Повышение эффективности станков на основе их диагностирования и определения виброустойчивости в рабочем пространстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сабиров Фан Сагирович

повышение эффективности станков на основе ИХ диагностиРОВАНИЯ и Определения ВИБРОУСТОЙЧИВОСТИ в рабочем пространстве

Специальность 05.03.01 - «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

металлорежущий станок виброустойчивость деформация

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор В.С. Хомяков

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор В.В. Агафонов

Доктор технических наук, профессор Г.Н. Васильев

Доктор технических наук, профессор О.В. Таратынов

Ведущее предприятие: ОАО НИАТ (г. Москва)

Защита диссертации состоится ____ декабря 2009 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять в адрес совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Автореферат разослан _____ октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н. Волосова М.А.

Актуальность проблемы. Современные тенденции развития машиностроения в совокупности с использованием автоматизированных станочных систем предъявляют требования к повышению производительности, точности размеров и качества обрабатываемых поверхностей деталей машин. Рост производительности сдерживается показателями динамического качества упругих систем, такими как виброустойчивость. Станкам присуща анизотропия характеристик в рабочем пространстве в силу их различной компоновки и конструкции, а также качества изготовления и сборки. Отсутствие информации о свойствах рабочего пространства вынуждает занижать режимы обработки для станков с ЧПУ, чтобы не допустить брака обрабатываемой детали при безусловной потере производительности. Проблему усугубляет и тот факт, что характеристики, связанные с производительностью и точностью, изменяются по мере физического износа станка или разрегулирования его элементов. Использовать этот огромный резерв повышения производительности пытаются многие исследователи, создавая системы адаптивной обработки, системы диагностики и мониторинга.

Недостаточность информации на этапе проектирования станочного оборудования и научно обоснованных рекомендаций, направленных на решение проблемы сбалансированности характеристик приводов и несущей системы станков, приводит к неэкономному расходованию материальных и энергетических ресурсов.

Производители станков, стремясь к максимальной прибыли, рекламируют возможности выпускаемого оборудования по точности и производительности, используя их максимальные показатели, достигаемые в отдельных областях рабочего пространства с наиболее удачными соотношениями характеристик заготовок и режущего инструмента, в то время как потребителя интересует оборудование, обеспечивающее решение всего спектра технологических задач, стоящих перед предприятием. В этой ситуации необходимо иметь инструментарий, позволяющий адекватно оценивать технологические возможности изготавливаемого и приобретаемого оборудования во всем диапазоне его рабочего пространства, сравнивая возможности различных станков по интегральным показателям. Для решения этих проблем требуются мобильные технические средства и комплекс расчетных и экспериментальных методик, позволяющих оперативно оценивать характеристики станков во всем рабочем пространстве с учетом многообразия применяемых заготовок и видов инструмента, и оценивать, таким образом, возможности станка по производительности и точности. Отмеченное выше может быть обеспечено только на основе создания научно обоснованной информационной базы знаний о динамических характеристиках станков, доступной широкому кругу специалистов, занимающихся проектированием, исследованием, эксплуатацией, ремонтом и модернизацией оборудования.

Цель работы. Повышение эффективности станков на основе их диагностирования, оценки виброустойчивости в рабочем пространстве и разработки принципов создания конструкций со сбалансированными характеристиками по мощности, моменту, жесткости и виброустойчивости.

Для реализации цели работы поставлены следующие задачи:

- разработать структуры (модели) и методы анализа технологического многофакторного пространства станка, включающего набор составляющих элементов, набор факторов, диапазоны варьирования с учетом вероятности использования в технологическом процессе обработки изделий;

- разработать методы и программно-математическое обеспечение для экспериментально-расчетной оценки динамических характеристик системы станок-приспособления-инструмент-заготовка, включающих методы исследования сложных динамических систем по частям;

- разработать модели ограничений и системы интегральных оценок производительности и точности в технологическом рабочем пространстве станка по результатам испытаний и исследований;

- разработать методы, аппаратные комплексы, программно-математичес-кое и информационное обеспечение экспериментального определения динамических характеристик, диагностирования состояния упругой системы и отдельных элементов станка с помощью импульсного и гармонического нагружения и на основе анализа вибрационных процессов;

- разработать методы экспериментального определения передаточной функции процесса резания;

- экспериментально подтвердить основные положения теоретических разработок.

Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, конструирования металлорежущих станков, теории колебаний и динамики станков, теории анализа случайных процессов, методах математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием станочного оборудования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов проводилась средствами вычислительной техники с применением положений математической статистики, спектрального анализа и теории планирования эксперимента.

Научная новизна работы заключается в:

- установленных теоретических и эмпирических зависимостях частотных характеристик упругих систем станков от координат рабочего пространства и определенных границах виброустойчивости в различных точках рабочего пространства станка;

- разработанных математических моделях, описывающих взаимосвязи динамических характеристик на базовых поверхностях станков (в местах установки сменных приспособлений для закрепления заготовки и инструмента) с динамическими характеристиками в зоне резания;

- разработанных алгоритмах обработки сигналов, адаптированных к применению импульсного возбуждения при диагностике упругой системы станка с целью определения динамических характеристик путем усреднения спектров по ряду выборок;

- разработанной методике идентификации характеристики процесса резания по частотной характеристике упругой системы станка и данных о предельных режимах резания без вибраций путем обеспечения одинаковых свойств замкнутой системы (устойчивость и частота возникающих автоколебаний);

- предложенной системе показателей для оценки различных конструкций и компоновок станков по производительности, точности и взаимной сбалансированности характеристик несущей системы и приводов станка, способствующих созданию оборудования без чрезмерного запаса по отдельным показателям;

- построенных математических моделях ограничений производительности и точности в технологическом рабочем пространстве станка, учитывающих мощность привода, моменты и усилия в зоне резания, параметры инструмента, режимы резания, характеристики приспособлений;

- разработанных алгоритмах диагностирования состояния отдельных элементов динамической системы станков на основе анализа виброакустических сигналов.

Практическая ценность работы заключается:

- в рекомендациях по проектированию оборудования, разработке научно обоснованных требований к характеристикам несущих систем проектируемых станков и оценки качества станков по интегральным показателям характеристик в рабочем пространстве, дающих объективную оценку качества оборудования;

- в технологических рекомендациях по выбору режимов обработки для станков с ЧПУ с учетом показателей производительности и качества обработки в различных зонах технологического рабочего пространства станка, позволяющих повысить производительность обработки и обеспечить заданное качество обработки;

- в методиках и программах определения динамических характеристик на базовых поверхностях станков при гармоническом и импульсном нагружении упругой системы, позволяющих оценивать качество приобретаемого оборудования, оперативно диагностировать его состояние при эксплуатации и выявлять резервы улучшения конструкции;

- в программно-математическом, аппаратном обеспечении и методиках диагностирования упругих систем станков, опор шпинделей, выявления дефектов и слабых узлов, позволяющих оперативно определять причины вибраций и низкой виброустойчивости станков при обработке и анализировать их вынужденные колебания.

Реализация результатов работы. Работы выполнялись в МГТУ «Станкин» в рамках хоздоговорных тем (№№ гос.рег. 76039110, 78048699, 80005590, 81014197, 81022088) и госбюджетных контрактов (№№ гос.рег. 01823048325, 01850081771, 01200804876). Результаты работы используются на станкостроительных заводах ОАО «Стерлитамак-М.Т.Е», ОАО «Красный пролетарий», в ОАО «Савеловский машиностроительный завод», в инжиниринговой компании «Pride TWL», ОАО «Дальэнергомаш», ОАО «Пензадизельмаш» и др.

Материалы диссертации в виде программ для ПК используются в учебном процессе ряда вузов РФ: МГТУ «Станкин», Тихоокеанский государственный университет, Пермский государственный технический университет, Оренбургский государственный университет, Уфимский государственный авиационный технический университет, Ульяновский государственный технический университет, Пензенский государственный университет и др.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных научно-технической конференциях (НТК) «Динамика станков» в Куйбышеве (1980) (1984), на международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» в Белгороде (2007), на Х, ХI и XII-ой научных конференциях МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН по математическому моделированию и информатике (2007, 2008, 2009), на ХХ-ой международной НТК по современным проблемам машиноведения в ИМАШ РАН (2008), на международной НТК «Информационные средства и технологии» в Москве (2007), на 6-й международной НТК «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» в Брянске (2008), на международной НТК «Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем» в Уфе (2009), на международном Российско-Китайском Симпозиуме «Современные материалы и технологии» в Хабаровске (2009) и многих других.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 печатные работы, в том числе 16 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 авторских свидетельства, 3 свидетельства на программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (192 наименования) и приложения. Общий объем диссертации 255 страниц, включая 117 рисунка и 19 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы обеспечения динамического качества станочного оборудования, оказывающего существенное влияние на производительность и качество обработки (точность формы и состояние поверхностного слоя), а также актуальность проблемы диагностирования технического состояния станков. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ состояния проблемы изменяемости показателей качества динамической системы металлорежущего станка в процессе эксплуатации и непостоянства его характеристик в рабочем пространстве. Эти показатели определяют виброустойчивость и производительность при различных условиях обработки. Обоснована применимость расчетно-экспериментальных методов определения динамических характеристик несущей системы станка и диагностирования его технического состояния.

Современные исследования динамики станков базируются на основных положениях, разработанных В.А. Кудиновым, который ввел представление о замкнутой динамической системе станка, включающей эквивалентную упругую систему и рабочие процессы. Фундаментальные исследования несущих систем, подвижных стыков и динамических характеристик выполнены Д.Н. Решетовым, В.В. Каминской, З.М. Левиной, В.Э. Пушем, B.C. Хомяковым, Н.А. Кочиневым, Ю.Н. Санкиным и другими учеными.

Вопросы анализа компоновок станков и характеристик в рабочем пространстве рассмотрены в работах таких ученых, как Ю.Д. Врагов, О.И. Аверьянов, В.С. Хомяков, А.Л. Воронов, Ю.И. Городецкий, Б.М. Бржозовский, Ю.В. Кирилин, В.В. Агафонов, Г.В. Маслов и др.

Расчеты выходной точности станка с учетом влияния элементов технологической системы приведены в работах В.В. Бушуева, Б.М. Базрова, В.В. Каминской, Д.Н. Решетова, В.Т. Портмана и др. Вопросам надежности, состояния основных элементов станка, изменяющегося с течением времени, посвящены фундаментальные работы А.М. Дальского, А.С. Проникова, а диагностике инструмента и оборудования - работы С.Н. Григорьева, В.А. Синопальникова, М.П. Козочкина и др. Влияние процесса резания и режущего инструмента на работоспособность станка рассмотрено в работах И.Г. Жаркова, В.К. Старкова, Б.М. Бржозовского, В.Ф. Безъязычного, В.Л. Заковоротного, В.А. Гречишникова, Ю.Е. Петухова и др.

Большой вклад в решение перечисленных проблем внесли зарубежные ученые H. Opitz, M. Weсk, K. Teipel, M.M. Sadek, W.A. Knight, S.A. Tobias, W. Fishwick, M. Polacek, И. Тлусты и др.

При испытаниях адекватная оценка работоспособности любой машины может быть сделана только на основе глубокого анализа тех условий, в которых машине предстоит работать. Для универсального металлорежущего станка условия эксплуатации могут быть весьма разнообразны и зависят от большого количества факторов, определяющих границы работоспособности. Поэтому исследователь должен быть вооружен методологией, позволяющей ему на основе информации о режимах работы испытываемого станка выбрать условия испытаний и критерии оценки. При решении проблемы использовано понятие многофакторного технологического рабочего пространства, которое включает не только геометрическое пространство, но и характеристики оснастки, режущего инструмента и обрабатываемых деталей, определяющих процесс обработки.

В работах Ю.Д. Врагова используется понятие рабочего пространства компоновки станка, внутри которого рассматриваются статические деформации и нагрузки, связанные геометрическими соотношениями. Такое представление полезно при сравнительном анализе компоновок при проектировании. При испытаниях роль динамических деформаций узлов, расположенных в рабочем пространстве весьма велика и не может игнорироваться.

Технологическим рабочим пространством (РП) станка предложено называть многофакторное пространство, объединяющее подпространства заготовки, режущего инструмента и приспособлений для их закрепления при возможных положениях подвижных узлов станка, несущих установочные места для закрепления этих приспособлений. Особенностью этого РП является его заполненность инерционно-диссипативно-упругими элементами, силовая нагруженность и наличие процесса резания, которые определяются многообразием условий обработки деталей на станке. Подпространства приспособлений, инструмента и детали, а также подпространство резания будем называть элементами РП станка. Разбиение РП на элементы позволяет исследовать его по частям с последующим объединением в единую систему. Различные подходы к исследованию сложной динамической системы станка по частям использовались в работах В.С. Хомякова, Е.В. Хлебалова, Н.А. Кочинева, А.И. Камышева, С.А. Терентьева, А.В. Бычковой, Э.А. Курдгелия, В.М. Чуприны и других, в которых расчетная модель упругой системы станка представлялась состоящей из основной и нескольких связанных подсистем. Решая системы уравнений для каждой подсистемы и описывая уравнения связи подсистем, определяют динамические характеристики единой динамической системы.

Однако в упомянутых работах используются расчетные характеристики как для основной системы, так и для подсистем. В этих моделях использование экспериментальных характеристик подсистем не представлялось возможным.

Проведенный анализ работ показал, что используемые в настоящее время методики расчета параметров качества обработки деталей не всегда дают удовлетворительный результат, поскольку не полностью учитывают влияние сложной многокоординатной упругой системы станка на статическую и динамическую жесткость технологической системы станок-приспособления-инструмент-заготовка и практически не учитывают непостоянство характеристик в рабочем пространстве станка.

Сложность динамических расчетов упругих систем станков определяется многомерностью модели и неопределенностью упруго-диссипативных параметров. При выполнении динамических расчетов приходится сталкиваться с ситуацией, когда из-за недостаточности экспериментальных данных модель получается неадекватной, либо идти на упрощение модели, что снижает точность результатов. Следовательно, необходима методология, позволяющая быстрее и точнее оценивать характеристики в РП, заключающаяся в разумном сочетании экспериментального и расчетного подхода к оценке характеристик и диагностированию состояния упругой системы станка.

На основании проведенного анализа работ сформулированы цели и задачи, изложенные выше.

Вторая глава посвящена разработке моделей производительности и точности в рабочем пространстве станков.

Основой для анализа использования РП при эксплуатации станка является анализ обрабатываемых деталей в пределах подпространства резания. При экспериментальном исследовании непрерывные функции (поля) производительности в подпространстве резания заменяются на дискретные (зонные). Внутри зоны поля считаются неизменными с заданной степенью точности е. Величина е определяет число зон подпространства резания и размеры Дx зон вдоль координаты факторного пространства.

Элементы технологического факторного рабочего пространства представлены в табл. 1.

Состояние динамической системы при обработке в i-той зоне РП опишем вектором факторов о_i={о₀, о₁, о₂, о₃, з}, где з - вектор неучитываемых или случайно изменяющихся условий: колебания твердости заготовки, непостоянство обрабатываемых поверхностей детали внутри зоны и т.п. Вероятность реализации того или иного набора факторов при обработке заготовки определяется зонными статистическими характеристиками.

Таблица 1.

Элемент технологического факторного РП станка	Примеры факторов	Обозначение
Геометрическое рабочее пространство станка	Координаты	о0	оX, оY, оZ,….
Подпространство детали	Обрабатываемый материал Физико-механические свойства Тип поверхности	о1	ом от оп
Подпространство приспособлений детали и инструмента	Характеристики приспособлений для закрепления детали и инструмента	о3	оПД оПИ
Подпространство режущего инструмента	Вид режущего инструмента Материал режущей части Геометрия режущей части	о2	ои ом ог
Подпространство процесса резания	Скорость резания Подача Глубина резания	о4	V S t

При оценке производительности станка как динамической системы целесообразно учитывать основное технологическое время: , где Т₀ состоит из времени черновых (T₁) и чистовых (Т₂) операций или переходов. Время выполнения черновых операций определяется по формуле , где V - объем снимаемого металла при черновой обработке, Q - скорость съема металла (производительность резания), равная

,

где б'=1 - для точения; - для фрезерования; V - скорость резания, м/мин; S_об - подача, об/мин; b_ф - ширина фрезерования, мм; D - диаметр фрезы, мм; t - глубина резания, мм.

Время выполнения чистовых операций , где L - площадь обрабатываемой поверхности; Ф - скорость поверхностного съема металла (производительность формообразования), равная .

Рассматриваемый в работе набор возможных ограничений производительности резания при черновой обработке включает следующие функциональные ограничения: мощность и момент привода главного движения, нагрузки приводов подач и виброустойчивость динамической системы. Ограничения по стойкости инструмента, точности размера, формы и качества обрабатываемой поверхности, рассматриваются как параметрические. Каждое из этих ограничений характеризуется одной или несколькими физическими величинами (параметрами ограничения). При конкретных условиях работы станка действующим становится одно из этих ограничений, значение которого достигло допускаемого уровня или превысило его.

Значение производительности резания , полученное при учете действия лишь одного ограничения по РП, назовем границей работоспособности по рассматриваемому k-тому ограничению (граничное значение):

Действующая (фактическая) производительность резания равна наименьшему значению из всех граничных значений:

,

где n_Q - число рассматриваемых ограничений.

Для оценки станка интерес представляют не только значения , но и величины граничных значений по другим ограничениям, так как они характеризуют избыточность характеристик станка и являются предпосылками для изменения конструкции станка в сторону "смягчения" этих характеристик. Запас по k-тому ограничению будем задавать в виде:

.

При чистовой обработке набор ограничений производительности формообразования Ф включает: точность размера, формы, качества обрабатываемой поверхности, стойкость инструмента, условия стружкообразования, нагрев, частоту вращения шпинделя и др. Фактическая производительность формообразования , где n_Ф -число ограничений при чистовой обработке. Запас по k-тому ограничению будет: .

Модель производительности описывает изменение граничных значений показателей Q^k и Ф^k в зависимости от значений факторов РП:

,

,

где о_Q и о_Ф - векторы факторов РП станка при черновой и чистовой обработке.

Для исследуемого станка модель производительности позволяет определять:

- фактическую производительность черновой и чистовой обработки при различных условиях эксплуатации станка;

- граничные значения производительности для различных ограничений, используемые для составления баланса ограничений;

- коэффициенты запасов производительности для различных ограничений при различных условиях резания;

- средние значения производительности по PП станка.

Статистические характеристики модели производительности определяются условиями эксплуатации станка

В работе предлагается метод оценки станка, основанный на сопоставлении не только со станком-аналогом, но и с потенциальными возможностями новой технологии. Для этого вводится идеализированная система технологических ограничений, связанных с характеристиками режущего инструмента и технологии формообразования. Модели для технологических ограничений получают предполагая, что динамическая система станка никаких ограничений на показатели производительности не накладывает. Система технологических ограничений производительности является внешней по отношению к объекту изучения и оптимизации - динамической системе станка. Соответственно ограничения в динамической системе будем называть внутренними.

Ядром модели производительности являются модели для ограничений. В зависимости от метода построения будем различать следующие модели для ограничений:

- расчетно-экспериментальные модели;

- эмпирические модели.

При расчетно-экспериментальном методе на основе данных специальных экспериментов строят расчетные или регрессионные модели для параметров ограничений, которые позволяют прогнозировать граничные значения производительности без применения резания деталей-образцов для всего набора варьируемых факторов (табл. 1). Эмпирические модели строят на основе информации, получаемой при обработке резанием специальных деталей-образцов. В связи с большим разнообразием условий эксплуатации станка (т.е. с большой размерностью факторного РП станка) этот метод требует большого объема экспериментальных работ. Практически метод может применяться для определения граничных значений производительности при максимально больших уровнях представительности, т.е. для наиболее типичных условий эксплуатации.

В моделях ограничений по точности рассматриваются изменения упругих деформаций в процессе обработки поверхности, которые являются составляющими ряда элементарных погрешностей: установки заготовки в приспособление, наладки технологической системы, износа режущего инструмента, геометрических погрешностей станка, вариаций температурных деформаций. Изменения упругих деформаций могут происходить за счет изменения силы резания P и статической податливости УС в технологическом рабочем пространстве.

Среднее квадратическое отклонение силы резания при постоянных значениях подачи и скорости резания:

,

где - среднее значение глубины резания, - обобщенный показатель, учитывающий среднее значение физико-механических свойств обрабатываемого материала (в частности, предела прочности); , - среднеквадратические отклонения t и .

Изменение статической податливости упругой системы при обработке одной поверхности может происходить из-за изменения положения точки резания в пространстве резания (вдоль движения подачи x), а для обработки партии деталей дополнительно из-за разброса контактной податливости в зажимном приспособлении k_ЗП при смене деталей. Среднее квадратическое отклонение для этой составляющей будет:

,

где S²(x) - дисперсия размеров поверхности.

- дисперсия податливости зажимного приспособления.

Среднее квадратическое отклонение для упругих деформаций:

.

Для построения расчетно-экспериментальной модели ограничений по точности размера и формы необходимо знать функцию , т.е. изменение податливости в рабочем пространстве.

На основе рассмотренных представлений разработана модель образования погрешностей формы, волнистости и шероховатости и программное обеспечение (Surf) для расчета геометрических отклонений реальной поверхности (рельефа) при действии возмущающих отклонений, вызванных статическими и динамическими деформациями.

Третья глава посвящена разработке и исследованию моделей жесткости и динамических характеристик в РП станков.

Деформации и нагрузки в некоторой точке С РП станка (рис. 1) связаны между собой посредством матрицы жесткости:

, (1)

где - вектор силы, - вектор деформаций,

- матрица жесткости.

При экспериментальных исследованиях, как правило, определяется матрица податливостей .

Рис. 1. К оценке жесткости в произвольной точке С РП станка.

Основным методом определения жесткости в РП станка принят расчетно-экспериментальный метод, при котором, жесткость собственно станка, подверженная случайным влияниям качества изготовления и регулировок, определяется экспериментально. Жесткость приспособлений С_п может определяется как экспериментально так и расчетом. В том случае, когда станок укомплектован малым количеством приспособлений, целесообразно сразу определять жесткость подсистемы "станок-приспособления": , где о₁ - вектор характеристик приспособлений. Жесткость заготовки (детали) С^Д и жесткость инструмента С^И с достаточной степенью точности можно определить расчетом.

Модель податливости динамической системы в РП станка представим в виде:

, (2)

где - податливость инструмента относительно его базы,

- податливость детали относительно базы,

- податливость вследствие деформации системы "станок-приспособления", приведенная в точку резания С.

Используя матрицу K и направление векторов силы и перемещения, определяют величину суммарной статической податливости , используемую в модели ограничений по точности.

Для моделирования динамических характеристик в РП станка представим упругую систему станка в виде набора следующих подсистем, связанных упруго-демпфирующими элементами (рис. 2): подсистема станка (несущая система станка) (S), подсистемы заготовки (S₁), подсистемы инструмента (S₂), подсистема приспособлений заготовки (S₃), подсистема приспособлений инструмента (S₄). Перемещения установочных мест станка для крепления приспособлений (БИ и БД) и базовых поверхностей самих приспособлений в системе координат станка XYZ приводят к отклонениям радиус-векторов с₀₁ и с₀₂.

При моделировании частотные характеристики подсистемы "станок-приспособления" как объекта исследования целесообразно определять экспериментально, а динамические свойства подсистем детали S₁ и инструмента S₂ определяем расчетными методами.

Рис. 2. Объединенная динамическая модель станка.

Пусть экспериментально определены частотные характеристики объединенной системы: W₀₁₀₁, W₀₁₀₂, W₀₂₀₁, W₀₂₀₂, образующие матрицу частотных характеристик

,

где , , , ,

q - обобщенные деформации в точках 01 и 02,

Q - обобщенные силы в точках 01 и 02.

Частотные характеристики назовем базовыми. Они являются функцией положения базовых поверхностей БИ и БД в системе координат основной системы S₀ и зависят от свойств приспособлений:

,

где о₃₁, о₃₂ - векторы факторов приспособления детали и инструмента.

Подсистемы S₁ и S₂ соединены с системой S₀ упруго-диссипативными связями с₁, h₁ и с₂, h₂, которые соответствуют контактной жесткости и демпфированию стыков "заготовка-приспособление" и "инструмент-приспособление". Общая система уравнений имеет размерность и в матричном представлении имеет вид:

, (3)

где , , и , , - расширенные матрицы масс, демпфирования и жесткости системы S₁ и системы S₂, соответственно;

,

,

матрица аналогична , при замене с₁, с₂ на h₁ и h₂,

q - вектор перемещений размерности ,

, - размерность подсистем S₁ и S₂.

Абсолютные частотные характеристики в зоне резания, т.е. в произвольной точке РП станка, определяются по формулам:

, , ,

где ( и - смещение подсистемы S₁ от сил Р в точках 1 и 2, а и - смещение подсистемы S₂ от сил Р, приложенных в тех же точках.

Относительная частотная характеристика определяется по формуле

.

Таким образом, для расчета частотных характеристик и определения функции их изменения в РП станка (поля частотной характеристики), нужно предварительно экспериментально определить базовые частотные характеристики системы станок-приспособление, т.е. частотные характеристики в точках закрепления заготовки и инструмента, как функции .

Для расчетов динамики станка в РП необходимо знание матриц базовых частотных характеристик, учитывающих как силовое, так и моментное нагружения. В настоящее время не существует нагрузочных устройств (вибраторов), способных нагружать упругую систему изгибающим моментом без внесения существенных искажений за счет испытательной оснастки. Поэтому были разработаны специальные методы определения базовых частотных характеристик на основе обработки экспериментальных данных, позволяющие исключить влияние испытательной оснастки.

Для определения базовых частотных характеристик при абсолютном нагружении основной системы рассмотрим основную систему S_O с испытательной оснасткой и , установленной вместо детали S₁ и инструмента S₂ (рис. 2).

Приложим абсолютную нагрузку (например, ударом) к ветви детали. Требуется определить базовые частотные характеристики W₀₁₀₁ и W₀₂₀₁. Обобщенные перемещения в базовых точках основной системы:

, ,

где F₁ - вектор усилий, а Т₁ - вектор моментов.

Здесь частотные характеристики основной системы записаны следующим образом:

, , (4)

где характеристики , - перемещения (в общем случае) по 6-ти координатам от силового, а , от моментного воздействия.

В каждом уравнении (4) два матричных неизвестных и . Для их определения необходимо добавить второе уравнение, которое получим, изменив схему нагружения основной системы, например за счет изменения точки приложения силы возбуждения.

Обозначим нагрузки на основную систему при первом нагружении и , а при втором - и . Соответственно измеренные векторы колебаний обозначим и . Тогда получим следующую систему уравнений в матричной форме относительно неизвестных:

. (5)

Решая эту систему, определим матрицу прямых характеристик в базовой точке 01 основной системы.

Для определения взаимных характеристик используем векторы колебаний и , определенные при тех же условиях нагружения. Система уравнений для определения взаимных характеристик аналогична (5). Аналогично определяют базовые частотные характеристики для ветви инструмента W₀₂₀₁, W₀₂₀₂.

Взаимное влияние ограничений производительности происходит, главным образом, через динамическую систему станка за счет изменения её характеристик упругих или инерционных или за счет изменения характеристик возбуждений. Для определения чувствительности изменения одних ограничений к изменению других, для диагностики источников возмущений и для определения "слабых" звеньев динамической системы необходим аппарат построения динамических моделей упругих систем станков. В настоящее время широкое распространение получили расчетные методы определения динамических моделей станков, которые успешно используются при проектировании станков. Важной задачей диагностики и оптимизации станков по результатам испытаний является экспериментальное определение (идентификация) параметров динамических систем, которые используются при динамических расчетах.

Структура динамической модели при испытаниях определяется методом измерения форм колебаний. Для построения и анализа форм колебаний, получаемых методом импульсного нагружения, разработана программа Shape.

При импульсном возбуждении определяют две формы колебаний при возбуждении ветви детали и ветви инструмента. Тогда форма колебаний станка будет определяться разностью этих форм.

Анализируя формы колебаний уточняют существенность колебаний каждого элемента и правильность отнесения элемента к одному из предопределенных типов: жесткое недеформируемое тело, стержень, пластина и др.

Значимость того или иного элемента в динамической системе оценивают по-разному в зависимости от расположения этого элемента. Для элемента, расположенного в цепи силового замыкания силы резания, значимость оценивается по той доле, которую этот элемент вносит в колебания между инструментом и заготовкой. Например, если для анализируемого элемента получены колебания q_а в некоторой точке а, то в точке резания С эти колебания приведут к смещению:

,

где А - матрица переноса.

Если , где q_с - суммарные колебания в точке С, то колебаниями этого узла можно пренебречь, считая его абсолютно неподвижным. Для элемента, не входящего в цепь силового замыкания (некоторая точка b), его влияние на колебания в зоне резания оцениваются по формуле:

,

где - частотная передаточная функция,

q_b - колебания в точке b, измеренные при определении форм колебаний.

Передаточная функция может быть получена методом импульсного нагружения узла в точке b и измерения колебаний в точках b и С. Если выполняется неравенство , то влиянием данного узла можно пренебречь и исключить его из динамической модели.

Определенные экспериментально формы колебаний позволяют строить динамические модели различной структуры при работе в различных частотных диапазонах, что может значительно облегчить исследование.

Таким образом, на основе первого этапа анализа форм колебаний устанавливают элементы (узлы), включаемые в состав динамической модели.

После того, как построена структура динамической модели, предстоит определение её параметров: инерционных, упругих и диссипативных. В общем случае можно полагать, что все параметры модели неизвестны. Однако такой подход чреват тем, что размерность неопределенных коэффициентов будет чрезмерно большой, а решение станет неустойчивым. Поэтому с практической точки зрения целесообразно рассматривать станок не как абсолютно “черный ящик”, а как “серый”. Нужно попытаться часть параметров определить расчетом или взять из предыдущих экспериментов. Из группы неизвестных параметров динамических моделей наиболее целесообразно определить расчетом инерционные характеристики. Эти характеристики можно определить наиболее точно и достоверно и, кроме того, они в наименьшей степени подвержены влиянию качества изготовления, сборки и регулировки станка. Две другие группы параметров: упругие и диссипативные - в значительно большей степени подвержены разбросам из-за качества изготовления. Поэтому в дальнейшем будем полагать, что все инерционные характеристики системы (массы, моменты инерции, статические моменты) известны.

Рассмотрим экспериментальное определение жесткостных параметров в системе, движение которой описывается в плоскости XОY тремя координатами: x, y, ц_z. Пусть известна матрица инерционных характеристик системы:

.

Экспериментально определяют матрицу собственных форм колебаний

используя которую, находим неизвестную матрицу жесткости системы

по формулам

; (6)

; (7)

. (8)

Формулы (6 - 8) справедливы для любой собственной частоты щ_l, l=1,…,n_p, где n_p - число собственных частот системы в рассматриваемом диапазоне.

В упругой системе станков особое место занимают шпиндельные узлы, которые плохо описываются моделями с сосредоточенными параметрами. Для расчета систем типа вала на опорах используются методы начальных параметров и конечных элементов. В данной работе используется метод начальных параметров, дающий определенные преимущества, которые заключаются в следующем. В расчете участвуют непосредственные характеристики, такие как жесткости, демпфирование, которые могут определяться экспериментально, или задаваться из справочников. Причем свойства элементов модели могут задаваться в виде их собственных частотных характеристик. При большом количестве элементов не требуется решения большой системы уравнений, которая в случае экспериментально полученных данных может оказаться плохо обусловленной.

Описанная методика моделирования и расчета шпиндельных узлов реализована (совместно с В.С. Хомяковым и Н.А. Кочиневым) в виде программного комплекса SpinDyna (св-во № 2009611613). Результаты моделирования и результаты расчетов сохраняются в базе данных, что может обеспечить информационный обмен между исследователями. В рассматриваемом варианте комплекса база данных реализована в среде MS Access.

В программе SpinDyna допускается использование двух основных моделей демпфирования: вязкое и гистерезисное. Выбор той или иной модели демпфирования осуществляется на основе анализа экспериментальных данных для аналогичных конструкций. Разработана методика оценки демпфирования в стыках и опорах на основе анализа мнимой части динамической жесткости.

Модели для вынужденных колебаний в РП станка строятся путем измерения колебания при холостом ходе освобожденной основной системы (рис. 2) на базовых поверхностях 01 и 02, задаваемых векторами и . Освобожденной основной S₀ системой называем станок, с которого сняты деталь и инструменты. Колебания q₀₁ и q₀₂ вызваны множеством источников колебаний, обозначенных на модели силами Р_i, действующими внутри основной системы.

Эти колебания определяются зависимостями:

, , i=1, 2,…, n_P,

где W_01i, W_02i - частотные характеристики для колебаний в точках 01 и 02 от силы в точке i; n_P - число источников возмущения.

Система уравнений для объединенной (суммарной) системы имеет вид (3) при замене правой части на выражение:

(9)

Для того чтобы определить спектры колебаний в зоне резания суммарной системы, т.е. в точке 1 подсистемы S₁ и точке 2 подсистемы S₂, необходимо иметь следующие характеристики:

- спектры колебаний и на базовых поверхностях основной системы в освобожденном состоянии;

- упругие и инерционные характеристики подсистем детали и инструмента, которые определяются расчетом по чертежам;

- экспериментальные базовые частотные характеристики упругой системы станка.

Имея эту информацию и решая систему (3) с правой частью (9) можно определить спектры колебаний в зоне резания для любых деталей и инструментов, т.е. получим модели для спектров колебаний в виде:

,

.

Спектр относительных колебаний определяется по формуле , на основе которого, используя зависимости теории динамики станков, можно определить спектр колебаний при резании:

.

Непосредственное измерение колебаний между режущим инструментом и деталью в процессе резания затруднительно вследствие невозможности размещения датчика колебаний в зоне резания.

Разработан метод оценки колебаний в зоне резания q_c путем измерения колебаний на корпусных деталях динамической системы. Рассмотрим блок-схему динамической системы, показанную на рис. 3. Пусть в системе действует возмущающее воздействие F. Требуется определить колебания q_c в зоне резания при обработке деталей, если известны колебания в некоторой точке a упругой системы измеряемые с помощью датчиков абсолютных колебаний.

Рис. 3. Структурная схема распространения колебаний по упругой системе станка.

На рис. 3 передаточные функции описывают распространение колебаний от источника возмущений F в зону резания и в точку а на корпусной детали:

; .

Передаточная функция описывает передачу колебаний из зоны резания в точку а измерения колебаний:

, (10)

где Р - сила, действующая в зоне резания.

Из структурной схемы видно, что колебания в точке а являются суперпозицией колебаний q_aP от силы P из зоны резания и колебаний q_aF от внешних источников возмущений:

.

Колебания q_aF есть колебания холостого хода в точке a:

.

Колебания q_aP являются разностью колебаний:

(11)

Колебания в зоне резания:

, (12)

где - колебания холостого хода в зоне резания.

Подставляя в (12) выражение для силы резания Р из (10) получим:

,

или, используя (11), окончательно получим:

. (13)

Таким образом, для определения колебаний в зоне резания q_с необходимо сначала определить колебания холостого хода в зоне резания (точке с) и в точке а измерения колебаний на корпусной детали. Необходимо также определить частотную характеристику упругой системы

и частотную характеристику

,

представляющую зависимость колебаний в точке а от силы, действующей в зоне резания.

Измерение колебаний холостого хода является основой для виброакустической диагностики элементов несущей системы станка, в частности подшипников шпиндельного узла. Предлагаемые методы использовались при исследованиях вынужденных колебаний станков различных моделей. Например, для станка TB-25Y размещение датчиков и примеры сигналов при холостом ходе показаны на рис. 4.

Рис. 4. Установка акселерометра и датчика оборотов на станке

Использование технологии «огибающей» для анализа колебаний холостого хода позволило выявить дефекты подшипника передней опоры (рис. 5).

Рис. 5. Спектр огибающей колебаний холостого хода у передней опоры шпинделя станка TB-25Y при частоте 2000 об/мин, выделенного в диапазоне 5.6-11.2 кГц (513 Гц - частота взаимодействия тел качения с дефектом внутреннего кольца подшипника, 546 - боковая составляющая, равная сумме частоты 513 Гц с оборотной частотой 33 Гц, 66 и 99 Гц вторая и третья гармоники оборотной частоты).

Исследования двухшпиндельного станка с ЧПУ мод. ТА-20LB выявили существенную анизотропию амплитуд колебаний шпиндельного узла по разным направлениям (рис. 6), свидетельствующую о недостатках конструкции шпиндельного узла или технологии его изготовления. Колебания по оси Y явно преобладают. Такое явление диагностируется как неодинаковость жесткости опор по осям из-за погрешностей расточки корпуса или неравномерность радиального натяга, например, из-за наличия радиальных сил, создаваемых приводным ремнем.

а б

Рис. 6. Годограф (а) и двумерное распределение времени присутствия радиус-вектора (б) (показано линиями равного уровня) вибро сигнала в октаве 8 кГц при 2500 об/мин основного шпинделя станка мод. ТА-20LB

Четвертая глава посвящена идентификации динамической характеристики процесса резания.

Непосредственное определение частотной характеристики процесса резания, наиболее часто применяемое в виде модели апериодического звена вызывает ряд затруднений, связанных с необходимостью измерения колебаний в зоне резания и измерения сил резания. Расчетное определение этих частотных характеристик ограничивается отсутствием исходных данных.

,

где К_р - статическая характеристика процесса,

Т_р - постоянная времени стружкообразования,

Предлагаемый метод основан на модели замкнутой динамической системы станка (по Кудинову В.А.). Параметры элемента “процесс резания” подбираются аналитически таким образом, чтобы при заданной частотной характеристике упругой системы обеспечить одинаковые свойства (устойчивость и частоту возникающих автоколебаний) замкнутой системы, имеющей место при данном виде обработки. Определяемую в этом случае частотную характеристику процесса резания назовем идентифицированной, чтобы отличать ее от частотной характеристики процесса резания, определяемой непосредственно, т.е. как отношение амплитуды колебаний силы резания к амплитуде колебаний толщины срезаемого слоя.

Предлагаемый метод имеет следующие преимущества:

- для определения идентифицированной характеристики резания требуется та же аппаратура, что и для определения АФЧХ упругой системы.

- исключается необходимость измерения сил резания при колебаниях и колебаний в зоне обработки.

- полученная идентифицированная характеристика резания компенсирует систематические погрешности метода и средств получения АФЧХ упругой системы. Методические погрешности связаны с тем, что на практике почти никогда не удается определить рабочую АФЧХ УС, т.е. характеристику, для которой сила направлена вдоль силы резания, а перемещение - по нормали к обрабатываемой поверхности. Так, для токарных станков пространственная АФЧХ для продольного точения заменяется плоской в плоскости, перпендикулярной оси вращения шпинделя. Погрешности средств измерения могут быть связаны с искажениями, вносимыми вибратором, каналом измерения и др.

Недостатком метода является то, что идентифицированная характеристика резания оказывается функцией упругой системы станка. Анализ динамической системы станков различных типов позволяет сделать предварительный вывод о том, что идентифицированную характеристику резания можно классифицировать по типам станков (токарные, фрезерные, расточные и т.д.) при условии идентичности методик и средств определения АФЧХ упругой системы.

В динамической системе станка при работе «по следу» с временем ф₀ запаздывания, зависящим от частоты вращения детали или инструмента, динамическая характеристика процесса резания описывается выражениями:

,

,

где , , .

Методика определения удельной идентифицированной характеристики резания заключается в следующем. При строго одинаковых условиях определяются: АФЧХ упругой системы, предельная стружа при резании, частота автоколебаний, возникающих при резании. Для точки по АФЧХ упругой системы станка определяются следующие величины:

; ; ; .

Варьируя АФЧХ упругой системы станка за счет изменения наладки, определяют и для каждой i-той наладки. Затем строятся графики изменения , , , , от частоты и для каждой определяют

,

,

.

Пример идентифицированной характеристики резания для токарной обработки показан на рис. 7.

...