виконавчий орган з боку
внутрішніх кінематичних зв’язків приводу силового вузла.

5. Для оцінки умов функціонування виконавчих органів приводу подачі СВ дістав подальше уточнення узагальнений миттєвий коефіцієнт передачі сил, котрий, на відміну від відомого, враховує просторове розташування діючих сил і може бути використаний для різних приводів і механізмів металообробного та іншого технологічного обладнання.

6. Аналіз та синтез прогресивних схем навантаження виконавчих органів приводів подачі СВ та аналіз умов їх функціонування дозволив встановити їх пріоритетні напрямки розвитку, кінцевим показником яких є підвищення їх ефективності за рахунок збільшення навантажувальної здатності у 2…2,5 рази, точності траєкторії переміщення виконавчого органу для СВ моноблочного
типу на 120…150%, а для вузлів блочного типу – до 300%, з одночасним підвищенням довговічності напрямних на 180…250% та технологічної надійності обробки у 1,5…2,5 рази при одночасному зниженні матеріалоємності на 32 %.

7. Доведено, що новий методологічний підхід що до підвищення ефективності СВ АМТО можна успішно використовувати при розробці високоефективних гнучких, багатономенклатурних АМТО, для реалізації принципово нових технологій виготовлення деталей, наприклад, модульної технології у
сполученні з модульним принципом конструювання технологічного
обладнання.

8. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження підтвердили ефективність нового наукового напрямку розробки високоефективних СВ
АМТО на базі раціоналізації схем навантаження виконавчих органів приводу подачі СВ перемінної структури приводу, в основу якої покладено раціональне розподілення силових потоків з боку внутрішніх кінематичних зв’язків приводу силового вузла, спрямованих на реалізацію технологічного навантаження в умовах одно- та багатоінструментальної обробки, не чіпаючи умов виконання процесу обробки деталей.

9. За результатами досліджень науково обґрунтовано методичні рекомендації по вибору раціональних схем навантаження виконавчих органів приводу подачі СВ для АМТО, розроблено на рівні винаходів та патентів України ряд принципово нових конструкцій СВ та способів керування силовими компонентами схем навантаження виконавчого органу приводу подачі, запропоновано їх конструктивну реалізацію, сформульовано рекомендації по компоновці багатокоординатних СВ гнучких агрегатно-модульних систем для реалізації новітніх технологій в обробці матеріалів. Розроблено агрегатно-модульні системи мод. ФАМ1, ФАМ2, ФАМ3 гнучкого технологічного обладнання для обробки металів та других матеріалів, в яких знайшли своє місце приводи виконавчих органів подачі з перемінною структурою.

10. Результати роботи впроваджені на Харківському заводі агрегатних верстатів, ВАТ “СКБ АВ” (м. Харків), ВАТ “Завод агрегатних узлов” (м. Глухів), ВАТ “Корпорация машиностроения” (Киргизька республіка), ОКБА (м. Харків), ВАТ “Кіровоградстройіндустрія”, ВВФ “Астра”, МПП “ТІК” (м. Кіровоград), ВО “Більшовик” (м. Київ). ВАТ “Завод агрегатных узлов” (м. Глухів) виробив та реалізував за період з 1988 по 1996 р. понад 1800 верстатів та 300 СВ з перемінною структурою приводів, три агрегатно-модульних комплекси КДС-01. Економічний ефект від впровадження розробок у ВАТ “Завод агрегатних узлов” і СКБ АВ за 1988-91 рр. склав біля 970