Wykorzystano model prowadnic hydrostatycznych zamkniętych o stałym ciśnieniu zasilania. Podano zależności określające ich nośność i sztywność z uwzględnieniem działania dowolnego przestrzennego układu sił. Rezultaty teoretyczne porównano z wynikami badań i przedstawiono w postaci wykresów. Na podstawie badań określono wpływ przemieszczeń prowadnic na dokładność wymiarowo-kształtową obrabianego przedmiotu.
EN
An author used a model of closed hydrostatic slideways with a constant supply pressure. There are presented formulas for a load capacity and stiffness under any spatial forces. Comparison results between laboratory and numerical experiments are presented. The influence of displacement in hydrostatic slideways on dimensional-shape precision of machined parts was determined.
Wykazano, że rozdrabnianie wiórów tworzących się podczas skrawania na OSN jest bardziej kłopotliwe jak na innych obrabiarkach. Dokonano krytycznego przeglądu stosowanych sposobów wpływania na kształt wióra z punktu widzenia ich przydatności w sterowanym numerycznie toczeniu. Spośród możliwych do zastosowania metod łamania wióra zaproponowano dla tokarek SN wymuszone drgania narzędzia w kierunku osiowym. Opisano budowę przyrządu zapewniającego nadążną regulację okresowo zmiennej grubości warstwy skrawanej.
EN
It was shown that chip breaking is more difficult when numerical controlled machine tools are used in comparison to the other machine tools. The critical review of existing methods of chip control from the viewpoint of usefulness for numerical controlled turning was made. Among considered methods of chip breaking a method of forced vibrations in an axial direction was proposed. Fixture design allowing followed control of periodically varying of uncut chip thickness was presented.
Poniższa praca dotyczy analizy literaturowej wybranych zagadnień związanych z obróbką z dużymi prędkościami (High Speed Machining). W pracy przedstawiono stosowane definicje obróbki HSM, jej zalety oraz zastosowanie. Omówiono systemy obrabiarkowe stosowane w obróbce HSM. Przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne elektrowrzecion oraz napędów ruchu posuwowego. Zwrócono uwagę na problemy konstrukcyjne występujące w prezentowanych rozwiązaniach. Zaprezentowano wykorzystanie metod symulacyjnych do badań wybranych zespołów obrabiarek.
EN
This paper describes the literature revision of selected problems of Hogh Speed Machining. The definition, advantages and applications were presented in this paper. The machining sytsem, which are used in HSM were described. The design solutions of electrospindle and power transmission of feed drive were presented. The emphasis was put on the design problems in presented solutions. The use of simulation method for the selected machining researches was presented.
Niniejsza monografia stanowi podsumowanie wieloletnich, kompleksowych prac naukowo-badawczych, prowadzonych w Instytucie Technologii Mechanicznej przy współudziale autora oraz w Katedrze Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Szczecińskiej, w zakresie identyfikacji parametrów modeli układów masowo-dyssypacyjno-sprężystych maszyn na przykładzie obrabiarek skrawających do metali. Uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić, że postawiony na początku pracy cel został w całości osiągnięty. Opracowywana od wielu lat w ITM PS metodyka budowy modeli dynamicznych układów nośnych obrabiarek w konwencji metody SES uzupełnionej o opcję modelowania prowadnic została w sposób istotny rozwinięta i uzupełniona przez wprowadzenie algorytmu identyfikacji parametrów elementów sprężysto-tłumiących tych modeli. Metodyka identyfikacji parametrów została praktycznie zweryfikowana. Uzyskane wyniki pozwalają na stwierdzenie, że może ona stanowić efektywne narzędzie doskonalenia modeli układów MDS obrabiarek. Przeprowadzone badania wykazały, że zidentyfikowany model obrabiarki pozwala w istotny sposób ograniczyć badania doświadczalne rzeczywistej struktury do niezbędnego minimum i zastąpić je badaniami symulacyjnymi umożliwiającymi śledzenie zachowania się maszyny w dowolnych, nawet skrajnych warunkach obciążeń dynamicznych. Model taki daje więc możliwość prognozowania zachowania się obrabiarki również w warunkach takich obciążeń, które w rzeczywistej maszynie mogłyby prowadzić do przedwczesnego zużywania się jej podzespołów, a nawet do ich gwałtownego uszkodzenia lub też do niszczenia narzędzi skrawających. Koszty utworzenia takiego modelu, a więc również i nakłady czasu na jego identyfikację, weryfikację i walidację, dla różnych struktur MDS obrabiarki wynikających z różnorodnych konfiguracji elementów korpusowych i różnorodnych warunków obróbki, nie mogą być jednak zbyt duże, gdyż praktyczna przydatność metody identyfikacji zależy nie tylko od jej niezawodności i dokładności, ale również od szybkości uzyskiwania wyników. Opracowana metoda warunki te spełnia. Co prawda przygotowanie danych niezbędnych do utworzenia modelu struktury MDS obrabiarki jest dość pracochłonne, jednak czas identyfikacji jego parametrów, przy braku błędów strukturalnych, jest stosunkowo krótki. Mieści się on w granicach od kilku do kilkudziesięciu minut w zależności od możliwości komputera, na którym prowadzone są obliczenia, i od stopnia złożoności modelu. Uzyskane wyniki stanowią jednocześnie dowód, że przyjęta koncepcja budowy modeli układów nośnych obrabiarek w konwencji metody sztywnych elementów skończonych, uzupełnionej o opcję modelowania prowadnic, jest właściwa. Dzięki niej w tworzonym modelu zostaje zachowana struktura geometryczna rzeczywistej maszyny, a poszczególne jego parametry zostają ściśle związane albo z konkretnymi parami powierzchni tworzącymi styk prowadnica-prowadnik, albo też z określoną obrotnicą, śrubą pociągową, czy też z danym wibroizolatorem. Wyniki obliczeń identyfikacyjnych można więc przenieść wprost na obiekt rzeczywisty, a interpretacja wyników badań symulacyjnych jest prosta i jednoznaczna. Wykorzystując opracowaną metodę można znaleźć nie tylko grupy połączeń prowadnicowych, ale również pojedyncze pary powierzchni tworzących styk prowadnica-prowadnik, które wywierają dominujący wpływ na drgania bezwzględne poszczególnych brył układu nośnego obrabiarki, a także na drgania względne w punkcie styku narzędzia z przedmiotem obrabianym. Analiza symulacyjna wpływu zmian parametrów charakteryzujących te styki - takich jak współczynniki sztywności normalnej i stycznej oraz współczynniki rozproszenia energii drgań w kierunku normalnym i stycznym - na wyżej wymienione charakterystyki umożliwia lokalizację tzw. słabych ogniw w układzie nośnym obrabiarki, co z kolei ułatwia jej optymalizację z punktu widzenia wibrostabilności i minimalizacji drgań względnych narzędzie-przedmiot obrabiany. Coraz większe możliwości nowoczesnych komputerów, zarówno pod względem ich szybkości, jak i pamięci, umożliwiają systematyczne łagodzenie ograniczeń narzuconych w programie IDENT, dotyczących liczby charakterystyk doświadczalnych, jak i liczby punktów z tych charakterystyk, na podstawie których identyfikacja może być prowadzona. Ma to ogromny wpływ na efektywność identyfikacji, zarówno ze względu na zbieżność procedur iteracyjnych, jak i jednoznaczność rozwiązania i dokładność uzyskiwanych wyników, a także znacznie ułatwia przygotowanie zbiorów danych, co jest nie bez znaczenia dla użytkownika oprogramowania. Przed przystąpieniem do badań identyfikacyjnych, a w dalszej kolejności do badań symulacyjnych, należy jednak zawsze mieć na uwadze fakt, że możliwości obliczeniowe opracowanych procedur, jak i stosowanych komputerów są ograniczone. Główne ograniczenia wynikają z przyjętej metody budowy modeli badanych obiektów, tj. metody sztywnych elementów skończonych, która - mimo wielu zalet wynikających ze swojej prostoty - ma jednak również i wady. W przypadku stosowania do budowy modeli układów nośnych jej podstawową wadą jest niemożliwość bezpośredniego uwzględnienia w tworzonym modelu podatności własnej elementów, z których składa się konstrukcja nośna rzeczywistej obrabiarki. W efekcie identyfikowane parametry elementów sprężysto-tłumiących modelu muszą obejmować nie tylko dane połączenie, ale również "udział" odkształceń własnych łączonych brył. Są to więc zawsze parametry zastępcze.
EN
This monograph is the summarization of many years', complex research and development works that have been carried out in the Institute of Manufacturing Engineering of Technical University of Szczecin with the author's participation and in the Mechanical Engineering Faculty. The investigations concerns parameters identification of mass spring-dissipative system models of machines, on the example of machine tools. The algorithm of creation the machine tool supporting system dynamic models in the Rigid Finite Element Method convention and identification the parameters of spring-dissipative elements (SDEs) of these models is given. Coefficients of stiffness and damping of slideway joints, lead screws, turntables, rolling blocks and vibration isolators on which the machine is founded can be taken as the decision variables. The results of numerical tests illustrate the possibilities of software package IDENT which has been developed on the basis of this algorithm. The example of application of the elaborated methodology for identification of parameters of real machine tool supporting system is also given. The obtained results, and particularly the very good consistency of the experimentally determined frequency response characteristics (FRC) of particular bodies of tested machine tool supporting system and appropriate FRC of its identified model, as well as a very good consistency of relative vibration characteristics of cutting tool and workpiece (T-W) of the real machine and its model proves, that the adopted idea of developing the machine tool supporting system models in the convention of Rigid Finite Element Method supplemented by the slideway joint modeling option is proper. Thanks to the applied modeling approach the constructed model preserves the geometrical similarity with the real object, and its particular parameters are strictly connected with the definite pairs of surfaces that create given contact joints of slideways, turn-tables, lead screws or given vibration isolators. The obtained results of identification can be then directly related to the constructional parameters of the real object, and the interpretation of simulation test results is simple and univocal. With the use of the elaborated method not only the slideway connection, but also individual pairs of surfaces within that connection that exert predominant effect on the vibration of particular bodies of machine tool supporting system or on relative vibration in the apparent point of contact of tool-workpiece, can be found. The simulation analysis of the influence of changes in these parameters on the FRC makes possible to locate so called weak points in the machine tool supporting system. It is the first indispensable step before its optimization from the point of view of machining process vibrostability and minimization of the tool-workpiece relative vibrations. The conducted investigations have shown that the identified model of the machine tool makes possible to reduce the number of experimental tests of a real machine to absolutely indispensable minimum, and replace them by simulation tests that enable to observe the behavior of this machine at any, even extreme, conditions of the dynamic load. Such a model produces reliable results that can be used for forecasting the machine tool behavior even under such conditions of loads that can, in a real machine, lead to premature wear of its sub-assemblies or even to their rapid damage or to failure of cutting tools. The results of simulation tests and their experimental verification have pointed out that the elaborated methodology of developing machine tools supporting system dynamic models and identification of parameters of these models may be successfully used in the algorithm of the modification of dynamic properties of existed machine tools or prototypes of just designed machines. The successful modification requires the identified model. Only such a model gives the possibility of conducting simulation investigations reflecting with the sufficient accuracy the dynamic processes taking place in the entire machine or in its chosen sub-assembly. The presented methodology is continuously developed and improved. Furthermore the grooving possibilities of modem computers make it possible to systematic softening the restrictions imposed in the program IDENT according to the number of FRC and the number of points from these characteristics on the basis of which the identification is to be carried out. It is significant from the point of view both of iterative procedures convergence and the uniqueness of solution and the accuracy of the obtained results. It also improves, in a great degree the preparation of data sets, which is very important for the software user. Before starting the identification and the simulation tests one should remember, however, that the possibilities of elaborated procedures and computers are limited. The main restrictions are associated with the method of the machine tool model construction, i. e. from the rigid finite element method. This method among many advantages coming out from its simplicity has also some weaknesses. Its principal weakness is the impossibility of direct inclusion into the developed model the compliance of elements that constitute the construction of the real machine. Therefore the identified parameters of the spring dissipative elements of the model must comprise not only the joints but also the part of the compliance of the contacting bodies. In consequence these parameters should always be regarded as the equivalent parameters.
6
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W Krakowie, w dniach 10-12.10.2005 r., odbyły się jedne z największych w Polsce, Międzynarodowe Targi Obrabiarek, Narzędzi i Urządzeń do Obróbki Materiałów "EUROTOOL". Była to dziesiąta edycja imprezy targowej, której początkiem były zorganizowane w 1996 roku krajowe targi KRAKTOOL. W historii krakowskich targów dziesięciokrotnie zwiększyła się zarówno liczba wystawców, jak i powierzchnia ekspozycyjna. Świadczy to o rosnącym zainteresowaniu tematyką targów zarówno wśród wystawców, jak i specjalistów odwiedzających targi. W trakcie tegorocznego EUROTOOL-u oferty przedstawiło ponad 200 krajowych i zagranicznych wystawców reprezentujących około 500 producentów z całego świata.
Considering the environmental impacts of manufacturing systems has become a major topic in the last years. For the case of machine tools, the environmental impact is basically determined by the consumption of electrical energy. The underlying power demand results from an interaction of different components and is not static but rather highly dynamic depending on the operation mode. Hence, as a prerequisite for pursuing the efficient usage of energy in machine tools, it is crucial to understand the power demand and resulting energy consumption. Metering the power demands of machine tools is therefore an essential prerequisite to identify, analyze and evaluate main drivers of electrical energy consumption and derive improvement measures. Against this background, this paper presents practical procedures and tools to meter the power demand and conclude the energy consumption of machine tools as an initial step to improve energy efficiency.
8
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Opracowano elementy metody syntezy strukturalnej i systematyki przestrzennych mechanizmów równoległych. Zaproponowana systematyka jako podstawowe kryterium tworzenia i podziału przyjęta ruchliwość mechanizmu. Pokazano jak problemy selekcji i analiz nowych rozwiązań mogą być przeprowadzone w numerycznych systemach analizy dynamicznej układów wielomasowych.
EN
The method of type synthesis and systematics of the spatial parallel mechanism were worked out in the paper. The main criterion of the systematics was mobility of the mechanism. The examples of catalogues of structures of parallel mechanism were created. The problems of selections and analyses of the new solutions of mechanism in computer dynamic analyses of multibody systems were presented. Some numerical examples were included.
W ramach pracy autor przedstawia wyniki minimalizacji naddatków obróbkowych dla małogabarytowych odlewów żeliwnych wykorzystywanych w budowie obrabiarek. W procesie minimalizacji zastosowano wirtualne modele korpusów obrabiarkowych zaprojektowanych w systemie Pro/Engineer oraz modele rzeczywistych odlewów zeskanowane optycznym systemem pomiarowym. Punktem wyjścia stał się aktualny proces technologiczny, w którym wartość naddatków wynikała z przyjętych baz obróbkowych i była ustalana podczas trasowania odlewów. Wartość naddatków odlewniczych nie jest stała, zależy od dokładności wykonania odlewu i waha się od nominalnie ok. 6mm do 12mm. W procesie optymalizacji założono, że nie ma potrzeby zbierania naddatków nominalnych (ok. 6mm) i można je selektywnie zmniejszyć do min. 2mm (wartość taką przyjęto uwzględniając błąd kształtu odlewu oraz potencjalne rzadzizny). Minimalizację prowadzono modyfikując wartość naddatków obróbkowych w 3 wzajemnie prostopadłych kierunkach. Zmniejszenie naddatków w danym kierunku z jednej strony odlewu pociągało za sobą konieczność zwiększenia naddatków o taką samą wartość po stronie przeciwnej. Poszukiwano takich 3 wartości modyfikacji w 3 kierunkach, aby uzyskać minimalną objętość naddatków. W efekcie prac określono naddatki obróbkowe dla badanych odlewów o ok. 15% mniejsze od aktualnie obrabianych. Modyfikacja procesu technologicznego rozpatrywanych odlewów zaowocuje oszczędnościami zarówno czasu pracy obrabiarek, jak też zużycia narzędzi skrawających. Przedstawione prace badawcze objęte zostały trzema zgłoszeniami patentowymi i prowadzone są w ramach projektu rozwojowego nr N R03 0101 10.
EN
The paper consists of some results of minimization of machining allowances for little scale cast iron bodies used in machine tools manufacturing. There were used 3D models of the bodies designed by means of Pro/Engineer as well as models of real cast irons scanned by means of optical measuring system. Starting point was the actual technology process, in which machining allowances result from the machining datum surfaces and are determined during marking-out. Size of machining allowances is not constant -it depends on the cast iron quality and ranges from nominal app. 6mm up to 12mm. It was assumed that there is no need to machine nominal allowances (app. 6mm) and they can be selectively minimized up to 2mm (2mm results from the cast shape error and cast porosity). Minimization was done by modifying machining allowances in 3 perpendicular direction. Reduction of allowances in particular direction on one side of the cast resulted in magnifying allowances by the same value on the opposite side. The aim was to obtain 3 modification values in 3 direction so that the volume of allowances was minimal. The result of investigation was to obtain machining allowances 15% lesser than the actual applied. Modification of technology of the analysed cast iron bodies will result in savings of machine tools operating time together with cutting tools wear reduction. The presented research involves 2 pending patent applications and is supported by the Ministry of Science and Higher Education due to grant N R03 0101 10.
Współczesne obrabiarki do obróbki szybkościowej HSC (High Speed Cutting) wymagają projektowania nie tylko z uwagi na kryteria wytrzymałościowe, sztywnościowe czy trwałościowe, ale i dynamiczne. Te bowiem kryteria decydują o dokładności wymiarowo-kształtowej przedmiotu wykonanego metodą obróbki skrawaniem. Własności dynamiczne złożonego układu masowo-sprężystego można poprawiać zarówno przez podwyższanie wskaźnikow sztywności statycznej jak i obniżanie masy przesuwnych zespołów. Obie te metody prowadzą do projektowania optymalnych korpusów ze względu na kryterium minimalizacji mas i maksymalizacji sztywności. W Katedrze Budowy Maszyn Politechniki Śląskiej opracowano metodę optymalizacji korpusów obrabiarkowych wykorzystującą połączone ze sobą: analizę metodą elementów skończonych i algorytmy genetyczne. Metodę tę zastosowano do optymalizacji wybranych korpusów nowo projektowanego centrum frezarskiego. Prototyp nowego centrum frezarskiego został wykonany w metalu i poddany eksperymentalnym badaniom weryfikacyjnym. Jednym z nich były badania sztywności statycznej. Wyniki badań pozwoliły na ocenę adekwatności opracowanych modeli korpusów poprzez porownanie wskaźników sztywności statycznej uzyskanych z badań symulacyjnych (MES) i eksperymentalnych. Analiza porównawcza wyników badań symulacyjnych i eksperymentalnych wskazała, że rezultat takich porównań istotnie zależy od wartości liczbowych wskaźników sztywności. Dla tych wskaźników sztywności, dla których mierzone przemieszczenia były na poziomie kilkunastu i więcej �um, zgodność wyników była zadowalająca, tzn. nie różniły się one o więcej niż 10-15%. Natomiast dla pozostałych różnice sięgały 100% i więcej. Bezpośrednim powodem tak znacznych różnic były zbyt duże błędy pomiarów bardzo małych przemieszczeń, na poziomie 1-2 �um. Oznacza to, że weryfikacja modeli numerycznych korpusów o znacznych sztywnościach jest praktycznie trudna do zrealizowania albo wymaga bardzo kosztownego oprzyrządowania (laserowe metody pomiaru małych przemieszczeń).
EN
Modern machine tools for high speed cutting (HSC) have to be designed not only from the point of view of mechanical properties like stiffness, strength or durability but their dynamic properties should also be considered. Dynamics of the machine tool influences shape and dimensional accuracy of workpieces manufactured. Dynamic properties of a complex spring-mass system of a machine tool may be improved by increasing the static stiffness or decreasing the masses of its movable bodies. In the Department of Machine Technology STU an optimization method that uses both the Finite Element Analysis and Genetic Algorithms was worked out. This method was applied for optimization of chosen bodies of a new design of vertical machining centre. The prototype of the machine was built-up and its static properties have been tested. Results of experimental investigation made possible to evaluate the adequacy of the worked up models, simply comparing the coefficients of stiffness obtained from the simulation and experimental investigation. The comparison of results showed that found discrepancies depend much on the value of coefficients of stiffness. If the stiffness coefficients obtained from experiments were not high, it means smaller than 100 - 200 N/um, and if the measured displacements were higher than 10 um, the stiffness coefficients obtained from simulation and from experiments differed less than 10 - 15%. But if the coefficients of stiffness were much higher, for example several thousands of N/um, the difference often reached 100% and more. The main reason of such a difference could be attached to a low accuracy of measurements of very small displacements. Precise measurement in the range of displacements smaller than 1 - 2 um could be really a challenge in the workshop conditions. It means, that the experimental verification of numerical models of highly stiff assemblies is practically very difficult and requires application of laser equipment, which is more sensitive but also much more expensive than classical mechanical touch probes or inductive sensors of displacements.
12
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Wybór materiałów i technologii jest obligowany wymaganiami, postępem oraz kryteriami. Ranga kryteriów ekologicznych powoduje zwrócenie się do procesów produkcyjnych (w calym cyklu wytwarzania) o najmniej szkodliwych dla środowiska oddziaływaniach. Produkt w tracie procesu jego wytwarzania, (od produkcji poprzez eksploatację aż do utylizacji) nie powinien oddziaływać na środowisko degradująco. Optymalizacja winna więc być oparta o ocenę oddzialywania produktu na środowisko na każdym etapie jego życia. Opracowanie dotyczy elementów części maszyn ze stopów Fe-C.
EN
The selection of process engineering is defined by technical requirements, progress and criteria. The rang of ecology criteria motivates the choice of the production process (for all manufacturing life cycle), which will be least harmful to the environment. The final product of all the production process (from the process of production, its usage to utilization) shouldn't contaminate and be adverse to the environment. So, optimization of the production process should be carried out through assessment of its effects on the environment during every single part oj its existence. This paper refers to the process of elements of machines from iron-carbon 's alloys.
W artykule przedstawiono przykłady zastosowań systemów wnioskowania rozmytego do wyznaczenia odkształceń termicznych obrabiarek. Przedstawione systemy zostały skonstruowane na podstawie dwóch problemów, ij. detekcji odkształceń termicznych szlifierki oraz określenia dokładności pozycjonowania napędu posuwów szybkich.
EN
The paper presents the analysis of fuzzy logic systems for detection of thermal deformation of machine tool. The analysis is based on two problems: grinder machine thermal deformation and positioning accuracy HSM feed drive. The two fuzzy logic systems were analyzed, i.e. Mamdani and Takagi-Sugeno fuzzy logic systeitis. The tests showed usefulness of fuzzy logic inference for solving above-mentioned problems.
W referacie przedstawiono stosowane już w przecinarkach anodowo-mechanicznych oraz będące w sferze badań układy sterowania przecinarek. Przedstawiono również współpracujący z układem sterowania system komputerowego doboru wielkości nastawnych przecinarki.
EN
The present paper offers both implemented and researched ECDM cutting-off machine tool control systems as well as computer cutting-off parameter selection system cooperating with the control system.
Jednym z wiekszych problemów na etapie decyzji o wyborze właściwej technologii i maszyn technologicznych jest określenie czasu planowanej obróbki. W artykule tym przedstawiono koncepcję i podstawowe elementy programu komputerowego ułatwiającego realizację tego zadania.
EN
The estimation of planned machining time becomes one of major problem at the stage of decision about the choice of proper technology and machine tools. In the paper an idea basic components of computer software, making this kind of decisions, were presented.