Разработка системы адаптивного управления на базе токарного станка с ЧПУ 16К20Ф3

2.6. Разработка экспериментальной установки.(в диплом).doc

2.6. Разработка экспериментальной установки.
Экспериментальные исследования проводились на токарно-винторезном станке модели 16К20 и токарном станке с программным управлением 16К20Ф3. в качестве обрабатываемого материала применялись конструкционные углеродистые стали марок сталь 45 сталь 3 а также сталь 12ХН.
При проведении экспериментов режимы резания изменялись в следующих пределах: скорость резания V от 100 ммин до 300 ммин подача S от 007 ммоб до 021 ммоб глубина резания t от 025 мм до 15 мм. Выбор диапазона изменения факторов проводился на основе предварительных исследований и обзора научно-технической литературы а так же исходя из производственного опыта.
В качестве режущего инструмента использовались стандартные токарные резцы с механическим креплением режущих пластин из наиболее распространённых в производстве твёрдых сплавов Т15К6 ВК8.
Структурная схема для измерения и анализа виброакустических колебаний включает следующие приборы устройства и регистрирующую аппаратуру (рисунок 3.1): приёмный преобразователь усилитель блок фильтров анализатор спектра прибор для исследования корреляционных характеристик осциллограф самописец аналого-цифровой преобразователь ЭВМ.
Поскольку объектом исследования являлись виброакустические колебания состоящие из высокочастотных колебаний технологической системы и колебаний генерируемых в зоне резания то место крепления датчика было приближено к зоне резания и располагалось в резцедержателе. Датчик крепился к телу резца с помощью магнита. Колебания измерялись в трёх направлениях: осевом (ось Х) радиальном (ось Y) тангенциальном (ось Z).
Установка для исследования вибросигналов.
С помощью анализатора спектра оценивалась спектральная плотность и амплитуды сигналов виброакустики в частотном диапазоне от 005 Гц до 20кГц.
Коррелятор обеспечивал вычисление закона распределения плотности распределения вероятностей и корреляционной функции с временем задержки от 1мкс до 10 секунд. Объём выборки составлял 210 – 217 точек.
В качестве регистрирующего устройства использовались самописец и ЭВМ на которые записывались полученные в ходе эксперимента спектральные и корреляционные характеристики сигнала. Осциллограф использовался как прибор визуального контроля.
Созданный стенд для анализа сигналов виброакустики предусматривал возможность вычисления спектральных и корреляционных оценок с помощью ЭВМ куда с преобразователя вибраций через аналого-цифровой преобразователь сигнал поступает с усилителя мощности.

ФРАГМЕНТ ОПЕР 005.FRW

ФРАГМЕНТ ОПЕР 020.FRW

ЗАПИСКА диплома МОЯ.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Технология машиностроения»
Технологическое обеспечение точности и работоспособности валов недостаточной жёсткости
Расчётно-пояснительная записка
Студент группы Т-5110 . Евдокимов В.Ю.
Специальность – Технология машиностроения (151001)
Доцент к.т.н .. Остапчук А.К.
Учёное звание учёная степень Фамилия И.О.
Доцент к.т.н .. Назаров А.К.
Доцент к.т.н Давыдова М.В.
В данном дипломном проекте рассмотрены методы технологического обеспечения точности и работоспособности валов недостаточной жёсткости. Предлагаются оригинальные методы контроля и обеспечения необходимых точностных характеристик детали.
Разработан метод определения погрешностей формы с использованием гармонического анализа с исключением погрешности базирования измерения. Предлагается система мониторинга механической обработки. Разработаны методы активного контроля обработки с использованием анализа сигналов виброакустики.
В разделе разработки технологии изготовления детали-вал анализируется базовый вариант технологического процесса изготовления данной детали полученный во время прохождения практики на машиностроительном предприятии и отработка детали на технологичность. Далее производится выбор заготовки и метод её получения с обоснованием выбора. Разрабатывается маршрут технологического процесса изготовления детали из заготовки. Определяются содержание и последовательность выполнения технологических переходов режимы резания нормы технологического времени. Разрабатывается конструкции приспособлений для обработки детали по предложенному варианту технологического процесса. Производится расчёт погрешности контрольного приспособления. В разделе безопасности жизнедеятельности рассматриваются вопросы по обеспечению экологической безопасности проекта по выбору средств защиты от электромагнитных полей и оценка их эффективности по шумовым загрязнениям окружающей среды выбор методов и средств защиты снижения шума разработка мероприятий по обеспечению устойчивости работы проектируемого объекта в условиях ЧС.
На основе проведённых расчётов разрабатывается комплект технологической документации. Графическая часть содержит 12 листов формата А1 на которых представлены: влияние технологической системы на точность обработки (1 лист А1) моделирование динамических процессов в среде VisSim (1лист А1) разработка модели технологической системы обработки методом типовой идентификации(2 листа А1) определение зависимостей погрешностей формы в продольном сечении от режимов обработки (3 листа А1) установление корреляционной зависимостей между сигналами виброакустики и реальной поверхностью детали (2 листа А1) инструментная наладка на токарную с ЧПУ операцию 010 (2 листа А1) станочное приспособление (1 листа А1) . Данный проект содержит практические сведения по реальным процессам и оборудованию применяемом в машиностроении.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . .
Характеристика объектов производства . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .
Исследовательский раздел ..
1. Влияние технологической системы на точность обработки .
2. Разработка метода определения отклонений формы деталей типа валов в поперечном сечении ..
3. Моделирование динамических процессов в среде VisSim
4. Разработка прикладных программ ..
5. Разработка модели технологической системы обработки методом типовой идентификации
3. Активный контроль обработки с использованием сигналов виброаккустики .. ..
4. Метод активного контроля положения обрабатываемой поверхности относительно базовой ..
Экспериментальная часть.
1. Разработка исследовательского стенда ..
2. Решения технологической задачи по обеспечению качества основных деталей и соединений запорной арматуры. .
3. Определение зависимостей погрешностей формы в продольном сечении от режимов обработки
4. Установление корреляционной зависимостей между сигналами виброакустики и реальной поверхностью детали .
Технологический раздел . ..
1. Определение типа производства .
2. Анализ конструкции детали на технологичность .
4. Анализ базового технологического процесса
5. Разработка маршрутного технологического процесса обработки детали .
6. Выбор технологических баз и последовательности технологических переходов
7.Выбор средств технологического оснащения
8. Определение припусков операционных размеров и размеров заготовки
9. Расчет режимов резания ..
10. Техническое нормирование операций
Конструкторский раздел ..
1. Проектирование станочного приспособления
2. Проектирование пиноли задней бабки с вращающимся центром и пневматическим приводом
Безопасность и экологичность проекта
1. Влияние эргонометрических характеристик оборудования на безопасность труда
2. Выбор средств защиты от электромагнитных полей и оценка их эффективности . .
3. Шумовые загрязнения окружающей среды выбор методов и средств защиты снижения шума .
4. Разработка мероприятий по обеспечению устойчивости работы проектируемого объекта в условиях ЧС . .. .
Список литературы .
Технологическая документация ..
Создаваемые машины характеризуются повышением их производительности быстроходности удельной мощности и надёжности при снижении весовых и габаритных показателей. Это влечёт за собой использование новых высокопрочных имеющих специальные свойства конструкционных материалов которые в большинстве случаев являются трудно обрабатываемыми. Однако технический прогресс обуславливается не только улучшением конструкций машин но и непрерывным совершенствованием технологии их производства. Разработка технологических процессов изготовления деталей представляет собой один из ответственных этапов подготовки производства. Технологические процессы должны обеспечивать высокое качество изделий в соответствии с техническими условиями эксплуатации при минимальных затратах времени и средств.
Одним из основных показателей качества машин является их надёжность которая в значительной мере определяется эксплуатационными свойствами деталей соединений: износостойкостью сопротивлением усталости коррозионной стойкостью герметичностью соединений прочностью посадок и другими которые в свою очередь зависят от материала деталей точности размеров и качества их рабочих поверхностей.
Как правило разрушение деталей начинается с поверхности поэтому техническое решение проблемы повышения качества машин в значительной мере связано с технологическим обеспечением качества поверхностного слоя деталей которое включает в себя как геометрические характеристики так и физико-механические свойства.
Поэтому необходимо уделять особое внимание вопросам контроля и обеспечения точностных характеристик поверхностей деталей.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ПРОИЗВОДСТВА.
Каждое изделие предназначено для выполнения определенного процесса. В нашем случае представлен редуктор предназначенный для понижения частоты вращения и повышения крутящего момента электродвигателя.
Деталь – вал является одной из основных деталей редуктора запорной арматуры. Он обеспечивает передачу крутящего момента между зубчатыми колёсами на быстроходной ступени редуктора. Для крепления зубчатых колёс на валу предусмотрены эвольвентные и прямобочные шлицы. Вал имеет довольно большую длину (425 мм) при сравнительно малом диаметре (dmax=30 мм) вследствие этого обладает недостаточной жёсткостью для обработки. Для фиксации положения вала в редукторе предусмотрены две опорные шейки. Эти шейки предназначены для внутренних колец опорных подшипников. Так как от точности опорных шеек зависит точность расположения вала в редукторе а также динамические характеристики его вращения (биения вибрации и др.) то к ним предъявляются повышенные требования по точности обработки и шероховатости.
Вал должен обеспечивать жесткость коррозионную стойкость сопротивление крутящим моментам и осевым нагрузкам без деформации. Для обеспечения этих требований вал изготовляется из стали 25ХГТ (ГОСТ 4543-71). Данный материал применяется для деталей работающих при больших скоростях средних и высоких давлениях при наличии ударных нагрузок. Используется при требовании высокой поверхностной твёрдости и износоустойчивости.
Для повышения прочностных свойств и износостойкости вал подвергается термической обработке – нитроцементации и отпуску.
Механические свойства стали 25ХГТ после термической обработки (цементация и отпуск): ударная вязкость стали . 1
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ
К машинам производимым современным машиностроением всё более повышаются требования по быстроходности бесшумности малым вибрациям герметичности и т.д.. Это в свою очередь приводит к повышению точности изготовления деталей и узлов входящих в состав машины. Одними из самых распространенных и в то же время ответственных деталей машин являются детали типа валов. Именно от точности изготовления этого типа деталей во многом зависит виброустойчивость бесшумность герметичность и вообще надёжность изделия в целом.
Очень часто высокие технические требования предъявляются не только к точности размеров детали но и к точности формы профиля продольного сечения вала и к его расположению. Так в данном дипломном проекте представлена деталь типа вал. К двум его шейкам предъявляются довольно высокие технические требования: допускаемое отклонение от круглости 0004мм и 0005мм допускаемое отклонение от соосности 006 мм допускаемое отклонение профиля продольного сечения 0004 мм и 0005 мм. Здесь встаёт вопрос технологического обеспечения этих требований.
Рассмотрим факторы технологической обрабатывающей системы влияющие на точность обработки вала.
1. Влияние технологической системы на точность обработки
Технологическая система станок – приспособление – заготовка – инструмент представляет собой упругую систему деформации которой в процессе обработки обуславливают возникновение систематических и случайных погрешностей размеров и геометрической формы обрабатываемых заготовок. Вместе с тем эта технологическая система является замкнутой динамической системой способной к возбуждению и поддержанию вибраций порождающих погрешности формы обрабатываемых поверхностей (волнистость) и увеличивающих их шероховатость.
При обработке в центрах на токарном станке гладкого вала в начальный момент времени когда резец находится у правого конца вала вся нормальная составляющая Ру усилия резания передаётся через заготовку на задний центр пиноль и заднюю бабку вызывая упругую деформацию названных элементов в направлении «от рабочего». Это приводит к увеличению расстояния от вершины резца до оси вращения заготовки на величину Уз.б. и к соответствующему возрастанию радиуса обработанной заготовки.
Одновременно с этим под действием Ру происходит упругое отжатие уинстр резца и суппорта в направлении «на рабочего» что в свою очередь влечёт за собой увеличение расстояния от вершины резца до оси вращения заготовки а следовательно и радиуса обработанного изделия. Таким образом в начальный момент диаметр обработанной поверхности фактически оказывается больше диаметра установленного при настройке на величину Δ=2(уз.б.+уинстр.). При дальнейшем обтачивании и перемещении резца от задней бабки к передней отжатие задней бабки уменьшается но возникают отжатия передней бабки уп.б. и обрабатываемой заготовки узаг.которые также увеличивают фактический диаметр обработки. В некотором сечении А-А фактический диаметр обтачиваемой заготовки оказывается равным
На погрешность формы обработанной детали также оказывают влияние погрешности геометрической формы исходных заготовок – так называемая технологическая наследственность. Колебания припуска на обработку заготовок связанные с погрешностью размеров исходной заготовки при работе на настроенных станках изменяют глубину резания что приводит к рассеянию размеров детали.
При введении упругой технологической системы станок – приспособление – заготовка – инструмент в процессе обработки в состав её элементов включаются и участвующие в общем действии рабочие процессы: резание и трение а также процессы протекающие в приводах образуя в совокупности замкнутую динамическую систему. При этом замкнутость динамической системы обуславливается взаимодействием упругой технологической системы с протекающими при обработке рабочими процессами.
В общем случае замкнутая динамическая система является многоконтурной в которой рабочие процессы взаимосвязаны друг с другом через упругую систему. При этом упругая система в свою очередь оказывает заметное влияние на протекание рабочих процессов.
Из всего выше сказанного следует что на формирование поверхности при механической обработке оказывает влияние большое количество факторов. И необходимо уметь правильно управлять входными параметрами (н.п. режимами резания) для получения поверхности требуемой формы. Но для того чтобы контролировать отклонения формы необходимо прежде всего использовать достаточно достоверные и прогрессивные методы определения этих отклонений.
2. Разработка метода определения отклонений формы деталей типа валов в продольном сечении
Каждая деталь характеризуется бесконечно большим числом размеров.
Детали лишь на чертежах характеризуются номинальными (идеальными) поверхностями а фактически ограничены реальными поверхностями. Детали всегда имеют отклонения формы. Обеспечение допустимого отклонения формы в производственных условиях всегда затруднено. В частности в производственных условиях возникают отклонения от круглости. Они непосредственно сказываются на качестве соединений имеющих цилиндрические поверхности потому что по таким поверхностям устанавливают ответственные детали и узлы машин.
В производственных условиях отклонения формы цилиндрических поверхностей обычно определяют следующими методами:
метод вращения вала в центровых отверстиях
Все эти методы имеют достоинства и недостатки.
Так метод призм (рис. 2.1.) имеет большое распространение так как он обладает большой простотой дешевизной и не требует высокой квалификации контролёра. Однако в современном его применении нельзя простотой этого метода оправдать даваемую им неточность результата который порой просто бывает грубым.
Метод призм (не одной а нескольких с разными углами последовательно) мог бы оправдать себя если было бы достаточно оснований предполагать или предварительно установить наличие правильной геометрической гранёности вала. В этом случае метод призм мог бы оказаться удобным быстрым и дешёвым методом окончательной разбраковки детали. Применение же его как универсального и по существу единственного средства оценки правильности формы не может быть оправдано.
Метод втулок (рис. 2.2.) принципиально мало чем отличается от метода призм.
При этом погрешности установки у здесь определить труднее чем в случае призм так как у призмы опорная поверхность представлена в виде плоскости а у втулки в виде цилиндрической поверхности которая труднее доступна для исследования.
Кроме того необходимость зазора между валом и втулкой может приводить к дополнительному радиальному смещению всего контура относительно ножки измерительного прибора т.е. к нестабильности установки при измерении.
Наконец недостатком этого метода является необходимость иметь для каждого размера вала свою контрольную втулку.
Метод установки вала в угольник (рис. 2.3.) имеет следующие недостатки.
Здесь возникает погрешность базирования от того что неровная поверхность детали касаясь разными своими точками неподвижной плоскости прибора заставляет перемещаться вверх или вниз центр сечения искажая результат определения погрешностей формы (рис. 2.4.).
Возникновение погрешности базирования
По той же причине возникает погрешность установки которая происходит от неровностей наконечников измерительного прибора – деталь разными своими точками касается разных точек наконечников прибора что и создаёт погрешность установки .
Возможен случай такого контура детали когда все три вида погрешностей одновременно изменяясь при повороте детали в сумме дают одно и тоже значение .
В этом случае измерительный прибор не отметит отклонения и этим самым может создаться ложное представление о правильной геометрической окружности детали.
В качестве примера можно привести многодужники с нечётным числом дуг (рис. 2.5.).
Метод вращения вала в центрах (рис. 2.6.) может быть применён при следующих условиях:
Вал должен иметь центровые отверстия.
Геометрические оси центровых отверстий должны совпадать с осью вала.
Действительные поверхности центровых отверстий на валу и конусных центров приспособления не должны отличаться от теоретических конусных поверхностей.
Последняя перед контролем операция обработки цилиндрической поверхности вала должна производится исходя из тех же центровых отверстий как из баз.
Метод измерения в центрах
В этом методе также может возникнуть погрешность базирования из-за несовпадения геометрической оси центровых отверстий с осью вала.
Результаты измерений обычно записываются графически в виде непрерывной кривой (на приборах типа макропрофилографов) или в виде таблицы дающей совокупность дискретных значений текущего размера измеренных через определённый интервал с помощью одного из способов описанных выше.
Нами была разработана программа которая при обработке результатов измерения позволяет устранить погрешность базирования и установить реальный профиль детали. То есть она устраняет недостатки описанных выше методов измерения.
Суть программы для обработки результатов измерения заключается в следующем. Мы заменяем сложную функцию изменения текущего размера заданную в табличном виде рядом Фурье который является наилучшим приближением при периодических и циклических процессах.
Необходимо отметить что эта замена имеет не только формальное значение но и отражает действительную природу возникновения этих изменений.
Таким образом функцию текущего размера заданную в полярной системе координат можно представить в виде ряда:
f(φ)=a02+(akcoskφ+bksinkφ) 2
где а02-нулевой член разложения; к-порядковый номер соответствующей гармоники; ак bк-коэффициенты ряда Фурье к-й гармоники определяющиеся по формулам:
n – количество интервалов измерений;
На рисунке 2.7. Изображена функция текущего размера р(ф) и заменяющий её ряд Фурье р3(ф).
Аппроксимация функции текущего размера
Как видно из рисунка 2.7. ряд Фурье практически повторяет функцию размера.
Затем определяется спектр распределения амплитуд гармоник входящих в ряд Фурье:
На рисунке 2.8. изображен графически спектр амплитуд.
Спектр амплитуд гармоник
По спектру распределения амплитуд гармоник можно определить какая из гармоник наиболее выражена в профиле поперечного сечения вала а значит можно судить о доминирующей погрешности формы . Известно что первая гармоника (a1cos1φ+b1sin1φ) характеризует расстояние между центром вращения и геометрическим центром т.е. эксцентриситет. Он указывает на отклонение расположения поверхности и выражает его количественно.
Эксцентриситет определяется количественно по формуле:
Затем производится пересчёт функции текущего размера для устранения эксцентриситета:
В результате пересчёта получаем функцию реального профиля поперечного сечения Rd которая оказывается смещённой от функции текущего размера на величину эксцентриситета е (рис. 2.9.).
Устранение эксцентриситета
Таким образом устраняется погрешность базирования при измерении.
Последующие члены ряда начиная со второго характеризуют спектр отклонений формы детали в поперечном сечении.
Второй член характеризует овальность сечения третий – огранку с трёхвершинным профилем т.д. Поэтому сечение детали следует представлять очерченным контуром имеющим отклонение размера с центром смещенным от геометрического центра. Контур имеет овальную форму на которую наложены огранки с различным числом вершин. Остальные члены ряда характеризуют соответствующие волнистость и шероховатость.
Первый член разложения с1cos(φ+φ1) характеризует расстояние между центром вращения и геометрическим центром т.е. эксцентриситет. Он указывает на отклонение расположения поверхности и выражает его количественно. Последующие члены полинома начиная со второго характеризуют спектр отклонений формы детали в поперечном сечении.
Второй член характеризует овальность сечения третий – огранку с трёхвершинным профилем т.д. Поэтому сечение детали следует представлять очерченным контуром имеющим отклонение размера с центром смещенным от геометрического центра. Контур имеет овальную форму на которую наложены огранки с различным числом вершин. Остальные члены ряда характеризуют соответствующие волнистость и шероховатость.
В конечном итоге программа выдает количественное значение отклонения от круглости N определяемое по формуле:
где Ro-радиус описанной окружности около профиля сечения проведённой из геометрического центра профиля сечения; Rв - радиус вписанной окружности около профиля сечения проведённой из геометрического центра профиля сечения (рис. 2.10). Т.е. Ro=Rdmax Rв=Rdmin.
Методика проведения измерений.
Ввод массива данных измерения полученных одним из методов например методом измерения в центрах.
Ввод номера наивысшей гармоники до которой необходимо произвести разложение функции текущего размера.
На выходе программы получаем спектр распределения амплитуд гармоник по которому можно судить какой вид погрешности преобладает в сечении.
И наконец в качестве конечного результата получаем значения шероховатости .
5.ИДЕНТИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ
Под системой здесь будем понимать структуру связанных между собой элементов машины включая механические детали акустические газодинамические и гидравлические тракты а также прочие узлы которые прямо или косвенно обуславливают развитие и существование быстропеременного процесса.
Моделью системы является идеализированное математическое описание преобразований осуществляемых над входным процессом и обеспечивающих с достаточной степенью точности представление выходного процесса. Это общее определение приводится для того чтобы подчеркнуть основную задачу которую должен решить исследователь занимающийся вопросами моделирования процессов в машинах а именно: получить форму математического преобразования параметров характеризующих связанные через конструкцию процессы.
Степень адекватности модели реальной системы зависит от сложности самой системы и от уровня отражающего полноту и точность математического представления. Первое устанавливается самим объектом и задачами исследования второе определяется в большей мере знанием опытом и искусством исследователя.
В настоящее время существует обширная литература посвященная вопросам построения моделей систем. Однако в такой области как моделирование механических систем и процессов трудно охватить все конкретные правила и методики обеспечивающие успех применения разработанных с их помощью моделей. Это обусловлено бесчисленным многообразием встречающихся на практике систем и форм их взаимосвязи. Описанные в литературе общие принципы и подходы значительно облегчают исследователю решение данной проблемы. Наряду с ними полезны рекомендации по более узким областям моделирования раскрывающим особенности и характерные черты конкретных моделей систем. Целью настоящего раздела является ознакомление читателя с общими и специальными методами идентификации систем эффективно применяемых авторами при исследовании процессов в машинах.
3. Моделирование динамических процессов в среде VisSim.
Фирма Visual Solutions является производителем такого программного продукта как VisSim. VisSim - это диалоговая визуальная оболочка для разработки непрерывных дискретных мультичастотных и гибридных моделей систем и моделирования динамики этих систем. Набор команд предоставляемый VisSim позволяет автоматизировать решения многих задач.
VisSim модель системы сроится в виде структурной схемы в привычном виде. Основными инструментами являются функциональные блоки и связи между ними. Каждый блок выполняет определенную функцию. Функция может быть такой же простой как "sin" или сложной как передаточная функция 10-го порядка. VisSim содержит более 100 линейных и нелинейных блоков позволяющих моделировать сколь угодно сложные системы. Но если вдруг по каким-то причинам предоставленный набор средств окажется недостаточным то VisSim предоставляет простой механизм расширения за счет пользовательских блоков.
Моделирование системы в VisSim означает пошаговое решение уравнений описывающих данную систему и вычисление выходов модели. Если изменить параметры системы во время процесса моделирования VisSim немедленно пересчитает параметры системы и учтет их при моделировании. Для решения дифференциальных и разностных уравнений VisSim использует семь различных методов интегрирования а также вычислители для "жестких" систем. Выбор методов интегрирования позволяет найти компромисс между скоростью и точностью вычислений.
4. Разработка прикладных программ.
Входе выполнения дипломного проекта возникла необходимость в разработке прикладных программ таких как «IZM в TXT» «Взаимная корреляция». Программы написаны на языке Delphi и имеют следующий интерфейс.
Рис 26 Интерфейс программы «IZM в ТХТ»
В папку IZM помещаем файл с расширением *.izm это файлы в которых записаны профилограмма и коррелограмма измеряемой поверхности детали (шероховатость). После этого нажимаем кнопку «Старт» и программа переводит данный файл в текстовый документ в котором содержится значения точек с профилограммы поверхности с заданным интервалом.
Рис 27 Интерфейс программы «Взаимная корреляция»
Программа предназначена для вычисления коэффициента корреляции между вибросигналом и реальной поверхностью детали. В левом верхнем окне открывается файл дважды продифференцированной шероховатости поверхности в верхнем правом соответствующий ей сигнал виброускорения. В следующих двух окнах отображается результат вычислений т.е. значение коэффициента корреляции.
5 МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ
Под идентификацией системы понимается процесс определения структуры и характеристик системы посредством анализа сигналов на ее входе и выходе. Различают идентификацию в широком и узком смыслах. В задачу идентификации в широком смысле входит установление формы аналитического описания процесса и определение основных его параметров. При идентификации в узком смысле структура модели считается известной и оцениваются только параметры. Идентификация может проводиться с использованием специальных тестовых сигналов которые подаются на вход системы. В качестве таких сигналов используют импульсные (ударные) гармонические и шумовые процессы.
Идентификация как правило осуществляется с позиции когда система рассматривается как «черный ящик» т. е. в отсутствии информации о внутренней взаимосвязи ее подсистем и о тех физических законах которые обуславливают существование данного процесса. Критерием адекватности модели служат величины характеризующие различие между значениями реального и моделируемого процессов. При идентификации в широком смысле возникает проблема выбора класса и степени структурной сложности модели.
Класс математической модели определяет наиболее общие формы ее описания. Например линейные и нелинейные или дифференциальные и интегральные модели и др. Сложность модели одного класса зависит от числа параметров ее характеризующих. Для линейных моделей это означает установление порядка и соответственно числа определяющих параметров дифференциального или разностного уравнения преобразующего входной процесс в выходной. Проблема установления порядка вызвана случайным характером процессов по которым осуществляется идентификация. Так имея отдельные реализации процессов на входе и выходе системы с некоторыми случайными составляющими в принципе можно подобрать такой математический оператор без ограничения на его сложность который с абсолютной точностью отобразил бы переход входных данных в выходные. Однако для других реализаций процессов такой оператор уже не дал бы удовлетворительных результатов с точки зрения получения минимальных расхождений параметров идентифицированного и реального процессов. Другими словами оператор не обеспечил бы устойчивости преобразования к случайным отклонениям исходных данных.
Рассмотрим простейший пример. Требуется идентифицировать модель системы с гармоническим процессом на входе и некоторым полигармоническим процессом на выходе. Априори неизвестно что модель представляет собой линейный усилитель амплитуды гармонического сигнала со случайной погрешностью преобразования. Получив амплитудные спектры процессов можно построить нелинейный оператор формирующий сигнал со спектром идентичным измеренному сигналу на выходе как реакцию на гармонику с определенной амплитудой и частотой. Для другой реализации процесса потребуется новый оператор отличающийся от первого. Таким образом несмотря на то что идентифицированная модель (оператор) обеспечивает минимальное расхождение моделируемого и реального процессов для отдельной реализации она не дает устойчивых результатов для процесса в целом в связи с чем не отражает истинной функции рассматриваемой преобразующей системы. Поэтому требуются специальные методы позволяющие осуществлять идентификацию моделей устойчивых к случайным помехам в исходной информации. В литературе по математической статистике подобная проблема рассматривается когда ищется оценка параметра характеризующего закон распределения случайной величины по выборочным данным имеющим выбросы не относящиеся к анализируемой генеральной совокупности. Оценки параметров распределения устойчивых к помехам носят название робастных процедур [24]. Основной принцип который закладывается при поиске таких процедур состоит в том чтобы наряду с критерием определяющим суммарную ошибку аппроксимации и оптимизируемого с целью установления предельного уровня сложности аппроксимирующей формулы учитывалась также устойчивость оцениваемых параметров модели к различным реализациям исходных данных.
Рис. 2.1. Идентификация линейной системы
возможных варианта аппроксимации экспериментальных точек взятых из одной реализации. В первом варианте (а) проведена линия прямой регрессии по методу минимизации суммы квадратов отклонений координат у
Рис. 2.2. Варианты аппроксимации экспериментальных точек
от каждой экспериментальной точки до прямой. Во втором варианте (б) подобная процедура минимизации проведена для аппроксимации данных с помощью квадратичной параболы. В третьем варианте (в) линия прямой регрессии проведена по точкам без учета одной помеченной на рисунке если считать ее за выброс в исходных данных. Хотя критерий среднего квадратичного отклонения для второго варианта оказался существенно меньшим чем для первого и третьего. Истинной моделью явилась линейная регрессия (в) так как дополнительные экспериментальные данные подтвердили случайный выброс указанной точки а оцененные параметры этой линии регрессии (угол наклона и смещение относительно начала координат) оказались мало зависящими от различных реализаций исходных данных.
В некоторых частных случаях при построении математических моделей процессов в машинах могут быть напрямую использованы методы получения робастных оценок применяемых в статистике например во всех задачах связанных с описанием стационарного процесса вибрации каких-либо деталей или пульсаций газа в газодинамическом тракте. Модели подобных процессов используются для имитации различных возможных условий потери стационарности и для определения наиболее эффективных критериев позволяющих устанавливать факт и момент такого события. В разд. 2.2 будет рассмотрен один из применяемых в математической статистике способов робастной оценки порядка линейной модели стационарной случайной последовательности данных для разработки имитационной модели процесса изменения во времени значений максимальных амплитуд вибраций машины.
Следует заметить что при идентификации в широком смысле когда нет априорных данных о структуре модели всегда приходится ограничивать производимый выбор моделей их определенным классом. Концептуальный выбор подходящего класса моделей по возможности должен основываться на физических представлениях о механизмах порождающих процессы. Если известно что исследуемая система является нелинейной то в зависимости от степени нелинейности ее модель может быть определена в классе квазилинейных систем например с использованием метода гармонической линеаризации или при значительном вкладе нелинейных факторов в классе систем описываемых рядом Вольтера n-го порядка.
Выше отмечалось что эффективным способом идентификации систем является использование тестовых сигналов подаваемых на вход в систему. Классическим примером такого метода является испытание машины при воздействии на нее гармонических нагрузок с целью определения резонансных частот колебаний деталей и пульсаций газа в проточной части. Другой широко применяемый способ идентификации состоит в создании импульсного (ударного) воздействия на элемент машины и регистрации соответствующего отклика на него. После специальной обработки сигнала получают информацию об основных динамических параметрах рассматриваемой системы. Указанные методы наиболее эффективны при идентификации линейных систем.
В последнее время с появлением автоматизированных средств обработки быстропеременных процессов на ЭВМ все более широкое применение находят методы идентификации с использованием в качестве тестового сигнала шумового воздействия. Преимущество этих методов заключается в возможности идентификации с их помощью сугубо нелинейных систем. Кроме того в связи с тем что при работе машин возникают естественные шумовые процессы по своим характеристикам близкие к белому шуму например: шумовое акустическое излучение турбулентные пульсации потока газа или жидкости и другие создается возможность их использования как тестовых воздействий вместо генерации специальных шумовых сигналов. Примеры идентификации линейных и нелинейных механических систем в турбомашинах с помощью шума приведены ниже.
Важной практической задачей в разработке моделей систем в которых образуются быстропеременные процессы является идентификация в узком смысле или оценивание параметров при известном классе модели и ее структуре. Эта задача возникает как составной этап в решении проблемы идентификации в широком смысле а также как самостоятельная задача в случае если преобразующий оператор модели получен из физических соображений и анализа функционирования системы. Оцененные параметры системы используются для характеристики ее свойств а в составе математического оператора—для численного моделирования процессов.
В общем виде задачу оценивания параметров можно представить следующим образом. Если процесс на входе в систему задается вектором параметров X а на выходе из системы Y то преобразование осуществляемое посредством оператора L имеет вид
где Р — вектор оцениваемых параметров системы.
В простейшем случае детерминированной системы и при существовании обратного относительно параметров оператора последние легко определяются из выражения
Если обратный оператор отсутствует то параметры оцениваются методом подбора путем минимизации функционала характеризующего невязку р:
Выбор вида функционала во многом зависит от структуры оператора L а также от точности исходных данных о векторах параметров процессов используемых для оценки параметров модели. При решении некорректных задач т. е. таких когда малая погрешность в исходных данных может привести к большим отклонениям оцениваемых параметров от их истинных значений используются специальные регулиризирующие операторы уменьшающие погрешность оценки параметров и приводящие к устойчивым относительно входных данных результатам. Оценивание параметров системы является самой распространенной практической задачей при исследовании быстропеременных процессов в машинах. К этим задачам относятся например: определение собственных частот элементов конструкции коэффициентов демпфирования а также коэффициентов влияния характеризующих степень взаимосвязи процессов.
Разнородность встречающейся на практике номенклатуры параметров описывающих систему приводит к затруднению при их оценивании и использовании для численного моделирования процессов. Применение обобщенных параметров системы может внести существенное единообразие и строгость в методы оценки.
В заключение данного раздела укажем что исследования по идентификации (в широком смысле) систем определяющих существование быстропеременных процессов складываются из следующих этапов:
-концептуального выбора класса моделей;
-установления порядка модели;
-оценивания параметров;
-подтверждения адекватности модели реальному процессу.
Выбор оптимальных алгоритмов по реализации каждого из этапов обуславливает успех решения задачи идентификации.
2.1. ИДЕНТИФИКАЦИЯ СТАЦИОНАРНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ И КРИТЕРИИ ИХ УСТОЙЧИВОСТИ
Рассмотрим следующую практическую задачу. В процессе эксплуатации машины проводится измерение быстропеременного процесса параметры которого используются для характеристики ее функционального или технического состояния. Примерами таких процессов являются вибрации машины реагирующие на нарушение дисбаланса движущихся узлов и деталей; пульсации газа или топлива по которым судят о допустимых динамических нагрузках действующих на элементы конструкции; колебания отдельных деталей подверженных возможности резкого увеличения их амплитуды на отдельных режимах работы. При этом измеряется только некоторый интегральный параметр процесса. В качестве него могут использоваться среднее квадратичное значение максимальная амплитуда огибающей или амплитуда отдельной гармонической составляющей процесса. Регистрация осуществляется через достаточно большие промежутки времени по крайней мере существенно превосходящие период основной частоты процесса. Требуется по изменению во времени величины регистрируемого интегрального параметра выявить факт нарушения стационарности исследуемого процесса.
При обнаружении нестационарного характера временной последовательности значений соответствующего параметра судят о возникновении неисправности в движущихся узлах машины о появлении пульсаций в проточной части о возбуждении опасных колебаний деталей и о прочих нарушениях в работе машины.
Определение порядка модели
Будем идентифицировать модель системы порождающей временную последовательность y(tn) в классе линейных моделей. Такую последовательность называют временным рядом. Математическая модель стационарного ряда в общем виде может быть описана линейным разностным уравнением порядка (p*q):
где y(tn) — значение последовательности в текущий момент времени регистрации y(tn— аи р; — постоянные весовые коэффициенты.
Данное уравнение называют авторегрессионной моделью со скользящим средним [4]. Этот термин связан с тем что левая часть уравнения описывает регрессию y(tn) на его прошлые значения а правая часть по существу является оператором усреднения значения
x(tn) без выполнения условий и для всех i . В представленном виде модель трудно использовать на практике так как значения переменной в правой части x(tn) обычно не подлежат измерению. Введем упрощающее предположение. Будем считать что множество внешних факторов в совокупности влияющих на регистрируемые показания y(tn) носят случайный характер описываемый гауссовским законом распределения. Тогда в правой части уравнения (2.1) останется только одна не измеряемая случайная переменная x(tn)
Такое уравнение называется авторегрессионным порядка р.
В задачу идентификации модели входит определение ее порядка. С этой целью рассмотрим критерий минимизирующий средний квадрат отклонений значений ytn) измеренных экспериментально от расчетных значений полученных из авторегрессионной модели. Если подбирать коэффициенты аi по условию минимума критерия
где Е — символ операции математического ожидания над выражением заключенным в фигурных скобках (по значениям переменной в моменты времени tn число которых задается длиной рассматриваемого временного ряда) то при увеличении порядка модели р в пределе можно найти такие аi которые обеспечат практически полное совпадение экспериментальных и расчетных значений y(tn). Однако коэффициенты ai будут зависеть от конкретной реализации по данным которой производилась оценка а также от длины этой реализации. Истинный порядок модели имеет место в том случае когда аi определенные путем минимизации критерия J по различным реализациям временного ряда несильно отличаются друг от друга т. е. оценка устойчива к случайным отклонениям исходных данных. На этом принципе основан алгоритм установления порядка линейной авторегрессионной модели. Исходный временной ряд длина которого определяется особенностью эксперимента и возможностью регистрации делится на К реализаций одинаковых по объему данных. Для каждой реализации осуществляется подбор коэффициентов р-го порядка модели минимизирующих средний квадрат отклонений J. Далее производится вычисление средних значений а и дисперсий их отклонений от среднего значения по К реализациям для моделей разного порядка. Порядок модели принимается за истинный когда дисперсия коэффициентов at оцененных по различным реализациям уравнивается с дисперсией ошибки аппроксимации временного ряда. Процедуру оценки коэффициентов ai такой модели называют робастной т. е. устойчивой к помехам в исходных данных. Описанный выше алгоритм может быть реализован на ЭВМ однако он требует значительного объема вычислений и машинного времени.
В работе приводятся асимптотические формулы для определения порядка модели при бесконечно большой длине временной реализации. Можно показать что дисперсия ошибки предсказания значений y(tn) по модели р-го порядка с коэффициентами ai оцененными по реализации длиной в N дискретных отсчетов ряда равна
при достаточно больших N где — дисперсия нормально распределенной случайной составляющей процесса x(tn) y(tn) — измеренная случайно выбранная реализация. В то же время предел к которому стремится среднее значение дисперсии ошибки аппроксимации ряда yk(tn) зависит от модели идентифицированной по значениям этого же ряда и равен
Учитывая (7.5) в качестве оценки ох2 можно принять
Из формул 2.4 и 2.5 можно получить
Точность оценки порядка модели по этому критерию возрастает с увеличением длины временного ряда. На практике часто приходится сталкиваться с короткими реализациями процессов. В этом случае эффективным методом для проведения подобной оценки является метод основанный на принципе хаотизации исходных данных.
Его сущность заключается в том что при установлении порядка модели по описанному выше алгоритму с помощью критерия (2.3) в качестве реализаций наряду с измеренным временным рядом берут значения этого же ряда но в последовательности случайным образом нарушенной по сравнению с исходной. Для каждого порядка модели начиная с первого оцениваются коэффициенты аi по данным измеренной временной реализации и хаотизированной. Далее вычисляются J критерии и осуществляется их сравнение. Если начиная с некоторого р-го порядка модели J (р) критерий реальной реализации уравнивается по величине с J*(p) критерием для хаотизированной реализации то этот порядок принимается за истинный. Смысл данного принципа заключается в том что повышение порядка модели сверх некоторого значения приводит к такому математическому оператору который аппроксимирует случайные отклонения временного ряда не связанные с заложенной в нем основной закономерностью исследуемого процесса. Если эта закономерность искусственно нарушена (осуществлена хаотизация ряда) то идентифицированная по этой последовательности модель отображает только случайный набор значений параметров. С повышением порядка модели дисперсия ошибки аппроксимации хаотизированного ряда уменьшается. Когда эта ошибка уравнивается с ошибкой аппроксимации исходного ряда то порядок модели является критическим и дальнейшее его повышение будет лишь искажать истинную структуру модели процесса. Сравнение дисперсий ошибок производится по х2 критерию при заданном уровне значимости. Процедуру хаотизации реализуют на ЭВМ специальным оператором перемешивающим последовательность данных.
Оценивание параметров модели
После того как порядок модели установлен оцениваются коэффициенты модели ai (если их оценка не осуществлялась при определении порядка модели). Известны различные методы проведения таких оценок. Для авторегрессионных моделей невысокого порядка с которыми наиболее часто встречаются при анализе быстропеременных процессов в машинах удобным способом оценки коэффициентов аi является метод Юла — Уолкера. Он заключается в решении системы линейных уравнений относительно аi
оценка значений автокорреляционной функции временного ряда.
Формула оценки аi полученная из решения этой системы имеет вид
где аР (р)— коэффициент при р-ом члене в модели р-го порядка.
Таким образом после установления порядка р и оценки коэффициентов модель считается идентифицированной для заданной исходной реализации данных которые априори принимаются принадлежащими стационарному временному ряду.
Проверка ряда на стационарность
Для решения практической задачи связанной с выявлением нарушений в работе машины осуществляется контроль временного ряда на стационарность. Для этого необходимо установить соответствующие критерии. Из общей теории линейных моделей известно что условием стационарности временного ряда является принадлежность корней его характеристического уравнения комплексной плоскости внутри единичной окружности. Характеристическим для модели (2.2) является уравнение вида
где z^-к — оператор сдвига назад осуществляющий операцию
В том случае если корни этого уравнения m 1 то исследуемый временной ряд стационарен. В противном случае когда m >1 ряд нестационарен. Граничным условием является m = 1.
При практических расчетах корни уравнения являются функциями величин оцененных статистически следовательно сами корни представляют собой случайные величины. Поэтому подтверждение условия или обратного ему должно основываться на вероятностном подходе связанном с проверкой статистических гипотез. В связи с этим необходимо получить данные о законах распределения значений корней. Для моделей имеющих высокий порядок это вызывает значительные трудности. Наиболее реальным представляется использование метода имитационного моделирования заключающегося в накоплении статистических данных по i получаемых как решение соответствующих уравнений восстанавливаемых из искусственно генерируемых временных рядов. Естественно что статистические характеристики этих рядов должны быть сходны с реальными.
Практический пример.
Проиллюстрируем изложенные в данном разделе подходы к решению практической задачи связанной с анализом вибраций машины в процессе ее эксплуатации с целью диагностики технического состояния машины.
С помощью штатных вибродатчиков установленных на корпусе машины проводят измерение максимальных амплитуд вибрационного процесса.
Регистрация вибросигнала осуществляется через достаточно большие промежутки времени на фиксированных режимах работы машины. На амплитуду процесса влияет множество факторов имеющих случайный и неслучайный характер обусловленный определенными причинами. К первым относятся общий шумовой вибрационный фон погрешность в определении установленного режима влияние изменяющихся внешних условий эксплуатации погрешности приборов и прочие. Ко вторым могут быть отнесены факторы связанные с нарушением условий эксплуатации и с дефектами возникшими в машине которые влияют на уровень вибраций. Учитывая что обнаружение нарушений в эксплуатации машины обеспечивается специальными методами необходимо разработать критерии позволяющие по анализу вибраций судить о появлении дефекта в машине. Другими словами ставится задача по выявлению неслучайных отклонений во временной последовательности максимальных измеренных амплитуд вибраций. В литературе данную процедуру называют обнаружением тренда процесса.
Временной ряд контрольных измерений о котором априори известно что он относится к этапу исправно работающей машины имеет объем
N = 25 точек. Значения ряда были предварительно нормированы с помощью формулы.
В качестве математической модели для описания ряда использовалось уравнение авторегрессии представленного выше. Порядок уравнения устанавливался на основе вычисления и определения минимума финальной ошибки прогнозирования по критерию. Минимум J имеет место при р=п= 1. Это означает что процесс описывается линейной моделью первого порядка. Коэффициент ai уравнения авторегрессии вычисляется через выбранные значения автокорреляции при k=1 и в данном случае равен ai = ri = 02. Модель временного ряда нормированных максимальных амплитуд вибраций принимает вид
ytn)=02 y(tn-1)+x(tn) 2.9
Следующий этап анализа состоит в нахождении граничных значений для коэффициента превышение которых означает потерю свойств стационарности. Так как однозначно определяется коэффициентом автокорреляции то он имеет закон распределения которым обладает статистика для оценки коэффициента корреляции. С помощью преобразования Фишера это распределение приводится к нормальному . Тогда доверительный 95%-й интервал для выполнения гипотезы о том что коэффициент ai значимо не отличается от 1 т. е. что временной ряд нестационарен задается выражением
Рис. 2.5. Изменение во времени значений Ф-критерия
где —преобразование Фишера; ф=-среднее квадратичное отклонение. Если Ф находится внутри интервала то считается что ряд стационарен; в противном случае — нестационарен.
На практике оценка ai производится по текущим значениям временного ряда для чего удобно пользоваться рекуррентной формулой вычисления
Среднее квадратичное отклонение определяющее доверительный интервал при текущем значении выборки равно
На рис. 2.5 показано изменение во времени вычисленных текущих значений ai .Потеря стационарности ряда устанавливается при выходе ai за доверительный интервал. В момент времени tn = 20 принимается что с 95%-ной вероятностью в исследуемой машине возникла неисправность связанная с нарушением функционирования одного из ее узлов.
Обнаружение нестационарности временного ряда по критерию потери его устойчивости есть качественная оценка которая не позволяет определить уровень и характер нестационарности а также указать момент ее возникновения. Для более точных количественных оценок необходимы дополнительные исследования которые можно эффективно проводить на имитационной модели процесса. За основу такой модели может быть выбрано уравнение (2.10). Генерирование временного ряда с заранее заданными характеристиками нестационарности такими как тренд среднего значения ряда или тренд дисперсии осуществляется путем наложения на случайную составляющую x(tn) некоторой изменяемой во времени детерминированной зависимости. Для имитированного ряда производится оценка параметра аi по изложенной методике. Назначаются доверительные интервалы на границы критических значений этого коэффициента. В дальнейшем подобная процедура осуществляется для различных имитированных рядов отличающихся характером нестационарности. Проводя соответствующий анализ выходных параметров процессов достаточно просто установить чувствительность метода к обнаружению нестационарности различного уровня по отношению к случайному шумовому процессу на входе.
2.2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНУСОИДАЛЬНЫХ И ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Методы идентификации использующие тестовые воздействия основаны на представлении линейных систем с помощью интеграла свертки
где h( y(t)— процесс на входе в систему; y(t)— процесс на выходе из системы. Физический смысл h(x) заключается в отображении реакции системы на импульсное воздействие. Так как математически импульс может быть представлен — дельта-функцией Дирака удовлетворяющей соотношению
то из (2.11) вытекает что
Формой физической имитации импульса является удар. Поэтому генерируя ударное воздействие процесса па входе и регистрируя исследуемый процесс отклика получают информацию о характеристиках преобразующей системы в виде импульсной переходной функции. Реальные системы в частности те с которыми связаны быстропеременные процессы в машинах обладают несколькими степенями свободы а во многих случаях их приходится рассматривать как системы с непрерывно распределенными параметрами. В этом случае процедура идентификации осуществляется путем последовательного автономного импульсного воздействия на элементы системы с регистрацией реакций процесса в характерных точках.
Осуществив преобразование Фурье обеих частей равенства (2.11) получим представление системы в частотной области
где —частотная характеристика
системы. Последнее выражение отражает главное свойство линейных систем заключающееся в том что их преобразующее действие не искажает частоту гармонического сигнала. Другими словами если процесс на входе описывается гармоникой частоты fo то на выходе имеет место гармонический процесс той же частоты f0 но с измененными амплитудой и фазой. Частотная характеристика содержит информацию о преобразующих свойствах системы по амплитуде и фазе на каждой частоте в исследуемом диапазоне. Видно что H(f) идентифицируется путем сопоставления амплитуд и фаз гармонических сигналов на входе и выходе системы
где — прямая форма записи комплексной частотной характеристики.
Модуль Н(f) называется амплитудной частотной характеристикой а аргумент фазовой частотной характеристикой.
Рис. 2.7. Влияние времени воздействия гармонического процесса на точ-ность оценки амплитудной частотной характеристики системы
Таким образом если па вход системы поступает гармонический процесс с единичной амплитудой и нулевой фазой то на ее выходе образуется процесс по которому легко восстанавливается частотная характеристика системы.
Обратным преобразованием Фурье идентифицированной частотной характеристики можно получить импульсную характеристику системы
Для систем со многими степенями свободы идентификация гармоническим тестовым сигналом осуществляется путем определения частотных характеристик каждого элемента с учетом существующих соотношений между амплитудами и фазами входных процессов воздействующих на всю систему.
Строго говоря так как математическая модель синусоидального сигнала имеет бесконечную протяженность во времени процедура идентификации точных значений частотной характеристики на каждой частоте должна продолжаться достаточно долго. При коротком промежутке времени между началом подачи и снятием тестового сигнала реальное воздействие отличается от чисто гармонического так как появляются сопутствующие гармоники связанные с эффектом Гиббса. Ширина полосы частот которую занимают паразитные гармоники однозначно связана с продолжительностью гармонического воздействия .
Из рис. 2.7 видно что в том случае когда ширина полосы частотной характеристики системы соизмерима или меньше А ошибка в определении амплитуды отклика на входной сигнал будет велика.
Влияние времени воздействия гармонического процесса на точность также с использованием понятия постоянной времени системы. Очевидно что продолжительность входного тестового сигнала должна быть больше времени протекания переходного процесса в системе. Это время характеризуется постоянной которая связана с шириной полосы частотной характеристики соотношением
Поэтому как и при рассмотрении в частотной области имеется условие которое должно обеспечиваться при выборе времени воздействия на систему входным тестовым сигналом или . На практике с целью сокращения времени получения частотной характеристики в качестве тестового сигнала используют гармонический или полигармонический сигнал с медленно изменяющимися частотами. Формальное математическое представление преобразования Фурье такого сигнала дается следующим выражением
где W(t—х)—весовая функция имеющая вид временного окна х(т)—полигармонический сигнал на входе системы в (частном случае синусоидальный).
Дискретным аналогом приведенной выше формулы для отображения реализаций процесса ограниченной длительности является зависящее от времени дискретное преобразование Фурье:
где .X (tm) —временная последовательность отсчетов сигнала с интер-
валом — максимальная частота составляющих
гармоник; Xn(fk)—частотная последовательность входного сигнала зависящая от временного отсчета п W(tn—tn) — весовая функция которая в простейшем случае задается в виде прямоугольного окна
Здесь М=1 2 (Т — период квазистационарности); R=O 1 2 М2п = 0 12
Поясним смысл введенного выше параметра Г. Известно что сте пень нестационарности процесса определяется скоростью изменения во времени частот его основных гармонических составляющих.
Кроме того ограниченная временным окном длина реализации процесса обуславливает конечное частотное разрешение т. е. полосу
частот которая характеризует точность оценки частоты.
Поэтому очевидно что в течение времени хР можно допустить изменение частот каждой из составляющих процесс гармоник (varfR) в пределах интервала без потери точности оценки этих частот. Таким образом если в интервале обеспечивается условие
то этот интервал является периодом квазистационарности процесса и обозначается Т. Максимальная скорость Vmax (с размерностью [Гцс]) изменения частот составляющих в тестовом сигнале которая обеспечивает выполнение условии квазистационарности равна
Так как. Из формулы видно что с увеличением требований к точности оценки частотной характеристики требуется резкое снижение скорости изменения частоты тестового гармонического сигнала.
На рис. 2.8 показана амплитудная частотная характеристика колебаний лопатки статора турбомашины которая возбуждалась гармоникой окружной неравномерности потока газа вызванной возмущениями вносимыми лопатками ротора при их вращении. Колебания лопатки статора измерялись тензодатчиком и сигнал запи-
Рис. 2.8. Амплитудная частотная характеристика колебаний лопатки статора турбомашины
сывался на магнитный регистратор. Изменение частоты возбуждения осуществлялось путем увеличения частоты вращения ротора. Тем самым создавался тестовый гармонический сигнал с переменной во времени частотой. Так как число лопаток ротора в исследуемой ступени турбомашины было 33 то частота возбуждения была кратна 33-й гармонике частоты вращения. Скорость ее изменения выбиралась из условия (2.17) где принималась равной 20 Гц (по разрешающей способности применяемого спектрального анализа). Интенсивность возбуждения в диапазоне исследуемых частот вращения ротора приближенно можно было считать постоянной. Таким образом амплитуда сигнала с тензодатчика в зависимости от частоты самого сигнала определяла амплитудную частотную характеристику колебаний лопатки статора. Для построения этой характеристики проводился следящий спектральный анализ записанного на магнитограф сигнала. На специализированной ЭВМ была реализована программа дискретного нестационарного анализа Фурье. В алгоритме задаваемым выражением (7.16) принималось: W(tn—tn) — весовая функция прямоугольного окна продолжительностью в М отсчетов равных . Полученная амплитудная частотная характеристика лопатки использовалась для оценки основных параметров определяющих динамические свойства системы в частности резонансных частот и коэффициентов демпфирования.
2.3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРИ ШУМОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА СИСТЕМУ
Методы идентификации систем преобразующих быстропеременные процессы в машинах с применением тестовых гармонических или импульсных сигналов как правило затруднены необходимостью создания специальных устройств генерирующих входные процессы с указанными свойствами. Использование в качестве тестового сигнала "шумового процесса" частот позволяет достаточно просто решить задачу идентификации системы.
В последнее время появилось большое число работ в которых демонcт-рируется практический опыт идентификации систем с помощью шумового воздействия. В машиностроении успешный опыт идентификации шумом был например получен при исследовании динамических характеристик роторных деталей турбомашин. Идентификация этих систем осуществлялась с целью анализа и численного моделирования на ЭВМ колебательных процессов возникающих в_лопатках и дисках компрессоров и турбин турбомашины .
Рассмотрим данный метод на примере идентификации амплитудной частотной характеристики колебаний консольной лопатки турбины по низшим формам.
Идентификация в частотной области
С достаточным для практики приближением исследуемая лопатка могла быть идеализирована моделью с несколькими степенями свободы по числу низших не связанных между собой форм собственных колебаний.
В качестве тестового шумового сигнала использовалось воздействие па лопатку турбулентным потоком газа при работе ступени в реальных условиях. Предварительные исследования по определению характеристик процессов связанных с турбулентными пульсациями в газодинамическом тракте турбин двигателей показали что силовое воздействие на рабочие лопатки индуцируемое этими процессами хорошо описывается стационарным случайным сигналом с постоянным энергетическим спектром в достаточно широком диапазоне частот. Данное свойство возбудителя использовалось при идентификации динамических характеристик лопатки.
Рассмотрим математическое представление такой системы. Интеграл свертки для случайных сигналов на входе и выходе из линейной системы записывается в виде
где и — автокорреляционные функции процессов; — импульсная характеристика системы.
Применив преобразование Фурье к этому соотношению после ряда алгебраических преобразований получим выражение связывающее энергетические спектры процессов преобразуемых системой с импульсной характеристикой и соответствующей ей частотной характеристикой H(f).
энергетические спектры процессов на входе и выходе системы. В том случае когда энергетический спектр процесса на входе постоянен в полосе частот исследуемой системы спектр процесса на выходе отображает собой квадрат амплитудной частотной характеристики системы т. е.
Таким образом для идентификации H(f) исследуемой лопатки турбины необходимо получить энергетический спектр процесса колебаний и вычислить из него квадратный корень.
Точность оценки энергетического спектра определяет погрешность при получении амплитудной частотной характеристики. Поэтому при
идентификации с использованием шумового воздействия нужно обращать особое внимание на правильный выбор методики проведения спектрального анализа. Известно что средняя квадратичная ошибка оценки энергетического спектра определяется выражением
где — разрешающая способность спектрального анализа по частоте; — ширина полосы частот пропускания системы; Т — общая длина анализируемого сигнала.
Согласно этой формуле при спектральном анализе необходимо выполнить два основных условия обеспечивающих удовлетворительную для инженерной практики 20%-ю среднюю квадратичную ошибку оценки амплитудной частотной характеристики системы. Во-первых разрешающая способность анализа должна более чем в четыре раза быть меньше ширины полосы частот исследуемой системы. Во-вторых общая длина анализируемого сигнала должна обеспечить статистическое осреднение спектра по крайней мере по ста отдельным его реализациям.
Заметим что ошибка определяемая по формуле (2.19) в полной мере характеризует погрешность оценки амплитудной частотной характеристики только в том случае когда исследуется линейная система близкая к идеальной с белым шумом на входе. Во всех других случаях при определении погрешности следует учитывать нелинейные эффекты а также несовершенство применяемых методов и средств измерений процессов. Эти факторы до некоторой степени могут быть отражены в оценке погрешности с помощью функции когерентности которая предполагает наличие измерений процесса на входе в систему и его соответствующую обработку. Методика подобной оценки описана ниже.
На рис. 2.9 показан энергетический спектр процесса колебаний лопатки отражающий ее амплитудную частотную характеристику построенную в логарифмическом масштабе. Пунктиром на спектре показаны дискретные составляющие обусловленные воздействием гармонических возбудителей с частотами кратными частоте вращения ротора турбины которые вызываются общей окружной неравномерностью потока газа . Как видно амплитудная частотная характеристика имеет два резонансных пика связанных с формами собственных колебаний лопатки. По ширине этих пиков на уровне 05 от их максимальных значений могут быть вычислены коэффициенты демпфирования по каждой i-й форме
где — резонансная частота формы.
Рис. 2.9. Энергетический спектр колебаний лопатки турбомашин
Следует отметить что относительный уровень возбудимости каждой из форм зависит не только от величины их демпфирования но также от степени ортогональности распределенной случайной нагрузки к перемещениям лопатки по собственной форме. Так как в начале была принята простейшая идеализация лопатки системой с числом степеней свободы равным числу форм то эффекты вызываемые характером распределения нагрузки данной моделью не учитываются. Поэтому амплитудные частотные характеристики отдельных форм колебаний на полученном спектре (см. рис. 2.9) следует рассматривать автономно: вне связи друг с другом.
Идентификация фазовых характеристик.
Рассмотренный выше метод идентификации системы с помощью шумового воздействия основывался на частотном представлении процессов причем определялся только модуль частотной характеристики. Информация о фазовых соотношениях между входным и выходным сигналами для простейших линейных устойчивых систем т. е. систем реакция которых на импульсное воздействие со временем затухает может быть восстановлена по параметрам описывающим модуль частотной характеристики. Например если априори известно что оцененная амплитудная частотная характеристика H(f) описывает колебательную систему второго порядка имеющую теоретическую амплитудную характеристику вида
где — собственная частота системы связанная с резонансной частотой (на которой имеет место максимум H(f)) соотношением
— коэффициент демпфирования определяемый через ширину -амплитудной частотной характеристики на уровне 07 от ее максимального значения по формуле
то определив по H(f) параметры fp и легко восстановить фазовую характеристику системы
Для сложных систем со многими степенями свободы оценивание стандартных параметров описывающих амплитудную частотную характеристику с последующим восстановлением по ним фазовой характеристики связано со значительными трудностями.
В тех случаях когда представляется возможность экспериментального измерения возмущающего шумового воздействия с одновременным измерением реакции на него системы применяют метод идентификации частотной характеристики по оценкам взаимного энергетического спектра Sxy(f)
Здесь информация о фазе содержится во взаимном энергетическом спектре Sxy(f)который является комплексной величиной. Применение этого метода требует достаточно кондиционного измерения процессов на входе и выходе системы. Погрешности обусловленные датчиками усилительной и регистрирующей аппаратурой а также наличие посторонних шумовых воздействий на входе которые не могут быть учтены имеющимися средствами приводят к существенным ошибкам в оценке частотной характеристики. Средняя квадратичная случайная ошибка в определении H(f) этим методом выражается формулой
где -оценка функции когерентности;
q —число осреднений при вычислении оценок энергетических спектров.
Как известно функция когерентности двух сигналов поступающего на вход системы и вышедшего из нее характеризует:
насколько реальная система близка к линейной;
достаточно ли полно измеряемые параметры входного процесса учитывают все факторы обуславливающие воздействия на систему которые отображаются в выходном процессе;
велики ли ненаблюдаемые шумы проявляющиеся на входе и выходе системы;
значительны ли вычислительные погрешности при оценке энергетических спектров связанные с ограниченной длиной обрабатываемых реализаций и др.
В идеальном случае линейной системы (с одним входом и выходом при отсутствии помех в измеряемых сигналах) функция когерентности равна 1. Реально в силу перечисленных выше причин она отличается от 1 и может принимать значения в пределах 0 1. Заметим что данная функция является обобщенной характеристикой и не позволяет дифференцированно рассматривать факторы оказывающие влияние на снижение когерентности исследуемых сигналов.
Из формулы (2.20) видно что при значениях2ху близких к 1 т. е. в случае проведения эксперимента на системе близкой к идеальной ошибка идентификации частотной характеристики стремится к 0. Этот факт дает существенные преимущества методу с использованием взаимного спектрального анализа перед методом оценки по формуле (2.18). Кроме того он позволяет напрямую оценить фазовую частотную характеристику. Однако реализация на практике измерений возмущающих силовых воздействий на систему и изоляция этой системы от посторонних шумовых процессов является достаточно сложным мероприятием и требует значительных затрат.
Идентификация во временной области
Рассмотренные выше частотные методы идентификации не предусматривают возможности осуществления оценок параметров системы по текущей входной информации. На практике часто возникают задачи (например для диагностики и автоматического управления машиной) которые требуют проведения идентификации объекта непосредственно в процессе его функционирования. Наиболее эффективными для этих целей являются цифровые системы обработки данных в которых различают так называемую пакетную обработку (когда измеряемые сигналы первоначально накапливаются в виде массивов информации) и обработку в реальном масштабе времени (когда соответствующие вычислительные процедуры осуществляются после каждого такта квантования). Для идентификации в реальном масштабе времени применяются рекуррентные методы оценивания параметров. Достаточно полный обзор таких методов приведен в работе . Ниже мы остановимся на принципиальных вопросах применения рекуррентных методов при идентификации систем с использованием шумового воздействия на входе. При этом наибольшее внимание акцентируем на возможности включения априорной информации о свойствах исследуемой системы в алгоритмы идентификации с целью сокращения объема вычислений и получения адекватной модели.
Интеграл свертки (2.15) может быть представлен в дискретном виде
где h (tn) —дискретная переходная функция а индекс у t указывает на i дискретный отсчет функции через интервал . Если преобразуемые системой процессы дискретизированы в соответствии с условиями накладываемыми теоремой Котельникова а именно: с интервалом дискретизации
где fmax — максимальная частота в спектре исследуемых процессов то выражения (2.15) и (2.21) эквивалентны. В том случае когда на вход системы поступает дискретный белый шум уравнение (2.21) представляет собой модель скользящего среднего
где q=h(tq) и позволяет оценивать текущее значение выходного сигнала по значениям входного сигнала в данный и предшествующий моменты времени. Как уже отмечалось на практике измерение процессов воздействующих на вход системы связано со значительными техническими трудностями. Поэтому целесообразно перейти к модели использующей информацию только от выходного процесса в предположении что на входе в систему действует шумовой возбудитель. Получим такую модель исходя из основного соотношения характеризующего дискретную систему — дискретного представления интеграла свертки.
Дискретным аналогом -функции Дирака является функция и(п) со следующим свойством
поэтому при импульсном дискретном воздействии на линейную систему имеем .
Преобразование Лапласа h(tn) дает передаточную функцию
где s — комплексная частота.
Используя оператор сдвига назад имеем
Функция обратная передаточной получается из (2.23) простым обращением
Если сохранить за полученной функцией назначение исходной т. е. считать G~l(z)=G(z) функцией показывающей как изменяется сигнал на выходе из системы по сравнению с входным то в соответствии с основным соотношением для представления системы в частотной области имеем
Перейдя во временную область получим
Перепишем это уравнение в несколько иной форме
где . С данным уравнением мы встречались в разд. 2.2. Оно называется авторегрессионной моделью если x(tn) является дискретным белым шумом. Основная особенность этого уравнения заключается в том что при случайном шумовом сигнале на входе в систему и известных коэффициентах aq отражающих свойство системы имеется возможность прогнозирования текущего значения выходного сигнала по его значениям в предыдущие моменты времени. В этом состоит главное преимущество практического использования уравнения (2.25) по сравнению с (2.22).
Задача идентификации системы с помощью авторегрессионной модели состоит в оценивании параметров aq по данным измерений y(tn). Кроме того существенным является обоснованный выбор числа членов уравнения. Если априорных сведений о свойствах исследуемой системы нет то число членов или другими словами порядок уравнения может быть установлен на основе использования ФОП-критерия вычисляемого по формуле (2.6). Объективный выбор минимального порядка уравнения которого достаточно для представления модели адекватной реальной системе является важнейшим преимуществом рассматриваемого метода авторегрессии. За счет этого достигается во-первых минимум вычислительных процедур при оценке параметров во-вторых устранение всякого рода паразитных составляющих в выходном процессе вызванных переопределенностью модели системы.
Другое существенное преимущество использования модели авторегрессии заключается в том что сразу идентифицируются параметры модели в отличии от частотного метода где сначала идентифицируется амплитудная частотная характеристика а затем уже по специальным методам и алгоритмам оцениваются се параметры. Собственно говоря неприспособленность частотного метода к прямой идентификации параметров является принципиальной причиной отсутствия основанных на нем алгоритмов оценивания оптимального порядка системы. Поэтому современные методы спектрального анализа отличающиеся высокой эффективностью (адаптивный спектральный анализ метод максимума энтропии и др.) базируются на оптимизации моделей процесса сначала во временной области с последующим переходом в частотную. Такой переход легко осуществляется например для авторегрессионной модели процесса путем проведения обратного преобразования передаточной функции (2.24) при предположении что s = j2nf и q = 0 1 2 N:
Для осуществления оценок каждого параметра по этому алгоритму необходимо помнить большие массивы данных. Рекуррентный вариант алгоритма получается путем вычисления оценок aq на (п+ 1)- и п-м шаге .
В том случае когда имеется априорная информация о системе в частности известен ее порядок применение авторегрессионных моделей дает несомненные преимущества перед частотным методом так как позволяет сразу оценить параметры такой модели. Например если предполагается что система имеет второй порядок то существуют простейшие соотношения связывающие общепринятые параметры характеризующие амплитудную частотную характеристику с параметрами авторегрессионной модели.
Использование авторегрессионной модели предоставляет возможность применения рекуррентных методов оценки ее параметров. Необходимость в таких методах возникает при решении задач идентификации систем на ЭВМ с ограниченной оперативной памятью и быстродействием (например в бортовых вычислительных комплексах контроля и управления машиной).
Наиболее простым является рекуррентный метод наименьших квадратов. Он основывается на минимизации ошибки предсказания дискретного измерения по данным предшествующих измерений. где(п)
Как видно из приведенных формул для моделей больших порядков такой метод является наиболее экономным с вычислительной точки зрения.
2.4. ОЦЕНКА ВОЗБУДИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ ПО СИГНАЛАМ НА ВЫХОДЕ СИСТЕМЫ ПРИ НЕНАБЛЮДАЕМОМ ВХОДЕ
Рассматриваемые далее методы применимы к системам где амплитуды полигармонических сигналов на входе хотя и ненаблюдаемы но сохраняются постоянными при изменении частоты или могут быть преобразованы к виду не зависящему от частоты. Примеры подобных систем — зубчатые передачи турбомашины роторные механизмы подшипники качения кулачковые механизмы. Выходные сигналы — акустические шумы вибрации корпусов колебания элементов.
В указанных системах возможны ситуации когда при изменении частоты вращения валов и роторов изменяется частота сигналов на входе в систему а амплитуды отдельных гармоник сигналов могут быть приняты постоянными. Пример подобных входных сигналов— сигналы обусловленные погрешностью зацепления зубьев вызванной неточностью изготовления и сборки передачи или сигналы обусловленные неуравновешенностью роторов в предположении что изменение неуравновешенности ротора из-за его колебаний есть свойство системы ротор — корпус а не воздействия на нее.
Измеряя и анализируя сигналы на выходе системы при различных частотах вращения валов и роторов можно оценить свойства амплитудной характеристики системы (модуля ее амплитудно-частотной характеристики) и относительные значения амплитуд гармоник во входном сигнале. Для измерения и анализа следует использовать узкополосную фильтрацию желательно следящую или спектральный анализ сигнала.
Суть подхода состоит в совмещении зависимостей амплитуд гармоник выходного сигнала от частоты полученных для нескольких гармоник. Зависимости совмещаются на совпадающих интервалах частот. Масштабные коэффициенты вычисляемые при совмещении определяют относительные значения амплитуд во входном сигнале. Подход распространяется на линейные динамические системы. Предполагается что входной сигнал может быть выражен только гармониками основной частоты например частоты вращения вала а амплитудная характеристика системы — гладкой кривой без разрывов или чрезвычайно узких пиков.
Применение подхода поясним следующими примерами из вибродиагностики турбомашин.
С помощью узкополосного следящего фильтра (добротность фильтра Q = 28) контролировали вибрацию корпуса турбомашины в процессе плавного повышения частоты вращения ротора. На рис. 2.10 а показаны виброхарактеристики машины с частотами 1-й () и 2-й (2) гармоник частоты вращения ротора. В ходе испытания с повышением частоты вращения ротора вибрация на первой роторной гармонике возрастала и при =180 Гц достигла предельно допустимого значения. По условиям испытаний требовалось еще больше повысить частоту вращения. Однако это могло привести к опасной вибрации машины. Поэтому необходимо было оценить характер изменения вибрации с частотой 1-й роторной гармоники на частотах выше 180 Гц. Для этого совместили виброхарактеристики с частотами 1-й и 2-й роторных гармоник на интервале частот 176 180 Гц; на более низких частотах вследствие недостаточной чувствительности аппаратуры не удалось измерить вибрацию с частотой 2-й роторной гармоники. Виброхарактеристика полученная совмещением показана на рис. 2.10 б. Масштабный коэффициент определенный как k=VJV2 в интервале частот 176 180 Гц составил &=30.
Рис. 2.10. Виброхарактеристики турбомашин и их совмещение
Полученная совмещением виброхарактеристика V* на рис. 2.10 б дает представление об амплитудной характеристике машины па частотах свыше 180 Гц. По ней можно сделать вывод о возможности значительного повышения вибрации при дальнейшем повышении частоты вращения ротора. Это оправдывало приостановление дальнейшего испытания машины в целях предохранения ее от возможных опасных вибраций. Полученное же значение масштабного коэффициента = 30 указывает на весьма малую виброактивность машины на частотах 2-й роторной гармоники связанную с ж соосностью опор ротора и на нецелесообразность уменьшения несоосности для борьбы с вибрацией в данном случае.
Естественно что оценки получаемые на основе изложенного
.хода весьма приблизительны и имеют скорее качественный характер чем количественный.
Наибольшие затруднения в применении изложенного подхода возникают когда частоту вращения вала нельзя плавно и непрерывно изменять в широком диапазоне значений например при работе машины только на нескольких фиксированных частотах вращения. В таких случаях можно использовать два метода предложенных в работе : метод перекрытия на дискретных частотах и метод расчетной оценки наклона амплитудной характеристики на участках возможного диапазона частот гармоник.
Метод перекрытия на дискретных ч а с т о т а х.
Метод применим когда возможно довольно значительное изменение частоты основной гармоники — более чем вдвое.
Рис. 2.11. Пояснение метода перекрытия на дискретных частотах
Метод рассмотрим следуя на примере одноступенчатой прямозубой зубчатой передачи. Входом системы является погрешность изготовления вызывающая изменение передаточного отношения в статических условиях т. е. при очень малой частоте вращения. В то же время эта погрешность зависит от частоты вращения вала частоты зацепления зубьев и гармоник этих частот. Выходным сигналом являются угловые колебания выходного вала передачи.
На рис. 2.11 а показаны результаты измерений колебаний угла поворота выходного вала на частотах трех гармоник частоты вращения при изменении ее значения от до . Амплитудную характеристику можно оценить измеряя амплитуды данных трех гармоник 1 2 3 на нескольких фиксированных частотах вращения вала эти измеренные значения на рис. 2.11 выделены точками. Совмещая фактические и интерполированные значения зависимостей для гармоник на одинаковых частотах (рис. 2.11 б) и соединяя на полученной системе кривых точки соответствующие фактическим измерениям (рис. 2.11 в) получим кривую характеризующую амплитудную характеристику системы.
Рекомендуется чтобы первая гармоника на самой низкой частоте вращения вала была ниже первой собственной частоты колебаний системы.
Масштаб различных участков общей характеристики (см. рис. 2.11 в) соответствует отношению амплитуд различных гармоник во входном сигнале.
Если число возможных частот вращения вала т = 2 добротность системы Qc нижняя собственная частота колебаний с то наименьшее значение частоты первой гармоники при котором следует проводить измерения
Если число возможных значений частоты вращения может быть больше двух то тогда наименьшая частота первой гармоники может быть выше:
где т — число значений частоты вращения.
Точность оценки амплитудной характеристики зависит от числа режимов по частоте основной гармоники на которых проводятся измерения. Удовлетворительные результаты могут быть получены при двух или трех режимах.
Вследствие нелинейности реальных динамических систем
оценка амплитудной характеристики может получиться размытой.
Для выявления нелинейностей рекомендуется повторить измерения
и при уменьшении частоты основной гармоники и судить о свойст
вах системы сопоставляя данные полученные при повышении и
Несовпадение виброхарактеристик по различным гармони
кам на перекрываемых интервалах частот является диагностиче
ским признаком зависимости интенсивности входного сигнала от
Метод расчетной оценки наклона амплитудной характеристики.
Метод применяется в том случае когда возможно лишь малое изменение частоты вращения недостаточное для перекрытия частотных диапазонов гармоник. Метод состоит в следующем.
Проводят измерения при двух близких значениях частоты вращения. Определяют амплитуды гармоник в логарифмическом масштабе и находят разность амплитуд каждой гармоники полученных при двух значениях частоты вращения. Затем делят эту разность на разность частот гармоник и получают величину характеризующую наклон амплитудной характеристики на данном интервале:
Экстраполируя прямые для каждой гармоники с учетом значения и определяя отношение значений экстраполированных прямых в средних точках интервала экстраполяции находят необходимые масштабные коэффициенты.Очевидно что данный метод менее точен чем рассмотренный выше.
3. Активный контроль обработки с использованием сигналов виброакустики
В современном машиностроении прогрессивным является использование активных методов контроля т.е. контроля во время обработки и ввод необходимых коррекций обработки или сигнала на остановку обработки при заведомом получении брака.
Довольно перспективным направлением в этой области является использование возбуждаемого технологической обрабатывающей системой вибросигнала (рис.2.11). Так как доказано что вибросигнал несёт в себе полную информацию о всех процессах происходящих в технологической обрабатывающей системе.
Вид вибросигнала при поперечной подаче
В графической части дипломного проекта предложена одна из возможных схем мониторинга механической обработки на станках с ЧПУ с использованием вибросигнала. Для осуществления этой схемы были разработаны методы активного контроля положения обрабатываемой поверхности относительно базовой и метод определения реального профиля поперечного сечения поверхности получаемой при механической обработке. Причём для использования этих методов нет необходимости применять какие – либо измерительные приборы. Вся информация черпается только из анализа вибросигнала который генерируется в технологической обрабатывающей системе.
4. Метод активного контроля положения обрабатываемой поверхности относительно базовой
Как известно точность формы и точность размеров участков детали являются одними из основных составляющих точности обработки.
Довольно часто ставится задача получения цилиндрических поверхностей с малым допуском на круглость. И здесь возникает проблема при чистовой обработке. Она состоит в том что после черновой обработки поверхность с жёстким допуском на круглость или может оказаться смещенной относительно поверхностей которые используются в качестве баз при чистовой обработке. И величина этого смещения может оказаться настолько высокой что при чистовой обработке получение достаточно точной поверхности будет просто невозможным. В результате получается бракованная деталь. В качестве одного из путей решения этой проблемы предлагается методика определения величины относительного смещения (эксцентриситета) базовых и обрабатываемых поверхностей прямо в процессе чистовой обработки точнее в самом её начале причём без применения каких-либо измерительных устройств. Зная величину эксцентриситета мы определим возможность получения поверхности с заданной точностью из выбранных баз.
Данная методика основана на использовании вибросигнала генерируемого технологической системой. Для определения эксцентриситета рассмотрим рисунок 2.12. Пусть окружность с центром в точке О представляет сечение вала. Данное сечение вращается относительно базы- оси О1. Осью О1 может быть как линия центров так и ось цилиндрической базовой поверхности при обработке в патроне.
При медленном подводе инструмента к поверхности детали (движение врезания) наступает момент когда происходит касание инструмента и детали. Этому касанию будет соответствовать дуга АВ на рисунке 2.12. и всплеск вибросигнала определённой продолжительности – tр (рис. 2.13 ).
Вибросигнал при поперечной подаче
По продолжительности всплеска вибросигнала можно определить величину угла АО1В :
где tо – время одного оборота tо=1n где n – частота вращения вала.
Из геометрической схемы представленной на рис. 2.7. можно определить величину эксцентриситета с помощью следующих преобразований:
В данной формуле ОА – это радиус заготовки после черновой обработки;
О1А – настроечный размер станка в момент касания инструментом заготовки.
На рисунке 2.8. представлены зависимости величины эксцентриситета от величины угла соответствующего дуге касания инструмента с заготовкой
построенные по формуле (2.1.). Зависимости представлены для пяти различных значений настроечного размера.
На рисунке 2.9. представлена поверхность построенная по зависимости (2.1.).
В графической части проекта представлена схема системы мониторинга процесса обработки с вибродатчиком. Система работает следующим образом. Вибродатчик выдаёт вибросигнал поступающий в ЭВМ. Здесь происходит его обработка по алгоритму представленному в графической части и определяется смещение обрабатываемой поверхности относительно базовой. Затем происходит сравнение величины смещения с допустимой величиной которая предварительно рассчитывается. Если величина смещения превышает допустимую то на привод подач подаётся сигнал о прекращении обработки так как заведомо получится брак. Если величина смещения не превышает допустимую то обработка сигнала проводится по следующему алгоритму.
4.1. Алгоритм обработки вибросигнала
С помощью специальной программы строится огибающая вибросигнала (рис.2.16. и рис. 2.17.).
Вибросигнал обработки
Огибающая вибросигнала
Так как вибродатчик записывает ускорения колебательных движений то огибающая будет представлять собой временной ряд ускорений резца. Если мы дважды проинтегрируем огибающую то получим функцию перемещений резца (рис. 2.18.) а значит сможем определить получаемый профиль детали как след перемещений резца.
Временной ряд перемещений резца
Затем аппроксимируя функцию профиля детали с помощью рядов Фурье (см. пункт 2.2.) получим спектр распределения амплитуд гармоник (рис. 2.19.) входящих в состав ряда.
Спектр распределения амплитуд гармоник
По этому спектру мы сможем судить погрешностях формы детали и сравнить их с допускаемыми (см. пункт 2.2.). По результатам сравнения производится или не производится корректировка режимов резания.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
1. Разработка исследовательского стенда.
Экспериментальные исследования проводились на токарно-винторезном станке модели 16К20 и токарном станке с программным управлением 16К20Ф3. в качестве обрабатываемого материала применялись конструкционные углеродистые стали марок сталь 45 сталь 3 а также сталь 12ХН.
При проведении экспериментов режимы резания изменялись в следующих пределах: скорость резания V от 100 ммин до 300 ммин подача S от 007 ммоб до 021 ммоб глубина резания t от 025 мм до 15 мм. Выбор диапазона изменения факторов проводился на основе предварительных исследований и обзора научно-технической литературы а так же исходя из производственного опыта.
В качестве режущего инструмента использовались стандартные токарные резцы с механическим креплением режущих пластин из наиболее распространённых в производстве твёрдых сплавов Т15К6 ВК8.
Структурная схема для измерения и анализа виброакустических колебаний включает следующие приборы устройства и регистрирующую аппаратуру (рисунок 3.1): приёмный преобразователь усилитель блок фильтров анализатор спектра прибор для исследования корреляционных характеристик осциллограф самописец аналого-цифровой преобразователь ЭВМ.
Поскольку объектом исследования являлись виброакустические колебания состоящие из высокочастотных колебаний технологической системы и колебаний генерируемых в зоне резания то место крепления датчика было приближено к зоне резания и располагалось в резцедержателе. Датчик крепился к телу резца с помощью магнита. Колебания измерялись в трёх направлениях: осевом (ось Х) радиальном (ось Y) тангенциальном (ось Z).
2. Решения технологической задачи по обеспечению качества поверхности деталей.
Известнысовокупность и уровни технологического обеспечения функциональных параметров качества. Данная задача возникает в случаях когда нормирование параметров качества поверхностных слоёв производится либо на основе теоретических расчётов исходя из требуемых эксплуатационных показателей деталей либо по прототипу идентичному по назначению условиям эксплуатации материалу и другим характеристикам. Таким образом заранее известны совокупность параметров качества R1 R2 Rn обуславливающих регламентируемый эксплуатационный показатель детали и уровни параметров качества подлежащих технологическому обеспечению R1*±R1* R2±R2* Ri*±Ri* где Ri* - номинальное значение а Ri* - допускаемое отклонение от номинального значения параметра качества. Требуется определить режимы механической обработки и параметры инструмента т.е. совокупность технологических факторов (по номенклатуре) и их уровни (по номинальным значениям) при которых обеспечиваются заданные параметры качества. Полагаем что уровни технологических факторов фиксированы.
Используя статистическую теорию и методологию можно рекомендовать способ решения данной задачи (для принятого априори технологического метода формирования параметров качества):
обработка пробной партии заготовок (или пробных
поверхностей заготовок) по плану полного или дробного
факторного эксперимента;
измерение параметров качества R1 R2 Rn пробных
разработка с помощью ЭВМ (встроенной в технологическое оборудование или выполненной в переносном
варианте) математико-статистической модели принятого
способа обработки определение на её основе режимов
позволяющих обеспечить регламентированные значения
параметров качества R1* R2* Ri* и их допускаемые
отклонения R1* R2* R
обработка на данных режимах основной партии заготовок.
Поскольку связи между параметрами качества поверхностного слоя деталей и технологическими факторами чаще всего являются линейными или к таковым можно перейти преобразовав исходные данные например путём логарифмирования обработку пробной партии заготовок можно проводить по планам полного 2k или дробного 2k-p факторного эксперимента с и повторениями.
Исходя из того что число пробных заготовок не должно быть слишком большим наиболее приемлемыми являются планы полных факторных экспериментов 22 23 24 и дробных – 24-1 25-2 26-3 27-4 а также 25-1 26-2 27-3 28-4 29-5. Число повторений также не должно быть слишком большим; можно рекомендовать принимать в зависимости от плана эксперимента и=234 так чтобы общее число обрабатываемых заготовок п = uN = u2k или n=uN=u2k-p не превышало 8 16 24 или в крайнем случае 32. Число пробных заготовок может быть сокращено (в зависимости от плана эксперимента) до 12 или 20 когда опыты с повторениями и=4 проводятся в центре плана (технологические факторы при этом принимают значения xj=0).
Математико-статистическую модель способа обработки пробных заготовок можно в этом случае представить в виде следующей системы уравнений:
k – число факторов k≥i.
Уровни варьирования факторов хj верхний и нижний обозначаемые соответственно +1 и -1 принимают на основе опыта и справочных данных.
Уравнения (1) должны содержать факторы влияние которых на параметры качества Ri является существенным на принятом уровне значимости α быть статистически значимыми и адекватными. Результаты математико-статистического анализа каждого из уравнений (1) следует представлять в виде табл.(1) Фактор xj подлежит включению в уравнения (1) если фактические значения Fj - отношения больше критического значения
Уравнения (1) в целом значимы если
При отсутствии повторений (u=1) удается проверить только значимость уравнений связи. Если уравнения оказались неадекватными необходимо как известно перенести центр эксперимента или изменить интервалы варьирования факторов или провести обработку пробных заготовок по планам более высоких порядков позволяющих перейти к нелинейным зависимостям. Если связи между параметрами качества и технологическими факторами оказываются незначимыми но адекватными то уравнения (7) представляют в виде R1=Ri где - среднее значение параметра качества. Дисперсионному анализу экспериментальных данных предшествует обычно проверка однородности дисперсий воспроизводимости в отдельных опытах плана с помощью критерия Кохрана и в случае необходимости следует так преобразовать исходные данные (например прологарифмировать их) чтобы дисперсии стали однородными.
Когда опыты по обработке пробных заготовок повторяют только в центре плана при xj=0 в качестве дисперсии воспроизводимости принимают c N(u-1) степенями свободы.
Источник вариации параметров качества
Число степеней свободы
Регрессия (m значимых факторов из k)
Sост2= Sост( uN-m-1)
Дисперсионный анализ эксперимента 2k или 2k-p с u повторениями обработке пробных заготовок (для параметра Ri).
Примечание: 1. N=2k или N=2k-p -число опытов. 2.Суммыквадратов вычисляются по следующим уравнениям:
где riNu - наблюдаемое значение параметра качества Rt при повторении u опыта N.
Мерой тесноты связи между параметрами качества и технологическими факторами является отношение: называемое коэффициентом множественной детерминации и оценивающее долю вариации параметров качества обуславливаемой технологическими факторами влияние же отдельного фактора может быть оценено с помощью коэффициента :
Значения уровней технологических факторов позволяющих технологически обеспечить регламентированные значения параметров качества определяют путем решения системы уравнений (7). При этом значения должны находиться внутри области варьирования факторов при обработке пробных заготовок т.е. чтобы .
С вероятностью допускаемые отклонения Ri* технологически обеспечиваются если:
t(1-α2);N(u-1) - квантиль распределения Стьюдента;
D(Ri) - дисперсия предсказываемого значения параметра качества Ri.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
1. Определение типа производства
Важным этапом в разработке технологического процесса является определение типа производства.
В зависимости от широты номенклатуры регулярности стабильности и объёма выпуска различают следующие типы производства: единичное серийное массовое. В соответствии с ГОСТ 3.1121-84 тип производства характеризуется коэффициентом закрепления операций ():
- суммарное число различных операций выполняемых на производственном участке; - суммарное число рабочих мест на которых выполняются данные операции.
Определим тип производства детали базового технологического техпроцесса.
) Определяется расчётное количество станков необходимых для выполнения каждой станочной операции ():
- объём годового выпуска деталей оговоренный в задании на проектирование;
- штучно-калькуляционное время базового технологического процесса скорректированное путём уменьшения на 10 20%:
где и - штучное и подготовительно-заключительное время базового технологического процесса;
- количество заготовок в партии для одновременного запуска ( - количество запусков в год);
- эффективный годовой фонд времени работы станка;
- средний коэффициент выполнения норм времени.
) Определяется принятое количество оборудования на каждой станочной операции () для чего расчётное количество станков () округляется увеличением до целых значений.
) Рассчитывается коэффициент загрузки каждого рабочего места ():
) Определяется число операций закреплённых за одним рабочим местом ():
- нормативный коэффициент загрузки оборудования (для среднесерийного производства).
) Рассчитывается величина коэффициента закрепления операций ():
- общее число рабочих мест на которых выполняются все станочные операции по изготовлению детали без учёта станков-дублёров.
Расчёт типа производства выполнен в пакете Microsoft Excel по приведённым выше формулам и представлен в таблице 2.1.
Определение типа производства.
Продолжение таблицы 3.1.
Значение полученного сравниваем с табличным значением:
- массовое производство;
- крупносерийное производство;
- среднесерийное производство;
- мелкосерийное производство;
- единичное производство.
Вывод: т. к. - среднесерийное производство.
Серийное производство является основным типом машиностроительного производства. Примерно 80% всей продукции машиностроения страны изготовляется на заводах серийного производства. В серийном производстве машины изготовляют сериями а заготовки обрабатывают партиями.
Производство этого типа характеризуется необходимостью переналадки технологического оборудования при переходе на изготовление деталей другой партии. Для выполнения различных операций используют универсальные металлорежущие станки. Находят применение также специализированные специальные автоматизированные агрегатные станки. Довольно широко используют станки с числовым программным управлением в том числе многоцелевые; получают распространение гибкие производственные системы.
2. Анализ конструкции детали на технологичность 4
Отработка конструкции детали на технологичность – это комплекс мероприятий предусматривающих взаимосвязанные решения конструкторских и технологических задач направленных на повышение производительности труда снижение затрат и сокращение времени на изготовление изделия при обеспечении необходимого его качества. Анализ технологичности конструкции детали является одним из важнейших этапов выполнения дипломного проектирования.
Оценка технологичности производится качественно и количественно с расчётом показателей технологичности по ГОСТ14.201-83. При этом качественная оценка предшествует количественной и характеризует технологичность конструкции обобщённо на основе опыта исполнителя и рекомендаций технической и специальной литературы.
2.1. Качественная оценка технологичности
В данном дипломном проекте будет рассмотрена деталь типа вал на наружной поверхности которого имеются прямобочные и эвольвентные шлицы.
Вал предназначен для передачи крутящего момента.
Материал детали сталь 25ХГТ (ГОСТ 4543-71).
Механические свойства стали 25ХГТ после термической обработки (цементация и отпуск) ударная вязкость стали .
Данный материал применяется для деталей работающих при больших скоростях средних и высоких давлениях при наличии ударных нагрузок. Используется при требовании высокой поверхностной твёрдости и износоустойчивости.
О технологичности данной детали говорит и тот факт что на шейках вала требующих обработки шлифованием предусмотрена канавка для выхода инструмента.
Формы поверхностей которые подлежат механической обработке просты и не требуют применения сложных режущих и измерительных инструментов. Форма детали обеспечивает надёжное удаление стружки при всех операциях механической обработки также обеспечиваются благоприятные условия работы режущего инструмента.
2.2. Количественная оценка технологичности
На первоначальной стадии при количественной оценке технологичности детали необходимо использовать дополнительные показатели такие как масса детали коэффициенты использования материала (Ким) точности обработки (Ктч) шероховатости поверхности (Кш).
2.2.1. Определение коэффициента использования материала (Ким )
где -объём детали; -объём заготовки.
Для определения разобьем деталь на простые фигуры-цилиндры (рис. 2.1.) площадь которых определим по формуле
где -длина -диаметр i-го цилиндрического участка мм.
Заготовка в базовом варианте изготавливается из прутка 30 мм и длиной 427 мм. Тогда
Коэффициент использования материала Ким=046 является низким для серийного производства следовательно использование прутка в качестве заготовки не является рациональным.
2.2.2. Определение коэффициента точности обработки (Ктч)
Коэффициент точности обработки (Ктч) определяется по формуле:
где - средний квалитет точности обработки детали по всем поверхностям.
2.2.3. Определение коэффициента шероховатости поверхности (Кш)
Коэффициент шероховатости поверхности (Кш) определяется по формуле:
где - среднее числовое значение параметра шероховатости всех поверхностей детали.
Высокие коэффициенты точности обработки и шероховатости поверхностей (Ктч=09>08 и Кш=0099032) говорят о высокой технологичности детали.
Итак по полученным показателям можно сделать вывод о том что в целом конструкция детали является технологичной. Целесообразным возможно будет лишь изменение способа получения заготовки.
При выборе заготовки необходимо стремиться к тому чтобы форма и размеры исходной заготовки были максимально приближены к форме и размерам готовой детали. Однако повышение точности размеров заготовки и её усложнение неизбежно приводят к существенному увеличению себестоимости самой заготовки особенно в единичном и мелкосерийном производствах. Поэтому вопрос о выборе вида заготовки и способа её получения окончательно может быть решён только после экономического расчёта себестоимости получения заготовки и её полной механической обработки в целом.
В базовом технологическом процессе деталь получается из заготовки-прутка. В условиях среднесерийного производства при большом количестве деталей этот способ получения детали является невыгодным из-за получения больших припусков и напусков что приводит к значительному увеличению объёма механической обработки и расхода металла. Изготовление детали литьём нецелесообразно вследствие возникновения литейных напряжений.
Примем в качестве заготовки штамповку на ГКМ. Это позволит значительно уменьшить припуски на обработку.
3.1. Разработка чертежа поковки
Итак разработаем чертёж поковки по рекомендациям приведённым в 5
Штамповочное оборудование – горизонтально–ковочная машина. Количество переходов – 3. Нагрев заготовок – пламенный.
Исходные данные по детали
Материал – сталь 25ХГТ
Масса детали – 106 кг
Исходные данные для расчёта
Масса поковки (расчётная) – 159 кг; расчётный коэффициент Кр=15 Мп=15*106=159 кг
Степень сложности С2
Конфигурация поверхности разъёма штампа – П (плоская)
Исходный индекс – 9.
Припуски и кузнечные напуски
Основные припуски на размеры мм :
– диаметр 20 мм и чистота поверхности 10;
– диаметр 18 мм и чистота поверхности 10;
– диаметр 25 мм и чистота поверхности 063;
– диаметр 30 мм и чистота поверхности 10;
– диаметр 19 мм и чистота поверхности 10;
– толщина 26 мм и чистота поверхности 10;
– толщина 51 мм и чистота поверхности 10;
– длина 425 мм и чистота поверхности 10;
Дополнительные припуски учитывающие: смещение по поверхности разъёма штампа 02 мм; изогнутость отклонения от плоскостности и прямолинейности стержня мм – 08.
Размеры поковки и их допускаемые отклонения мм:
Диаметр 20+(1+02+08)*2=;
Диаметр 18+(1+02+08)*2=;
Диаметр 25+(14+02+08)*2=298; принимаем ;
Диаметр 30+(1+02+08)*2=;
Диаметр 19+(1+02+08)*2=;
Толщина 26+(11+11+02)=284 принимаем ;
Толщина 51+(12+12+02)=536 принимаем ;
Длина 425+(15+15+02)=4282 принимаем
Радиус закругления наружных углов 2 мм
Штамповочный уклон - 5
Допускаемая величина смещения по поверхности разъёма штампа 05 мм.
Определим по формуле (3.7) объём поковки Vпок
Определим по формуле (3.6) коэффициент использования материала Ким
Определим массу поковки
Итак коэффициент использования материала у поковки выше чем у прутка следовательно у поковки лучшее использование материала.
Чтобы окончательно определиться с выбором типа заготовки проведём экономическое обоснование.
3.2. Экономическое обоснование выбора заготовки 3
3.2.1.Рассчёт себестоимости заготовки из проката
Себестоимость заготовки из проката определяется по формуле
Sзаг=Sм+ΣCз.о. (3.10)
где Sм – затраты на материал заготовки р.; ΣCз.о. – технологическая себестоимость заготовительных операций (правки калибрования разрезки прутков на штучные заготовки и др.) р.
где Сп.з. – приведённые затраты на заготовительные операции к.ч; Тш-к – штучно-калькуляционное или штучное время выполнения заготовительных операций правки резки и т.д. определяемое приближённо. Примем Тш-к=4.
Приведённые затраты на заготовительные операции при правке и резке прутков составляют 200 250 к.ч. Примем Сп.з.=200 к.ч.
Тогда по формуле (3.11) имеем
Затраты на материал (Sм) определяются по массе проката требующегося на изготовление детали и массе сдаваемой стружки. При этом необходимо учитывать стандартную длину прутков и отходы в результате некратности длины заготовок этой длине:
где Мз Мд – соответственно масса заготовки и готовой детали кг; S – цена 1 кг материала заготовки р.; Sотх – цена 1 т отходов р.
Примем S=0283 ркг 3 табл. 3.4 ; Sотх=705 рт 3 табл. 3.5.
Тогда по формуле (2.12) имеем
Тогда себестоимость заготовки из проката будет равна (формула(2.10))
Sзаг=0564+013=0694 р.
3.2.1.Рассчёт себестоимости заготовки – поковки
Стоимость заготовок получаемых таким методом как горячая штамповка на ГКМ можно с достаточной для практики точностью определить по формуле
Кт=105 3табл. 3.7 Кс=088 3 табл. 3.9 Кв=115 3 табл. 3.11 Км=121 3 табл. 3.8 Кп=115 3 табл. 3.13 – коэффициенты зависящие соответственно от класса точности группы сложности массы марки материала и объёма производства.
По формуле (3.13) имеем
Итак себестоимость изготовления заготовки из прутка меньше чем себестоимость изготовления заготовки–штамповки. Следовательно с экономической точки зрения выгоднее изготовление заготовки из прутка.
Расчёт себестоимости был произведён в ценах 1989 года.
4. Анализ базового технологического процесса
Маршрутный технологический процесс изготовления детали – вала.
Материал детали – сталь 25ХГТ.
5 Токарная станок модели 16К20.
0 Токарная станок модели 16К20.
5 Токарная станок модели 16К20Ф3Р132.
0 Токарная станок модели 16К20Ф3Р132.
5 Шлифовальная станок модели 3М151Н280.
0 Шлицефрезерная станок модели 5350.
5 Шлицефрезерная станок модели 5350.
0 Слесарная верстак.
5 Моечная машина моечная.
0 Контрольная стол контрольный.
5 Термическая обработка.
0 Токарная станок модели 16К20.
5 Шлифовальная станок модели 3М151Н280.
0 Шлифовальная станок модели 3М151Н280.
5 Шлицешлифовальная станок модели 3451.
Все операции технологического процесса расположены в общей последовательности. Деталь подвергается химико-термической обработке.
Идет последовательная механическая обработка детали состоящая из операций технологического процесса. По окончании каждой операции размеры детали контролируются рабочим. После окончательной обработки деталь идет на приемочный контроль.
В процессе обработки деталь подвергается упрочнению – применяется нитроцементация.
Базы в данном технологическом процессе в основном выбраны правильно за исключением некоторых операций где не соблюдены принципы совмещения баз т.е в качестве технологических баз приняты поверхности которые не являются конструкторскими и измерительными базами; и принципы постоянства баз т.е для выполнения всех операций используются не одни и те же технологические базы.
Режимы резания рекомендуемые в справочной и специальной литературе не соответствуют режимам резания приведенным в базовом технологическом процессе для некоторых операций.
В данном технологическом процессе не применяются новые прогрессивные марки инструментальных материалов современные конструкции режущих инструментов. Материал детали сталь 25ХГТ. Применяются обычные резцы с твердосплавными пластинками фрезы.
Применяются станочные приспособления: токарные фрезерные для соответствующих операций. Деталь зажимается вручную. Для контроля применяются контрольные приспособления с индикатором часового типа и различные калибры для контроля шлицев.
В технологическом процессе используются универсальные станки технологические возможности станков соответствуют параметрам выполняемых на них операций. Каждая операция выполняется на соответствующем станке лишь в двух операциях применяется станок с ЧПУ.
При обработке детали не применяются промышленные роботы транспортные и загрузочные устройства. Используются универсальные станки и детали транспортируются и загружаются вручную. Современное автоматизированное оборудование не применяется что усложняет обработку деталей; увеличивает трудоемкость себестоимость изготовления.
Контроль размеров детали неавтоматизированный применяется обычный инструмент для контроля: штангенциркули скобы калибры индикаторы.
Недостатком базового технологического процесса является малая концентрация операций что отрицательно сказывается на точности и производительности обработки.
Вследствие слабого оснащения в новых экономических условиях предприятия современными металлорежущими станками новыми марками инструментальных материалов изготовление детали является трудоёмким процессом.
Анализируя базовый технологический процесс можно сделать вывод что нужно разработать новый вариант технологического процесса так как в базовом много недостатков. Новый технологический процесс должен быть ориентирован на условия автоматизированного производства который отмечался бы меньшей трудоемкостью и себестоимостью по сравнению с базовым. Применение нового металлорежущего инструмента и оборудования позволит снизить трудоёмкость изготовления повысить производительность труда сократить штучное и подготовительно-заключительное время на выполнение операций механической обработки
5. Разработка маршрутного технологического процесса обработки детали
На основании анализа базового технологического процесса изготовления детали и выбора метода получения заготовки разрабатываем проектный вариант маршрутного технологического процесса ориентируемый на автоматизированное производство.
Обозначим обрабатываемые поверхности и базы на чертеже детали.
Разработанный маршрутный технологический процесс представлен в виде таблицы 3.2.
Технологический процесс изготовления вала
Технологические базы
Обработатьторцы5 6 и шейку4 одно-
Фрезерно-центровально-обточной полуавтомат модели 2Г942.
Необработанные цилиндрические поверхности 78 и левый торец 9. Приспособление специальное: призмы прихваты.
Точить начерно и начисто заготовку по УП.
Токарный центр с ЧПУ модели SQ 200M.
Обработанная шейка 4 левый торец и правое конусное центровое отверстие заготовки. Приспособление: трёхкулачковый поводковый патрон центр вращающийся.
Шлицефрезерная с ЧПУ. Фрезеровать шлицы2.
Шлице-фрезерный станок с ЧПУ модели 5А352ПФ2.
Конусные центровые отверстия. Приспособление: поводковый патрон центр вращающийся.
Шлицефрезерная с ЧПУ. Фрезеровать шлицы4.
Моечная. Промыть деталь
Продолжение таблицы 3.2.
Термообработка. Нитроцементироватьдеталь до 57-65НRC.
Шлифовальная с ЧПУ. Шлифовать последовательно поверхности123.
Кругло-шлифовальный станок с ЧПУ модели 3М151Ф2.
Конусные центровые отверстия. Приспособление центр плавающий центр вращающийся хомут.
Шлице-шлифовальный станок модели 3451
Контрольная. Проверить размеры шероховатость поверхностей технические требования.
Средства для контроля
На основании принятого варианта маршрутного технологического процесса подробно разрабатываем все операции механической обработки. На каждую операцию и переход рассчитываем припуски размеры и допуски на обработку; режимы резания; техническое нормирование времени.
6. Выбор технологических баз и последовательности технологических переходов
Выбор технологических баз и последовательности обработки поверхностей детали является наиболее ответственным этапом разработки технологического процесса во многом определяющим достижение требуемой точности и экономичности изготовления машин. В процессе разработки технологического процесса следует стремиться к соблюдению принципов постоянства и совмещения баз.
Принятая схема базирования должна обеспечить необходимое положение заготовки на станке или в приспособлении для обработки с заданной точностью.
На операцию 010 – токарную с ЧПУ и на все последующие выбираем схему обработки в центрах что позволит соблюдать принципы постоянства и совмещения баз и обработать деталь с заданной точностью.
Для данной детали и типа производства спроектируем токарную с ЧПУ операцию – 010 за один установ.
С учётом особенностей обрабатываемой детали (малая жёсткость) целесообразно использовать на черновом точении одновременную двухрезцовую обработку. Резцы будут располагаться друг против друга и снимать одинаковый припуск (рис. 3.4). Тем самым силы R вызывающие прогиб заготовки будут компенсировать друг друга а значит будет достигнута требуемая точность.
Схема одновременной двухрезцовой обработки
7Выбор средств технологического оснащения
Одной из важнейших частей проектирования операции является выбор оборудования для механической обработки.
Оборудование обеспечивает обработку наружных внутренних поверхностей и торцов с необходимыми параметрами шероховатости с заданными предельными отклонениями размеров геометрической формы и взаимного расположения поверхностей обеспечивает надёжное закрепление заготовки.
Выбор инструментальной оснастки производим исходя из условий обработки с учетом вида станка материала заготовки ее размеров и конфигурации требуемой точности обработки шероховатости типа производства.
Учитывая перечисленные требования выбираем токарный с ЧПУ многоцелевой станок SQ200M. Данный станок имеет два суппорта которые могут перемещаться как в продольном направлении так и в поперечном.
Станок оснащён УЧПУ класса CNC. У него достаточно полно учтено соответствие габаритных размеров заготовки по отношению к размерам рабочей зоны оборудования требования обеспечения точности и качества обрабатываемой поверхности что особенно важно при чистовой обработке.
Краткая технологическая характеристика станка модели SQ200M.
Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки
Наибольшая длина обрабатываемой заготовки мм. .700
Мощность эл. двигателя главного привода кВт. ..15
Дискретность системы управления при задании размеров мм.
Данное технологическое оборудование удовлетворяет ряду требований ГАП:
изготовление в автоматическом режиме широкой номенклатуры изделий при максимальной концентрации операций;
возможность быстрой переналадки при смене объектов производства;
широкие технологические возможности способствующие реализации принципа комплексности производственного цикла;
высокий уровень автоматизации основных и вспомогательных функций;
компоновочная и программная стыковка с различными подсистемами осуществление связи с верхним уровнем управления по передаче управляющих воздействий и учётной информации;
обеспечение необходимой производительности и повышенных требований по качеству изделий;
высокая экономичность эксплуатационная и технологическая надёжность.
Станок SQ200M обеспечивает:
автоматический цикл обработки деталей;
автоматизацию фиксации и зажима детали;
удаление стружки из зоны обработки;
возможность очистки установочных элементов приспособлений от стружки и грязи;
размеры и расположение рабочей зоны позволяющие организовать обслуживание с помощью ПР;
автоматизацию ограждения рабочей зоны.
Инструментальная оснастка станка представляет собой совокупность инструментов предназначенных для обработки резанием а также устройств для закрепления инструмента и заготовки.
В серийных типах производства на станках с ЧПУ широко используют резцы со сменными пластинками обеспечивающие высокую точность жесткость быструю смену и наладку на размер надежность и стойкость.
Для черновой обработки выбираем резцы токарные сборные контурные с механическим креплением твердосплавной пластинки Т15К6: правый резец 2103-0711 ГОСТ 20872-80 и левый резец 2103-0712 ГОСТ 20872-80 6.
Для чистовой обработки выбираем такие же резецы.
Для серийного типа производства выбираем переналаживаемое станочное приспособление многократного применения – поводковый патрон и центр вращающийся ГОСТ 8742 – 75.
В качестве мерительного инструмента выбираем штангенциркуль ШЦ 11 – 250 – 005 ГОСТ 166 – 80 штангенциркуль ШЦ 111 – 630 – 01 ГОСТ 166 – 80 шаблоны 5x30° и 5x45° (спец.) микрометр контрольное приспособление.
8. Определение припусков операционных размеров и размеров заготовки 7
При проектировании технологических процессов изготовления деталей определяют промежуточные операционные и общие припуски на обработку резанием. Промежуточный припуск – это припуск удаляемый при выполнении одного технологического перехода. Операционный припуск представляет собой сумму припусков на переходы механической обработки рассматриваемой поверхности одной технологической операции. Общий припуск определяется суммированием операционных припусков технологического процесса от исходной заготовки до готовой детали.
Расчёт припусков и предельных размеров по технологическим переходам на обработку поверхности 15к7 вала.
переходы обработки поверхности 15к7
Технологический маршрут обработки поверхности 15к7 состоит из точения чернового и чистового и шлифования чернового и чистового.
Записываем технологический маршрут обработки в расчётную таблицу. В таблицу также записываем соответствующие заготовке и каждому технологическому переходу значения элементов припуска.
Так как в данном случае обработка ведётся в центрах то погрешность установки в радиальном направлении равна 0.
Суммарное отклонение:
- погрешность расположения базовых отверстий относительно обрабатываемой поверхности;
- величина коробления обрабатываемой поверхности;
- удельная кривизна заготовок на 1мм длины;
- смещение оси заготовки в результате погрешности центрирования.
Остаточное пространственное отклонение:
- после чернового точения
- после чистового точения
Расчёт минимальных значений припусков производим пользуясь основной формулой:
Графа таблицы “Расчётный размер dp” заполняется начиная с конечного (чертёжного) размера путём последовательного прибавления расчётного минимального припуска каждого технологического перехода.
Записав в соответствующей графе расчётной таблицы значения допусков на каждый технологический переход и заготовку в графе “Наименьший предельный размер” определим их значения для каждого технологического перехода округляя расчётные размеры увеличением их значений. Округление производим до того же знака десятичной дроби с каким дан допуск на размер для каждого перехода. Наибольшие предельные размеры вычисляем прибавлением допуска к округлённому наименьшему предельному размеру.
Предельные значения припусков определяем как разность наибольших предельных размеров и - как разность наименьших предельных размеров предшествующего и выполняемого переходов:
- для чистового шлифования
- для чернового шлифования
- для чистового точения
- для чернового точения
Расчёт припусков и предельных размеров по технологическим переходам на обработку отверстия 25к7 вала.
переходы обработки отверстия 60Н7
Расчёт проводится аналогично.
9. Расчет режимов резания 8
Выполнено в пакете MATHCAD 2000 Professional
9.1. Операция №010 токарная черновое точение вала по контуру
Черновая обработка мм
Максимальная глубина резания мм
Скорость резания расчитывается по эмпирической формуле (1)
где Т- среднее значение стойкости мм
- показатели степени
- коэффициент Kv является произведением коэффитциентов учитывающих влияние материала заготовки Kmv:
состояние поверхности:
материала инструмента:
Частота вращения шпинделя:
Скорость движения подачи:
Поправочный коэффициент Кр представляет
собой произведение ряда коэффициентов
учитывающий фактические условия резания:
Проверка по мощности резания:
9.2. N :010 токарная чистовая обработка поверхности 1
9.3. N :010 токарная чистовая обработка поверхности 3.
9.4. N :010 токарная точение канавок.
Рассчитаем режимы резания для точения одной канавки. На остальные назначим аналогичные.
10. Техническое нормирование операций 9.
Технические нормы времени в условиях массового и серийного производств устанавливаются расчётно-аналитическим методом.
В серийном производстве определяется норма штучно-калькуляционного времени :
Технологическое нормирование устанавливает технически обоснованную норму расхода производственных ресурсов рабочего времени сырья материалов инструментов. В массовом производстве определяется норма штучного времени.
Норма штучного времени – это норма времени на выполнение объёма работы равной единице нормирования на выполнение технологической операции.
-время цикла автоматической работы станка по программе мм;
где -длина рабочего хода инструмента мм;-минутная подача;
Так как обработка производится одновременно двумя инструментами то в То следует включить лишь времена лимитирующих переходов.
Из листа наладки находим:
-машинно-вспомогательное время мин;
где-величина холостых ходовмм; -величина ускоренных перемещений мм; -время смены инструмента мм;
-вспомогательное время мин;
где -время установки снятия детали мин.: (3)с59;
-время связанное с операцией мин : (3) с79;
-время на измерения мин : (3)с 82;
-поправочный коэффициент на время выполнения ручной вспомогательной работы в зависимости от партии:
-время на техническое организационное обслуживание рабочего места время на отдых и личные потребности мин.. Берётся в процентах от Топ=Тца+Тв;
-подготовительно-заключительное время мин.
где -время на организационную подготовку производства (получение наряда чертежа инструкций и т.д.) мин.: (3) с96;
-время на наладку станка приспособления инструмента программного устройства мин.: (3) с96;
-время на пробную обработку мин.: (3) с104;
Результаты нормирования остальных операций приведены в таблице 3.5.
Результаты нормирования операций
Фрезерно-центровально-обточная
Шлицефрезерная с ЧПУ
11. Технико-экономическая оценка вариантов технологических операций 3
Целесообразность разрабатываемого технологического процесса механической обработки деталей определяется на основе сравнительной экономической эффективности двух альтернативных вариантов: базового и проектного.
Наименование операций
Наименование перехода
Черновое и чистовое точение детали.
Черновое и чистовое точение детали.
Применяемое металлорежущее оборудование
Токарно-винторезный станок модели 16К20
Многоцелевой токарный станок SQ200M
В соответствии с действующей методикой расчёта экономической эффективности новой техники общим экономическим показателем эффективности варианта является величина годовой экономии на приведённых затратах определяемая из уравнения:
- соответственно сумма годовых приведённых затрат базового и проектного вариантов при выполнении равных объёмов работы руб;
Сумма годовых приведённых затрат по каждому варианту определяется по формуле:
- номер технологической операции в каждом варианте технологического процесса;
- годовая технологическая себестоимость операции по вариантам руб;
- нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;
- сумма годовых капитальных затрат на операции по вариантам.
КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ
1. Проектирование станочного приспособления
Спроектируем станочное приспособление для токарной операции с ЧПУ №010. Для данной операции принята схема базирования по центровым отверстиям и левому торцу. Следовательно приспособление должно иметь плавающий центр. Приспособление должно передавать заготовке крутящий момент превосходящий окружные силы резания. Для этого целесообразно применение эксцентриковых самозажимных кулачков.
Всем выше изложенным требованиям удовлетворяет самозажимной поводковый патрон. Его сборочный чертёж приведён в графической части дипломного проекта. Патрон предназначен для обточки многоступенчатых валов. В нём предусмотрена возможность получения требуемых линейных размеров отсчитываемых от базового торца.
1.1. Устройство и принцип действия патрона
При нажатии центром задней бабки плавающий центр 16 вдвигается внутрь корпуса 2 и обрабатываемый вал упираясь в торец упорной втулки 18 перемещает упорный шарикоподшипник 17 и цангу 4 закрепляя при этом плавающий центр 16. В момент пуска станка центр 16 патрона с закреплённым на нём поводком 20 в пазы которого входят оси 10 неподвижен в то время как корпус 2 с присоединённым к нему кольцом 22 и пальцами 9 входящими в продольные пазы кулачков 12 начинает вращаться поворачивая и прижимая при этом кулачки к обрабатываемой детали.
В процессе резания с возрастанием крутящего момента от силы резания сила зажатия автоматически увеличивается. Зажимное усилие действующее на кулачки со стороны детали воспринимается осями 10.
Зажимный профиль кулачков очерчивается по дуге окружности. Для увеличения надёжности закрепления на зажимном профиле нарезаются зубцы.
2. Проектирование пиноли задней бабки с вращающимся центром и пневматическим приводом
2.1. Назначение приспособления
Приспособление предназначено для быстрого подвода и отвода вращающегося центра. Приспособление можно использовать для работы по автоматическому циклу так как привод пневматический. Наличие в пиноли вращающегося шпинделя даёт возможность использовать обычные центры как вращающиеся.
2.2. Устройство приспособления
В пиноли 23 на трёх подшипниках качения установлен вращающийся шпиндель 21. Гайка 6 и крышка 4 образуют лабиринтное уплотнение предохраняющее подшипники от попадания стружки. К пиноли 23 прикреплена винтами гайка 3 в которую ввернут винт 17. в цилиндрическое отверстие шпинделя 21 вставлен штифт который служит для выталкивания центра из конусного отверстия шпинделя в конце обратного хода пиноли 23. Пиноль вставлена в отверстие задней бабки токарного станка. Вращению пиноли препятствует шпонка 22.
К торцу задней бабки прикреплена плита 7 на которой закреплён пневматический цилиндр 16. Поршень 19 пневматического цилиндра приварен к штоку 18. Для уплотнения поршня 19 в цилиндре 16 использованы две манжеты 14. Шток 18 направляется в двух отверстиях цилиндра 16 и крышки 5. Шток в этих отверстиях уплотнён манжетой 13. Герметичность правой камеры достигается прокладкой 6. Для подвода сжатого воздуха в правую и левую полости цилиндра снизу установлены два штуцера 26. Шток 18 пустотелый через него пропущен цилиндрический конец винта 17. Винт вращается в двух втулках 2 и опирается на упорный шарикоподшипник. На правом конце винта на шпонке закреплена рукоятка 11 для ручной подачи пиноли задней бабки.
2.3. Расчёт приспособления на точность 10
Суммарная погрешность приспособления рассчитывается по формуле:
где б – погрешность базирования детали;
з – погрешность закрепления детали;
ус – погрешность установки приспособления на станке;
пр – погреность изготовления приспособоения;
с – погрешности станка;
и – погрешности износа установочных элементов приспособления;
Рассмотрим влияние всех этих погрешностей на точность получения диаметрального размера вала при обработке в центрах.
б=0 так как установочная база совпадает с измерительной. з= 0 так как погрешность закрепления детали не влияет на диаметральный размер. ус равна погрешности смещения оси центров. Обычно она находится в пределах 10-30 мкм. Примем ус=20 мкм. пр для токарной обработки в центрах отсутствует т.е. пр =0. с вызывается биением шпинделя которое равно 10 мкм значит с=10 мкм. Погрешностями износа и можно пренебречь.
Наиболее точный размер на чистовом точении имеет допуск 70 мкм (табл. 2.3.). Так как 22470 то точность приспособления удовлетворяет данному виду обработки.
БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА
Современное состояние техносферы оказывает всё возрастающее влияние на людей. В этих условиях одной из самых злободневных проблем становится проблема обеспечения жизни и деятельности человека в среде его обитания. Проблема обеспечения безопасности человека охватывает все сферы его жизнедеятельности и является очень сложной. Она включает широкий комплекс организационно-технических медико-биологических социально-экономических и экологических вопросов решение которых возможно лишь с позиции научно обоснованного подхода к данной проблеме. Обеспечение безопасности труда реализуется как при проектировании производственных процессов так и в процессе их реализации. Безопасность труда обеспечивается соблюдением стандартов по безопасности труда правил техники безопасности санитарных норм и правил инструкций по охране труда. Особое внимание обращается на соблюдение этих требований при создании новых видов оборудования разработке и реализации производственных процессов. В государственных стандартах сформулированы требования безопасности к производственным процессам оборудованию промышленной продукции средствам защиты работающих установлены нормы и требования на параметры характеризующие шум вибрацию ультразвук запылённость и загазованность воздуха рабочей зоны электро- и взрывобезопасность пожарную безопасность и т.п. Современное машиностроительное производство представляет собой комплекс сложных технологических систем машин и оборудования с высоким уровнем механизации и автоматизации производственных процессов. Факторы безопасности и экологичности обеспечение комфортных условий труда сведение к минимуму риска для обслуживающего персонала выдвигаются в число важнейших критериев характеризующих технический уровень и качество машин оборудования и производственных процессов определяющих их конкурентоспособность на мировом рынке.
Создание безопасных и экологичных производственных процессов машин и оборудования составляет материальную основу обеспечения жизнедеятельности человека и является одной из основных целей системы управления безопасностью труда и экологической безопасностью предприятия.
1. Влияние эргонометрических характеристик оборудования на безопасность труда
Приспособления как и любые механизмы являются источниками повышенной опасности для окружающих. Поэтому при проектировании необходимо обеспечить соблюдение ряда условий обеспечивающих удобную и безопасную работу при использовании приспособления. Для оценки эргономических качеств приспособления в совокупности со станком и удобства обслуживания целесообразно воспользоваться координатной сеткой с нанесенными на ней контурами станка приспособления и зон размещения органов управления. Затем на ней помечается место расположения станочника с зонами досягаемости. Органы управления должны располагаться в зонах легкой досягаемости. Редко используемые органы управления (не более 5 8 раз в смену) могут размещаться и за пределами зоны досягаемости а аварийные должны находиться только в зоне активного наблюдения.
Другим важным эргономическим требованием является соблюдение допустимых нагрузок которые не должны превышать 10 Н если работает кисть руки; 20 40 Н — рука до локтя и 80 100 Н — вся рука. Следует помнить что рукоятки с пользованием более 5 8 раз в смену необходимо располагать в зоне на высоте от 1600 до 1700 мм при работе стоя и от 600 до 1200 мм — при обслуживании сидя. В случаях использования рукояток и кнопок не более 8 раз в смену допустимо их расположение на высоте от 300 до 1850 мм. Допускается располагать органы управления используемые только для настройки на высоте до 2500 мм. Рекомендуется для часто используемых рукояток уменьшать усилия на 20 40 %.
В ручных зажимных устройствах сила на рукоятке не должна превышать 100 Н а при более чем одном закреплении — раскреплении в минуту — не свыше 50 Н. Средняя продолжительность закрепления заготовок различными зажимными устройствами: в трех кулачковом патроне ключом — 4с; одним винтовым зажимом (ключом) — 4.5 с; штурвалом — 25 с: поворотом рычага — 25 с: маховиком или звездочкой — 2с: поворотом рукоятки пневмо- и гидрокрана - 15 с. При необходимости увеличить число зажатий применяют приспособления с силовыми (пневматическими гидравлическими) узлами. В зоне расположения рукояток и маховиков не должно быть никаких выступающих частей которые могут нанести травму работающему или мешать ему.
Не допускается применение выступающих винтов. Все детали в зоне работы рук должны быть закруглены и не иметь острых кромок углов. Расстояние от неподвижной детали до вращающегося маховика не должно быть менее 30 мм. Для маховиков диаметром более 60 мм рекомендуемое расстояние от неподвижной части машины до охватываемой рукой части маховика должно быть не меньше 60 мм.
Наружные элементы станочных приспособлений не имеют острых углов кромок неровных поверхностей представляющих собой источник опасности. Все наружные элементы скруглены радиусами не менее 1 мм. Элементы приспособления не мешают его работе и не ограничивают доступ к органам управления. Шероховатость наружных поверхностей вращающихся патронов оправок планшайб должна быть не грубее Ra 125 мкм. Для исключения травмирования рук при установке детали предусматриваются специальные ниши для безопасного размещения руки введены блокировочные устройства не позволяющие включить привод зажима или других движущихся частей при нахождении в рабочей зоне руки рабочего. Зазоры между подвижными частями составляют не более 5 мм что устраняет возможность попадания в зазор руки или пальцев рабочего.
Приспособление надежно закреплено на станке сбалансировано. Повышенную опасность представляет собой стружка образующаяся во время обработки. Поэтому у приспособлений должны быть достаточной величины каналы окна ниши обеспечивающие беспрепятственное удаление стружки. Для защиты от дробленой стружки необходимо предусматривать специальные экраны а также беспрепятственное удаление смазочно-охлаждающей жидкости отсос загрязненного во время работы воздуха.
Ряд травм происходит от падения деталей или приспособления во время установки их на станок. Поэтому должны быть предусмотрены устройства исключающие самопроизвольное падение деталей с приспособления. Вручную допускается устанавливать приспособление массой не более 16 кг. При этом должны быть обеспечены безопасная установка и снятие его со станка. Приспособления массой более 16 кг должны иметь устройства (рым-болты цапфы отверстия и т. д.) обеспечивающие надежный захват их грузоподъемными устройствами. При массе обрабатываемой детали более 12 кг должны использоваться грузоподъемные устройства а также предусматриваться специальные площадки для предварительной ее установки с последующим перемещением в рабочую зону.
Особое внимание следует уделять исключению возможности раскрепления детали во время обработки из-за отказа силового привода падения давления в пневмосети отключения электроэнергии. С этой целью применяются самотормозящие механизмы предохранительные устройства исключающие возвратное движение зажимного элемента. В случае невозможности применения таких устройств следует защищать рабочую зону приспособления специальным экраном. Опорные поверхности нужно располагать против сил резания. Усилия зажимных устройств требуется направить на опорные поверхности.
Гидравлические и пневматические устройства должны быть испытаны под давлением в 15 раза превышающем номинальное с выдержкой не меньше 5 мин. Гидро- и пневмосистема должна иметь паспорт в котором указываются результаты испытаний и допускаемые сроки эксплуатации. Пневмо- и гидропривод не должны загрязнять окружающую среду. Следует избегать выброса отработавшего сжатого воздуха в сторону рабочего так как он может увлекать за собой частицы абразива и стружки и быть причиной травмы. Пневмо и гидропривод должны быть оборудованы устройствами для контроля давления воздуха или масла и иметь опломбированные элементы разрегулирование которых может создать аварийную ситуацию.
При использовании электропривода должно быть исключено самопроизвольное включение токоведущие части требуется надежно изолировать предусмотреть средства световой сигнализации и аварийного отключения вводный выключатель всей системы от питающей сети необходимые блокировки проверить электросистему на надежность изоляции и заземления.
Уровень вибрации и шума создаваемый приспособлением не должен превышать допустимые санитарные нормы т.е. 92-108 дБ.
Категорически запрещается выполнение наладочных и ремонтных работ на приспособлении во время работы станка.
Особое внимание нужно уделять защите вращающихся частей приспособления и станка от попадания на них одежды рабочего.
2. Шумовые загрязнения окружающей среды. Характеристика источников шума в проектируемом участке
Характеристики источников шума.
Любой источник шума характеризуется прежде всего звуковой мощностью.
Звуковая мощность источника Р—это общее количество звуковой энергии излучаемой источником шума в окружающее пространство за единицу времени.
Окружая источник шума условной сферой с достаточно большим радиусом r (S=4r2) чтобы можно было считать источник точечным получим величину средней интенсивности звука на поверхности этой сферы(Втм2).
Это выражение предполагает излучение шума по всем направлениям одинаковым что справедливо для точечного источника размеры которого малы по сравнению с излучаемыми им волнами. Однако источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по всем направлениям т. е. обладают определенной направленностью излучения.
Характеристики направленности обычно представляют в виде зависимости показателя направленности G измеряемого в децибелах шумомером от угла между выбранным направлением на наблюдателя и осью источника
Для того чтобы сравнивать шум различных машин друг с другом производить расчеты уровней звукового давления в проектируемых помещениях необходимо знать объективные характеристики шума производимого машиной. Любая машина будучи установленной в открытом пространстве создает в разных точках различные уровни звукового давления хотя ее звуковая мощность и остается неизменной.
В соответствии со стандартами такими шумовыми характеристиками которые указываются в прилагаемой к машине технической документации являются:
) уровни звуковой мощности шума Lp в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63125250 500 1000 2000 4000 8000 Гц а также корректированный уровень звуковой мощности;
) характеристики направленности излучения шума машиной.
Уровни звуковой мощности Lp (дБ) установлены по аналогии с уровнем интенсивности звука.
Кроме этих характеристик являющихся основными и получаемых при типовых испытаниях дополнительными шумовыми характеристиками являются октавные уровни звукового давления или уровни звука на определенном расстоянии от машины. Эти характеристики служат для контрольных испытаний машины по сокращенной программе и сопоставления их результатов с характеристиками машин определяемыми при типовых испытаниях а также являются основными характеристиками внешнего шума транспортных средств. На проектируемом участке применяется система динамического вибрагашения вибрации поглощаются инерционным динамическим виброгасителем что снижает в свою очередь шумовой эффект.
Действие шума на человека. Нормирование шума
Область слышимых звуков ограничивается не только определенными частотами (20—20000 Гц) но и определенными предельными значениями звуковых давлений слышимости. Уместно напомнить что логарифмическая шкала уровней звукового давления построена таким образом что пороговое значение звукового давления ро соответствует порогу слышимости (L=0 дБ) только на частоте1000 Гц принятой в качестве стандартной частоты сравнения в акустике. Порог слышимости различен для звуков разной частоты. Если в диапазоне частот 800—4000 Гц величина порога слышимости минимальна то по мере удаления от этой области вверх и вниз по частотной шкале его величина растет; особенно заметно увеличение порога слышимости на низких частотах. По этой причине высокочастотные звуки более неприятны для человека чем низкочастотные (при одинаковых уровнях звукового давления). Звуки превышающие по своему уровню порог (L==120—130 дБ) могут вызвать боли и повреждения в слуховом аппарате.
Область на частотной шкале лежащая между этими кривыми называется областью слухового восприятия.
В зависимости от уровня и характера шума его продолжительности а также от индивидуальных особенностей человека шум может оказывать на него различное действие.
Шум даже когда он невелик (при уровне 50—60 дБ) создает значительную нагрузку на нервную систему человека оказывая на него психологическое воздействие. Это особенно часто наблюдается у людей занятых умственной деятельностью. Слабый шум различно влияет на людей. Причиной этого могут быть: возраст состояние здоровья вид труда физическое и душевное состояние человека в момент действия шума и другие факторы. Степень вредности какого-либо шума зависит также от того насколько он отличается от привычного шума. Неприятное воздействие шума зависит и от индивидуального отношения к нему. Так шум производимый самим человеком не беспокоит его в то время как небольшой посторонний шум может вызвать сильный раздражающий эффект.
Известно что ряд таких серьезных заболеваний как гипертоническая и язвенная болезни неврозы в ряде случаев желудочно-кишечные и кожные заболевания связаны с перенапряжением нервной системы в процессе труда и отдыха. Отсутствие необходимой тишины особенно в ночное время приводит к преждевременной усталости а часто и к заболеваниям. В этой связи необходимо отметить что шум в 30—40 дБ в ночное время может явиться серьезным беспокоящим фактором. С увеличением уровней до 70 дБ и выше шум может оказывать определенное физиологическое воздействие на человека приводя к видимым изменениям в его организме.
Под воздействием шума превышающего 85—90 дБ в первую очередь снижается слуховая чувствительность на высоких частотах.
Сильный шум вредно отражается на здоровье и работоспособности людей. Человек работая при шуме привыкает к нему но продолжительное действие сильного шума вызывает общее утомление может привести к ухудшению слуха а иногда и к глухоте нарушается процесс пищеварения происходят изменения объема внутренних органов.
Воздействуя на кору головного мозга шум оказывает раздражающее действие ускоряет процесс утомления ослабляет внимание и замедляет психические реакции. По этим причинам сильный шум в условиях производства может способствовать возникновению травматизма так как на фоне этого шума не слышно сигналов транспорта автопогрузчиков и других машин.
Эти вредные последствия шума выражены тем больше чем сильнее шум и чем продолжительнее его действие.
Таким образом шум вызывает нежелательную реакцию всего организма человека. Патологические изменения возникшие под влиянием шума рассматривают как шумовую болезнь.
Звуковые колебания могут восприниматься не только ухом но и непосредственно через кости черепа (так называемая костная проводимость). Уровень шума передаваемого этим путем на 20—30 дБ меньше уровня воспринимаемого ухом. Если при невысоких уровнях передача за счет костной проводимости мала то при высоких уровнях она значительно возрастает и усугубляет вредное действие на человека.
При действии шума очень высоких уровней (более 145 дБ) возможен разрыв барабанной перепонки.
3. Источники и основные характеристики загрязнения окружающей среды в базовом производстве
Воздействие предприятия на атмосферный воздух
Воздействие предприятия на атмосферный воздух прежде всего характеризуется выбросами от стационарных источников и автотранспорта.
К наиболее вредным загрязняющим производствам относятся: гальваническое окрасочное сварочное гуммировочное энергообеспечивающее. Окружающая среда загрязняется сварочным аэрозолем оксидами металлов парами кислот щелочей и растворителей углеводородами оксидами углерода и азота бензапиреном и т.д. Установлено что от различного оборудования предприятия в атмосферу выбрасывается 82 ингредиента из них 25 – 1 и 2 класса опасности.
По результатам инвентаризации определено что предприятие относится ко 2 категории опасности.
Динамика выбросов вредных веществ в атмосферу и изменение объема производства за несколько лет представлена на рис.2.1.
Изменения выбросов связаны со следующим:
) Котельная предприятия переведена с высокосернистого мазута на природный газ. Нагревательные печи цеха 45 переведены с сжиженного газа на природный газ.
В связи с этим произошло уменьшение выбросов:
- сернистого ангидрида с 229816 тг до 0002 тг;
- мазутной золы с 0688 тг до 0182 тг;
- твердых веществ от сгорания жидкого топлива с 8514 тг до 084 тг.
) Уменьшились объем и номенклатура выпускаемой продукции. Это привело к уменьшению выбросов от производства резинотехнических изделий от гуммирования аппаратов окрасочного и гальванического производства.
) Использовались новые методики расчета выбросов: в них изменились удельные выбросы и перечень выбрасываемых веществ. В связи с этим наблюдается увеличение выбросов оксидов железа свинца хромового ангидрида и т.д.
) Уменьшение выбросов также произошло в связи с аннулированием и консервацией некоторого оборудования.
Основной вклад в загрязнение вносят жидкие и газообразные вещества. Это сернистый ангидрид окислы азота окись углерода летучие органические соединения. Их суммарный выброс достигает 922 %. Остальную часть в выбросы вносят твердые вещества.
Выбросы от автотранспорта вносят также большой вклад в загрязнение атмосферы.
На предприятии эксплуатируется несколько типов установок очистки выбросов:
) Сухая очистка выбросов загрязняющих веществ в циклонах типа ЦН-15 циклонах с обратным конусом ЦОЛ ЛИОТ № 4 от заточных и шлифовальных станков и дробеструйных камер.
Эффективность очистки на циклонах составляет 654 % - 878 %.
В деревообрабатывающем цехе для очистки от древесной пыли на станках по обработке древесины применяются циклоны «Гипродрев № 8» с эффективностью очистки 88 % и циклон ЦН-15.
) Мокрая очистка в гидрофильтрах для улавливания покрасочного аэрозоля и паров растворителей с эффективностью очистки соответственно 98% и 20 % а также в ПВМ-40 (пылеуловители с внутренней циркуляцией) для улавливания оксида железа от дробеструйной камеры.
) Фильтр ФВГ-Т для улавливания хромового ангидрида в гальваническом производстве с эффективностью 96 %.
Всего на предприятии эксплуатируется 23 установки по очистке выбросов.
Промышленно-санитарная лаборатория предприятия осуществляет лабораторный контроль эффективности газопылеулавливающих установок и промышленных выбросов в атмосферу. Для этого ежегодно составляется график контроля который согласовывается с областным комитетом природных ресурсов.
Воздействие предприятия на водный бассейн
Источниками водоснабжения предприятия являются: горводопровод промводовод КМЗ артскважины. Индивидуальные нормы водопотребления и водоотведения на единицу продукции согласованы в мае 1999 года сроком на 5 лет.
Предприятие также передает воду комбинату питания № 2 и машиностроительному техникуму.
На предприятии имеется 3 артскважины (2 рабочие и 1 на консервации). Первая артскважина расположена у котельной. Вторая скважина расположенная около 26 цеха – резервная имеет ограждение диаметром около 15 метров. Прилегающая территория в удовлетворительном состоянии. Третья скважина – у проходной не используется расположена на газоне рядом с дорогой. Подземная вода используется для хозбытовых нужд: горячая вода для душевых на мытье полов и посуды. Вода используется без дополнительной очистки.
На предприятии имеются системы оборотного водоснабжения: для охлаждения оборудования в кислородной станции посредством градирни локальные оборотные системы на гидростендах (ц.ц. 21 29 КСП 1 НГО СХЕ «Газовый баллон») гидрофильтрах в окрасочных камерах (ц.ц. 29 СХЕ «Газовый баллон») для охлаждения оборудования (ц.ц. 21 62 СХЕ «Газовый баллон») высокочастотной установке ИЗЧ-04 на участке изготовления стеклотрубки для озонаторов термопластавтоматах (цех 28).
На территории предприятия имеется система ливневой канализации. Атмосферные осадки в основном собираются с крыш производственных зданий и части территории имеющей твердое покрытие. Загрязненные дождевые и талые воды отводятся в емкости за территорией предприятия которые входили в состав очистных сооружений ливневых вод. В 1996 году после обследования были признаны непригодными к дальнейшей эксплуатации и не подлежащими восстановлению. В настоящее время на предприятии встает вопрос о их реконструкции и возврате очищенных ливневых вод на производство. Сбор дождевых и талых вод с территории транспортного цеха осуществляется через дождеприемник на мойку автотранспорта с оборотным водоснабжением.
Подтоварные воды с мазутного хозяйства поступают тоже в городскую канализацию после предварительного отстоя и очистки от нефтепродуктов.
Сброс загрязненных стоков с территории транспортного цеха и автостоянки и их очистка не организованы.
Характеристика образующихся отходов
В процессе производственной деятельности образуются отходы производства и потребления в том числе и опасные. Предприятие относится к 1-й категории опасности.
-й класс опасности составляют отходы нефтеподуктов и кислот. К нефтепродуктам относятся отработанные технические (от оборудования) и моторные (от автотранспортного цеха) масла. Отходы серной кислоты – это отходы электролита из отработавших свой срок аккумуляторов и кислоты для очистки котлов от накипи. Отработанные электролиты сливаются в накопитель гальваностоков и дальше на станцию нейтрализации завода «Икар». Отработанные масла сливаются в специальную емкость на территории гаража. Масло утилизируется или на предприятии «Курганнефтепродукт» или на самом заводе для дорожной техники.
В 3-й класс опасности входят отходы от мазутного хозяйства автомойки металлообработки гидростендов. Отработанныя СОЖ от металлообработки нефтешламы от автомойки и шламы гидростендов вывозятся на полигон жидких отходов по ул. Омской.
Отходы 4-го класса опасности и неопасные предприятием утилизируются на полигон ТБО передаются населению (отходы деревообработки и отработанные шины из транспортного цеха) или предприятиям по переработке – «Втормет» и «Цветмет».
4. Оценка категории проектируемого участка по степени огнестойкости и взрывопожароопасности
Пожары на машиностроительных предприятиях представляют большую опасность для работающих и могут причинять огромный материальный ущерб.
Пожарная безопасность может быть обеспечена мерами пожарной профилактики и активной пожарной защитой. Понятие пожарной профилактики включает комплекс мероприятий необходимых для предупреждения возникновения пожара или уменьшения его последствий. Под активной пожарной защитой понимаются меры обеспечивающие успешную борьбу с возникающими пожарами или взрывоопасной ситуацией.
Категория производства по пожарной опасности в значительной степени определяет требования к зданию его конструкциям и планировке организацию пожарной охраны и ее техническую оснащенность требования к режиму и эксплуатации.
Для облегчения определения категории промышленных предприятий по пожаровзрывоопасности изданы специальные указания. Основу этого документа составляет методика определения максимально возможного объема взрывоопасной смеси при аварийном истечении горючих газов и ЛВЖ.
Если величина В не превышает 5% объема помещения то производство не является взрывоопасным.
В том случае когда величина В превышает 5% свободного объема помещения а взрывоопасная среда создается при аварийном проливе ЛВЖ то дополнительно рассчитывают время Ти испарения вещества в количестве достаточном для образования взрывоопасной смеси в 5% объеме помещения.
Оценка пожароопасности и взрывоопасности участка.
На проектируемом участке производится механическая обработка негорючих материалов в холодном состоянии.
При обработке на участке используются горючие жидкости – смазочное масло СОЖ. Эти жидкости имеют малую испаряемость и не образуют с воздухом взрывоопасных смесей поэтому не представляют взрывоопасности.
По пожароопасности участок относится к категории Д.
В данном дипломном проекте рассмотрены методы технологического обеспечения точности и работоспособности деталей типа валов. Разработан метод определения погрешностей формы с использованием гармонического анализа с исключением погрешности базирования измерения. Предлагается система мониторинга механической обработки. Разработаны методы активного контроля обработки с использованием анализа сигналов виброаккустики.
В разделе разработки технологии изготовления детали-вал анализируется базовый вариант технологического процесса изготовления данной детали полученный во время прохождения практики на машиностроительном предприятии и отработка детали на технологичность также производится выбор заготовки и метод её получения с обоснованием выбора. Разработан маршрут технологического процесса изготовления детали из заготовки. Определены содержание и последовательность выполнения технологических переходов режимы резания нормы технологического времени. Сравнены два варианта обработки детали: базовый и проектный и дается технико-экономическая оценка обоих вариантов Годовая экономия составит:
Разработаны конструкции приспособлений для обработки детали по предложенному варианту технологического процесса.
В разделе автоматизации технологического процесса разработан роботизированный технологический комплекс на базе токарного станка с ЧПУ модели SQ200М и встроенного промышленного робота модели М10П.62.01. Фактическая сменная производительность РТК: 107 штсм.
В разделе безопасности жизнедеятельности рассмотрены вопросы по влиянию эргонометрических характеристик оборудования на безопасность труда определению ожидаемого уровня шума на проектируемом участке по выбору методов и средств по снижению шума источникам и основным характеристикам загрязнения окружающей среды в базовом производстве пожароопасности и пожарной профилактики проектируемого объекта.
При разработке данной дипломной работы широко использованы возможности современной компьютерной техники и применены различные технические и графические компьютерные пакеты.
Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х томах том 1 под ред.
М.В.Анурьева. М.: Машиностроение 1983 - 512 с.
Функциональная взаимозаменяемость в машиностроении под ред.
А.И. Якушева. 1964. – 120с.
Мосталыгин Г.П. Орлов В.Н. Проектирование технологических процессов обработки заготовок: Учеб. Пособие.- Свердловск; УПИ 1991.-112 с.
Методические указания к выполнению курсовой работы: Технология
автоматизированного производства Под ред. Г. П. Мосталыгина В.Н.Орлова Ю.И.Моисеева М.В.Давыдовой.- Курган: КГУ 2005.-34 с.
Марфицин В. В. Давыдова М. В. Выбор способа изготовления заготовок. Методические указания. Курган: КГУ 1997. 79 с.
Обработка металлов резанием: Справочник технолога Под общ. ред. А. А. Панова. – М.: машиностроение 1988. - 736 с.
Горбацевич А. Ф. Шкред В. А. Курсовое проектирование по технологии машиностроения. – Мн.: Выш. школа 1983. – 256 с.
Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х томах том 1 под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. М.: Машиностроение 1986. 496 с.
Режимы резания металлов: Справочник Под общ. ред.
Ю. В. Барановского М.: машиностроение 1972. - 407 с.
Микитянский В.В. Точность приспособлений в машиностроении.- М.: Машиностроение 1984.-128 с.
Расчёт контрольных приспособлений: Методические указания к выполнению курсовых и дипломных проектов.- Курган: КГУ 2005.-56 с.
Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х томах том 1 под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. М.: Машиностроение 1986. 655 с.
Моисеев Ю.И. Роботизированные технологические комплексы в машиностроении: Учеб. пособие.- Курган: Изд-во КГУ 2000.- 131с.
Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник.-М.: Машиностроение 1988.-392с.
Промышленные роботы в машиностроении: альбом схем и чертежей: Учеб. пособие для технических вузовЮ.М. Соломенцев К.П. Жуков и др.; Под общ. ред. Ю.М. Соломенцева.-М.: Машиностроение 1986-140с.:ил.
Мосталыгин Г. П. Салахов Ф. Н. Оформление технологической документации при выполнении курсовых и дипломных проектов. Методические указания. Курган: КМИ 1992. 36 с.
машиностроения Под ред. Г. П. Мосталыгина и др. Курган: КМИ 1995. 42 с
Станочные приспособления: Справочник. В 2-х т. Т. 2 Под редакцией
Б.Н. Вардашкина А. А. Шатилова. – М.: Машиностроение 1984. - 592 с.
Металлорежущий инструмент. Часть 4. Зуборезный инструмент: Каталог ВНИ Инструмент. – М.: ВНИИТЭМР 1988.-100 с.
Общемашиностроительные укрупнённые нормативы времени на работы выполняемые ан металлорежущих станках. Часть 2.
Методические указания к выполнению дипломного проекта для студентов специальности 120100: Технология машиностроения Под ред. Н.Н. Толмачевского Курган: КМИ 1996.- 50 с.
Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов. Под ред. д-ра техн. наук С.В. Белова.- М.: Высшая школа. 1999.- 417с.
Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 120100 «Автоматизация производственных процессов в машиностроении». – Курган: КГУ 1996. – 14 с.
Смолин А.И. Полибза Т.Т Коротенко В.М. Проекты (работы) дипломные и курсовые. Правила оформления. Руководящий материал. – Курган: Курганский гос. Университет 1995. – 27 с.
Тверской М.М. Автоматическое управление режимами обработки деталей на станках. – М.: Машиностроение 1982. – 208 с.

ФРАГМЕНТ ОПЕР 010.FRW

ФРАГМЕНТ ОПЕР 015.FRW

ФРАГМЕНТ ОПЕР 045.FRW

2.6. Разработка экспериментальной установки..doc

2.6. Разработка экспериментальной установки.
Экспериментальные исследования проводились на токарно-винтарезном станке модели 16К20 и токарном станке с программным управлением 16К20Ф3. в качестве обрабатываемого материала применялись конструкционные углеродистые стали марок сталь 45 сталь 3 а также сталь 12ХН.
При проведении экспериментов режимы резания изменялись в следующих пределах: скорость резания V от 100 ммин до 300 ммин подача S от 007 ммоб до 021 ммоб глубина резания t от 025 мм до 15 мм. Выбор диапазона изменения факторов проводился на основе предварительных исследований и обзора научно-технической литературы а так же исходя из производственного опыта.
В качестве режущего инструмента использовались стандартные токарные резцы с механическим креплением режущих пластин из наиболее распространённых в производстве твёрдых сплавов Т15К6 ВК8.
Структурная схема для измерения и анализа виброакустических колебаний включает следующие приборы устройства и регистрирующую аппаратуру (рисунок 3.1): приёмный преобразователь усилитель блок фильтров анализатор спектра прибор для исследования корреляционных характеристик осциллограф самописец аналого-цифровой преобразователь ЭВМ.
Поскольку объектом исследования являлись виброакустические колебания состоящие из высокочастотных колебаний технологической системы и колебаний генерируемых в зоне резания то место крепления датчика было приближено к зоне резания и располагалось в резцедержателе. Датчик крепился к телу резца с помощью магнита. Колебания измерялись в трёх направлениях: осевом (ось Х) радиальном (ось Y) тангенциальном (ось Z).
Установка для исследования вибросигналов.
С помощью анализатора спектра оценивалась спектральная плотность и амплитуды сигналов виброакустики в частотном диапазоне от 005 Гц до 20кГц.
Коррелятор обеспечивал вычисление закона распределения плотности распределения вероятностей и корреляционной функции с временем задержки от 1мкс до 10 секунд. Объём выборки составлял 210 – 217 точек.
В качестве регистрирующего устройства использовались самописец и ЭВМ на которые записывались полученные в ходе эксперимента спектральные и корреляционные характеристики сигнала. Осциллограф использовался как прибор визуального контроля.
Созданный стенд для анализа сигналов виброакустики предусматривал возможность вычисления спектральных и корреляционных оценок с помощью ЭВМ куда с преобразователя вибраций через аналого-цифровой преобразователь сигнал поступает с усилителя мощности.

КЭ вала.cdw

Исследовательская часть.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Технология машиностроения .
на дипломный проект (работу)
Студенту группы Т-5119 специальности (направления) 120100
Фамилия Шмакову Имя Алексею Отчество Васильевичу
Утверждена приказом по университету № 149 от «25» марта 200 4 г.
(ученое звание степень фамилия имя отчество)
Консультанты (ученое звание степень Ф.И.О. полностью):
Безопасность жизнедеятельности доц. к.т.н. Назаров А.К.
Сроки выполнения проекта (работы) с «29» марта по «31» мая 200 4 г.
Содержание и объем проекта (работы):
Содержание. Аннотация. Введение. 1. Характеристика объектов производства. 2. Анализ систем адаптивного управления. 2.1. Управление начальной установкой. 2.2. Управление статической настройкой. 2.3. Управление динамической настройкой.
Графическая часть: 1. Служебное назначение детали (05-1 лист). 2. Система управления статической настройки (1-2 листа). 3. Классификация устройств обратной связи (1-2 листа). 4. Автоматизированная система управления динамической настройкой (1 лист). 5. Экспериментальная установка (05-1 лист). 6. Зависимость шероховатости и точностных параметров и сигнала виброакустики от режимов обработки (2-3 листа). 7. Вибропортрет обработки детали (1 лист). 8. Алгоритм работы устройства (1 лист). 9. Блок-схема устройства стабилизации обработки по сигналу виброакустики (1 лист). 10. Спецвопрос (5-7 листов)
Решение о допуске студента к защите проекта (работы) в ГЭК:
Объем проекта (работы): графическая часть 13 -19 листов А1
Подписи консультантов Руководитель
боты) в Государственной экзаменационной комиссии: протокол кафедральной
Кафедра “ Технология машиностроения “
Разработка системы адаптивного управления на базе токарного станка с ЧПУ 16К20Ф3
Расчетно-пояснительная записка
Студент группы Т-5119 Шмаков А.В.
Направление – Технология оборудование и автоматизация
машиностроительных производств (552900)
Канд. техн. наук ст. преподаватель Губанов В.Ф.
Ученое звание ученая степень Фамилия И.О.
Канд. техн. наук доцент Назаров А.К.
Канд. техн. наук профессор Орлов В.Н.
Характеристика объектов производства
Анализ систем адаптивного управления
1. Управление начальной установкой .
2. Управление статической настройкой .
3. Управление динамической настройкой. .
4. Системы оптимизации по возмущению системы стабилизации системы оптимального управления. . ..
4.1. Сравнительная оценка систем стабилизации
5. Анализ устройств обратных связей ..
6. Разработка экспериментальной установки .
7. Исследование зависимости параметров шероховатости точности детали и сигналов виброакустики от режимов обработки
8. Вибропортрет обработки детали .. .
9. Алгоритм работы устройства контроля процесса резания.
10. Блок-схема устройства контроля процесса резания .
Спецвопрос: «Разработка технологического процесса изготовления детали - вал ведомый»
Безопасность и экологичность проекта
Список использованных источников
Целью дипломного проекта является приобретение навыков по разработке технологических процессов изготовления деталей различных машин и по конструированию технологической оснастки в условиях автоматизированного производства.
Выполнение дипломного проекта способствует закреплению улучшению и обобщению теоретических знаний полученных при изучении дисциплин: “Основы технологии производства машин” ”Технология машиностроения” и ”Технология автоматизированного производства”.
В процессе дипломного проекта решаются задачи по выборы заготовки разработке маршрутно-операционного технологического процесса определению припусков на обработку различных поверхностей опытно-статистическим и расчетно-аналитическим методами рассчитываются режимы резания проводится технологическое нормирование описывается и рассчитывается инструментная наладка.
При проектировании были использованы знания полученные по начертательной геометрии и инженерной графике технологическим процессам машиностроительного производства материаловедению нормированию точности процессам формообразования и инструментам деталям машин оборудованию машиностроительного производства.
Графическая часть состоит из 12+Х листов: инструментная наладка (3л) станочные и контрольное приспособления (4л) сравнительная характеристика вариантов механической обработки детали представителя (1л) спец вопрос (Хл) автоматизация (2л) экономическая часть (1л) планировочное решение проекта автоматизированного участка (1л).
Целью дипломного проекта является приобретение навыков по разработке маршрутного технологического процесса изготовления детали операционного технологического процесса на выполнение отельных операций разработке спецвопроса применению полученных знаний по БЖД и экологии. Здесь решается задача по выбору заготовки определению припусков на обработку поверхностей опытно-статистическим и расчетно-аналитическим методами; разрабатываются технологические операции с расчетами сравнительной экономической эффективности.
Одной из важнейших задач научно-технического прогресса является комплексная механизация и автоматизация промышленного производства направленные на повышение производительности труда улучшение качества продукции и других технико-экономических показателей производства.
Решение этой задачи связано с созданием гибких производственных систем (ГПС) обеспечивающих комплексную автоматизацию многономенклатурного производства на базе широкого использования многоцелевого технологического оборудования с программным управлением и микропроцессорных управляюще-вычислительных средств в комплексе с промышленными роботами автоматизированными транспортно-накопительными устройствами системами инструментального обеспечения удаления отходов контроля технологических процессов и оборудования автоматизации проектно-технологических конструкторских и планово-производственных работ.
Опыт использования ГПС показал что при их рациональной эксплуатации переход от отдельных станков с ЧПУ к автоматизированным комплексам повышает эффективность в 2-3 раза коэффициент загрузки станков до 085-09.
Гибкие производственные системы – это наиболее эффективное средство автоматизации серийного производства позволяющие переходить с одного вида продукции на другой с минимальными затратами времени и труда ГПС позволяет снизить потребность в квалифицированных станочниках повысить качество продукции.
ГПС – это комплекс технологических средств состоящий из одного-двух многоцелевых станков с ЧПУ или других металлообрабатывающих станков с ЧПУ оснащенных механизмами автоматической смены инструмента автоматической смены заготовок и транспортирования их со склада до зоны обработки при помощи различных транспортных средств например при помощи самоходных роботизированных тележек Этот комплекс связан единым математическим обеспечением реализующим работу оборудования в автоматическом режиме с минимальным участием человека ГПС рентабельны только при эксплуатации в 2-3 смены. ГПС оснащены современными системами ЧПУ управляющими перемещениями механизмов станков инструментом транспортом. Системами загрузки-выгрузки. Такие системы с ЧПУ имеют дисплеи помогающие оператору визуально следить за отклонениями в работе станка мониторные устройства обеспечивающие диагностирование режущего инструмента контроль размеров обрабатываемых заготовок непосредственно на станке и т.д.
Для встраивания в ГПС создаются разные типы оборудования. Для среднесерийного производства создаются автономно-работающие токарные сверлильно-фрезерно-расточные и зубообрабатывающие модули. В крупносерийном производстве для обработки деталей типа тел вращения создают высокопроизводительные токарные автоматы с ЧПУ с увеличенным числом шпинделей суппортов с возможностью выполнения в сверлильных фрезерных и других работ. Для обработки корпусных деталей в крупносерийном переналаживаемом производстве применяют многоцелевые станки со сменными многошпиндельными головками.
ГПС – является основой гибких автоматизированных производств (ГАП). В структуру ГАП входит автоматизированный комплекс «станок-промышленный робот» автоматическая транспортно-складскаяя система автоматические склады заготовок инструмента и готовой продукции автоматический контроль готовой продукции диспетчерское управление.
Успешное решение вопросов создания ГПС возможно только при системном подходе к выбору технических средств которые должны обладать равным технологическим уровнем и способностью взаимно адаптироваться при постоянно изменяющемся характере гибкого производства.
Характеристика объектов производства
В механизмах автомобилей и тракторов для передачи крутящего момента преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное а также поддерживания вращающихся деталей широко применяются так называемые круглые стержни т.е. детали которые характеризуются цилиндрической формой при габаритной длине более чем в два раза превышающей ее наружный диаметр. К круглым стержням относятся валы и оси штоки круглые тяги трубы пальцы и т.п. Наибольшее распространение получили валы имеющие различное служебное назначение конструктивную форму и размеры. В настоящее время широко используются как цельные так и пустотелые гладкие и ступенчатые валы; валы с фасонными поверхностями (кулачками шлицами зубчатыми венцами фланцами и т.п.). По форме геометрической оси валы могут быть прямыми коленчатыми и кулачковыми. В автотракторостроении наибольшее применение получили различные ступенчатые валы средних размеров со шлицами глухими и сквозными отверстиями. Шлицевые валы изготовляются в основном с закрытыми шлицами прямоточного и эвольвентного профиля. Достаточно часто используются и валы-шестерни.
Наиболее ответственными у валов являются посадочные цилиндрические и торцевые поверхности под подшипники шестерни муфты рабочие кромки манжет уплотнения а также шлицевые поверхности зубчатые венцы кулачки.
Шероховатость рабочих поверхностей шлицевых валов должна быть не более: для поверхностей под рабочие кромки манжет уплотнения Ra = 063 мкм; для посадочных поверхностей под подшипники диаметром до 80 мм Ra = 125 мкм диаметром более 80 мм Ra = 25 мкм; для цилиндрических центрирующих поверхностей шлицев Ra = 125 мкм; для боковых поверхностей шлицев вала с подвижным соединением Ra = 25 мкм с неподвижным соединением Rz = 20 мкм. Шероховатость боковых поверхностей зубьев валов-шестерён обычно составляет Ra = 25-5 мкм.
Требования по точности обработки рабочих поверхностей зависят от условий работы изделия и от точности сопрягаемых деталей. Как правило наиболее точные наружные цилиндрические поверхности валов изготовляют по 6-8 квалитетам. Радиальное биение посадочных поверхностей под подшипники качения относительно оси детали допускается в пределах 001-005 мм. При центрировании шлицев по наружному или внутреннему диаметрам допуски на эти размеры устанавливают по 6-му квалитету. Отклонение от параллельности боковых поверхностей шлицев относительно оси вала не должно превышать 005 мм на длине 100 мм. Точность зубчатых венцов валов-шестерён как правило соответствует 6-9-ой степеням точности по ГОСТ 1643-81 для цилиндрических зубчатых колёс и ГОСТ 9178-81 для конических зубчатых колёс. Наружную резьбу на валах выполняют по среднему классу точности с полем допуска 6g (ГОСТ 16093-81).
Материал деталей выбирают в зависимости от их назначения. Обычно валы и оси изготовляют из сталей обладающих высокой прочностью малой чувствительностью к концентрации напряжений хорошей обрабатываемостью и способностью подвергаться термической обработке. Этим требованиям наиболее отвечают конструкционные углеродистые стали 35 40 45 50 а также низколегированные стали 35Х 35ХС 40Х 40ХН 40Г 40ХС 45Х 50Х 50Г и др. Шлицевые валы и валы-шестерни для повышения долговечности выполняют из высоколегированных сталей так как в этом случае обеспечиваются необходимая твёрдость рабочих поверхностей и сердцевины высокая прочность ударная вязкость и износостойкость минимальное коробление при закалке. Так для изготовления шлицевых валов используют стали 18ХГТ 12ХН3А 20ХН3А с последующей термической обработкой до твёрдости 56-62 HRCЭ. Для повышения обрабатываемости исходные заготовки валов подвергают нормализации (твёрдость после термической обработки HB 187-230) или термическую обработку проводят после черновой обработки (после улучшения твёрдость HB 225-302 28-32 HRCЭ). Для повышения износостойкости и прочности отдельные поверхности подвергают закалке ТВЧ (глубина слоя 15-5 мм твёрдость в пределах 45-62 HRCЭ) цементации цианированию с последующей закалкой и отпуском (глубина слоя 01-11 мм твёрдость 58-62 HRCЭ) . Валы работающие в агрессивных средах выполняют из коррозионностойких сталей и сплавов. Распределительные и коленчатые валы часто изготовляют из специальных высокопрочных чугунов. Структура литого вала способствует лучшему гашению вибрации при работе двигателя. Такие валы менее чувствительны к концентрации напряжений.
Шлицы служат для обеспечения неподвижного соединения вала и зубчатого колеса с целью обеспечения передачи крутящего момента и обеспечения равномерного износа поверхности зубьев при работе в зубчатом зацеплении. Зубья зубчатого колеса входя в зацепление с зубьями другого колеса создают зубчатое зацепление делая возможным передачу крутящего момента на расстояние от электродвигателя позволяют изменять направление и скорость вращения.
Зубчатое колесо выполняет свое служебное назначение при помощи ряда поверхностей. С помощью эвольвентного профиля поверхности зубьев колесо выполняет свое служебное назначение. Поверхность называется исполнительной. Внутренне отверстие и боковые торцы определяют положение детали относительно других деталей в механизме на которые оно базируется. Они являются основными базами. Все поверхности которые не обрабатываются и не сопрягаются с другими называются свободными.
Детали рассмотренные в дипломном проекте входят в состав трансмиссии колесного тягача. Рассматриваются детали – тела вращения.
В качестве детали-представителя взята деталь - вал ведомый. Вал входит в повышающую передачу. Повышающая передача предназначена для увеличения числа оборотов передаваемых от двигателя ведомому валу гидромеханической трансмиссии в целях обеспечения необходимых условий для совместной работы двигателя с гидротрансформатором. Повышающая передача представляет собой редуктор с цилиндрическими косозубыми шестернями.
Согласно технологическому классификатору деталей машиностроения приборостроения – эта деталь – типа тела вращения. Вал предназначен передавать крутящий момент от повышающей передачи на гидромеханическую передачу и стоит на входе из повышающей передачи.
К материалу из которого изготовляется вал предъявляются следующие требования: высокая прочность вязкость хорошая прокаливаемость обрабатываемость малая чувствительность к концентрации напряжений повышенная износостойкость. Этим требованиям наиболее полно отвечает сталь 45Х из которой изготовлен вал.
Химический состав стали 45Х (ГОСТ 4543 – 71)
C=042050 %;Sне более 0035 % S P;
Mn= 050080 %;Cr=080110 %;не более 030 % Cu и Ni.
Механические свойства стали 45Х:
sТ=835 М Па;sВ=1030 М Па.
Относительное удлинение после разрыва на образцах пятикратной длины d5=9 %.
Относительное сужение после разрыва j=45 %.
Удельная вязкость aH = 490 к Дж м2.
НВ после отпуска не более 220.
Анализ систем адаптивного управления.
Качество обработки как управляемый показатель
технологического процесса.
Значительное число показателей качества машин обеспечивается при её изготовлении. Одним из важнейших показателей является точность. Под точностью детали понимают степень её приближения к геометрически правильному прототипу. Показателями точности детали являются: точность расстояния между поверхностями или точность размеров отдельных поверхностей; точность геометрической формы поверхностей включая макрогеометрию а так же волнистость и шероховатость. К другим показателям качества можно отнести например состояние поверхностного слоя обрабатываемой детали.
Механизм формирования заданной точности неотъемлемо связан с особенностями начальной установки статической и динамической настроек детали.
При размещении обрабатываемой детали в рабочем пространстве рабочей системы (при включении детали в кинематические и размерные цепи станочной системы) необходимо обеспечить требуемую точность начальной установки относительно баз станка или приспособления. Для этого заготовку ориентируют определённым образом на столе станка или в приспособлении. Комплект технологических баз определяющих положение любых элементов детали в процессе её обработки образует координатную систему детали. Поверхности стола или приспособления или других компонентов рабочей системы с помощью которых обрабатываемую деталь координируют с требуемой точностью в рабочем пространстве составляют комплект баз станка образующих его координатную систему.
Шесть теоретических опорных точек необходимых для определения положения детали обуславливают накладываемые на деталь связи благодаря которым исключается возможность перемещения детали в направлении координатных осей и поворота относительно этих осей. Если известны координаты опорных точек контакта в координатной системе станка то погрешность установки детали может быть определена расчетным путём.
Статическая настройка детали в рабочем пространстве станка есть процесс первоначального установления точности относительного движения и положения исполнительных поверхностей инструмента оборудования и приспособления для получения требуемой точности обрабатываемых деталей. Другими словами статическая настройка заключается в согласовании трёх координатных систем на уровне управления а именно — координатных систем станка детали инструмента. Параметры согласования хранят обычно в виде коррекций инструмента в памяти ЧПУ (под коррекциями понимают таблицы координат исполнительных поверхностей инструмента в системе координат станка).
В процессе обработки деталей установленная первоначально точность относительного движения и положения элементов технологической системы теряется вследствие действия различного рода погрешностей носящих как систематический так и случайный характер. Примером систематической погрешности может служить переменная в координатах рабочего пространства станка погрешность шариковой пары винт — гайка; примером случайной погрешности — размерное изнашивание многократно используемого в различных инструмента.
Размерная поднастройка — это процесс восстановления требуемой точности относительного движения и положения исполнительных поверхностей инструмента оборудования и приспособления для продолжения процесса получения деталей заданного качества. Размерную поднастройку в целях компенсации систематических погрешностей осуществляют путём периодического обращения к таблицам коррекций соответствующих погрешностей хранимым в памяти устройства ЧПУ. Случайные погрешности можно компенсировать путём периодического обновления соответствующих таблиц коррекций хранимых в памяти устройства ЧПУ на основе эпизодически инициируемых измерительных циклов.
Размерная перенастройка — это процесс установления требуемой точности относительного движения и положения исполнительных поверхностей инструмента оборудования и приспособления для получения заданного качества при переходе к обработке деталей другого типоразмера или при переходе к последующей поверхности обрабатываемой детали.
Для осуществления статической настройки на станке с ЧПУ может быть использован метод связанный с установлением координат инструмента в системе координат детали (метод пробных ходов); метод связанный с установлением координат инструмента в системе координат станка (абсолютный метод); метод связанный с установлением координат инструмента в промежуточной системе координат положение которой относительно координатной системы станка известно (относительный метод).
Динамическая настройка — представляет собой этап формирования модели точности обработки в условиях резания которому сопутствуют многообразные деформационные тепловые и динамические процессы. В основе указанных процессов лежат сугубо физические явления (упругие и контактные деформации температурные деформации трение изнашивание автоколебания вынужденные колебания) однако влияние любых факторов на точность обработки проявляется через размерные связи станочной системы. Под действием этих факторов происходят изменения размеров и относительных поворотов поверхностей участвующих в образовании размерных связей. В результате возникают отклонения от заданной при статической настройке точности относительного положения и движения инструмента баз станка и обрабатываемой детали. Эти отклонения носят случайный характер и изменяются случайно или по определённому закону в функциях от времени и координат.
Заметим что получаемый при обработке деталей размер является функцией параметров начальной установки а также статической и динамической настроек. В связи с этим достижение повышенной точности возможно путём автоматического управления установкой или управления статической настройкой или управления динамической настройкой или одновременного управления любыми указанными процессами. Очевидно что управление каким-либо одним процессом устранит как собственные погрешности так и погрешности других процессов. Таким образом качество обработки становится управляемым показателем технологического процесса.
В этой связи рассмотрим некоторые примеры автоматического управления начальной установкой статической и динамической настройками.
Адаптивное управление.
Системы адаптивного управления делятся на системы предельного управления и системы оптимального управления.
Данные автоматические системы решают различные задачи увеличения эффективности обработки причём в конкретном техническом исполнении они выступают как системы стабилизации следящие или программного регулирования.
Системы стабилизации могут быть предназначены для поддержания на установленном уровне силы резания вращающего момента мощности резания — путём управления скоростью подачи; для поддержания постоянства скорости резания вычисляемой как значение пропорциональное произведению частоты вращения шпинделя на текущий диаметр обработки; для поддержания постоянства положения инструмента путём регулирования его статической настройки и т. п. Все эти мероприятия способствуют улучшению качества обработки сокращению времени резания и вспомогательных перемещений увеличению стойкости инструмента повышению точности.
Автоматические следящие системы используются для управления положением детали или инструмента для компенсации упругих деформаций станочной системы или погрешностей кинематических цепей для управления статическими и динамическими характеристиками станочной системы (например путём уравновешивания детали при точении). Конечной целью при этом является повышение точности изготовления детали.
Автоматические системы программного регулирования процесса резания замкнуты по процессу резания. Закон изменения управляющего воздействия известен заранее и представляет собой в некотором смысле оптимальную зависимость от выходных координат (установленную аналитически или экспериментально). Структура системы содержит простейшее вычислительное устройство предназначенное для расчёта оптимальных управляющих воздействий в соответствии с текущими значениями выходных параметров. В системах этого класса обеспечивают конкретную стойкость инструмента путём регулирования скорости подачи (например для токарных фрезерных станков); постоянную скорость резания путём регулирования скорости вращения шпинделя (например при торцовом фасонном точении); повышение точности нежёстких деталей путём программного регулирования силы резания (например в продольном сечении при токарной обработке); повышение точности обработки путём регулирования статических и динамических характеристик станочной системы (например в токарных станках) и др.
На стадии проектирования структурная схема адаптивной оптимальной системы станка с ЧПУ строится на основе выбора критерия качества процесса обработки (экономического точностного или критерия характеризующего степень совершенства механизмов станка) а так же ограничений в пределах которых ограничение имеет смысл; конкретных методов (аналитических экспериментальных аналитико-экспериментальных) и наложенными на него ограничениями; технических средств оптимизации и их размещения на тех или иных иерархических уровнях систем управления.
1. Управление начальной установкой.
Управление начальной установкой — актуально например для токарных станков; в этом случае погрешность установки детали может привести к недопустимому её радиальному биению. Принцип управления заключается в развороте двух связанных с патроном эксцентриков управляемых миниатюрными электродвигателями.
Структура системы автоматического управления представлена на рисунке 2.1. Сигнал с датчика радиальных биений представляющий собой периодическую функцию времени проходит через фильтр. Фильтр выделяет первую гармонику амплитуда которой пропорциональна эксцентриситету. Электронные ключи 1 и 2 открываются поочерёдно сигналами со счётного триггера. Таким образом эти сигналы оказываются на выходе ключей амплитудно-модулированными. Сравнивающее устройство сопоставляет два смежных по времени сигнала и определяет факт уменьшения эксцентриситета. Как только эксцентриситет перестаёт уменьшаться блок управления включает один и выключает другой электродвигатель привода эксцентриков.
2.Управление статической настройкой.
От применения систем управления процессами размерной настройки поднастройки перенастройки станков с ЧПУ следует ожидать существенного повышения их эффективности.
Процесс статической настройки токарного станка с ЧПУ как известно включает не только настройку инструмента вне станка но и этапы установки нуля станка и введение коррекции на смещение нуля детали.
Выбор и установка нуля станка предназначены для ограничения рабочего пространства станка в целях сокращения холостых перемещений инструмента при движении суппорта из нулевого положения станка в нуль детали. Многие современные станки с ЧПУ имеют плавающий нуль станка положение которого неизвестно программистам на стадии настройки станка и его устанавливает наладчик при настройке на новый типоразмер деталей.
Для перемещения суппорта из нулевого положения станка в «нуль детали» необходимо ввести в систему управления коррекцию «смещение нуля детали». Под «нулём детали» при этом понимают такое положение суппорта когда вершина режущего инструмента настроенного на размеры x0 и z0 совмещается с исходной точкой принятой на программоносителе за начало траектории движения инструмента по программе.
Для повышения точности обработки и обеспечения рациональной настройки станочной системы необходимо управлять как значением мгновенного поля рассеяния размеров так и его положением. Это возможно при наличии в станках с ЧПУ системы автоматического управления размерной настройкой которая позволяет перед обработкой детали стабилизировать заданное положение вершины каждого режущего инструмента относительно баз станка несущих обрабатываемую деталь.
Для перемещения суппорта станка на заданное расстояние система ЧПУ всегда выдаёт соответствующее число импульсов которое пропорционально заданному перемещению. Для измерения смещения вершины резца необходимо определить число импульсов выдаваемых системой ЧПУ при перемещении суппорта в интересуемую нас точку. При этом отпадает необходимость применения преобразователей непрерывно измеряющих перемещение во всём их диапазоне и требуется лишь определить конец отчёта импульсов непрерывно поступающих с системы ЧПУ в процессе движения суппорта. Конец отсчёта импульсов должен совпасть с моментом выхода вершины резца в заданную координату и этот момент можно определить с помощью несложного электроконтактного датчика.
Измерения смещения вершины резца по отношению к заданному положению выполняют с помощью датчика закреплённого неподвижно относительно направляющих станины (рисунок 2.2). Резец вместе с револьверной головкой перемещается по программе на ускоренной подаче из нулевого положения станка в измерительную позицию. Размер АΔ записанный в управляющей программе программист определяет по расстоянию А6 и максимально возможному размеру А1. При этом А1мах – размер настроенного инструмента с наибольшим положительным отклонением на который ориентируется программист. Положение суппорта и резца после их перемещения в измерительную позицию показано на рисунке 2.2.
Процесс статической настройки
При подходе резца к измерительной позиции его вершина не замыкает электрический контакт датчика Д и отстоит от датчика на расстоянии Б4 в следствие отклонений между фактическим размером инструмента Б5 и заданным размером А1мах. Для измерения отклонения вершины резца относительно измерительной базы (величины Б4) суппорту станка даётся дополнительное в сравнении с программой перемещение на значение ВΔ которой не должно превышать свободный ход штока электроконтактного датчика во избежание его поломки. Измеряемая величина соответствует расстоянию на которое переместиться суппорт станка от измерительной позиции до того момента когда замкнётся электрический контакт датчика.
Указанное расстояние можно определить путём подсчёта импульсов выдаваемых системой ЧПУ при перемещении на расстояние Б4. для начала отсчёта импульсов введена специальная команда которая предварительно записана в программе и выделяется системой ЧПУ непосредственно перед перемещением суппорта из измерительной позиции на заданное расстояние ВΔ. Конец отсчёта импульсов определяется замыканием датчика.
Таким образом находятся отклонения всех инструментов относительно размера А1мах т.е. система управления размерной настройкой и поднастройкой измеряет и компенсирует фактические отклонения инструмента относительно базы станка несущей обрабатываемую деталь. Если размеры инструмента установленного в револьверной головке станка окажутся большими А1мах то предложенный способ измерения позволит определить отклонения резцов. Размеры всех резцов применяемых для обработки на токарном станке с ЧПУ должны находиться в пределах А±Δ где А - номинальный размер инструмента Δ – половина значения которая может быть измерена и скомпенсирована с помощью системы автоматического управления размерной настройкой и поднастройкой.
При значении Δ=25мм которое определяется свободным ходом штока электроконтактного датчика расчёт программы ведётся по размеру А+25мм а резцы применяемые для обработки на станке нуждаются только в грубой настройке с погрешностью ±25мм.
Для измерения числа импульсов выдаваемой системой ЧПУ при перемещении суппорта станка от измерительной позиции до того момента когда замкнётся электрический контакт может быть использована система структурная схема которой приведена в графической части дипломной работы и на рисунке 2.3.
В функциональную схему входят: логика ввода ЛВ масштабные устройства МУ счётчик импульсов СИ устройство ввода коррекции УВК устройство ввода данных УВД и блок цифровой индикации БЦИ. Измерение фактических отклонений вершины резца осуществляется системой управления путём подсчёта и запоминания с помощью СИ числа импульсов И1 кратного измеренному перемещению суппорта станка при его движении от измерительной позиции до того момента когда срабатывает датчик Д. При этом процесс прохождения импульсов И1 от системы ЧПУ в счётчиках импульсов СИ управляется логикой ввода ЛВ которая срабатывает в измерительной позиции и разрешает счёт импульсов И1 только при наличии сигнала В. Сигнал В поступает из системы ЧПУ после дешифрации специально введённой резервной функции которая выдаётся управляющей программой перед началом движения суппорта из измерительной позиции. ЛВ запрещает счёт импульсов И1 при наличии сигнала А который появляется в момент срабатывания электроконтактного датчика Д.
Структурная схема системы автоматического управления статической настройкой.
Импульсы И1 поступают в СИ через масштабное устройство МУ. Один импульс И2 соответствует перемещению суппорта на 0001мм. МУ представляет собой делитель частоты с коэффициентом деления равным 2. Содержимое счётчика импульсов И3 соответствующие отклонению вершины резца от заданного размера поступает в блок цифровой индикации БЦИ и устройство ввода коррекции УВК которое разрешает ввод коррекции И4 в систему блока коррекции только при наличии запрограммированной коррекции (сигнал С). Коррекция инструмента вводится при отводе резца от датчика Д и автоматически учитывается системой ЧПУ при последующей обработке всей траектории движения данного инструмента. При этом на табло блока цифровой индикации высвечивается цифровая информация соответствующая фактическому отклонению вершины резца в микрометрах.
Использование системы автоматического управления размерной настройки и поднастройки токарного станка с ЧПУ позволяет значительно повысить эффективность его использования так как при этом сокращается погрешность статической настройки на первых деталях обусловленная изменением точности расстояния исполнительных поверхностей относительно начала отсчёта. Периодическая коррекция точности статической настройки в процессе обработки партии значительно уменьшает погрешность вызываемую систематически действующими факторами. Кроме того применение системы позволяет сократить трудоёмкость обработки деталей а следовательно повысить производительность.
3. Управление динамической настройкой.
Способы такого управления чрезвычайно многообразны: управление силами резания и их моментами их жёсткостью компонентов станочной системы температурным полем станка динамическими характеристиками звеньев станочной системы и другие.
Наиболее распространён способ внесения поправки в размер динамической настройки путём изменения силы резания. При этом в той или иной степени изменяются упругие перемещения всех составляющих звеньев размерной цепи замыкающим звеном которой является относительное расстояние между инструментом и деталью.
Исследования показали что изменение геометрии резания может оказать существенное влияние на значение упругого перемещения так как при этом меняются значение и направление вектора силы резания. Таким образом изменяя геометрию резания будем одновременно управлять динамической настройкой. Например при токарной обработки в процессе резания можно изменять передний угол угол резания главный угол в плане и другие параметры геометрии резца. Один из вариантов реализации этой идеи заключается в повороте резца (дополнительным исполнительным механизмом) (рисунок 2.4.) вокруг продольной оси проходящей через вершину резца и перпендикулярной к обрабатываемой поверхности.
Автоматическое управление динамической настройкой путём изменения силы резания.
(Коррекция внесением поправок в геометрию резания.)
(Коррекция изменением подачи.)
Управление упругими перемещениями путём изменения подачи осуществляется следующим образом (рисунок 2.5). Во время обработки контролируется какая-либо физическая величина изменение которой пропорционально размеру динамической настройки например: относительное упругое перемещение звеньев станочной системы сила резания или её составляющая вращающий момент и др. Соответствующий сигнал поступает на вход блока сравнения на ряду с сигналом задатчика пропорциональным заданному значению упругого перемещения.
Внесение поправки в размер динамической настройки путём изменения жёсткости некоторого звена станочной системы принципиально отличается от способа внесения поправки через изменения вектора силы резания. Отличие заключается в том что компенсация отклонения полного упругого перемещения осуществляется за счёт изменения значения парциального упругого перемещения только одного звена с переменной жёсткостью. Управление упругим перемещением происходит при этом следующим образом. Заранее должна быть установлена зависимость динамической настройки и упругого перемещения звена жёсткость которого регулируется. Во время обработки для компенсации изменения размера динамической настройки жёсткость регулируемого звена нужно соответственно изменить на такое значение чтобы отклонения упругого перемещения этого звена связанное с изменением жёсткости стало равным значению изменения размера динамической настройки с противоположным знаком.
Изменение размера динамической настройки проявляется в возникающих при резании вибрациях которые являются следствием потери устойчивости замкнутой (через процессы резания трения управления) станочной системы. Как правило вибрации недопустимы по требованиям точности обработки надёжности оборудования. Методы гашения вибраций можно разделить на три группы: устранением вибрации автоматическим изменением режима резания; устранением вибрации путём стабилизации динамической настройки за счёт управления положением детали и инструмента; устранением вибрации путём управления динамическим состоянием станочной системы в целом.
4. Системы оптимизации по возмущению системы стабилизации системы оптимального управления.
Режимы металлообработки можно оптимизировать подбирая оптимальное сочетание значений скорости резания и подачи. Под такой оптимизацией понимается управление режимами металлообработки позволяющий получить наибольший экономический эффект с учётом всех существующих связей и ограничений. В общем случае принцип оптимизации формулируется следующим образом: определить такие значения искомых технологических параметров и соответствующих им значений регулируемых координат электроприводов которые обеспечат максимальное (минимальное) или предельно достижимое значение показателя качества процесса металлообработки при соблюдении ограничений по требуемому качеству продукции и технологическим возможностям оборудования.
Качество функционирования системы металлообработки может быть в общем случае охарактеризовано функционалом:
(х1 х2 . . . хn; и1 и1 . . . иr; z1 z2 . . . zm)dt ( )
где х uj (t) – управляющие воздействия; zk (t) – возмущающие воздействия.
При оптимальном управлении функционал J достигает максимального (минимального) значения характеризуя наилучшее поведение системы в динамике (при решении задачи динамической оптимизации) либо наилучшие показатели в установившемся режиме (при решении задачи статической оптимизации).
При металлообработке экстремальному значению функционала J соответствует оптимальное соотношение между скоростью съёма припуска и скоростью износа инструмента.
Системы оптимизации режимов металлообработки АСУ МО предназначены для получения максимальной производительности или экономичности при изготовлении деталей в пределах заданных технических условий. Производя автоматический выбор режима металлообработки и управляя электроприводами главного движения и подач эти системы обеспечивают сокращение машинного времени обработки. Управление режимом металлообработки предлагает выбор критерия оптимальности и определения ограничивающих факторов. Построение АСУ МО в этом случае предназначено для поиска и поддержания экстремального значения выбранного критерия оптимальности при допустимых значениях других показателей.
Повышение производительности и гибкости производства в настоящее время является важнейшим требованием предъявляемым к новым станкам. Под гибкостью производства понимают скорость обновления информации которую необходимо переработать чтобы из исходных материалов получить готовое изделие. В АСУ МО вырабатывается и обрабатывается автоматическими устройствами часть этой информации.
Устойчивой тенденцией современного станкостроения вытекающей из отмеченного выше является внедрение устройств и систем обеспечивающих снижение затрат а также возможность перехода к обработки детали другой формы и других технологических характеристик.
Применение АСУ МО экономически целесообразно в тех случаях когда выбор режима металлообработки существенно влияет на её себестоимость на производительность (машинное время) например при обработке жаропрочных и закалённых сталей сплавов и тугоплавких металлов. Чем выше степень автоматизации станка тем эффективнее на нём применение АСУ МО. Особенно актуально применение АСУ МО в станках оснащённых устройствами ЧПУ типа CNC. Задачи построения АСУ МО в таких станках упрощается в связи с возможностью использования уже имеющихся в них регулируемых электроприводов датчиков и ЭВМ.
В системах стабилизации режимов металлообработки при изменении возмущающих воздействий основной задачей является поддержание одного или нескольких параметров в соответствии с выбранными технологическими законами управления. В общем случае АСУ должна обеспечивать изменение двух параметров режимов обработки включать два контура управления: скорость резания V и подачи S при изменении возмущающих воздействий к основным из которых относятся изменение глубины резания и твёрдости обрабатываемой заготовки.
Применение микропроцессоров позволяет построить систему стабилизации с цифровым управлением режимом металлообработки (рисунок 2.6). Информация о ходе технологического процесса поступает на микропроцессор МП от датчиков информации ДИ через устройство связи с датчиками УСД. Внешняя априорная информация ВАИ водится в запоминающее устройство МП. Управление электроприводами шпинделя ЭПШ и подачи ЭПП осуществляется от МП через устройство связи с объектом УСО.
Как видно в системах стабилизации режимов металлообработки осуществляется обратная связь по параметрам процесса резания. Схемой рисунок 2.6. предусмотрено применение двух регулируемых приводов: главного движения и подачи. На практике чаще используются системы стабилизации режимов металлообработки в которых изменяется угловая скорость только одного привода.
Систему стабилизации с цифровым управлением режимом металлообработки.
Типовые схемы систем стабилизации.
Среди АСУ ТП металлообработкой наибольшее распространение получили системы стабилизации режимов резания. Многообразие конструктивных решений воплощённых в станках особенности формообразования на них даже при одном виде обработки и широкий диапазон требований предъявляемых к процессу резания породили обилие схемных разработок обеспечивающих стабилизацию тех или других параметров. Схемы отличаются друг от друга составом контролируемых параметров а так же принципами построения автоматических регуляторов технологических процессов. Тем не менее при всём разнообразии схем можно выделить сравнительно ограниченное число типовых решений.
Система стабилизации скорости резания является одной из наиболее широко распространённых систем стабилизации и применяется на токарных и карусельных станках при обработки торцевых конических и сферических поверхностей. Она применяется так же в шлифовальных станках например для поддержания постоянства скорости резания по мере износа шлифовального круга. Применение систем стабилизации скорости резания позволяет сократить машинное время повысить производительность и улучшить качество обработанной поверхности.
Система стабилизации мощности резания даёт возможность повысить производительность станка улучшить использование главного привода и режущего инструмента. Применение систем стабилизации мощности резания необходимо при точении (стабилизация мощности резания при торцевой обработки) шлифовании (стабилизация мощности резания при износе круга изменении диаметра обработки в станках с круглым столом) фрезеровании (стабилизация мощности резания при изменении глубины обработки). Стабилизация мощности резания может осуществляться двумя путями: за счёт управления скоростью электропривода главного движения и за счёт управления скоростью привода подачи. В принципе возможен вариант одновременного управления обоими электроприводами.
Непосредственное измерение мощности резания невозможно поэтому для её оценки измеряют мощность потребляемую электроприводом главного движения с учётом потерь мощности в двигатели и передачах станка.
Системы стабилизации усилия резания предназначены для управления режимом обработки путём контроля силы резания или любой её составляющей.
Сигнал пропорциональный силе резания получают при помощи динамометрических узлов встраиваемых в звенья системы СПИЗ.
Системы стабилизации крутящего момента применяют на токарных сверлильных фрезерных шлифовальных и других станках что позволяет в 2 – 25 раза повысить точность обработки отверстий в деталях.
Системы стабилизации температуры резания использует зависимость стойкости резца от средней температуры в зоне резания:
где α – показатель степени; С – коэффициент; – температура резания С.
Применение таких систем целесообразно при продольной обточке изделий (особенно в тех случаях когда твёрдость материала изменяется) и при торцевой обработке. Системы стабилизации температуры резания находят применение так же при фрезеровании и шлифовании.
Поскольку в системе управления обратная связь по температуре режущей кромки инструмента наиболее полно отражает физический процесс резания создаётся возможность наиболее рациональной загрузке инструмента. При этом изменения в процессе обработки ряда параметров (затупление инструмента поступление более интенсивного охлаждения изменение твёрдости детали и др.) немедленно оказывает влияние на режим резания. Включение в цепь естественной термопары инструмент – деталь входных сопротивлений регуляторов уменьшает термоток за счёт чего на 150 – 200% повышается временная стойкость инструмента. Если угловая скорость шпинделя неизменна то при торцовой обработке скорость резания изменяется от максимума на периферии детали до нуля в центре. В соответствии с этим в широких пределах будет изменяться температура резания а условия обработки в значительной степени будут отличаться от расчетных даже если пренебречь такими Факторами как состояние режущей кромки инструмента влияние охлаждающей жидкости изменение твердости детали при изменении диаметра обработки. Система стабилизации температуры резания при движении резца от периферии детали к центру будет автоматически увеличивать угловую скорость шпинделя сохраняя неизменной заданную в начале температуру резания. Исчерпав диапазон регулирования скорости главного привода станка система стабилизации температуры резания затем начинает работать с неизменной угловой скоростью шпинделя. Скорость резания при дальнейшем уменьшении диаметра обработки падает и температура резания уменьшается.
Применение систем стабилизации температуры резания создаёт возможность высокопроизводительной обработки каждым экземпляром режущего инструмента с учётом его качества. Это способствует уменьшению расхода инструмента. Если вновь устанавливаемый резец обладает лучшими режущими свойствами чем тот по которому была настроена система стабилизации температуры резания то скорость резания автоматически повышается пока не будет достигнута заданная температура в зоне резания. При установке резца худшего качества температура в зоне резания начнёт возрастать а скорость резания автоматически снижаться пока не установится требуемая температура.
Обеспечивая постоянство размерного износа инструмента вне зависимости от его качества системы стабилизации температуры резания позволяют полностью использовать его возможности дополнительно повысить производительность обработки на 12 – 15% и увеличить на 50% размерную стойкость резцов.
Системы стабилизации упругих деформаций при резании применяются для повышения точности обработки деталей путём компенсации размерного износа инструмента и не жёсткости системы СПИЗ. Работа систем стабилизации упругих деформаций при резании основана на том что подача инструмента (резца фрезы) непосредственно влияет на усилие резания. Чем больше подача тем больше нагрузка на звенья технологической системы. В процессе обработки подачу инструмента изменяют таким образом что бы не смотря на влияние возмущающих факторов поддерживалось неизменным радиальное усилие резания либо сохранялось постоянство отношения силы резания к жёсткости технологической системы.
Затраты на оснащение станка системой стабилизации упругих деформаций при резании окупается в среднем в течение 05 – 1 года. Точность обработки на станках различных типов снабжённых системами стабилизации упругих деформаций повышается в 2 – 5 раз рост производительности составляет 25 – 200% себестоимость обработки снижается на 25 – 30%. Создаётся эффект эквивалентный увеличению жёсткости технологической системы при сохранении прежней металлоёмкости конструкции станка.
Управление шероховатостью поверхности детали. Известно что параметры режима резания особенно «оборотная» подача оказывают при прочих равных условиях существенное влияние на шероховатость поверхности. В связи с этим выбор требуемого значения подачи во многом обусловлено именно этими соображениями. Однако в процессе обработки деталей на станках подача будучи установленной постоянно в действительности изменяется вследствие изменения режима и жёсткости станочной системы. Колебания припуска и твёрдости затупления режущего инструмента изменения динамической жёсткости станочной системы — вот основные факторы способствующий непостоянству «оборотной» подачи.
Особенно большое значение имеет необходимость управления шероховатостью поверхности при использовании систем автоматического управления когда подача или частота вращения шпинделя выступают в качестве регулируемых параметров. Таким образом возникает необходимость в разработке системы автоматического управления поддерживающей «оборотную» подачу постоянной в независимости от изменения указанных регулируемых параметров.
Структура схемы автоматической стабилизации шероховатости обрабатываемой поверхности представлена на рисунке 2.7. В блоке определения оборотной подачи вычисляется соотношение скоростей подачи и главного движения которое равно оборотной подаче с точностью до постоянного коэффициента. Фактическая оборотная подача сопоставляется с заданной в блоке сравнения. Аппаратная часть системы управления может быть реализована на базе микропроцессорного модуля.
Структура системы автоматической стабилизации шероховатости путём управления оборотной подачей
Управление состоянием поверхностного слоя. К числу показателей качества помимо точности относится состояние поверхностного слоя обрабатываемой детали. Управление необходимо для получения показателей качества поверхностного слоя обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики деталей. Под показателями качества понимают глубину и степень наклёпа поверхностей значение остаточных напряжений в поверхностных слоях.
Исследования показывают что конечное состояние металла в поверхностном слое определяется соотношением процессов упрочнения и разупрочнения зависящих от преобладания в зоне резания теплового или силового факторов. При этом всякое изменение режима резания связанное с увеличением силы резания ведёт к повышению степени наклёпа. Увеличение продолжительности действия силы резания на поверхностный слой приводит к увеличению глубины распространению наклёпа. Изменение режимов обработки приводящее к увеличению температуры в зоне резания усиливает интенсивность разупрочнения и ведёт к уменьшению степени наклёпа.
Исследования также показывают что применение методов и режимов обработки приводящее к увеличению силы резания вызывает увеличение остаточных напряжений сжатия (благоприятных свойств) и снижение напряжений растяжения (неблагоприятных свойств). Исключением является обработка пластичных металлов когда увеличение силы резания вызывает противоположный эффект. Изменение режимов резания вызывающее увеличение температуры резания ведёт к росту остаточных напряжений растяжения и уменьшению напряжений сжатия. Повышение температуры может привести также к фазовым изменениям поверхностного слоя и следовательно к возникновению дополнительных остаточных напряжений.
Системы автоматического управления позволяют контролировать и поддерживать на заданном уровне главные факторы определяющие состояние поверхностных слоёв: температуру и силу резания.
Следует отметить что системы автоматического управления позволяют не только стабилизировать параметры качества поверхностного слоя деталей но и обеспечить необходимые их номинальные значения путём ввода установок силового и температурного режимов.
4.1. Сравнительная оценка систем стабилизации.
Систем стабилизации металлообработки обладают рядом общих свойств и могут быть эквивалентны по результатам их действия. Сравним некоторые структурные схемы систем стабилизации.
На рисунке 2.8. показана структурная схема системы ССР при торцевой обточке на токарном станке. Следящая система состоящая из индуктивного датчика BL кинематически связанного с суппортом станка служит для формирования сигнала обратной связи пропорционального скорости резания. На щуп датчика BL воздействует профилированная линейка неподвижная относительно суппорта. С помощью задатчика SV устанавливается требуемая величина скорости. Сигнал обратной связи снимаемый с BL сравнивается с напряжением зоны не чувствительности (UСР) и при превышении последнего поступает на узел сравнения с задающим сигналом. Полученная разность сигналов через усилитель А подаётся на регулятор UM который изменяет угловую скорость двигателя М привода шпинделя. Подача на оборот при обработке сохраняется неизменной. Рассмотренная система стабилизации скорости резания будит «стабилизировать» скорость резания изменяя по заданному закону угловую скорость шпинделя даже тогда когда обработка не производится а осуществляется лишь поперечная подача суппорта.
Функциональная схема системы стабилизации скорости резания.
Структурная схема системы стабилизации мощности резания показана на рисунке 2.9 датчик мощности BW измеряет мощность двигателя М привода шпинделя. Сигналы его проходя через блок с зоной нечувствительности сравнивается с сигналом задающего устройства SV на блоке сравнения. Полученное напряжение с усилителя А поступает на регулятор UM. Последний изменяет угловую скорость двигателя М таким образом что бы поддерживалось заданное значение мощности.
Функциональная схема системы стабилизации мощности резания.
Структурная схема системы стабилизации температуры резания (рисунок 2.10) содержит датчик обратной связи ВТ в качестве которого использовано естественная термопара инструмент – деталь при этом резец и задний центр изолированы от металлоконструкций станка. В остальном структурная схема не отличается от двух описанных выше.
Функциональная схема системы стабилизации температуры резания.
Функциональная схема системы стабилизации упругих деформаций при резании.
Структурная схема системы СДР стабилизации упругих деформаций (рисунок 2.11.) предусматривает управление упругими перемещениями суппорта путём воздействия на угловую скорость привода подачи. Упругие перемещения суппорта измеряются индуктивным датчиком BL относительно лекальной линейки укреплённой на станине станка. Перемещение суппорта в радиальном направлении вызывается силовым режимом и изменением динамической жёсткости. Задатчиком SV устанавливается необходимая величина упругого перемещения суппорта. Разность между сигналом задания и сигналом обратной связи подаётся на усилитель А а затем на регулятор UM исполнительного двигателя привода продольной подачи. В состав регулятора UM входит интегрирующее звено. Если упругое перемещение суппорта больше чем заданное значение то подача снижается если наоборот то подача увеличивается. Это происходит до тех пор пока сигнал поступающий со сравнивающего устройства не станет равным нулю. Таким образом осуществляется управление формообразованием обрабатываемой детали в поперечном сечении. Схемы представленные на рисунках 2.8 – 2.11 выявляют структурную общность между системами стабилизации.
Общность между системами стабилизации скорости мощности и температуры резания особенно видна при сравнении их работы в режиме торцовой обточки. Известно что при торцовой обработке с постоянной подачей на оборот касательная составляющая силы резания FZ неизменна. При стабилизации мощности резания PZ=FZV×10-360=const. Из вышеизложенного вытекает что приведённое равенство справедливо лишь при неизменной скорости резания и что повышение производительности за счёт применения системы стабилизации мощности резания аналогична рассчитанному значению для системы стабилизации скорости резания если ширину стружки считать неизменной.
Общность между системами стабилизации температуры и скорости резания может быть найдена путём анализа связи между скоростью резания и подачей на оборот при неизменной температуре резания. Известно что при = const V=CSk
где k – показатель степени.
Следовательно если поддерживать неизменной температуру резания то при торцевой обработке с постоянной величиной подачи на оборот скорость резания также будет неизменной.
Системы стабилизации мощности крутящего момента и усилий резания стабилизируют силовые характеристики процесса резания. При этом в системах стабилизации крутящего момента и усилий резания сигнал обратной связи как правило более точно характеризует прочес резания чем в системе стабилизации мощности резания. В последней возникает необходимость учёта составляющей сигнала пропорциональной мощности холостого хода механизма двигателя. Эта составляющая изменяется во времени и зависит от нагрузки что весьма трудно учесть. В то же время при реализации датчики обратной связи в системах стабилизации мощности резания оказываются значительно проще и не требуют никаких конструктивных изменений в механизмах станка.
Особенность рассмотренных систем стабилизации позволяет применить в большинстве из них однотипный регулируемый электропривод согласованный с соответствующим датчиком обратной связи. Рассмотренные системы стабилизации обеспечивают приблизительно одинаковое повышение производительности металлообработки.
5. Анализ устройств обратных связей.
5.1. Диагностика как средство повышения надежности.
Надежность любых технических средств а тем более средств работающих в автоматизированном или автоматическом режиме является одним из основных свойств по которому оценивается целесообразность применения этих средств в производстве. Надежность (по ГОСТ 27.002-83)- свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания ремонтов хранения и транспортирования. Надежность состоит из сочетания свойств: безотказности долговечности ремонтопригодности и сохраняемости. Для количественной характеристики надежности технологического оборудования в настоящее время принято использовать среднюю наработку на отказ (характеризует безотказность) – отношение продолжительности работы восстанавливаемого оборудования к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки и коэффициент технического использования (комплексный показатель характеризующий все свойства надежности) – отношение математического ожидания интервалов времени пребывания в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий интервалов времени пребывания в работоспособном состоянии простоев обусловленных техническим обслуживанием и ремонтов за тот же период эксплуатации.
Функциональный контроль применяют в процессе эксплуатации оборудования а текстовой контроль как правило после изготовления а также при ремонте. Конечной целью диагностирования является коррекция - устранение дефекта или его последствий. Применительно к ГПС коррекция означает либо исключение из технологического процесса неисправного элемента (сломанного инструмента вышедших из строя станка робота и т.д.) либо в случае его параметрического отказа когда элемент ГПС работоспособен но его характеристики изменились перестройку технологического процесса. Например в случае зафиксированного размерного износа режущего инструмента должна быть изменена управляющая программа обработки детали с учетом изменения размеров. Парирование дефекта может производиться за счет введения структурной или информационной избыточности (в ГПС заранее вводится резервное избыточное оборудование транспортная система магазины инструмента и т. д.).
С целью повышения работоспособности автоматизированного оборудования обеспечение заданной размерной точности изготовляемых изделий с достаточно низкой шероховатостью поверхности обработки предусматривается введение устройства диагностирования процесса резания.
5.2. Проблема надежности режущего инструмента в условиях автоматизированного производства.
При создании высокоавтоматизированных гибких производительных систем необходимо использовать специальные диагностические устройства осуществляющие надежный автоматический контроль за состоянием основных узлов и процессов в станке при металлообработке. При этом особое внимание уделяется режущему инструменту и его работоспособности так как несвоевременное обнаружение отказов инструмента может иметь самые различные последствия - от появления брака до аварии станка и т.д.
В связи с этим необходимо предусматривать контроль текущего состояния режущего инструмента с заменой отказавшего инструмента резервным а при необходимости и с заменой забракованной заготовки что предусматривается нормативно – технической документацией.
Автоматический контроль состояния и резервирование режущего инструмента позволяют:
Повысить надежность процесса металлообработки определять правильность его протекания автоматически восстанавливать работоспособность станка при отказах инструмента.
Уменьшить расход инструмента.
Улучшить качества обработки и сократить брак.
Предохранить механизмы и узлы станка от поломки и преждевременной потери точности.
Повысить режимы обработки.
Реализовать «безлюдную технологию».
Все это приводит к необходимости использования автоматических систем диагностики состояния инструмента при работе станков автоматических производств.
Этот вопрос может решаться на разных уровнях:
Создание систем контролирующих только целостность инструмента перед началом выполнения процесса обработки.
Непрерывный контроль поломок инструмента в процессе обработки.
Непрерывный контроль поломок инструмента в процессе обработки и периодическая или непрерывная оценка износа с целью коррекции положения инструмента и прогнозирование оставшегося ресурса работоспособности.
Использование диагностической системы того или иного уровня зависит от требований предъявляемых к надежности работы станка точности обработки экономических показателей и т. д.
Выбор методов и средств контроля и диагностирования режущего инструмента тесно связан с изучением наиболее распространенных отказов причин возникновения и возможных последствий. При этом важно выявление таких отказов которые приводят к большим простоям оборудования и высоким расходам.
Рабочие поверхности режущего инструмента в процессе резания подвергаются действию различного рода напряжений высоких температур поверхностно-активных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) что уменьшает работоспособность инструмента из-за пластического деформирования поломок износа. При этом конструктивные элементы режущей части инструмента разрушаются в результате постоянно нарастающего износа как по задней так и по передней поверхности. В связи с этим повышается процент брака при обработке и увеличивается время восстановления нарушений в работе технологической системы (уменьшается производительность) К основным видам нарушений работоспособности режущего инструмента относят: износ выкрашивание поломки и скалывание.
Как показывает практика и эксперименты поломки вызывают большое число отказов в начале и середине работы инструмента. В начальный период работы инструмента идет повышенный размерный износ затем стабильный период нормального износа практически пропорциональному пути резания.
У большинства металлорежущих инструментов нарушения работоспособности при выполнении различных технологических операций составляют: 10%- скалывание 12%- отделение режущей части 21%-поломоки 22%- выкрашивание и около 35%- износ. При этом затраты времени на обнаружение и удаление вышедших из строя металлорежущих инструментов составляют около 10% от времени работы металлорежущих систем.
Таким образом диагностирование износа режущего инструмента имеет большое значение для повышения надежности автоматизированного оборудования.
5.3. Классификация устройств обратной связи в станках с NC DNC.
Существующие устройства обратной связи в станках с NC DNC для активного контроля состояния режущего инструмента подразделяются на две большие группы методов – прямые и косвенные.
Классификация устройств обратной связи представлена на рисунке 2.12.
Устройства обратной связи в станках с NC DNC.
Прямые методы измерения. Эти методы предусматривают непосредственное измерение параметров износа при этом контролируется износ (по лунке образующейся на передней поверхности) расстояние от режущей кромки до центра лунки глубина лунки ширина ленточки износа по задней поверхности уменьшение объема или массы инструмента размерный износ режущей кромки разброс размеров деталей в партии и т.д.. Указанные параметры могут быть определены радиоактивными оптико-телевизионными лазерными электромеханическими ультразвуковыми или пневматическими методами.
Радиоактивный метод основан на применении радиоактивных датчиков. Режущая пластина облучается нейтронами и в процессе резания небольшие радиоактивные частицы инструмента отходят вместе со стружкой. Стружка проходит через измерительную головку где измеряется уровень радиоактивности. Уровень радиоактивности стружки зависит от объема унесенного инструментального материала и следовательно от полного износа инструмента. Радиоактивные частицы предлагается размещать по границам зоны износа (рисунок 2.13) или на задней грани на уровне величины критического износа (hзкр). Падение радиоактивности означает что зона износа распространилась дальше мест расположения радиоактивных частиц.
Рис. 2.13. Режущий инструмент оснащенный радиоактивными частицами
Недостатками данных способов являются низкая точность сложная измерительная аппаратура невозможность работы с переточенным РИ необходимость работы с радиоактивными веществами. Поэтому несмотря на относительную простоту реализации данного способа он практически не получил распространения.
Оптические и оптико-электронные устройства измерения износа основаны на том что с изменением износа изменяется отражательная способность задней грани инструмента.
Рис. 2.14. Оптико-электронный датчик:
- державка инструмента 2- режущая пластина 3- осветитель LL - фокусирующие линзы Pт - фотосопротивление.
В устройстве (рисунок 2.14) оптико-электронный датчик фокусирует изображение на оптическую щель за которой располагается катод фотоусилителя. Датчик обладает высокой разрешающей способностью: 00025 мм. Существует еще несколько схем применения подобных датчиков. На рисунке 2.15 показана схема контроля износа шлифовального круга особенностью которого является низкая отражательная способность. Поэтому на круг закрепляют две светоотражающие пластинки одна из которых уменьшается в размерах с износом круга. Износ круга измеряется как уменьшение отражательной способности этой пластины.
Учитывая развитие современной оптоволоконной техники позволяющей упростить процесс измерения и высокую точность получаемых результатов следует отметить перспективность применения данного метода измерения износа режущего инструмента. Недостатком способа является высокая чувствительность к внешним условиям эксплуатации (запыленность воздуха влияние СОЖ и т.д.) что является существенным препятствием для его внедрения в производственных условиях.
Рис. 2.15. Схема блока измерения износа инструмента с низкой отражательной способностью:
- осветители 2 - объектив 3 -полевая диафрагма 4 - конденсатор 5 - два фотосопротивления 6- блок сравнения 7 - регистратор износа 8 - отражающий элемент находящийся вне зоны износа 9 - отражающий элемент находящийся в зоне резания 10 - шлифовальный круг.
Пневматический метод основан на зависимости сопротивления истечению воздушной струи от расстояния между соплом датчика и контролируемой поверхностью. В таком методе измерения износа резца в качестве измерительного устройства используется пневматический датчик (рисунок 2.16). Предлагается сопло располагать в режущей пластине инструмента. С ростом износа инструмента сокращается расстояние между соплом и поверхностью резания детали. Это приводит к изменению сопротивления истечению воздушной струи.
Измеряя изменение этого сопротивления можно судить о размерном износе инструмента. Данный способ не лишен существенных недостатков. К ним необходимо отнести во-первых сложность практической реализации связанную с необходимостью применения специальных конструкций инструмента с пневмоканалами а также с обеспечением подачи воздуха при автоматической смене инструмента; во вторых зависимость результатов измерения от точности и шероховатости поверхности "заслонки". Поэтому данный способ целесообразно применять только на отделочных операциях.
В ряде работ приведены описание и результаты испытаний системы непрерывного контроля износа инструмента при точении. Система основана на использовании дифференциального бесконтактного пневматического датчика сопло которого расположено на державке резца в непосредственной близости от режущей пластины со стороны обработанной поверхности. Перед началом обработки давление в измерительной цепи балансируется таким образом что нулевое показание регистрирующего прибора соответствует положению вершины резца обеспечивающему получение требуемого диаметра детали.
Устройство для измерения радиального износа режущего инструмента:
-державка резца 2-опорная пластина 3-режущая пластина 4-измерительное сопло 5-пневмоканал 6-дроссель 7-индикатор 8-регулятор 9-фильтр 10-питающая сеть 11-уплотнитель.
По мере износа инструмента увеличивается зазор между соплом и обработанной поверхностью что соответствует положительному рассогласованию измерительной системы. Предлагаемая система может быть использована а станках с адаптивным управлением и автоматической сменой инструментов.
Электромеханический метод обеспечивает измерение износа инструмента в рабочем пространстве станка с помощью контактных датчиков при установке суппорта в позицию определяемую конструктивным расположением измерительного устройства. В большинстве случаев измерительные устройства размещаются непосредственно на станке и в период измерительного цикла станок работает в режиме координатно-измерительной машины. При этом методе датчик располагают на задней бабке токарного гидрокопировального станка или закрепляют на передней стенке коробки скоростей. В приведенных системах измерение износа производится при подводе инструмента к датчику. Датчик преобразует перемещение щупа движущегося по инструменту в электрический сигнал а о величине износа судят по разности измеренных сигналов датчика до и после обработки.
Достоинством этого способа является отсутствие влияния условий обработки на результат измерений. Однако данный способ может быть использован далеко не на всех станках поскольку наличие в рабочем пространстве станка дополнительного устройства снижает универсальность станка и уменьшает его надежность. Стружка смазка и СОЖ в ряде случаев делают этот способ не пригодным. К тому же необходимо учесть что из-за лишних перемещений необходимых для контроля износа инструмента снижается производительность станка.
Ультразвуковой метод обеспечивает диагностирование состояния режущего инструмента основанное на измерении длины режущего лезвия за счет определения времени прохождения ультразвуковой волной заданного расстояния. Зная скорость и время распространения ультразвука в среде легко определить известный путь.
Ультразвуковые колебания в среде в виде импульса возбуждаются пьезоэлектрическим источником. Если эти импульсы наталкиваются на препятствие то часть энергии излученной волны отражается и возвращается к источнику излучения в виде эхо-импульса. В этот момент времени пьезопреобразователь переходит из режима излучения в режим приема.
Время между передним фронтом передаваемого импульса и передним фронтом эхо-импульса является временем прохождением импульсом расстояния передатчик-отражатель-приемник которое может быть измерено с точностью до 1 нс. Установлено что методом ультразвукового контроля можно измерить разницу пути с точностью ±2 мкм.
Косвенные методы измерения износа режущего инструмента. В связи со сложностями использования в производственных условиях прямых методов определения состояния режущего инструмента в нашей стране и за рубежом проводились и проводятся многочисленные работы направленные на использование возможности оценки состояния инструмента по измерению различных параметров процессов сопровождающих резание. При использовании косвенных методов датчиками принимаются сигналы поступающие от определенных участков инструмента машины заготовки и содержащие информацию о размерах и скорости износа инструмента.
Измерение параметров заготовки. Существует достаточно большое количество способов косвенного измерения параметров в процессе обработки основанных на измерении заготовки. При механическом косвенном измерении контроль размеров осуществляется с помощью щупов. Анализируются различные методы измерения деталей непосредственно на станке. Деталь может измеряться с помощью щупа закрепленного в инструментальной головке которая с помощью УЧПУ перемещается относительно детали. Этот метод требует значительных дополнительных затрат а также высокой точности станка и его измерительной системы. Рассматриваются вопросы применения контактных датчиков оснащенных щупами на станках с УЧПУ типа CNC. Контактные датчики используются в цикле обработки но не во время процесса резания. Использование такого способа на операциях настройки инструмента дает экономию времени до 95%.
Кроме механического способа измерения существует ряд других способов (пневматических оптических индуктивных емкостных фотоэлектрических электронных) для определения размерных характеристик заготовки которые могут использоваться и для косвенных измерений параметров износа инструмента. Но точность измеренных параметров износа невысокая так как она зависит от ошибок при изготовлении элементов системы обработки ошибок вызванных упругими деформациями в системе обработки погрешностей вследствие температурных деформаций и т.д. Возможно использование и лазерных датчиков для косвенного измерения износа или длины инструмента так как они относятся к классу датчиков высшего качества точности и надежности измеренных параметров заготовки.
Измерение шероховатостей обработанной поверхности. Шероховатость обработанной поверхности зависит от геометрических характеристик режущей части инструмента. Одной из таких характеристик является износ инструмента. Анализ показывает что шероховатость трудно использовать в качестве контролируемого параметра в силу его нестабильности т.е. работа такой системы будет мало надежной. В то же время измерение шероховатости характеризуется большой сложностью требующей применения точного оборудования.
Измерение температуры резания и электрических характеристик зоны резания. Метод косвенного измерения параметров износа инструмента путем непрерывного или периодического измерения температуры резания в процессе обработки основывается на зависимости между температурой резания и параметрами износа инструмента для заданного сочетания материала заготовки и инструмента и для данных условий и режимов обработки.
В качестве критерия износа используется интенсивность тепловыделения в зоне резания. Считается что одним из наиболее простых и надежных методов автоматического контроля износа инструментов в условиях малолюдной технологии является измерение теплового потока в инструменте определяемого перепадом температур в двух точках корпуса инструмента в близи режущих кромок.
Существует устройство для непрерывного контроля тепловыделения инструмента в процессе обработки резанием. Твердосплавная режущая пластина впаивается в медную оправку в теле которой имеется сквозное отверстие. Оправка с пластиной устанавливается с помощью изолированной прокладки или покрытия на резце. Через отверстие в оправке в процессе обработки непрерывно протекает вода играющая роль теплоносителя.
В период изнашивания режущей кромки твердосплавной пластины разность температур входящего и выходящего потоков воды непрерывно возрастает и достигает своего максимального значения при полном износе пластины. Разность температур потоков воды измеряется мостовым методом непрерывно в процессе обработки. Недостатками метода является: малая точность необходимость специального инструмента.
Измерение термоэлектродвижущей силы резания (ТЭДС) позволяет получить информацию из зоны резания о состоянии режущего инструмента непосредственно путем измерения ТЭДС генерируемой в зоне скользящего контакта режущего инструмента с обрабатываемой деталью. Существуют результаты при исследовании влияния технологических режимов а также износа инструмента на параметры ТЭДС (постоянную и переменную составляющие) интенсивность колебаний в различных частотных диапазонах измеренные методом естественной термопары. Показано что износ инструмента в основном влияет на переменную составляющую ТЭДС.
Для измерения ее величины необходимы токосъемник и изолирование режущего инструмента от станка что в реальных условиях эксплуатации вызывает ряд дополнительных трудностей. Надо отметить и тот факт что в литературе нет строгих зависимостей между термоэлектрическими явлениями и износом режущего инструмента.
Силовые измерения. Одним из наиболее известных косвенных способов контроля состояния режущего инструмента является способ основанный на измерении сил резания и крутящего момента.
Сила резания является наиболее информативным параметром характеризующим непосредственно взаимодействие режущего инструмента и детали. Дело в том что уже давно было замечено возрастание составляющих сил резания с ростом фаски износа инструмента по задней грани. Если измерять степень затупления резца шириной фаски износа по задней грани то все составляющие силы резания растут.
Поскольку о величине сил резания судят на основании измерения деформаций элементов технологической системы нагруженных этими силами то предпринимались попытки измерять деформации элементов достаточно удаленных от зоны резания. Это делалось для того чтобы не снижать универсальность станков и упростить конструкцию динамометрической системы. Но в этом случае не удается избежать конструктивных сложностей.
С изменением износа режущего инструмента изменяется сила резания что приводит к изменению крутящего момента в процессе резания. Поэтому регистрация крутящего момента может служить параметром по которому можно оценить износ поломку или целостность инструмента. В качестве контролируемого параметра предлагается использовать электрический ток в цепи привода подачи и в электродвигателе главного привода который пропорционален крутящему моменту. Отмечается запаздывание токового сигнала на 40-80 мс от сигнала датчика в трехкомпонентном резцедержателе при ступенчатых изменениях глубины резания. Поэтому такой сигнал может быть использован для контроля поломок инструмента при черновых операциях.
Измерение мощности резания. В результате изменения крутящего момента на валу двигателя вследствие изменения состояния режущего инструмента изменяется его потребляемая мощность. Поэтому регистрация колебания потребляемой из сети мощности приводными электродвигателями может служить параметром по которому можно оценить износ режущего инструмента. Такой метод измерения является одним из наиболее простых для контроля состояния режущего инструмента в процессе резания. К достоинствам данного способа контроля следует отнести его простоту доступность информативного параметра.
С помощью электронных устройств контроль целостности инструмента может осуществляться путем измерения мощности развиваемой электродвигателем. Ограничением для использования таких устройств являются случаи обработки инструментами малого диаметра при которых мощность развиваемая приводным электродвигателем практически не отличается от мощности холостого хода.
Другой существенный недостаток способа заключается в том что датчики следящие за величиной крутящего момента и мощностью развиваемой электродвигателем недостаточно эффективны так как изменение крутящего момента и мощности происходит недостаточно быстро.
Устройство контроля состояния инструмента по току электродвигателя главного привода позволяет зафиксировать износ инструмента при превышении уровня тока например на 20% и поломку инструмента при его возрастании на 50% выдавая команду на остановку станка.
Виброакустические измерения. Ряд исследований посвящен определению зависимости между вибрациями станков и износом инструмента. Все работы в этом направлении можно разделить на 2группы:
Использующие в качестве сигнала волны акустической эмиссии колебания генерируемые в зоне резания в диапазоне частот больших 100 КГц;
Использующие в качестве сигнала параметры колебаний технологической системы и колебаний генерируемых в зоне резания в диапазоне от 20 Гц до 60 КГц включающем звуковой диапазон.
При исследовании колебаний технологической системы станка с износом инструмента связывают и соотношение между высокочастотными и низкочастотными колебаниями технологической системы.
При исследовании сигналов акустической эмиссии используют спектральный анализ интегральные характеристики а также амплитудный анализ сигналов.
Вибрационный метод основан на регистрации характеристик вибрации инструмента в процессе обработки. Предлагается разлагать виброакустический сигнал на низкочастотные и высокочастотные составляющие по соотношению которых судят об износе инструмента.
Таким образом при разработке системы адаптивного управления вопрос о использовании того или иного устройства обратной связи и метода измерения играет основополагающую роль.
При использовании прямого автоматического регулирования размера оборудование должно отвечать следующим требованиям:
- обеспечение быстрой перестройки диапазонов измерения;
- наличие достаточно широкого диапазона измерений;
- пригодность для измерения как внутренних так и внешних размеров а так же возможность измерять и расстояние до оси;
- обеспечение быстроты измерений.
Вследствие этих требований большинство попыток создания и реализации оборудования такого типа связанно с затруднениями практического и экономического плана. Однако следует отметить что в частных случаях когда номенклатура деталей пригодных с точки зрения геометрии для обработки на токарных станках с ЧПУ невелик возможно использование прямого автоматического регулирования размера.
Но в условиях современного многономенклатурного производства целесообразнее в экономическом плане использовать косвенное автоматическое управление.
Сравнивая прямое и косвенное регулирование размера следует отметить преимущества последнего: независимость от геометрии заготовки независимость от характера операции (внешний или внутренний размер) возможность проведения измерения до начала обработки первой детали партии.
Таким образом возникает проблема выбора метода косвенного регулирования. Известно что эффективность диагностики целиком и полностью определяется информативностью используемых параметров их зависимостью от условий обработки. Традиционное использование для этих целей силы и температуры резания в ряде случаев оказывается неприемлемым или недостаточно информативным и адекватным.
В последние годы всё большее внимание специалистов привлекает перспектива акустической диагностики процесса резания. Действительно акустическое излучение всегда способствует процессу обработки его спектр чрезвычайно широк: от десятков герц до сотен килогерц а многообразие параметров предопределяет успех в выявлении тесных корреляционных связей с технологическими условиями обработки. Кроме того использование сигналов виброакустики позволяет получить надёжную информацию о таких важнейших параметрах обработки как износ инструмента качество поверхностного слоя деталей и других.
6. Разработка экспериментальной установки.
Экспериментальные исследования проводились на токарно-винтарезном станке модели 16К20 и токарном станке с программным управлением 16К20Ф3. в качестве обрабатываемого материала применялись конструкционные углеродистые стали марок сталь 45 сталь 3 а также сталь 12ХН.
При проведении экспериментов режимы резания изменялись в следующих пределах: скорость резания V от 100 ммин до 300 ммин подача S от 007 ммоб до 021 ммоб глубина резания t от 025 мм до 15 мм. Выбор диапазона изменения факторов проводился на основе предварительных исследований и обзора научно-технической литературы а так же исходя из производственного опыта.
В качестве режущего инструмента использовались стандартные токарные резцы с механическим креплением режущих пластин из наиболее распространённых в производстве твёрдых сплавов Т15К6 ВК8.
Структурная схема для измерения и анализа виброакустических колебаний включает следующие приборы устройства и регистрирующую аппаратуру (рисунок 2.17): приёмный преобразователь усилитель блок фильтров анализатор спектра прибор для исследования корреляционных характеристик осциллограф самописец аналого-цифровой преобразователь ЭВМ.
Поскольку объектом исследования являлись виброакустические колебания состоящие из высокочастотных колебаний технологической системы и колебаний генерируемых в зоне резания то место крепления датчика было приближено к зоне резания и располагалось в резцедержателе. Датчик крепился к телу резца с помощью магнита. Колебания измерялись в трёх направлениях: осевом (ось Х) радиальном (ось Y) тангенциальном (ось Z).
Установка для исследования вибросигналов.
С помощью анализатора спектра оценивалась спектральная плотность и амплитуды сигналов виброакустики в частотном диапазоне от 005 Гц до 20кГц.
Коррелятор обеспечивал вычисление закона распределения плотности распределения вероятностей и корреляционной функции с временем задержки от 1мкс до 10 секунд. Объём выборки составлял 210 – 217 точек.
В качестве регистрирующего устройства использовались самописец и ЭВМ на которые записывались полученные в ходе эксперимента спектральные и корреляционные характеристики сигнала. Осциллограф использовался как прибор визуального контроля.
Созданный стенд для анализа сигналов виброакустики предусматривал возможность вычисления спектральных и корреляционных оценок с помощью ЭВМ куда с преобразователя вибраций через аналого-цифровой преобразователь сигнал поступает с усилителя мощности.
РИС 218.2.8.2.9. Алгоритм работы устройства контроля процесса резания.
Для управления типовым технологическим процессом из большого числа методов одним из наиболее приемлемых представляется адаптивное управление с идентификатором. Особенностью метода является наличие идентификатора на выходы которого поступает информация о текущих значениях выходного параметра возмущения и управляющего воздействия. С выхода идентификатора поступает корректирующее воздействие в соответствии с текущим значением которого может быть выбрано управляющее воздействие
Приведённая на рисунке 2.* блок – схема представляет собой вариант адаптивной системы управления. Источником информации для адаптивной системы является преобразователь вибраций который обеспечивает на входе сигнал о вибрациях происходящих в технологической системе. Адаптивная система включает в себя пять основных модулей: модуль «Модель шероховатости поверхности» модуль расчёта режимов резания модуль построения текущей модели по сигналам виброакустики блок принятия решений.
Модуль «Модель шероховатости поверхности» предназначен для расчёта корреляционной функции требуемого профиля поверхности которая является моделью для управления процессом резания.
Модуль расчёта технологических режимов резания служит для расчёта режимов резания учитывая положенные ограничения. В качестве критерия оптимальности для определения режимов резания принимается себестоимость обработки. Себестоимость операции тем меньше чем меньше машинное время обработки данной детали. Современные ЭВМ позволяют использовать точные методы расчета режимов резания с учётом налагаемых ограничений.
В качестве факторов ограничивающих режимы резания при чистовом точении принимаются следующие:
- ограничения по максимальной и минимальной частоте вращения шпинделя допустимой кинематикой станка;
- ограничения по минимальной и максимальной подачи;
- ограничения по заданной производительности.
Блок – схема адаптивной системы управления по сигналу виброакустики.
В качестве подсистемы АСУ объединяющей модули «построение модели по сигналам виброакустики» и «блок принятия решений» позволяющей оценивать шероховатость поверхности и износ инструментов в процессе обработки используется устройство для контроля процессов резания спроектированное на основе полученных зависимостей.
Устройство выполнено как отдельный конструктив подключаемый к системе ЧПУ. Алгоритм функционирования устройства (рисунок2.**. 2.***) реализованы аппаратно-программным способом. Программным способом реализован алгоритм принятия решения в зависимости от состояния компараторов устройства расчёт математической модели оценка шероховатости поверхности в сравнении теоретической и реальной шероховатостей поверхности. Программная поддержка размещается в энергонезависимой области памяти СЧПУ. Предполагается для всех расчётов использовать процессор системы. Аппаратная часть устройства выполнена в виде модуля эксплуатация которого не требует сложного перемонтажа СЧПУ. Для оценки шероховатости поверхности в процессе обработки используется алгоритм приведённый на рисунке 2.**. На начальном этапе функционирования алгоритма по сигналам виброакустики необходимо получить такие его характеристики как мощность (или дисперсия) и автокорреляционная функция вибросигнала. Наиболее целесообразно эти величины получать аппаратным способом для повышения быстродействия устройства так как для расчёта требуется большой объём вычисления. Следующим этапом работы алгоритма является расчёт величины Raγ исходя из мощности вибросигнала: S.
При изменении скорости резания уравнение регрессии имеет вид:
Raγ= 026+00599×S-6.27×10-6×S2
При изменении подачи:
При изменении износа инструмента:
Блок 5 алгоритма предназначен для расчёта коэффициента затухания αВ автокорреляционной функции вибросигнала которая аппроксимирована выражением:
Дальнейшая работа алгоритма предусматривает расчёт таких характеристик как Тγ и γ. Исходя из величины γ расчет корреляционной функции производится по выражениям:
Из полученной корреляционной функции определяются такие параметры шероховатости поверхности как среднее арифметическое отклонение Ra средний шаг неровностей Sm и т.п. Исходя из требований чертежа и с учётом экономических границ рассчитываются пределы регулирования которые устанавливаются компараторами устройства.
Алгоритм оценки шероховатости поверхности.
Алгоритм работы устройства контроля процесса резания.2.10. Блок – схема устройства контроля процесса резания.
Блок схема устройства контроля процесса резания представлена на рисунке 2.****.
Блок схема устройства контроля процесса резания.
Устройство работаем следующим образом.
Сигнал с преобразователя вибрации 1 установленного на револьверной головке станка подаётся через фильтр 2 на усилитель 3. усиленный и отфильтрованный сигнал поступает на входы дельта-модулятора 7 коррелятора 14 и на компаратор 8 через интегратор 4.
Дальнейшая работа устройства происходит по управляющей программе заложенной в памяти устройства ЧПУ.
Программным способом реализован алгоритм принятия решения в зависимости от состояния компараторов устройства.
На первом шаге программы опрашивается компаратор 8. При превышении напряжения на входе компаратора 8 напряжения срабатывания компаратор срабатывает и на его выходе появляется логическая «1». Пороговое напряжение компаратора устанавливается в процессе настройки. Напряжение срабатывания выбирается таким образом что его максимальное значение равно напряжению при критическом износе инструмента неправильно выбранных режимах работы и аварийных ситуациях. Логическая «1» подаётся на контроллер сопряжения с ЧПУ (устройством 24) и записывается в младший разряд системной шины данных. Если при опросе контроллера сопряжения 24 системой ЧПУ по адресу компаратора 8 в младшем значащем разряде находится логическая «1» то система ЧПУ подаёт команду на замену режущего инструмента так как напряжение сигнала получаемого с преобразователя вибраций 1 равно или больше напряжения при критическом износе инструмента. Одновременно с заменой инструмента в память заносится информация об этом.
Затем полученный сигнал вновь через фильтр 2 и усилитель 3 подается на компаратор 8. если при повторном опросе контроллера сопряжения 24 по адресу этого компаратора находится логическая «1» тор система ЧПУ запрашивает информацию о режущем инструменте. Так как замена режущего инструмента была произведена то есть станок работает с острым инструментом то превышение сигналом порогового напряжения не будет связано с износом режущего инструмента.
Одной из возможных причин превышения сигналом порогового напряжения при работе острым целым инструментом может служить работа последнего в зоне наростообразования. Экспериментально было установлено что интенсивность сигнала виброакустики при наросте возрастает в 2 . . . 4 раза.
Основной причиной работы инструмента в зоне наростообразования являются не верно назначенные для данных условий режимы резания. Поскольку при работе заведомо острым инструментом сигнал остаётся выше порога срабатывания компаратора 8 то заменённому инструменту присваивается метка «ОСТРЫЙ» и его можно использовать в дальнейшей работе.
Следующим шагом работы программы осуществляется попытка выхода из зоны наростообразования для этого необходимо изменить режимы резания так как нарост образуется при определённом соотношении скорости резания и подачи.
При повторном наличии в младшем значащем разряде по адресу компаратора 8 логической «1» и информации о том что инструмент острый система ЧПУ изменяет частоту вращения шпинделя или подачу. Сигнал от преобразователя вибрации 1 параллельно с поступлением на вход компаратора 8 поступает и на вход дельта-модулятора 7 который служит для оценки динамики изменения интенсивности сигнала по его производной.
Следующим шагом работы программы является опрос контроллера сопряжения 24 по адресу дельта-модулятора 7.
На выходе дельта модулятора 7 появляются логический «0» или логическая «1» которые через интегратор 5 подаются на контроллер 24. Логическая «1» соответствует положительному значению первой производной сигнала на выходе дельта-модулятора 7 что означает возрастание интенсивности сигнала.
Если после корректировки режимов резания как в сторону их увеличения так и в сторону уменьшения на выходе дельта-модулятора находится логическая «1» то система ЧПУ аварийно останавливает станок и включает сигнал вызова оператора. Наличие на выходе дельта-модулятора 7 логического «0» который соответствует отрицательному значению первой производной сигнала на выходе дельта-модулятора говорит о том что интенсивность сигнала на выходе уменьшилась.
Программа составлена таким образом что параллельно с опросом системы ЧПУ контроллера 24 по адресу дельта-модулятора опрашивается и адрес компаратора 8. Система ЧПУ до тех пор вносит коррекцию в режимы резания пока на выходе компаратора 8 не появляется логический ноль. Если при опросе системы ЧПУ контроллера по адресам компаратора 8 и дельта-модулятора 7 в младшем разряде находится логический «0» то система обращается к адресу коррелятора 14 в контроллере сопряжения 24.
На вход коррелятора через усилитель постоянно подаётся сигнал с преобразователя вибрации 1. Коррелятор работает в реальном масштабе времени и через малые промежутки времени на выходе имеем АКФ вибросигнала. Оптимальному течению процесса резания соответствуют определённые виды АКФ.
Сигнал в виде вычисленной АКФ вибросигнала с выхода коррелятора 14 поступает на входы сумматора 25 блока вычисления АКФ в нуле (то есть при =0) 17 и блока вычисления первого пересечения АКФ с временной осью 18.
На вход сумматора 25 одновременно с сигналом одновременно с сигналом от коррелятора 14 приходит сигнал с генератора 15 эталонной АКФ. Эталоном является теоретическая модель шероховатости поверхности в виде АКФ.
На выходе сумматора 25 появляется сигнал рассогласования который через интегратор 6 поступает на вход компаратора 10. Пороговое устройство 20 отрегулировано на критическое значение К(t).
При (t)> К(t) на выходе компаратора 10 появляется логическая «1» которая подаётся на контроллер сопряжения 24. Если при опросе системы ЧПУ адреса компаратора 10 в нём находится логическая «1» то происходить корректировка режимов согласно программе заложенной в памяти ЧПУ. При наличии логического «0» в адресе компаратора 10 программой опрашиваются компараторы 11 12 13.
Рассмотрим работу этой части схемы для случая когда по адресу компаратора 10 в контроллере сопряжения 24 находится логический «0».
Как было установлено экспериментально первое пересечение АКФ с временной осью на ряду с изменением RХХ(0) характеризует износ режущей кромки инструмента.
Одновременно с работой блока 18 работает блок 17 который вычисляет АКФ при нулевом сдвиге то есть RХХ(0). АКФ в нуле характеризует дисперсию сигнала которая является наиболее информативным показателем характеризующим производительность обработки так как дисперсия сигнала зависит от амплитуды составляющих сигналов генерируемого технологической системой в процессе резания и воспринимаемого преобразователем вибрации 1.
Разность между верхним и нижним значением дисперсии соответствует оптимальным условиям процесса резания.
Напряжение срабатывание компаратора 13 соответствующее верхней границе дисперсии сигнала устанавливается блоком 21 а напряжение срабатывания компаратора 12 с соответствующей нижней границей дисперсии сигнала устанавливается блоком 22.
Сигнал с блока 17 поступает на первые входы компараторов 11 и 12 вторые входы которых соединены с блоками установки порога срабатывания 21 и 22.
Если значение дисперсии меньше нижнего порога срабатывания (компаратор 12) то на выходе компаратора 11 и 12 появляются логические «0» которые записываются в младший значащий разряд по адресу компараторов 11 и 12 в контроллере сопряжений. При опросе системой ЧПУ этих адресов и считывание логических «0» система ЧПУ изменяет режимы обработки в сторону увеличения. При значениях дисперсии больше напряжения срабатывания компаратора 11 на выходы компараторов 11 и 12 поступают логические «1» что приводит в конечном счёте к снижению режимов резания. При значении дисперсии лежащих в заданных пределах на выходе компаратора 12 появляется логическая «1» а на выходе компаратора 11 – логический «0». Следовательно система работает в оптимальных условиях.

КЭ1 005.cdw

ФРАГМЕНТ ОПЕР 040.FRW