Экспериментальные методы исследования виброустойчивости станков

 

Для оценки виброустойчивости станков в лабораторных и производственных условиях используют следующие методы исследований: по предельной стружке, по АФЧХ, по изменению коэффициента устойчивости и др. [26] . Первые два получили наибольшее распространение.

1. Исследование виброустойчивости станков по предельной стружке.Его выполняют в процессе резания. Создают реальные условия нагружения и работы подвижных соединений, исключают погрешность, связанную с линеаризацией системы.

Предельной стружкой считают максимальную ширину (глубину) среза, при которой работа осуществляется без вибраций. Предельную стружку определяют для каждого из фиксированных параметров резания или конструкции станка (скорости резания, подачи, вылета оправки и др.) при последовательном увеличении ширины (глубины) резания до момента интенсивного роста колебаний.

Схема измерения колебаний с использованием светолучевого осциллографа O приведена на рис. 132, а.

Деталь 1 обрабатывают по цилиндрической поверхности проходным или широким резцом. Колебания регистрируют индуктивными преобразователями 2, установленными с зазором d=0,4 мм симметрично по отношению к заготовке (шпинделю). Оба преобразователя являются активными, их включают в полумост, вторая часть которого встроена в усилитель У.

На осциллограмме (рис. 132, б) приведена запись колебаний заготовки с амплитудой A_в, на фоне которых четко просматривается биение шпинделя с амплитудой A_б и более низкой частотой. Вторая кривая представляет собой запись переменного тока частотой 50 Гц и используется как отметчик времени.

Частоту колебаний заготовки определяют по отрезкам l_n,l_m, которые содержат соответственно n и m периодов колебаний:

.

Амплитуду колебаний A_в определяют при тарировке изменением зазора d.

Для определения предельной ширины резания b_пр, например, в функции скорости резания v, при каждом фиксированном значении v_i ширину резания b увеличивают до тех пор, пока измеренная амплитуда колебаний A_в не достигнет допустимого значения A_д . Условию  соответствует предельная ширина резания:

для v₁ задают ряд b₁, b₂,…,b_1пр;
для v₂ задают ряд b₁, b₂,…,b_2пр;
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
для v_n задают ряд b₁, b₂,…,b_nпр.

По точкам v_i — b_iпр строят границу устойчивости (рис. 133).

 

 

Периодическое возникновение и исчезновение колебаний свидетельствует о кинематических или конструктивных недостатках в станке, в частности о неудовлетворительном контакте конуса оправки.

Одним из методов поиска причин низкой виброустойчивости станков является определение форм колебаний, характеризующих пространственную деформацию станка. Под формой колебаний станка понимают совокупность отношений перемещений колеблющихся точек к какой-либо отдельной точке упругой системы, полученных в определенный момент времени. Для снятия формы колебаний выбирают опорную точку, с которой сравнивают колебания всех остальных.

Возбуждение колебаний осуществляется резанием в наиболее виброопасном режиме, измерение – индуктивными или проволочными преобразователями. Относительные амплитуды колебаний наносят на контуры станка. Дальнейшему исследованию подлежит тот элемент станка, где отклонения наибольшие.

 

83 Исследование виброустойчивости станка по АФЧХ динамической системы

 

Исследование виброустойчивости станков по АФЧХ ДС.

 Наиболее точно АФЧХ определяют экспериментально. В ЭНИМСе разработаны методика и средства измерения частотных характеристик ЭУС и ПР [26] , которые позволяют прослеживать влияние отдельных конструктивных и технологических параметров на устойчивость станка.

Характеристика эквивалентной упругой системы должна определяться на работающем станке или на холостом ходу. В последнем случае сохраняется подвижность соединений, и допускаемая погрешность невелика. Но в обоих случаях возникают трудности в создании внешней нагрузки и измерении относительных смещений между подвижными звеньями станка: инструментом и заготовкой.

На практике часто характеристики W_ЭУС определяют на неработающем станке. Погрешность будет тем меньше, чем меньше влияние подвижных соединений упругой системы во всем или каком-либо частотном диапазоне. При значительном влиянии подвижных соединений наибольшие отклонения от действительной характеристики будут по амплитуде и фазе колебаний и наименьшие по собственной частоте [26] .

 

При снятии статической характеристики K_ЭУС нагрузка во времени постоянна. Методика и приборы те же, что и при экспериментальном определении жесткости станков. Если нагрузку между конечными звеньями станка P₀, несущими деталь и инструмент, направить по равнодействующей сил резания, а отжатие y₀ измерять по нормали к обработанной поверхности, то после линеаризации статическую характеристику определяют из соотношения

.

С помощью двухкоординатного самописца ПДС-021 характеристику можно строить автоматически.

 

При определении динамической характеристики ЭУС на несущие конструкции воздействует переменная во времени нагрузка — входная координата. В качестве выходной координаты принимают относительные упругие смещения тех же конструкций. Направление нагружающей силы и измеряемых упругих смещений сохраняются такими же, как и при снятии статической характеристики.

Блок-схема установки для снятия АФЧХ ЭУС металлорежущих станков показана на рис. 83.1. Силовое воздействие на упругую систему станка осуществляют по синусоидальному закону электромагнитным вибратором В и регистрируют преобразователем силы ПС. Относительные смещения несущих конструкций регистрируют преобразователем перемещения ПП.

 

 

	Рисунок 83.1- Блок-схема установки для определения АФЧХ ЭУ станков

 

 

Вибратор и преобразователь перемещения, в соответствии со схемой определения статической характеристики, жестко крепят на суппорте (столе) станка, а оправку 1 — в шпинделе.

Вибратор имеет две катушки: постоянного и переменного тока. Катушка постоянного тока питается от источника ИПТ и создает постоянную составляющую нагрузки, величина которой зависит от предварительного натяга в системе и силы резания, характерной для данного типа станка. Катушка переменного тока питается от частотного преобразователя ЧП и создает переменную составляющую нагрузки для возбуждения вынужденных колебаний. Амплитудное значение переменной нагрузки должно быть минимальным и определяется чувствительностью аппаратуры.

Частотный преобразователь должен обеспечивать диапазон частот 20–600 гц для легких и средних станков, синусоидальную форму напряжения и дискретность регулирования частоты 0,5 Гц. На схеме рис. 83.1 частоту регулируют звуковым генератором ГЗ-33, сигнал от которого усиливается трансляционным усилителем ТУ-600. От преобразователей ПП и ПС сигнал через усилитель У, фильтр Ф и генератор И подается на фазочувствительный вольтметр ФВ и электронный осциллограф О. Показания индикаторов вольтметра соответствуют координатам Re_ЭУС и Im_ЭУС АФЧХ исследуемого станка.

Перемещения и силы измеряют индуктивными и тензометрическими преобразователями. Силу можно измерять через измерительную обмотку вибратора. Наблюдение и контроль за формой сигналов осуществляют по осциллографу.

При снятии АФЧХ станка применяют бесконтактный или контактный вибратор: первый при вращающемся шпинделе, когда сохраняется подвижность соединений в несущих конструкциях, второй на неработающем станке.

Общий вид бесконтактного вибратора 1, установленного на столе координатно-расточного станка мод. КР-450, показан на рис. 135, а.

При работе станка наблюдаются быстропротекающие колебательные процессы-вибрации. Они отрицательно влияют на точность и шероховатость поверхности обрабатываемых деталей, уменьшают долговечность и ухудшают технологические возможности станка. В станках имеют место следующие виды колебаний. Свободные колебания возникают под действием кратковременной возмущающей силы, например, при пусковых и переходных процессах. Вынужденные колебания возникают под действием внешней периодической силы, например, от моментов вращающихся частей станка или при строгании, фрезеровании. Автоколебания, т. е. незатухающие, самоподдерживающиеся колебания при резании возникают под действием периодической возмущающей силы резания при сдвиге слоев обрабатываемого материала.

Параметрические колебания возникают при наличии какого-либо переменного параметра, переменной жесткости детали или узла станка, создающего эффект, аналогичный действию периодической возмущающей силы. Уравнение свободных колебаний имеет вид , где m – масса системы; d – коэффициент демпфирования сопротивлением трения; k – жесткость системы;  – соответственно перемещение, скорость и ускорение системы. Отношение  называют логарифмическим декрементом затухания колебаний;  – собственной частотой колебаний; относительным демпфированием или декрементом затухания.

Относительное демпфирование является показателем степени виброустойчивости системы:  – сильное демпфирование;  – критическое демпфирование;  – слабое демпфирование. При сильном и критическом демпфировании колебание имеет апериодический характер, т. е. затухает сразу, не переходя за положение равновесия. При слабом демпфировании колебания затухают по экспоненциальному закону , т. е. отношение амплитуд за время  равно  (рис. 217, б), где T – период колебания, n – число колебаний за период уменьшения амплитуды до заданной. Логарифмируя отношение амплитуд, находим  и декремент затухания при . При сильном и критическом демпфировании . Уравнение вынужденных колебаний , где F – возмущающая сила, w – круговая частота действия возмущающей силы.

 

 

При вынужденных колебаниях во избежание резонанса собственная частота системы не должна совпадать по величине и фазе с вынужденной частотой. Для оценки виброустойчивости системы применяют амплитудно-фазовый частотный метод. Он заключается в сообщении, например, шпинделю станка периодических вынужденных колебаний от генератора колебаний (рис. 217, а) и в записи на осциллограмме при помощи вибродатчика колебаний системы. Они, как правило, отличаются по амплитуде и по фазе от колебаний генератора (рис. 217, в). При периодическом изменении частоты генератора сравнивают амплитуды колебаний на входе и выходе системы A_ВЫХ/A_ВХ и сдвиг колебаний по фазе j. Затем строят амплитудную  и фазовую j  характеристики в зависимости от частоты колебаний ω (рис. 217, г). Совмещение амплитудной и фазовой частотных характеристик в иррациональной Im и реальной Re координатах позволяют получить амплитудно-фазовую частотную характеристику АФЧХ (рис. 217, д). Радиус-вектор кривой АФЧХ характеризует отношение амплитуд, а угловое положение φ относительно положительного направления оси Re – угол сдвига фаз колебаний. Значение –1 на вещественной оси Re означает совпадение амплитуд колебаний и сдвиг по фазе φ = 180°. Это соответствует резонансу. Для устойчивости упругой системы необходимо, чтобы кривая АФЧХ не охватывала –1 на оси Re.

 

84 Определение АФЧХ УС методом гармонического возбуждения

 

Основа метода - создание на входе исследуемого     элемента гармонического воздействия, при этом на выходе элемента получают гармоничес­кий сигнал той же частоты, но другой амплитуды и фазы (для линейных или линеаризованных систем). Применительно к УС станка входным воздействием является сила резания, а входным сигналом - относительные кoлебания между инструментом и заготовкой.

Источником нагружения и возбуждения колебаний служат вибраторы, основные типы которых описаны в работе [5].

Блок-схема комплекса аппаратуры П-О1М [I] показана на рис.21.

ЭВМ по программе AFH через интерфейсный блок и блок управления задает на генераторе синусоидальный сигнал требуемой частоты и амплитуды, который после усиления поступает на обмотку переменного тока вибратора. Источник постоянного тока обеспечивает получение постоянного усилия вибратора. Параметры вибрации измеряют либо одним датчиков относительных колебаний либо двумя датчиками абсолютных колебаний. Сигналы датчиков через усилители поступают на АЦП и далее в ЭВМ.

Переменная сила определяется с помощью измерительной катушки вибратора. Сигнал силы интегрируется и подается через АЦП в ЭВМ.

Частота опроса каждого сигнала составляет 1000...2000 Гц. При час­тоте опроса 1000 Гц число точек вводимых сигналов задают 512, а при час­тоте 2000 Гц - 1024. При этом обеспечивается дискретность задания АФЧХ около 2 Гц.

Блок-схема программы AFH обработки сигналов силы и колебаний

УС станка дана на рис.22.

 

         

Рис.22. Структура программы AFH.

 

Возможны два алгоритма задания частот возбуждения: жесткий и адап­тивный.

При жестком алгоритме частота возбуждения изменяется по определен­ному закону независимо от результатов измерения. Закон изменения обыч­но задают в виде арифметической прогрессии либо в виде таблицы фиксированных частот, полученной по результатам предварительных экспериментов.

При адаптивном алгоритме следующее значение частоты задается в зависимости от полученного значения АФЧХ на текущей частоте. Используют два вида адаптивного алгоритма.

В первом алгоритме частота увеличивается с постоянным (большим) шагом до перехода через резонанс. Затем частота уменьшается до преды­дущего значения и проходит резонанс с мелким шагом.

Во втором алгоритме анализируется расстояние на графике АФЧХ меж­ду текущей и предыдущей точкой. Если эго расстояние меньше некоторого заданного значения, то дается новое приращение частоты с большим ша­гом, если больше, то шаг частоты уменьшается в два раза и т.д.

Величина напряжения на выходе генератора задается в блоке 3. Эго напряжение должно обеспечить постоянство возбуждающего усилия во всем рабочем диапазоне частот. Закон изменения напряжения подбирается опыт­ным путем при градуировке вибратора.

Значения частоты и напряжения в виде кодов поступают на ШФ 015-83 ЭВМ и далее через блок управления на генератор сигналов ГЗ-110 (блок 4).

Сигналы силы Р и колебаний у1, у₂ вводятся в память ЭВМ (блок 5). Затем выполняется графический контроль сигналов (блок 6).

Для получения сигнала относительных колебаний вычитают сигналы у1 , и у₂. Если колебания измеряют датчиком относительных колебаний, во вычитание не производится .

Для сигналов Р и у выполняется быстрое преобразование Фурье (блок 8), и по спектру силы определяют максимальную амплитуду и соот­ветствующую ей дискретную частоту спектра  . Эта частота с точ­ностью ±1 Гц совпадает с заданной частотой возбуждения  . Для часто­ты    рассчитываются действительная и мнимая части АФЧХ:

 

 

;   

где , , , - действительная и мнимая части спектров Р и  соответственно на частоте.

Далее выполняется амплитудная и фазовая коррекция АФЧХ на основе градуировочных графиков каналов измерения вибраций (блок 10).

Больше фазовые искажения дают вибродатчики абсолютных колебаний (рис.23). При градуировке должны учитываться амплитудные и фазовые характеристики канала измерения, включающего вибродатчик усилитель, мультиплексор каналов и АЦП. Градуировочные графики описываются аналитическими зависимостями, которые вводят в память ЭВМ и используют для коррекции АФЧХ УС.

 

                                                                                                          f, Гц

 

Рис.23. Фазовая характеристика датчика абсо­лютных колебаний:

• - эксперимент; — - кусочно-линейная ап­проксимация на участках I и II

 

Текущие точки АФЧХ выводятся на экран графического дисплея. После прохождения по всем частотам параметры АФЧХ печатаются в протоколе испытаний, а ее график выводится на графопостроитель.

 

 

 

Рис.24. АФЧХ УС токарного станка: а -ветви детали; б - ветви инстру­мента; в – суммарная

 

 

При измерении колебаний двумя датчиками абсолютных колебаний име­ется возможность не вычитать сигналы датчиков, а получить две АФЧХ ло каждому сигналу отдельно:

 

W1=y1/P: W2=y2/P,

 

 и затем суммарную АФЧХ: W=W₁+W₂.

 

Промежуточные АФЧХ W1, a W₂ могут дать полезную информацию о ро­ли ветвей детали и инструмента в формирования АФЧХ УС станка. На рис.24 показаны АФЧХ ветвей детали и инструмента для токарного станка.

 

85 Определение АФЧХ методом импульсного возбуждения

Источником импульсного нагружения является динамометрический мо­лоток (рис.25). Молоток состоит из корпуса 2, внутри которого нахо­дится силоизмерительный цилиндр 4. Для измерения силы используют тензодатчики 3, наклеенные на цилиндр.

Рис.25. Динамометрический молоток

Спектральные характеристики импульсного воздействия зависят о т ве­личины сменной массы J и материала бойка 5.

Структура комплекса аппаратуры, реализующей рассматриваемый метод, показана на рис.26.

К испытуемому объекту прикладывают серию импульсных воздействий: сначала к ветви детали, затем к ветви инструмента. Сигналы опрашива­ются с частотой 2000 Гц;

Блок-схема программы обработки сигналов дана на рис.27.

Программа начинается циклом по точкам приложения возбуждавшего усилия (ветвь детали и ветвь инструмента). Три сигнала Р ,у1 и у2 вводятся в память ЭВМ в блоке 2. Затем сигналы индицируются на графи­ческом дисплее.

Каждый вибросигнал состоит из нескольких переходных процессов; соответствующих серия импульсов. Промежутки между переходными процес­сами совпадают с паузами между ударами. Совокупность трех переходных процессов» соответствующих одному и тому же удару, образуют выборку (рис.28). Таким образом, в выборке исключаются промежутки между уда­рами. Каждая выборка подвергается быстрому преобразованию Фурье само­стоятельно.

Просматривая на экране дисплея графики вибросигналов, определяют длительность выборки, приблизительно равную длительности переходного процесса, начало каждой выборки и число выборок.

Рис.26. Блок-схема комплекса аппаратуры для определения АФЧХ

методом импульсного возбуждения:

I - вычислительный модуль; 2 - приборный модуль

 

 Рис.27. Структура программы определения АФЧХ

 

Для получения отно­сительных колебаний  выполняют вычитание сигналов , и  (блок 4). Для кадкой пары сигналов выборки выполняют быстрое преобразова­ние Фурье (блок 6) и вычисляют автоспектры сигналов , и действительные и мнимые части взаимного спектра

 

                                         

 по формулам

 

;  ;

 

; .

                    

Затем производится осреднение (блок 8) спектров по выборкам и при этом получают спектры

, , и .

Полученные спектры используют для расчетов действительной R и

Выборка1                пауза    выборка2

 

                                                                                                     время

 

Рис.28. Формирование выборок из вибрацион­ных сигналов

 

мнимой I частей АФЧХ (блок 9)

 

;         .

 

Коррекция АФЧХ (блок 10) выполняется так же, как описано в пре­дыдущем разделе.

87.1 Диагностика станков. Способы технического диагностирования

Система технического диагностирования

Повышение степени автоматизации и расширение функциональных возможностей современного автоматизированого технологического оборудования, особенно станков с ЧПУ и построенных на их основе ГПМ и ГПС, значительно усложняют их конструкцию и, как

следствие, усложняют их техническое обслуживание и особенно поиск причин отказов этого оборудования в процессе эксплутации.

Если в обычном, часто достаточно простом, технологическом оборудовании причин отказов, как правило, мало и они часто известны или легко определяются, то в современных высокоавтоматизированных станках, включающих в себя взаимодействующие механические, гидравлические, пневматические, электрические и электронные механизмы, устройства, блоки, причин отказов может быть очень много, и их нахождение требует значительных затрат времени и средств. Вследствие возникающих при этом значительных простоев снижается производительность работы этого дорогостоящего

Оборудования. Вследствие возникающих при этом значительных простоев снижается производительность работы этого дорогостоящего оборудования. Такие проблемы усложняются дополнительно в связи с более интенсивной эксплуатацией таких станков, работающих часто в три смены при минимальном количестве обслуживающего персонала.

Обработка заготовок благодаря применению современных режущих инструментов проводится на более высоких режимах резания, чем раньше что увеличивает нагрузки на различные механизмы и устройства станков.

Все это приводит к большей вероятности отказов в работе самих станков и его систем управления, требует значительного времени на поиск причин этих отказов.

Как показывает практика, причины целого ряда отказов могут быть очень несущественными, легко и быстро устранимы, а времени их поиска часто на порядок больше, чем время для их устранения, даже и для высококвалифицированного наладчика или оператора. Поэтому все более широкое применение получают системы технического диагностирования, особенно на современных станках с ЧПУ а также в ГПМ и ГПС.

Техническая диагностика станков

       Для оценки состояния станка в процессе эксплуатации, его работоспособности (на различных этапах жизненного цикла) и выявления тех причин и элементов станка, которые оказывают основное влияние на изменение его выходных параметров, применяют техническое диагностирование.

       Различают два направления диагностики станков:

- предэксплуатационная диагностика новых образцов;

- диагностика в процессе эксплуатации.

Диагностика (от греческого diagnostikos – способный распознавать).

       Техническая диагностика – установление и изучение признаков, характеризующих наличие дефектов в машинах, устройствах для предсказания возможных отклонений в режимах их работы или состояниях, а так же разработка методов и средств обнаружения и локализации дефектов в технических системах.

       Техническая диагностика осуществляется при помощи диагностической аппаратуры, она является важнейшим средством обеспечения и поддержания надежности станков.

       Предэксплуатационная диагностика является элементом комплексных испытаний опытных образцов станков и признана выявить слабые места конструкции, указать основные причина, вызывающие недопустимые отклонения выходных параметров.

       Эксплуатационная диагностикасвязана с тем, что имеется широкий диапазон условий и режимов эксплуатации, вариация начальных показателей качества станка, которые обеспечивают различные скорости потери станком работоспособности и соответственно, времени достижения предельного состояния. Поэтому весьма важно иметь методы и средства для оценки технического состояния станка, выявления причин нарушения работоспособности, установления вида и места возникновения повреждений.

       Применение диагностики в процессе эксплуатации станка накладывает свой отпечаток на методы и средства диагностики, которые должны быть удобны для применения в заводских условиях, обеспечивать осуществление процесса диагностирования в минимальное время, обладать достоверностью показаний, осуществлять контроль без разборки и без нарушения работы механизма, быть экономически целесообразными. В этом случае конструкция станка должна быть приспособлена для диагностики: либо иметь встроенные приборы, оценивающие его параметры (давление в гидросистеме, температуру энергонапряженных узлов, точность движения, скорость и т.д.), либо периодически подключаться к специальному устройству, осуществляющему контроль основных параметров станка и дающему заключение о его состоянии.

87.2 Измерение и анализ диагностических сигналов

Диагностические процедуры, которые осуществля­ются при программном методе испытания, призваны вы­явить причины и источники тех или иных отклонений от заданных движений рабочих органов станка, т. е. найти взаимосвязи между выходными параметрами станка и конструктивно-технологическими параметрами его элементов. В качестве диагностических признаков (параметров технического состояния объекта), которые контролируются в процессе испытания, могут быть при­няты выходные параметры станка, повреждения, воз­никающие при эксплуатации станка, и косвенные приз­наки, характеризующие его состояние (см. гл. I).

При программном методе испытания за выходные параметры станка приняты параметры траекторий опорных точек. Поэтому их анализ дает первую инфор­мацию о возможных причинах появления погрешностей в работе станка. Наличие высокочастотных составляю­щих траекторий свидетельствует о вибрациях в станке, а основная причина смещения всей совокупности траек­торий связана, как правило, с тепловыми деформациями станка и т. д. (см. рис. 7).

Оценка повреждений, возникающих при эксплуата­ции станка, часто позволяет вскрыть причину тех или иных погрешностей его работы. Однако при непродолжительных испытаниях не проявляется такой мощный источник нарушения работоспособности станка, Как из­нос его влияние при программном методе испытания лишь прогнозируется. Здесь в качестве диагностических признаков можно использовать повреждения, связанные лишь с быстропротекающими процессами и процессами средней скорости (см. рис. 1). Это в первую очередь, силовые и тепловые деформации станка. Измерение деформаций в процессе испытания станка и их сопо­ставление с системой действующих сил или с парамет­рами температурных полей (которые являются косвен­ными диагностическими признаками) с одновременным измерением выходных параметров ставка — параметра­ми траекторий позволит выявить основные источники и причины возникновения погрешностей станка. Косвен­ные диагностические признаки, которые контролируют­ся в процессе испытания, функционально связаны с работоспособностью станка и отражают изменения, происходящие в станке при его функционирова­нии.

Косвенными диагностическими признаками могут служить акустические сигналы, температурные поля, изменения давлений в систему показатели динамичес­кого состояния системы (фазовые и частотные характе­ристики) и др. [3, 6, 35].

При осуществлении процесса диагностирования большое значение имеет информативность того сигнала, который поступает от соответствующего преобразова­теля. Различные диагностические сигналы несут нео­динаковую по объему информацию и поэтому требует­ся оценить возможности сигнала и выбрать наиболее целесообразную его форму.

Диагностический сигнал (значение выходного пара­метра, степень повреждения или косвенный признак) может иметь различный характер. Наиболее простым является случай, когда данное показание датчика непосредственно характеризует состояние объекта, точ­ность измерения достаточно велика и можно не учиты­вать влияние посторонних факторов. В этом случае по величине сигнала можно судить о вкладе данного эле­мента в нарушение работоспособности станка.

Например, измерение давления в гидросистеме поз­воляет делать вывод о правильном ее функционировании, так как падение давления ниже нормы свидетель­ствует о возрастании утечек (или о разрушении элементов при падении давления до нуля), а возрастание давления говорит о засорении или облитерации каналов, заклинивании плунжеров или других недопустимых явлениях.

Однако в ряде случаев, особенно при суждении об отказе по косвенным признакам, на данный сигнал могут оказывать влияние не только характеристики данного элемента или узла, но и посторонние факторы (помехи), искажающие полученную информацию.

Например, при оценке работоспособности шпиндельных опор качения по температуре масла следует иметь в виду, что повышение температуры может быть связа­но не только с состоянием подшипника, но и с повышен­ными нагрузками, влиянием внешних источников теп­лоты, засорением гидросистемы, ухудшением смазки и другими явлениями.

В этом случае для повышения достоверности показаний необходимо иметь группу признаков, характери­зующих степень нарушения работоспособности, — «синдром состояния» с тем, чтобы по их сочетанию оценивать действительное состояние объекта. Так, если при диагностике подшипника одновременно с измере­нием температуры контролировать и точность его вра­щения или уровень вибраций, то вероятность правиль­ного диагноза значительно повысится.

Значительно большую информацию, чем показания первичного преобразователя, дающего численное зна­чение данного параметра, несет сигнал в виде функцио­нальной зависимости. Такими сигналами будут, напри­мер, законы изменения тепловых полей объекта, изменения сил или крутящих моментов за цикл работы механизма, вибраций, возникающих в системе, ампли­тудно-частотные характеристики системы, виброакусти­ческие сигналы и т. п. Анализ этих функций, спект­ральный анализ процессов вибрации или акустических сигналов и другие методы оценки функций позволяют из одного сигнала выделить ряд составляющих, харак­теризующих состояние различных элементов или узлов стайка.

Таким образом, сигнал от одного преобразователя, но выдаваемый в виде реализации некоторой законо­мерности, может заменить показания целого ряда при­боров, определяющих дискретные значения отдельных параметров.

Более сложный случай имеет место при такой фор­ме диагностического сигнала, когда он содержит как систематические, так и случайные составляющие и в общем виде описывается некоторой случайной функци­ей. Случайная функция является обычно нестационар­ной и неэргодической, а ее детерминированная состав­ляющая для механизма имеет период, равный периоду цикла его работы. В этом случае диагностирование слабых мест может быть осуществлено путем спект­рального анализа случайной составляющей исследуе­мого параметра и разложением в ряд Фурье неслучай­ной составляющей.

При диагностировании более широкие возможности имеются при одновременном анализе входных и выход­ных параметров механизма или станка в целом. Это позволит определить, где находится источник отклоне­ний (флуктуации) выходного параметра, и установить взаимосвязь между изменениями в характере диагно­стического сигнала и работоспособностью изделия.

Современный металлорежущий станок является сложным объектом, с большим числом взаимосвязей, широкой номенклатурой выходных параметров, работающий в разнообразных условиях эксплуатации и при различных режимах.

При диагностировании сложных объектов возникает ряд дополнительных задач. Во-первых, необходимо установить номенклатуру основных диагностических сигналов S₁, S₂, .., S_k с тем, чтобы они характеризовали работоспособность исследуемого станка. Во-вторых, по набору этих данных необходимо сделать вывод о тех­ническом состоянии станка и необходимости совершен­ствования его конструкции или о времени, в течение которого станок сможет сохранить свою работоспособ­ность по параметрам точности. В-третьих, необходимо разработать систему технического диагностирования, которая включает технические средства, а также алго­ритм диагностирования, т. е. совокупности предписаний о проведении диагностирования и выбор метода диагностирования (функциональное или тестовое).

Эти вопросы решаются обычно на основе общих положений технической диагностики [3, 25, 31], теории надежности машин [38] и с использованием моделей отказов (см. гл. 7).    

При разработке систем и методов диагностирования сложного объекта основываются на аналитических или графоаналитических представлениях основных свойств изделия в виде так называемых диагностических моде­лей. Они могут быть представлены в векторной форме, в виде системы дифференциальных уравнений или пе­редаточных функций, связывающих входные и выходные параметры. Для диагностической модели за входной параметр х можно принять значение показателя каче­ства изделия — вектора, составляющим которого являются параметры станка х₁, х₂,... х_l, а за выходной параметр — диагностический сигнал S. Входным пара­метром может быть также тот комплекс воздействий, который соответствует данному режиму работы станка при n-м цикле его испытаний (рис. 24).

В общем случае в векторной форме

x=AS,

где A — оператор, характеризующий те преобразования, которые необходимо осуществить с величинами S, что­бы получить параметр х.

Раскрытие этих связей и разработка системы диаг­ностирования сложного объекта может осуществляться двумя основными методами или их комбинацией.

Первый метод диагностирования заключается в по­лучении большого числа сигналов, характеризующих работу отдельных узлов и элементов станка, на осно­вании которых делается заключение о его состоянии. Показания этих сигналов должны быть обработаны по специальной программе с тем, чтобы определить влия­ние характеристик элементов станка на его выходные параметры, т.е. определить оператор А. Полученные данные позволят предпринять целенаправленные дейст­вия по улучшению выходных параметров станка.

Второй метод диагностирования заключается в при­менении процедур, которые позволяют судить о состоянии машины по параметрам какого-либо динамическо­го процесса, связанного с функционированием механизмов и отражающего состояние машины. Такой процесс можно разложить на составляющие и получить необхо­димую информацию о работоспособности отдельных механизмов. При этом в процессе возможно использовать всего один преобразователь или, во всяком случае, ограниченное число диагностических сигналов. Приме­ром такого подхода могут служить методы акустической диагностики механических систем [35].

При работе механизмов происходят удары, возбуж­дающие в материале упругие колебания, которые ре­гистрируются соответствующими измерительными пре­образователями. Поскольку при возбуждении колебаний одновременно всеми кинематическими парами машины образуется единое волновое поле, основная задача при диагностировании этим методом заключается в разделении суммарного сигнала на составляющие, так чтобы можно было оценить вклад каждой кинематической пары. В большинстве случаев решение этой задачи облег­чается тем, что каждая кинематическая пара характе­ризуется определенной частотой импульсов, зависящей от типа механизма, скорости или периодичности его работы, а также от длительности существования этих импульсов. Кроме того, между интенсивностью импуль­сов и состоянием пары имеется, как правило, функцио­нальная связь.

При проведении испытаний станка по программному методу применяют оба метода диагностирования.

При использовании в качестве диагностического признака характеристик теплового поля станка обычно используют первый метод диагностирования, когда диагностические сигналы получают от отдельных тер­мопар путем их последовательного опроса через за­данные промежутки времени. На основании этих дан­ных можно оценить параметры исследуемого теплово­го поля станка и выявить динамику его изменения. Для получения единой картины динамики тепловых полей и подтверждения правильности выбора точек для фик­сации температуры с успехом используют тепловизо­ры — приборы, регистрирующие инфракрасные (тепло­вые) излучения. Тепловые воздействия оказывают большое влияние на точность прецизионных металлорежущих станков и поэтому целесообразно использовать тепловые поля для выявления причин изменения во времени выходных параметров станка.

На рис.25 на примере шпиндельной бабки многооперационного станка показана схема процесса диагно­стирования при программном методе испытания с использованием информации, которую несут тепловые поля станка. Шпиндельная бабка перемещается по на­правляющим скольжения от привода винт — гайка качения и одним из ее выходных параметров являются характеристики траектории опорной точки, располо­женной на переднем торце бабки.

Основными источниками тепловыделения являются опоры шпинделя, особенно передняя, где выше нагрузки и влияет теплота от процесса резания, направляю­щие скольжения, приводные механизмы. При располо­жении термопар следует это учитывать. Информация, полученная от опроса термопар, и анализ динамики из­менения во времени температур отдельных точек узла позволяют определить параметры теплового поля, в первую очередь получить его изотермы.

Изменение во времени t параметров теплового по­ля, например разности Dθ температур θ_max и θ_min между наиболее и наименее напряженными точками корпуса Dθ = θ_max - θ_min позволит дать представление и о соот­ветствующих тепловых деформациях, а при необходи­мости измерить и их. Одновременно с этим определя­ются параметры траектории ползуна, например, при помощи оптико-электронного (лазерного) прибора, описанного выше (см. п. 12).

Измеряя параметры каждой реализации траектории, получим характеристику всей совокупности, и в пер­вую очередь смещения траектории Dx, которое, как правило, связано с тепловыми полями.       

Сравнение выходных параметров с соответствующими диагностическими сигналами позволяет оценивать влияние тепловых полей и устанавливать зависимость (детерминированную или стохастическую) между ни­ми.                                           

Согласно методике программного испытания эти зависимости должны рассматриваться при работе стан­ка в различных режимах силового и теплового нагружения. Это осуществляется программными нагрузочны­ми устройствами, которые рассмотрены в гл. 4.

Испытание с применением программных нагрузочных устройств является по существу тестовым диагностированием, когда изучается реакция объекта на различные внешние воздействия.

 

87 а Структура и оснащение измерительно-диагностическогокомплекса

 

Для выполнения тех функций, которые отведены измерительно-диагностическому комплексу в общем алгоритме испытания (см. рис. 5), его приборное осна­щение должно содержать следующую аппаратуру: измерительные преобразователи первичной информа­ции; усилительно-преобразующую       аппаратуру: коммутаторы для запрограммированного опроса пока­заний отдельных приборов; цифровые измерительные приборы и аналого-цифровые преобразователи; ЭВМ и интерфейсные приборы для связи с объектами; уст­ройства ввода и вывода информации.

Таким образом, здесь в единый комплекс объедине­ны метрологическая, регистрирующая и вычислитель­ная аппаратура и этот комплекс выполняет не только измерительно-диагностические, но и информационно-вычислительные функции.

Приборное оснащение комплекса при однотипной его структуре может быть весьма разнообразным, так как это зависит от требований, предъявляемых к точности измерений, от полноты и сложности проводимых изме­рений и вычислений, от наличия тех или иных моделей приборов. Приборостроение и вычислительная техника стремительно развиваются, и тот комплекс, который сегодня удовлетворяет нас и отвечает самым высоким требованиям, завтра может быть модернизирован и усовершенствован. Его отдельные приборы могут быть заменены другими или одним совмещающим различные функции, а точность приборов и их быстродействие значительно повышены. Тем не менее представляется целесообразным привести пример конкретных данных для измерительно-диагностического комплекса испыта­тельного центра, созданного в лаборатории кафедры «Металлорежущие станки и автоматы» МВТУ им. Н. Э. Баумана, где впервые был опробирован про­граммный метод испытания станков.

Приборное оснащение одной из систем комплекса показано на рис. 26, где указаны типы и модели при­меняемой аппаратуры. Эта система связана с микро-ЭВМ типа «Электроника ДЗ-28».

Рассмотрим назначение и краткие характеристики отдельных приборов и устройств (см. рис. 26).

Первичные преобразователи и соответствующая аппаратура используются для измерения составляющих сил резания - тензорезисторы универсального динамо­метра УДМ 100 в комплексе с тензоусилителем УТ-4-1; для измерения траекторий движения рабочих органов - фотоприемники оптико-электронного прибора МВТУ (см. рис. 18); для измерения температурных полей исследуемых узлов станка — хромель-копелевые термопа­ры (чувствительность 0,05 мВ/°С); для измерения де­формаций деталей станка — тензорезисторы в комплек­те с тензоусилителем «Топаз 3-01».

К усилительно-преобразующей аппаратуре относят­ся приборы, обеспечивающие усиление и согласование сигналов от измерительных преобразователей первичной информации. Это различного рода усилители для тензорезисторов, селективные усилители, а также при­боры, преобразующие сигналы, например фазометры.

Коммутаторы используются для поочередного под­ключения к измерительному устройству источников на­пряжений постоянного и переменного тока. Например, применялся аналоговый коммутатор Ф 240/1Б (число каналов до 80 опроса до 50 Гц). Второй коммутатор — специальной конструкции производит опрос шести каналов в любой последовательности с частотой до 100 Гц.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) изме­ряют величину сигнала с выхода коммутатора и пре­образуют его в цифровой код. Для измерения термо-ЭДС и сигналов с тензоусилителей используется инте­грирующий АЦП мод. Ф4883 (пределы измере­ния напряжений постоянного тока от 20 мВ до 1 В, отсчет показаний — цифровой, пятизначный), а универсальный вольтметр применяется для измерения сигналов с выхода фазометра (пределы измерений напряжений постоянного и переменного тока от 1 до 1000 В, отсчет показаний — четырехзначный).

Интерфейсные приборы организуют связь между ЭВМ и всем периферийным оборудованием, которое включает все вышеперечисленные устройства, а также устройства для вывода информации.

МикроЭВМ являются основными элементами дан­ного комплекса. Применялись специализированные управляющие электронно-вычислительные машины «Электроника ДЗ-28». Две микроЭВМ применены для более производительной работы системы и позволяют реализовать алгоритмы программного испытания станков.

 

Объем оперативного запоминающего устройства «Электроника ДЗ-28» 32 Кбайт, время выполнения микрокоманды 1—2 мкс, системы счисления — десятичная и шестнадцатеричная.

Ввод данных и программ возможен с клавиатуры, с кассеты встроенного накопителя на магнитной ленте и с периферийных устройств. ЭВМ работает с программа­ми, написанными в машинных кодах или на языке БЕЙСИК, который предназначен для решения матема­тических и инженерных задач в режиме диалога чело­век— ЭВМ. Он позволяет программировать широкий круг задач, сочетая в себе простоту с достаточными для многих применений возможностями.

Устройства для вывода информации в данном комп­лексе состоят из злектрофицированной печатающей ма­шины «Консул 260.1», двухкоординатного самописца Н 306 и алфавитно-цифрового дисплея 15ИЭ-00-013. На печатающей машине «Консул 260.1» осу­ществляется вывод буквенно-цифровой информации со скоростью 10 знаков/с. На графопостроителе Н 306 изображаются различные графики и диаграммы, дисплей используется для диалогового режима работы.

Программное обеспечение является составной частью измерительно-диагностического комплекса помимо при­борной оснастки. Оно в значительной мере определяет возможности комплекса, удобство пользования и, в конечном счёте, от него во многом зависит правильность и достоверность решения поставленной задачи.

Программное обеспечение состоит из рабочих программ, подпрограмм — драйверов, обслуживающих ин­терфейсные приборы, и банков тарировочных данных.

Данные по градуированию определяются до прове­дения испытания и для них отводится отдельное место в памяти машины. Рабочая программа, обращаясь в нужные моменты к этим данным, производит перерас­чет входной информации, например, из величин напряжения при измерении температуры в градусы Цельсия; а при изменении перемещений —в миллиметрах или микрометрах.

При измерении перемещений с помощью оптико-электронного измерительного устройства коэффициент градуировки k определяется с помощью микроскопа пу­тем измерения шага штрихов изображения растра. Тем самым получают соотношение между разностью фаз опорного и измерительного сигналов, которое пропор­ционально напряжению на аналоговом выходе фазометра.

В случае измерения температур при помощи термо­пар банк тарировочных данных формируется более сложным образом.

Как известно, в том диапазоне температур, который используется при испытании с достаточной степенью точности можно считать, что термоЭДС прямо пропор­циональна температуре рабочего спая хромель-копелевой термопары. Однако это соотношение является ин­дивидуальным для каждого канала измерительной про­граммы, поэтому термоЭДС следует определять для каждой термопары, погружая ее в калориметр и изме­няя температуру в нем на 0,1 ⁰С для получения одной точки. Полученная зависимость аппроксимируется пря­мой линией по методу наименьших квадратов и полу­ченные значения U_о (значения термоЭДС при 0°С) и k (коэффициент градуировки, численно равный тан­генсу угла наклона прямой к оси температур) попарно заносятся в память ЭВМ, образуя массив градуировочных данных.

Подпрограммы-драйверы обеспечивают совместную работу микроЭВМ и внешних периферийных устройств через интерфейсные приборы. Применяемые в данном комплексе интерфейсы обладают широкой универсаль­ностью и поэтому существует возможность оптимально построить процессы управления, измерения, вычисления и вывода информации.

Рабочая программа является основным элементом программного обеспечения. Она составляется для кон­кретного эксперимента или для цикла экспериментов и обеспечивает решение поставленной задачи. Состав­ными частями рабочей программы часто являются на­учные подпрограммы, в том числе из библиотеки стан­дартных подпрограмм.

Управление измерительно-испытательным комплек­сом и содержание программного обеспечения рассмот­рены в гл. 5 (см. табл. 4).

Измерительно-диагностическая система с использо­ванием мини-ЭВМ «Искра-226» предназначена для оценки параметров траекторий рабочих органов мно­гооперационного фрезерно-расточного станка 243ВМФ2 показана на рис. 27.

В процессе испытания измеряются перемещения гильзы вертикально расположенного шпинделя и стола станка.

Для определения траекторий опорных точек приме­нены высокоточные четырехгранные лекальные линейки типа ЛЧ, которые устанавливают на поверхности стола.

Контактные измерительные преобразователи помещают на неподвижных стойках или на стойках, закреп­ленных на недеформируемой части станины. Точность перемещения рабочих органов определяется по траек­ториям опорных точек 1-5. Точки 1, 2 и 3 расположе­ны на рабочей поверхности стола. Они расположены так, что возможно определить не только отклонения от прямолинейности перемещения вдоль управляемой ко­ординаты (например, по оси У, как показано на рис. 27, или оси X т. е. в двух взаимно перпендикулярных на­правлениях), но и отклонение — «рыскание» стола относительно вертикальной оси Z.

Пространственное положение переднего конца шпин­деля определяется с помощью двух опорных точек 4 и 5. В качестве отсчетной поверхности для измеритель­ных преобразователей, установленных в этих точках, используется поверхность гильзы шпинделя, погреш­ность которой составляет 3—5 мкм на длине 350 мм.

Особенностью описываемого метода является то, что отсчетные поверхности лекальных линеек, установлен­ных на рабочей поверхности стола, были предваритель­но измерены для определения собственных геометричес­ких погрешностей. По результатам измерений построе­ны уравнения регрессии для тех граней линеек, по ко­торым перемещаются наконечники измерительных пре­образователей ИП. Эти данные введены в память ми­ни-ЭВМ для автоматической коррекции результатов, поступающих от измерительной системы, что уменьшает погрешность измерения контактным методом до ±2 мкм.

В качестве измерительных преобразователей исполь­зуют электронные измерительные системы 214 завода «Калибр» с диапазоном измерения 30 мкм, собственная погрешность системы измерения составляет 1 мкм.

Погрешность лекальных линеек от ±3,5 до ±6мкм.

Сбор и обработка экспериментальных данных обес­печивается применением мини-ЭВМ «Искра-226» ше­стого исполнения. От электронных измерительных си­стем 214 сигнал поступает в блок интерфейсный функ­циональный БИФ аналого-цифрового преобразователя АЦП, где из аналоговой формы преобразуется в циф­ровую. В оперативном запоминающем устройстве ОЗУ хранится программа выполнения конкретного экспери­мента, загружаемого с помощью БИФ накопителя на гибком магнитном диске НГМД из банка программ, заранее разработанных для экспериментальных иссле­дований и обработки результатов экспериментов.

Результаты экспериментальных исследований фик­сируются в ОЗУ и выводятся на экран дисплея и гра­фопостроителя с помощью соответствующих интерфейс­ных блоков. Функционирование узлов мини-ЭВМ в со­ответствии с заданной программой обеспечивается постоянным запоминающим устройством ПЗУ, в кото­ром хранится системное обеспечение, загружаемое через интерфейс — «центральная шина».

Для того чтобы при испытании измерять траектории опорных точек, а не положение линеек в пространстве (см. рис. 15, а и г), предусмотрена специальная под­программа, которая по информации о положении сто­ла в данный момент времени делает расчет координа­ты каждой из трех опорных точек. Для гильзы шпинде­ля этот расчет ведется по схеме, показанной на рис. 15, г.

Результаты испытания выводятся на дисплей и на графопостроитель, где поверхности геометрического об­раза могут быть для наглядности изображены в изометрии.

При создании измерительного комплекса большое значение имеет выбор системы координат, в которой производится измерение параметров траекторий. Часто более удобно иметь самостоятельные системы коор­динат применительно к узлу, несущему инструмент, и узлу, несущему заготовку. При этом начальное положе­ние оси, связанной с направлением движения стола или с осью шпинделя, может быть определено средней ли­нией совокупности траекторий.

При наличии отдельных систем координат должно быть определено их взаимное положение на основании методов аналитической геометрии. Фиксация данного положения оси координат может быть осуществлена, например, при помощи луча лазера, как опорной базы для контроля точности перемещающегося объекта [66]. Наиболее целесообразно иметь единую систему координат, фиксированную в пространстве и не изменя­ющую своего положения в процессе эксперимента. Это позволит оценить параметры не только траекторий пе­ремещающихся узлов станка, но и непосредственно определять параметры, характеризующие взаимное по­ложение заготовки и инструмента.

 

89 Измерительно-диагностические комплексы

(исследование 2/№76/2)

       Испытания проводятся в специально оборудованных испытательно-диагностических центрах (комплексах), где обеспечивается программное нагружение станка, имитация внешних воздействий, измерение необходимых параметров в процессе работы станка и обработка информации на ЭВМ.

Рис. Структура испытательно-диагностического центра

       Функции ЭВМ:

- обрабатывать и хранить результаты испытаний;

- обрабатывать априорную информацию об эксплуатационных нагрузках и условиях эксплуатации, об износостойкости материалов, применяемых для базовых деталей, о точности обработки и др. характеристиках данной модели станка;

- осуществлять программное управление режимами работы станка и специальными нагрузочными устройствами, включая имитацию внешних воздействий – изменение величины и направления силы, наложение спектра вибраций, управление тепловыми потоками и др.;

- осуществлять расчеты показателей качества и прогнозировать показатели надежности станки.

Испытание проходит в режиме автоматизированного эксперимента и состоит из последовательных циклов, число которых должно быть достаточным для статистической обработки результатов. Каждый цикл осуществляется при своем сочетании факторов, влияющих на параметры траекторий. Полученные траектории каждой опорой точки являются реализациями некоторого случайного процесса, характеризующего движение рабочих органов станка при его эксплуатации.

       Параметры траектории определяются с помощью измерительного комплекса и вводятся в ЭВМ, где производятся необходимые расчеты, результаты которых хранятся в памяти.

       Кроме того, в комплексе имеется диагностическая аппаратура. При ее помощи оценивается состояние отдельных элементов станка, их тепловые поля, виброакустические сигналы и т.д.. Анализ диагностических сигналов с помощью ЭВМ позволяет судить о причинах отклонений параметров траекторий от их номинального значения.

       Кроме того, ЭВМ с учетом априорной информации осуществляет прогноз о возможном изменении параметров траектории при длительной эксплуатации станка.

       Т.о. при программном испытании обширную информацию о характеристиках станка и его реакции на внешние воздействия получают за счет применения специальных нагрузочных устройств измерительно-диагностической аппаратуры, ЭВМ и специальной организации этих испытаний.

 

90-92 Нагрузочные устройства в исследованиях станков

 

Нагрузочные устройства для создания сил, имити­рующих рабочие нагрузки, действующие на узлы станка, широко применяют при испытании и исследова­нии станков.

Так, известны различного рода динамометры, при­меняемые при исследовании жесткости станков [60], вибраторы, используемые при снятии динамических ха­рактеристик станков [21], различные специальные на­грузочные устройства для создания сил при испытании и исследовании отдельных узлов станка.

В большинстве случаев применяемые нагрузочные устройства мало пригодны для программного метода испытания станков. При программном методе испыта­ния должны применяться такие нагрузочные устройст­ва, которые могут воспроизводить весь диапазон сило­вых воздействий, возникающих в процессе обработки, не затрудняют осуществление рабочего цикла станка, могут управляться по заданной программе.

Рассмотрим классификацию нагрузочных устройств по характеру создаваемых сил и с учетом их приспособ­ленности для программного метода испытания (табл. 3). Имитируя силы резания, эти устройства создают нагрузки, которые являются внутренними силами станка, при взаимодействии шпинделя и суппорта или стола станка.

По методу создания сил нагрузочные устройства можно разделить на контактные и бесконтактные. При контактном методе обычно ползун нагрузочного уст­ройства, установленного на суппорте или столе станка, упирается через ролик в оправку шпинделя. Нагрузка создается при помощи механических, динамометричес­ких или гидравлических устройств. Контактный способ нагружения более пригоден для статических испытаний станка. При вращении шпинделя условия контакта между роликом ползуна и оправкой существенно влия­ют на силовую картину процесса.

Для программного метода испытаний целесообразно применять бесконтактный метод нагружения и в первую очередь при помощи электромагнитных сил. Устройства этого типа позволяют также осуществлять наложение динамической составляющей на статическое значение силы. Характер сил, воспроизводимых нагрузочным устройством, статический или динамический — важный признак его совершенства (табл. 3).

Сила резания Р состоит из постоянной (статической) составляющей Р_о и совокупности динамических гармо­ник с амплитудой Р_i и частотой ω_i: Р = Р_о+ΣР_isinω_it. Эти гармоники, особенно если ограничиться одной пер­вой, достаточно легко осуществить с помощью дополни­тельных обмоток на электромагните и этим приблизить характер нагружения к силам, действующим при обра­ботке.

При контактном методе нагружения создание дина­мических составляющих возможно при помощи гидрав­лического пульсатора, однако эти конструкции полу­чаются обычно более громоздкими.

Применяемые нагрузочные устройства также могут иметь постоянную точку приложения сил, что более характерно для контактных методов нагружения, и изменяющуюся при имитации процесса обработки дета­ли. Для этой цели пригодны бесконтактные методы создания сил. Попытки разработки нагрузочных уст­ройств, в которых и при контактном методе нагружения создается перемещение суппорта или стола станка, обычно не дают положительных результатов.

Очень важно при программном методе испытаний управлять не только величиной, но и направлением силы. Изменение направления сил может существенно повлиять на выходные параметры станка, поскольку вся схема сил резания, реактивные моменты, эпюры давлений на направляющих меняются. Применение на­грузочных устройств с возможностью изменять не только величину, но и направление сил описано ниже. Наконец, одной из главных особенностей нагрузоч­ных устройств, используемых при программном испы­тании, являются методы управления нагрузками и ре­гистрации результатов.

При обычных методах испытания широко применя­ют ручное нагружение (понимая под этим и ручное управление механизированным нагружением) и визу­альный контроль за показаниями приборов, регистри­рующими силы, устанавливаемые согласно программе испытаний. При программном методе должно осуществ­ляться автоматизированное управление процессом нагружения по программе, заложенной в ЭВМ с исполь­зованием обратной связи для контроля за отработкой программы нагружения. В этом случае регистрация результатов испытания осуществляется в памяти ЭВМ с выводом данных на цифропечатающее устройство и дисплей. Разработка программных нагрузочных устройств, пригодных для испытания станка в автоматизированном режиме и имитирующих, в первую очередь, силовые, а в последующем и тепловые воздей­ствия на станок, является актуальной, еще полностью не решенной задачей.

 

 

НАГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ

При создании программных нагрузочных устройств для токарных станков наиболее удобно закреплять их в суппорте станка, а нагрузку создавать за счет элект­ромагнитных сил. При этом роль сердечника может играть оправка, закрепленная в центрах станка.

На рис. 28 показана схема разработанного нами программного нагрузочного устройства для токарных станков, обеспечивающая бесконтактное нагружение суппорта и шпинделя при их взаимном движении и воз­можность управления величиной и направлением силы [А. с. №988460 (СССР)].

Устройство состоит из якоря 1 в виде оправки, двух электромагнитов, состоящих из сердечника 2 и кату­шек 3, закрепленных в корпусе 4. Кронштейн корпуса закреплен в динамометре 5, установленном на суппорте станка 6. Данный динамометр (применялся универ­сальный динамометр УДМ-600) позволяет не только определять все составляющие нагружающей силы, но и использовать полученные данные для организации обратной связи в цепи управления нагрузочным устрой­ством. Наличие обратной связи необходимо для учета величины зазора между якорем и сердечниками, кото­рый изменяется из-за деформации системы при различ­ных нагрузках и при движении суппорта вдоль оправ­ки.

Выход динамометра связан через блоки сравнения 7 с блоками управления 8 и с катушками устройства через усилитель 9.

Входной электрический сигнал I_вх, соответствующий номинальной силе Р_н, выдается блоком управления 8. Через усилитель 9 он поступает на электромагнитную катушку 3 в виде силы тока I_эм . На выходе преобра­зователя сила

                                                         (1)

где K_эм — коэффициент пропорциональности, определя­емый магнитными свойствами электромагнита; δ_н — номинальный воздушный зазор между якорем и сердеч­ником электромагнита.

Сила Р_н, действующая на упругую систему станка, вызывает ее деформацию, что приводит к уменьшению воздушного зазора δ_н на величину Dδ:

                                                             (2)

где j — жесткость упругой системы в направлении воз­душного зазора; b —разница в величине воздушного зазора, обусловленная различием прогиба оправки в фиксированных сечениях и погрешностью формы оправ­ки.

Реальный зазор δ=δ_н—Dδ и определяет развиваемую силу Р. Эта сила может быть вычислена по фор­муле (1) при подстановке δ вместо δ_н.

Сила Р регистрируется измерительным преобразова­телем обратной связи динамометра 5 и преобразуется в электрический сигнал обратной связи I_ос. Этот сиг­нал поступает в блок сравнения 7, на выходе которого величина рассогласования DI между входным сигналом I_вх и сигналом обратной связи I_ос суммируется с выход­ным сигналом.

При этом

                                                                    (3)

Расчеты показывают, что использование обратной связи при управлении нагрузками позволит примерно в 1,5 раза повысить точность имитации сил резания. Например, при заданной нагрузке Р=2000 Н, жесткости упругой системы j=20000 Н/мм, воздушном зазоре электромагнитного преобразователя δ=0,5 мм величина рассогласования по силе тока DI=0,56I_вх.

Схема нагружения, показанная на рис. 28, обеспечи­вает возникновение сил в плоскости. Для имитации осе­вой составляющей силы резания суппорт через трос и устройство барабанного типа нагружается электромаг­нитным порошковым тормозом, который также управ­ляется от ЭВМ.

Электромагниты устроены таким образом, что име­ют обмотки постоянного и переменного тока, поэтому можно моделировать не только среднее значение силы, но и накладывать на нее динамическую составляющую синусоидального типа. Развиваемая каждым электро­магнитом сила —до 2500 Н.

Другое, бесконтактное, электромагнитное нагрузоч­ное устройство, управляемое от вычислительного комп­лекса «Искра 1256» и позволяющее изменять также и точку приложения силы, показано на рис. 29, а.

Нагрузочное устройство содержит якорь 1, выпол­ненный в виде гладкого цилиндра, закрепленного в шпиндельном узле станка. Роль электромагнита в дан­ном устройстве выполняет сердечник 2, имеющий вид замкнутого многополюсного статора, установленного зазором концентрично якорю 1. Полюсы сердечника 3 имеют Т-образную форму и снабжены катушками возбуждения 4. Сердечник 2 установлен в круглом корпусе 5, закрепленном в динамометре б типа УДМ, который, в свою очередь, находится на каретке 7 суппорта/стан­ка. Кроме статора имеется электромагнит 8 с обмот­кой возбуждения Р, который жестко закреплен на кор­пусе сердечника 3 и установлен с зазором по отноше­нию специальной направляющей 10, параллельной направлению продольной подачи суппорта.

Обмотки возбуждения статора соединены между со­бой попарно. При их подключении к источникам пита­ния 14 типа Б5-46 возникает электромагнитное взаимо­действие, приводящее к возникновению сил, моделиру­ющих составляющие силы резания (на рис. 29, б показаны силы Р₁ и Р₂, возникающие при подключении к источникам питания только двух пар катушек возбуж­дения). Равнодействующая сила Р от электромагнитных сил, возникающих между статором и ротором устройст­ва, проходит через ось центров станка и может иметь произвольную пространственную ориентацию.

Управление параметрами вектора Р осуществляется от вычислительного комплекса с микроЭВМ типа «Искра-1256». При этом по программе, введенной в процессор 11 через встроенный цифроаналоговый преобразователь 12 управляющие сигналы поступают к источникам питания 14. Для управления одновременно несколькими источниками питания в электрическую цепь управления введен блок 13(см. с. 230).

Дополнительная сила Р, используется для того, чтобы иметь возможность регулировать смещение точки приложения моделирующей силы относительно оси центров станка.

Действительно, перенос силы Р из центра О₁, в точ­ку О₂, находящуюся на расстоянии а от центра (рис. 29, б), равнозначен добавлению момента М=Р_ва, где Р_в —вертикальная составляющая силы Р.

Этот момент и создается силой Р₃, приложенной в точке О₃, на дополнительном электромагните, закреп­ленном на расстоянии b oт центра О₁. Величиной силы Р_в=а/в также можно управлять рассмотренным мето­дом. Таким образом, в данном нагрузочном устройстве при постоянном сердечнике (оправке) можно управлять не только величиной и направлением, но и точкой приложения силы, моделирующей силу резания, действую­щую на узлы станка при обработке деталей разных диа­метров.

 

НАГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФРЕЗЕРНО-РАСТОЧНЫХ СТАНКОВ

При создании программных нагрузочных устройств для станков фрезерно-расточной группы нужно учиты­вать их особенности как с точки зрения расположения этих устройств, так и по характеру действующих сил.

При расточных работах необходимо обеспечить вра­щение вектора сил, а также его перемещение вдоль оси обрабатываемого отверстия. При этом вектор сил име­ет статическую и динамическую составляющие и может изменяться в определенных пределах, в том числе скачкообразно при обработке ступенчатых отверстий.

Рассмотрим разработанное нами программное на­грузочное устройство для имитации этих воздействий на фрезерно-расточных станках средних размеров с горизонтальным расположением шпинделя (рис. 30) [А. с. № 994130 (СССР)]. В устройстве применен бесконтактный электромагнитный способ создания сил с возможностью создавать и динамическую составляю­щую. Приспособление устанавливается на столе станка, а в шпиндель 1 вставляется оправка 2, на конце кото­рой закреплен сердечник электромагнита 4. Сердечник имеет две обмотки постоянного и переменного тока для создания соответственно статической и динамической составляющих сил. Для питания электромагнита при вращении шпинделя на оправке имеются контактные кольца 3. На столе станка установлен корпус нагру­зочного устройства 5, в расточку которого входит оп­равка с электромагнитом. Корпус с отверстием играет роль якоря при возникновении электромагнитных сил. При взаимодействии сердечника и якоря возникает сила, вектор которой вращается и перемещается при подаче стола или ползуна шпинделя. В данном устрой­стве была обеспечена постоянная сила 200 Н и перемен­ная 25 Н, что соответствует режимам, применяемым для расточных станков дайной группы.

Для полной имитации всех сил, действующих в про­цессе обработки, необходимо также создавать крутя­щий момент на шпинделе и составляющую силы вдоль оси шпинделя. Крутящий момент создается при помощи порошкового тормоза 7 (мод. ПТИ-2,5 м), который через клиноременную передачу соединен с вращающей­ся оправкой. Шкив 6 находится на шариковом подшип­нике, расположенном в корпусе приспособления. Крутя­щий момент от оправки к шкиву 6 передается через скользящую шпонку.

Осевая нагрузка создается при помощи соленоида 8, в который входит шток, закрепленный на оправке. Шток имеет дополнительную опору в виде шарикового подшипника, закрепленного в корпусе соленоида. При осевом перемещении оправки со штоком в соленоиде создается сила сопротивления, величина которой также регулируется.

Все силовые нагрузки, создающиеся в данном уст­ройстве, устанавливаются согласно заданной програм­ме, а их значения контролируются и регистрируются.

На рис.30 показана также схема питания и реги­страции параметров при функционировании нагрузоч­ного устройства. Питание постоянным током произво­дится от источника постоянного тока (ИПТ) типа ВС-24 м через контактные кольца оправки. ИПТ позво­ляет регулировать силу тока в необходимых пределах I=0... 5 А при напряжении U=0...12 В.

Питание переменным током с регулируемой частотой производится от генератора звуковой частоты ГЗ-33 через трансляционный усилитель ТУ-600. Усиленный сигнал необходимой мощности (I=0... 1А; U=0... 30В) и частоты через токосъемник и контактные кольца пере­дается на обмотку переменного тока электромагнита.

Результирующее силовое воздействие на исследуе­мый объект регистрируется при помощи тензометрических преобразователей ТП, наклеенных на внутренней стороне полой оправки. Преобразователи наклеены вдоль образующей в сечении, в котором действует ра­диальная электромагнитная сила F. Они собраны в полумостовую схему и их три конца выведены наружу через специальное отверстие, проложены в пазу на наружной поверхности оправки и припаяны к трем кон­тактным кольцам. Через токосъемник и переходник преобразователи подсоединены к усилителю ТА-5, сиг­нал с которого через переходник шлейфов ПШ выво­дится на осциллограф Н-
115.

 

Положение оправки контролировалось при помощи измерительных преобразователей ИП индуктивного типа, также соединенных в мостовую схему. При авто­матизированном эксперименте управление блоками пи­тания и соответственно силами осуществляется от микро-ЭВМ. 

 

НАГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИМИТАЦИИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Согласно алгоритму программного испытания станка (см. рис. 5) необходимо оценить реакцию станка и на комплекс внешних воздействий не связанных с осуще­ствлением на станке рабочих процессов.

К этой категории относятся в первую очередь виб­рационные воздействия, передающиеся через фундамент или бетонное полотно цеха, на котором установлен ста­нок, и тепловые воздействия от внешней среды и рабо­тающих по соседству со станком устройств и машин.

Вибрационные воздействия на станок могут описы­ваться тригонометрическим рядом с различными часто­тами, фазами и амплитудами, значения которых зави­сят от условий эксплуатации и характеризуют «дина­мическую картину» окружающей среды. Параметры тригонометрического ряда проявляются как случайные величины.

Для того, чтобы оценить реакцию станка на наибо­лее характерные условия его эксплуатации, необходи­мо проанализировать эти условия с позиций оценки вибрационных характеристик. Так, частотный анализ спектра внешних воздействий позволит выявить часто­ты, для которых имеют место наиболее интенсивные вибрационные воздействия.

Следует провести анализ наиболее тяжелых усло­вий эксплуатации из тех, в которых может находиться станок данной модели с тем, чтобы выяснить, насколь­ко они могут исказить выходные параметры станка по сравнению с отсутствием внешних вибрационных воз­действий.

Для этого необходимо иметь программное нагрузоч­ное устройство, которое будет нагружать плиту, на ко­торой установлен станок, колебаниями, амплитуда, частоты и фазы которых отражают спектр эксплуата­ционных воздействий. Таких устройств в настоящее вре­мя не имеется, хотя все элементы его существуют.

Например, применяют управляемые вибраторы, кото­рые могут быть собраны в блок (мультивибратор). Каждый моновибратор этого блока воспроизводит свой элементарный процесс гармонических колебаний со сво­ими характеристиками.

Установленный на фундаментной плите мультивибра­тор MB (рис. 31) управляется от ЭВМ и осуществляет программное нагружение вибрационными колебаниями. Анализатор А дает информацию о действительном спектре колебаний и является сигналом обратной связи для коррекции программы управления испытанием.

При программном испытании рекомендуется срав­нить выходные параметры станка при наличии динами­ческого вибрационного поля и без него, оценить эф­фективность виброопор или других устройств для установки станка и сделать вывод о необходимости учитывать в блок-схеме испытания внешних вибраци­онных воздействий.

Тепловые внешние поля, действующие на станок, наиболее характерны при его эксплуатации вне термоконстантных помещений. Тепловые потоки также име­ют случайный характер и, если станок имеет слабую сопротивляемость этим воздействиям, то возможны отказы по точности высококачественного во всех дру­гих отношениях станка. Поэтому при программном ме­тоде необходимо испытание станка с учетом влияния на его выходные параметры различных вариантов тепло­вых потоков, которые могут иметь место в процессе эксплуатации. Для этой цели необходимо иметь про­граммное нагрузочное устройство, обдувающее станок тепловыми потоками различной интенсивности и тем­пературы, отражающими спектр возможных внешних тепловых воздействий на станок.          

На рис. 32 показана схема программного устройства для управления тепловыми потоками при испытании станка.

В устройстве с помощью вентилятора создается воздушный лоток, который может изменяться по скорости, мощности, направлению и температуре. Оно позволяет имитировать тепловые воздушные потоки, воздействующие на металлорежущее оборудование при его эксплуа­тации. В устройстве обеспечено программное управле­ние от ЭВМ направлением, мощностью и интенсивностью потоков. Это осуществляется с помощью приводов пере­мещений и поворота теплообменного аппарата 3, 4, 6 вокруг осей X и У. От вычислительной машины произ­водится также управление частотой вращения вентиля­тора 5, температурой воздушной струи с помощью изменения силы люка в нагревателе 2 и диаметром по­тока за счет раскрытия заслонок 1.

 

 

Практика показывает, что на температурное поле станка существенное влияние оказывают интенсивность, направленность и температура потоков СОЖ. При про­граммном методе необходимо учитывать этот фактор, проводя испытания с разными уровнями интенсивности действия СОЖ и оценивая изменение тепловых полей и его влияние на миграцию областей состояний выход­ных параметров станка.

 

ПРОГРАММНОЕ НАГРУЖЕНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Программные нагрузочные устройства, имитируя силы, возникающие при обработке различных изделий, лишь с определенной степенью приближения отражают действительную силовую картину.

Даже в том случае, когда учитывается и динамичес­кая составляющая, она обычно воспроизводится в виде простого синусоидального процесса, хотя при резании изменение сил во времени имеет весьма сложный ха­рактер. Процесс резания сопровождается сложными термодинамическими явлениями в зоне резания, он вза­имодействует с упругой системой станка, на его проте­кание влияет большое число факторов [24, 36], и все это определяет сложность временных зависимостей для сил резания.

При программном методе испытания предусматрива­ется обработка типовой детали, наиболее полно отра­жающей характерные особенности обрабатываемых де­талей и на ней проверяется близость полученных ре­зультатов к действительным условиям. Большее приближение программного нагружения к действительной картине процесса будет получено в том случае, если в программу управления нагрузочным устройством будет заложена информация о реальном процессе резания.

На рис. 33 показана схема такого метода испытания. Вначале на исследуемом станке осуществляется обра­ботка нескольких деталей с типовыми режимами об­работки (например, легким, средним и тяжелым с точ­ки зрения силовых воздействий). Обработка осуществ­ляется с применением динамометра УДМ, позволяюще­го измерить и записать всё составляющие силы резания Р_х, Р_у , Р_z с их динамическими составляющими.

Эти данные должны быть положены в основу управ­ляющей программы ЭВМ, которая через блок управле­ния должна реализовать на программном нагрузочном устройстве ПНУ кривые P=f(t).

Для этой цели оценивается математическое ожида­ние и дисперсия сигнала, осуществляется его спектральный анализ, учитывается случайная составляющая типа «белый шум» и производятся другие процедуры, позво­ляющие представить структуру зависимости P=f(f). Программное нагрузочное устройство может реализо­вать эту зависимость с требуемой степенью точности для полученных из опыта данных по типовым режимам, в то время как для программного испытания надо вос­производить весь диапазон применяемых на станке ре­жимов.

Исследования в области теории резания дают зави­симости, которые можно положить в основу для коррек­ции этих данных применительно к режимам резания, которые не были реализованы на станке.

В общем случае каждую составляющую сил резания Р_i (т. е. Р_x, Р_y или Р_z) можно представить как [24]:

где t и S — соответственно глубина резания и подача; HВ- твердость обрабатываемого материала по Бринеллю; С_i, n_i, m_i, k_i — коэффициенты, отражающие ус­ловия резания и применяемый инструмент.

Значения указанных коэффициентов находят в спра­вочниках или получают из специально поставленных экспериментов. В этом случае возможна коррекция эк­спериментально полученных зависимостей для приме­нения их в качестве управляющих сигналов для тех режимов резания, которые не относятся к типовым и не были опробированы. Память ЭВМ должна хранить данные для такой коррекции и осуществлять ее в про­цессе программного испытания.

Предложенный метод управления программным на­грузочным устройством даст значительно большее приближение к действительности для силовых воздейст­вий на станок при их имитации в процессе испытания. Разработка различных типов программных нагрузоч­ных устройств — важный этап в развитии программно­го метода испытания технологического оборудования.

93 Испытание станков (приемо-сдаточные испытания)

 

По существующим техническим условиям приемо-сдаточные испытания оборудования можно разделить на следующие этапы:

Установка и выверка станка.

Если станина жесткая (длина/высота <1,5...2), то станок ставят на 3 точки опоры, в противном случае – на большее число опор. Используя клиновые башмаки, станок выверяют с помощью уровня в продольном и поперечном направлениях так, чтобы погрешность не превышала 0,02…0,04 мм/м. Прецизионные станки ставят на отдельный виброизолированный фундамент.

Отклонение температуры окружающей среды от номинала в период проверок не должно превышать:

Для станков класса точности С - ±0,5º С,

Для станков класса точности А и В - ±1º С.

 

---

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 1149; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!