Повышение эффективности фрезерования на станках с ЧПУ путем комплексного диагностирования состояния инструмента в реальном времени тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, доктор технических наук Гурин, Владимир Дмитриевич

• Гурин, Владимир Дмитриевич
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Гурин, Владимир Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТА В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ.

ГЛАВА 2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФРЕЗЕРОВАНИЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯИНСТРУМЕНТА В ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ РЕЗАНИИ.

1 Особенности контактного взаимодействия инструмента и обрабатываемого материла на основе изучения коэффициента трения и нормальных напряжений при прерывистом резании.

3.2 Исследование наростообразования при прерывистом резании

3.3 Особенности изнашивания фрез при обработке конструкционных сталей.

ГЛАВА 4. ОТОБРАЖЕНИЕ КРИТЕРИЯ ОТКАЗА Ь3 ФРЕЗ С ПОМОЩЬЮ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В РЕЖУЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ И ЭДС РЕЗАНИЯ'ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ'РЕЗАНИИ

5.1 Температура инструмента и ЭДС резания.

5.2 Методика исследования температуры при прерывистом резании.

5.3 Результаты исследования температуры в режугцем клине инструмента при прерывистом резании. ^

5.4 Исследование температуры с помощью метода естественной термопары. ^^

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ.

6.1 Составляющие силы резания при фрезеровании.

6.2 Методика измерения составляющих ^.

6.3 Разработка методики расчета мгновенных значений составляющих ^ и по измеренным составляющим и Т7),.

ГЛАВА 7. МОДЕЛИРОВАНИЕ МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ФРЕЗЕРОВАНИЯ НА КОМПЬЮТЕРЕ.

7.1 Диагностические модели, отражающие взаимосвязь между критерием состояния и силовыми параметрами при фрезеровании.

7.2 Расчет и графическое моделирование на ПЭВМ силовых параметров фрезерования для выявления диагностического признака состояния инструмента.

7.3 Исследование значений износа по главной задней поверхности фрез при диагностировании неработоспособного состояния инструмента.

ГЛАВА 8. РЕАЛИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО ВРЕМЕНИ РАБОТЫ ИНСТРУМЕНТА ДО ОТКАЗА НА СТАНКАХ С ЧПУ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности фрезерования на станках с ЧПУ путем комплексного диагностирования состояния инструмента в реальном времени»

Опыт развития наиболее крупных экономик мира показывает, что машиностроение, особенно производство средств производства, все в большей степени базируется на применении автоматизированного или автоматического технологического оборудования с ЧПУ, которые эксплуатируются как автономно, так и в составе ГПС. Неизменным стимулом модернизации такого оборудования является повышение производительности с соблюдением технологических требований к качеству изделий.

Применение технологического оборудования с ЧПУ в совокупности с прогрессивным режущим инструментом позволяет повысить эффективность производства за счет уменьшения вспомогательного и машинного времени при обеспечении заданного качества изготавливаемых изделий. Гибкость и « быстропереналаживаемость технологической системы способствует модернизации выпускаемой продукции, что определяет выживаемость производителя в условиях острой конкуренции.

Любую современную технологическую систему можно разделить на две системы: физическую и информативную. В физической системе происходит физический процесс, т.е; процесс преобразования материи и энергии. Управляемая физическая система взаимодействует с информативной управляющей системой, в которой происходит преобразование информации.

Физическая часть технологических систем по механической обработке совершенствуется путем механизации с тенденцией концентрации на одном рабочем месте как можно большего числа видов- обработки материалов резанием. Металлорежущие станки оснащаются высокооборотными шпинделями, высокоскоростными устройствами линейных перемещений по

5-8 координатам, что позволяет осуществлять простые и сложные траектории движения режущего инструмента. Работа таких высокомеханизированных систем в автоматическом и автоматизированном режиме стала возможной благодаря разработке и внедрению мощных и быстродействующих 4 управляющих информативных систем, которые все в большей степени становятся открытыми для интегрирования с системами контроля и диагностирования состояния элементов технологического оборудования, в том числе и инструмента.

Техническая диагностика относительно молодая отрасль знаний. В технологии металлообработки она получила заметное развитие начиная со второй половины 70-х годов прошлого столетия.

В 80-е годы отмечался рост лабораторных и производственных реализаций систем диагностирования. Об этом свидетельствует анализ количества публикаций по диагностике [1], из которого следует, что пик выполненных работ приходится на конец 80-х годов, причем значительное их число выполнялось в СССР. В1 эти годы в ЭНИМСе был создан универсальный многоканальный монитор - КДР (что означало: контроль -диагностирование - принятие решений). В НПО "Измеритель" разработаны датчики, встраиваемые в станок: диагностические подшипники, втулки опор ходовых винтов и др. К сожалению, в 90-х годах эти достижения не нашли дальнейшего развития и имели ограниченное применение на действующем отечественном технологическом оборудовании.

Однако все эти годы работы по созданию контрольно-диагностической аппаратуры активно велись рядом зарубежных фирм. Японская фирма Fanuc разработала устройство диагностирования инструмента и процесса резания — Monitor А; National Instrument - интерфейс системы диагностирования. Ряд фирм предлагают датчики функциональных параметров процесса обработки. Фирма Kistler и Prometec GmbH Aahen - пьезоэлектрические датчики для измерения сил резания и колебаний; Sandvik — тензометрические втулки ходовых винтов; Promess - диагностические подшипники.

Актуальность задач разработки станочных систем автоматического диагностирования привела в 90-ые годы экономически развитые страны к участию в реализации единого для всех проекта SIMON (Sensor Fused

Intelligent Monitoring System for Machining), который является составной 5

частью программы создания технологии XXI века. Сотни ведущих промышленных фирм и научно-исследовательских центров выполняют проект под руководством международного комитета. Для того чтобы представить направленность и содержание работ, обозначим лишь некоторые темы: интеллектный мониторинг фрезерных и токарных работ; интерфейсы интеллектных датчиков; динамическая модель сил резания для мониторинга фрезерных работ; система диагностирования и управления для шлифовальных станков и др. [2,3,4]

Из этого неполного перечня тем видно, что участники проекта убеждены в том, что эффективная эксплуатация любой автоматизированной технологической системы невозможна без оценки ее состояния диагностирования.

Страны участники проекта, достигшие развитого индустриально и постиндустриального технологического уклада, могут обеспечить свойственные им пропорции занятости трудоспособного населения за счет использования современных технологий автоматизированного производства.

Всего 10% трудоспособного населения постиндустриальных стран занято в промышленности, при этом 85% работает в сфере услуг и 5% в сельском^ хозяйстве. При таких ограничениях достигнуть высоких показателей ВВП и качества продукции можно только за счет многократного повышения производительности по сравнению с производительностью обработки на универсальных станках.

Диагностика, в качестве приоритетной темы с высокой степенью значимости отмечена в японском прогнозе развития техники и технологии до

2025 года. Уже сейчас появилась возможность дистанционной диагностики и' дистанционного обслуживания станков на базе Интернета. Растет спрос на такие системы. Специалисты Японии считают, что они будут работать в ближайшем будущем [5].

Эффективная эксплуатация станочного оборудования с ЧПУ невозможна без диагностирования состояния инструмента, как наиболее слабого звена 6 технологической системы. В настоящее время в большинстве случаев она осуществляется таймерным способом. Инструмент подвергается замене по истечении времени работы до смены. При этом его работоспособное состояние гарантируется с определенной вероятностью [6].

Высокие показатели надежности работы инструмента обеспечиваются за счет занижения режимов резания, что снижает эффективность эксплуатации технологического оборудования.

Использовать резерв повышения эффективности можно за счет диагностирования состояния инструмента в процессе обработки.

Одной из причин снижения эффективности систем диагностирования является ложное распознавание состояний объекта, что определяется случайностью и нестационарностью процесса резания, а так же тем, что информация о значениях критерия отказа инструмента носит косвенный характер и приводит к недостоверному распознаванию состояний объекта.

На основании вышесказанного следует, что наряду с техническими средствами измерения требуется комплекс расчетных и экспериментальных методик, позволяющих моделировать диагностические признаки состояния инструмента в реальном диапазоне условий эксплуатации, и достоверно, отображающих состояние объекта по критерию его отказа. Этого можно достичь путем создания научно-обоснованной информационной базы знаний на основе теоретических и экспериментальных исследований по резанию материалов, необходимых для создания более прогрессивных систем диагностирования.

Цель работы

Повышение производительности и снижение расходов на инструмент при фрезеровании заготовок из сталей на станках с ЧПУ путем комплексного диагностирования состояния инструмента в процессе резания с учетом достоверности распознавания неработоспособного состояния объекта.

Для достижения цели работы необходимо решить следующий комплекс задач:

• определение влияния рассеивания времени работы до отказа и вероятности безотказной работы на количественные показатели повышения производительности фрезерования и снижение расходов на инструмент при применении системы комплексного диагностирования по параметрам процесса резания;

• установление влияния предельно-допустимого значения диагностического признака состояния и ложного распознавания неработоспособного состояния инструмента на производительность фрезерования и расходы на инструмент в единицу времени;

• выявление критериев отказа фрез и их корреляционной способности отображаться с помощью параметров процесса резания;

• установление особенностей развития температуры в режущем клине инструмента при прерывистом резании и сопоставление ее с ЭДС резания как гипотетическим диагностическим признаком состояния инструмента;

• разработка методики измерения и расчета силовых параметров для исследования влияния критерия отказа фрез на составляющие силы резания;

• разработка методики и программно-математического обеспечения расчета силовых параметров с учетом влияния критерия отказа фрез и факторов фрезерования для различных операций фрезерования с использованием встречной и попутной схем обработки;

• разработка модели и алгоритма расчета предельного значения диагностического признака состояния фрез с учетом исключения ложного распознавания неработоспособного состояния инструмента и резервирования времени последнего прохода;

• разработка алгоритмов комплексного диагностирования для построения на их основе информационно-измерительных систем, учитывающих возмущающие факторы;

• экспериментальное апробирование разработанных методик и программ 1 при диагностировании состояния фрез. Методы исследований

Теоретические исследования основываются на базовых положениях теории резания материалов, теории анализа случайных величин, методах математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современного станочного оборудования и измерительных средств. Обработка результатов экспериментов проводилась средствами вычислительной техники с применением положений теории вероятностей и теории планирования экспериментов.

Научная новизна работы заключается в:

• установленных причинно-следственных связях между силовыми параметрами фрезерования, рассматриваемых в двух системах координат с общим центром в точке приложения результирующего вектора силы резания, и объектом диагностирования — инструментом, а также математических моделях для определения силовых параметров в зависимости от факторов резания и степени изнашивания инструмента;

• методике расчета предельно-допустимого значения силового диагностического признака состояния с учетом крайних значений критерия отказа, обеспечивающих распознавание неработоспособного состояния режущего инструмента и резервирование времени последнего прохода при фрезеровании;

• предложенной и экспериментально подтвержденной гипотезе о точке приложения результирующей силы резания на активной части главной режущей кромки;

• установленном характере распределения тепловых напряжений в режущем клине инструмента, возникающих во время рабочего и холостого ходов при фрезеровании сталей.

Практическая ценность работы заключается в:

• разработанном и практически реализованном в системе управления математическо-информационном обеспечении систем диагностирования для станков фрезерной группы с ЧПУ;

• рекомендациях по практическому применению систем диагностирования при фрезеровании;

• созданном программном комплексе для выбора и расчета предельного значения силового диагностического признака состояния инструмента с учетом показателей производительности фрезерования;

• рекомендациях по проектированию технологических процессов и оборудования на основе моделирования мгновенных значений составляющих силы резания при фрезеровании с учетом изнашивания инструмента.

Реализация результатов работы

Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН" в рамках гос. контракта №9411.1003702.05.011 от 23.09.2009 на проведение НИОКР "Создание универсального интеллектуального комплекса для механообрабатывающего оборудования с ЧПУ" по ФЦП "Национальная технологическая база", гос. контракта "02.740.11.0176 от 25.06.2009 на проведение НИОКР "Проведение коллективом государственного инжинирингового центра МГТУ "СТАНКИН" исследований по разработке и практической реализации принципов мониторинга и диагностики состояния металлообрабатывающих станков и инструментов при изготовлении высокотехнологичной машиностроительной продукции" ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" и задания Минобрнауки №2.1.2/12315 от. 07.02.2011 на проведение НИР "Научно-методические основы создания и применения систем диагностирования и мониторинга: состояния-в реальном времени прогрессивных технологических процессов металлообработки"^

Результаты работы в виде программ* внедрены в учебном процессе ФГБОУ . ВПО МГТУ "СТАНКИН", Оренбургский государственный университет и ряда других-: вузов в рамках преподавания дисциплины "Надежность и диагностика технологических систем".- Созданный программный комплекс интегрирован в системы ЧПУ опытных образцов пятикоординатных . обрабатывающих: центров, в настоящее время изготавливаемых на ОАО "Савеловский машиностроительныйзавод".

Апробация работы

Основные положения; и результаты диссертационной работы» докладывались-, на международных и всероссийских научно-технических конференциях - "Качество машин-2001" в Брянске, МПРОТЭК-2002" в Москве, "Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии в машиностроенииг2004" в Минске,. "Информационные технологии в науке и образовании - 2004" в Бийске, "Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения — 2011" в Брянске и др. Созданные система диагностирования состояния, инструмента и двухкомпонентный динамометр для измерения сил резания при фрезеровании, были удостоены бронзовой медали III Московского международного Салона инноваций и инвестиций в 2003 году и серебряной медали XIV Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий "АРХИМЕД" в 2011 году.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе 15 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 авторское свидетельство, 2 патента России на изобретение, 1 свидетельство на программы для ЭВМ и 1 монография.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой "Высокоэффективные технологии обработки" профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, профессору, к.т.н. В.А. Синопальникову, а также преподавателям и сотрудникам кафедры "Высокоэффективные технологии обработки" за помощь, оказанную при выполнении работы.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Гурин, Владимир Дмитриевич

Выводы:

1. Максимальные значения сил при фрезеровании острозаточенным инструментом приобретают положительные и отрицательные значения, которые могут уменьшаться или увеличиваться в зависимости от износа зубьев фрезы.

2. Приоритетным показателем оценки силовых параметров фрезерования для диагностирования инструмента является коэффициент информативности найденный по средним значениям мгновенных сил, взятых в период определённого угла поворота или промежутка времени работы фрезы, назначаемых в зависимости от количества одновременно работающих зубьев инструмента.

7.3 Исследование значений износа по главной задней поверхности фрез при диагностировании неработоспособного состояния инструмента

В разделе 7.1 описаны исследования функциональных связей между факторами и силовыми параметрами фрезерования, которые проводили на специальном стенде. Стенд не позволял проводить диагностирование состояний фрез в автоматическом режиме, так как:

- применяемое измерительное средство УДМ объективно измеряет силы и ^ на достаточно коротком пути фрезерования; из-за малой жёсткости в осевом направлении;

- не предусмотрен информационно-вычислительный комплекс, позволяющий автоматически выполнять обработку полученных данных и их сравнение для распознавания состояния инструмента.

Для создания стенда по диагностированию состоянию фрез разработан специальный двухкомпонентный динамометр, устанавливаемый на' столе фрезерного станка. Патент РФ на изобретение №»2411471.

Конструкция двухкомпонентного динамометра для измерения составляющих силы резания и при- фрезеровании представлена на рисунке-7.3.1. составляющих сил резания при фрезеровании

Конструкция динамометра состоит из двух модулей, самостоятельно измеряющих одну из составляющих силы резания. Взаимно перпендикулярное расположение модулей позволяет измерять две нормальные друг к другу силы резания, например и .

Конструкция модуля состоит из корпуса 1, в котором с помощью винтов 2 и шпилек (на чертеже не показаны) закрепляются призматические направляющие 3.Ответная призматическая направляющая 4 крепится у верхнего модуля к столику с Т-образными пазами для закрепления обрабатываемого материала. Направляющие 3 и 4 контактируют между собой через шарики 5, расположенные в плоском сепараторе 6. Натяг в шариковых парах осуществляются с помощью болтов 7. Опоры 8. устанавливаются в корпусе 1 параллельно направляющим. С помощью шпилек 9 осуществляется натяг опор. Корпус 1 верхнего модуля крепится и фиксируется к направляющей 4 нижнего модуля с помощью винтов 2 и шпилек (на чертеже не показаны). При этом обеспечивается взаимно перпендикулярное расположение верхнего и нижнего модулей. Корпус 1 нижнего модуля обеспечивает базирование с помощью накладок 10 всей конструкции на столе фрезерного станка.

Для исключения влияния момента, возникающего- от изменения положения фрезы относительно центра динамометра, а так же увеличения чувствительности и жесткости конструкции в каждом модуле устанавливается по два датчика с каждой стороны направляющей 4.

Конструкция опоры 8 показана на рисунке 7.3.2.

Рисунок 7.3.2. Конструкция опоры.

Опора состоит из чувствительного элемента 1 в виде тонкостенной втулки, которая закреплена между двумя ножками 2. Одна из ножек закреплена в корпусе 3. Первичный тензометрический преобразователь 4 клеится на чувствительный элемент 1.

Предлагаемая конструкция позволяет одновременно измерять составляющие силы и без взаимного влияния и изменения направления своего действия в зависимости от положения инструмента относительно центра динамометра.

В разработанном динамометре, являющимся составной частью информационно-измерительного комплекса (ИИС), используются тензометрические первичные преобразователи, которые собраны в соответствующие полумосты.

В ИИС полумост дополняется до полной мостовой схемы с использованием прецизионных резисторов = 1 кОм (0,1%), имеющихся в модуле ЬТЯ-2\2. Питание мостовой схемы осуществляется стабилизированным напряжением 5В/2,5 В, вырабатываемым источником1 опорного напряжения (ИОН), входящим в состав модуля иП1-212 (рисунок 7.3.3).

Рисунок 7.3.3. Эквивалентные схемы соединения тензодатчиков в динамометре.

Модуль ЬТЯ2\2, предназначенный для использования в прецизионной тензометрии, выполнен в виде четырех блоков, содержащих по два прецизионных резистора, а также АЦП и ЦАП, которые управляются с помощью сигнального процессора АББР (рисунок 7.3.4).

Ш'^'ШС-З! '—-—---—

2 прецизионных резистора (1кОч-0 1% - 5ррш - О 125Вт)

Рисунок 7.3.4. Функциональная схема одного блока модуля ЬТЯ2\2

Каждый полумост содержит резисторы = 1 кОм - 0.1% - 5 ррш - 0.125 Вт). Управляемые АИБР электронные ключи позволяют подать на мостовую схему постоянное или переменное напряжение при значении максимального рабочего тока до 400 мА.

АЦП выполнен по схеме сигма-дельта преобразования с встроенными цифровыми фильтрами на выходе. Цифровые данные на выходе 24 разрядного АЦП представлены в виде последовательного кода. Управление аналого-цифровыми преобразователями осуществляет сигнальный процессор по последовательному интерфейсу. Для обеспечения высокой точности и стабильности преобразования в АЦП наряду с высокой разрядностью используется комплекс дополнительных мер. Основные параметры АЦП (число каналов, быстродействие и погрешность измерения) зависят от выбранного режима работы модуля ЬТЯ2\2. Возможно подключение на вход четырех или восьми измерительных мостовых схем. В четырехканальных режимах все четыре АЦП, установленные на плате модуля, работают синхронно и непрерывно. При увеличении числа каналов до восьми к каждому АЦП подключены два измерительных моста и с помощью мультиплексора осуществляется периодическая коммутация входов.

В 4-х канальном варианте применяются режимы средней или высокой точности измерений. Первый вариант предназначен для обеспечения измерений с максимальной частотой выборок аналогового сигнала при относительно невысоких требованиях к напряжению смещения нуля. В этом случае питание измерительных мостов осуществляется постоянным

-■ч

1В V напряжением, а также отключается выходной цифровой фильтр. При использовании режима высокой точности имеющиеся в АЦП средства компенсации смещения нулевого уровня- и системы калибровки обеспечивают дрейф нуля не более 5нВ/°С и вариации коэффициента усиления не более 2ррт/°С. Низкий уровень смещения- нуля и его температурного дрейфа получается благодаря встроенному в АЦП 6-разрядному цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП), который вырабатывает напряжение примерно' до ±78 мВ, предназначенное для компенсации возникающих во входной цепи паразитных ЭДС. Это достигается использованием управляемого изменения полярности напряжение питания измерительного моста. Во входных цепях усилителя может образоваться^, ЭДС Eos, создающая дрейф нуля входного сигнала. Разность потенциалов между сигнальными проводами будет: при заземлении нижнего вывода моста Fa = Vq + Eos, & ПРИ заземлении верхнего зажима> Fb = -Го + £os- Таким образом, среднее значение разности Fa - Fb не будет зависеть от Eos и составит удвоенное значение напряжения непосредственно с выхода моста12 Vq.

Операции калибровки, усреднения входного сигнала при компенсации,, частотной фильтрации выходного сигнала уменьшают быстродействие функционирования измерителя в режиме высокой-точности по сравнению с режимом средней точности. Режим высокой точности с 8 измерительными каналами, фактически является модификацией 4-канального режима высокой точности и предназначен для удвоения числа каналов. Этот режим не является строго синхронным, и его не рекомендуется применять в приложениях, требующих точного учета частоты и интервалов времени.

Для формирования требуемых частотных характеристик измерительных каналов на выходах АЦП установлено по два соединенных каскадно цифровых фильтра, которые выравнивают АЧХ в полосе пропускания с погрешностью примерно 0,02 дБ и обеспечивают заданный наклон в переходной зоне. Программным способом можно установить следующие

197 значения верхней частоты полосы пропускания фильтров: 25 Гц, 70 Гц, 258 Гц, 456 Гц, 675 Гц.

Цифровой сигнальный процессор АИБР, осуществляющий управление режимами сбора данных и калибровки, имеет собственное программное обеспечение (ПО) - БИОС. Связь модуля с процессором и обмен информацией с ним осуществляются при помощи поставляемой вместе с модулем библиотеки пользовательского интерфейса, которая содержит описание модуля и набор функций для связи и работы с модулем.

Описание модуля имеет целью инициализацию, хранение и изменение данных о конфигурации модуля в рамках создаваемой программы. При помощи полей этой структуры задается режим1 сбора данных, определяется использование калибровочных коэффициентов, формируется информация о задействованных каналах сбора- данных и соответствующих им диапазонах напряжения- входного сигнала. Эта структура также включает в себя подструктуру, содержащую информацию об используемых программных фильтрах.

Для »работы динамометра совместно с измерительным модулем ЬТЯ2\2 в составе системы сбора данных /,77?-£/-8-1 создан стенд-макет. Выходы динамометра подведены к измерительному модулю ЬТЯ2\2 с помощью кабеля длиной примерно 10 м. При настройке и экспериментальных исследованиях данные регистрировались и обрабатывались компьютером.

С целью отображения и управления в программной среде ЬаЬУШЖ 6ыло создано соответствующее программное обеспечение верхнего уровня. Под управлением подразумеваются функции для настройки- модуля ЬТЯ2\2 и самой программы. В функции управления входят запись результатов в файл и открытие ранее сохраненного файла, а также процедуры обработки сигналов (установка нуля, усреднение, расчет характеристик) и другие.

Главное окно программы выполняет функции графического отображения сигналов. На отдельных вкладках можно отразить разные величины и характеристики. Кнопки на экране монитора имеют подписи, поясняющие их

198 назначение. Основным является окно (вкладка «Осциллограф») с графическим отображением во времени составляющих силы резания при точении, сверлении, фрезеровании и т.д. (рисунок 7.3.5).

Рисунок 7.3.5. Главное окно программы «Осциллограф».

Запуск и прекращение работы системы сбора данных производится нажатием соответственно кнопок "СТАРТ" и "СТОП" в главном окне программы. Перед непосредственным проведением экспериментальных исследований необходима установка нуля, осуществляемая автоматически при нажатии кнопки "Установка нуля", расположенной на главном окне программы.

На макете измерительной системы была проведена совокупность экспериментов по исследованию работоспособности и оценке основных параметров установки. Проверка функционирования и оценка основных параметров измерительной установки выполнялась посредством статического нагружения динамометра УДМ-100 по различным осям, а также импульсных некалиброванных воздействий. Для удобства сопоставления результатов они фиксировались в единицах кг силы (кгс). В качестве примера приведены результаты испытаний при воздействии по силе Ру (рисунок 7.3.6). a) Fy= 1кгс б) Fy= 5кгс

Рисунок 7.3.6. Статическая нагрузка динамометра.

При небольших воздействиях испытания подтвердили линейную зависимость показаний от величины прикладываемой нагрузки на всех каналах. Положительные результаты дала также проверка работоспособности системы при значительных воздействиях, порядка 100 кгс.

Для оценки чувствительности измерительной системы были проведены исследования помех на выходе при отсутствии воздействия. Полученное значение шумов варьируется в пределах 0,027.054 мкВ, что в выражении силы соответствует 0,027.0,054 кгс (рисунок 7.3.7).

Для работы информационно измерительной системы (ИИС) в режиме мониторинга и диагностики в среде Lab VIEW был реализован алгоритм диагностирования состояния инструмента, показанный на рисунке 7.3.8.

Рисунок 7.3.7. Зафиксированный уровень помех.

Работа алгоритма начинается с задания предельных значений силового параметра, выбранного в качестве диагностического признака состояния инструмента. Так же задаётся время сбора информации Лт, определяющее количество дискретных значений измеряемой силы по которым находится её среднее значение F.

Значение [/%„] находится при заданном режиме фрезерования и

С Kg найденных количественных показателях значений h3 для достоверного диагностирования неработоспособного состояния инструмента.

Значение [F] необходимо для распознавания начала процесса фрезерования. Величина [F] берётся в процентном соотношении к [Fevg ].

После задания исходных данных, нажатием кнопки «пуск» на панели управления ИИС, осуществляется измерение силы F, значения которой сравнивается с [i7]. По альтернативному отношению F > [F] диагностируется начало резания, после чего дается команда на переход сравнения измеряемого параметра с [Fevg ] и расчет Fevg по заданному количеству дискретных значений измеряемой силы F.

Обработанный сигнал сравнивается с [Fevg ]. Если результат сравнения нет», то происходит дальнейшее измерение, обработка и сравнение силового параметра. Если реализуется «да», то происходит оповещение оператора световым или звуковым сигналом.

После нажатия «stop» система возвращается в исходное состояние.

Рисунок 7.3.8. Алгоритм диагностирования состояния инструмента в ИИС.

Для выявления количественных показателей значений Ь3 при расчете предельного значения силового параметра, принятого в качестве диагностического признака состояния, используя вышеописанный комплекс ИИС были проведены эксперименты по фрезерованию конструкционной углеродистой стали 35 партией концевых фрез ГОСТ 17026-71, исполнение Б, в количестве 15 штук. Инструментальный материал фрез - Р6М5, количество зубьев г = 6, Д^ = 40мм. Факторы фрезерования: В — 10мм, Г = 45,2м/мин, $мин = 400 мм/мин.

Проведена вторая серия опытов следующих 5-ти фрез по той же стали на режиме фрезерования: В = Змм, / = 40мм, V = 36м/мин, 51ШН =180мм/мин.

Третья серия-опытов, из оставшихся 5-ти фрез, проводилась на режиме: В = 4мм, ¿ = 20мм, Г = 38м/мин, 8мин =250мм/мин.

Используя программу расчета силовых параметров, представленную в разделе 7.2, при Ь3= 0,4 мм была определена наиболее информативная сила, измеряемая относительно стола фрезерного станка, и рассчитано её предельное значение для каждой серии испытаний.

Наиболее информативной для первой серии опытов оказалась сила Ру, а для второй и третьей серии опытов Рь.

Износ зубьев фрез измерялся с помощью инструментального микроскопа с цифровым'отчетом БМИ-1Ц с точностью до 0,01 мм.

Эксперименты проводились на вертикально-фрезерном станке ВМ-127.

При обработке уступа, в первой серии опытов, использовалась встречная, а в третьей серии опытов попутная схема фрезерования.

Интервал времени сбора информации Дт был равен времени работы фрезы за один оборот.

Результаты измеренного, после срабатывания системы оповещения оператора, износа Ь3 на каждом зубе фрезы в упорядоченном виде представлены для первой серии - в таблице 7.3.1, для второй серии - в таблице 7.3.2, для третьей серии - в таблице 7.3.3.

203

1 к3. [ [ 1 /г,. з1 1 К 1 К- Зг

1 0,34 6 0,37 11 0,39 16 0,41 21 0,42 26 0,43

2 0,35 7 0,37 12 0,39 17 0,41 22 0,42 27 0,43

3 0,35 8 0,38 13 0,39 18 0,41 23 0,42 28 0,44

4 0,36 9 0,38 14 0,40 19 0,41 24 0,42 29 0,45

5 0,37 ГО 0,38 15 0,41 20 0,42 25 0,43 30 0,45

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований установлено, что применение диагностирования инструмента в реальном времени в зависимости от рассеивания времени работы до отказа и вероятности безотказной работы инструмента, позволяет обеспечить увеличение производительности резания до 30% и до 90% снизить затраты на инструмент.

2. Определены условия достоверного распознавания неработоспособного состояния инструмента и доказано снижение эффективности применения систем диагностирования в реальном времени при недостоверном распознавании состояния инструмента.

3. Исследования контактных явлений при фрезеровании показали, что средний коэффициент трения в определенный момент контакта инструмента с обрабатываемым материалом равен нулю, что принимается как начало процесса резания: Установлено, что при эксплуатации инструмента с* покрытием, имеющего повышенный угол проскальзывания зубьев фрезы в начале рабочего хода, характерно возникновение вибраций, что может привести к ложной оценке состояния инструмента.

4. Экспериментально показано, что высота нароста при фрезеровании конструкционных сталей изменяется по длине активной части главной режущей кромки, что приводит к увеличению действительного переднего угла и способствует выравниванию величины контактных напряжений на главной режущей кромке, особенно в моменты врезания и выхода зуба фрезы.

5. Установлено, что максимальные значения растягивающих термических напряжений достигаются при входе зуба фрезы из твердого сплава в зону резания, что может приводить к формированию «хрупких» микротрещин в твердом сплаве и опровергает ранее принятое положение о формировании подобных трещин вследствие охлаждения зуба в начале холостого хода.

6. Разработана и экспериментально подтверждена методика нахождения мгновенных значений составляющих силы резания при фрезеровании Г., , позволяющая с достаточной точностью и достоверностью исследовать силовые параметры с учетом критерия отказа фрез в соответствии с положением (на основе выдвинутой гипотезы) о приложении результирующей силы резания по центру активной части главной режущей кромки.

7. Разработано математическое • обеспечение и создана базовая программа для выбора и расчета- предельно допустимых значений силового диагностического признака состояния фрез в процессе цилиндрического и торцевого' фрезерования при встречной и попутной схемах обработки плоскостей, уступов и пазов.

8. Установлено, что максимальные значения сил резания 1\ и при фрезеровании острозаточенным инструментом, приобретая положительные или отрицательные значения, могут уменьшаться или увеличиваться при изнашивании зубьев фрезы в зависимости от используемых схем и факторов обработки. Приоритетным показателем оценки силовых параметров фрезерования при диагностировании инструмента является коэффициент информативности, определяемый по средним значениям мгновенных сил в период определенного угла поворота или промежутка времени работы фрезы, назначаемых в зависимости от количества одновременно работающих зубьев инструмента.

9. Предложен способ, обеспечивающий снижение брака деталей на последнем проходе путем занижения математического ожидания критерия отказа на основе прогнозирования его прироста за счет резервирования времени выполнения последнего прохода.

10. Разработанный алгоритм диагностирования состояния инструмента по силовым параметрам и программа для его реализации внедрены в информационно-измерительном комплексе, который используется в научно-исследовательском и образовательном процессах ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». Результаты работы в виде программ и методических материалов внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», Оренбургский государственный университет и ряда других вузов в рамках преподавания дисциплины «Надежность и диагностика технологических систем».

11. Разработанный программный комплекс для автоматизированного выбора силовых диагностических признаков и расчета их предельных значений с учетом достоверного распознавания состояния инструмента интегрирован в системы ЧПУ Siemens Sinumerik 840D опытных образцов обрабатывающих центров для комплексной механической обработки прецизионных сложнопрофильных деталей, в настоящее время изготавливаемых на ОАО «Савеловский машиностроительный завод».

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Гурин, Владимир Дмитриевич, 2011 год

1. Палей С.М., Мухин М.А. Анализ развития работ по обеспечению надёжности процесса резания // Станки и инструмент. 1993. 6. С. 16-18.

2. Abrari F, Elbestawi М.А., Spence A.D. On the dynamics of ball-end milling modeling of cuttiug forces and stability analysis (1998). Int Mach Tool Mann. 38(3). 215-237

3. Altintas Y., Lee P. Mechanies and dynamics of ball end milling (1998) J ManufSeiE-T ASME 120: 684-691

4. T. S. Lee and Y.J. Liu A 3D Predictive Cuttiung — Force Model for Eud Milling of Parts Haviug Sculptured Surfaces. Int J Adv Manuf Technol. 2000. 16: 773-783

5. Черпаков Б.И. Тенденции развития мирового станкостроения в начале XXI века //НТО. 2003. 5. С.5-12.

6. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1997.' - 231 с.

7. Васильев В.Н., Васильев С.В. Гибкие производственные системы Японии. Экспресс информация. - М.: НИИ экономики, организации производства и технико-экономической информации в энергетическом машиностроении, 1985. - 46 с.

8. Палей С.М. Некоторые особенности эксплуатации токарных станков с ЧПУ на участке АСВ 20 // Автоматизированные участки из станков с ЧПУ, управляемые ЭВМ: сб. статей. - М.: 1998. - С.27-31.

9. Кочеровский Е.В., Лихцер Г.М. Диагностика состояния инструмента по силовым характеристикам процесса резания // Обзор. М.: ВНИИТЭМР. Вып.7, 1988.-40 с.

10. Гостев Г.В., Колюнов Е.В., Гусев Е.В. Исследование закономерностей рассеивания стойкости торцевых и концевых фрез // Межвузовский сборник. Чебоксары, 1986. - С. 75-77

11. Башков В.М., Кацев П.Г. Испытание режущего инструмента на стойкость

12. М.: Машиностроение, 1982. 320 с.225

13. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов -М.: Машиностроение ,1976. -278 с.

14. Деревянченко А.Г., Павленко В.Д. и др. Автоматический контроль состояния режущего инструмента по топографии его износа // Металлорежущие станки. Республиканский межведомственный науч. -техн.сб. Киев. Texnika. - 1986. 4. С.53-55.

15. Kluft W. Verschleisuberwachung an Werkzeugen der spannender Fertigung // Maschinenmarkt, Wurzburg 92. 1986.47. S. 38-41

16. Барзов A.A. Эмиссионная технологическая диагностика M.: Машиностроение, 2005. - 384 с.

17. Автоматический контроль износа инструмента по температуре резания // Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства: Экспресс-информация, Режущие инструменты М.: ВНИИТЭМР, 1985. 2. С.4-9

18. Палей С.М. Состояние и тенденции развития способов прогнозирования периодов стойкости режущего инструмента: Обзор информации. — М.: ВНИИТЭМР, 1985.-44 с.

19. Васильев C.B. Использование электрических явлений при резании для коррекции режимов обработки: Методические рекомендации. — М.: ЭНИМС, 1981.- 16 с.

20. Кибальченко A.B. Контроль состояния режущего инструмента. — М.:ВНИИТЭМР, 1986.44 с.

21. Козочкин М.П. Виброакустическая диагностика технологических процессов. М.: «Каталог», 2005. - 196 с.

22. Козочкин М.П., Сабиров Ф.С. Виброакустический контроль процесса резания в рабочем пространстве. // ИТО,2009. 29. С. 44-46.

23. Зорев H.H. Вопросы маханики процесса резания металлов. М.: Машгиз,1956. - 367 с.

24. Рудник С.С. Основы теории фрезерования, т.1, Киев, 1963. 225 с.

25. Розенберг A.M., Ерёмин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. Свердловск, Машгиз, 1956. - 318 с.

26. Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надёжность и диагностика технологических систем. М.: Высшая школа, 2005. - 343с.

27. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов М.: Машиностроение, 2009. - 640с.

28. Синопальников В.А. Повышение надёжности быстрорежущего инструмента// Станки и инструменты. 1983.7. С.23-24.

29. Эстерзон М.А. Обеспечение технологической надёжности обработки в ГПС. -М.: ЭНИМСД988. 60с.

30. Синопальников В.А., Терёшин М.В., Тимирязев В.А. Диагностирование износа инструментов // Станки и инструменты. 1986.1. С.27-29.

31. Оперативная диагностика состояния оборудования, инструмента и рабочего процесса в станках с помощью встроенных средств: сб.тр. под ред. М.С. Городецкого. М.: ЭНИМС, 1989. - 144с.

32. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. -344с.

33. Власов В.И. Процессы и режимы резания конструкционных материалов. Справочник (Изд.2-е, доп. и перераб.) -М.: Издательство «ИГО», 2010. -178 с.

34. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. Учебник — 9-е изд., стер. М.: Академия, 2003. — 576с.

35. Гурин В.Д. Влияние допустимого значения диагностического признака состояния и достоверности распознавания неработоспособного состояния инструмента на эффективность процесса фрезерования // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. 3 (15). С.63-66

36. Верещака A.C. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. -М.: Машиностроение, 1993. 336с.

37. Дерягин Б.В. Что такое трение? М.: изд. АН СССР, 1963. - 229с.

38. Гордон М.Б. Исследование трения и смазки при резании металлов. В кн.: трение и смазка при резании металлов. Чебоксары, издательство Чувашского государственного университета, 1972. С.7-137.

39. Утешев М.Х., Сенюков В.А. Напряженное состояние режущей части инструмента с округлённой режущей кромкой. // Вестник машиностроения, 1972. 2. С.70-73.

40. Кабалдин Ю.Г. Исследование нароста при обработке углеродистых сталей // В тезисах докладов конференции «Повышение надёжности и долговечности машин, станков и инструментов», Хабаровск, ХПИ.1977. С.71-74

41. Ведмедовский В.А. О некоторых закономерностях образования нароста. В кн. «Исследования в области технологии механической обработки и сборки машин». Тула, ТПИ. 1997. С.115-120.

42. Солодков-В.А., Уткин Е.Ф. Контактные явления в условиях прерывистого резания // Интенсификация технологических процессовмеханической обработки : Тезисы докладов Всесоюзной конференции. — JI.1986. — С.84-85

43. Перепёлкин B.C., Симкин Д.И. Исследование процессов наростообразования и изнашивания инструмента при точении углеродистых сталей. Горький., 1981. 265с. Деп. В ВНИИМАШе 3 апр. 1981. 112. С.81.

44. Справочник металлиста в 5-ти томах / Под. Ред. Маслова А.Н. М.: Машиностроение. 1977.

45. Диагностика автоматизированного производства / С.Н. Григорьев, В.Д. Гурин, М.П. Козочкин и др.; под ред. С.Н. Григорьева, М.: Машиностроение, 2011. - 600с.

46. Резников А.Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение. 1969. -152с.

47. Резников А.Н., Темников A.B., Лимонов И.П. Моделирование стационарных тепловых полей в клине с учётом зависимости теплопроводности от температуры. // Вестник машиностроения. 11 .1963. С. 20-22

48. Даен Э.Д. Измерение .температуры в зоне резания и пути её снижения. В сб; Обработка конструкционных материалов резанием с применение СОЖ. М.: МДНТП им. Дзержинского, 1978 С. 14-16

49. Верещака A.C., Проворнов М.В., Кузин В.В., Тимощук Е.А. Исследование теплового состояния твёрдосплавного инструмента методом многопозиционных термоиндикаторных веществ. // Вестник машиностроения. 1.1986. С. 22-25

50. Кремнев A.C., Синопальников В.А. Изменение структуры и свойств в режущей части инструментов из быстрорежущих сталей в процессе непрерывного резания.//Вестник машиностроения 5. 1974. С. 21-24

51. Васильев C.B. Исследование процесса резания металлов по его электрическому отображению: автореф. дис. на соискание учёнойстепени д.т.н. М.: ЭНИМС, 1986. - 41с.229

52. Зорев Н.Н. Расчёт проекций силы резания М.: Машгиз, 1958. - 54 с.

53. Вульф A.M. Резание металлов. Изд. 2-е. Л.: Машиностроение, 1973. -496с.

54. Li Zheug, Yawel Li and Steven Y. Liaug. A Generalised Model of Milling Forces. Iut JAdvManufTechnol. 1997. 14: 160-171

55. E. Budak and Y. Altintas. Peripheral millng conditions for improved dimensional accuracy. International Journal of Machine Tools Manufacturing. 34(7). 1994. -PP 907-918

56. A.E. Bayonmi, G. Yueesau and L.A. Kendall. An analytie mechanistie cutting force model for milling operations. Transaktions of the ASME. Journal of Engineering for Industry. 1994. PP.331-339

57. Wang J.J., Zheng C.M. Identification of cutter offset in end milling without a prior knowledge of cutting coefficients. Int J Mach Tool Manuf.2003.43(7) PP 687-697

58. Сосонкин В. JI., Мартинов Г.П. система числового программного управления. М.: Логос, 2005. - 296 с.

59. Синопальников В.А. Контроль и прогнозирование состояния инструментов при чистовой обработке// Комплект: ИТО,2007. 9.

60. Мартинова Л.И., Григорьев С.Н., Соколов С.В. Диагностика и прогноз износа режущего инструмента в процессе обработки на станках с ЧПУ// Автоматизация в промышленности. 2010. 5. С.27-30