Совершенствование методик оценки технического состояния привода в области токарной обработки

Язык труда и переводы:
УДК:
62.932.4
Дата публикации:
21 сентября 2021, 18:07
Категория:
А4. Метрология и взаимозаменяемость
Авторы
Дроздова Юлия Владимировна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сырицкий Антони Борисович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Представлена фазохронометрическая система, разработанная для оценки текущего технического состояния элементов привода вертикального токарного станка VSC 400. Оценка технического состояния является перспективным направлением разработок, поскольку сложно отрицать важность своевременного контроля оборудования для обеспечения его бесперебойной и качественной работы и предотвращения преждевременного выхода из строя. Представлен алгоритм проведения экспериментальных исследований, необходимая оснастка для получения измерительной информации и методы ее обработки.
Ключевые слова:
оценка технического состояния, диагностика, фазохронометрический метод, токарный станок, фазохронометрический портрет станка
Основной текст труда

Основной целью оценки технического состояния металлообрабатывающих станков с ЧПУ является предотвращение внезапных отказов в их работоспособности и снижение простоев. На сегодняшний день применяются следующие методы оценки технического состояния оборудования:

  • метод вибрационной диагностики

Метод вибродиагностики основан на том, что вибрационный сигнал содержит значительную информацию о состоянии каждой детали, выполняющей вращательное или поступательное движение. Преимуществами данного метода является то, что он не требует сборки-разборки оборудования и позволяет находить скрытые дефекты. Недостатками данного метода являются зависимость параметров вибрации от большого количества факторов и сложность выделения вибрационного сигнала, особые требования к способу крепления датчика вибрации и низкая точность диагностирования [1];

  • метод оценки согласованности работы приводов

В процессе испытаний проводится контроль круговой траектории, выполняемой согласованными действиями приводов станка. Недостатками данного метода являются низкая точность и быстродействие.

На основе рассмотренных методов можно сделать заключение о том, что проблема оценки технического состояние оборудования не решена, поскольку применяющиеся на данный момент методики обладают недостатками и альтернативных путей решений проблемы диагностики на данном этапе нет [2]. Следовательно, возникает необходимость в поиске новых методов. Таким может быть фазохронометрический метод диагностики, в основе которого лежит непрерывное измерение интервалов времени между фазами рабочего цикла машины или механизма [3–4]. Его главное отличие от используемых на данный момент  в машиностроении амплитудных методов — высокая точность получения измерительной информации. Основное преимущество данного метода — опора на рабочий цикл машины [5–6]. Цель настоящей статьи —  создать методологию и технические средства для комплексной диагностики процесса токарной обработки.

Применение фазохронометрического метода предполагает два основных этапа: первый этап — математическое моделирование, направленное на описание того, как будет дефект проявляться в экспериментальных данных; второй этап — экспериментальные исследования, когда данные о характере проявления дефектов сопоставляются с измерительной информацией [7]. Данная система разрабатывается для 13 шпиндельных узлов на 7 станках.

В настоящей статье представлена фазохронометрическая система, разработанная для вертикального токарного станка VSC 400 CM, включающая в себя угловой датчик ЛИР-158А, систему сбора и обработки информации. Схема фазохронометрической системы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема системы

Снятие фазохронометрического портрета станка будет произведено следующим образом: для этого в зажимной патрон станка 3 устанавливается тестовая заготовка 2 с переходным валом под крепление мембранной муфты 4 оптического энкодера. Оптический энкодер ЛИР-158А (позиция 5 на рис. 1) устанавливается в оснастку 1, жестко закрепляемую в резцедержатель станка. Сигнал с оптического энкодера 5 поступает в блок обработки и затем на ЭВМ, где обрабатывается с помощью специального программного обеспечения (ПО).

Для определения текущего технического состояния элементов главного привода станка VSC 400 предлагается следующая методика.

         1. Разработка математической модели привода станка в фазохронометрическом представлении.

         2. Моделирование дефектов элементов привода.

         3. Определение и документирование диагностических критериев дефектов элементов привода.

         4. Верификация математической модели. Снятие фазохронометрического портрета станка.

         5. Сравнение результатов эксперимента и математической модели.

         6. Разработка коротких алгоритмов определения дефектов элементов привода.

         7. Опытная эксплуатация.

Общая схема системы с учетом вариантов установки датчика и тестовой заготовки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема установки датчика ЛИР-158А

На вертикальном станке VSC 400 установлена револьвернаяголовка с Capto — зажимным блоком. Этот блок представляет собой модульную быстросменную инструментальную оснастку, главным преимуществом которой является то, что быстросменные державки снижают время наладки и смены инструмента, обеспечивая значительный рост коэффициента использования станка.

Необходимо разработать универсальную оснастку для установки датчика ЛИР-158А на различные станки, содержащие блок Capto. Оснастка представляет собой цилиндр с разъемом для установки датчика. В дальнейшем планируется разработка переходника для установки оснастки в блок Capto резцедержателя. В торцевой части оснастки выполнены отверстия для крепления датчика (рис. 3).

Рис. 3. Оснастка для установки датчика

При изготовлении неразъемной оснастки коэффициент использования материала стремиться к минимальным значениям, поскольку при обработке необходимо расточить внутренний диаметр цилиндра Ø75 мм до значения Ø65 мм. Именно поэтому предлагается изготовить разъемную оснастку, представляющую собой трубу 1, в которую запрессовывается втулка 2 с отверстиями для соединения с датчиком.

Реализация данной системы позволит получить измерительную информацию для оценки текущего технического состояния элементов привода вертикального станка VSC 400.

На сегодняшний день применяется следующая схема получения измерительной информации: аналоговый синусоидальный сигнал с датчика поступает на вход блока обработки измерительной информации. С помощью аналоговых компараторов сигнал оцифровывается, затем измеряется длительность каждого импульса. Подсистема обработки результатов измерений и одноплатный компьютер формируют и записывают полученные временные ряды. Используя дополнительное ПО, можно обработать полученные временные ряды в виде построения хронограммы вращения (графика изменения времени прохождения фазы в зависимости от номера измерения).

Необходимо усовершенствование данной системы, поскольку полученная измерительная информация считывается в шестнадцатеричной системе счисления, затем с помощью оператора переводится в десятичную и далее обрабатывается с помощью дополнительных программ. Необходимо автоматизировать данный процесс, поскольку в промышленных условиях данная последовательность операций занимает большое количество времени.

Для этого планируется разработка новой измерительной системы для выполнения данной последовательности операций автоматически. Схема системы представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема предлагаемой измерительной системы

В данной системе измерительная информация в шестнадцатеричном виде записывается на SSD-диск и затем обрабатывается на одноплатном ПК Rock Pi 4 Plus, у которого есть внутренний накопитель и собственная ОС. Затем обработанные графики выводятся на интерфейс HMI. Объем SSD — до 2 ТБ.

Данная работа позволит получить результаты, которые подтвердят возможность применения фазохронометрического метода (ФХМ) для диагностики узлов станка, варианты конструктивного исполнения и установки первичных преобразователей в целях реализации непрерывной системы ФХМ-диагностики.

Литература
  1. Proteau A., Tahan A.,Thomas M. Specific cutting energy: a physical measurement for representing tool wear // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. Vol. 103. Pp. 101–110.
  2. Kiselev M.I., Pronyakin V.I., Tulekbaeva A.K. Technical diagnostics functioning machines and mechanisms // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. Moscow, Russian Federation, November 15–16, 2017, Institute of Physics. Institute of Physics and IOP Publishing, 2018. Vol. 312. Art. no. 012012.
  3. Kiselev M. I., Komshin A. S., Syritskii A. B., Predicting the technical state of a turning tool on the basis of phase-chronometric measurement information // Measurement Techniques. 2018. Vol. 60. No. 11. Pp. 1081–1086.
  4. Сырицкий А.Б. Измерение износа режущего инструмента фазохронометрическим методом в процессе обработки // Измерительная техника. 2016. № 6. С. 30–32.
  5. Сырицкий А., Потапов К., Болдасов Д., Лазарев Н., Комшин А. Апробация фазохронометрической системы мониторинга токарной обработки в промышленных условиях // Станкоинструмент. 2019. № 4 (017). URL: https://www.stankoinstrument.su/files/article_pdf/7/article_7891_219.pdf (дата обращения 25.06.2021). DOI: 10.22184/2499-9407.2019.17.04.74.79
  6. Сырицкий А.Б., Болдасов Д.Д. Фазохронометрическая система мониторинга режущего инструмента // Механика и машиностроение. 2015. № 5 (89). С. 2–10.
  7. Potapov K.G., Syritskii A.B. Implementation of a measuring phase-chronometric system for diagnostics of the technical condition of lathes. 2014. No. 5. Pp. 13–18.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.