Обеспечить эффективную лазерную обработку возможно при решении ряда наукоемких проблем синтеза координатных систем. Эти проблемы обусловлены:

1. Сложностью комплекса технико­экономических требований к станочной системе (трудоемкости изготовления, прецизионности, автоматизации, безопасности, минимизации габаритно­массовых параметров, надежности,  и т. п.).
2. Отсутствием формализованных методик управления точностью многоосевой станочной системы на разных стадиях жизненного цикла.
3. Трудностью анализа рабочих характеристик станка в пространственной зоне технологического обслуживания.
4. Неявной связью точности обработки с точностью станка.

Технологический синтез лазерных станочных систем предполагает решение триады инженерных задач «синтез­анализ», который связывает проект с будущей эксплуатацией системы. Это задачи:

• идентификации (проектно­конструктивный синтез геометрического образа станка по исходным условиям технического задания (ТЗ));
• верификации  (установление соответствия конструкции требованиям ТЗ);
• валидации (технологическое обоснование эффективной работы оборудования в заданных производственных условиях и ограничениях).

В результате связь с внешней средой технических возможностей станка реализуется  дважды: на проектной стадии через техническое задание на разработку станка и на завершающей стадии при сдаче  в эксплуатацию. При этом проектное ТЗ является общим требованием к технологии и средствам ее реализации. Это ведет к необходимости постоянной доработки серийных станочных конструкций для оптимального решения конкретной технологической задачи.

Современное оборудование, реализующее лазерные  обрабатывающие технологии, включает большое число узлов и модулей:

1. Энергетическую установку как инструмент воздействия на материал – лазерный излучатель.
2. Средства управления характеристиками излучения лазера.
3. Координатную систему, обеспечивающую взаимную ориентацию заготовки и инструмента с требуемыми скоростными и прецизионными характеристиками в заданном объеме рабочего пространства.
4. Средства управления координатной системой для решения задач траекторного формообразования.
5. Системы и модули, обеспечивающие комплексную работоспособность и совместимость всех средств технологического оснащения с системой управления.

Кроме того, система, поддерживающая многокоординатную обработку, должна иметь функцию одновременной интерполяционной связи приводов линейных и поворотных осей станка. Это осуществляется за счет мехатронизации приводов и применения высокоуровневой системы управления. Таким образом, в единой станочной конструкции объединены подсистемы и модули всех уровней, а управление обработкой осуществляется через интегрированную программную оболочку.

Технико­экономическими проектными критериями многоосевого станка являются его точность, жесткость, устойчивость, управляемость, габаритно­массовые параметры, занимаемая площадь, энергетические и кинетические характеристики, автоматизация и безопасность. Уровень и пределы изменения важнейших рабочих характеристик станка должны быть определены во всех зонах технологического обслуживания (рабочем поле, РП) при перемещениях узлов в крайние положения. Кроме этого, заказчик задает параметры рабочего пространства, которые реализуются величинами ходов по линейным осям и углами поворота по вращательным осям. Баланс и функциональная гармонизация характеристик станка достигается оптимальным конструированием с позиций интегрального обеспечения прецизионности, производительности, энергоэффективности и минимальной ресурсоемкости. Составляющие процесса технологического синтеза лазерных систем  обработки  нового поколения показаны  на рис. 1.

Рис. 1

Компоновочные решения таких станков имеют множество вариантов сочетаний поступательных и вращательных кинематических пар относительно осей координатной системы и неподвижного основания. В качестве альтернатив могут рассматриваться консольная или портальная компоновки, с крестовым столом или с «летающей» лазерной головкой. Из­за большого числа подвижностей (не менее пяти) рабочее поле многокоординатной системы имеет сложную пространственную конфигурацию, и его параметрическая идентификация может быть осуществлена имитационными средствами 3D­моделирования. В рабочем поле проявляются все функциональные возможности технологической системы, и их прогнозирование – важный этап разработки станка «под технологию», а также для решения задачи валидации.

Ключевой проектный критерий работоспособности многокоординатной системы – точность сложнопрофильного формообразования. Для выбора лучших компоновочных решений, как правило, проводится расчетная оценка характеристик системы в пределах всего объема РП по следующим критериям (так называемая объемная точность):

• геометрическая точность (в ненагруженном состоянии на холостых ходах);
• жесткость упругой системы, зависящая от статической точности станка (деформации от сил резания и веса движущихся узлов) и ее разброс в пределах РП;
• устойчивость системы.

При расчете объемной точности многооосевой системы исходными параметрами, отражающими технологические и эксплуатационные факторы, являются:

• ­ силовые  (резания и веса движущихся узлов) и тепловые  воздействия (в общем случае);
• ­ погрешности изготовления элементов станка и сборки (начальная точность);
• ­ прецизионность и быстродействие исполнительных компонентов (приводов, информационно­преобразовательных устройств, системы ЧПУ и др.).

Технологические системы лазерной обработки имеют следующие особенности расчета объемной точности кинематико­координатной системы:

1. Силы резания не оказывают влияния на точность обработки из­за отсутствия механического контакта.
2. Интенсивность тепловых возмущений незначительна, т. к. тепловой поток практически полностью удаляется из зоны обработки специальными средствами, исключая деформации несущих элементов.
3. Технологическое комплексирование процессов лазерной обработки (резка­маркировка­сварка­пайка) не оказывает существенного влияния на возмущающий фон в зоне обработки.
4. Использование линейных приводов не вызывает значительных  тепловых воздействий на станочные элементы.
5. Применение разнородных базовых элементов системы (основания, портала, направляющих подвижных узлов из стали, чугуна, гранита, композитов и др.) не окажут принципиального влияния на результаты оценки точности станка.

Ниже представлены результаты реализации задачи технологического синтеза многоосевой системы лазерной обработки. Техническое задание заключалось в высокоточной лазерной обработке хвостовиков турбинных лопаток из керамики. Траектория формообразования и размещение обрабатываемых поверхностей на заготовке требует применения пятиосевой кинематики и лазерных технологий резания материала. Прецизионность формообразования лежит в микрометрическом диапазоне (допуски ­ не более 3 мкм). Комплексирование этих факторов в системе проявляется в первую очередь через компоновку. Возможными проектными альтернативами здесь являются система с крестовым столом или портальная конструкция. Сравнительный анализ многоосевых систем разных компоновок показал, что вариант с крестовым столом не обладает необходимой стабильностью точности в рабочем поле. Достаточно жесткие требования к статической точности вынудили применять нетрадиционные конструктивные решения и высокоточные комплектующие.

Проектная разработка портального станка показана на рис. 2а, где дан общий вид 3D­модели спроектированного пятиосевого станка. На нижнем основании размещен поворотный  2­осевой стол (ветвь заготовки), а инструментальная 3­осевая ветвь содержит линейно  движущиеся узлы по осям Y (портал), X (суппорт вдоль траверсы) и  Z (вертикально смещающаяся инструментальная головка с лазерным излучателем).

Движение по осям X и Y осуществляется за счет российских линейных синхронных двигателей с фиксацией узлов высокоточными шариковыми направляющими. Вертикальное движение узла Z с лазерным излучателем осуществляется через высокомоментный серводвигатель. Портальная компоновка позволяет обеспечить доступность луча ко всем обрабатываемым поверхностям  заготовки, высокую кинетику формообразования и симметрию тепловых деформаций. Ускорения узлов до 0,5 G и знакопеременные нагрузки, вызывающие динамические возбуждения, обусловили применение виброустойчивой  несущей системы станка за счет гранитных базовых элементов. Синтезированная сложная многопараметрическая система на фоне разнообразия возмущений при параметрических вариациях технологических и эксплуатационных факторов требует применения наукоемких инструментов исследования напряженно­деформированного состояния станка и планирования расчетно­аналитического эксперимента.

а)

б)

Рис. 2.  Расчетная 3D-модель и схема портальной многоосевой координатной  системы

Верификация статических и динамических характеристик указанной конструкции проведена путем математического и имитационного 3D­моделирования. Так, упругая система портального станка представлена совокупностью недеформируемых масс (цветные точки на рис. 2б), деформируемых стержней и демпфирующих пружин, с определенным допущением адекватно отражающих существенные упругие свойства станка. Конечно­элементным расчетом получены значения статических перемещений узлов и баланс влияния элементов упругой системы при действии веса подвижных узлов (Рис. 3). При этом нестабильность упругих смещений точки резания (т. 19) в рабочем поле  не превышает 3 мкм, что и является достигнутым критерием прецизионности станочной системы для заданных условий ТЗ.

Рис. 3.  Результаты статического расчета упругой системы портального станка

Объемная точность станка исследовалась при воздействии веса подвижных узлов, перемещения которых вызывают переменность вылетов от центров жесткости стыков, что может приводить к нестабильности величины статических смещений формообразующей точки (лазерного луча) при обработке. Анализ показал, что средний уровень статической точности  и ее разброс в РП удовлетворяют прецизионным требованиям ТЗ. На рис. 4 показана программная реализация и визуализация расчета объемной точности портальной компоновки от весовых воздействий движущихся узлов в рабочем поле.

Рис. 4. Оценка объемной точности портальной пятиосевой  системы

Производительность обработки во многом зависит от устойчивости системы станка, что определяется жесткостью ее элементов и их демпфирующими свойствами. Виброустойчивость спроектированного станка можно оценить динамическими характеристиками его упругой системы (собственные частоты, формы колебаний на них и параметры демпфирования). На амплитудно­частотной характеристике (АЧХ) отражены амплитуды виброперемещений на первых собственных частотах, в которых вероятность резонанса весьма высока (диапазон внешнего возбуждения лежит в диапазоне от 0 до 150 Гц) (Рис. 5 а).

а)

б)

б)

Рис. 5. Диапазон  вариации параметров амплитудно-частотной характеристики упругой системы портального станка при изменениях проектно-технологических факторов

Поиск наиболее значимого элемента станка, влияющего на его динамику, априори невозможен – ответ может дать лишь вариантный расчетный анализ. Так, изменение проектных факторов (материал деталей станка, жесткости стыков, положения масс в рабочем поле, размеры элементов конструкции и др.) в области возможного их разброса позволили  сформировать вариационное поле АЧХ и выявить слабые звенья (Рис. 5б). Анализ показал, что параметрические изменения этих факторов оказывают значительное влияние на сдвиг собственных частот и амплитуду колебаний, что позволило выделить перечень значимых факторов. Так, отстройка частот от резонансной зоны произведена значительным ужесточением контактной податливости стыка «портальная каретка­балка» ­ на 50 % относительно начальных данных, а также конструктивным поиском оптимального баланса центровки подвижных масс относительно  центров жесткости подвижных стыков (направляющих).

Наиболее полное исследование напряженно­деформированного состояния портального пятиосевого станка проведено в среде Simulation SolidWorks. Это позволило выработать уточняющие проектно­технологические мероприятия, улучшающие статические и динамические характеристики упругой системы станка до уровня технологически обусловленной жесткости, обеспечивающей  требуемую прецизионность и производительность обрабатывающей системы.

Решение задачи валидации осуществлено маркетинговым анализом станков­аналогов (МЛП4.1 фирмы «ЭСТО­Лазеры и аппаратура» и аналогичного импортного станка), конкурирующих по параметрам работоспособности, с учетом предпочтений заказчика, задающего ограничения и эксплуатационные требования конкретного предприятия. Приводим обоснования в принятии решения по выбору/синтезу лучшего варианта станка под техническое задание и производственные условия  заказчика.

1. Формирование производственных требований заказчика  к создаваемому /закупаемому оборудованию.

Согласован и ранжирован следующий перечь производственных требований к создаваемому оборудованию и параметры его адаптации к специфике предприятия и будущим условиям эксплуатации  (в порядке приоритета) (Табл. 1):

Сравнительная оценка решений в данном случае является адекватным способом квалиметрии предпочтений при выборе лучшего варианта при отсутствии прямых эталонных норм от заказчика. Сравниваются две конкретные модели конкурирующих станков в базовой комплектации и одинакового опционального дооснащения в сопоставимых условиях.

2. Перечень технических критериев, выражающих основные требования и предпочтения заказчика:

К1 – диапазон перемещений;

К2 – длина волны излучения лазера;

К3 – скорость рабочих перемещений (с постоянной контурной скоростью);

К4 – мощность излучателя;

К5 – максимальная скорость перемещений;

К6 – точность позиционирования в рабочей  зоне;

К7 – масса.

Этот перечень согласован с заказчиком и отражает важнейшие эксплуатационные параметры оборудования.

3. Условия обеспечения сопоставимости результатов сравнения:

Станки соответствуют одинаковой производственной задаче по габаритным размерам обрабатываемых деталей, их форме и номенклатуре.

Набор технологических операций одинаков, т. е. число степеней подвижности сравниваемых станков одинаково.

Автоматизация станков (возможности системы управления) сопоставима.

Дооснащение сравниваемых станков идентично.

Для облегчения процесса выбора варианты оцениваются количественно с учетом ранжирования важности (производственной предпочтительности) оценочных критериев. Это  выполняется методом шкалирования путем корректного перевода абсолютных значений параметров сравнения в относительную шкалу баллов.

4. Анализ конструктивных и технологических инноваций станка мод. МЛП4.1 фирмы «ЭСТО­Лазеры и аппаратура» показал, что внедренные инновационные конструктивно­технологические решения дают преимущества данному станку в сравнении с аналогом импортного производства, что доказано ниже (Рис. 6). Таким образом, оценивая показатели по приоритетам, сформированных заказчиком, можно утверждать, что вновь созданный станок обладает лучшими техническими характеристиками, что доказывает лучшую применяемость этого технического предложения компании в конкретном производстве.

5. Аналогично проведена оценка с учетом дистрибутивных факторов: условий поставки (в т. ч. по срокам), гарантий, сервиса, обучения операторов, надежности поставщика и др.

6. Обобщенная оценка позволяет дать заключение о комплексной связи всех факторов и условий в договорных обязательствах поставщиков под ТЗ заказчика. При этом производственная эффективность созданного станка для конкретного предприятия проявлена квалиметрической процедурой оценки параметров его конкурентоспособности и ценных для конкретного заказчика преимуществ в сравнении с рыночными аналогами.

Рис. 6.  Диаграмма сравнения станков по комплексу технических критериев

Заключение:

1. Показана  процедура реализации связи заданных требований к операции многокоординатной лазерной обработки с конструкцией и рабочими характеристиками многоосевой станочной системы (через компоновку и упругие свойства несущей системы). Создаваемая при этом обрабатывающая система обладает высокими конкурентными преимуществами, дающими значительный технико­экономический эффект предприятию­заказчику.

2. Предложены технические решения, повышающие объемную точность многоосевых станочных систем для лазерной высокоточной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов.

3. Оценен производственно­технический эффект, получаемый заказчиком при приобретении создаваемого  нового оборудования под конкретную технологическую задачу и с учетом перспективы развития.

4. Показаны преимущества интеграции науки и производства путем внедрения наукоемких методик исследований вузовских ученых в промышленную практику.  Применение  современных процедур имитационного моделирования и оценки конкурентоспособности к проектным разработкам высокотехнологичных производств новой волны позволяет создавать инновационную отечественную технику для оборонного комплекса и прецизионного машиностроения.

Лукина С.В.

д.т.н., профессор кафедры «Автоматизированные

станочные системы и  инструменты» МГТУ «МАМИ»

lukina_sv@mail.ru

Кудрявцева А.Л.

зам. генерального директора

компании «ЭСТО­Лазеры и аппаратура»

al_kudryavtseva@estoco.ru

Манаенков И.В.

аспирант МГТУ "МАМИ"