CC BY
109
УДК 658.52.011.56.012: 681.5
В.А. Добряков КОНТРОЛЬ ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАНКОВ В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Представлен разработанный автоматизированный информационноизмерительный канал контроля виброакустических характеристик, по которым определяется динамическое состояние металлорежущих станков. Обоснована аппаратная и программная обработка виброакустических сигналов. Приведено описание направлений реализации измерительной аппаратуры, среди которых центральное место занимает система мониторинга технологического процесса обработки высокоточных деталей машино- и приборостроения.
Информационно-измерительный канал, металлорежущий станок,
виброакустические характеристики, автокорреляционная функция,
технологическая система станка, интегральная оценка, система мониторинга технологического процесса, динамическая балансировка
V.A. Dobryakov CONTROL OF THE DYNAMIC CONDITION OF MACHINES IN SYSTEM OF MONITORING OF TECHNOLOGICAL PROCESS
The developed automated information and measuring channel of control of vi-broacoustic characteristics by which the dynamic condition of metal-cutting machines is determined is presented. Hardware and program processing of vibroakoustic signals is provided. The description of the directions of realization of measuring equipment among which the central place is occupied by system of monitoring of technological process of processing of high-precision details machine and instrumentation is provided.
Information and measuring channel, metal-cutting machine, viboacoustic characteristics, autocorrection function, technological system of the machine, integrated assessment, system of monitoring of technological process, dynamic balancing
Динамическое состояние МРС на одно из основных показателей его качества определяет выходные показатели технологической системы станка (ТСС). Контроль этого состояния с позиций вибродиагностики МРС позволяет формировать данные о его техническом состоянии на самом высоком уровне структуры объекта, что особенно важно при диагностировании прецизионного технологического оборудования. Используя методы вибродиагностики, рассмотренные в [1], оценивание динамического состояния МРС целесообразно производить не только по традиционным характеристикам виброакустических (ВА) колебаний узлов формообразующей подсистемы (амплитуда и частота различных гармонических составляющих), так как они не всегда позволяют объективно и оперативно проанализировать динамические характеристики при диагностировании состояния станков, но и по функционалам, формируемым, например, из стохастических характеристик ВА колебаний, использующих, в частности, их автокорреляционную функцию (АКФ) [2]. В [2] убедительно показано, что ВА сигнал, генерируемый на МРС при резании, представляет собой широкополосный стохастический процесс, спектр которого изменяется в зависимости от режимов резания и динамического состояния ТСС. С этих позиций рассмотрим формирование эффективной диагностической оценки МРС.
Учитывая подход к моделированию станка как динамического объекта [2, 3], его динамическое состояние описывается векторно-матричным дифференциальным уравнением
MX (t ) + HX + CX (t ) = F (t ), (1)
где М, Н, С - матрицы коэффициентов инерции, демпфирования и жесткости n X n соответственно;
X (t ), X (t ), X (t ) - векторы ускорения, скорости и перемещения системы размерности n соответствен-
но; F(t) - вектор возмущающих сил размерности l(l<n).
Вектор возмущающих сил в общем случае
n
F (t ) = ^ Pi(t ). (2)
i=1
В сумму (2) при стационарном резании входят сила резания, внешняя периодическая сила от дисбаланса вращающихся деталей в функциональных узлов станка, например, сила от дисбаланса шпинделя с патроном и другие составляющие, в том числе и случайная, в виде стационарного случайного процесса типа «белый шум» .
Исходный регистрируемый ВА процесс X(t) на МРС можем записать в виде суммы детермини-
~ о
рованной X (t ) и случайной X (t ) составляющих
X (t ) = X (t )+ X (t ) (3)
Рассмотрим формирование вибродиагностических процедур при обработке на МРС. Каждому технологическому режиму обработки соответствует определенный характер колебательных процессов как в зоне резания, так и элементов конструкции, которые определяются динамикой взаимодействия резца с деталью и функционированием (взаимодействием) узлов станка. Последнее обусловлено динамическим состоянием самого станка. При этом, считая процесс резания при неизменном технологическом режиме в течение некоторого времени на одном проходе стационарным, на этом интервале вре-
мени определяют АКФ Rxx (г) :
1 t
Rxx (г) = - j X (t)• x(t -x)dt (4) T O
где X - временной сдвиг.
Тогда АКФ процесса можно записать в виде
T
Rxx (X) = T j
X (t )+ X (t )
X (t + x)+ X (t + x)
dt (5)
Путем преобразований, учитывая независимость процессов X (t ) и X (t ) , получаем
Rxx (X)= Rxx (t )+ R&± (X) (6)
Учитывая, что колебательный процесс, являясь решением уравнения (1), в простейшем виде может быть представлен моногармоническими колебаниями
X (t) = A • sin (at + ф), (7)
получим
A2
(t) = Ycos a • (8)
В случае, если X(t) - полигармонический колебательный процесс, который может быть представлен в виде суммы нескольких моногармонических колебаний с частотами, находящимися между собой в рациональном отношении
X (t) = Z Ak • sin(akt + фк) , (9)
к =1
2п
где ак = — к, то T
х A2
(т) = Z -7ГcosakT (10)
к =1 2
Таким образом, при наличии гармонических колебаний в исходном спектре ВА колебаний ТСС АКФ содержит гармоническую составляющую и характеризует спектральные свойства ВА сигнала (амплитуду и частоту). Подробный анализ сущности и информативности метода (по динамическому качеству МРС) проведен в [2]. Поскольку известные методы оценок по стохастическим характеристикам ВА колебаний, например, по спектральным функциям, функциям когерентности и другим [4], не позволяют дать быструю эффективную оценку динамического состояния станка, было предложено
применить для этой цели функционал, формируемый из АКФ ВА колебаний ТСС при резании [5],
представляющий собой свертку корреляционной функции, основанную на интегральных методах В.С.Кулебакина-А.А.Фельдбаума [6].
t
'=!
RXx T)+a1R XX (т)+а2 С(т)
dt, (11)
где Ц,а2 - весовые коэффициенты; [о, t ] - отрезок времени, на котором производится интегрирование; (т), (т), Яхх(т) - АКФ, ее первая и вторая производные соответственно.
Формула (11), представляющая собой интегральную оценку АКФ регистрируемых ВА колебаний, позволяет получить численную характеристику динамического состояния станка, что является достоинством данного метода и обеспечивает применение (11) в качестве решающего правила при вибродиагностике МРС различного назначения.
Кроме указанной формулы для построения алгоритма диагностирования могут также использоваться различные линейные комбинации слагаемых в подынтегральном выражении (11), позволяющие учесть информацию о колебательности или апериодичности функции Яхх (т).
С точки зрения оперативности и эффективности диагностирования хорошие показатели обеспечивает оценка вида
t 2
1 = 1[Кхх (т)] Лт (12)
о
В [2] методом компьютерного моделирования построены некоторые типичные графики Я(т) для различного вида колебательных ВА процессов, начиная от гармонического и кончая случайным. Сравнительный анализ АКФ показывает, что наиболее благоприятными с точки зрения режимов прецизионной обработки (стойкости РИ и микрогеометрии обрабатываемой поверхности) являются динамические состояния ТСС с минимальными значениями интегральных оценок АКФ. С этих позиций идеальным динамическое состояние МРС будет тогда, когда зарегистрированные ВА колебания МРС при стационарном резании представляют собой максимально широкополосный случайный шум, т.е. должны быть близки к процессу типа «белый шум», при этом обеспечивается минимум интегральной оценки (11) или максимум динамического качества МРС [5].
О
Практическая реализация предложенного метода вибродиагностики, включающая автоматизированную обработку данных о ВА колебаниях и вычисление интегральных оценок АКФ, защищена авторским свидетельством №1750925 [6] и подробно изложена ниже.
Система контроля динамических характеристик МРС, представленная в виде информационноизмерительного канала (ИИК) на рисунке, разработана в СГТУ [5, 6]. Основным ее достоинством является применение ряда метрологически аттестованных стандартных приборов, выпускаемых промышленностью, и возможность стыковки с верхним уровнем (ВУ) управления в качестве информационного канала, например, системой мониторинга технологического процесса, что обеспечивает высокую достоверность получаемой контрольной и диагностической информации [1].
В состав ИИК для контроля динамического состояния оборудования входят:
• виброизмерительный прибор ВШВ-003-М3 в комплекте с датчиком виброускорения ДН3-М1 и
предусилителем вибросигнала;
• компьютер типа Ноутбук, укомплектованный платой АЦП и соответствующим программным
обеспечением.
Вибродатчик ДН3-М1 виброизмерительного прибора ВШВ крепился на станочном объекте с помощью магнитного основания.
Сигнал с датчика, пропорциональный виброускорению, через предусилитель подавался в измерительный блок прибора ВШВ-003, где регистрировался в режиме «ЛИН» в частотном диапазоне от 1 Гц до 4 кГц.
С аналогового выхода прибора вибросигнал поступал на АЦП для преобразования в цифровую форму и ввода в компьютер, в котором производилась обработка сигнала по специальной программе на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Ноутбук
Структура ИИК динамического состояния оборудования
На экран монитора компьютера в режиме реального времени выводилась спектрограмма, по которой по первому программному модулю вычислялась интегральная оценка, характеризующая общее динамическое состояние МРС. По второму программному модулю вычислялась АКФ от временной характеристики по описанной выше методике, позволяющая определить частную оценку динамического качества станка.
Перед проведением испытаний с помощью тарировочного вибростенда фирмы ИРТ (Г ермания) производилась калибровка ИИК, включающего датчик, предусилитель, прибор и компьютер.
В процессе исследований вибродатчик, устанавливаемый как можно ближе к зоне резания, например, на резцовом блоке токарного станка, предназначен для выделения сигнала, пропорционального виброускорению в диапазоне 2...4000 Гц. В качестве датчика использовался пьезоэлектрический акселерометр, входящий в комплект виброизмерителя ВШВ-003-М3, который усиливал сигнал виброускорения до уровня 0,1-0,2 В. Далее сигнал поступал интегратор, встроенный в виброизмеритель и предназначенный для получения сигналов о виброскорости. С выхода интегратора ВА сигнал подавался , на АЦП, с выхода которого после преобразования появлялся цифровой код, содержащий информацию о дискретных значениях ВА процесса. Этот код поступал для запоминания и обработки в компьютер типа Ноутбук. В нем производилось интегрирование массива данных, строился спектр ВА колебаний и вычислялась АКФ по максимальному значению АКФ при нулевом сдвиге и подсчитывались интегральные оценки, полученные при резании в течение каждого прохода резца по поверхности обрабатываемой детали. Программное обеспечение составляла программа сбора информации и расчета интегральных оценок АКФ и спектра ВА колебаний ТСС.
По пронормированному массиву исходных данных при необходимости находились массивы первой и второй производных, затем по каждому из массивов вычислялись интегральные оценки. Для удобства анализа распечатки массива интегральных оценок предусматривались три режима, соответствующие виду исходного процесса (виброускорения, виброскорость, виброперемещение), с их циклической сменой. Программа позволяла также строить график кривой исходной АКФ. Программа за-166
канчивалась перебором значений интегральных оценок АКФ, полученных при различных режимах резания, и выделялось минимальное значение оценок соответствующее лучшему динамическому качеству и оптимальному режиму, например, по шероховатости поверхности и стойкости РИ.
Примером диагностирования динамического качества МРС может служить регистрация ВА колебаний ТСС и вычисление реальных АКФ с помощью ИИК при точении на станках 1А616, ТПК-125, ТПАРМ-100М и других. ВА колебания ТСС, служившие исходной информацией для получения АКФ, регистрировались датчиком, установленным на резцовом блоке станка с помощью магнитного основания, а затем обрабатывались по алгоритмам, описанным выше. Величина (минимум) интегральной оценки АКФ объективно показывало лучшее динамическое качество, что подтверждалось сопоставлением с результатами, полученными другим методом вибродиагностики [3, 4], т.е. обеспечивало достоверное диагностирование динамического состояния станка.
Для проверки возможностей предложенного метода по оптимизации режима резания по параметру шероховатости выполнены многочисленные исследования на станках 1 А616 и токарных модулях гаммы ТПАРМ, в которых достоверно подтверждена связь между изменением интегральных оценок АКФ ВА колебаний и параметром шероховатости поверхности обработанных деталей при варьировании вылета резца, подачи, припуска и скорости вращения шпинделя [2, 5, 6].
Таким образом, разработанный метод позволяет по интегральным оценкам АКФ ВА колебаний ТСС при стационарном резании не только производить количественную оценку, представляющую собой решающее правило для диагностирования динамического качества станка, но и оптимизировать режим резания, в частности по шероховатости поверхности, критерием чего служит минимум указанных интегральных оценок.
По величине интегральных оценок от огибающей спектра сигнала оценивалось общее динамическое состояние оборудования. Значения этих оценок являются критерием динамического качества станка. Полученная информация может быть передана в информационно-вычислительную сеть предприятия с помощью системы мониторинга технологического процесса и выведена на верхний уровень (ВУ) управления предприятием, например в АСУП.
Кроме того, реализованный ИИК успешно применялся на балансировочном станке МС9Г717 [7], на котором по разработанной методике производилась высокоточная динамическая балансировка крупногабаритных роторов электродвигателей тягового состава железной дороги.
ЛИТЕРАТУРА
1. Добряков В.А. Формализация оценки технического состояния станков как объектов контроля, диагностирования и испытаний / В. А. Добряков // Вестник СГТУ. 2011. №2 (56). Вып.2. С. 45-52.
2. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков. Ч. 2 / Б.М. Бржозовский, В.А. Добряков, А.А, Игнатьев, В.В. Мартынов. Саратов: СГТУ, 1994. 156 с.
3. Карасев В.А. Доводка эксплуатируемых машин. Вибродиагностические методы / В.А. Карасев,
A.Б. Райтман. М. Машиностроение, 1986. 192 с.
4. Добрынин В.А. Методы автоматизированного исследования вибраций машин: справочник /
B.А. Добрынин, М.С. Фельдман, Г.И. Фирсов. М. Машиностроение, 1987. 224 с.
5. Игнатьев А.А. Динамические испытания прецизионных токарных модулей / А.А. Игнатьев, В.А. Добряков, В.В. Куранов // Известия вузов. Машиностроение. 1992. №4-6. С. 98-101.
6. А. с. № 1750925. Способ управления обработкой резанием / Б.М. Бржозовский, А.А. Игнатьев, В.А. Добряков, В.В. Куранов // Открытия. Изобретения. 1992. № 28.
7. Добряков В.А. Высокоточная балансировка крупногабаритных деталей типа «ротор» по параметрам вибрации / В.А. Добряков, М.В. Виноградов, С.С. Пчелинцев // Автоматизация и управление в машино и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2000. С. 43-45.
Добряков Владимир Анатольевич - Vladimir A. Dobryakov -
кандидат технических наук, доцент PhD., senior lecturer «Automation and processes
кафедры «Автоматизация и управление control» Saratov State Technical University
технологическими процессами»
Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 30.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011
