CC BY
24
Модели с натуральными значениями факторов позволяют инженеру-технологу использовать их на производстве, оперируя общепринятыми величинами в диапазоне варьирования, указанном в табл. 1.
Выводы по работе
1. Показана возможность эффективного шлифования сплавов ВТ20 и ВТ22 абразивными высокопористыми кругами 63С40П СМ2 10К5 (НКФ35).
2. С помощью ¿-критерия для разности независимых пар установлено, что на 5%-ном уровне шлифуе-мость исследуемых титановых сплавов по параметрам шероховатости , , Я2,7?тах и оценивается
общими средними.
3. Полученные коэффициенты корреляции между параметрами шероховатости позволяют по результатам измерения среднего арифметического отклонения профиля неровностей получить полные сведения о микрогеометрии шлифованной поверхности.
4. Модели шероховатости в условиях САПР ТП открывают возможность повысить эффективность абразивной обработки на стадиях проектирования технологического процесса и шлифования деталей.
Библиографический список
1. Закс Л Статистическое оценивание / Пер, с нем. В.Н.Варыгина, Под ред. Ю.П.Адлера, В.Г.Горского. - М,: Статистика, 1976, - 598 с.
2. Планирование эксперимента в технике / Барабащук В,И., Креденцер Б.П., Мирошниченко В.И. / Под ред. В.П.Креденцера, - Киев: Технгса, 1984. - 200 с.
3, Рыжов Э.В., Горленко О.А, Математические методы в технологических исследованиях. - Киев: Наукова думка, 1990. - 184 с,
4, Суслов А,Г, Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. - М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.
П.А.Лонцих
Обеспечение качества и управления динамических параметров технологических систем
Актуальность проблемы обеспечения и управления качеством определяется критериями стандартов качества ИСО 9000, общностью задач обеспечения качества и задач производства. Управление качеством представляет собой род хозяйственной деятельности, цель которой - при минимальных затратах добиться значительного, но вместе с тем экономически целесообразного качества изделия. Стандарты ИСО серии 9000 установили единый подход к условиям по оценке систем качества между производителями и потребителями продукции.
Качество определяется действием многих факторов, Для определения влияния этих факторов на уровень качества необходима система управления качеством. При этом нужны не отдельные разрозненные и эпизодические усилия, а совокупность мер постоянного воздействия на процесс создания продукта с целью поддержания соответствующего уровня качества.
Для оценки уровня качества продукции применяют дифференциальный, комплексный или смешанный методы. Таким образом, качество можно оценить через количественные измерения реальных свойств изделия, продукции или технологической системы. Понятие «оценка качества» предполагает комплексную оценку не только функциональных, потребительских свойств машины, устройства, изделия или технологической системы (динамические и кинематические характеристики - мощность двигателя, быстродействие, производительность, параметры колебательных режимов в стационарном и переходном состоянии, развиваемые силы), но и оценку ее технологических и эксплуатационных свойств (надежность, долговечность, ремонтоспособность). Очевидно, что в эту комплексную оценку вносят свой вклад характеристики стандартизации, унификации, экологичности, безопасности эксплуатации и другие свойства.
Влияние динамических параметров виброактивной механической системы, в том числе такой системы, как металлорежущий станок, на характеристики качества определяется комплексом условий. Динамические и статические силы, возникающие при работе станка, вызывают деформацию как всего станка в целом, так и его составляющих, определяя смещение инструмента по отношению к заготовке. Это вызывает недопустимое отклонение от заданных рабочих движений, повышенный износ, что непосредственно снижает качество. Снижения негативного влияния этих сил можно достичь увеличением статической и динамической жесткости, Однако это требование обеспечения качества не всегда оказывается выполнимым, что определяет выполнение других мероприятий, обеспечивающих сохранение заданного качества. Анализ вынужденных колебаний и процесса резания позволяет установить причину смещения инструмента по отношению к заготовке, определить возможность устранения нежелательных эффектов и достичь требуемого качества. Очевидно, что основным предметом исследования при этом становятся динамические характеристики технологи-
ческих систем и прежде всего параметры, определяемые свободными, вынужденными колебаниями, а также автоколебания,
Предварительный анализ влияния динамических характеристик виброактивной системы на параметры качества приводит к следующим общим рекомендациям:
В статике. Достижение требований качества может быть выполнено при обеспечении высокой жесткости и исключении локальных деформаций.
В динамике. Влияние динамических характеристик на качество системы определяется инерционными параметрами: массой, моментами инерции, конструктивными параметрами - жесткостью элементов конструкций, что определяет величину собственных и резонансных частот изгибных и крутильных колебаний.
В соответствии с изложенным, основные задачи исследований, определенных указанной проблемой, могут быть сформулированы следующим образом:
анализ требований обеспечения качества технологических систем механической обработки; исследования менеджмента качества продукции машиностроения;
анализ взаимосвязи методов оценки и управления качества с динамическими параметрами технологической
системы;
решение задачи оценки конкурентоспособности технологических систем машиностроительного производства,
При решении задач динамики технологических систем механической обработки и установлении их связи с оценкой качества под динамической системой будем понимать техническую систему, поведение которой с приемлемой точностью может быть описано системой дифференциальных уравнений. Приведенное определение динамической системы является приемлемым при решении задач динамики технологических систем механической обработки и оценки их влияния на параметры качества системы, Отметим, что всякое исследование динамических процессов в технологической системе механической обработки начинается с построения модели.
Физические модели строятся на основе обобщения эмпирических данных и наблюдений за поведением системы. Построение динамических моделей на основе иерархического принципа рассмотрим для горизонтально-фрезерного станка (рис.1). При этом твердое тело с массой М отображает подсистему «консоль - стол - заготовка». Упругий элемент с коэффициентом жесткости с1 отображает жесткость шпиндельного узла, элементы с коэффициентами
- жесткости стыков и стоек, связывающих консоль со станиной станка. Сила резания
жесткости с
2 ' »
и с\
P(t) при обработке изделия цилиндрической прямозубой фрезой при исследовании вынужденных колебаний станка считается известной функцией времени, лежащей в плоскости чертежа и направленной под углом а к вертикальной оси. Подставляя выражения кинетической и потенциальной энергии в уравнения Лагранжа второго рода с учетом того, что
-л 1 ^ -л 1
ОХ 02 д(р
получим систему дифференциальных уравнений
Мх + (с2 + с3)х + (сгк3 - с2к2)ср - Рэта;
Мг + (с{ +с4 + с5)г + (с4а4 -с5а5)<р - Рсо$а\
Зпфл-{с2}г\ +с3/г32 + с5а])ф + (съкъ -с2к2)х + (с4аА
Дифференциальные уравнения (1) образуют математическую (динамическую) модель технологической системы механической обработки фрезерованием для исследования вынужденных колебаний. В силу ряда упрощений, принятых при построении, эта модель может рассматриваться как модель низшего уровня. Так как в ней не отображены диссипативные свойства соединений, она может быть использована для решения ограниченного круга задач, например, для приближенного определения собственных частот с целью исключения опасных резонансных зон. Переход к модели следующего уровня можно осуществить, например, путем выделения стола станка в качестве элемента согласно рис. 1. Твердое тело с массой М отображает консоль, а тело с массой т - стол с закрепленной на нем заготовкой.
Подставляя полученные соотношения кинетической, по-
(1)
c5a5)z = ~Php sin а.
Рис, I
тенциальной энергии и обобщенных сил в уравнения Дагранжа второго рода, подучим дифференциальные уравнения движения.
Полученную математическую (динамическую) модель можно считать моделью следующего уровня по отношению к модели (1). Модели более высокого уровня можно получить, например, если учесть инерцию поворота стола, диссипа-тивные факторы и т.д. Отметим, что рассмотренные динамические модели для исследования вынужденных колебаний технологических систем механической обработки являются незамкнутыми. Существенно важным свойством технологической системы механической обработки является ее замкнутость. С учетом этого исследование ее динамических параметров проводят методами теории автоматического управления.
К числу важнейших задач по оценке влияния динамических процессов виброактивной системы на ее качество, относятся:
выявление источников и оценка характера проявлений колебательных процессов в подсистемах станка и в динамической системе в целом;
установление связи между динамическими процессами (колебательными в частности) и качественными показателями механической обработки: размерной точностью, шероховатостью обработанной поверхности, уровнем и характером распределения остаточных напряжений при различных видах механической обработки;
разработка совокупности динамических моделей подсистем и системы в целом, построенной по иерархическому принципу, оптимизированных относительно уровня сложности и возможности применения эффективных вычислительных методов;
определение на основе разработанных моделей характеристик динамического качества и, прежде всего, устойчивости системы в процессе обработки резанием, устойчивости перемещения узлов по направляющим станка, регламентируемого уровня колебаний;
использование динамических критериев качества при оптимизационном проектировании режимов обработки; разработка мероприятий по снижению уровня виброактивности станков и интенсивности вибраций.
В случае использования линеаризованной динамической характеристики приводного двигателя в упрощенной форме при исследовании регулярных режимов используется система обобщенных координат, допускающая при определенных условиях существование периодического решения системы дифференциальных уравнений:
Для определения качественных показателей необходимо рассмотреть частотные характеристики приводов, например, электромеханического привода, механическая система которого отображена двухмассовой моделью (рис, 2).
Для установления связи между частотными характеристиками и соответствующими переходными частотные характеристики разложены на вещественную и мнимую части, В качестве примеров рассмотрены построения характеристик для двух вариантов станочных приводов главного движения: а) специального фрезерного станка с АД; и б) специального расточного станка с двигателем постоянного тока независимого возбуждения. Полученные зависимости предложено использовать для оценки неравномерности хода исполнительного органа и на-груженности элементов механической системы привода при полигармоническом воздействии Мс (¿). Для этой цели
следует воспользоваться полученными амплитудно-частотными и фазовыми частотными характеристиками.
Наиболее эффективными методами, которые обеспечивают контроль состояния в условиях функционирования и позволяют определять собственные возмущения, являются методы диагностики технического состояния, основное содержание которых заключается в изучении и обосновании способов косвенных измерений скрытых параметров устройства по характеру его функционального поведения,
Дефекты и отказы классифицируют по следующим параметрам:
по виду разрушения (усталость, износ, коррозия, термодеформация);
по моментам проявления (в процессе эксплуатации, при осмотрах и техническом обслуживании, при сбороч-но-разборочных работах);
по временному характеру проявления (внезапные, постепенные, сбои, краткосрочные); по причинам возникновения (конструкторские, технологические, производственные, эксплуатационные, дефекты материала);
по степени опасности;
по последствиям (устранимые в эксплуатации, требующие вывод оборудования из эксплуатации, вызывающие происшествие или аварию);
ШШШ
*
§
¡О
Рис. 2
по способам устранения (регулировка, замена деталей, текущий ремонт, замена узлов, доработка в заводских условиях);
по связи между собой (независимые, зависимые).
Вибромониторингу и диагностике оборудования предшествует формальное описание объекта диагностики в нормальном и неисправном состояниях, выполненное в виде математической модели. При этом, объект диагностики представляется как динамическая система, описываемая системой дифференциальных уравнений в обычных или частных производных, состояние которой в каждый момент времени определяется значениями входных и выходных параметров. Физические модели строятся на основе обобщения эмпирических данных и наблюдений за поведением системы.
При составлении математических моделей анализировались динамические характеристики различного оборудования, металлорежущих станков и инструмента, в том числе: станочные многооперационные комплексы; фрезерные станки - консольные, горизонтальные и вертикальные;
токарные станки - токарно-винторезные, токарно-многооперационные (мод. «ОКиМА», Япония); сверлильно-расточные - горизонтально-расточной, координатно-расточной;
зубообрабатывающие, зубофрезерные, зубодолбежные, строгальные, долбежные, протяжные, резьбообраба-тывающие.
Виброакустические признаки дефектов роторного оборудования, машин и станков, можно систематизировать следующим образом (рис. 3).
Объектами вибромониторинга и диагностики являются прежде всего машины и оборудование - источники вибрации. Отличительной особенностью таких объектов можно считать наличие в них колебательных сил, возникающих, например, при движении отдельных узлов станков или оборудования, включенного в технологический процесс.
Назначением вибрационного мониторинга является обнаружение изменений вибрационного состояния контролируемого объекта в процессе эксплуатации, причинами которых во многих случаях являются дефекты, Вибрационная диагностика чаще всего используется или для выходного контроля качества изготовления (ремонта) и сборки машин, или для их предремонтной дефектации, или для обнаружения дефектов и слежения за их развитием в процессе эксплуатации. Для каждого из перечисленных случаев могут использоваться разные методы диагностики. В последнем случае диагностические измерения могут проводиться без смены режима работы объекта диагностики.
В отличие от мониторинга назначением вибрационной диагностики в процессе эксплуатации оборудования является обнаружение изменений и прогноз развития не вибрационного, а технического состояния, причем каждого из его элементов, для которого существует реальная вероятность отказа в период между ремонтами. Для этого измеряется не только низкочастотная и среднечастотная, но и высокочастотная вибрация, а также используются более сложные, чем при мониторинге, методы анализа вибрации, позволяющие получать полный объем диагностической информации, Вибрация измеряется на каждом диагностируемом узле или, по крайней мере, в точках перехода высокочастотной вибрации от диагностируемого к другим узлам объекта, доступным для измерения вибрации. Используемая аппаратура также может иметь только один канал измерения и анализа вибрации. Алгоритм диагностики основан на том, чтобы из множества возможных состояний диагностируемого объекта- машины, станка, оборудования, привода- выделить одно, наиболее вероятное, Следовательно, задачей диагностики по совокупности диагностических параметров является идентификация множественных связей между структурными характеристиками Х\ и соответствующими диагностическими параметрами что обусловливает применение диагностических матриц.
Программное решение задачи обеспечения качества технологической системы как задачи диагностики реализовано при разработке и внедрении программы «УЬгАп» - реализации системы диагностики, обеспечения качества и обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию. Программа "УЬгАп" предназначена для использования эксплуатационным и ремонтным персоналом в целях:
контроля текущего технического состояния оборудования с отслеживанием динамики развития неисправностей и других показателей качества;
определения возможности дальнейшей эксплуатации оборудования без ремонта при сохранении заданного уровня всех параметров, обеспечивающих качество.
Основное пользовательское меню разработанной и внедренной программы содержит следующие пункты:
Файл: операции по считыванию и записи баз данных, выход из программы; возможность адаптации программы «Корсар+».
База данных: ввод в базу нового оборудования, манипуляции замерами, диагностика оборудования, анализ параметров качества.
Вид окна: настройка внешнего вида главного окна программы. Справка: информация о текущей версии программы.
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ДЕФЕКТОВ
Дефекты механического происхождения
ДИАГНОСТИЧЕСК АЕ ПАРАМЕТРЫ
¡ЖОсэымяинмй VibrAn
£»И б»«1ЛМИЬ«( ВчДМОЙ
Среднеквадратические значения замеров виброскорости
Рис. 4
Основой для определения текущего состояния оборудования являются измерения СКЗ (среднеквадратичного значения) виброскорости (мм/с) в диапазоне от 10 до 1000 Гц в трех направлениях - "Вертикальном", "Поперечном" ("Горизонтальном") и "Осевом". Сравнение измеренных значений с нормативными позволяет оценить состояние агрегата. Выбор такой единицы измерения связан наличием ряда российских и международных норм и рекомендаций по допустимым уровням вибрации (в единицах виброскорости) для различных типов оборудования, например, рекомендаций, основанных на стандартах качества ISO 9000- 2372. В этих рекомендациях значения предельного уровня вибрации зависят от мощности двигателя агрегата, числа оборотов вала агрегата, типа фундамента. При этом данные рекомендации не учитывают условий монтажа каждого агрегата, условий эксплуатации и обслуживания, технологической нагрузки, срока эксплуатации и т.д.
Регулярное проведение измерений вибрации оборудования позволяет выявлять неисправности на ранней стадии возникновения, отслеживать динамику их развития, частоты и загрузки оборудования (+-0,25 Гц и 1,5т, соответственно). При этом, анализ полученных параметров показывает, что попадание замера в зону А,В,С или D согласно ГОСТ ИСО 10816-1-97 означает (рис.4): Зона А - машина только что введена в эксплуатацию; Зона В - машина пригодна для дальнейшей эксплуатации без ограничения сроков; Зона С - машина непригодна для длительной непрерывной эксплуатации; Зона D - эксплуатация машины может привести к ее разрушению.
Библиографический список
1. Васильков Д.В., Вейц В А, Лэнцих П.А. Динамика технологической системы при обработке маложестких заготовок, - Иркутск: Изд-80 Иркут, Ун-та, 1994, - 98 с.
2. Вейц ВЛ, Васильков Д.В., Лонцих П.А, Динамика стопорных режимов в приводах станков, - Иркутск: Изд-во Ирк, Унив-та, 1999, -202 с.
3. Вейц ВЛ, Максаров В.В., Лэнцих П,А. Динамика и моделирование процессов резания при механической обработке. - Иркутск, 2000, - 189 с,
4. Вейц ВЛ, Максаров В,В„ Лэнцих П.А, Динамические процессы, оценка и обеспечение качества технологических систем механической обработки. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2001. - 299 с.
Вейц ВЛ, Кочура А. Е„ Лэнцих П.А, Структурированные модели и методы расчета сложных управляемых систем в технике и экономике, - Ростов-на-Дону, 2002, - 200 с,
Лэнцих П.А. Обеспечение качества и управление динамическими процессами технологических систем. - Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. Унив-та, 2003, - С, 236,
Лэнцих П.А, Динамическое моделирование сложных механических систем // Вестник ИрГТУ, - 2002, - № 12. - С. 128-134, Лэнцих П.А. Обеспечение качества, оценка и управление динамическими процессами технологической системы механической обработки II Материалы I научной конференции с участием зарубежных специалистов. - М„ 2003, - С, 112-114, Лэнцих П.А, Оценка и управление качеством систем механической обработки II Материалы II международной конференции «Проблемы механики современных машин», Минобразования РФ, РАН, Научный Совет РАН по проблемам машиноведения и технологических процессов, - Улан-Удэ, 2003, - С, 87-91,
Лэнцих П.А., Шулешко А.Н, Защита технологических машиностроительных систем и оборудования от вибраций и ударов. - Иркутск, 2002. - 178 с,
5.
9.
10.
ВЕСТНИК ИрГТУ №3-4 (15-16) 2003
35
