МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ВИБРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

УДК 621.91

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ВИБРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

А.В. Анцев, Н.И. Пасько, Е.С. Янов, Ч.Х. Данг

Рассмотрены вопросы косвенного контроля состояния режущего инструмента в процессе резания на основе уровня вибрации машинной части технологической системы. Показано, что изменение максимальной мощности спектра сигнала вибрации ведет себя закономерно со стадиями износа режущего инструмента. Для описания зависимости уровня вибрации от наработки использована модель Кэптейна. Показано, что уровень вибрации распределен асимптотически логарифмически нормально. Также предложено понятие вибропаспорта станка как наработки, при которой режущий инструмент переходит в стадию нормального изнашивания, и уровня максимальной мощности спектра вибрации при этом.

Ключевые слова: период стойкости, износ, вибрация, оценка, вибропаспорт.

Режущий инструмент в технологической системе операции среди других ее элементов, от которых зависит производительность, экономичность и надежность обработки, имеет минимальную наработку между отказами, определяемую периодом стойкости [1], но при этом оказывает существенное влияние на эффективность процесса резания [2] из-за простоев оборудования вследствие внезапных отказов инструмента - в условиях современного автоматизированного производства доля простоев технологического оборудования из-за отказов режущего инструмента достигает 20 % [3, 4]. Таким образом, задача контроля состояния режущего инструмента и прогнозирования его периода стойкости является актуальной.

Одним из перспективных методов контроля износа режущего инструмента в процессе обработки является контроль вибрации механической части технологической системы [5]. Изменения в характере протекания процесса резания из-за изнашивания режущего инструмента сопровождаются соответствующим изменением параметров вибрации технологической системы.

Пример спектра сигнала вибрации технологической системы при продольном точении заготовок из стали 12Х18Н10Т сменной твердосплавной пластиной фирмы Iscar CCMT 060204-14 IC807, полученный с помо-

291

щью быстрого преобразования Фурье (БПФ), и значения максимальной мощности спектров сигнала вибрации по мере увеличения износа инструмента представлены на рис. 1 [6].

Как видно из анализа рис. 1, изменение максимальной мощности спектра сигнала вибрации ведет себя закономерно со стадиями износа режущего инструмента (приработка инструмента до 0,19 мм износа по задней поверхности, нормальное изнашивание до 0,34 мм и последующее катастрофическое изнашивание), что позволяет получить объективную картину состояния режущего инструмента.

5000 10000

Частота, Гц

а б

Рис. 1. Пример спектра сигнала вибрации и результаты его обработки: a - спектр вибрации при уровне износа пластины по задней поверхности 0,4 мм; б - максимальная мощность спектра

Таким образом, уровень вибрации не остается в среднем постоянным, а растет пропорционально уровню износа режущего инструмента на этапах нормального и катастрофического износа. Для математического описания такой зависимости уровня вибрации воспользуемся моделью Кэптейна [7].

Пусть уровень вибрации характеризуется величиной x (t). Изменение x(t) за время от tt до Ц+i пропорционально достигнутому уровню вибрации

x (ti+1) - x (ti) = ezx (ti); коэффициент пропорциональности £i является случайной величиной, независимой от остальных еj и от величин X(tj). Теперь

g (ti+i) - x (ti)

i =0 i=0 x (ti)

и

z X(tj +i) - x(tj) ^ y dX , i =0 x (ti) t0 x если только значения ti взяты близко одно от другого. Положив t = tN+i, получается, что

N

log x (t) = z е + log x (to).

i=0 292

При N большом и надлежащих предположениях относительно е/ логарифм уровня вибрации X ^) имеет почти нормальное распределение и, значит, сам уровень вибрации X (I) распределен асимптотически логарифмически нормально и плотность распределения уровня вибрации X после наработки / минут резания или, что чаще более удобно с практической точки зрения, п наработанных деталей

2

1 (1п X - 1п Х(п)) (1)

/п (X) = Г-—_ ехр[--2-]. (1)

у/2кпох 2п52

/ч

Здесь Х(п) = Ь ехр(па) - среднегеометрическое значение уровня вибрации; а, Ь и 5 - параметры распределения, оцениваемые из опыта. Наработка п отсчитывается после периода приработки.

Оценим отмеченные параметры по статистике «наработка - уровень вибрации»

(ni,Xi), I = 1,..., N. (2)

методом наибольшего правдоподобия [8-10].

Максимум функции правдоподобия

1 г (1пX/ - 1пЬ-ща)2 (3)

Рг(Ь,а,5) = П К ^ ехр[--1-^-]} (3)

/=1 л] 2кп/ 5Х/ 2п 52

достигается при значениях а, Ь и 5, сводящих к нулю частные производные от 1пРг(Ь,а,8) по а, Ь и 5 соответственно.

Отмеченное дифференцирование приводит к следующим уравнениям:

N

X 1п X/ / п/ - а • N

1п Ь = -, (4)

N

Х1/п/

I=1

N

X 1п X/ - N 1п Ь

а = -, (5)

N

X пI

I=1

52 = 1 X (1пX/ - 1пЬ -пга)2 (6)

N¿1 п/ '

Из системы уравнений (4), (5) получаем, что

N N N

X 1п X/ / щ • X щ - N • X 1п Xi

1п Ь = 1=__/=1 . (7)

1 N N

X1/п • X п - N2

/=1 /=1

Таким образом, параметры а, Ь и 5 вычисляются в следующем порядке: из уравнения (7) вычисляется Ь, затем из уравнения (5) вычисляется а, а 5 вычисляется из (6).

Математическое ожидание и коэффициент вариации уровня вибрации X (п) в зависимости от наработки будут соответственно

--!■ л с 2

X(п) = | /п (х) • хйх = Х(п) ■ ехр(п5 /2);

0 _

Кх (п) =д/ ехр(п52) -1.

Рассмотрим применение предложенной методики на практическом примере. Изменение максимальной мощности спектра в зависимости от числа обработанных деталей при продольном точении заготовок из стали 12Х18Н10Т сменной твердосплавной пластиной фирмы Ьсаг ССМТ 060204-14 1С807 представлено на рис. 2.

1,6

1 2 3 % 5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15 16

Наработка, шт.

Рис. 2. Зависимость максимальной мощности спектра вибрации от числа обработанных деталей

Как видно из рис. 2, стадия приработки инструмента завершилась после обработки третьей детали. С 4 по 14 детали происходила обработка с нормальным изнашиванием режущего инструмента. На 15 детали инструмент перешел в стадию катастрофического изнашивания, на 16 детали произошло разрушение режущего клина, что привело к резкому снижению максимальной мощности спектра вибрации.

В результате расчета параметров а, Ь и 0 для исходных данных, приведенных на рис. 2, были получены следующие результаты:

а = -0,0131, Ь = 0,2129, 5 = 0,2407.

Изменение максимальной мощности спектра вибрации, представленное на рис. 2, позволяет предложить следующий вариант определения вибропаспорта станка - вибропаспортом станка мы будем считать наработку п0, при которой режущий инструмент перешел в стадию нормального изнашивания, и уровень максимальной мощности спектра вибрации Ь0

при этом. Если операция обработки детали содержит несколько переходов, то в этом случае мы можем автоматически разделить сигналы вибрации каждого переда с помощью коэффициента эксцесса сигнала вибрации [11],

выбрать переход с максимальным уровнем вибрации и использовать его для определения вибропаспорта при обработке данной детали и прогнозирования остаточной стойкости.

Представленная в работе методика извлечения из сигналов вибрации информации, отображающей процессы износа режущей части инструмента, позволяет получить вибропаспорт станка для оценки флуктуации его технологических параметров и информацию, отображающую непосредственно изнашивание режущей части инструмента и позволяющую прогнозировать остаточный период стойкости инструмента. Прогноз остаточного периода стойкости инструмента с использованием предложенного подхода может быть использован при чистовых или получистовых операциях обработки дорогих заготовок для принятия решения о своевременной замене инструмента с целью предотвращения неисправимого брака.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00849.

Список литературы

1. Бондарь Н.Ю., Максимчук И.В. Система контроля работоспособности фрез на станках с ЧПУ // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 6. Ч. 1. [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/06/34050 (дата обращения: 02.02.2020).

2. Salonitis K., Kolios А. Reliability assessment of cutting tool life based on surrogate approximation methods // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 71(5-8). P. 1197-1208.

3. The adaptability of a tool wear monitoring system under changing cutting conditions / R.G. Silva [et al.] // Mechanical Systems and Signal Processing. 2000. Vol. 14. P. 287-298.

4. Ильин А.Н. Разработка системы оперативной диагностики режущего инструмента по электрическим параметрам процесса резания: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.07. Уфа, 2000. 191 с.

5. Анцев А.В. Данг Х.Ч. Прогнозирование периода стойкости режущего инструмента на основе контроля вибрации в процессе фрезерования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 7. C. 3-11.

6. Контроль состояния режущего инструмента на основе анализа параметров вибрационных сигналов в частотном пространстве / А.В. Ан-цев, Е.С. Янов Е.С., Х.Ч. Данг [и др.] // «Обеспечение и повышение качества изделий машиностроения и авиакосмической техники», международная научно-техническая конференция. Брянск: Изд-во БГТУ, 2020. С. 308312.

7. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. 524 с.

8. Пасько Н.И., Анцев А.В. Оценка стойкостной зависимости методом максимального правдоподобия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2. C. 129-138.

295

9. Кендалл М.Д., Стьюарт А. Статистические выводы и связи. М.: Наука, 1973. 903 с.

10. Пасько Н.И., Анцев А.В. Статистические методы в управлении качеством: учебное пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 173 с.

11. Анцев А.В., Янов Е.С., Губин В.Ю. Анализ параметров вибрационных сигналов во временном пространстве // Вестник Тульского государственного университета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: сб. научных трудов национальной научно-техн. конф. с международным участием: «АПИР-24». Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. С. 188-192.

Анцев Александр Витальевич, канд. техн. наук, доцент, a.antsev@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пасько Николай Иванович, д-р техн. наук, профессор, pasko3 7@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Янов Евгений Сергеевич, канд. техн. наук, dexaik@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Данг Хыу Чонг, аспирант, danghuutrong@,gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE METHOD OF PROCESSING VIBRATION SIGNALS FOR EVALUATING THE

CUTTING TOOL STATE

A.V. Antsev, N.I. Pasko, E.S. Yanov, T.H. Dang

The issues of indirect control of the cutting tool state in the cutting process based on the vibration level of the machine part of the technological system are considered. It is shown that a change in the maximum power of the spectrum of the vibration signal correlates with the stages of wear of the cutting tool. To describe the dependence of the vibration level on the operating time, the model based on lognormal distribution was used. It is shown that the vibration level is distributed asymptotically logarithmically normally. The concept of vibro-passport of the machine as an operating time, in which the cutting tool goes into the stage of normal wear, and the level of maximum power of the vibration spectrum at this moment is also proposed.

Key words: tool life, wear, vibration, evaluation, vibration passport.

Antsev Alexander Vitalyievich, candidate of technical sciences, docent, docent, a. antsev@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pasko Nicolay Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Pasko3 7@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yanov Evgeny Sergeevich, candidate of technical sciences, dexaik@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Dang Huu Trong, postgraduate, danghuutrong@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University