CC BY
102
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 620.178.53
А.А. Игнатьев, В.А. Добряков, С.А. Игнатьев
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКОВ КАК ОДИН ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Рассматриваются автоматизированный контроль и идентификация динамических характеристик шлифовальных станков в системе мониторинга технологического процесса. Приводятся результаты экспериментального исследования взаимосвязи качества обработки колец подшипников и динамического состояния станков.
A.A. Ignatiev, V.A. Dobrjakov, S.A. Ignatiev
AUTOMIZED MONITORING OF DYNAMIC PERFORMANCES OF MACHINES AS ONE OF THE DEVICES OF THE SYSTEMS OF MONITORING
OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS
This paper concentrates on the automized monitoring and identification of dynamic responses of grinders in the system of monitoring of the technological process. The results of an experimental research of correlation of quality of handling of rings of bearings and of the dynamic state of machines are given here.
В процессе функционирования в автоматизированных металлорежущих станках (МРС) протекает множество процессов различной скорости: технологические, реализующие основную функцию станка, колебательные и тепловые, вызываемые внутренними и внешними источниками возмущений, трибологические, упругодеформационные и ряд других, определяющих реальное состояние процесса обработки и оборудования [1,2]. Важным этапом в обеспечении параметрической надежности МРС является мониторинг, включающий контроль, диагностирование, прогнозирование и управление качеством обработки на основе анализа результатов измерений определяющих параметров технологического процесса и оборудования [3,4]. В качестве одного из наиболее значимых элементов мониторинга рассматривается контроль динамических характеристик МРС [5,6].
Качество колец подшипников после операции шлифования, определяемое макро- и микрогеометрическими параметрами точности и физико-механическим состоянием поверхностного слоя дорожек качения, зависит от многих факторов (рис.1), в том числе и таких как
режим резания и динамическое состояние станка. Активный контроль осуществляется средствами, встроенными в технологическое оборудование для непосредственного воздействия на технологический процесс с целью обеспечения заданного качества продукции. Развитие активного контроля с использованием микропроцессорной техники позволяет за счет увеличения числа контролируемых параметров, по которым оптимизируется процесс шлифования, расширить функции приборов активного контроля. Это приводит, с одной стороны, к усложнению приборов контроля, но, с другой стороны, получаемая измерительная информация о величине и направлении изменения параметров деталей и технологического процесса позволяет осуществить оперативный контроль режима обработки и обеспечить высокое качество поверхностного слоя дорожек качения колец. Автоматическое распределение режимов шлифования по припуску, осуществляемое приборами активного контроля, может быть более или менее эффективным в зависимости от набора контролируемых параметров и способов
Рис. 1. Управление процессом шлифования с использованием дополнительных информационных параметров
обработки информации о процессе и о результатах шлифования. К числу дополнительных контролируемых параметров следует отнести уровень вибраций в динамической системе (ДС) и скорость съема припуска. Измерение вибрации ДС позволяет контролировать не только собственно процесс шлифования, но и правку круга, а также сократить время «шлифования воздуха».
Для оценки динамического состояния МРС используется измерение уровня вибро-акустических (ВА) колебаний узлов формообразующей подсистемы, которые существенно влияют на некруглость и волнистость обработанной поверхности качения, а также способствуют изменению структуры поверхностного слоя, что снижает надежность подшипников [6].
При идентификации динамического состояния станка возникает необходимость в построении его достоверной математической модели. Шлифовальный станок является сложной динамической системой (ДС), состоящей из нескольких подсистем, взаимодействие между которыми осуществляется как при резании, так и без резания (на холостом ходу). В процессе шлифования взаимодействуют силовые и тепловые процессы, связанные с резанием и пластическими деформациями металла, процессы износа шлифовального круга и изменения его режущих свойств, динамические процессы в формообразующей подсистеме, включая колебательные процессы в шпиндельных узлах (ШУ) круга и детали, процессы трения, процессы в электро- и гидроприводах рабочих движений станка, а также некоторые другие процессы, влияние которых несущественно или их учет весьма затруднителен. В качестве математической модели ДС станка целесообразно рассмотреть передаточную функцию [7,8]. Ее построению предшествует составление функциональной схемы ДС (рис. 2), наиболее целесообразной с точки зрения удобства представления входных и выходных величин и возмущающих воздействий, а также организации контроля параметров, позволяющих оценить динамическое состояние станка. Так, например, в производственных условиях измеряемыми являются уровни колебаний уровни колебаний ШУ круга хИ&) и ШУ детали хд(), что позволяет использовать их в системе мониторинга [9].
Рис.2. Функциональная схема ДС шлифовального станка: уП(0 - скорость подачи круга;
ГР($ - сила резания; Гд(0, ^И(0 - возмущающие воздействия; хд(0, хИ(0 - приведенные к плоскости резания смещения ШУ детали и ШУ инструмента
При построении модели ДС необходимо учитывать стохастические свойства параметров и процессов в технологической системе (ТС) при абразивной обработке. В качестве основы принята модель, разработанная В.Н. Михелькевичем [8], однако в нее внесены важные изменения, учитывающие динамические характеристики основных формообразующих узлов [10]. За регулирующее воздействие на процесс принята скорость суппорта поперечной подачи шлифовального круга ус, а за выходную переменную объекта - радиальная составляющая силы резания Гр.
Принимая во внимание схему ДС станка, приведенную в работе [10], можно заключить, что упругая система состоит из параллельно соединенных ШУ детали и ШУ инструмента, следовательно, WyС(р)=Wu(р)+Wд(p). Тогда передаточная функция процесса резания по аналогии с моделью из работы [8] будет иметь вид
(р) = -(1 - е“р вт Д )-------^---------------------------- , (1)
р 1+КРЕЗ (1 - е -рт Д )№Д (р)+Wи (р)]
где КРЕЗ, в - коэффициенты, определяющие процесс резания; ТД - время оборота детали.
Передаточные функции ШУ детали Wд(р) и ШУ инструмента ^и(р) в общем случае имеют сложную структуру, образованную совокупностью колебательных звеньев [8]. Выражения для них имеют вид
п к № т к щ
^Д (р) = I-------------------------- , ^и (р) = I-------------------------- , (2)
- =1Т д- р 2 + 2 У Д- Т д-р +1 } =1Т щ р 2 + 2 У И} Т щр + 1
где Нд1, кщ - коэффициенты, обусловленные статической жесткостью отдельных элементов ШУ; ТД-, Тщ - постоянные времени, обусловленные собственными частотами отдельных элементов ШУ; Уд-, уИ - относительные коэффициенты демпфирования отдельных элементов ШУ.
Анализ формулы (1) с учетом выражений (2) достаточно сложен, поэтому с целью упрощения передаточной функции Wp(p) ШУ рассматриваются как колебательные звенья с одной основной частотой, тогда имеем:
К РЕЗ Т Д (ТИ р 2 + 2 У и Т И р + 1)
WP (р) = Г~--------------------------------------------------------------------------------)--)-. (3)
(Т И р + 2 У И Т И р + 1)+ К РЕЗ р Т Д к Д (Т И р + 2 У И Т И р + 1)+ К РЕЗ р Т Д к И
В первом приближении после пренебрежения слагаемыми с коэффициентами третьего и четвертого порядка малости, получаем
К Т
К РЕЗ т Д
Wp (р) = ---------------------------------------------- . (4)
ТИИ р 2 + 2[У И + К РЕЗ Т Д (к Д + к И )] ТИ р + 1
Необходимо отметить, что реально сила резания Гр(^ является суммой детерминированной составляющей Гр ^), определяемой подачей круга, и стохастической составляющей
Гр ^), определяемой совокупностью различных факторов, к числу которых относятся неравномерность скорости подачи круга, неравномерность припуска заготовки, колебания в ДС
и ряд других [8,10]. Это позволяет рассматривать составляющую Гр (0 как «белый шум» с постоянной спектральной плотностью £0. Стохастический характер процессов в ДС станка требует для детального анализа применения соответствующих методов теории случайных процессов, в частности, корреляционного и спектрального анализа. Соответственно, указанный характер сил резания обусловливает детерминированную и стохастическую составляющие колебательных процессов в ДС, определяющих динамическое состояние станка.
Модель ДС для врезного шлифования, представленная на рис. 2, наиболее удобна для последующего анализа с точки зрения организации контроля ВА колебаний основных формообразующих узлов, в частности, ШУ детали и ШУ инструмента (абразивного круга), непосредственно влияющих на микрогеометрию поверхности качения кольца. Выходные измеряемые величины, если не учитывать возмущающие воздействия на ШУ детали и ШУ инструмента, выражаются формулами [10]:
WД (р) Гр (р) WИ (р) Гр (р)
х д (р) = -------------------------------г-л , хи (р) = --------------------------------г-, . (5)
1 + Wр (р) ^д (р) + Wи (р)] 1 + Wр (р) ^д (р) + Wи (р)]
Если измерения ВА колебаний осуществляются на опоре кольца, то воздействия со стороны ШУ детали и ШУ инструмента суммируются, следовательно, имеем
^Д (р) + Wи (р)] Гр (р)
X о (р) = -----------------г---------й . (6)
1 + Wp (р) ^д (р) + Wи (р)]
Составляющая Гр (?) устанавливает закономерность съема припуска, задаваемую от
подсистемы управления, а составляющая Гр (£) определяет формирование микрогеометрии поверхности. Из теории управления известно, что спектр сигнала на выходе ДС с частотной функцией W(jю) связан со спектром входного сигнала соотношением
I I 2
^ ВЫХ (ю) = ^ (j ю)| 5 вх (ю) . (7)
В рассматриваемом случае предполагается, что 5ВХ(ю)=50, тогда 5ВЫХ( ю) целиком
определяется частотной функцией ДС и, следовательно, этот спектр содержится в регистри-
руемом сигнале, связанном с величиной х0(1). Передаточная функция ДС получается из формулы (6) в виде
Wд (р) + Wи (р)
wДС (р) =------------------Г-----------! . (8)
1 + Wр (р) [wД (р) + wи (р)]
При выполнении условия (2) и справедливости формулы (4) из последнего выражения после ряда упрощений получаем
к Д Ти р + 2 к Д У и Т и р + к Д + к и
wДС (р) =--------------—---------------------------- , (9)
Т2и р2 + 2 уТи р +1
где у=Уи+0,5КрЕзГд(кд+ки) Ти1.
2
Соответственно, выражение для ^ (j ю) получается из (9) в виде
2 (к д + к и - к д ти ю 2)2 + 4 к Д у и ТИ ю 2
^ (j ю) 2 = —---------------------------------------------- . (10)
(1 - ти ю2)2 + 4 у2 ти ю2
Моделирование на компьютере в среде МаАаЬ 5.3 позволило получить спектр процесса хо(0 при воздействии типа «белый шум» (рис. 3).
В реальных условиях эксплуатации на ДС могут воздействовать возмущения в различных диапазонах спектра, например, низкочастотное возмущение из-за дисбаланса круга. В этом случае моделирование осуществляется введением в формулу (9) дополнительной составляющей:
^ Д ( р) + W и ( р)] Гр ( р) + Г ив ( р) w и (р)
хов (р) = ---------------------------------Г-1------------------------ . (11)
1+Wp (р) ^Д (р)+wи (р)]
Возмущение из-за дисбаланса круга описывается выражением
FИВ (t) _ Fd sin ®k t , (l2)
где rok - угловая частота вращения круга.
Вклад указанного возмущения в спектр частот колебаний проявляется в появлении составляющей на частоте rok, амплитуда которой зависит от величины дисбаланса (рис. 4).
Переменная W Переменная W
Рис.3. Спектр выходного процесса ДС Рис.4. Спектр выходного процесса ДС
при учете по одной существенной частоте при учете по одной существенной частоте
ШУ инструмента и ШУ детали ШУ инструмента и ШУ детали
и возмущения от дисбаланса круга
Характер спектров соответствует экспериментальным данным, представленным в работе [6]. Реальная ДС станка содержит большое количество звеньев, чьи частоты колебаний необходимо учитывать при возбуждении сигналом типа «белый шум», поэтому регистрируемый спектр имеет более сложный состав. Следовательно, для оценки динамического состояния станка результаты измерений колебаний х0^) и хОВ(?) необходимо обрабатывать методами теории случайных процессов. При этом можно вычислить авто- и взаимные корреляционные функции (АКФ и ВКФ), авто- и взаимные спектральные функции (АСФ и ВСФ) [10].
Разработанная модель позволяет для конкретного станка рассчитать возможный спектр колебаний ДС для номинального состояния с учетом реальных частотных характеристик ШУ детали и ШУ инструмента, а затем сравнить его с измеренным спектром вибраций в условиях эксплуатации и на основе численных значений некоторых функционалов сделать вывод о динамическом состоянии шлифовального станка. Выбор информативных параметров связан с моделью формирования ВА колебаний. Для принятой стохастической модели такими параметрами могут быть спектральные и корреляционные функции, биспектры, кеп-стры, моментные функции, интегральные оценки спектров и корреляционных функций.
В качестве численных оценок динамического состояния целесообразно рассмотреть интегральные оценки от спектральных функций, причем предлагается использовать как АСФ, так и ВСФ колебаний основных узлов формообразующей подсистемы. Вид интегральной оценки, адекватно отображающей динамическое состояние и коррелированной с качеством обработанных деталей, определяется экспериментально.
На ОАО «Саратовский подшипниковый завод» при анализе качества обработки колец подшипников различных типов выполнены измерения ВА колебаний на круглошлифовальных автоматах модели SWaAGL-50. Для измерений использовались: два виброизмерителя
ВШВ-003М2 с датчиками ДН-3, осциллограф С1-55 и компьютер. Вибродатчики устанавливались с помощью магнитных опор на элементы конструкции станков, в частности, на узле крепления обрабатываемого кольца и ШУ инструмента. Сигналы датчиков регистрировались в режиме линейного усиления (диапазон частот 1...4000 Гц) или на октавных фильтрах, частоты которых соответствовали скорости вращения шпинделя круга. Результаты обрабатывались на компьютере в среде МаАаЬ 5.3. Установлен характер изменения спектра ВА колебаний в процессе технологического цикла и выявлены наиболее информативные составляющие. Для подсистемы «инструмент-деталь» установлен информативный диапазон частот 1.2 кГц, связанный с процессом шлифования колец и используемый для управления режимом обработки. Большая амплитуда составляющей 30 Гц свидетельствует, например, о значительном дисбалансе круга на станке № 166 в отличие от станка № 436, у которого эта составляющая в пять раз ниже.
Помимо анализа уровня ВА колебаний станков, проводилось исследование волнистости и некруглости колец подшипников на кругломере Та1угоиё-73 после предварительной обработки на станках модели ЛЗ и после окончательной обработки на станках модели SWaAGL-50 (см. таблицу).
Из таблицы видно, что у станка № 166 после окончательной обработки значение не-круглости стало выше, а значение волнистости уменьшилось незначительно, что подтверждает вывод о несбалансированности шлифовального круга.
Для оценки физико-механических свойств поверхностного слоя дорожек качения колец использовалась автоматизированная установка вихретокового контроля [11]. Вихретоковые образы деталей с указанных станков показывают, что качество поверхностей качения коррелирует с результатами виброизмерений, так как погрешности обработки колец подшипников на станке № 436 выше, чем на станке № 166.
Точность обработки колец на станках модели SWaAGL-50
№ станка Тип кольца Волнистость, мкм Некруглость, мкм
предварительная обработка окончательная обработка предварительная обработка окончательная обработка
436 208.02 3,44 0,68 1,22 0,92
166 308.02 3,24 2,87 1,68 3,20
При анализе качества обработки колец шарикоподшипников выполнены измерения вибраций на четырех станках модели SWaAGL-50. В качестве информативных характеристик использовались уровень виброускорения на частоте вращения круга, общий уровень вибраций (ОУВ), спектры колебаний и интегральные оценки спектров (рис. 5,6).
Сопоставительный анализ динамических характеристик станков показал, что их уровень достаточно сильно влияет на качество дорожек качения. Данные с установки вихретокового контроля отражают различия в состоянии поверхностного слоя колец с дефектом и колец без дефектов и коррелируют с динамическим состоянием станков.
Проведенные исследования явились основой для разработки методики мониторинга процесса шлифования в рамках системы управления качеством продукции и способствовали реализации комплекса организационно-технических мероприятий, что позволило практически исключить прижоги на поверхностях качения колец подшипников.
На основании результатов измерений и идентификации динамических характеристик шлифовальных станков можно сделать следующие выводы:
1. Автоматизированный контроль уровня вибраций шлифовальных станков как элемент системы мониторинга технологического процесса обеспечивает получение достоверной информации о динамическом состоянии станков, существенно влияющем на качество обработки колец подшипников.
Рис. 5. Значения некруглости (Н) и волнистости (В) колец, обработанных на станках SWaAGL-50 (цветом в столбиках выделены минимальные и максимальные значения)
Рис. 6. Значения интегральных оценок низкочастотного спектра колебаний станков SWaAGL-50: ИА - интегральная оценка автоспектра колебаний опоры кольца, ИВ - интегральная оценка взаимного спектра колебаний опоры кольца и ШУ круга
2. Построенная модель частотной функции ДС станка, учитывающая динамические характеристики ШУ круга и ШУ детали, позволяет осуществить моделирование спектров процессов на выходе системы при условии воздействия силы резания со стохастическим компонентом типа «белый шум» и возмущающего гармонического воздействия от дисбаланса круга.
3. Для оценки динамического состояния в качестве информационных целесообразно использовать как детерминированные, так и стохастические характеристики колебаний основных формообразующих узлов, наиболее чувствительные к изменению их уровня и взаимосвязанные с параметрами качества обработки колец подшипников: без резания - уровень вибраций на ШУ круга на частоте вращения и ОУВ, при резании - интегральные оценки НЧ автоспектра вибраций опоры кольца и НЧ взаимного спектра вибраций опоры кольца и ШУ круга, коррелирующих, соответственно, с волнистостью и некруглостью.
4. Результаты измерений в производственных условиях ВА колебаний шлифовальных автоматов и качества деталей позволили обосновать целесообразность использования информации о динамическом состоянии станков для управления процессом резания и реализовать комплекс мероприятий по повышению качества обработки колец подшипников.
ЛИТЕРАТУРА
1. Проников А.С. Параметрическая надежность машин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 560 с.
2. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков. Ч.1 / Б.М. Бржозовский, А. А. Игнатьев, В. А. Добряков, В.В. Мартынов. Саратов: Сарат. политехн. ин-т, 1992. 160 с.
3. Салениекс Н.К., Упитис Г.В. Мониторинг автоматизированного производства // Точность и надежность механических систем: Сб. науч. тр. Рига: Риж. политехн. ин-т, 1989. С.5-10.
4. Пуш А.В. Моделирование и мониторинг станков и станочных систем // СТИН.
2000. № 9. С.12-20.
5. Бржозовский Б.М., Мартынов В.В. Динамический мониторинг гибких станочных модулей // Динамика технологических систем: Тр. VI Междунар. конф. Ростов-н/Д: ДГТУ,
2001. Т.2. С.220-223.
6. Добряков В. А., Игнатьев С. А., Горбунов В.В. Повышение качества обработки колец подшипников на основе оценки динамического состояния шлифовальных станков // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2001. С.85-88.
7. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 360 с.
8. Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифованием. М.: Машиностроение, 1975. 304 с.
9. Повышение надежности шлифования деталей подшипников путем мониторинга процесса и оборудования / А.А. Игнатьев, В.А. Добряков, М.В. Виноградов, С. А. Игнатьев // Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин: Материалы Междунар. конф. М.: Машиностроение, 2003. Т.1. С.281-286.
10. Бржозовский Б.М., Игнатьев С.А. Модель динамической системы шлифовального станка с учетом стохастичности процессов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2001. С.31-34.
11. Игнатьев А.А., Горбунов В.В., Чистяков А.М. Автоматизированная вихретоковая дефектоскопия деталей подшипников // СТИН. 2002. №. 4. С. 17-19.
Игнатьев Александр Анатольевич -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
Добряков Владимир Анатольевич -
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами»
Саратовского государственного технического университета
Игнатьев Станислав Александрович -
кандидат технических наук,
ассистент кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
