Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
Кравець Олександр Михайлович
УДК 621.941.08:620.178.5.05
ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ДИНАМІЧНОЇ ЯКОСТІ
ТОКАРНИХ ВЕРСТАТІВ НА ОСНОВІ ІМІТАЦІЙНОГО СТОХАСТИЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ
Спеціальність 05.03.01 - "Процеси механічної обробки,
верстати та інструменти"
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" на кафедрі "Конструювання верстатів та машин"
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Струтинский Василь Борисович, завідувач кафедри "Конструювання верстатів та машин" у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут"
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, Лупкін Борис Володимирович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри "Інструментальне виробництво",
кандидат технічних наук, доцент, Данильченко Юрій Михайлович, Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя , доцент кафедри "Верстатно-інструментальні системи автоматизованого виробництва".
Провідна установа:
Одеський державний політехнічний університет, кафедра “Металорізальні верстати, метрологія і сертифікація“, Міністерство освіти України, м. Одеса.
Захист відбудеться "21" травня 2001 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.11 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус № 1, ауд. 214.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.
Автореферат розісланий "20" квітня 2001 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук Семенов О.В
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми дослідження. Випробування дослідних зразків верстатів провадиться як глибоке експериментальне дослідження його характеристик із застосуванням сучасних метрологічних засобів і реєструючої апаратури, засноване на теоретичних розробках і ретельному аналізі всіх основних чинників, що визначають працездатність верстата.
Однак методологія випробувань практично не зазнала принципових змін з того часу, коли були розроблені методи випробування верстатів на геометричну точність. Сталася лише послідовна поява нових видів випробувань, пов'язаних з оцінкою тих або інших чинників, що впливають на працездатність верстата.
Всі види випробувань проводяться відособлено, в той час як показники верстата різні при одночасній і послідовній дії чинників.
Звичайно основною перевіркою якості верстата є оцінка геометричної або кінематичної точності його елементів. Ці перевірки здійснюються, як правило, на верстаті, що не працює. Потім проводяться випробування для оцінки впливу жорсткості, теплових деформацій, вібрацій. Таким чином, всі випробування проводяться роздільно, штучно виділяючи дію чинника, що досліджується. Разом з тим дослідження показують, що лише аналіз одночасно діючих чинників дає правдиву інформацію про характеристики верстата. Виміряні характеристики верстата можуть істотно відрізнятися при послідовному і одночасному визначенні геометричної точності, жорсткості, теплових деформацій, накладанні вібрацій. Різні результати дають випробування, проведені в статичному стані та при русі вузлів верстата на холостому ходу і під навантаженням.
Разом з тим підвищення ефективності методів випробування і діагностування металорізальних верстатів і іншого технологічного обладнання для оцінки їх технічного рівня, отримання найбільш повної інформації про стан машини по параметрах якості, прогнозування надійності на стадії випробування дослідного зразка, скорочення часу проведення випробувань є необхідною умовою для успішного розвитку вітчизняного верстатобудування.
Розв'язання цих питань безпосередньо пов'язане зі скороченням термінів освоєння нових моделей верстатів, підвищенням їх якості і надійності, скороченням витрат на ремонт і технічне обслуговування, з отриманням інформації для управління якістю при виготовленні верстатів.
Все вищезазначене вказує на необхідність подальшого розвитку методів випробувань для оцінки якості та надійності технологічного обладнання і, насамперед, металорізальних верстатів, базуючись на досягненнях науки і практики верстатобудування, використовуючи сучасну метрологічну базу і можливості ПЕОМ. Одним з таких методів є імітація навантаження верстата випадковими силами які виникають при обробці заготовок спеціального профілю, що формують випадкові вхідні впливи.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в межах держбюджетного договору №2217 “Розробка теорії, методів проектування та дослідження обладнання та оснащення для реалізації перспективних ресурсо- та енерго- зберігаючих технологій”, номер державної реєстрації: 0198U001291.
Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є обгрунтування та розробка методології визначення параметрів динамічної якості токарних верстатів на основі кореляційного та спектрального аналізу реакції верстата на імітаційне стохастичне навантаження.
Для досягнення цієї мети поставлені і вирішені наступні задачі:
1. Аналітичний огляд методів підвищення якості токарних верстатів, обгрунтування актуальності та напрямків досліджень.
2. Розробка методу реалізації імітаційних стохастичних навантажень верстатів та методик визначення реакції верстатів на імітаційні навантаження.
3. Розробка математичної моделі для визначення динамічних властивостей токарного верстата під дією імітаційного стохастичного навантаження та створення на її основі структурної блочно-модульної розрахункової процедури.
4. Математичне моделювання динамічних коливальних процесів у верстатах, що мають місце при імітаційному стохастичному навантаженні.
5. Розробка методики експериментальних досліджень, комплекцій апаратури та обладнання.
6. Теоретичні та експериментальні дослідження по визначенню реакції верстата при обробці заготовок з профілем, що імітує різноманітні види стохастичного процесу імітаційного навантаження із різними статистичними характеристиками.
7. Розробка рекомендацій по забезпеченню раціональних динамічних характеристик верстатів.
8. Розробка технічних рішень, що забезпечують підвищення якості токарних верстатів.
Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено ефективну методологію оцінки показників динамічної якості верстата по лінійчатому спектру амплітуд розкладу Фур'є радіальної координати контура обробленої поверхні та співставлення його з неперервним спектром дисперсій віброприскорень характерних елементів динамічної системи верстата та створено програмно моделюючий та експериментально - діагностичний комплекс, який дозволяє шляхом визначення реакції працюючого верстата на імітаційне стохастичне навантаження (обробка заготовок із спеціальним профілем випадкового характеру із заданими спектральними характеристиками) здійснювати об'єктивну атестацію та експрес-аналіз технічного стану верстата за точністю.
Практичне значення одержаних результатів. Запропонована методика оцінки та контролю параметрів динамічної якості верстата безпосередньо на працюючому верстаті з використанням надійних та ефективних засобів. Розроблені рекомендації по підвищенню показників динамічної якості верстата.
Особистий внесок здобувача Основні наукові результати дисертації одержані автором самостійно:
- розроблено метод реалізації імітаційних стохастичних навантажень верстатів та методики визначення реакції верстатів на імітаційні навантаження;
- розроблена математична модель для визначення динамічних властивостей токарного верстата під дією імітаційного стохастичного навантаження;
- створена на основі математичної моделі верстата структурна блочно-модульна розрахункова процедура;
- математичне моделювання динамічних коливальних процесів у верстатах, що мають місце при імітаційному стохастичному навантаженні.
Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались та були схвалені на 3-х міжнародних науково-практичних та науково-технічних конференціях "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва" м.Київ, 1998; “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века” м.Севастополь, 1999; “Прогрессивные технологии в системе машиностроения“ м.Севастополь, 2000.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 4 статі у фахових виданнях ВАК України, 3 матеріалів і тез науково-технічних конференцій, а також 5 авторських свідоцтв на винахід.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (210 найменувань) та додатків на 12 сторінках. У роботі 193 сторінок, у тому числі 172 сторінки основного тексту, 106 рисунків, 5 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обгрунтовано актуальність роботи та сформульовано напрямки і задачі досліджень.
В першому розділі розглянуті попередні розробки в області експериментальних та теоретичних дослідження динамічних систем металорізальних верстатів. Аналіз показав, що при випробуванні і оцінці якості верстата немає загального визначення його вихідних параметрів, які визначають його працездатність. Точність обробки деталей на верстаті не може бути вибрана таким параметром, оскільки вона є результатом дії всіх компонентів технологічної системи (інструмента, заготовки і т.і.). Тому треба виявити ті параметри верстата, які безпосередньо відповідальні за точність обробки і є вхідними для технологічної системи.
При випробуваннях немає розмежування між оцінкою тих параметрів верстата, які відносяться до показників якості всього верстата, і тих, які визначають точність виготовлення окремих його елементів. Наприклад, перевірка прямолінійності або відхилення від площини напрямних є, лише однією з характеристик точності напрямних, але не верстата в цілому.
При розробці стандартів і методик випробування верстатів навіть не ставиться питання про його вихідні параметри, не виявляється головна мета випробування. Замість цього на останніх етапах випробувань проводять перевірку верстата на точність при обробці стандартного зразка при регламентованих умовах і режимах обробки. Результати таких випробувань не можуть замінити необхідних даних про параметри, що характеризують якість верстата.
При випробуванні верстата не враховується ймовірнісна природа всіх явищ. Разом з тим верстат працює при різних режимах обробки і в різних умовах експлуатації. Статистичні характеристики технологічних процесів, здійснюваних на верстаті, і зовнішніх впливів на верстат визначають його реакцію на ці впливи, яка також виявляється у ймовірнісному вигляді.
Методи випробування верстатів, що застосовуються, не враховують цього і оцінюють усі параметри лише для вибраних умов випробувань. При цьому не визначаються ймовірнісні характеристики параметра, не встановлюється різниця між фактичним і допустимим його значеннями і лише констатується, знаходиться даний параметр (показник) в межах допуску чи ні.
Справжня оцінка якості для таких машин, як металорізальні верстати, які працюють в широкому діапазоні режимів і умов, можлива лише у ймовірнісному трактуванні. Цього в існуючих методах випробування верстатів немає. Більш того, для оцінки показників верстата, дослідний зразок звичайно перевіряється із використанням норм точності на порядок вищих, ніж для серійного верстата при середніх умовах експлуатації, і тому інформація про його параметри може бути значно спотворена у бік завищених оцінок.
При випробуваннях не застосовуються тестові методи діагностування, які дозволили б дати загальну інформацію про стан верстата при різних спектрах навантажень. Немає і навантажувальних пристроїв, придатних для цієї мети. Разом з тим поєднання випробувань з діагностуванням дозволить зробити їх більш результативними, коли проводиться не тільки констатація придатності верстата для певних умов роботи і вимог до його точності, але і вказуються ті його характеристики, які повинні бути змінені, і ті вузли і механізми верстата, які знижують показники його технічного рівня.
При випробуваннях не застосовуються методи прогнозування для оцінки можливих змін параметрів верстата в передбачуваних умовах експлуатації.
Однак оцінка надійності верстата по параметрах точності можлива лише при поєднанні випробування з прогнозуванням. Основний шлях вирішення цієї проблеми є прогнозування можливої зміни параметрів верстата з використанням фізичних закономірностей процесів старіння (насамперед зношування) його елементів і з урахуванням стохастичної природи цих впливів, які визначають безповоротні зміни характеристик верстата що виникають в процесі експлуатації.
В другому розділі представлена методика дослідження параметрів динамічної якості верстата шляхом імітаційного стохастичного навантаження. Параметри якості верстата оцінювались по його віброакустичним характеристикам. Для їх визна-чення використані теоретичні та експериментальні методи. Експериментальні виміри здійснено датчи-ками віброприскорень типу КД45. При визначенні вібраційних характеристик верстата датчики роз-міщувались в характерних вібраційних зонах дина-мічної системи верстата так, як це показано на рис. 1.
Апаратура дозволяє здійснити виміри вібраційних параметрів верстата в діапазоні від 0 до 50 кГц. В експериментах визначено реалізації випадкових процесів, що відповідають віброприскоренням деталей верстата. Шляхом інтегрування одержано записи віброшвидкостей, а шляхом подвійного інтегрування вібропереміщеня. Спектральний аналіз параметрів коливань виконувався на багатоканальному аналізаторі спектру мод. SI1220. Він дозволяє одночасно аналізувати вхідні сигнали по чотирьох каналах та виконувати обробку результатів в різних режимах у відповідності з прийнятою функцією аналізу.
Аналізатор дозволяє використовувати 14 завчасно визначених функцій аналізу, що можуть бути представлені у декількох форматах. Зокрема визначені функція аналізу комплексного спектру при вимірах за сигналом запуску, функція аналізу автопотужності часової функції, взаємна кореляційна функція, що визначає взаємний спектр потужності, що відповідає відношенню двох виміряних в різних точках динамічної системи верстата параметрів коливань, трансформуюча функція, коваріаційна (автокореляційна) функція, функція аналізу когерентності і т.і.
Для дослідження слабостаціонарних довготривалих процесів є можливість створювати відображення типу Waterfall. Поточні записи Waterfall з наступною обробкою створюються з результатів що зберігаються в буферній пам'яті. Обсяг пам'яті дозволяє утримувати в ній 200 результатів. Для кожної функції вибір формату визначає певну характеристику коливань: амплітуду, фазу, дійсну та уявну частини, діаграми Найквіста та Ніколса, спектральну густину та густину ймовірності.
Формування імітаційних стохастичних навантажень здійснено шляхом обробки заготовок спеціального виду (рис.2). Розроблено і виготовлено ряд варіантів заготовок, що реалізують імітацію гами стохастичних навантажень на динамічну систему верстата. Базовими при дослідженнях вибрані дві групи (рис.2а) випадкових імітаційних навантажень. Перша відповідає випадковим процесам Пуассона. Друга відповідає імпульсним процесам із змінною амплітудою (рис. 2в), частотою (рис. 2б) або шириною імпульсів (рис. 2г).
Профіль заготовки формує стохастичний процес іміта-ційного навантаження силами різання, що має наперед визначені параметри розподілу випадкової вели-чини. Як приклад, на рис. 3 наведено графіки спектральної густини періодичної S1(w) (рис. 3а) та центро-ваної випадкової складової S2(w) (рис. 3б) випадкового процесу, що описує контур заготовки (рис. 2в).
В третьому розділі представлена математична модель стохастичних динамічних процесів, що мають місце при роботі верстата. Для цього вконано аналіз причин виникнення імпульсних навантажень в приводі головного руху. Встановлено, що імпульсні навантаження виникають в зубчатстих зачепленнях привода головного руху.
На схемі (рис. 4) показана пара зубців (1п та 1ш) яка здійснює передачу моменту від зубчатого колеса П до колеса Ш. Припинення контакту зубців у точці А приводить до вибірки зазору в точці В. В результаті чого виникає контакт зубців 2п і 2ш в точці В. Рух валів передачі під час зміни точок контакту зубців має три якісно відмінні фази. Перша відповідає зміні зусилля в контакті зубців 1п та 1ш (точка А) від номінального значення до нуля. Зусилля в передачі, а також крутний момент М змінюється при цьому від номінального до мінімального значення. Друга фаза відповідає вільному руху валів в межах зазору між зубцями. Третя фаза руху має місце під час контакту зубців 2п і 2ш в точці В. Вона характеризується зміною моменту від мінімального до номінального значень. Друга фаза руху може співпадати в часі з першою та третьою. Вона може проявлятися незначним чином. Якщо шпиндель навантажений значними силами різання то виникають пружні деформації зубців що викликає зменшення модуля зміни моменту М під час зміни точок контакту зубців.
Для деякого проміжку часу при кількості ударів m реалізація кутової швидкості wS(t) приводу визначена залежністю
, (1)
де TК - час при якому має місце зміна моменту, QK випадкове значення інтенсивності ударів, T постійна часу привода.
Залежність (1) послужила основою для розрахунків випадкового процесу зміни кутової швидкості (рис. 5).
Визначимо статистичні характеристики зміни кутової швидкості. Кореляційна функція випадкових змін кутової швидкості визначена залежністю
. (2)
де Z - число послідовно з'єднаних передач в приводі головного руху, mx - число імпульсних навантажень в одиницю часу, qx - математичне сподівання інтенсивності імпульсів; Dx - дисперсія інтенсивності імпульсів.
Цим кореляційним функціям відповідають спектральні густини кутової швидкості
. (3)
Із цієї формули випливає, що спектральна густина флуктуацій кутової швидкості шпинделя може вважатись постійною при низьких частотах. Статистичні характеристики процесу зміни кутової швидкості слугують основою для визначення кутового прискорення елементів привода головного руху. Встановлено, що в області високих частот спектральна густина кутового прискорення, а відповідно і інерційні моменти навантаження в приводі головного руху можуть бути описані широкополосними випадковими процесами у вигляді "білого шуму". Ці стохастичні навантаження визначають внутрішні вхідні параметри математичної моделі верстата.
При розробці математичної моделі динамічна система верстата розділена на чотири основні підсистеми: підсистема привода головного руху; підсистема шпиндельної групи; процес різання та динамічна підсистема супорта.
В процесі виконання досліджень розроблена математична модель привода головного руху у вигляді ланцюгової крутильної системи з випадковими навантаженнями (рис. 6).
Рівняння динаміки, що відповідає одному інерційному елементу
, (4)
де jі(t), jі-1(t), jі+1(t) – кути повороту і - го, і-1 - го та і+1 інерційних елементів як функції часу (t); J1 – момент інерції і – го інерційного елемента; сі-1, сі+1 коефіцієнти жорсткості пружних зв'язків і – го інерційного елемента із сусідніми елементами ланцюгової системи; hі-1, hі+1 коефіцієнти дисипативних зв'язків і – го інерційного елемента із сусідніми елементами ланцюгової системи; hi – коефіцієнт опору підшипників і – го елемента (при їх наявності); Mi – збурюючий момент (в загальному випадку – стохастична функція часу), що діє на і–й інерційний елемент через підшипникові опори(при його наявності).
Із рівняння (4) знайдемо зображення по Лапласу кута повороту і-го інерційного елемента.
. (5)
Залежність (5) в операторному вигляді визначає динаміку окремого інерційного елемента привода головного руху. По цій залежності розроблена структурна математична модель яка утворює окремий блок загальної математичної моделі.
Окремі блоки математичної моделі, що описують коливання кожної маси ланцюгової системи привода, з'єднуються послідовно Зв'язки між блоками, включаючи зворотні, об'єднуються відповідно утворюючи ланцюгову структуру математичної моделі привода головного руху (рис. 7).
Виходом даної математичної моделі є динамічна складова кута повороту привідної передачі шпинделя jn а входами динамічна складова кута повороту шпинделя jш (зворотній зв'язок) та динамічна складова кута повороту валу електродвигуна jе. На кожну масу системи діють випадкові збурення у вигляді крутних моментів M1, ... ,Mi-1, Mi, Mi+1, ... , Mn які, як показано раніше є широкополосним випадковим процесом. Статистичні параметри цього процесу для кожної ланки можна визначити за залежністю (3).
Структура, яка відповідає математичній моделі привода головного руху від входу у вигляді навантажень системи електродвигуна приводу до виходу у вигляді динамічної складової кута повороту шестерні приводної передачі, включає чотири динамічні підсистеми, які відповідають групам рухомих деталей (зубчатих коліс, напівмуфт, ділянок валів, шківів) на кожному з валів коробки швидкостей верстата.
Структурна математична модель привода головного руху формалізована і приведена до виду обчислювальної процедури в системі SIMULINK математичного пакету MATLAB (рис. 8).
Аналогічні обчислювальні процедури зроблені для інших підсистем динамічної системи верстата. Зокрема розроблені візуалізовані математичні моделі шпиндельної групи, супортної групи та процесу різання.
В четвертому розділі розглянуті параметри динамічної якості верстата. Вони визначені для заготовок різного виду, а також по вимірам віброшвидкостей та вібропереміщень різних елементів динамічної системи верстата.
Одержані дискретні значення випадкового процесу зміни радіальної координати контура обробленої поверхні інтерпольовані неперервними залежностями. Для цього використана сплайн - інтерполяція на базі стандартних обчислювальних процедур та вбудованих функцій пакету MathCAD. По експериментально визначеним значенням радіальних координат контуру обробленої сформована матриця. Використовуючи дану матрицю, визначені статистичні середні (математичне сподівання) значень радіальної координати контура обробленої поверхні в залежності від кута повороту деталі. Знайдені значення центрованого випадкового процесу зміни радіальної координати контура обробленої поверхні та дисперсія.
Параметри розсіяння значень випадкового процесу визначені по результатам експериментальних вимірів автокореляційних (коваріаційних) функцій випадкового процесу зміни радіальної координати контура обробленої поверхні. Враховуючи наявність різних по структурі ділянок випадкового процесу, визначено набір кореляційних функцій, які відповідають різним значенням полярного кута. Значення коваріаційної функції обчислювалося для кожного моменту часу t який відповідає повороту деталі на полярний кут j. Відлік значення зміщення t вівся від вибраного моменту часу t. Розрахунок провадився на ЕОМ в середовищі MathCAD. Одержана потокова діаграма автокореляційних функцій параметрів випадкового процесу зміни радіальної координати контура обробленої поверхні приведена на рис. 9.
Імітаційне навантаження верстата випадковими силами різання приводить до виникнення складних коливальних процесів у динамічній системі верстата.
Виміри параметрів вібрацій дали можливість визначити основні динамічні характеристики вер-стата. На рис. 10 амплітудно-фазова частотна характеристика (частотна трансформуюча функція) дина-мічної системи верстата від входу у вигляді деталі та виході у вигляді вертикального переміщення різця.
Використовуючи однакове імітаційне навантаження для двох верстатів можна по параметрам випадкових процесів з достатньо високою ймовірністю порівняти показники динамічної якості цих верстатів. Імітаційне навантаження у вигляді процесу Пуассона використано для порівняння показників динамічної якості двох різних верстатів: 1К62 з терміном експлуатації 30 років, післяремонтний період експлуатації 1 місяць та новий токарно-гвинторізний верстат КА280, підготований до поставки замовнику. Обидва верстати пройшли випробування на відповідність нормам точності за ГОСТ18097-93 згідно загальним вимогам до випробувань верстату на точність за ГОСТ8-82-Е. Обидва верстати задовольняють нормам точності встановленим для верстатів класу Н.
Визначені розбіжності форми контурів обробленої поверхні на різних інтервалах зміни полярних кутів. В цілому розбіжність круглограм по амплітуді знаходиться в межах 6..8 мкм. На ділянках підвищеної коливальності процесів розбіжність досягає 8..12 мкм. Фазове зміщення основних максимумів та мінімумів обох круглограм становить не більше 10°..20°. Для аналізу точності обробки на круглограмах визначено базове коло діаметр якого відповідає середньому значенню радіальної координати поверхні обробленої на верстаті 1К62. Відхилення радіальних координат поверхні обробленої на верстаті КА280 має постійну від'ємну складову близько 2..3 мкм. Розмахи коливань круглограм складають для верстата 1К62 - 17 мкм, для КА280 7 мкм. Для аналізу частотного складу круглограм знайдені їх лінійчаті спектри амплітуд (рис. 11).
Порівняння спектрів віброприскорень горизонтальних коливань корпусу шпиндельної бабки при обробці заготовки показало їх якісну і кількісну відповідність. В спектрах віброприскорень (рис. 12) наявні низькочастотна (до 1000 Гц) середньочастотна (1000 - 7000 Гц) та високочастотну область (7 - 25 кГц). Інтенсивність низькочастотних частин спектру для обох верстатів має приблизно однакове значення. Підвищений рівень вібрації динамічної системи верстата 1К62 в порівнянні з КА280 проявляється в основному в середньочастотній частині спектру. Ця частина спектру включає дві групи резонансних областей - на частотах 2..3,6 кГц та частотах 5,4..6,6 кГц. Інтенсивність резонансної області спектру віброприскорень на частотах 5,4..6,6 кГц для верстата 1К62 в 2..4 рази вища ніж верстата КА280.
В п'ятому розділі розглянуто випадки моделювання імітаційного навантаження верстата різними модельними випадковими процесами: навантаженні у вигляді сил сухого тертя та ступінчастими навантаженнями різного виду. Цей вид навантаження є відображенням реально існуючого процесу взаємодії фаски зносу інструмента з оброблюваною поверхнею. Параметри навантажень які виникають при різанні імітовані при терті спеціально виготовленого імітатора різця по циліндричній поверхні. Виміряні параметри коливань дали можливість встановити характер кореляційного зв'язку між коливаннями окремих точок динамічної системи. Взаємні кореляційні функції віброприскорень окремих точок верстата мають коливальний характер із стійкою тенденцією до затухання.
На графіках взаємних кореляційних функцій віброприскорень простежується короткоперіодичні складові. Період цих складових близько 0,5 мс при періоді довгоперіодичних складових коливань близько 3..4 мс. Аналогічний характер мають виміряні експериментальні автокореляційні функції (рис. 13)
В процесі експериментальних досліджень виконана послідовна обробка різних заготовок на одному верстаті протягом однієї робочої зміни з інтервалом між послідовними обробками 30..40 хв. Це дозволило знизити вплив зовнішніх факторів на результати експериментів.
Здійснено виміри параметрів вібрацій при врізанні (рис. 14 а) і виході (рис. 14 б) інструмента. Перехідний процес при врізанні інструмента (рис. 14) відзначається суттєвою коливальністю. Максимальні динамічні навантаження в системі мають місце при коливальностях (числі повних коливань з початку процесу) 4..10. Екстремуми перехідної функції циклічно зростають в першій фазі перехідного процесу. Циклічність складає 2..3 періоду коливань попередньої гармоніки. В подальшому розмах коливань перехідної функції зменшується і має місце практично однорідний випадковий процес.
Виміряні в процесі різання часові реалізації віброприскорень відповідають слабостаціонарному випадковому процесу. Огинальна реалізації віброприскорень має тенденцію до циклічної зміни. Циклічність складає від 5 до 10 періодів високочастотних коливань. Зміна огинальної віброприскорення (биття кривої) знаходиться в діапазоні 2..5 середньоквадратичного відхилення значень віброприскорення.
Спектр потужності віброприскорення різця має чисельні резонансні пики в низькочастотній частині спектру. Резонансні явища мають місце в діапазоні частот 2..2,6 кГц та 2,8..2,9 кГц. Менш інтенсивні резонансні явища спостерігаються в діапазоні частот до 0,8..1,5 кГц.
Головний резонанс спектру потужності віброприскорень знаходиться в області частот 6 кГц. Його інтенсивність дорівнює інтенсивності коливань в резонансній області низькочастотної частини спектру (2,0..2,6 кГц).
В шостому розділі наведено приклади практичного застосування результатів виконаних досліджень. На основі виконаних досліджень розроблено ряд прогресивних конструктивних рішень окремих вузлів токарних верстатів, що підвищують показники динамічної якості верстатів. Зокрема розроблені: пристрої для формування вібраційного поля, що покращує динаміку процесу обробки; прогресивні конструкції затискних патронів, що підвищують показники динамічної жорсткості; пропозиції по компоновочних рішеннях окремих вузлів верстатів.
Більшість із виконаних конструкторських розробок захищено авторськими свідоцтвами та патентами, виготовлені дослідні зразки. Їх апробація в умовах виробництва підтвердила ефективність роботи пристроїв і наявність підвищення показників динамічної якості верстатів. Одним із напрямків підвищення показників динамічної якості є покращення умов реалізації процесу різання шляхом формування вимушених низькочастотних коливань різця в напрямку дотичної до обробленої поверхні. При цьому забезпечується подрібнення стружки, що є особливо важливим для токарних автоматів та напівавтоматів. Для забезпечення вібраційного різання розроблено спеціальний пристрій. Діапазон регулювання приводу до n=3000 об/хв, що забезпечує частоту коливання вершини різця частотою до 50 Гц (рис.15).
Коливальне переміщення різця здійснюється по дотичній n-n до поверхні деталі, що обробляється. Це практично виключає вплив цих переміщень на точність обробки і якість обробленої поверхні, не знижує стійкість ріжучого інструмента і забезпечує стійке подрібнення стружки як при чорнових, так і при чистових режимах обробки, а також рівномірну подачу різця. Коливальне переміщення різця відбувається за рахунок деформації (вигину) пружних елементів під дією зусиль в приводі.
ВИСНОВКИ
1. Розроблено метод реалізації імітаційних стохастичних навантажень верстата з використанням спеціальних заготовок із ступінчастим контуром різного виду, зокрема із контуром який відповідає процесу Пуассона, заготовка із виступами , висота яких є випадковою величиною, заготовки із виступами різної ширини, причому ширина виступів є випадковою величиною і заготовка із однаковими виступами ширина пазів між якими є випадковою величиною. Всі випадкові величини задаються генераторами випадкових чисел з нормальним законом розподілу.
2. Встановлено, що всі види імітаційного навантаження приводять до появи суттєвих динамічних похибок обробки поверхні деталі. Значення похибки досягає 25..100 мкм в залежності від виду навантаження. Похибка має характер нестаціонарного випадкового процесу, який охоплює частотний діапазон до 300 Гц і відповідає хвилястості обробленої поверхні. Параметри мікропрофілю поверхні визначаються в основному технологічними факторами, а також високочастотними коливаннями в динамічній системі верстата. Вони мало впливають на виміряні значення хвилястості.
3. Розроблена і апробована методика оцінки параметрів динамічної якості верстата по виміряним значенням похибки обробки поверхні, що відповідає певному імітаційному навантаженню з паралельним вимірам вібраційних характеристик динамічної системи. Методика базується на спектральному аналізі випадкового процесу, що описує оброблену поверхню. Для забезпечення достовірності аналізу здійснюється статистичне усереднення ансамблю реалізації профілю обробленої поверхні в різних перерізах. Одержаний в результаті усереднення профіль підлягає спектральному аналізу як періодичний (циклічний по куту повороту шпинделя) детермінований процес.
4. Здійснено спектральний аналіз профілю обробленої поверхні із застосуванням процедури швидкого перетворення Фур'є, реалізованої засобами пакета MathCAD. Необхідна точність розкладу забезпечена збільшенням числа точок дискретизації процесу. Збільшення числа точок досягнуто за розрахунок сплайн - інтерполяції експериментально визначених значень з подальшим розрахунком значень координат контура в проміжних точках. В результаті застосування швидкого перетворення Фур'є одержано лінійчатий спектр амплітуд і спектр початкових фаз складових усередненого контура обробленої поверхні. Спектр включає гармоніки до 150 включно, що при частоті обертання шпинделя 630 об/хв відповідає хвилястості обробленої поверхні з частотами до 1,5 кГц.
5. Встановлено, що лінійчасті спектри амплітуд усередненого контура обробленої поверхні одержаний на різних верстатах при одному і тому ж імітаційному навантаженні, є надійним засобом порівняльного аналізу показників динамічної якості верстата. Оцінку динамічної якості доцільно здійснювати по середньо-інтегральному значенню спектральних ліній низькочастотної частини спектру. Дана оцінка мало залежить від конструктивних особливостей верстата і експлуатаційних факторів і об'єктивно відображає параметри динамічної якості верстата.
6. Визначено показники динамічної якості верстата у вигляді перехідних, імпульсних та частотних характеристик для яких визначено статистичні характеристики, зокрема сукупності амплітудно-частотних характеристик, кореляційних функцій і спектральних густин потужності параметрів вібрацій. Амплітудні фазові частотні характеристики мають складний вигляд із значною кількістю петлеподібних ділянок (50...100 шт.). Характеристика компактно обіймає симетричну частину комплексної площини і знаходиться в межах області близької до еліпса з напівосями 0,7...0,9 (в напрямку дійсної осі) і 1,3...1,5 ( в напрямку уявної осі). Еквівалентний запас стійкості по амплітуді для еліптичної області складає 0,3...0,5 нормованого значення амплітуди. Реальні запаси стійкості можуть мати менші значення по причині наявності чисельних резонансних зон в області фазових кутів близьких до 180°.
7. Визначені показники динамічної якості верстата шляхом аналізу перехідних процесів та імпульсних характеристик охоплюють порівняно вузьку частотну область, наприклад імпульсна характеристика коливань різця виявляє лише гармоніки з частотами 58...66 Гц; 230 Гц та 2500...3300 Гц. Тому, для надійного визначення показників динамічної якості верстата недостатньо лише аналізу перехідних (імпульсних) характеристик. Цей аналіз необхідно доповнити аналізом високочастотних коливань за допомогою частотних чи спектральних характеристик.
8. Оцінка показників динамічної якості верстата за кореляційними функціями потребує використання додаткової інформації. Це пояснюється незначним ступенем кореляції коливань окремих елементів динамічної системи верстата, значною коливальністю значень кореляційної функції в широкому діапазоні зміни часового параметру. Для надійної оцінки показників динамічної якості разом з кореляційною функцією необхідно використати часові реалізації записів віброприскорення, віброшвидкості та вібропереміщення окремих елементів динамічної системи верстата.
9. Надійна оцінка показників динамічної якості верстата при його імітаційному навантаженні здійснюється з використанням широкополосних спектральних характеристик, які відповідають полосі частот до 20 кГц, при пропускній здатності вимірювальної апаратури не менше 40 кГц. Об'єктивним показником динамічної якості є абсолютні значення та розташування резонансних зон. Спектри потужності в характерних точках динамічної системи верстата мають кілька специфічних резонансних областей, зокрема спектр потужності віброприскорень різця включає резонансні області на частотах до 1 кГц, та в діапазонах 2...3 кГц і 5...7 кГц. В деяких випадках наявні високочастотні резонанси в діапазонах частот 14...16 кГц. Превалюючі резонансні області мають місце на частотах 2...3 кГц. Для нових верстатів превалююча область звужена і має високу інтенсивність. По мірі експлуатації верстата дана резонансна область розширюється при деякому зниженні амплітудних значень.
10. Визначення параметрів динамічної якості токарних верстатів на основі імітаційного стохастичного навантаження дає можливість ціленаправлено впливати на показники динамічної якості з метою їх покращення. Основними напрямками підвищення показників динамічної якості є вдосконалення шпиндельного вузла, згідно запропонованих технічних рішень та застосування спеціальних вібраційних пристроїв, розроблених за результами досліджень.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. В.Б.Струтинський, А.М.Кравець, С.К.Дем'яненко Спектральний аналіз форми поверхні одержаної при обробці заготовок зі спеціальним профілем /Вісник ЖІТІ, 2000,- №16 С.10 - 18: ил. 13.
2. В.Б.Струтинський, А.М.Кравець Імітаційне навантаження динамічної системи верстата силами різання при обробці заготовок зі спеціальним профілем /Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт", серия машиностроение, 2000, № 39, НТУУ "КПИ" стор.115...135.
3. В.Б.Струтинський, А.М.Кравець Експериментальне визначення вібраційних характеристик токарно-гвинторізного верстата після проведення середнього ремонту шпиндельної групи /Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт", серия машиностроение, 2000, № 38, Том 1, НТУУ "КПИ" стор.158...161.
4. В.Б.Струтинський, А.М.Кравець Аналіз статистичних характеристик пульсацій кутової швидкості шпинделя металорізального верстата /Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века //Сборник трудов международной научно-технической конференции в г. Севастополе 13 – 18 сентября 1999 г.- Донецк: ДонГТУ, 1999.- С.79 – 84.
5. А.с. СССР №1093415, МКИ3 кл. В23 В 31/20. Цанговый патрон/ Кузнецов Ю.Н., Кузнецов С.Ю., Кравец А.М. (СССР). - №3545560/25-08; Заявлено 02.02.83. Опубл. Бюл. №19, 1984.
6. А.с. СССР №1207641, МКИ3 кл. В23 В 31/20. Зажимной патрон/ Кузнецов Ю.Н., Кузнецов С.Ю., Кравец А.М. (СССР). - №3779208/25-08; Заявлено 10.08.84. Опубл. Бюл. №4, 1986.
7. А.с. СССР №1682042, МКИ3 кл. В23 В 9/00. Многошпиндельный токарный автомат/ Кравец А.М. и другие (СССР). - №4694236/08; Заявлено 22.05.89. Опубл. Бюл. №37, 1991.
8. А.с. СССР №1773569, МКИ3 кл. В23 В 9/00. Шпиндельный блок токарного патрона/ Кравец А.М. и другие (СССР). - №4812843/08; Заявлено 09.04.90. Опубл. Бюл. №41, 1992.
9. А.с. СССР №1824255, МКИ3 кл. В23 В 9/00. Токарный автомат/ Кравец А.М. и другие (СССР). - №4878345/08; Заявлено 29.10.90. Опубл. Бюл. №24, 1993.
10. Шевченко А.В., Кравец А.М., Джаалук Али Исследование устройства для дробления стружки /Прогрессивные технологии в системе машиностроения: Международный сборник научных трудов.- Донецк:ДонГТУ, 2000, Вып. 14.- С.83 – 86.
11. Ю.Н.Кузнецов, А.М.Кравец Проектирование быстропереналаживаемых зажимных патронов токарных автоматизированых станков /Праці Міжнародної науково-технічної конференції, присвяченої 100-річчю механіко-машинобудівного і 50 річчю зварювального факультетів, "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва" 22 - 28 травня 1998 р., Том 1, НТУУ "КПІ".- стор. 247 - 252.
12. Литвин А.В., Лапковський С.В., Кравець А.М. Декомпозиция структуры токарного зажимного патрона// Тезисы докладов Международной научно-методической конференции "Интеграция образования, науки и производства" – Луцк, 1995 – С.93.
Кравець О.М. Визначення параметрів динамічної якості токарних верстатів на основі імітаційного стохастичного навантаження.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, металорізальні верстати та інструменти.- Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2001.
Дисертація присвячена розвитку теоретичних та експериментальних методів визначення параметрів динамічної якості металорізального обладнання. Запропонована методика визначення основних характеристик динамічної системи верстата шляхом вимірів параметрів вібрацій у характерних точках при навантаженні верстата обробкою заготовок із спеціальним профілем випадкового характеру і заданими спектральними характеристиками. Створено випробувально - діагностичний комплекс, який дозволяє шляхом визначення реакції працюючого верстата на імітаційне стохастичне навантаження здійснювати об'єктивну атестацію (експрес-аналіз технічного стану) токарних верстатів за точністю, використовуючи розроблену методику оцінки по лінійчатому спектру контура обробленої поверхні та співставлення його зі спектром віброхарактеристик процесу різання.
Ключові слова: Динамічна якість, імітаційне навантаження, математичне моделювання, динамічна система, параметри вібрацій.
Kravets O.M. Determination of parameters dynamic quality of lathes on base imitation accidental effort.- Manuscript.
Thesis for a candidate's degree in technical sciences by speciality 05.03.01 – Mechanical treatment processes, machines and tools.- National technical University of Ukraine", Kiev polytechnic institute", Kiev, 2001.
Dissertation is devoted to development theoretical and experimental methods for determination dynamic quality parameters of lathes. Offered determination methods of basic descriptions of dynamic lathes system by dint of vibrations parameters measuring in typical points attached to lathes by detail treatment by special profile of accidental disposition and thrashed spectral descriptions. Diagnostic complex which created, allows by determination reaction of laboring machine-tool on imitation accidental effort to realize objective attestation (technical state express-analysis) of lathes for exactness, making use of developed estimation methods on linear contour spectrum of tooled surface and compares with spectrum description of vibration process of cutting.
Key words: Dynamic quality, imitation loading, mathematical model, dynamic system, vibration parameters.
Кравец А.М. Определение параметров динамического качества токарных станков на основе имитационного стохастического нагружения.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - Процессы механической обработки, металлорежущие станки и инструменты.- Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2001.
Диссертация посвящена развитию теоретических и экспериментальных методов определения параметров динамичного качества металлорежущего оборудования. Традиционно основной проверкой качества станка является оценка геометрической или кинематической точности его элементов. Эти проверки осуществляются, как правило, на не работающем станке. Потом проводятся испытания для оценки влияния жесткости, тепловых деформаций, вибраций. Таким образом, все испытания проводят раздельно, искусственно выделяя действие фактора, который исследуется. Вместе с тем исследования показывают, что только анализ одновременно действующих факторов дает правдивую информацию о характеристиках станка. Измеренные характеристики станка могут существенно отличаться при последовательном или одновременном определении геометрической точности, жесткости, тепловых деформаций, наложении вибраций. Различные результаты дают испытания, проведенные в статическом состоянии и при движении узлов станка на холостому ходу и под нагрузкой.
Предложена методика определения основных характеристик динамичной системы станка путем измерений параметров вибраций в характерных точках при нагрузке станка обработкой заготовок со специальным профилем случайного характера и заданными спектральными характеристиками. Создан испытательно - диагностический комплекс, который позволяет путем определения реакции работающего станка на имитационное стохастическое нагружение осуществлять объективную аттестацию (экспресс-анализ технического состояния) токарных станков по точности, используя разработанную методику оценки по линейному спектру контура обработанной поверхности и сопоставления его со спектром виброхарактеристик процесса резания. Спектральный анализ профиля обработанной поверхности осуществлен с применением процедуры быстрого преобразования Фурье, реализованного средствами пакета MathCAD. Необходимая точность разложения обеспечена увеличением числа точек дискретизации процесса. Увеличение числа точек достигнуто за расчет сплайн-интерполяции экспериментально определенных значений с последующим расчетом значений координат контура в промежуточных точках. В результате применения быстрого преобразования Фурье получен линейный спектр амплитуд и спектр начальных фаз составляющих усредненного контура обработанной поверхности. Спектр включает гармоники до 150 включительно, что при частоте вращения шпинделя 630 об/мин соответствует волнистости обработанной поверхности с частотами до 1,5 кГц.
Показатели динамичного качества станка, определяемые путем анализа переходных процессов и импульсных характеристик, охватывают сравнительно узкую частотную область, например импульсная характеристика колебаний резца содержит гармоники с частотами 58...66 Гц; 230 Гц и 2500...3300 Гц. Поэтому для надежного определения показателей динамичного качества станка недостаточно только анализа переходных (импульсных) характеристик. Надежная оценка показателей динамичного качества станка при его имитационном нагружении осуществляется с использованием широкополосных спектральных характеристик, которые соответствуют полосе частот до 20 кГц, при пропускной способности измерительной аппаратуры не меньше 40 кГц. Объективным показателем динамичного качества являются абсолютные значения и расположение резонансных зон. Спектры мощности в характерных точках динамичной системы станка имеют несколько специфических резонансных областей, в частности спектр мощности виброускорений резца включает резонансные области на частотах до 1 кГц, и в диапазонах 2...3 кГц и 5... 7 кГц. В некоторых случаях имеющиеся в наличии высокочастотные резонансы в диапазонах частот 14...16 кГц. Преобладающие резонансные области имеют место на частотах 2...3 кГц.
Определены показатели динамичного качества станка в виде переходных, импульсных и частотных характеристик для которых определены статистические характеристики, в частности совокупности амплитудно-частотных характеристик, корреляционные функции и функции спектральных плотностей мощности вибраций. Амплитудно-фазово частотные характеристики имеют сложный вид со значительным количеством петлеподобных участков (50...100 шт.). Характеристика компактно охватывает симметричную часть комплексной плоскости и находится в пределах области близкой к эллипсу с полуосями 0,7...0,9 (в направлении действительной оси) и 1,3... 1,5 (в направлении мнимой оси). Эквивалентный запас устойчивости по амплитуде для эллиптической области составляет 0,3...0,5 нормируемого значения амплитуды. Реальные запасы устойчивости могут быть меньше по причине наличия многочисленных резонансных зон в области фазовых углов близких к 180°.
Ключевые слова: Динамичное качество станка, имитационная нагрузка, математическое моделирование динамичной системы, вибрационные параметры.