Машине алатке М. Подсетник за тему АН-6.

Transcript

1 AH-6 Програмске целине за лакше дефинисање програма предмета Машине алатке М: MA1 Сага о машинама алаткама и технолошким системима; МА Конфигурисање машина алатки; МА3 Механизми машина алатки; МА4 Погони и преносници машина алатки; МА5 Управљање машина алатки; МА6 Програмирање машина алатки; МА7 Опрема машина алатки; МА8 Темељи и ослонци машина алатки; МА9 Испитивање машина алатки; МА10 Варијетети машина алатки; МА11 Ресурси за развој машина алатки; МА1 Технолошка платформа за машине алатке. Студенту ће на крају овог курса остати стечено знање и елаборат са подсетником шта је још могао научити. Машине алатке М. Подсетник за тему АН-6. Универзитет у Београду Машински факултет Мастер студије Катедра за производно машинство ИСПИТИВАЊЕ МАШИНА АЛАТКИ И ОБРАДНИХ СИСТЕМА Ова тема је из домена целине MA9 Испитивање машина алатки Подршка за ову активност су: Предмет: Машине алатке M Статус предмета: Изборни, Професор: Милош Главоњић АT-6: Предавање новог градива. АР-5: Разрада теме АН-6, Примери комплета процедура за испитивање машина алатки. Допунски материјал са сајта предмета и самостално прибављена литература. За показивање стеченог знања и стицање поена за то знање за ову тему користе се: Поени стечени на трећем тесту, ЗТ-3, који се односи на теме АН-5 и АН-6, највише 6 поена. НА6.0 ПРЕДГОВОР У досадашњем току овог курса стекли су се услови да се направи рекапитулација досадашњих тема и да се отвори једна нова група тема. План је следећи: Да се завршно размотри појам виртуелних машина алатки и обрадних система, па и сами нови методи конфигурисања машина алатки. Том приликом треба показати примере елементарних идентификација у току комплетирања једне виртуелне машине алатке, па и било каквог другог њеног модела. Да се покрене обиман лабораторијски рад, који ће се одвијати кроз четири лабораторијске вежбе и кроз експерименте у оквиру свих семинарских радова понаособ. Основна тема лабораторијских вежби јесте испитивање машина алатки, па и обрадних система. Ова тема је наставак сличне теме из курса Машине алатке на основним академским студијама. Уз програмирање припада класичној области експлоатације машина алатки. Полази се од основне класификације испитивања машина алатки на непосредно и на посредно мерење показатеља квалитета машине и обрадног система. Од феномена се посебно анализирају: статичка крутост обрадног система, термичка активност машине алатке, тачност позиционирања и тачност интерполације. Концизно се описују процедуре испитивања статичке крутости обрадног система, испитивања тачности стругова, испитивања радне тачности нумерички управљаних глодалица и теста кружне интерполације, ради најаве лабораторијских вежби, на којима ће се те процедуре увежбавати. Описују се и одабране комбиноване процедуре испитивања обрадног система, које су прилагођене школским условима и лабораторијском испитивању, а засноване су на одабраним стандардима за испитивање машина алатки. Овај посао је обиман, не раде га појединци, не може се почети и у једном покушају завршити, а по својој структури је мултидисциплинаран. Не може се ни цео урађени део, у расположивом времену, описати и/или приказати. Овом темом се само саставља подсетник о разним методима испитивања и/или надзора и/или оптимизације и/или какве друге комбиноване процедуре за подршку контролисаном и одрживом развоју машина алатки. Подршка за ову наставну јединицу су: АT-6: Предавање новог градива. АР-5 Разрада теме АН-6: Примери комплета процедура за испитивање машина алатки. AH-6: Пратећи писани материјал који је припремљен тачно за ову тему, ha6_m.pdf. Допунски материјал са сајта предмета и самостално прибављена литература. ПЛ-1 до ПЛ-8: Све четири лабораторијске вежбе са пратећим припремама. За показивање стеченог знања и стицање поена за то знање користе се: ЗТ-3 Трећи тест: За теме АН-5 и АН-6. ПС: Део семинарског рада који се односи на ову тему. Овај документ садржи: План рада у радној недељи VIII. Подсетник за питање број 9 за усмени испит: Историја испитивања машина алатки и обрадних система. На основу овог подсетника, разраде овог градива и самостално прибављене литературе треба саставити сопствени концепт одговора на ово питање. Подсетник за питање број 10 за усмени испит: Један пример процедуре за испитивање машина алатки и обрадних система. На основу овог подсетника, разраде овог градива и самостално прибављене литературе треба саставити сопствени концепт одговора на ово питање. Додатак, у којем су дати осврт на неколико старих докумената о испитивању машина алатки, на примеру два стара стандарда и списак најважније коришћене литературе. Овај документ је компактан и намењен је за школске потребе. Његово тумачење ваља почети тек када се има довољно времена. Најбоље је то чинити уз помоћ инструктора и у целом окружењу припремљеном за предмет Машине алатке. У Београду, децембра 010. године ha6_m.doc. Страна број 1. Укупно страна: 10.

2 НА6.1 ПЛАН РАДА Машине алатке М. Подсетник за тему АН-6. У радној недељи VIII радиће се како је показано на S6.1. Елементи тог плана су следећи: S6.1 План рада за радну недељу VIII У предавању новог градива обрађују се две теме из којих долазе два питања на усменом испиту. То су питања 9. и 10. Предавање новог градива (АН-6), изводиће се двојако. Овај подсетник ће се користити за све моделе, слике и приказе резултата, а на табли ће се вршити потребна израчунавања и објашњавања. Због тога овај подсетник треба имати на свим часовима у овој радној недељи. Разрада теме АН-6 (АР-5) такође ће се одвијати на табли, а овај подсетник ће се користити за слике и моделе, да се не цртају поново, да би посао био ефикаснији. На петом часу ће бити аудиторна вежба (ПА-). На њој ће бити уведене све четири лабораторијске вежбе и утврђен план експеримента за све семинарске радове. НА6. ИСТОРИЈА ИСПИТИВАЊА МАШИНА АЛАТКИ И ОБРАДНИХ СИСТЕМА Ово је истовремено и тема питања број 9. Овде ће бити дефинисано испитивање машина алатки и обрадних система, прокоментарисана једна класификација испитивања, а онда дат један осврт на историју тог испитивања, са освртом на на комплексна испитивања. Описна дефиниција испитивања машина алатки и обрадних система. Испитивање машине алатке и/или обрадног система је процедура идентификације њихових карактеристика и констаната, које се користе за оцену квалитета, граница перформанси, праћење стања, оптимизацију, погодности за умрежавање са другим технолошким ресурсима и сличне квалификације машина алатки и обрадних система. Најбоље је да процедура испитивања буде типа стандарда. Тада обично има формално прописане: предмет мерења, мерна средства, дозвољена одступања и формат извештаја о испитивању. У додатку су илустровани ти почеци стандардизације испитивања, заједно са дозвољеним одступањима, као најважнијом ставком таквих стандарда. Они су се усавршавали упоредо са усавршавањем машина алатки. Упоредо је на S6. показано и како су се усавршавала и мерна средства, која су такође предмет стандарда. Још увек се подразумева испитивање машина алатки само на Земљи, у пољу њене гравитације. Зато се у сваком од тих испитивања може прописати и некаква нивелација машине. Како је само испитивање, као и друга мерења, нека врста поређења са одабраним еталоном, тако и нивелација треба да има еталон, односно, мерно средство са њим. У пољу гравитације то могу бити ниво течности мале површине, либела и клатно, S6.. Нивелација са S6.а) предложена је пре увођења првих стандарда за испитивање машина алатки. Сада се може посматрати само као илустрација. Нивелација са S6.b) користи клатно и кондензатор. Актуелна је и данас. У коментару овог одељка биће поменута светлост као еталон, односно, ласер. a) Једно класично нивелисање машине b) Нивелисање машине без помоћи течности Легенда уз скицу а): P Постоље машине; N Носач мерног средства; KP Контролисани правац; M Микроскоп; T Течност; F Фокус жижа; S Светлосни сноп. Легенда уз скицу b): 1 Излазни сигнал напон; Кондензаторска плоча као клатно; 3 Диференцијални кондензатор; 4 Двофазно напајање сигналима са помереном фазом од π /. S6. Примери мерних средстава за нивелисање машине [1],[] ha6_m.doc. Страна број. Укупно страна: 10.

3 Класификација испитивања. Једна класификација испитивања машина алатки и обрадних система показана је на S6.3. Сва испитивања су разврстана у групе, G1 и G. За потребе овог курса интересантна је група G. У њој су испитивања, која су резултат дугогодишњег рада више међународних, или националних институција. Комплексна су по свом садржају и обиму. Разврстана су у два нивоа. У првом нивоу је разврставање извршено по центрима у којима су формирана та комплексна испитивања. Наведени су најпознатији центри: за стандардизацију (ISO, DIN, NAS, JIS) струковна удружења (ASME, VDI, NCG), истраживачке инстутуције (UMIST, IAMA, ENIMS) и други. На другом нивоу су назнаке могућих намена тих испитивања: VMA (виртуелна машина алатка), VOS (виртуелни обрадни систем), AdUMA (адаптивно управљана машина алатка), KAL, KOM (калибрација, компензација), KON (активна контрола). Један део ове теме односи се на испитивања за потребе прављења VMA, илиvos, а други део овога ће бити разрађен у лабораторијским вежбама. S6.3 Једна комбинована класификација испитивања машина алатки и обрадних система Осврт на историју испитивања [ ]. По категоријама, постоје следеће категорије испитивања: Утицај на околину (термички утицаји и утицаји вибрација). Перформансе машине (крутост, разни помераји, мирноћа рада вретена). Геометријска тачност (правост, разне угаоне грешке, грешке управности, паралелност). Изотропност радног простора (разне грешке по дијагоналама, грешке контурне обраде). Перформансе процеса (граничне снаге и/или брзине резања, пробе резања итд). Радна тачност (индиректно мерење помоћу пробних делова). Геометрија путања алата (термичке и кинематичке грешке). По појавама појединих стандарда важни су ови датуми [5-9] : Око 1930, први стандарди. Година 1990, серија ISO Година 1991, серија ISO 30. Година 199, ASME B5.54 и B5.57 итд. Још само једна напомена о методима за тест кружне интерполације на нумерички управљаним машинама, S6.4 и S6.5 [3],[4] : Ако се користи стандардни тест, S6.4, може се покрити ограничени део провере изотропности радног простора. Ако се користи ласерски интерферометар, S6.5, онда су могућности неограничене. (1) Пратећи интерферометар; () Лопта као огледало за интерферометар; (3) Термички изолован држач лопте. S6.4 Илустрација домета теста кружне интерполације S6.5 Вишеструко мерење на троосној машини помоћу ласера Коментар. Неко испитивање може бити једнократно, повремено и трајно. Ако је једнократно, онда се њиме обично оцењује квалитет машине по неком стандарду. Ако је повремено, обично се користи за неки надзор. Ако је трајно, онда је обично укључено у управљање машине итд. [ ] R.G. Wilhelm, N. Srinivasan, F. Farabaugh, A Comparison of International Standards for Performance Testing of Machining Centers, Presented at the 1 st International Machining and Grinding Conference, SME, Sept ha6_m.doc. Страна број 3. Укупно страна: 10.

4 НА6.3 ЈЕДАН ПРИМЕР ПРОЦЕДУРЕ ЗА ИСПИТИВАЊЕ МАШИНА АЛАТКИ И ОБРАДНИХ СИСТЕМА Ово је истовремено и тема питања број 10. Одабрана је процедура конципирања и састављања виртуелног обрадног система на примеру система за обраду глодањем. Модел је показан на S6.6а), какав је постављен у АН-3. Нека је одабрана хоризонтална глодалица, као на S6.6b), чији модел треба да буде коришћен као модел машине на S6.6а). Сматра се да ће глодалица бити испитана процедуром модалне анализе и да ће се добити динамичке константе глодалице, које су потребне за састављање виртуелног модела. За интерпретацију овог испитивања користиће се скице S6.6с) и S6.6d). У оквиру AР-5 описаће се и динамичко енергетски биланс. На АН-6 и АР-5 ће се урадити: Кратак приказ модалне анализе, са посебним освртом на класичну и модерну верзију и на уобичајене врсте побуде ( FX = F, S6.6с)). Кратак приказ експерименталне и рачунске модалне анализе, са посебним освртом на рачунску и на матрицу попустљивости машинског подсистема, по моделу на S6.6b). Поставка комплетне рачунске идентификације једне директне попустљивости, по моделу са S6.6с), који се посматра и као модел машине који је побуђен у једном (координатном) правцу. Опис процедуре идентификације модалних параметара помоћу карактеристике показане на S6.6d) и њене прецизније дефиниције, за одабране динамичке константе модела, која је показана на S6.7. Редуковање идентификације на једноставнији модел: са једним степеном слободе, са пригушењем и са периодичном побудом. Карактеристика таквог модела је показана на S6.8. Односи се на модел, који би се добио од модела са S6.6с), када би се маса m везала за постоље преко опруге k и пригушника b. Такво упрошћење ипак задржава део потпуног модела, па се тако може оценити колики је степен спрезања ова два степена слободе у комплетном моделу. Комплетирање идентификације модалних параметара овог система са једним степеном слободе, уз помоћ серије слика S6.9 до S6.1. Користиће се класична процедура за периодичну побуду. a) Упрошћени модел обрадног система из АН-3 b) Један план испитивања машине алатке Опис модела: Трење је искључено. То је назначено ваљцима који носе покретне масе. Пригушење је вискозно. Побуда је хармонијска, ударна, или нека друга. c) Модел машине који може да се користи за интерпретацију рачунске модалне анализе носеће структуре машине алатке d) Амплитуда помераја масе m за F = F cos( Ωt) 0 S6.6 Поставка задатка за састављање једног модела машине у виртуелном обрадном систему ha6_m.doc. Страна број 4. Укупно страна: 10.

5 Овде су дате само карактеристичне једнакости које ће се користити за време АН-6 и АР-5. Уређене су у групе сличних и пописане у таблицама. У Т6.1 су једнакости које су у вези са интерпретацијама понашања модела са S6.6b). У Т6. су диференцијалне једначине кретања модела, показаног на S6.6с) и део процедуре решавања тог система. У Т6.3 су једнакости у вези са цртањем амплитудне карактеристике модела са S6.6с). Потребна је да би се на њој показао бројни пример класичне модалне анализе. У Т6.4 пописани су делови рачуна за модел са једним степеном слободе. T6.1 Једнакости о побуђивању машине Крутости, попустљивости Силе и помераји Матрица крутости Матрица попустљивости Fi 1 Kij = ; C ij = Fx δ x Kxx Kxy K xz Cxx Cxy C xz δ j K ij { F} = Fy ; { δ} = δ y [ K] = Kyx Kyy Kyz [ C] = Cyx Cyy Cyz [ K]{ δ } = { F} ; [ C]{ F} = { δ } F z δ z Kzx Kzy K zz Czx Czy C zz Т6. Описивање модела са S6.6с) Диференцијалне једначине Матрице mx 1 1+ ( b1+ b) x 1 bx + ( k1+ k) x1 kx= 0 m [ ] 1 0 b1 + b b k1 + k k M = mx 0 m bx 1+ bx ; [ B] = kx 1+ kx = F() t b b ; [ K ] = k k Вектори и помоћне матрице x1 x 1 x 1 { x} = ; { x } = ; { x { x } { x } 0 } = x x ; { y} = x ; { y } = ; { F} = { x} { x } F ; { } {} 0 ; {} 0 Z = 0 = { F} 0 Диференцијалне једначине кретања по Данкану Матрице за Данканов облик [ M]{ x } [ M]{ x } { 0} ; [ M]{ x } + [ B]{ x } + [ K]{ x} = { 0} [ 0] [ M] [ M] [ 0] [ A ] t [ A0]{ y } + [ B0]{ y} = { Z} ; { y} = { Y} e λ ; { y } = λ{ Y} e λt 0 = ; [ B0 ] = = λ{ y } [ M] [ B] [ 0] [ K ] Поставка проблема сопствених вредности за Данканов облик λ [ A ]{ Y} + [ B ]{ Y} = ; [ B ]{ Y} = λ [ A ]{ Y} ;{ Y} { λy λy Y Y } ; = Y = N T Т6.3 Подаци за цртање амплитудно фреквентне карактеристике модела са S6.6с) Задата побуда Oдабрани облици решења диференцијалних једначина из Т6. x1 = A1cosΩ t + B1sinΩt ; x 1 = ΩA1sinΩ t + ΩB1cosΩt ; x 1 = Ω A1cosΩt Ω B1sinΩt F() t = F0cosΩ t x = AcosΩ t + BsinΩt ; x = ΩAsinΩ t + ΩBcosΩt ; x = Ω AcosΩt Ω BsinΩt Рачун за цртање карактеристике масе m Резултати за законе кретања маса m1 и m ( m1ω + k1 + k) A1 + ( b1 + b) ΩB1 ka bω B = 0 За даљи рачун потребна је само амплитуда N. ( b1 + b) Ω A1 + ( m1ω + k1 + k) B1 + bωa kb = 0 x = Acos Ω t + BsinΩ t = Ncos( Ωt α1) ka 1 bω B1 + ( mω + k) A + bω B = F N = A + B N ( Ω ); N = A + B N ( Ω ) bωa1 kb1 bω A + ( mω + k) B = 0 x1 = A1cosΩ t + B1sinΩ t = N1cos( Ωt α1) ; Једначине кретања обе масе модела x1 = A1cosΩ t + B1sinΩ t = N1cos Ω tcosα1 + N1sin Ω tsinα1 = N1cos( Ωt α 1) ; наведено за илустрацију. x = A cosω t + B sinω t = N cosω tcosα + N sinω tsinα = N cos( Ωt α ) ; користи се само. Т6.4 Део класичне модалне анализе пригушеног модела са једним степеном слободе Решавање диференцијалне једначине пригушеног принудног осциловања са периодичном побудом k b ( ω mx + bx 0 Ω )F0 + kx = F0cos( Ωt θ0) ; xp = D1cosθ + Dsinθ ; θ = Ωt θ0 ; ω 0 = ; ς = ; D1 = m km S ζω0ωf0 Ω ( ω0 Ω ) F0 D = ; S= m(( ω0 Ω ) + 4 ζ ω0 ); D1 = S m(( ω0 Ω ) + 4 ζ ω0 Ω ) ; D1 = Ncosα ; D = Nsinα F0 xp = Ncos( Ωt β ) ; β = θ0 + α ; N = N( Ω ) = D1 + D =, S6.8. На основу m ( ω0 Ω ) + 4ζ ω0 Ω F0 F0 података са S6.9 и S6.10: N 0 N = st N( Ω = 0) = mω = 0 k ; F0 F0 st N r N( Ω = ω0 ) = N ζmω = 0 ζk = ζ F0 F0 Nm N( Ω = Ω m) = =. На S6.8 до 6.11 може се очитати само она. ζ mω0 1 ζ ζk 1 ζ Примедба: Остали резултати су на S6.11 (за коефицијент пригушења ζ ) и на S6.1 (завршни резултати). N ha6_m.doc. Страна број 5. Укупно страна: 10.

6 S6.7 Амплитудно фреквентна карактеристика анализираног система са два степена слободе осциловања, означеног као систем S S6.8 Амплитудно фреквентна карактеристика анализираног система са једним степеном слободе осциловања, означеног као систем S1 ha6_m.doc. Страна број 6. Укупно страна: 10.

7 S6.9 План припрема амплитудно фреквентне карактеристике система S1 за класичну процедуру модалне анализе S6.10 Потребни подаци о амплитудно фреквентној карактеристици система S1 за класичну процедуру модалне анализе ( ΔΩ =Ωb Ω a; Ωm Ω r = ω0 ) ha6_m.doc. Страна број 7. Укупно страна: 10.

8 S6.11 Припрема амплитудно фреквентне карактеристике система S1 за идентификацију бездимензионог коефицијента пригушења S6.1 Припрема амплитудно фреквентне карактеристике система S1 за идентификацију остали модалних параметара: обе крутости, масе и коефицијента пригушења ha6_m.doc. Страна број 8. Укупно страна: 10.

9 НА6.4 ДОДАТАК Машине алатке М. Подсетник за тему АН-6. Овде је прво показано како су стандарди некада изгледали, па и машине алатке, за чије испитивање су се користили, а онда је дат и списак најважније коришћене литературе. Примери старих стандарда. То су стандарди стари око 80 година. По својој природи су намењени за појединачна испитивања одабраних машина алатки. Истовремено су и добар пример једне давне систематизације знања о машинама алаткама ван средина у којима су те машине прављене. Данас се већ може говорити о целовитом мултидисциплинарном учењу о машинама алаткама у разним срединама: индустријским, развојним, академским и њима сличним, са адекватно формализованим и уграђеним и свим досадашњим знањима о машинама алаткама, процесима, управљању, прављењу... S6.13 Прва илустрација једног старог стандарда: Стандард за испитивање стругова. (G. Schlesinger, Pruefbuch fuer werkzeugmaschinen (die arbeitsgenauigkeit der werkzeugmaschinen),. erweiterte aufl., Berlin, J. Springer, 1931)). ha6_m.doc. Страна број 9. Укупно страна: 10.

10 S6.14 Друга илустрација једног старог стандарда: Стандард за испитивање рендисаљки. Списак најважније коришћене литературе. Подразумева се и залагање на лабораторијским вежбама! [1] G.W. Burley, The Testing of Machine Tools, The Broadway Series of Engineering Handbooks, Volume XVIII, Scott, Greenwood & Son, [] M. Weck, C. Brecher, Werkzeugmaschinen 5, Messtechnische Untersuchung und Beurteilung, dynamische Stabilitaet, Springer, 006, ISBN [3] NN, Performance measurement and calibration systems, ML10 Gold standard laser, QC10 Ballbar system, MCG Machine checking gauge, Renishaw, [4] H. Schwenke, W. Knapp, H. Haitjema, A. Weckenmann, R. Schmitt, F. Delbressine, Geometric error measurement and compensation of machines An update, CIRP Annals Manufacturing Technology, 57(008) [5] M. Weck, K. Teipel, Dynamisches Verhalten spanender Werkzeugmaschinen, Springer, 1977, ISBN [6] Први стандард ASME: ASME B , Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers, An American Standard, The American Society of Mechanical Engineers, New York, Други стандард ASME: ASME B , Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Lathes and Turning Centers, An American Standard, The American Society of Mechanical Engineers, New York, 000. [7] Серија стандарда NAS (National Aerospace Standard, Aerospace Industries Assiciation of America, Inc, Washington D.C.). Неки од њих су: NAS Milling Machine Numerically Controlled Skin/Profile; NAS Milling Machine Numerically Controlled Profiling and Contouring; NAS Uniform Cutting Tests NAS Series Metal Cutting Equipment Specifications и NAS Uniform Alignment Tests NAS 900 Series Equipment Specifications. [8] Серија стандарда ISO (The International Organization for Standardization). Карактеристичне су три групе ових стандарда. Прва група је: ISO 30 Test Code for Machine tools, Part 1 Part 9. На лабораторијским вежбама ће се користити Part 4: Circular tests for numerically controlled machine tools. Друга група је: ISO Test conditions for machining centres, Part 1 Part 11. На лабораторијски вежбама ће се користити Part 7: Accuracy of a finished test piece. Трећа група је: ISO Test conditions for numerically controlled turning machines and turning centres, Part 1 Part 8. [9] Серија препорука VDI (Verein Deutscher Ingenieure, Duesseldorf). За сада је активнe препорукe VDI 3441, VDI 344, VDI 3443, VDI 3444 и VDI На лабораторијским вежбама коришћене су препоруке VDI 3441 и VDI Statistische Pruefung der Arbeitsgenauigkeit von Drehmaschinen. [10] Остало: О дигиталној обради сигнала, модалној анализи, теорији осцилација, компензацијама итд. ha6_m.doc. Страна број 10. Укупно страна: 10.