Radzevich, S.P. Monograph - 2001

где (это следует из определения главных кривизн поверхности)

имеет сингулярности в точках, соответствующих точкам поверхности детали, в которых одна из главных кри-

визн равна 1 .

rconfmin

Для выполнения третьего условия формообразования поверхностей деталей важно, чтобы в пределах обрабатываемого отсека поверхности детали минимальный радиус rconfmin индикатрисы конформности Indconf Д / И принимал только неотрицательные значения, тогда как его абсолютная величина интереса в

данном случае не представляет. Поэтому радиус rconfmin может быть пронормирован, что приводит к уравнению нормированной –поверхности первого рода (или нормированной поверхности 1):

или в такой форме

r R(1) rд n д sgn rconfmin .

Аналогично нормированной –поверхности первого рода вводится в рассмотрение нормированная – поверхность второго рода (или нормированная поверхность 2). Ее уравнение записывается так:

или в форме

r R(2) r R(1) rд n д sgn rconfmin .

Нормированные –поверхности первого и второго рода удобнее в применении.

7.4. Рациональное ориентирование детали на станке

Выполнение шести условий формообразования поверхностей деталей является необходимым, но не достаточным для обеспечения возможности обработки детали в полном соответствии с тебованиями чертежа. Невозможность правильной обработки может быть следствием неправильной ориентации детали на станке. Обрабатываемая поверхность детали должна быть сориентирована так, чтобы имелась возможность подвода инструмента ко всем ее участкам.

Решение задачи наивыгоднейшего ориентирования детали является обязательным этапом разработки автоматизированных систем подготовки производства при изготовлении деталей с рабочими поверхностями сложной формы на многокоординатных станках с ЧПУ. Ориентация сложной поверхности оказывает существенное влияние на протекание процесса обработки детали и его производительность. Правильная ориентация позволяет сократить время обработки и исключить необходимость перенастройки оборудования в процессе обработки.

Специфика обработки сложных поверхностей деталей на многокоординатных станках с ЧПУ требует увязки положения заготовки в системе координат станка с ЧПУ с относительным положением инструмента и кинематикой формообразования.

Решение задачи правильного ориентирования обрабатываемой поверхности важно для всех случаев формообразующей обработки деталей. В общей постановке эта задача решается для случая обработки сложных поверхностей деталей на многокоординатных станках с ЧПУ. Поэтому логично рассмотреть вопрос рационального ориентирования детали на станке на примере именно такой обработки. Полученное таким путем решение впоследствие может быть адаптировано для случаев обработки деталей общемашиностроительного назначения на металлорежущем оборудовании, воспроизводящем “жесткую” кинематику формообразования, поскольку ориентирование детали в таких случаях является частным случаем рационального ориентирования сложной поверхности детали на столе многокоординатного станка с ЧПУ.

7.4.1. Постановка задачи рационального ориентирования сложной поверхности детали на столе многокоординатного станка с ЧПУ. Обработка сложных поверхностей деталей является многоплановой проблемой, связанной с необходимостью решения комплекса взаимоувязанных задач. Решение задачи рационального ориентирования детали на столе многокоординатного станка с ЧПУ, являющейся одной из задач общей проблемы синтеза наивыгоднейшего формообразованя поверхностей деталей, предполагает введение в

рассмотрение критерия, в соответствие с которым эта задача может быть решена.

Используются различные критерии правильности ориентирования деталей. Таким критерием может быть время обработки. Наилучшей ориентацией детали считают такую, которая при неизменных параметрах процесса обработки позволяет увеличить шаг между соседними строками формообразования, повысить скорость относительного движения инструмента вдоль каждой строки формообразования, воспроизводить наивыгоднейшие траектории относительного движения инструмента, т.е. максимально сократить время формообразования заданного отсека сложной поверхности детали.

При обработке крупногабаритных деталей на станках с ЧПУ критерием правильности ориентации заготовки может служить минимальный размер детали по одной из осей координат стола металлорежущего станка. Использование этого критерия вызвано ограниченным диапазоном изменения управляемых координат станка с ЧПУ. Находят применение другие критерии, позволяющие более или мении корректно оценить степень “рациональности” ориентации детали на станке.

Определяя степень “рациональности” ориентации детали на станке будем исходить из следующего.

В зависимости от параметров ориентации обрабатываемой сложной поверхности Д детали и вследствие изменения в пределах обрабатываемого участка поверхности Д параметров ее локальной топологии (в первую очередь значений ее главных радиусов кривизны R1.д и R2.д и направления нормали к Д ) условия взаимодействия инструмента с деталью в разных точках поверхности Д различны. Как следствие, различны и

условия обработки (условия срезания припуска) вдоль каждой строки формообразования, а также при переходе от обработки одной строки формообразования на поверхности Д к обработке другой.

В случае нерациональной ориентации детали обработка всей ее поверхности Д невозможна либо производится в неблагоприятных условиях. Например, если заданная в ортогональной системе декартовых координат XдYдZд обрабатываемая поверхность Д расположена на столе станка таким образом, что ось аппли-

кат Zд параллельна оси Ош Ош шпинделя 3-координатного станка с ЧПУ (рис. 7.23), то полностью обработать ее в этом случае не представляется возможным: участок ABCDPQST поверхности Д обработать мож-

но, а ее участок ABCB* A* обработать нельзя – это очевидно. При такой ориентации детали (см. рис. 7.23) ее участок ABCB* A* находится “в тени” по отношении к инструменту и проецируется на координатную плоскость YдZд в контур AxyBxyCB* A* .

На поверхности Д рассмотрим линию B*BS , на которой некоторым образом выберем произвольные точки I , B , J , H . Если через каждую из этих точек провести единичную нормаль n д , то в момент формообразования поверхности Д в окрестности соответствующей точки I , B , J , H , S орт нормали n д совпадает с противоположным направлением орта нормали n и к исходной инструментальной поверхности И применяемого инструмента. В точках KB , KJ , KH , KS , в которых поверхность И инструмента касается поверхности Д точками B , J , H , S , углы B , J , H , S (см. рис. 7.23) отличны по величине один от другого. Поэтому условия взаимодействия детали и инструмента в этих точках и, следовательно, условия

срезания припуска, также будут различными. В точке I из-за неизбежной интерференции детали и инструмента нарушается второе условие формообразования поверхностей деталей: очевидно, что в точке I справед-

ливо соотношение n д n и (в точке I орты нормалей n д и n и составляют некоторый угол ). Это приводит к тому, что при показанной на рис.7.23 ориентации детали обработать ее поверхность Д в окрестности

точки I нельзя. Поэтому рациональной следует считать такую ориентацию поверхности детали на столе станка с ЧПУ, при которой, во-первых, обеспечивается свободный доступ инструмента к каждому локальному участку обрабатываемой поверхности и, во-вторых, отклонения условий взаимодействия детали и инструмента от наивыгоднейших в пределах обрабатываемого участка поверхности Д минимально возможны.

Сформулированное требование предполагает введение в рассмотрение количественной меры отклонения условий взаимодействия детали и инструмента от наивыгоднейших.

Рис. 7.23. Сложная поверхность детали в системе координат трехкоординатного станка с ЧПУ.

В общем виде рассматриваемая задача решена1, а полученное решение впоследствие было развито

(Радзевич С.П., 1990, 1991).

Решение рассматриваемой задачи основано на применении сферического отображения – отображения ориентированного участка поверхности Д и И на сферу единичного радиуса, и сферических индикатрис по-

верхностей Д и И .

1А.с. №1442371 (СССР). Способ ориентирования сложной поверхности детали на столе станка с ЧПУ./С.П.Радзевич. – Опубл. в БИ, №45, 1988 (Заявка на изобретение №4218128/30-08 от 17.02.1987; положительное решение от 23.11.1987).

Как частный случай общего решения рассматриваемой задачи сферическое отображение Гаусса используется также (Chen, L., Chou, S., Woo, T., 1993) для расчета параметров рациональной ориентации на столе многокоординатного станка с ЧПУ деталей, ограниченных поверхностями относительно простой формы (плоскостями, круглыми цилиндрами и т.п.) с целью нахождения такой ориентации детали, при которой с одного установа можно обработать возможно большее количество ее отдельных поверхностей и, как следствие, минимизировать потребное количество переустановок детали.

7.4.2. Сферическое отображение1 и сферическая индикатриса поверхности детали. Ориентация заго-

товки на столе станка с ЧПУ определяется положением в системе координат станка вектора нормали к поверхности Д детали, который параллелен радиус-вектору некоторой точки ее сферического отображения. Также

определяется в системе координат станка ориентация инструмента. Как правило, радиус-вектор представляющей интерес точки сферического отображения поверхности И инструмента направлен параллельно оси его вращения. Относительная ориентация детали и

XдYдZд детали.

1. Сферическим отображением М0 текущей точки M на поверхности детали является положение конца радиуса сферы, параллельного нормали к поверхности Д в точке M на ней (см. рис. 7.24).

2. Сферическое отображение поверхности (всей или ее фрагмента) представляет собой совокупность сферических отображений всех ее точек (Милинский В.И., 1934, с.287-292; Норден А.П., 1948, с.157;

Banchoff, T., et al, 1982).

3.Контур сферического отображения обрабатываемой поверхности Д является ее сферической индикатрисой.

4.Таким образом, сферическое отображение поверхности детали – это некоторый участок поверхности

сферы единичного радиуса, а сферическая индикатриса поверхности Д – это линия, ограничивающая этот участок поверхности сферы единичного радиуса.

Если орт нормали к поверхности Д детали в текущей ее точке M обозначить через n д , а радиус-вектор текущей точки М0 сферического отображения – через rд0 , то в системе координат Xд0Yд0 Zд0 с началом в центре сферы единичного радиуса справедливо соотношение:

1Сферическое отображение поверхности разработано К.-Ф. Гауссом и названо его именем.

где Xд , Yд , Zд – декартовы координаты текущей точки на поверхности Д детали, в которой определяются

касательные.

Орт нормали расчитывается по формуле:

Очевидно, что при построении сферического отображения во внимание принимаются только орты нормалей n д , построенные в пределах обрабатываемого участка поверхности Д . Пределы изменения величин

углов , , для обрабатываемого участка поверхности Д и ее сферического отображения одинаковы.

Следовательно, коеффициенты первой основной квадратичной формы сферического отображения поверхности Д могут быть выражены через гауссовы коэффициенты ее первых двух основных квадратичных форм: