книги / Надежность и диагностика технологических систем

система включает в себя специальные датчики с указанием мес­ та их установки для функционального диагностирования тепло­ вых, силовых и динамических параметров (рис. 13.15).

Температура при помощи термопар и термометров сопротив­ ления измеряется в наиболее характерных точках ТМ:

•подшипниках шпинделя (Т4 и Т5);

•обмотке электродвигателя привода главного движения (Т3);

•обмотках электродвигателей приводов продольной (Т2) и по­ перечной (Т2) подач.

Дополнительно может измеряться температура масла в сис­ темах охлаждения и смазки, автоматической коробке скоростей

и других местах.

Действующие значения токов в приводе главного движения 13, в приводах продольной 1Хи поперечной 12подач служат важ­ нейшими показателями процесса резания и измеряются датчи­ ками токов.

Давление Дх и Д2 измеряют в системах смазки и охлаждения станка при помощи датчиков давления.

Усилия Pi и Р2 в подшипниках шпинделя, измеряемые с ис­ пользованием тензометрических втулок, являются характерными показателями нагрузки. Усилие Р3 измеряется в опоре заднего центра, а усилие Р4 — в месте крепления инструмента на суп­ порте.

Моменты М3 и М4 на ходовых винтах приводов продольной и поперечной подач измеряются тензометрическими датчиками момента. Датчик момента М2 измеряет нагрузку на поворотной резцедержке. Регистрируемый момент силы служит показате­ лем работоспособности соответствующего узла станка как при резании, так и при смене инструмента. Датчик момента М1} ус­ тановленный на шпинделе, служит источником информации о динамических процессах резания.

Датчики бесконтактного типа Bj и В2, например вихрето­ ковые, установленные в двух взаимноперпендикулярных плос­ костях, контролируют траекторию вращения шпинделя и его радиальное биение на холостом ходу и в процессе обработки.

Вибрационные датчики Bj и В2 устанавливаются на шпин­ дельной бабке станка и на резцедержке. Первый датчик харак­ теризует работоспособность шпиндельного узла, а второй — виброустойчивость процесса резания.

Все измерительные сигналы выводятся на соответствующие модули устройства сопряжения. Далее при помощи интерфейса сигналы направляются на обработку в ЭВМ с использованием соответствующего методического, информационного и программ­ ного обеспечения.

Приведенное выше приборное обеспечение следует рассмат­ ривать в качестве рекомендуемого для предэксплуатационной диагностики и исследования параметров станка. Для условий эксплуатационной диагностики, исходя из экономических сооб­ ражений, некоторые датчики допускается не применять, посколь­ ку получаемая с их помощью информация в некоторой степени избыточна.

В процессе эксплуатации весьма важно определять состояние инструмента, степень его износа и целостности. Для выполнения данной функции станок может быть снабжен стационарной пози­ цией с индикатором контакта или вихретоковыми датчиками.

В МГТУ «Станкин» создан автоматизированный стенд для контроля и диагностирования круглошлифовального станка. В состав его измерительной системы включены следующие дат­ чики: электрической мощности в механизмах привода шлифо­ вального круга и заготовки; регистрации упругих перемещений шпинделя шлифовального круга; колебаний шпинделя шли­ фовального круга; радиального биения шпинделей; осевого пе­ ремещения шлифовальной бабки; перемещения правйльного инструмента; частоты вращения шлифовального круга и дета­ ли; радиального износа круга; температуры и др. Применение перечисленных датчиков позволяет наряду с приборами актив­ ного контроля управлять параметрами процесса шлифования и получать сведения о работоспособности круглошлифовально­ го станка в реальном масштабе времени. Другие типы станков требуют иной совокупности измерительной аппаратуры.

В ЭНИМС для исследований динамических характеристик станков с ЧПУ создан ряд автоматизированных комплексов с ком­ пьютерной обработкой измерительной информации. Например, автоматизированный комплекс модели КИМА-01 включает в себя вычислительный модуль КИМА-01.01, выполненный на базе микроЭВМ, и три дополнительных приборных модуля (рис. 13.16).

Приборный модуль КИМА-01.02 предназначен для измерения параметров геометрической точности и жесткости исследуемого станка, а также температуры его основных узлов.

КИМА-01.04 КИМА-01.01

Рис. 13.16. Структурная схема комплекса КИМА-01: ИА — измерительная аппаратура

Приборный модуль КИМА-01.03 служит для измерения ди­ намических и вибрационных характеристик станка.

Модуль КИМА-01.04 представляет собой универсальный мо­ дуль, в котором могут быть установлены первичные преобразова­ тели и приборы с аналоговым выходом, а также преобразователи для записи в постоянную память измеренных параметров со всех трех модулей.

При применении данного комплекса на исследуемом станке устанавливается приборная и датчиковая аппаратура, а при не­ обходимости — нагрузочные устройства. Датчики соединены с блоками приборных модулей, в которых измерительные сиг­ налы усиливаются, нормализуются, преобразуются в цифровую форму и передаются в микроЭВМ. Станок в процессе исследова­ ний может функционировать по установленной программе от системы ЧПУ. В процессе работы с использованием комплекса КИМА-01 в микроЭВМ вводится УП испытаний станка с ЧПУ. Процесс автоматизированных испытаний может осуществляться в полуавтоматическом и диалоговом режимах по командам опера­ тора. В вычислительном модуле осуществляется обработка инфор­ мации и оценка работоспособности станка. Обработанная ин­ формация при необходимости может быть выведена на экран ком­ пьютерного монитора или распечатана на бумажный носитель.

•волнистость и шероховатость обработанных поверхностей;

•предельно возможная глубина резания;

•время разгона и торможения приводов главного движения

иприводов механизмов подач;

•равномерность и кинематическая точность движения при­ водов, измеренная в динамике;

•динамические нагрузки и жесткость;

•спектр относительных колебаний;

•амплитудно-фазово-частотные характеристики (АФЧХ) про­ цесса резания;

•амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) процесса ре­ зания;

•формы колебаний;

•силы и ускорения, возникающие в процессах резания;

•акустические характеристики и др.

При возникновении колебаний в ТС происходят взаимные смещения инструмента и заготовки. Элементы ТС могут пере­ мещаться друг относительно друга в направлении подач и совер­ шать относительные вращательные движения. Например, если измерить с высокой (по сравнению с допуском на обработку) точностью обработанную заготовку, то можно получить весьма сложную форму профиля поверхности как в продольном, так и поперечном направлениях.

Колебания элементов станков возникают из-за действия пе­ риодически изменяющихся сил, обусловленных рядом факторов:

•отклонениями формы посадочных мест шпинделей и под­ шипников;

•неуравновешенностью (дисбалансом) роторов электродвига­ телей приводов, шпинделей и шлифовальнв1Х кругов;

•нестабильностью сил резания, возникающих из-за неравно­ мерности припуска у заготовок;

•нестабильностью механических свойств поверхностного слоя (из-за неоднородной микротвердости, наличия дефектов, присут­ ствия вблизи поверхности абразивных частиц).

Вынужденные колебания могут многократно усиливаться при совпадении частот действующих сил и резонансных частот эле­ ментов станка, инструмента и заготовки.

Источником колебаний могут стать и автоколебания, которые возникают при потере динамической устойчивости упругой ТС.

Автоколебания возникают при определенных соотношениях ко­ леблющихся масс, сил упругости, коэффициентов вязкого сопро­ тивления, в том числе при нелинейных видах данных характери­ стик. Колебательные процессы упругой ТС весьма сложны, трудно поддаются точным аналитическим расчетам, поэтому основными методами их исследования являются испытания и специальные эксперименты.

На рис 13.17, а приведены примеры возникновения огранки детали в процессе круглого шлифования, когда взаимные колеба­ ния шлифовального круга и заготовки приводят к периодиче­ скому колебательному отжатию их друг от друга, которое, склады­ ваясь с вращением заготовки, приводит к появлению многовер­ шинной огранки.

Рис. 13.17. Влияние динамических факторов на погрешности формы деталей:

а—круглое шлифование; б—контурное фрезерование; AK(£), A<i>(*)» Аз(£) — амплитуды колебаний шлифовального круга, фрезы и заготовки соответст­ венно

При контурном фрезеровании, когда количество зубьев у кон­ цевой фрезы относительно небольшое, происходит периодиче­ ское изменение сил резания, приводящее к колебаниям фрезы за счет ее упругого отжатия от заготовки (рис. 3.17, б). В резуль­ тате таких упругих колебаний на поверхности контура заготовки появляется волнистость, период которой, как правило, превы­ шает величину

В

где S2 — подача на зуб фрезы; tK— время контакта зуба фрезы с обрабатываемой заготовкой при съеме припуска.

Профессором В.А. Кудиновым установлено, что сила резания Р имеет некоторое запаздывание по отношению к мгновенной ве­ личине а среза стружки:

Р = Кра,

где Кр — величина жесткости колебательной системы при неко­ торой постоянной времени стружкообразования Тр.

Если предположить, что при обработке сила резания в про­ цессе колебаний ТС изменяется по экспоненциальному закону, то получим соответствие апериодическому звену в теории автома­ тического регулирования (управления). Тогда процесс динамиче­ ских колебаний при резании металлов опишется дифференци­ альным уравнением первого порядка:

Тр - dP/dt + Р = Кра.

Полученное уравнение можно записать в операторной форме:

{Тр+1)Р(р) = Кр(р),

где р — оператор Лапласа.

Передаточная функция апериодического звена для рассмат­ риваемого процесса резания

W„p(Р) = Р(р)М р) = Кр/(1+Трр).

Важными параметрами, характеризующими устойчивость ко­ лебательного процесса при резании, служат АЧХ и АФЧХ. По­ следняя строится в частотной форме при р = гео, где со — частота колебательного процесса при резании. Сделав некоторые преоб­ разования передаточной функции, получим:

Жпр = Кр/(1+Т/и?) - iKpTpiо/(1 + Tpw2) = Re- i l m,

где i — мнимая единица комплексного числа; Re— действитель­ ная составляющая комплексного числа, определяющего значения АФЧХ; 1,п— мнимая составляющая того лее комплексного числа.

График АФЧХ представляет собой полуокружность (рис. 13.18):

Постоянный временной параметр стружкообразования Тр для стали определяют по эмпирической формуле

Тр = 1...1,5а0£7у>

где а0— номинальная толщина срезаемой стружки; £ — величи­ на усадки стружки.

Более точно данные параметры можно определить экспери­ ментально.

Для произвольного момента времени модуль комплексного чис­ ла равен:

A % = % + I m2 .

Величина plj?представляет собой сдвиг фаз между веществен­ ной частью мнимого числа и его модулем (рис. 13.18).

Теоретическая АФЧХ (кривая 1) может не совпадать с полу­ ченной экспериментально (кривая 2). Заштрихованные области соответствуют зонам потери устойчивости при резании.

АЧХ определяется графиком колебаний в координатах: ампли­ туда А и частота /(со), которая выражает спектральную характери­ стику колебательной системы станка (рис. 13.19). АЧХ определяют­ ся экспериментально специальными приборами {спектральными анализаторами) или с использованием компьютерных методов обработки измерительной информации.

На графике приведены сравнительные АЧХ двух станков, за­ штрихованные области под которыми соответствуют превыше-

Рис. 13.19. Спектральная характеристика (АЧХ) передней бабки токарных станков с ЧПУ (1-3) после наработки:

1 — АЧХ станка 1 с амплитудой колебаний Ai > 1 мкм; 2 — АЧХ станка 2 с амплитудой колебаний Аг < 0,7 мкм; 3 — АЧХ станка 2 после некоторой наработки

нию амплитуд колебаний на некоторых частотах установленным пределам в 0,5 и 1 мкм. Зная экспериментальную АЧХ, можно регламентировать частоты вращения шпинделя при обработке, а также проводить диагностику динамического состояния станка при изменении его состояния в результате накопления повреж­ дений. Кривая 3 соответствует изменению АЧХ кривой 2 после некоторой наработки станка.

При диагностировании состояния ТМ следует проводить их динамические испытания, в процессе "которых устанавливаются зоны наибольших колебаний и наиболее характерные точки из­ мерений, т.е. места расположения датчиков виброскорости и виб­ роускорения. В процессе испытаний весьма важно иметь возмож­ ность определить зависимости между характером изменения АЧХ и возможными повреждениями или отказами ТО.

Спектральные характеристики можно получать от постоян­ но размещенных датчиков и вести математическую обработку их показаний. Однако чаще всего такая диагностика выполня­ ется периодически с использованием переносных приборов та­ кого класса, которые снабжаются МП для обработки результатов измерений и средствами отображения в виде жидкокристалличе­ ских индикаторов или цифропечатающих устройств. Подобные

приборы имеют интерфейс для передачи результатов измерений

впамять ПК, использование которого позволяет находить кор­ реляционные характеристики между АЧХ в характерных точ­ ках и изменением работоспособности ТМ.

Использование КИТ позволяет передавать эксперименталь­ ные данные на удаленные компьютеры по локальным каналам связи (ЛКС). Это создает возможность централизованного про­ гнозирования состояния элементов ТС с высокой точностью и достаточной достоверностью на основании данных, получаемых'

впроцессе диагностических процедур.

Весьма информативны и контрольно-диагностические изме­ рения форм колебаний как подвижных элементов станков, так и их корпусных частей — шпинделей, передней бабки, коробок скоростей и подач (рис. 13.20)..

Рис. 13.20. Формы колебаний элементов токарного станка с ЧПУ: 1-7 — колебания шпинделя; 8-10 — колебания передней бабки

Измерения параметров и характеристик подвижных элементов станков проводятся с использованием быстродействущих датчиков линейных перемещений, сконструированных на различных фи­ зико-технических принципах (индуктивных, электромагнитных, вихретоковых, оптических). Измерения колебаний корпусных и других неподвижных элементов станков проводят с использо­ ванием датчиков виброускорений. При необходимости функцио­ нальные зависимости виброускорений могут быть проинтегриро­ ваны с целью получения значений виброскоростей и перемещений. По формам и амплитудам колебаний определяются действующие