Состояние обрабатывающего и измерительного оборудования предприятия неизбежно сказывается на качестве выпускаемой им продукции. Залогом успеха многих производств является наличие современных станков, обрабатывающих центров, точного контрольно-диагностического оборудования и приборов, специального режущего инструмента. При этом к металлорежущим станкам предъявляются постоянно растущие требования к точности обработки, увеличению производительности и надежности. В то же время, применяемое измерительное и контрольно-диагностическое оборудование, приборы и средства метрологического обеспечения не всегда позволяют в полной мере получать достоверные и своевременные сведения о техническом состоянии объектов.

Об этом свидетельствует и низкое качество продукции отечественной промышленности, постепенно вытесняемой зарубежными производителями. Отсутствуют также взаимосвязанные технические средства оценки функционирования и систематического мониторинга текущего технического состояния станков последовательно на этапах изготовления, эксплуатации и ремонта. Все это связано с низким метрологическим уровнем имеющегося диагностического оборудования станков.

Вместе с тем, совокупность погрешностей металлорежущих станков, включая геометрические, кинематические, упругие, динамические и многие другие, в достаточной мере описана как в нормативных отечественных и зарубежных документах, так и в научной литературе [1–4]. Исследования узлов, агрегатов, деталей станков необходимы для повышения точности обработки, оценки текущего технического состояния, метрологического обеспечения их функционирования.

В связи с этим нужны новые подходы в экспериментальных исследованиях и уточненные методы расчета динамики станков в режиме функционирования на основе многофакторных и уточненных математических моделей [5, 6].

Использование традиционных подходов не позволяет диагностировать современные автоматизированные технологические системы в полной мере. В свою очередь, система планово-предупредительного ремонта и регламентных профилактических работ эффективна только при своевременном обновлении находящегося в эксплуатации оборудования, что далеко не всегда происходит на наших предприятиях.

Для рациональной и экономически обоснованной эксплуатации обрабатывающего оборудования необходимо следующее [7]:

• диагностика текущего технического состояния,
• переход от системы планово-предупредительных ремонтов к системе ремонтов по текущему техническому состоянию,
• научно обоснованная оценка остаточного ресурса,
• прогнозирующий мониторинг безаварийной работы станка,
• надежная аварийная защита.

Соблюдение только взаимозаменяемости по геометрическим параметрам деталей и сборочных единиц оказывается недостаточным для выпуска высокоточного станка. При эксплуатации изделия вступает в силу неустранимый фактор времени, проявляющийся в износе деталей и деградации материалов. В связи с этим возрастает острота проблемы оценки текущего технического состояния и прогноза работы [7].

Данная задача может быть решена на базе фазохронометрического метода информационно-метрологического сопровождения циклических машин и механизмов [8].

Фазохронометрическая система представляет собой информационно-измерительный комплекс и включает датчики измерения (например, угловые датчики ЛИР-158А, ЛИР 190А) (рис. 1), систему сбора и обработки информации, прикладное и системное программное обеспечение.

Рис. 1  Пример крепления углового датчика ЛИР-158А фазохронометрической системы на токарно-винторезном станке УТ16П

Угловой датчик крепится к задней бабке и соединяется с деталью при помощи цилиндрического переходника с коническим наконечником. Переходник упирается в предварительно высверленное коническое углубление на оси детали. Переходник соединяется с угловым датчиком посредством муфты. Второй датчик крепится к валу шпинделя с противоположной стороны. Сигнал с углового датчика идет на специализированный блок обработки, внутри которого происходит его оцифровка и преобразование в необходимую форму. С блока сигнал через кабель LAN передается в ПЭВМ.

В системе также могут быть использованы индуктивные преобразователи (например, Sick IMA12). Сигнал с датчика передается на АЦП, оцифровывается и через USB интерфейс поступает в ПЭВМ через блок сбора и обработки измерительной информации (рис. 2). В ПЭВМ сигнал обрабатывается с помощью специального программного обеспечения (рис. 3).

Рис. 2 Специализированный блок сбора и обработки сигналов фазохронометрической системы

Рис. 3  Интерфейс прикладного програм­много обеспечения

При помощи фазохронометрической системы получены следующие результаты измерений. Выявлена неравномерность вращения шпинделя на холостом ходу в пределах одного оборота, нерегистрируемая применяемыми в настоящее время традиционными средствами измерений. На рис. 4, 5 приведены полярные хронограммы одного оборота вращения шпинделя с деталью. Зарегистрирована неравномерность вращения шпинделя в пределах одного оборота составляющая от 1 до 3 мкс. Характеристики получены на токарно-винторезном станке впервые.

Рис. 4  Хронограммы вращения станка УТ16П, холостой ход, скорость вращения 315 об/мин, красный – номинальное вращение, остальные цвета – реальное вращение

Рис. 5  Хронограммы вращения станка УТ16П, холостой ход, скорость вращения 400 об/мин, красный – номинальное вращение, остальные цвета – реальное вращение

Результаты измерений показали, что характер вращения шпинделя станка имеет устойчивые во времени неравномерные характеристики. Неравномерность вращения лежит в пределах от нескольких долей до единиц микросекунд и может быть зарегистрирована с погрешностью измерения не более 1x10^–7 сек.

На параметры вращения шпинделя и точность обработки влияют:

• трехфазный асинхронный двигатель переменного тока, питающийся от сети 380 В, 50 Гц,
• приводные шкивы,
• коробка передач станка,
• погрешности сборки и настройки станка,
• погрешности базирования и установки детали в трехкулачковом патроне.

При анализе измерительной информации получены следующие результаты:

• сформированные на новом метрологическом уровне ряды интервалов времени содержат информацию о функционировании вращающихся частей станка при обработке материала (рис. 6, 7);
• выявлены устойчивые характеристики вращения шпинделя станка;
• определены вариации интервалов времени, соответствующих долям оборота для скоростей вращения 315 об/мин – не более 5,5 мкс, 400 об/мин – не более 3 мкс, 1000 об/мин – не более 1,0 мкс, 2000 об/мин – не более 0,5 мкс.

Рис. 6  Хронограммы вращения станка УТ16П, резание, скорость вращения 315 об/мин, s=0,064 мм/об, t=0,4 мм, материал заготовки ШХ15, режущая пластина из твердого сплава

Рис. 7  Хронограммы вращения станка УТ16П, резание, скорость вращения 315 об/мин, s=0,45 мм/об, t=0,4 мм, материал заготовки ШХ15, режущая пластина из твердого сплава

Спектральный анализ рядов интервалов времени показал наличие области частот в диапазоне от 0,5 до 18 Гц, а также наличие пика устойчивой частоты в области 200 Гц.

Наличие независимых от режимов резания и параметров окружающей среды частот качаний вала шпинделя свидетельствует о присутствии устойчивых признаков работы станка, которые могут быть использованы в качестве диагностических.

На рис. 8 приведен спектр собственных частот качаний вала шпинделя станка УТ16П, полученный при анализе хронограмм вращения после применения автокорреляционной функции, скорость вращения шпинделя 315 об/мин, S=0,045 мм/об, t=0,5 мм.

Рис. 8  Спектр собственных частот колебаний станка УТ16П, 315 об/мин, S=0,045 мм/об, t=0,5 мм

Характер вращения шпинделя станка имеет устойчивые во времени характеристики структуры от оборота к обороту, а достигнутая точность измерений позволяет увидеть их вариации. Неравномерность вращения лежит в пределах от нескольких долей микросекунд до единиц микросекунд и зарегистрирована с абсолютной погрешностью измерения ±1x10^–7 сек.

Фазохронометрическая система диагностики представляет собой комплекс, неотъемлемой частью которого является математическая модель исследуемого объекта. При этом достижению равномерно распределенных границ интервалов угла поворота, возмущенному резанием и неравномерным режимом вращения, соответствуют временные интервалы Δt_i(Δt_i=t_i–t_i–1). При этом в вариациях интервалов δΔt_i(δΔt_i=Δt_i–Δt_i–1) содержится информация о режиме работы и процессе резания [5,8].

Диагностика технического состояния станков фазохронометрическим методом основывается не только на измерении вариаций периодов, соответствующих рабочему циклу станка, но также в сочетании с методами микроскопии может быть применена для оценки состояния и износа режущего инструмента [9].

На рис. 9 приведен результат измерения топографии поверхности режущей пластины после обработки в течение 12,5 мин, полученный при помощи сканирующего зондового микроскопа Solver P47.

Рис. 9. Топография поверхности пластины с покрытием TIN, время работы – 12,5 мин, размер скана 10x10 мкм

Исследования современного станочного оборудования фазохронометрическим методом могут быть осуществлены на базе «Центра модернизации машиностроения» (ЦММ), созданном при МГТУ им. Баумана.

ВЫВОДЫ

При анализе измерительной информации получены следующие результаты:

• сформированные на новом метрологическом уровне ряды интервалов времени содержат информацию о функционировании вращающихся частей станка;
• выявлены устойчивые характеристики вращения шпинделя станка.

Наличие устойчивых частот качаний вала шпинделя свидетельствует о присутствии признаков работы станка, которые могут быть использованы в качестве диагностических.

Получение измерительной диагностической информации в целях информационного и метрологического сопровождения станка возможно при относительных погрешностях измерений времени не более 3,33.10^–4 %.

Фазохронометрический метод диагностики может найти широкое применение как для оценки текущего технического состояния станка, режущего инструмента, так и диагностирования элементов станка.

В статье представлены результаты исследований, выполняемых по государственному контракту № 16.740.11.0710 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.

А.С. Комшин,

МГТУ имени Н.Э. Баумана, г. Москва

e-mail: kozyr.ru@mail.ru

Список литературы:

1. Стандарты ISO 230 – 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Test code for machine tools. 1996 – 2010.

2. ГОСТ Р 27843 – 2006 (ИСО 230-2:1997) Испытания станков. Определение точности и повторяемости позиционирования осей с числовым программным управлением. М.: Стандартинформ, 2007, 13 с.

3. ГОСТ Р ИСО 230-1-10 Испытания станков. Ч.1. Методы измерения геометрических параметров. М.: Стандартинформ, 2010, 160 с.

4. Диагностика автоматизированного производства / С.Н. Григорьев [и др.]. Под ред. С.Н. Григорьева. М: Машиностроение, 2011. 600 с.

5. Комшин А.С. Метрологическое обеспечение работы металлорежущих станков фазохронометрическим методом // Сборник докладов Всероссийской научной школы «Современные технические средства диагностики металлорежущих станков», 6–7 сентября 2011, М: 2011. С. 29–34.

6. Комшин А.С. Имитационное математическое моделирование экспериментального определения параметров деградирующей колебательной системы // Измерительная техника. 2008. №10. С. 5–8.

7. Пронякин В.И. Проблемы диагностики циклических машин и механизмов // Измерительная техника. 2008. №10. С. 9–13.

8. Киселев М.И., Пронякин В.И. Проблема точности при метрологическом обеспечении производства и эксплуатации машин и механизмов//Проблемы машиноведения: точность, трение и износ, надежность, перспективные технологии / Под ред. В.П. Булатова. – СПб: Наука, 2005. С. 7–24.

9. Виноградов Д.В., Гриненко Г.А., Комшин А.С. Изучение нанорельефа поверхностей сменных многогранных пластин //Инженерный вестник. Электронный журнал. 77-48211/500269. http://engbul.bmstu.ru/doc/500269.html. №11. Ноябрь 2012.

Новый фазохронометрический метод (ФХМ) и реализующие его свойства прецизионного изучения функционирующих машин и механизмов циклического действия разработаны на кафедре «Метрология и взаимозаменяемость» МГТУ имени Н.Э. Баумана под непосредственным руководством профессора М.И. Киселева при участии проф. В.И. Пронякина.

Высокая точность измерений интервалов времени позволяет надежно регистрировать индивидуальные особенности поведения изделий от миниатюрных часовых механизмов до турбоагрегатов большой мощности. ФХМ открывает новые возможности при решении проблем обрабатывающей и добывающей промышленности, транспорта, включая железнодорожный, автомобильный и авиационный.

Качественное отличие от традиционной схемы индустриально-промышленного процесса состоит здесь в том, что математическое обеспечение впервые органично войдет во все этапы жизненного цикла.

Кафедра «Метрология и взаимозаменяемость» (МТ-4) МГТУ имени Н.Э. Баумана

Тел. (499) 2670994

www.mt4.bmstu.ru