На примере механической обработки головки блока цилиндров нового двигателя в этом исследовании исследуется производственный процесс в отношении требований к точности позиционирования отверстий для крепления/фиксации шестерен и двойных отверстий распределительного вала. Путем сравнения различных методов управления предложен новый подход к управлению точностью позиционирования; Макро-программирование с ЧПУ используется для расчета координат обработки установочных отверстий, эффективно обеспечивая требуемую точность межцентрового---расстояния между установочными/установочными отверстиями шестерни и двумя отверстиями распределительного вала.
ЧАСТЬ 1
Введение
Завод разрабатывает совершенно-новый двигатель, соответствующий стандартам выбросов «Китай VII», стремясь к превосходным показателям выбросов и ведущим техническим характеристикам. Чтобы обеспечить точный контроль над потоками впускного и выхлопного воздуха в камере сгорания, в двигателе используется конструкция с двойным-верхним-распредвалом (DOHC). Новый продукт предъявляет строгие требования к установке шестерен, которые взаимодействуют с системой привода двойного-распределительного вала; следовательно, эффективное обеспечение точности позиционирования монтажных/фиксирующих отверстий шестерни является критической задачей при пробном производстве и механической обработке головки блока цилиндров.
ЧАСТЬ 2
Требования к обработке деталей и анализ процесса
2.1 Общие процессы обработки отверстий распределительного вала и отверстий для крепления/фиксации шестерен
Требования к точности позиционирования отверстий распределительного вала и отверстий для крепления/фиксации шестерни показаны на рисунке 1. Допуск на позиционирование для двойных-верхних-отверстий распределительного вала указан как φ0,2 мм, а требования к точности для межцентрового---расстояния между отверстиями для крепления/фиксации шестерни и отверстиями распределительного вала составляют ±0,03 мм.
Рисунок 1. Требования к точности позиционирования отверстий распределительного вала и отверстий для крепления/фиксации шестерни.
Обработка двойных отверстий распределительного вала и отверстий для крепления/фиксации шестерни за одну установку (зажим) эффективно обеспечивает их относительную точность позиционирования. Обычно используются два признанных решения для обработки:
1) Использование специализированного много-шпиндельного-головочного оборудования: с помощью одной установки и специального расточного станка [1] отверстия распределительного вала и отверстия для крепления/фиксации шестерен обрабатываются одновременно с одной и той же или противоположных сторон заготовки. Однако это оборудование требует больших капиталовложений (более 10 миллионов юаней) и недостаточно универсально.
2) Использование большого горизонтального обрабатывающего центра: при использовании одной установки и специального расточного приспособления шпиндель станка автоматически входит в зацепление с линейной-расточной оправкой [2]. Отверстия распределительного вала обрабатываются сначала с одной стороны заготовки; впоследствии заготовка и расточный инструмент- вместе поворачиваются на 180 градусов, и для обработки монтажных/фиксирующих отверстий шестерни используется сверлильный станок. Эта схема обработки требует, чтобы оборудование имело большой безопасный радиус поворота в зоне обработки; кроме того, расстояние между сдвоенными отверстиями распределительных валов налагает особые требования к внешним размерам шпиндельной коробки. Увеличенный радиус поворота и особые требования к шпиндельной коробке приводят к резкому удорожанию закупки оборудования.
Обе вышеупомянутые схемы влекут за собой высокие инвестиционные затраты на оборудование, а сложность регулировки точности специализированного инструмента и приспособлений возрастает в геометрической прогрессии. Возможности текущего оборудования не могут удовлетворить требования одновременной обработки двойных отверстий распределительного вала и отверстий для крепления/фиксации шестерен за одну установку.
2.2 Анализ контроля точности расстояния между отверстиями--
Поскольку текущие технические возможности не позволяют выполнять одновременную обработку двойных отверстий распределительного вала и отверстий для крепления/фиксации шестерни за один установ, необходимо принять технологический процесс, при котором сначала обрабатываются двойные отверстия распределительного вала, а затем следует изменение процесса для обработки отверстий для крепления/фиксации шестерни. Ошибки позиционирования и сдвиги в фактическом расположении двойных отверстий распределительных валов во время технологического перехода могут привести к тому, что расстояние между отверстиями для крепления/фиксации шестерни и сдвоенными отверстиями распределительных валов выйдет за пределы допуска.
Чтобы удовлетворить требования к позиционному взаимодействию между монтажными/установочными отверстиями шестерни и двойными отверстиями распределительного вала, анализируется осуществимость следующих распространенных методов обработки.
(1) Метод фиксированных координат (метод распределения допусков). Метод фиксированных координат включает обработку монтажных/установочных отверстий шестерни на основе значений координат, указанных в технических чертежах или технологической документации, после обработки двойных отверстий распределительного вала. Чтобы обеспечить требуемую точность расстояния между отверстиями-к-отверстиям ±0,03 мм между отверстиями для крепления/фиксации шестерни и двойными отверстиями распределительного вала, во время планирования процесса база обработки для отверстий для крепления/установки шестерни должна быть совмещена с базой данных для двойных отверстий распределительного вала, а окончательный допуск на расстояние должен быть установлен с помощью позиционной размерной цепочки [3]. Сумма позиционных допусков для двойных отверстий распределительного вала и отверстий для крепления/фиксации шестерни составляет 0,06 мм; распределение допусков показано на рисунке 2.
Рис. 2. Схема распределения позиционных допусков для двойных отверстий распределительных валов и отверстий для крепления/фиксации шестерни.
Позиционный допуск для двойных отверстий распределительного вала составляет φ0,03 мм, а позиционный допуск для монтажных/фиксирующих отверстий шестерни составляет φ0,03 мм. По результатам позиционирования размерной цепи двойные отверстия распределительного вала и отверстия для установки шестерен требуют высокой точности позиционирования во время соответствующих операций обработки. Анализ ошибок позиционирования для каждой операции показывает, что ошибка смещения точки отсчета является основной проблемой. Заготовка позиционируется методом «одна-грань, два-штифта»; максимальный зазор между установочными штифтами и соответствующими отверстиями на заготовке составляет φ0,035 мм [4], а обрабатывающее оборудование имеет повторяемость φ0,01 мм. Если учитывать только влияние ошибки позиционирования заготовки и повторяемости станка, требования к точности позиционирования для отдельных операций -обработки двойных отверстий распределительных валов и отверстий для установки шестерен-не могут быть выполнены; следовательно, точность межосевого--расстояния между отверстиями для крепления шестерни и отверстиями распределительного вала не соответствует проектным спецификациям.
(2) Метод компенсации исходной точки. Этот метод предполагает использование фактических координат центров отверстий распределительных валов в качестве исходной точки обработки для отверстий для крепления шестерни-, эффективно выравнивая исходную точку обработки с расчетной исходной точкой. Этот подход устраняет ошибки, вызванные несоосностью и смещением исходной точки [5], и доказал свою эффективность для применений с одним верхним распределительным валом (SOHC). Для применений с двойным верхним распределительным валом (DOHC) требуется позиционная компенсация обоих отверстий распределительных валов. Способ компенсации включает установку начала системы координат обработки отверстий места установки шестерни в середину координат X и Y двух отверстий распределительных валов (X1, Y1 и X2, Y2); в частности, координаты начала координат определяются как X=(X1 + X2)/2 и Y=(Y1 + Y2)/2. Метод компенсации нулевой точки влечет за собой риски качества. Например, если фактические координаты центра как отверстия распределительного вала 1, так и отверстия распределительного вала 2 смещаются наружу на 0,1 мм вдоль оси X-, оставаясь неизменными вдоль оси Y-, координаты центра становятся (X1 − 0,1, Y1) для отверстия 1 и (X2 + 0.1, Y2) для отверстия 2; Позиционный допуск двойных отверстий распределительных валов остается в пределах технических характеристик. В этом сценарии, хотя расчетное начало координат системы координат обработки монтажного/установочного отверстия шестерни-и фактическое положение обработки отверстия-остаются неизменными, фактическое положение двойных отверстий распределительного вала сместилось, тем самым изменяя расстояние между монтажным/установочным отверстием шестерни и двумя отверстиями распределительного вала. Таким образом, для конфигурации с двойным-распредвалом-отверстием использование метода компенсации базовой точки для контроля точности позиционирования между монтажным/установочным отверстием шестерни и отверстиями распределительного вала представляет собой риск для качества.
ЧАСТЬ 3
Контроль точности позиционирования отверстия для крепления/фиксации шестерни
3.1. Создание математической-геометрической модели
Положение отверстия для крепления/фиксации шестерни определяется как пересечение двух дуг: одна с центром на оси отверстия распределительного вала 1, а другая - на оси отверстия 2 распределительного вала, с радиусами, соответствующими заданным расстояниям между отверстием для крепления/установки шестерни и соответствующими отверстиями распределительного вала. Физический анализ подтверждает, что такая точка пересечения есть только одна; фактическое координатное положение монтажного/фиксирующего отверстия шестерни меняется в зависимости от изменений координат центров двух отверстий распределительных валов. На основе этого был разработан новый метод обработки. Используя -технологию измерения процесса, геометрические принципы и программирование ЧПУ-и объединяя фактические координаты центров двойных отверстий распределительного вала наряду с необходимыми расстояниями до отверстия для крепления/фиксации шестерни-, система автоматически рассчитывает и выполняет координаты обработки для отверстия для установки/установки шестерни, тем самым удовлетворяя требованиям точности позиционирования относительно двойных отверстий распределительного вала.
На рис. 3 показана геометрическая модель, показывающая взаимное расположение двух отверстий распределительного вала и отверстия для крепления/фиксации шестерни. Здесь CA и BA представляют собой расчетные расстояния (в мм) между монтажным/установочным отверстием шестерни и отверстиями распределительного вала (с CA=BA), а система координат обработки (система координат расчета) устанавливается с центром отверстия 2 распределительного вала в качестве начала координат. Рис. 3. Геометрическая модель, показывающая взаимное расположение двух отверстий распределительного вала и установочного отверстия для крепления шестерни.
3.2 Процесс математических расчетов
После позиционирования и монтажа заготовки -технология технологического контроля используется для определения координат центров отверстий распределительных валов 1 и 2 в системе координат станка, -обозначаемых как (XB, YB) и (XC, YC) соответственно-, а также для расчета координат (XA, YA) центра (точки A) установочного отверстия для крепления шестерни. Процесс расчета следующий: ∠2=∠1; CE=BC/2; ∠3=∠4 − ∠2. Отсюда можно определить координаты точки A (центр установочного отверстия для крепления шестерни) относительно начала системы координат обработки.. 3.3 Преобразование программы ЧПУ
Во время фактической обработки процесс математических вычислений должен быть преобразован в программу ЧПУ. На примере системы ЧПУ Siemens [6] координаты (XB, YB) и (XC, YC) центров отверстий распределительных валов 1 и 2 распределительных валов, -полученные посредством внутри-технологического контроля или других технических средств-, считываются в машинные переменные R201, R202, R301 и R302; требуемые межосевые расстояния-до-центров BA (между установочным отверстием для крепления шестерни и отверстием распределительного вала 1) и CA (между установочным отверстием для крепления шестерни и отверстием 2 распределительного вала) считываются в переменные R401 и R402. Программа расчета координат обработки центра установочного отверстия крепления шестерни выглядит следующим образом. Р201=ХВ; Запишите координату X-центра отверстия распределительного вала 1 в пользовательскую переменную станка R201. Р202=YB; Запишите координату Y-центра отверстия распределительного вала 1 в пользовательскую переменную станка R202. Р301=ХС; Запишите координату X-центра отверстия распределительного вала 2 в пользовательскую переменную станка R301. Р302=YC; Запишите координату Y-центра отверстия распределительного вала 2 в пользовательскую переменную станка R302. Р401=БА; Запишите межосевое расстояние-до-между установочным отверстием крепления шестерни и отверстием распределительного вала 1 в пользовательскую переменную станка R401. Р402=КА; Запишите межосевое расстояние-до-между установочным отверстием крепления шестерни и отверстием распределительного вала 2 в пользовательскую переменную станка R402. Р501=Р301-Р201; Рассчитайте расстояние между центрами отверстия распределительного вала 1 и отверстия распределительного вала 2 по оси X-. Р502=Р202-Р302; Рассчитайте расстояние между центрами отверстия распредвала 1 и отверстия распредвала 2 по оси Y. Р503=АТАН2(R502, R501); Вычислите значение ∠1 (в градусах). R504=SQRT(R501* R501+ R502* R502); вычислить длину отрезка ВС (мм) R506=R504/2; вычислить длину отрезка CE (мм) R507=ACOS(R506/R402); вычислить значение ∠4 (градус) R508=R507-R503; вычислить значение ∠3 (градус) R509=SIN(R508)*R402; вычислить длину отрезка AF (мм) R510=COS(R508)*R402; рассчитать длину отрезка CF (мм) R101=R301-R510; вычислить координату по оси X центра установочного отверстия крепления шестерни относительно центра отверстия 2 распределительного вала R102=R302-R509; Рассчитайте координату по оси Y центра установочного отверстия крепления шестерни относительно центра отверстия 2 распределительного вала.
Значения, хранящиеся в макропеременных R101 и R102, представляют собой координаты центральной точки A установочного отверстия для крепления шестерни; в последующей программе обработки обработка будет выполняться на основе вычисленных координат центра A (R101, R102). Координаты обработки установочного отверстия для крепления шестерни рассчитываются с использованием фактических механических координат отверстия 1 распределительного вала и отверстия 2 распределительного вала в качестве ориентиров во время конкретной операции обработки этого отверстия; это устраняет ошибки, вызванные несовпадением или смещением исходной точки. Следовательно, весь позиционный допуск в 0,06 мм для расстояния между установочным отверстием для крепления шестерни и отверстиями 1 и 2 распределительного вала учитывается в рамках этой единственной операции без необходимости учитывать точность положения отверстий 1 и 2 распределительного вала из предыдущих операций. При обработке различных заготовок фактические координаты положения (R101, R102) установочного отверстия для крепления шестерни будут изменяться в соответствии с изменениями фактических координат центров отверстий 1 и 2 распределительного вала, а не оставаться фиксированными. Практическая проверка механической обработки показывает, что допуск межцентрового-меж-центрового расстояния между отверстием для крепления/фиксации шестерни и двойными отверстиями распределительного вала можно контролировать в пределах ±0,01 мм, что полностью соответствует проектным спецификациям.
3.4 Инновации
Ключевые новшества этого метода обработки заключаются в следующем:
1) Он обеспечивает новую стратегию обработки, которая решает проблему контроля точности позиционирования между отверстием для крепления/фиксации шестерни и двойными отверстиями распределительного вала. При обработке отверстия для установки/установки шестерни координаты обработки рассчитываются на основе фактических положений отверстий распределительного вала и требуемого позиционного соотношения между отверстием для установки/установки шестерни и отверстиями распределительного вала; затем обработка выполняется с использованием этих рассчитанных координат. Фактические координаты обработки отверстия для установки/установки шестерни динамически регулируются в соответствии с фактическими положениями отверстия 1 распределительного вала и отверстия 2 распределительного вала, тем самым обеспечивая требуемую точность расстояния между отверстием установки/установки шестерни и отверстиями распределительного вала.
2) Он объединяет геометрические принципы с макропрограммами ЧПУ, что позволяет автоматически рассчитывать координаты обработки монтажного/фиксирующего отверстия шестерни. Была создана геометрическая модель, определяющая позиционную взаимосвязь между отверстием для крепления/фиксации шестерни и двумя отверстиями распределительного вала, а также разработан процесс расчета координат центра отверстия для установки/фиксации шестерни; Затем используется макропрограммирование ЧПУ для автоматизации расчета координат.
3) В нем используется гибкая технология измерения в-процессе, позволяющая совместить исходную точку обработки с исходной точкой проектирования, тем самым устраняя ошибки позиционирования. Во время обработки отверстия для крепления/установки шестерни датчик автоматически измеряет координаты отверстия распределительного вала 1 и отверстия 2 распределительного вала в системе координат станка. Эти измеренные значения затем вводятся в процесс расчета для определения координат обработки монтажного/фиксирующего отверстия шестерни. Этот интегрированный процесс одновременно выравнивает исходную точку обработки с исходной точкой проектирования, эффективно устраняя ошибки позиционирования.
4) Это снижает сложность обработки, связанную с предыдущей операцией изготовления отверстия 1 распределительного вала и отверстия 2 распределительного вала. Координаты обработки установочного отверстия для крепления шестерни рассчитываются на основе фактических положений отверстия 1 распределительного вала и отверстия 2 распределительного вала. Этот подход не налагает особых требований относительно точности позиционирования или согласованности отверстий распределительного вала, обработанных на предыдущем этапе, тем самым уменьшая сложность регулировки и контроля точности обработки на этом этапе.
ЧАСТЬ 4
Заключение
В этой статье исследуется производственный процесс в отношении требований к точности позиционирования установочного отверстия для крепления шестерни и двойных отверстий распределительного вала. Благодаря инновационной схеме обработки, созданию математической-геометрической модели и предложению нового метода контроля точности позиционирования координаты обработки установочного отверстия рассчитываются с помощью макропрограммы ЧПУ на основе пространственного соотношения между установочным отверстием и двумя отверстиями распределительного вала. Это эффективно решает проблему соблюдения строгих требований к точности расположения отверстий--, которые в противном случае трудно гарантировать-, и обеспечивает решение для обработки отверстий аналогичной конфигурации в зубчатой передаче.
