Распространенные методы контроля технического состояния обрабатывающей системы и способы их реализации
В приведены статистические данные, которые позволяют судить о соотношении количества публикаций о применении различных физических явлений и их параметров, используемых для контроля технического состояния обрабатывающих систем.
Методы контроля технического состояния обрабатывающих систем делятся на прямые и косвенные. Прямые методы обеспечивают непосредственное измерение нормируемых в чертежах параметров объекта контроля. Так, износ инструмента может контролироваться оптико- телевизионными, лазерными, электромеханическими, ультразвуковыми или пневматическими методами.
Недостатком прямых методов является то, что в условиях производства их можно применять только после прекращения работы обрабатывающей системы, поэтому не исключается появление брака детали между контрольными операциями. Косвенные методы контроля, используя информационные сигналы ряда сопровождающих работу обрабатывающих систем физических явлений , позволяют решать в определенной степени данную задачу.
Измерение силы резания
На силы, развиваемые при работе обрабатывающих систем, влияет геометрия инструмента. Исследования показали, что опасные точки, в которых зарождаются трещины, определяющие поверхность скалывания, располагаются на передней поверхности инструмента за пределами контактной зоны. Трещины развиваются под действием растягивающих напряжений и в результате накопления усталости. С износом инструмента особенно сильно изменяется радиальная составляющая силы резания.
Метод оценки износа инструмента (TWEM – Method for Tool Wear Estimation) на основе измерения силы резания и крутящего момента при торцевом фрезеровании предложили E. Kuljanic, M. Sortino. В работе исследователей H. Shao, H. L. Wang, X. M. Zhao также построена модель зависимости мощности резания от режимов работы обрабатывающей системы, параметров инструмента и заготовки. Вместе с тем анализ результатов исследований различных авторов, посвященных косвенному контролю технического состояния обрабатывающей системы по величине силы резания, свидетельствует об его недостаточной эффективности.
Измерение вибрации
Существенное количество публикаций посвящено косвенному контролю технического состояния обрабатывающих систем по особенностям динамического поведения этих систем, наблюдаемого в процессе их работы. При этом под динамическим поведением обрабатывающих систем будем понимать их динамическую реакцию (разнообразные по частоте и амплитуде вибрации) на действующие на них эксплуатационные нагрузки. Для оценки степени критичности динамического поведения обрабатывающей системы пользуются замерами параметров механических колебаний системы «станок-приспособление-инструмент- заготовка» (СПИЗ), применяя датчики вибрации. Выделяя из спектра колебаний высокочастотные и низкочастотные составляющие, по их отношению оценивается текущий износ.
Для повышения точности измерений контролируют амплитуду резонансных колебаний инструмента. Litao Wang предлагает идентифицировать состояние инструмента по сигналу вибрации, измеренному в направлении подачи с помощью датчика, установленного на державке инструмента. Для повышения информативности сигнала используют его дискретные вэйвлет-преобразования.
С этой целью фиксируют исходные параметры сигнала, полученные в начале работы обрабатывающей системы, и сравнивают их с параметрами вейвлет — коэффициентов, определяемых при текущем ее состоянии. Совершенствуя данную методику, анализируют распределения энергии сигнала по порядку вейвлет — разложения, далее используя дискретные скрытые марковские модели, создают матрицу распознавания, содержащую по 5 образов для каждого распознаваемого класса. Точность вывода о принадлежности текущего состояния подконтрольной системы к классу «нормальный» или «изношенный», по утверждениям авторов, достигает 97%. К сожалению, в работе не приводятся данные о номенклатуре испытуемых пар инструмент-заготовка и нет данных об объемах проведенных испытаний, а также отсутствует количественная оценка износа. C. Scheffer and P. S. Heyns на основе сигнала вибрации и применения нейронной сети на основе самоорганизующейся карты Корхена получили 100% достоверность результатов классификации размерного износа алмазного инструмента при обработке алюминиевого сплава.
Недостаткам метода является его недостаточное быстродействие. Кроме того, метод имеет узконаправленную специализацию, рассчитанную на обработку алюминиевых сплавов алмазным инструментом на линейном участке его износа. Исследование качества метода при обработке других, более твердых материалов, авторы не приводят. 1.2.3.3. Измерение высокочастотных сигналов.
В процессе работы обрабатывающей системы заготовка подвергается значительным пластическим деформациям, которые связаны с генерированием волн акустической эмиссии. Износ инструмента вызывает изменение параметров этого сигнала. Причем за счет того, что сигнал достаточно высокочастотный по своей природе (занимает полосу частот от 1 кГц до 1 мГц), акустическая эмиссия более чувствительна, чем сила резания, к износу инструмента. Между дисперсией АЭ и износом инструмента, согласно работам Moriwaki, Tobito и Richard Y. Chiou, Steven Y. Liang , существует тесная корреляция. Коррелируют с износом инструмента и другие параметры акустической эмиссии, такие, например, как время нарастания, частота и темп тактов, а также коэффициенты рядов Фурье. Методы активной диагностики, основанные на измерении акустоэлектрической эмиссии, базируются на теории термофлуктуационного разрушения. В работах указывается, что распад дилатона сопровождается локальной температурной вспышкой и акустической эмиссией.
Спектральная обработка сигналов акустоэлектрической эмиссии дает возможность проводить корреляцию с интенсивностью изнашивания режущего инструмента . Недостатком рассмотренных выше высокочастотных сигналов является их высокая чувствительность к помехам, вызванным влиянием окружающей среды и работой конструктивных узлов станка. Они зависят от расположения датчика, жесткости станка, материалов и режимов работы обрабатывающей системы, что чрезвычайно усложняет проблему применения данной технологии в производстве.
Преимуществом виброакустических методов контроля является простота как регистрации информационного сигнала, так и его дальнейшей компьютерной обработки. Однако этот способ контроля имеет существенный недостаток, связанный с отсутствием наподобие разработанных, например, для роторных машин «Норм виброактивности». Данное обстоятельство вынудило использовать другие физические процессы, сопровождающие работу обрабатывающих систем, с целью использования порождаемых этими процессами информационных сигналов для косвенной оценки технического состояния контролируемого объекта. 1.2.3.4. Измерение температуры, сигнала термо ЭДС и параметров других физических явлений В работе описывается способ определения степени критичности технического состояния обрабатывающей системы на основании измерения температуры в ее рабочей зоне.
В работе говорится, что «регистрация переменной составляющей термо ЭДС может рассматриваться как метод получения информации о темпе изменения динамического поведения обрабатывающей системы».
Работы показывают, что спектр переменной составляющей термо ЭДС имеет коэффициент взаимной корреляции выше 99 % с темпом интенсивности износа инструмента. Интересным является подход оценки степени критичности текущего динамического поведения обрабатывающей системы путем идентификации параметров геометрической модели текстуры поверхности, основываясь преимущественно на профиле поверхности.
При изучении износа инструмента достаточно широко применяются оптические устройства, а также метод радиоактивных. Для оценки величины фаски износа по задней поверхности предлагается использовать метод измерения электрической проводимости контакта «инструмент — деталь».
Рассмотренные выше методы контроля технического состояния обрабатывающей системы сводятся, в конечном счете, к контролю состояния непосредственно режущего инструмента. Однако основной задачей контроля динамического поведения обрабатывающей системы является попытка косвенным образом оценить качество получаемой в процессе ее работы детали. Одним из параметров, определяющих качество детали, является качество ее поверхности, количественно характеризуемое параметрами ее шероховатости.
Выход показателей шероховатости за допустимые пределы так- же классифицируется как отказ обрабатывающей системы по показателям качества выпускаемой продукции.
Источник: Залога В. А. и др. Контроль динамического состояния металлообрабатывающей технологической системы и прогнозирование ее ресурса