3.3. Оценка конструкторско-технологических мероприятий по реализации встроенных средств технической

диагностики

Практическая реализация ВСТД по любой из трёх приведенных на рис 3.1 схем всегда сопряжена с изменением (модернизацией) конструкции взятого за основу штатного узла (детали) станка. Очевидно, что после проведения всех таких мероприятий штатные узлы станка, подвергшиеся модернизации, и станок в целом по своим эксплуатационно-техническим характеристикам (точности, жесткости, виброустойчивости) должны находиться на уровне не ниже первоначально установленных нормированных значений.

Для оценки трудоемкости конструкторско-технологических мероприятий по внедрению ВСТД, а также достигнутого при этом уровня эксплуатационно-технических характеристик воспользуемся комплексом коэффициентов, с помощью которых учитывают факторы, отражающие всевоз­можные изменения, связанные с внедрением ВСТД:

1. коэффициент к_м — необходимость применения для изготовлении деталей ВСТД материалов, обладающих специ­альными свойствами (например, при электротензометрическом принципе преобразования для изготовления ПНП необходимы материалы, обладающие стабильными упругими свойствами: пружинно-рессорные стали, дисперсионно твердеющие сплавы и др.);

2. коэффициент к_кф — возможное изменение (иногда в сторону увеличения) габаритных размеров исходной конфигурации штатного узла (детали) станка при построении ВСТД по схемам IIа и IIб;

3. коэффициенты к_т и к_с — увеличение трудоемкости соответственно механической обработки отдельных комплектующих деталей и сборки модернизированного штатного узла в целом;

4. коэффициенты к_в, к_н и к_мод—необходимость соблюдения при реализации ВСТД основных принципов их построения: конструктивного подобия и рационального размещения составляющих элементов (к_в), инвариантности (к_н), а также модульности и взаимозаменяемости конструкции ВСТД (к_мод);

5. коэффициент к_дд — необходимость введения в конструкцию штатного узла станка дополнительных деталей для реализации основных функциональных элементов ВСТД

— ЧЭиПНП;

6. коэффициент к_дф — повышение эффективности ВСТД в связи с расширением его функциональных возможностей;

7. коэффициент к_ун — максимальное использование в конструкции ВСТД стандартных комплектующих элементов.

Максимальные значения всех указанных коэффициентов равны 1,0. Расчет первых четырех ведется по формулам: k_M=1,0-az.

к_Кф = 1,0 - a₂L. к_т = 1,0 – а₃М. к_с = 1,0 - а₄С.

где а₁ а₄— весовые коэффициенты, учитывающие влияние анализируемых параметров на соответствующие коэффициенты (например, а₃ учитывает влияние увеличения трудоемкости механической обработки на kj); z — количество разноименных марок материалов, обладающих специальными свойствами; L — максимальное превышение размеров модернизированного узла по сравнению с исходным базовым узлом, на основе которого реализовано ВСТД; М, С — число дополнительных операций соответственно механической обработки и сборки.

Коэффициент к_в находят по формуле

где — весовые коэффициенты, с помощью которых учитываются принятая схема построения ВСТД и влияние усложнения конструкции штатного узла станка на коэффициент к_в в связи с введением в его состав дополнительного устройства предварительного натяга ПНП; X — число дополнительных деталей, необходимых для реализации устройства создания предварительного натяга.

Учет в формуле для вычисления к_в возможного усложнения конструкции штатного узла вызван тем, что в ВСТД, работающих на электротензометрическом принципе преобразования, работоспособность ПНП может быть обеспечена только при условии создания в нем предварительного натяга. Решение о введении дополнительных деталей в узел станка должно приниматься только после рассмотрения возможности создания предварительного натяга с помощью имеющихся в узле штатных деталей.

При использовании для построения ВСТД схемы I достигается полное конструктивное подобие ( ₁=1,0), несколько меньший эффект получается для схем IIа ( ₁=0,8) и IIб ( ₁=0,9).

Коэффициент к_и учитывает соблюдение принципа инвариантности конструкции ВСТД по отношению к переменным условиям резания при ГПС. Смена условий резания при ГПС вызвана

а) изменениями конструкции и материалов всего широко номенклатурного ряда закрепленных за станочным оборудованием деталей (при изменении их размерно-геометрических параметров, объединяемых характерными признаками в технологический класс деталей, например класс валов, класс корпусных деталей);

б) изменениями геометрических параметров и материалов применяемых режущих инструментов;

в) применением различных марок станков одной технологической группы (например, для обработки деталей класса валов —станков токарной группы), имеющих при одной и той же схеме резания различные исполнения основных функциональных узлов (револьверной головки, шпиндельного узла);

г) изменениями конструкции технологической оснастки и ее составных элементов для закрепления инструментов и деталей применительно к одной схеме формообразования.

Разрабатываемые СТД должны быть конструктивно инвариантными по отношению к каждому из переменных компонентов технологической системы. В первую очередь инвариантность необходимо обеспечить по отношению к обрабатываемым деталям, применяемому инструменту и используемому станочному оборудованию Обеспечение инвариантности по отношению к станочному оборудованию —- самая сложная задача, ее частный случай — достижение инвариантности по отношению к однотипному оборудованию внутри одной группы станков, например станков токарной группы с многопозиционными инструментальными револьверными головками.

Таким образом, для расчета к_и принято выражение

k_И =l/3

где l - число переменных процесса резания, по отношению к которым обеспечена инвариантность конструкции разрабатываемого ВСТД.

Максимальное значение коэффициента к_и =1,0 достигается при l =3, это обеспечивает инвариантность конструкции ВСТД по отношению к обрабатываемым деталям, применяемым инструментам и типам станочного оборудования внутри одной технологической группы. Необходимость же дополнительного обеспечения инвариантности конструкции ВСТД по отношению к применяемой технологической оснастке непомерно усложняет конструкцию ВСТД при небольшом достигаемом при этом эффекте (по сравнению l=3). Опыт эксплуатации ГПС показывает, что изменения конструкции технологической оснастки редки по сравнению с варьированием всех остальных переменных компонентов.

Коэффициент к_м учитывает соблюдение принципа модульности и взаимозаменяемости элементов ВСТД, т. е. дает оценку его функциональной автономности, количественными характеристиками которой могут служить ранг модульности ВСТД и взаимозаменяемость его исполнения.

Ранг модульности определяют по формуле, приведенной в п. 1.3, взаимозаменяемость исполнения, учитываемая коэффициентом а₆, относится к базовым установочным поверхностям и характеризует беспрепятственность монтажа функционально автономного ВСТД в базовые штатные узлы станочного оборудования. Здесь а₆ — весовой коэффициент, учитывающий необходимость изменения элементов конструкции ВСТД; в первую очередь его базовых установочных поверхностей, для обеспечения взаимозаменяемости его исполнения.

Коэффициент к_д.д учитывает введенные в конструкцию штатного узла станка дополнительные детали, реализующие отдельные функциональные узлы ВСТД, кроме дополнительных деталей для создания предварительного натяга, учитываемых коэффициентом кв. Коэффициент к_д.ф учитывает расширение функциональных возможностей ВСТД, т. е. возможность осуществления им кроме процедуры технической диагностики еще и дополнительных функций. Например, для реализации ВСТД на базе планшайбы револьверной головки токарного станка (см. рис. 2.5) необходимы как использование дополнительных деталей (собственно сам ПНП, элементы его крепления, защитный кожух), так и частичное изменение кон­струкции планшайбы, на базе которой произведен монтаж ВСТД. Необходимы также дополнительные детали для устройства съема измерительного сигнала с поворотной план шайбы—токосъемного устройства, в состав которого входят основание из неметаллического материала, рабочие (из токопроводного материала) и изоляционные кольца, прижимные контактные группы с элементами их закрепления.

Дополнительными функциями контроля усилия поджима легко деформируемых деталей при центровой обработке и регистрации момента начала резания обладает ВСТД на базе

центра токарного станка (см. рис. 3.4).

Коэффициент кун учитывает число стандартных комплектующих деталей и элементов в конструкциях ВСТД, например пружин, шайб и др.

Коэффициенты к_д._д, к_д._ф и к_ун рассчитывают по формулам:

где а₇ а₉ — весовые коэффициенты, учитывающие влияние параметров (введение дополнительных деталей, расширение функциональных возможностей и количество стандартных комплектующих деталей) на соответствующие коэффициенты; ₂, ₃ весовые коэффициенты, характеризующие средний уровень исполнения конструкции ВСТД, т. е. значимость его основной штатной функции — проведения процедуры технической диагностики и значимость конструкции ВСТД со средним количеством входящих в его состав стандартных деталей; Р, Ф, У — соответственно число дополнительных деталей, необходимых для реализации функциональных узлов ВСТД, число его дополнительных функций и число комплектующих стандартных деталей.

При максимально возможных значениях коэффициентов

к_д._ф и к_ун , равных 1,0, ₂=0,8, ₃- 0,75 и а₈ а₉= 0,05, учитываемое число дополнительных функций Ф = 4 и количество стандартных элементов У = 5.

В соответствии с предложенным комплексом коэффициентов проведен анализ конструкторско-технологических мероприятий, связанных с внедрением ВСТД. Для анализа отобраны четырнадцать реализованных конструкций ВСТД, сгруппированных, в зависимости от взятой за основу схемы построения, в три группы. При этом учитывалось, что для всех ВСТД, построенных по схеме I, вследствие самого принципа их реализации (вместо одной из штатных деталей узла станка) коэффициенты к_Кф и к_д._д принимают максимально возможное значение—1,0, т. е. их реализация не влечет за собой изменения габаритных размеров исходной конфигурации модернизируемого узла станка, а для выполнения основных функциональных узлов ВСТД (ЧЭ, ПНП) не требуется дополнительных деталей. Значения коэффициентов для ВСТД, построенных по схеме I, приведены в табл. 3.1. Для ВСТД построенных по схемам IIа и IIб, расчетные значения всех коэффициентов сведены в табл. 3.2 и 3.3

Таблица 3.1. Характеристики встроенных средств технической диагностики первой группы,

реализованных по схеме 1

База ВСТД	Классификационная группа и эскиз базы	Заменяемая штатная деталь	Коэффициенты
Сборная гайка преобразовательной передачи винт-гайка		Клиновой элемент сборной гайки	0,9	0,7	0,8	1,0	0,83	0,85	0,85	0,8	0,87
Самоцитрирующий зажимный патрон		Кулачок патрона	0,9	0,8	0,8	0,8	0,83	0,8	0,95	0,8	0,87
Резец сборной конструкции		Державка резца	0,9	0,85	0,8	1,0	0,66	0,9	0,85	0,8	0,84
Торцовая фреза с механическим креплением пятигранных твердосплавных пластин		палец	0,9	0,85	0,8	1,0	0,66	0,8	0,85	0,8	0,83
Деталь «упор фиксатора 77300.502.100» револьверной головки ТПК – 125 ВН2		Упор 77300.502.102	0,9	0,85	0,8	1,0	0,66	0,95	0,95	0,8	0,89
			0,90	0,81	0,80	0,96	0,73	0,86	0,89	0,80	0,86

Таблица 3.2. Характеристики встроенных средств технической диагностики второй группы,

реализованных по схеме IIа

База ВСТД	Классификационная группа и эскиз базы	Тип УЭ	Коэффициенты
Винт крепления инструмента в резцедержателе			0,9	1,0	0,3	0,75	0,72	0,83	0,75	0,85	0,85	0,8	0,78
Резцедержатель			0,9	1,0	0,35	0,7	0,76	0,83	0,7	0,87	0,85	0,85	0,78
Центр круглошлифовального станка			0,8	0,75	0,1	0,7	0,76	1,0	0,6	0,8	0,9	0,85	0,73
Шлифовальная бабка			0,9	1,0	0,4	0,65	0,76	0,83	0,7	0,85	0,85	0,85	0,78
			0,88	0,94	0,29	0,70	0,75	0,87	0,69	0,84	0,86	0,84	0,77

Таблица 3.3. Характеристики встроенных средств технической диагностики третьей группы,

реализованных по схеме IIб.

База ВСТД	Классификационная группа и эскиз базы	Тип УЭ	Коэффициенты
Винт, находящийся в контакте с поворотным валом			0,9	0,85	0,7; 0,75	0,7; 0,75	0,9	0,83	0,95	0,9; 0,95	0,85	0,85; 0,8	0,85
Планшайба 77300.502.002 револьверной головки			0,7	0,9	0,25	0,55	0,76	0,7	0,65	0,7	0,9	0,85	0,70
Шайба револьверной головки станка ТПК-125			0,9	1,0	0,7	0,8	0,9	0,83	0,95	0,95	0,85	0,8	0,88
Стол фрезерного станка			0,9	1,0	0,75	0,8	0,9	0,83	0,9	0,95	0,85	0,8	0,78
Центр токарного станка			0,9	1,0	0,75; 0,7	0,8	0,9	1,0	0,85	0,9; 0,95	0,9	0,85	0,89
			0,86	0,95	0,63	0,73	0,87	0,84	0,86	0,88	0,87	0,83	0,82

Таблица 3.4. Встроенные средства технической диагностики с фотоэлектрическим принципом преобразования

Группа ВСТД	Конструктивное оборудование	Схема работы	Техническая характеристика
			Свободный ход, мм	Рабочий участок, мм	Измерительное усиление, Н	Габаритные размеры, мм	Присоединительный размер, мм
1011110 (I-вставка; II – накладный элемент)			I: 1,0 II: 0,8	0,5 0,5	0,65 1,5	7х8х20 15х25	- М8
1011110 (малогабаритная вставка)			0,5	0,3	0,5	5х7,5х12	-
1011011 (на базе винта крепления)			0,4	0,12	1,7	20х65	М16
1011010 (на базе рычажно-зубчатой измерительной головки)			-	1,0 0,01	1,2	45х43х107	Диаметр 8h7

Для анализа рассчитаны средние значения коэффициентов: - для каждого i-гo анализируемого ВСТД; - для каждой выделенной группы; - для отдельного ВСТД внутри одной группы. Расчет произведен по формулам:

где i - индекс анализируемого ВСТД; j - индекс используемого для анализа коэффициента; k_j - составляющие коэффициенты, взятые для анализа каждого i-гo ВСТД; n - число j-х составляющих коэффициентов; m - число ВСТД, объединенных в отдельную группу.

Очевидно, что наилучшими эксплуатационно-техническими характеристиками обладают как отдельное ВСТД, так и группа ВСТД в целом, имеющие наибольшие средние значения соответствующих коэффициентов. Для рассмотренных ВСТД это группа, построенная по схеме I, у которой имеет наибольшее значение. Вместе с тем из двух других групп ВСТД, уступающих первой по совокупности оцениваемых характеристик, более предпочтительной является группа ВСТД, построенная по схеме IIб, в которой ЧЭ и ПНП объединены. Средние значения коэффициентов для отдельных ВСТД этой группы, например ВСТД на базе размещенной на поворотном валу револьверной головки с ПНП в виде шайбы (см. рис. 2.5) и ВСТД на базе центра токарного станка (см. рис. 3.4), превышают средние значения аналогичных коэффициентов ВСТД первой группы.

Преимущества ВСТД первой группы, построенных по схеме I:

1. их реализация не влечет за собой каких-либо изменений исходной конфигурации штатного узла станка ( =1,0), в связи с чем не требуется дополнительных деталей для реализации ЧЭ и ПНП ( =1,0);

2. максимальное соблюдение принципа конструктивного подобия и рационального размещения составляющих элементов, а также принципа модульности и взаимозаменяемости

(коэффициенты и имеют наибольшие значения);

3. расширение функциональных возможностей (коэффициент имеет наибольшее значение);

4. для их реализации требуется наименьшее количество материалов со специальными свойствами (только для изготов­ления ПНП).

Вместе с тем ВСТД данной группы имеют по сравнению с ВСТД второй и третьей групп, построенных по схемам IIа и IIб, сравнительно высокую трудоемкость дополнительной механической обработки и сборки, что вызвано частичной модернизацией штатных узлов станка (разборкой базового узла, изготовлением новых деталей, монтажом и отладкой модернизированного узла). Низка и инвариантность ВСТД данной группы. Объясняется это тем, что в некоторых случаях ВСТД выполняется применительно к конкретному узлу одного типа станков, например ВСТД на базе детали «упор» (см, рис. 2.5) может быть реализовано лишь применительно к конструкции револьверной головки токарного станка модели ТПК-125 ВН2. Кроме того, часть ВСТД этой группы выполнены на базе конструкций инструментов, обладающих инвариантностью по отношению к обрабатываемым деталям и лишь частично по отношению к станкам отдельных технологических групп.

Поскольку детали узлов станка, вместо которых устанавливаются ВСТД первой группы, не поддаются унификации, значение коэффициента также невелико. Например, деталь «палец» торцовой фрезы, на базе которой реализовано ВСТД, присутствует только в торцовых фрезах с механическим креплением пятигранных твердосплавных пластин, изготовленных по ТУ 2-035-877—82. В огромном многообразии аналогичных по назначению фрез с механическим креплением режущих пластин применяются другие виды креплений. В конструкциях ВСТД первой группы стандартными элементами являются лишь ПЭП - тензорезисторы.

Вполне приемлемой совокупностью эксплуатационно-технических характеристик обладают ВСТД третьей группы, построенные по схеме 116. Хотя по сравнению с ВСТД первой группы значения коэффициентов здесь несколько меньше, в целом среднее значение коэффициента к_гр для данной группы достаточно высоко, а отдельные принципы построения ВСТД соблюдены или в равной мере (например, принцип модульности и взаимозаменяемости конструкции), или даже в более полной мере, чем в ВСТД первой группы (например, принцип инвариантности конструкции). Важно также, что они реализуются с меньшей трудоемкостью в части дополнительной механической обработки и сборки, а более полное применение в конструкциях стандартных комплектующих элементов делает их наряду с ВСТД первой группы предпочтительными к применению.

Некоторые ВСТД этих групп обладают оригинальностью конструкции. Так, ВСТД первой группы на базе преобразовательной передачи винт — гайка (см. рис. 3.3) и ВСТД третьей группы на базе винта, находящегося в контакте с поворотным валом револьверной головки (см. рис. 2.5), защищены а. с. 1388194 и 1414505 (СССР).

В ВСТД второй группы, построенных по схеме Па, вполне хорошо соблюдены основные принципы построения, однако их реализация сопряжена со значительной трудоемкостью в части дополнительной механической обработки. Для изготовления их составных элементов необходимы сложные технологические процессы. Например, для реализации ВСТД на базе центра шлифовального станка (см. рис. 3.7) необходимо 18 дополнительных операций механической обработки, ВСТД на базе винта крепления инструмента в резцедержателе станка (см. рис. 3.3) — 14 операций.

Таким образом, анализ показал, что наилучшей совокупностью эксплуатационно-технических характеристик, оцениваемых предложенными коэффициентами, обладают ВСТД первой и третьей групп, построенных по схемам 1 и 26 (см. табл. 3.1 и 3.3).