RU2548538C2

RU2548538C2 - Spindle unit diagnostics method

Info

Publication number: RU2548538C2
Application number: RU2012156195/02A
Authority: RU
Inventors: Фан Сагирович Сабиров; Михаил Павлович Козочкин; Олег Савельевич Кочетов
Original assignee: Олег Савельевич Кочетов
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2015-04-20
Also published as: RU2012156195A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: method includes a fixing on a bed of a spindle head with a spindle unit, registatrtion of signals from oscillation sensors and their sending through the amplifying and converting equipment into the computer. For improvement of accuracy of diagnostics a cylindrical work-piece with longitudinal groove is fixed in the spindle, then cutting is performed, the oscillations are measured by dynamometers mounted on the measurement unit, and the sensor installed on the spindle head sends their signals to the computer by means of which the response of the spindle head to the input effect is registered and analyzed and the ratio of effective amplitudes taken from the response signal on the spindle head is determined on the sections of record of the vibrations corresponding to the beginning of cutting after passing of the groove and the section of record of the vibrations corresponding to the end of cutting before exiting to the groove, and the moments of the beginning and the end of cutting are determined by change of the oscillation signal from the instrument unit.

EFFECT: improvement of accuracy of diagnostics.

6 dwg

Description

Изобретение предназначено для проведения диагностики шпиндельных узлов металлорежущих станков.The invention is intended for the diagnosis of spindle assemblies of metal cutting machines.

В настоящее время промышленность выпускает стенды и приборы для контроля параметров виброакустических сигналов, по которым можно судить о динамике упругой системы станка и состоянии подшипниковых узлов [Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. - М.: Наука, 1984. - С. 78-83]. Сборка высокоскоростных шпиндельных узлов проводится в термостатированных помещениях по строго определенной методике со строгим контролем отклонений отдельных деталей от заданной геометрии, а после сборки шпиндель подвергается многочасовой обкатке на специальном стенде с регистрацией температуры в нескольких точках узла и момента сопротивления вращению.Currently, the industry produces stands and devices for controlling the parameters of vibroacoustic signals, which can be used to judge the dynamics of the elastic system of the machine and the condition of the bearing assemblies [Balitsky F.Ya., Ivanova MA, Sokolova AG, Khomyakov E.I. . Vibroacoustic diagnostics of incipient defects. - M .: Nauka, 1984. - S. 78-83]. The assembly of high-speed spindle assemblies is carried out in thermostatically controlled rooms according to a strictly defined method with strict control of deviations of individual parts from a given geometry, and after assembly, the spindle is run for many hours on a special stand with registration of temperature at several points of the assembly and the moment of resistance to rotation.

К недостаткам известных способов следует отнести то обстоятельство, что, контролируя только температуру, нельзя проникнуть в сущность процессов, протекающих в шпиндельных узлах при холостом вращении шпинделя, при работе под нагрузкой. Сегодня назрела необходимость применения новых методик и способов виброакустической диагностики, позволяющих значительно глубже по сравнению с контролем температуры проникать в сущность процессов, протекающих в шпиндельных узлах при холостом вращении шпинделя, при работе под нагрузкой и при повышении температуры.The disadvantages of the known methods include the fact that, controlling only the temperature, it is impossible to penetrate into the essence of the processes occurring in the spindle nodes during idle rotation of the spindle, when working under load. Today, the need has ripened for the application of new techniques and methods of vibroacoustic diagnostics, which can significantly penetrate the essence of the processes occurring in the spindle units during idle rotation of the spindle, when operating under load, and when the temperature rises, compared to temperature control.

Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является способ диагностики шпиндельного узла по патенту РФ №2124966, кл. В23В 25/06, G01M 13/02 - прототип. Согласно прототипу диагностика реализуется следующим образом. После выбора режима испытаний станок включается и производится обработка средней части оправки резцом. Сигналы от датчиков перемещения, расположенных в двух поперечных сечениях оправки, поступают сначала в усилительно-преобразующую аппаратуру, а потом в компьютер, где производится построение траектории оси оправки в двух сечениях. В результате движения вершина резца описывает на поверхности оправки некоторую кривую, которая формирует "геометрический образ" обработанного сечения. Программное обеспечение позволяет производить построение на экране дисплея "геометрический образ" в трехмерном пространстве, по которому определяют динамическую податливость с помощью построения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) (податливости, подвижности или ускоряемости), при этом АЧХ строится с помощью вибратора или динамометрического молотка, и чем больше максимум на АЧХ, тем хуже считается характеристика.The closest technical solution to the technical nature and the achieved result is a method for diagnosing a spindle assembly according to the patent of the Russian Federation No. 21244966, class. B23B 25/06, G01M 13/02 - prototype. According to the prototype, the diagnosis is implemented as follows. After selecting the test mode, the machine is turned on and the middle part of the mandrel is machined with a cutter. The signals from the displacement sensors located in two cross sections of the mandrel are fed first to the amplification-converting equipment, and then to the computer, where the trajectory of the axis of the mandrel in two sections is constructed. As a result of the movement, the tip of the cutter describes a curve on the surface of the mandrel, which forms a "geometric image" of the processed section. The software allows you to build on the display screen a "geometric image" in three-dimensional space, which determines the dynamic compliance by constructing the amplitude-frequency characteristic (AFC) (flexibility, mobility or acceleration), while the AFC is built using a vibrator or dynamometer, and the greater the maximum in frequency response, the worse the characteristic is considered.

Недостатком известного технического решения является сравнительно невысокая точность определения качества шпиндельного узла, так как получаемые АЧХ имели много спектральных максимумов, значения АЧХ по разным направлениям воздействия получались разные, и учитывать их совокупный эффект объективно было невозможно, при этом АЧХ получались в статике, что меняло условия работы шпинделя, и строились без нагрузки шпинделя, что тоже меняло условия реальной работы шпинделя.A disadvantage of the known technical solution is the relatively low accuracy of determining the quality of the spindle assembly, since the obtained frequency response had many spectral maxima, the frequency response in different directions of exposure was different, and taking into account their combined effect was objectively impossible, while the frequency response was obtained in statics, which changed the conditions work of the spindle, and built without spindle load, which also changed the conditions of the real work of the spindle.

Технически достижимым результатом является повышение точности определения качества шпиндельного узла.Technically achievable result is to increase the accuracy of determining the quality of the spindle unit.

Это достигается тем, что в способе диагностики шпиндельного узла, заключающимся в том, что сначала фиксируют сигналы от датчиков перемещения, расположенных в двух поперечных сечениях оправки шпинделя, а потом направляют их в компьютер, где производят построение траектории оси оправки шпинделя, на станине закрепляют шпиндельную бабку со шпиндельным узлом, в шпинделе которого закрепляют оправку с продольным, вдоль оси шпинделя, пазом, предназначенная для испытания при резании, при этом края паза имеют строго радиальное направление для того, а импульсное нагружение создают путем выхода и входа инструмента в паз оправки при цилиндрическом точении, что обуславливает импульсное нагружение всей технологической системы станка, включая и шпиндельный узел, при этом подаваемое на исследуемый объект усилие измеряют с помощью пьезоэлектрических динамометров, жестко закрепленных на режущем инструменте и расположенных во взаимно-перпендикулярных плоскостях, сигналы с которых поступают на преобразователь сигналов, соединенный по линии связи с управляющим блоком, а в верхней части шпиндельного узла жестко закрепляют трехкомпонентный акселерометр, выполняющий измерение колебаний по трем координатам X, Y, Z, сигналы с которого поступают на управляющий блок, содержащий компьютер со специально ориентированным пакетом программ для выработки параметров входного воздействия, генерирующего импульсное нагружение шпинделя, и получения ответной реакции этого воздействия в виде амплитудно-частотных характеристик шпинделя, а также отображения изображений получаемых характеристик по трем координатам: X, Y, Z.This is achieved by the fact that in the diagnostic method of the spindle assembly, which consists in first recording the signals from displacement sensors located in two cross sections of the spindle mandrel, and then sending them to a computer, where the axis of the spindle mandrel axis is plotted, the spindle is fixed on the bed a headstock with a spindle assembly, in the spindle of which a mandrel is fixed with a longitudinal groove along the axis of the spindle, intended for testing during cutting, while the edges of the groove have a strictly radial direction for oh, and pulsed loading is created by exiting and entering the tool into the groove of the mandrel during cylindrical turning, which causes pulsed loading of the entire technological system of the machine, including the spindle assembly, while the force applied to the object under study is measured using piezoelectric dynamometers rigidly fixed to the cutting tool and located in mutually perpendicular planes, the signals from which are fed to a signal converter connected via a communication line to the control unit, and in the upper part the spindle assembly is rigidly fixed to a three-component accelerometer that measures vibrations in three coordinates X, Y, Z, the signals from which are fed to a control unit containing a computer with a specially oriented software package for generating input parameters that generate pulsed spindle loading and obtain a response of this impact in the form of amplitude-frequency characteristics of the spindle, as well as displaying images of the obtained characteristics in three coordinates: X, Y, Z.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа определения динамического качества шпиндельного узла, на фиг.2 - поперечное сечение оправки с пазом, закрепленной в шпиндельном узле, и предназначенной для испытания при резании, на фиг.3 - пример АЧХ по ускоряемости по двум направлениям осей для станка №1, на фиг.4 - пример АЧХ ускоряемости по двум направлениям для станка №2, на фиг.5 - пример записи вибраций с корпуса шпинделя (верхняя запись) и с корпуса режущего инструмента (нижняя запись) для станка №2, на фиг.6 - пример записи вибраций с корпуса шпинделя (верхняя запись) и с корпуса режущего инструмента (нижняя запись) для станка №1.Figure 1 presents a diagram of a device for implementing the method for determining the dynamic quality of the spindle unit, figure 2 is a cross section of a mandrel with a groove fixed in the spindle unit, and intended for testing during cutting, figure 3 is an example of frequency response for acceleration in two in the directions of the axes for machine No. 1, FIG. 4 is an example of the acceleration frequency response in two directions for machine No. 2, and FIG. 5 is an example of recording vibrations from the spindle housing (upper record) and from the cutting tool body (lower record) for machine No. 2, in Fig.6 is an example of recording vibra s with the spindle housing (upper trace) and with the tool body (lower trace) for the machine №1.

Устройство для реализации способа определения динамического качества шпиндельного узла состоит из станины 1 (фиг.1), на которой посредством опор закреплена шпиндельная бабка 2 со шпиндельным узлом 3, установленном в подшипниках качения, в котором закреплена оправка 5 с продольным, вдоль оси шпинделя, пазом 6, предназначенная для испытания при резании, при этом края паза 6 (фиг.2) имеют строго радиальное направление для того, чтобы выход и вход в паз режущего инструмента 7 был коротким по времени. Выход и вход инструмента в такой паз при цилиндрическом точении заготовки создает импульсное нагружение всей технологической системы станка, включая и шпиндельный узел. Реакция шпиндельного узла на такое импульсное возмущающее воздействие более объективно оценивает динамическое качество шпиндельного узла 3. Паз 6 выполнен заданной глубины, реализующей амплитуду входного импульсного воздействия, а частота входного импульсного воздействия задается скоростью вращения шпинделя. В сечении, перпендикулярном оси шпиндельного узла станка, паз 6 выполнен с наклонными боковыми поверхностями, лежащими в плоскостях, пересекающихся по линии, совпадающей с осью оправки 5, и в плоскости, перпендикулярной оси шпинделя, совпадающей с центром окружности. При этом поверхность, соединяющая боковые плоскости, представляет собой часть цилиндрической поверхности, эквидистантной внешней цилиндрической поверхности оправки 5. Подаваемое на исследуемый объект усилие измеряют с помощью пьезоэлектрических динамометров 8 и 9, жестко закрепленных на режущем инструменте 7, и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, сигналы с которых поступают на преобразователь сигналов 10, соединенный по линии связи 11 с управляющим блоком 12. В верхней части шпиндельного узла 3 жестко закреплен трехкомпонентный акселерометр 4, выполняющий измерение колебаний по трем координатам X, Y, Z, сигналы с которого также поступают на управляющий блок 12, содержащий компьютер со специально ориентированным пакетом программ для выработки параметров входного воздействия, генерирующего импульсное нагружение шпинделя, и получения ответной реакции этого воздействия в виде амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) шпинделя 3, а также отображения изображений получаемых АЧХ по трем координатам: X, Y, Z.A device for implementing the method for determining the dynamic quality of the spindle unit consists of a bed 1 (Fig. 1), on which the spindle head 2 is mounted by bearings with the spindle unit 3 mounted in rolling bearings, in which the mandrel 5 is fixed with a longitudinal groove along the axis of the spindle 6, intended for testing during cutting, while the edges of the groove 6 (figure 2) have a strictly radial direction so that the exit and entrance into the groove of the cutting tool 7 is short in time. The exit and entry of the tool into such a groove during cylindrical turning of the workpiece creates impulse loading of the entire technological system of the machine, including the spindle assembly. The response of the spindle unit to such a pulsating disturbing effect more objectively evaluates the dynamic quality of the spindle unit 3. The groove 6 is made of a predetermined depth that implements the amplitude of the input pulse effect, and the frequency of the input pulse action is set by the spindle speed. In a section perpendicular to the axis of the spindle assembly of the machine, the groove 6 is made with inclined side surfaces lying in planes intersecting along a line coinciding with the axis of the mandrel 5 and in a plane perpendicular to the axis of the spindle coinciding with the center of the circle. In this case, the surface connecting the lateral planes is a part of the cylindrical surface, the equidistant outer cylindrical surface of the mandrel 5. The force applied to the test object is measured using piezoelectric dynamometers 8 and 9, rigidly mounted on the cutting tool 7, and located in mutually perpendicular planes, the signals from which they arrive at the signal converter 10, connected via a communication line 11 to the control unit 12. In the upper part of the spindle unit 3, a three-set aent accelerometer 4, which measures oscillations in three coordinates X, Y, Z, the signals from which also go to the control unit 12, which contains a computer with a specially oriented software package for generating parameters of the input action generating pulsed loading of the spindle and to obtain a response of this action in the form of amplitude-frequency characteristics (AFC) of spindle 3, as well as displaying images of the obtained AFC in three coordinates: X, Y, Z.

Способ определения динамического качества шпиндельного узла осуществляют следующим образом.The method for determining the dynamic quality of the spindle unit is as follows.

Предлагается способ получения информации о динамическом качестве шпиндельного узла по результатам резания в строго определенных условиях (режимы, операция, инструмент, заготовка, материал и т.п.). В качестве обрабатываемой детали берется оправка 5 с пазом 6, края которого имеют строго радиальное направление для того, чтобы выход и вход в паз режущего инструмента был коротким. Выход и вход инструмента в такой паз при цилиндрическом точении заготовки создает импульсное нагружение всей технологической системы станка, включая и шпиндельный узел. Реакция шпиндельного узла на такое импульсное возмущающее воздействие более объективно оценивает динамическое качество шпиндельного узла станка.A method for obtaining information about the dynamic quality of the spindle unit according to the results of cutting under strictly defined conditions (modes, operation, tool, workpiece, material, etc.) is proposed. As the workpiece, a mandrel 5 with a groove 6 is taken, the edges of which have a strictly radial direction so that the exit and entrance to the groove of the cutting tool is short. The exit and entry of the tool into such a groove during cylindrical turning of the workpiece creates impulse loading of the entire technological system of the machine, including the spindle assembly. The response of the spindle assembly to such a pulsating disturbing effect more objectively evaluates the dynamic quality of the machine spindle assembly.

В качестве примера рассмотрим результаты исследований 2-х одинаковых шлифовальных шпинделей на подшипниках качения.As an example, we consider the results of studies of 2 identical grinding spindles on rolling bearings.

На фиг.1 и 2 показаны АЧХ по ускоряемости, построенные по двум взаимно перпендикулярным направлениям для совершенно одинаковых токарных станков. Видно, что АЧХ различны для направлений и для станков 1 и 2. АЧХ имеют много экстремумов, оценить качество шпинделей трудно. У станка №1 амплитуда АЧХ на 370 Гц выше, но на 1000 Гц ниже по сравнению со станком №2.Figure 1 and 2 shows the frequency response for acceleration, built in two mutually perpendicular directions for exactly the same lathes. It can be seen that the frequency response is different for directions and for machines 1 and 2. Frequency response has many extrema, it is difficult to assess the quality of the spindles. At machine # 1, the amplitude-frequency response amplitude is 370 Hz higher, but 1000 Hz lower compared to machine # 2.

На фиг.3 представлена АЧХ по ускоряемости по двум направлениям осей для станка №1, а на фиг.4 - АЧХ ускоряемости по двум направлениям для станка №2. На фиг.5 изображен пример записи вибраций с корпуса шпинделя (верхняя запись) и с корпуса режущего инструмента (нижняя запись) (Станок №2), а на фиг.6 - пример записи вибраций с корпуса шпинделя (верхняя запись) и с корпуса режущего инструмента (нижняя запись) (Станок №1).Figure 3 shows the frequency response for acceleration in two directions of the axes for machine No. 1, and figure 4 - the frequency response of acceleration in two directions for machine No. 2. Figure 5 shows an example of recording vibrations from the spindle housing (upper recording) and from the cutting tool housing (lower recording) (Machine No. 2), and Fig.6 is an example of recording vibration from the spindle housing (upper recording) and from the cutting housing tool (bottom record) (Machine No. 1).

В способе предлагается в процессе обработки оправки (или заготовки) с пазом фиксировать вибрации на корпусах шпинделя и режущего инструмента. На режущем инструменте лучше фиксировать высокочастотные вибрации (на фиг.5 диапазон 2,8-5.6 кГц), на шпинделе наиболее опасный (например, где наблюдаются наибольшие вибрации по перемещению) диапазон (на фиг.5 до 1 кГц). Вибрации на режущем инструменте четко показывают, где начало, а где конец резания участка поверхности между выходами инструмента в паз. Из записи вибраций на шпиндельном узле станка выбирают два участка: 1) участок после момента входа инструмента в зону резания (участок А на фиг.5 - участок возмущенного движения); 2) участок спокойного резания перед выходом инструмента в паз (участок В на фиг.5). Качество динамических характеристик шпиндельного узла станка оценивают по величине соотношения эффективных значений (СКЗ) вибрации на участке А и участке В. Для станка №2 (фиг.5) это соотношение равно 2,25. На фиг.6 показан пример записи, аналогичной рис.3, но для станка №1.The method proposes in the process of processing the mandrel (or workpiece) with a groove to fix vibrations on the spindle and cutting tool bodies. On the cutting tool, it is better to fix high-frequency vibrations (in the figure 5, the range is 2.8-5.6 kHz), on the spindle the most dangerous (for example, where the greatest vibrations in movement are observed) range (in the figure 5 to 1 kHz). Vibrations on the cutting tool clearly show where the beginning and where is the end of cutting the surface area between the tool outlets in the groove. Two sections are selected from the recording of vibrations on the spindle assembly of the machine: 1) the section after the moment the tool enters the cutting zone (section A in Fig. 5 is the disturbed motion section); 2) a quiet cutting section before the tool exits into the groove (section B in FIG. 5). The quality of the dynamic characteristics of the spindle assembly of the machine is evaluated by the ratio of the effective values (RMS) of vibration in section A and section B. For machine No. 2 (Fig. 5) this ratio is 2.25. Figure 6 shows an example of a recording similar to Figure 3, but for machine No. 1.

Сравнение фиг.5 и 6 показывает, что шпиндель станка №2 мало реагирует на импульсное нагружение. Для него соотношение эффективных значений для участков А и В равно 1,1. Это соотношение может выступать в качестве интегрального критерия динамического качества шпиндельного узла станка. При этом легко заметить, что возмущение на шпиндельном узле №2 продолжается довольно длительное время после прохождения паза. Повышенные колебания на шпиндельном узле станка фиксируются примерно еще на 40% от оборота заготовки.A comparison of figures 5 and 6 shows that the spindle of the machine No. 2 responds little to pulsed loading. For him, the ratio of effective values for sections A and B is 1.1. This ratio can act as an integral criterion for the dynamic quality of the machine spindle assembly. It is easy to notice that the disturbance on the spindle unit No. 2 lasts a fairly long time after the passage of the groove. Increased vibrations on the spindle assembly of the machine are recorded by approximately another 40% of the workpiece turnover.

Claims

A method for diagnosing a spindle assembly, including securing a headstock with a spindle assembly on a bed, fixing signals from vibration sensors and directing them through an amplifying-converting apparatus to a computer to determine the dynamic quality of the spindle assembly, characterized in that a cylindrical workpiece is fixed in the spindle with a longitudinal groove, the walls of which have a radial direction, then they carry out cutting with the exit and entrance of the tool into the groove of the workpiece during cylindrical turning to ensure m of pulse loading of the entire technological system of the machine, including the spindle unit, while the vibrations are measured by dynamometers mounted on the tool unit and a sensor mounted on the headstock, send their signals to the computer, with the help of which the response of the headstock to the input effect is recorded and analyzed and determine the ratio of the effective amplitudes taken from the response signal on the headstock in the areas of recording vibrations corresponding to the beginning of cutting after the passage of the groove, and sections of the recording of vibrations corresponding to the end of the cutting before entering the groove, and the moments of the beginning and end of the cutting are determined by the change in the vibration signal from the tool unit.