CC BY
56
УДК 681.5
С.А. Игнатьев, М.П. Васин
МНОГОПАРАМЕТРОВЫЙ АКТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ ШЛИФОВАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Рассматривается применение многопараметрового активного контроля при шлифовании колец подшипников, который используется как информационно-измерительный канал системы мониторинга
технологического процесса.
S.A. Ignatiev, M.P. Vasin
BEARINGS’ RINGS MULTI PARAMETER IN-PROCESS GRINDING WITHIN THE TECHNOLOGICAL PROCESS MONITORING SYSTEM
Application of multiple parameter in-process gauging is studied here at grinding of rings of bearings, which is used as the informational-measuring channel of system of monitoring of the process.
Для подшипниковой промышленности характерна высокая конкуренция на рынке сбыта продукции, в том числе подшипников для транспортных средств. Для повышения конкурентоспособности необходимо обеспечить высокое качество подшипников, что достигается внедрением системы мониторинга технологического процесса (СМТП) как элемента системы управления качеством продукции [1-3].
Качество функционирования СМТП в значительной степени зависит от ее организации в рамках предприятия. Для построения эффективной СМТП необходима методология, позволяющая на основе системных представлений рекомендовать целесообразную организацию системы и принципы ее функционирования, а также разработать научное обоснование и комплекс технических решений. Системный подход позволяет при создании СМТП рационально сформулировать и решить ряд взаимосвязанных задач, в том числе и задачу организации структуры системы в виде четырех подсистем: организационной, технического обеспечения, научно-методической и информационной [4].
Для эффективной реализации СМТП необходимы большой объем достоверной измерительной информации и использование современных информационных технологий для ее обработки и представления в удобной для анализа и принятия решения форме [5]. Источниками информации о состоянии технологического процесса (ТП) служат встроенные и внешние средства контроля станков, режимов обработки и деталей, которые позволяют осуществлять измерение определяющих параметров в ручном, автоматизированном или автоматическом режиме [2].
Существенное влияние на эксплуатационную надёжность подшипников оказывает шлифовальная обработка колец. В современных условиях основным способом повышения точности и производительности операций шлифования является осуществляемый одновременно с обработкой контроль текущего значения размера заготовки, т. е. активный контроль (АК), с формированием команд на переключение скорости подачи.
Формирование команд осуществляется либо только по текущему припуску, либо, при применении многопараметрового АК, с учетом и других параметров режима обработки. Многопараметровый контроль осуществляется с помощью микропроцессорного прибора АК, встроенного в систему управления станком и включенного в состав подсистемы технического обеспечения СМТП [6, 7].
Отклонения параметров точности деталей определяются рядом факторов: отклонениями геометрических параметров точности заготовки (зависящими от технологии производства заготовок), исправляющей способностью процесса шлифования (зависящей от жесткости станка, величины поперечной подачи, характеристик круга, физико-механических свойств СОЖ, вариаций скоростей шпинделя и детали, неравномерности подачи круга) и времени обработки детали. Известно, что исправляющая способность процесса шлифования возрастает с увеличением поперечной подачи, однако этот способ повышения точности обработки ограничен необходимостью обеспечения заданных физико-механических свойств поверхностного слоя. Таким образом, для повышения стабильности параметров точности шлифованных поверхностей качения колец подшипников целесообразно формировать дополнительные ограничения на величину поперечной подачи, которые обеспечивают исправление отклонений геометрических параметров с заданной точности за время обработки детали, что создает предпосылки для повышения производительности шлифовальных операций.
На рис. 1 приведена функциональная схема шлифовальной обработки колец подшипников на основе многопараметрового АК, включающего управление режимами обработки в реальном времени с учетом результатов мониторинга ТП. Два измерительных канала (текущий припуск и вибрация жесткой опоры) аппаратно принадлежат прибору АК, который является частью системы управления. Измерительная информация о текущем припуске используется для вычисления скорости съема припуска и спектральных составляющих припуска, связанных с отклонениями параметров точности [7]. Составляющие вибрации в диапазоне частот от 1 до 2 кГц используются для определения момента касания круга и детали и реализации цикла с ускоренным подводом круга к детали. Управление циклом путем переключения поперечной подачи осуществляется по величине припуска и выполнению ограничений на скорость съема припуска и вибрации жесткой опоры, определяемых при обучающем эксперименте. Коэффициенты изменения спектральных составляющих припуска за один оборот детали характеризуют способность процесса шлифования исправлять отклонения параметров точности. Информация о математическом ожидании и дисперсии отклонений геометрических параметров заготовки и исправляющей способности процесса шлифования передается в СМТП для принятия решения о подналадке или ремонте станка и корректировке требований к точности заготовок. Контроль физико-механических свойств поверхностного слоя дорожек качения колец осуществляется внешними по отношению к станку измерительными средствами -автоматизированными приборами вихретокового контроля, информация с которых передается в СМТП [2].
Для оценки исправляющих свойств процесса шлифования необходимо построить соответствующую модель. Известны модели, описывающие процессы в динамической системе шлифовального станка [2-5]. Они отличаются включением в рассмотрение различных динамических звеньев с учетом конкретных задач. В работе [9] приведена модель процесса внутреннего шлифования, выражающая положение режущей кромки шлифовального круга после i оборотов детали при шлифовании заготовки с эксцентриситетом внутренней и внешней окружностей. В работе [10] модель М.М. Тверского обобщена для описания шлифования деталей, обладающих произвольным набором отклонений параметров точности (эксцентриситета, овальности, гранности). Расчетная схема модели приведена на рис. 2.
К шлифовальной бабке массой M приложена сила P. Сопротивление движению шлифовальной бабки создается вязким демпфером с коэффициентом пропорциональности
c между силой и скоростью движения. Сила сопротивления Py приложена к шлифовальной бабке через удлинитель шпинделя шлифовального круга с коэффициентом жесткости
В наиболее общем виде поверхность качения заготовки кольца, имеющей отклонения параметров точности, можно описать известной функцией вида [9]:
^ (ф) = Я + Е 4 ^п0'ф) + Е^ . (1)
III.ч ифовал ьм ыИ
<11 !Г() маг
Обучающий
ЗКІ;ІІЄрИМЄІІТ
Принятие решения о корректировке требований к точности заготовок
Принятие решения о подналадке или ремонте станка
Програм ммо-мате мат и ческое обеС;ІІЄЧЄІІИЄ С і I (тс мы мониторинга
Процесс
рс'^іЧІ ИЯ
Мн огоп ар аметропый акти вн ый контроль
Уровень вибрации Текущий припуск
ш
Программно-математическое обеспечение (модуль управления в реальном времени)
Спектр вибрации
Мо
ІОМШІТ касамия
Скоросгг!. ЕГЕ.ема ирииуска
Сиектралъи ые составляющие мримуска
Программно-математическое обеспечение (модуль включения в систему мониторинга)
Рис. 1. Функциональная схема управления процессом шлифования с многопараметровым активным контролем
Рис. 2. Расчетная схема процесса внутреннего шлифования
Исправляющая способность процесса шлифования характеризуется амплитудночастотной характеристикой системы «круг - деталь», связывающей амплитуду периодических составляющих припуска на текущем и предыдущем оборотах детали:
До) =
о4М4 + о2(с2 -2куМ) + к
о
4у2М4 +о2(с2у2 - 2к уМ) + к2
(2)
График функции А(ш), построенный с использованием значений параметров модели, приведенных в работах В.Н. Михелькевича и М.М. Тверского, представлен на рис. 3. Как видно из графика, исправляющая способность процесса шлифования выше в области высоких частот с минимумом на частоте 15 Гц, которая в проведенных экспериментальных исследованиях соответствует гранности детали.
Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика Д(ю)системы «круг - деталь», характеризующая исправляющую способность процесса шлифования
Для обеспечения заданного качества колец подшипников определяются ограничения на контролируемые параметры процесса шлифования, нарушение которых приводит к образованию прижогов и недостаточному исправлению отклонений параметров точности. Ограничения, обеспечивающие заданные свойства поверхностного слоя, формируются по результатам вихретокового контроля и передаются в прибор АК из СМТП. Ограничения, обеспечивающие исправления отклонений параметров точности, формируются в приборе АК в зависимости от величины отклонений геометрических параметров заготовки,
припуска на шлифование и исправляющей способности процесса шлифования. Полученные ограничения разделяют пространство режимов шлифования на области допустимых и недопустимых значений [7, 8]. При этом для повышения производительности станка скорость снятия припуска должна быть максимально близка к границе области допустимых значений. Для достижения этой цели припуски переключения поперечной подачи автоматически корректируются при прохождении фазовой траектории процесса (под фазовой траекторией понимается графическое изображение в многомерном пространстве поведения параметров процесса во времени) через определенные области пространства режимов шлифования. При этом вместо фиксированного набора пороговых припусков переключения подач алгоритм использует диапазоны переключения подач [7].
Алгоритм управления циклом шлифования (рис. 4) предусматривает завершение обработки при достижении нулевой величины припуска. Поэтому необходимо формировать дополнительные ограничения на величину поперечной подачи таким образом, чтобы время обработки детали было достаточным для исправления отклонений геометрических параметров с заданной точностью. Для решения этой задачи разработан следующий алгоритм: проводится обучающий эксперимент: шлифуются детали на различных величинах поперечной подачи; вычисляется двумерный массив, связывающий припуск на шлифование и время обработки детали с величиной поперечной подачи, для чего осуществляется численное моделирование динамики снятия припуска по полученным выражениям; в начале шлифования детали (при подводе шлифовального круга) прибором АК определяются отклонения геометрических параметров заготовки как амплитуды периодических составляющих сигнала датчика припуска с частотами, кратными частоте вращения детали, и величина припуска на шлифование; на основании полученных величин отклонений геометрических параметров заготовки и исправляющей способности процесса шлифования, определяемой выражением (3), для каждой подачи вычисляется время обработки, необходимое для обеспечения заданной точности детали; в ранее вычисленном массиве находится величина подачи, обеспечивающая удаление припуска за время, не менее вычисленного на предыдущем шаге.
Полученные в работе [7] выражения для движения режущей кромки шлифовального круга позволяют осуществить численное моделирование динамики съема припуска на различных подачах (рис. 4, для каждой кривой съема припуска указаны величина подачи и максимально допустимая величина овальности заготовки при величине припуска на шлифование 400 мкм).
Проведены экспериментальные исследования отклонений геометрических параметров точности колец подшипников на внутришлифовальных станках SIW-4/1, оснащенных экспериментальным образцом микропроцессорного прибора АК, построенным на базе промышленной ЭВМ «Барс» с платами АЦП Advantech PCI 1713 и дискретного ввода и релейного вывода Advantech PCI 1760. Шлифовалась дорожка качения наружных колец шарикового радиально-двухрядного подшипника 256907 из стали ШХ15-В кругами 24А250М1К размером 155x9x16. Запись сигнала датчика припуска осуществлялась прибором АК с частотой дискретизации 5 кГц. Затем массивы данных для каждого цикла шлифования загружались в среду численного анализа GNU Octave, в которой строились графики изменения составляющих спектра сигнала датчика припуска на частотах от 10 до 40 Гц с шагом 5 Гц. Для построения графиков выполнялось быстрое преобразование Фурье на окне шириной в 1024 точки, с перекрытием соседних окон в 512 точек.
400 320 240 г 160 80 0
\
\
пп
: С \
10 20 30 40
*,С
а
160
120
а
|
\ 80 " 40 О
->
4 170,? мш с: 14.4 мк И 1
н< м/с 16 м км —1
"ч
■> 76.2 цкмЛ 17,8 ыш V'
■■
1 — 17.81 1КМ/< - 26,: 2 мк\
50
80 160 240 320 400
X, мкм
б
Рис. 4. Численное моделирование динамики съема припуска на различных подачах: а - изменение припуска во времени; б - распределение скорости съема припуска по припуску
Составляющая спектра с частотой 10 Гц (при скорости вращения шпинделя детали 300 об/мин, т.е. частоте вращения детали 5 Гц) соответствует овальности детали, 15 и 20 Гц - гранности, 25-40 Гц - волнистости. На рис. 5 приведены типичные графики изменения составляющих спектра припуска. Из графиков видно, что составляющие спектра сигнала датчика припуска можно использовать для исследования динамики изменения параметров точности.
Способность процесса шлифования исправлять отклонения параметров точности зависит от величины поперечной подачи суппорта шлифовального круга. При этом степень исправления отклонений параметров точности за один оборот детали растет с увеличением подачи, но степень исправления за цикл обработки детали убывает с увеличением подачи (рис. 6).
Рис. 5. Типичные графики изменения амплитуды спектральных составляющих припуска 5 на различных подачах: а - 10 Гц (овальность), подача - 17,8 мкм/с; б - 10 Гц (овальность), подача - 175,6 мкм/с
Рис. 6. Коэффициенты изменения овальности кп при различных подачах: 1 - 17,8 мкм/с; 2 - 76,2 мкм/с;
3 - 113 мкм/с; 4 - 170,8 мкм/с;
5 - 175,6 мкм/с Также апробировался разработанный метод
повышения стабильности точности колец подшипников. На рис. 7 представлены вероятности величин отклонений параметров точности при использовании прибора активного контроля «ЭКОМ» (а, б) и
экспериментального образца микропроцессорного прибора АК (в, г).
Проведенные экспериментальные исследования позволили обосновать, во-первых, целесообразность использования спектрального анализа сигнала датчика припуска для исследования динамики изменения параметров точности, во-вторых, целесообразность управления величиной поперечной подачи шлифовального автомата в зависимости от величины отклонений геометрических параметров точности.
Рис. 7. Распределение вероятностей величин отклонений параметров точности (а, в - овальность; б, г - гранность) при использовании прибора активного контроля «ЭКОМ» (а, б)
и экспериментального образца прибора АК (в, г)
Внедрение экспериментального образца микропроцессорного прибора многопараметрового АК, реализующего разработанные алгоритмы, позволило апробировать в производственных условиях ОАО «Саратовский подшипниковый завод» разработанный метод управления точностью шлифовальной обработки колец подшипников, что способствовало снижению дисперсии геометрических параметров точности на 70%. Интегрирование микропроцессорных приборов АК в СМТП способствует не только повышению качества обработки колец подшипников, но и получению и накоплению объективной информации о состоянии ТП на каждом станке индивидуально, что необходимо для принятия решения о корректировке ТП в случае его разладки.
Дисперсия гранности колец при шлифовании при использовании штатного прибора АК типа «ЭКОМ» и экспериментального образца прибора АК приведена на рис. 8.
■0.2 -0.1 0 0.1 0.2 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2
х х
а 5
Рис. 8. Дисперсия гранности колец при шлифовании при использовании: а - прибора активного контроля «ЭКОМ»; б - экспериментального образца прибора АК
ЛИТЕРАТУРА
1. Пуш А.В. Моделирование и мониторинг станков и станочных систем / А.В. Пуш // СТИН. 2000. № 9. С. 12-20.
2. Мониторинг станков и процессов шлифования в подшипниковом производстве / А. А. Игнатьев, М.В. Виноградов, В.В. Горбунов и др. Саратов: СГТУ, 2004. 124 с.
3. Игнатьев А. А. Совершенствование системы управления качеством продукции на основе мониторинга технологического процесса / А. А. Игнатьев, В.В. Горбунов, С. А. Игнатьев // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2005. С. 81-87.
4. Игнатьев А. А. Организация системы мониторинга технологического процесса /
A. А. Игнатьев, В.В. Горбунов, С. А. Игнатьев // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 71-75.
5. Игнатьев С.А. Информационное обеспечение системы мониторинга
технологического процесса при производстве деталей подшипников / С.А. Игнатьев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. № 4 (18). С. 121-125.
6. Игнатьев А.А. Активный контроль и мониторинг процесса шлифования деталей подшипников / А. А. Игнатьев, В.В. Горбунов, С. А. Игнатьев. Саратов: СГТУ, 2007. 104 с.
7. Васин М.П. Управление шлифованием колец высокоточных подшипников с адаптацией режимов шлифования / М.П. Васин, В.В. Горбунов, А.А. Игнатьев // СТИН.
2007. № 7. С. 29-34.
8. Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифованием /
B.Н. Михелькевич. М.: Машиностроение, 1975. 304 с.
9. Тверской М.М. Автоматическое управление режимами обработки деталей на станках / М.М. Тверской. М.: Машиностроение, 1982. 208 с.
10. Васин М.П. Повышение стабильности точности шлифовальной обработки колец подшипников на основе многопараметрового активного контроля / М. П. Васин // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ,
2008. С. 23-30.
Игнатьев Станислав Александрович -
кандидат технических наук,
докторант кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
Васин Максим Павлович -
аспирант кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 05.09.07, принята к опубликованию 15.01.08
