Моделирование кинематики движения рабочих элементов обтяжного пресса Fet Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.73.002.2 629.7.01

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБТЯЖНОГО ПРЕССА FET

© Р.Ф. Крупский1, А.А. Кривенок2, А.В. Станкевич3, С.В. Белых4, В.В. Мироненко5

1,3,4Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, 681013, Россия, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина, 27. 1,2,3Филиал ОАО «Компания "Сухой"» КнААЗ им. Ю.А. Гагарина, 681018, Россия, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Советская, 1. 5Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведено исследование кинематики пресса FET, дан анализ точности его работы. На основе проведенных исследований и расчетов разработано программное обеспечение, позволяющее выполнять расчеты управляющих программ для обтяжных прессов. Ил. 7. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: обтяжка; обтяжной пресс; FET; кинематическая схема; координаты положения; числовое программное управление (ЧПУ); управляющая программа; математическая модель.

MODELING MOTION KINEMATICS OF FET STRETCH FORMING PRESS WORKING ELEMENTS R.F. Krupskiy, A.A. Krivenok, A.V. Stankevich, S.V. Belykh, V.V. Mironenko

Komsomolsk-on-Amur State Technical University,

27 Lenin St., Komsomolsk-on-Amur, 681013, Russia.

Branch of "Sukhoi Company" JSC "KNAAZ named after Yu.A. Gagarin",

1 Sovetskaya St., Komsomolsk-on-Amur, 681018, Russia.

Irkutsk State Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia

The paper studies FET press kinematics and analyzes the accuracy of its operation. Based on the conducted studies and calculations the authors have developed software that allows to perform calculations of control programs for stretch forming presses. 7 figures. 5 sources.

Key words: stretch forming; stretch forming press; FET; kinematic scheme; position coordinates; numeric control (NC); control program; mathematical model.

Автоматизированное формообразование деталей на прессе поперечной обтяжки FET (рис. 1) требует тщательной подготовки, начиная с обработки электронной модели обтяжного пуансона, заканчивая расчетом управляющей программы (УП). В ряде случаев для моделирования процессов обтяжки с использованием программ конечно-элементного анализа с целью

определения нагрузок, действующих на пуансон, а также отработки процессов формообразования и решения ряда других задач необходимо знать траекторию движения зажимных губок пресса в декартовых координатах стола пресса. Однако программное обеспечение S3F-FET, поставляемое к данному оборудованию (управление прессом и расчет для него управ-

1 Крупский Роман Фадеевич, кандидат технических наук, начальник научно-производственного отдела, тел.: (4217) 526385, e-mail: [email protected]

Krupskiy Roman, Candidate of technical sciences, Head of the Research and Production Department, tel.: (4217) 526385, e-mail: [email protected]

2Кривенок Антон Александрович, программист научно-производственного отдела, тел.: (4217) 526385, e-mail: [email protected]

Krivenok Anton, Programmer of the Research and Production Department, tel.: (4217) 526385, e-mail: [email protected]

3Станкевич Антон Владиславович, кандидат технических наук, начальник научно-производственной лаборатории технологических процессов, тел.: (4217) 526385, e-mail: [email protected]

Stankevich Anton, Candidate of technical sciences, Head of the Research and Production Laboratory of Manufacturing Processes, tel.: (4217) 526385, e-mail: [email protected]

4Белых Сергей Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии самолетостроения, тел.: 89141795213, e-mail: [email protected]

Belykh Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Construction Technology, tel.: 89141795213, e-mail: [email protected]

5Мироненко Владимир Витальевич, магистрант, программист УНЦ AUTODESK, тел.: 89501110235, e-mail: [email protected]

Mironenko Vladimir, Master's Degree student, Programmer of the Educational Research Center AUTODESK, tel.: 89501110235, e-mail: [email protected]

ляющих программ), предоставляет информацию только о параметрах рабочих элементов пресса, чего не достаточно для определения траектории движения зажимов. В связи с этим потребовалось разработать инструмент для перевода координат шарнира крепления в параметры рабочих элементов пресса и наоборот - параметры в координаты.

Для определения кинематики движения концов заготовки был проведен кинематический анализ механизма пресса FET-1500. Были определены рабочие органы пресса, их размеры, кинематические связи (рис. 2). Пресс имеет 8 гидравлических цилиндров, которые выполняют позиционирование двух зажимов путем втягивания и выталкивания штоков. На каждый зажим приходится две идентичные пары вертикаль-

ных и горизонтальных цилиндров.

В связи с идентичностью кинематических пар вертикального и горизонтального цилиндров, управляющих одним узлом зажима, разработана математическая модель для соответствующих пар. По кинематической схеме (рис. 3) представим звенья механизма в виде векторов Ы1 +Ы2+Ы3 = Ы4 (рис. 4). Проецируя обе части этого векторного равенства на оси X и Z, получим уравнения:

Ы1 ■ соз(а1) + Ы2 ■ С0Б(а2) + Ы3 ■ С0Б(а3) = = Ы4 ■ С0Б(а4);

Ы1 ■ 5т(а1) + Ы2 ■ Бт(а2) + Ы3 ■ Бт(а3) = = Ы4 ■ зш(а4).

(1)

а) б)

Рис. 1. Обтяжной пресс FET-1500 (а) и его модель в программе S3F-FET (б)

01

XI

А

5000

-4200-

Рис. 2. Кинематическая схема пресса FET-1500

, с о

Я.

7550

1550

4600

а) б)

Рис. 3. Параметры пары цилиндров (а) и зажима (б)

Рис. 4. Математическая модель пары цилиндров

Для решения уравнения (1) определены следующие ключевые параметры рассматриваемой модели: dXc=O2x-O1x, dYc=O2z-O1z, Lg1, Lg2, Lg3 = const - параметры пресса.

Для определения координат заданных узлов {A,B,C,D} на зажиме по известным длинам цилиндров в первую очередь определяются координаты этих узлов в собственной системе координат. Исходные координаты узлов зажима: А = (0, 0); B = (836, 0); C = (693.4, 379). По углу С = 130,5° между плоскостью губки и перпендикуляром к L3 и смещениям h1 и h2 определим координаты узла:

( cos(130.5° - 90°) ^ ( cos(130.5°)

D = C + hi-I v + h2-I v У

^ sin(130.5°- 90°) | ^ sin(130.5°)

Решение обратной задачи - определение размеров цилиндров LX и LZ по заданной координате узла зажима P можно представить следующими зависимостями:

LZ = Lg - cos(aZP) + JLg42 - cos2 (aZP) + LP2 - Lg42 LX = ф.1г + L - 2 - Lb - L - cos(aX)

где

aZP = 2n- ag - arccos (Lg ^ 32) -

J Lr1 -Lg32-Lg42 \ 5( -2-Lg3-Lg 4 )

- arccos I

при

ag = 115.5°, Lb = 9055.5, Lg = 836,

Lg2 = | A, C | = 790.2 , Lg3 = | B, C | = 405 ,

Lg4 = | P, B | , Lr = | P, C | = h1 , LP = | P, O21

aX = arccos

м = | P,A |, X .

На основе выявленных функциональных зависимостей движения кинематической пары цилиндров найдем функции, определяющие движение концов заготовки вдоль всего зажима. На примере левого зажима (рис. 5) определяем узлы, необходимые для описания требуемых зависимостей. Так, узлы зажима CF и CR расположены в плоскостях осей шарнирного закрепления управляющих цилиндров, поэтому положение конца заготовки Ж будет определяться через вектор СЕ,СЯ .

В целях упрощения расчетов разворот на шарнирах учитываться не будет. Для определения вектора СЕ,СЛ в первую очередь определяется центральная точка на зажиме

C =

(CFX + CRX"]

У CFZ + CRZ ,

где

CRX CRz

CFx CFV

= ParamToPath( XLR, ZLR, cnfG, ag, O1, O2),

= ParamToPath (XLF, ZLF, cnfG, ag, O1,02)

при cnfG = {A,B,C,D}, тогда

()" arccos ( )

CR =

CF =

CR

^2007^CRX7CXjгg(cRZ7CZjI

CR

CF

-^|l200Гg(CF^gcXJ-C^f

CF

при

и

от

ЬГ

2400

01Г

/¿г

Рис. 5. Схема определения координат управляющих узлов С по координатам траектории для заданных сечений S

(в плоскости ХУ)

Для определения вектора БЕ,БЯ необходимо рассчитать координаты передней и задней кромок заготовки по следующим формулам:

8Я = БЕ + (С - БЕ )■ БЕ = С + (СЕ - С )■

1200 ' УН 1200 '

В связи с тем, что параметры, задаваемые в ЧПУ пресса, не являются длинами цилиндров, необходима функция расчета параметров цилиндров по его длине:

Щк) = 1-1 к + L2 -I, где I - аргумент функций является длиной цилиндров (1_Х или [2)\ 12 - длина внутреннего цилиндра (диапа-

зон изменения длины); И - длина внешнего цилиндра (минимальная длина поршня); к - поправочный коэффициент для внешнего цилиндра, который в связи с отсутствием точных реальных размеров позволит получить более точный результат.

В связи с тем, что оборудование имеет некоторые погрешности и отклонения от теоретических размеров, потребовалось уточнение результатов перемещений. Для этого были введены поправочные коэффициенты, которые определялись по результатам проведенных замеров, выполненных с помощью лазерного трекера (рис. 6).

+ - точки с показаний лазерного трекера; х - точки, рассчитанные с учетом поправочных коэффициентов; • - точки рассчитанной траектории движения зажимов Рис. 6. Исследование точности пресса FET-1500 с помощью лазерного трекера

Рис. 7. Интерфейс программы расчета управляющих программ для ЧПУ FET

Определение системы координат произведено по плоскости стола пресса и осевой линии, проходящей через его нулевую точку. На шарнире крепления профиля был установлен отражатель. Координаты снимались между крайними положениями цилиндров станка в нескольких равноудаленных точках. На основании проведенных замеров рассчитаны поправочные коэффициенты для математической модели. Поправочные коэффициенты вводились для следующих параметров:

- исходные координаты опорных шарниров с1, с2 для левых и правых цилиндров;

- минимальные длины вертикальных и горизонтальных цилиндров (используется при пересчёте длины цилиндра в параметры для ЧПУ).

Для поиска поправочных коэффициентов из полученных зависимостей кинематической модели определили функцию, вычисляющую координаты шарнира зажима по параметрам рабочих элементов пресса, и решалось уравнение для каждого замера: " fpX (xl, Кх), fpY ( у1, Ку), (е1 ■ К1 Л (е2 • K2 Л

ParamToPnt

с\ ■ Kl c2 • K2

v y y У V у У

= P ,

где fpX(xl,Kx) и fpY(yl,Ky) - функции длины цилиндра fp(t,k) при И и 12 для горизонтального и вертикального цилиндров; Р - точка замера (реальное положение шарнира крепления); с1, с2 - узлы крепления цилиндров.

Полученные коэффициенты усреднили, в результате чего разброс позиционирования в декартовой

системе пресса при его точности ±3 мм составил: для левого зажима по оси Ох - 1,8-1,5 мм, по Оу - 0,2-0,3 мм; для правого зажима по оси Ох - 0,8-1,2 мм, по Оу - 1-0,6 мм.

На основании разработанной математической модели в целях автоматизации процесса подготовки управляющих программ для пресса FET-1500 была разработана программа, которая выполняет расчет управляющих параметров и координат шарнира с учетом геометрических параметров пресса и крепления заготовки (рис. 7).

Разработанная математическая модель пресса дала возможность наблюдать положение рабочих органов пресса в каждом кадре управляющей программы. Также существует возможность произвести необходимую корректировку параметров управляющей программы и записать их. Теперь проводить отработку рассчитанной в S3F управляющей программы можно не на прессе, а в программе, что значительно сокращает и упрощает процесс отработки.

Статья подготовлена по материалам работ, выполненных по проекту «Разработка и внедрение комплекса высокоэффективных технологий проектирования, конструкторской и технологической подготовки и изготовления самолета МС-21» в рамках реализации Постановления Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».

Статья поступила 27.08.2014 г.

Библиографический список

1. Автоматизация технологической подготовки производства летательных аппаратов / С.И. Феоктистов, Е.А. Макарова, В.И. Меркулов [и др.]; под общ. ред. Е.А. Макаровой. М.: ЭКОМ, 2001. 288 с.

2. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1965. 872 с.

3. Оптимизация технологических процессов изготовления деталей из листа средствами виртуального технологического моделирования / А.В. Станкевич, А.В. Колесников, В.В. Мироненко, А.А. Чеславская, А.К. Шмаков // Авиационная промышленность. 2013. № 12. С. 73-77.

4. Особенности автоматизированного изготовления стрингеров летательного аппарата с использованием роликового оборудования, оснащенного ЧПУ / А.В. Станкевич, С.В. Белых, А.В. Кривенок, А.А. Перевалов // Авиационная промышленность. 2009. № 1. С. 30-44.

5. Формообразование профильных заготовок с помощью листового обтяжного пресса. / А.А. Кривенок, А.В. Станкевич, С.И. Феоктистов, Р.Ф. Крупский, С.В. Белых. // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Науки о природе и технике. 2013. № II - 1(14). С. 4-8.