2. Особенности технической диагностики станочного оборудования и инструмента

В ГПС

2.1. Станочное оборудование и металлорежущий инструмент как объект диагностики и управления

Объектом анализа является основной компонент технологической системы — станочное оборудование, функциональное назначение которого — размерная обработка заготовок путем снятия с них стружки.

Как управляемая система большого масштаба станочное оборудование представляет собой совокупность взаимосвязанных управляемых подсистем, объединенных общей целью — размерным формообразованием. При таком подходе станочное оборудование можно отнести к классу больших систем, в котором составляющие подсистемы объединены материальными, энергетическими и информационными связями.

Как механический объект станочное оборудование представляет собой сложную машину, включающую в себя группы объединенных одним целевым назначением механизмов и узлов, часть из которых определяет взаимное расположение и пространственную ориентацию непосредственно участвующих в резании узлов (станины; корпуса коробок скоростей и подач; узлы суппортной и шпиндельной групп, револьверной головки, задней бабки и др.), а другая часть создает формообразующие и вспомогательные движения (приводы главного движения, движения подачи, деления и др.; механизмы зажима и установки перемещающихся узлов станка; УЧПУ и др.)-

В зависимости от точности изготовления базовых и комплектующих деталей, от качества сборки узлов и станка в целом, от согласованности движений и величины отклонений от требуемой траектории перемещений подвижных узлов, от способности противодействовать возникновению упругих и тепловых деформаций под действием внешнего силового нагружения и дополнительных источников тепла, от способности противодействовать возникновению колебаний, от точности вывода узлов станка в заданную по программе позицию, а также от состояния внешней среды — в зависимости от всего этого станочное оборудование до начала эксплуатации обладает некоторой совокупностью количественных и качественных показателей: геометрической и кинематической точностью, точностью наладки, жесткостью конструкции, конструктивной компоновкой, вибро-, тепло-, износоустойчивостью и др.

В процессе работы станка под действием различных видов энергии (потенциальной, накопленной в деталях и узлах станка в процессе их изготовления; кинетической, связанной с движениями узлов; энергии окружающей среды) в формообразующих узлах станков происходят различные физические явления. Так, под действием нагружающих сил и источников тепла происходят упругие и тепловые деформации деталей и узлов станка, в результате сложного взаимодействия трущихся поверхностей — изнашивание направляющих элементов, в кинематических и фрикционных парах генерируются электрические сигналы, а в технологической системе возникают вибрации в широком диапазоне частот: от частоты порядка 6—60 кГц до частот акустической эмиссии порядка 30 МГц, генерируемых в зоне резания в результате трения обрабатываемого материала о грани инструмента, пластического деформирования и разрушения обрабатываемого материала

Данные физические явления могут происходить как за доли секунды, так и за период непрерывной работы станка, а также за более длительное время — период его эксплуатации. По закономерностям изменения большинство из них относятся к случайным функциям, а по характеру поведения — к обратимым (тепловые и упругие деформации) и необратимым (изнашивание, коробление) явлениям.

Каждое из этих физических явлений может быть оценено каким-нибудь информативным параметром, подлежащим контролю. Можно выделить область допустимых значений регистрируемых информативных параметров, характеризующих такое физическое состояние станка, при котором его выходные параметры будут находиться в пределах, нормируемых для станка данного класса точности.

Выделим следующие физические состояния (рис. 2.1): электрическое, тепловое, размерно-геометрическое, вибрационное и упругодеформаиионное, дающие наиболее полную ха

рактеристику работы станка. Каждое из них образует в пространстве области состояний с находящимися в них допустимыми значениями контролируемых параметров состояний, а общая часть при взаимном пересечении областей — расчетную область работоспособности станка.

Выходные параметры могут быть оценены качеством изготовляемых деталей, в первую очередь их размерно-геометрическими параметрами, техническими характеристиками станочного оборудования (жесткостью, виброустойчивостью, теплостойкостью и др.), а также экономическими показателями эффективности процесса резания (себестоимостью изготовления и производительностью процесса).

Станочное оборудование со своими входными и выходными характеристиками, подверженное в процессе работы

Рис. 2.1. Станочное оборудование как объект диагностики - векторы управляемых входных; - неуправляемые входные, выходные действия; ОДиУ – объект диагностики

внешних дестабилизирующих факторов , может быть представлено в виде объекта, на который распространяются принципы автоматического управления.

Устройствами управления (УУ) станочного оборудования как автоматически действующего объекта являются имеющиеся на станке регуляторы — как штатные (вращения шпинделя, продольной и поперечной подачи), так и дополнительные (изменения податливости узлов и геометрии резания), Среди входных и возмущающих воздействий можно выделить неуправляемые (входные: схема формообразования, компоновка; возмущающие: колебания режущих свойств, твердости) и управляемые (входные: скорость резания, продольная и поперечная подачи, жесткость, размер настройки; возмущающие: колебания составляющих силы резания, температуры и мощности резания, износ инструмента) параметры. Используя управляемые входные и возмущающие воздействия, а также часть выходных параметров (точность размера, формы, взаимного расположения поверхностей, их шероховатость и качество), согласно принципам автоматического управления можно выделить варианты управления процессом резания на станках, обеспечивающие повышение эффективности работы: управление процессом по входным, возмущающим или выходным параметрам. Тем самым осуществляется автоматическое управление металлообработкой.

Применительно к металлообработке под автоматическим (адаптивным) понимается управление, при котором в процессе обработки детали изменяются один или несколько параметров резания и независимо от действия возмущающих факторов обеспечивается получение желаемых выходных параметров резания. Таким образом, возможность оценки станочного оборудования по выделенным физическим состояниям и его рассмотрение как автоматически действующего объекта позволяет на базе станка строить систему технической диагностики и автоматического управления со всеми ее компонентами: средствами выделения первичной измерительной и диагностической информации, устройствами управления и (в случае реализации замкнутых систем) исполнительными механизмами.