CC BY
12
УДК 681.5
М.А. Игнатьев, А.А. Игнатьев
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛА КАТАСТРОФИЧЕСКОГО ИЗНОСА РЕЗЦА ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ПО ЗАПАСУ УСТОЙЧИВОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Аннотация. Рассматривается алгоритм для определения момента начала критического износа инструмента на основе оценки запаса устойчивости динамической системы по вибрационным характеристикам и приводятся результаты экспериментов.
Ключевые слова: износ резца, вибрация, динамическая система, запас устойчивости, алгоритм распознавания
M.A. Ignatiev, A.A. Ignatiev
ALGORITHMS TO DEFINE THE MAIN GROSS WEAR DURING TURNING OPERATIONS BASED ON STABILITY MARGIN OF A DYNAMIC SYSTEM
Abstract. An algorithm is considered to determine the moment of critical wear of the instrument based on the assessment of the stability margin of the dynamic system by vibration characteristics and the results of experiments are given.
Keywords: cutter wear, vibration, dynamic system, stability margin, recognition algorithm
ВВЕДЕНИЕ
На эксплуатационную надежность подшипников, применяемых в авиации, приборостроении, в автомобильном и железнодорожном транспорте, сельскохозяйственной и военной технике существенное влияние оказывает качество токарной обработки деталей, на которое, в свою очередь, влияет состояние режущего инструмента [1-3]. Поздняя смена инструмента приводит к нежелательным последствиям: от появления брака обрабатываемой детали до выхода из строя всего станка. Однако слишком ранняя смена резца ведет к неоптимальному расходу рабочего ресурса инструмента, а следовательно, к дополнительным финансовым затратам.
Практические данные показывают, что порядка 35 % поломок режущего инструмента происходит из-за его износа, а затраты времени на перезаточку или замену резца составляют в среднем 10 % от рабочего времени мехатронных станочных систем [4]. Отсюда следует, что для предотвращения поломок резца и брака изделий, связанного с износом инструмента, необходимо своевременно определить момент начала критического износа резца. Критический (катастрофический) износ - это износ, после достижения которого начинается неконтролируемо быстрое его возрастание. При наступлении критиче-
51
ского износа резца резко возрастает уровень силовых, температурных и динамических нагрузок [5, 6], а точность обработки приближается к границе поля допуска.
В производственных условиях оператор станка с ЧПУ может определить начало наступления критического износа резца с запаздыванием во времени, что может привести к возникновению брака. Вследствие этого замена инструмента происходит после обработки определенного количества деталей, чтобы избежать снижения качества деталей и поломки резца. Чаще всего это происходит до выработки резцом ресурса, что приводит к снижению эффективности производства из-за неоптимального расхода инструмента и снижению коэффициента готовности. Следовательно, достаточно актуальной является необходимость разработки системы контроля резца при токарной обработке для выявления его катастрофического износа в реальном времени [7, 8].
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ РАСПОЗНАВАНИЯ КАТАСТРОФИЧЕСКОГО ИЗНОСА РЕЗЦА
Для контроля инструмента при токарной обработке в условиях реального производства наиболее широко используются косвенные методы, в частности, виброакустические [3, 8]. Они основаны на измерении виброакустических (ВА) колебаний динамической системы (ДС) станка при резании, их последующей программно-математической обработке и формировании критерия замены резца.
Методика распознавания катастрофического износа построена исходя из способа стохастической идентификации динамического качества станков, предложенной в СГТУ имени Гагарина Ю.А. [9]. Суть данного метода заключается в том, что данные о В А колебаниях резцового блока или шпиндельного узла обрабатываются методами теории автоматического управления с последующим последовательным вычислением автокорреляционной функции, передаточной функции ДС, амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и показателя колебательности. Этот показатель определяет запас устойчивости ДС, являющийся важным показателем ее динамического качества [10].
Если в процессе резания наступает катастрофический износ резца, то запас устойчивости достаточно резко уменьшается, что автоматически выявляется. Данный метод обладает такими преимуществами как простота и дешевизна применения, для реализации не нужно вмешиваться в процесс работы станка и его конструкцию, так как ВА колебания регистрируются устанавливаемым на магнитном основании внешним датчиком, а обрабатываются компьютером. Алгоритм распознавания начальной фазы критического износа резца по показателю колебательности ДС представлен на рис. 1.
Сигнал с вибродатчика проходит фильтрацию для того, чтобы снизить влияние частот колебаний механической системы станка, не связанных с резанием (как правило, это низкие частоты порядка до нескольких сотен герц) [11]. Далее вычисляется автокорреляционная функция (АКФ) К(), которая аппроксимируется выражением
К(т) = А • е"ат • (1+т • ^(О- х) ■ ^(со0 ■ т)), (1)
где А - постоянный коэффициент, а - коэффициент затухания, ш0 - основная частота АКФ, О - частота огибающей, т - коэффициент модуляции.
Найденные значения коэффициентов из формулы (1) позволяют по специальной методике [9] получить передаточную функцию ДС токарного станка: 52
Рис. 1. Алгоритм определения начала критического износа резца по показателю колебательности динамической системы
W(p) = n_A(1 + m) 42 [(p + а)2+ < ]_,. (2)
l(p + а)2 + (ш0 + Q)2J-[(p + а)2 + К - Q)2J
В общем случае ДС станка является нелинейной, однако практика показывает, что АКФ в процессе обработки одной заготовки почти не меняется и ДС может быть рассмотрена как линеаризованная, то есть применение передаточной функции обоснованно.
Далее для оценки запаса устойчивости ДС необходимо вычислить показатель колебательности динамической системы при обработке каждой детали, так как показатель колебательности является мерой запаса устойчивости системы, причем чем выше показатель колебательности, тем меньше запас устойчивости. Показатель колебательности М определяется из амплитудно-частотной характеристики А(ш), которая строится по передаточной функции [10]
M = l^)JL , (3)
A(0) V 7
где [А(ш)]тах - максимальное значение АЧХ, Л(0) - значение АЧХ при ш = 0.
Значения показателя колебательности ДС при обработке каждой детали записываются в массив данных. Для дальнейшего определения момента начала критического износа резца необходимо усреднить массив показателей колебательности. Для этого используется метод скользящего среднего, так как он достаточно точен при малом количестве точек сглаживания, но в то же время прост в реализации. Интервал сглаживания примем равный трем.
M +M., +... +M
MA = —^-^-^, (4)
n
где i = 1.. .n, n - количество точек сглаживания.
Следующим шагом является нахождение разности между соседними усредненными значениями показателя колебательности:
Д = MAt+1 - MAt. (5)
Это выполняется для дальнейшего определения степени изменения показателя колебательности, следовательно, и запаса устойчивости системы. Накладывается условие на изменение последующей разности по отношению к предыдущей:
Ам >2-А.. (6)
Если выражение (6) верно, значит наступил момент начала критического износа резца и необходимы его замена или заточка. Данное соотношение определено эмпирически при исследовании процесса резания и точности обработки колец подшипников на токарных станках.
Процесс обработки значений показателя колебательности можно представить графически в виде диаграмм (рис. 2). 54
_Л_I_г.
Рис. 2. Процесс обработки значений показателя колебательности: 1 - значения показателей колебательности для последовательно обработанных колец; 2 - сглаженные значения показателей колебательности; 3 - разность между соседними сглаженными значениями
На основе представленного алгоритма на языке С++ было разработано программное обеспечение. На выбор данного языка программирования повлияли такие критерии как скорость компиляции и возможность применения в производственных условиях.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования выполнялись в ОАО «Саратовский подшипниковый завод». Для экспериментальных измерений ВА колебаний на токарном станке с ЧПУ модели ПАБ-350 использовался прибор ВШВ-003М3 с датчиком вибраций ДН-3, ноутбук, в который встроена плата, выполняющая аналогово-цифровые преобразования (рис. 3). Износ резца при точении колец подшипников контролировался косвенным методом по изменению их диаметрального размера, причем резкое изменение размера свидетельствовало о начале катастрофического износа.
Рис. 3. Аппаратное обеспечение экспериментов
Измерения выполнялись при черновой обработке резцом PSON пластины SNMM 120412 E-OR; 9230 и при чистовой обработке тем же резцом.
После обработки экспериментальных данных ВА измерений разработанным программным обеспечением были получены следующие результаты: критический износ резца наступает при черновой обработке на 17-19 кольцах, а при чистовой - на 43-45 кольцах. Необходимо отметить, на данном предприятии смена резца происходила регламентированно: при черновой обработке - после 15-го кольца, а при чистовой - после 40-го. Следовательно, при экспериментах ресурс инструмента использовался более полно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Алгоритм определения износа резца при токарной обработке по запасу устойчивости динамической системы и его программная реализация позволяют снизить количество брака, связанного с поздней заменой инструмента при токарной обработке, а также в условиях массового производства значительно уменьшить финансовые затраты, к которым ведет неоптимальный расход рабочего ресурса инструмента при его ранней замене. Данный алгоритм является достаточно точным и позволяет учитывать условия токарной обработки в режиме реального времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. 592 с.
2. Волосов С.С., Гейлер З.Ш. Управление качеством продукции средствами активного контроля. М.: Изд-во стандартов, 1989. 264 с.
3. Мартинов Г.М., Григорьев А.С. Диагностирование режущих инструментов и прогнозирование остаточной стойкости на станках с ЧПУ // СТИН. 2012. № 2. С. 23-28.
4. Изюмов А.И. Контроль и управление состоянием инструмента многооперационного станка в системе его интеллектуального мониторинга: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.07. Ростов-на-Дону: ДГТУ. 2017.
5. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.
6. Ящерицын П.И., Еременко М.Л., Фельдштейн Е.Э. Теория резания: Физические и тепловые процессы в технологических системах. Мн.: Выш. шк., 1990. 512 с.
7. Игнатьев С.А., Казинский Н.А., Игнатьев А.А. Выявление катастрофического износа инструмента при мониторинге токарной обработки // Автоматизация и управление в ма-шино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2017. С. 45-49.
8. Игнатьев М.А., Игнатьев А.А. Контроль износа режущего инструмента при токарной обработке // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2020. С. 26-30.
9. Игнатьев А.А., Коновалов В.В., Игнатьев С.А. Идентификация в динамике станков с использованием стохастических методов. Саратов: СГТУ, 2014. 92 с.
10. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 768 с.
56
11. Игнатьев А.А., Добряков В.А., Полуэктова А.М. Условия идентификации динамической системы станка по автокорреляционной функции виброакустических колебаний при резании // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2020. С. 17-22.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Игнатьев Максим Алексеевич -
магистрант кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Игнатьев Александр Анатольевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Maxim A. Ignatiev -
Master student, Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Alexander A. Ignatiev -
Dr. Si. Tech., Professor, Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 15.01.21, принята к опубликованию 28.02.21
