RU2561236C2 - Method for diagnosis of cyclic machines - metal-cutting machines using phase-chronometric method - Google Patents

Method for diagnosis of cyclic machines - metal-cutting machines using phase-chronometric method Download PDF

Info

Publication number
RU2561236C2
RU2561236C2 RU2013158894/28A RU2013158894A RU2561236C2 RU 2561236 C2 RU2561236 C2 RU 2561236C2 RU 2013158894/28 A RU2013158894/28 A RU 2013158894/28A RU 2013158894 A RU2013158894 A RU 2013158894A RU 2561236 C2 RU2561236 C2 RU 2561236C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
machine
parameters
machines
sensors
spindle
Prior art date
Application number
RU2013158894/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013158894A (en
Inventor
Александр Сергеевич Комшин
Константин Геннадьевич Потапов
Антон Борисович Сырицкий
Михаил Иванович Киселев
Владимир Ильич Пронякин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана")
Priority to RU2013158894/28A priority Critical patent/RU2561236C2/en
Publication of RU2013158894A publication Critical patent/RU2013158894A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2561236C2 publication Critical patent/RU2561236C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • General Factory Administration (AREA)

Abstract

FIELD: physics, measurement.
SUBSTANCE: invention relates to diagnosis of the technical state of machines and mechanisms, and can be used, for example, to evaluate the technical state of metal-cutting machines and structural components thereof. The method includes determining a list of diagnosed parameters and possible defects of machines, determining the values of said diagnosed parameters and defects, installing chronometric sensors of operating phases of the machines on parts of the machines in order to take measurements, and recording readings in a single metrological field, analysing sensor readings and refining values of the diagnosed parameters using mathematical models. The method also includes monitoring the state of components and parts of the machines, taking into account intactness of machines and external operating conditions in the form of temperature and humidity.
EFFECT: high accuracy of measurement and diagnosis.
1 tbl, 18 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области диагностики технического состояния машин и механизмов и может быть использовано, например, для оценки технического состояния металлорежущих станков и их элементов конструкций.The invention relates to the field of diagnostics of the technical condition of machines and mechanisms and can be used, for example, to assess the technical condition of metal-cutting machines and their structural elements.

Уровень техникиState of the art

Объект относится к области устройств машиностроения, выполняющих измерения путем определения времени, необходимого для прохождения фазового положения для индикации или измерения условий резания, режущей способности, нагрузки на инструмент, сигнализирующие об износе и повреждении станка в процессе обработки.The object relates to the field of mechanical engineering devices that measure by determining the time required to go through the phase position to indicate or measure the cutting conditions, cutting ability, tool load, which indicate wear and damage to the machine during processing.

Сначала информация про аналоги из уровня техники традиционных способов диагностики металлорежущих станков. Как правило, аналоги из традиционных способов - это способы, в основе которых лежат виброакустические измерения (вибродиагностика) физических величин с недостаточной метрологической точностью. Недостатком также является сложный процесс идентификации дефекта и невозможность определения истинной причины отклонения или поломки в процессе работы, что не позволяет использовать их с требуемой точностью и надежностью в качестве способов диагностики металлорежущих станков.First, information about analogues from the prior art of traditional methods for diagnosing metal cutting machines. As a rule, analogues from traditional methods are methods based on vibroacoustic measurements (vibrodiagnostics) of physical quantities with insufficient metrological accuracy. The disadvantage is the complex process of identifying a defect and the inability to determine the true cause of deviations or breakdowns during operation, which does not allow using them with the required accuracy and reliability as diagnostic methods for metal cutting machines.

В патенте РФ №2363936 СПОСОБ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ОБЪЕКТОВ (МПК G01M 7/02, опубликовано: 10.08.2009) предлагается построить спектр вибрации в частотной области, линеаризовать шаг расположения информативных составляющих путем нелинейного преобразование масштаба частот, важные компоненты выделить, определить частоты существенных дефектов, которые будут использоваться для оценки технического состояния объекта. Данный способ можно использовать для диагностики технического состояния машин и механизмов.In RF patent No. 2363936 METHOD FOR VIBRODIAGNOSTICS OF OBJECTS (IPC G01M 7/02, published: 08/10/2009) it is proposed to construct a vibration spectrum in the frequency domain, linearize the step of arrangement of informative components by non-linear frequency scale conversion, highlight important components, determine the frequencies of significant defects that will be used to assess the technical condition of the facility. This method can be used to diagnose the technical condition of machines and mechanisms.

Недостатком аналога является то, что способ основан на методе вибродиагностики технического состояния объекта, заключающийся в том, что в информативной точке измеряют вибрацию диагностируемого объекта, получают кепстр вибрации во временной области, оценивают амплитуды и квефренции информативных компонент кепстра, соответствующих дефектам объекта, отличающийся тем, что кепстр вибрации строят в частотной области, линеаризуют шаг расположения информативных составляющих путем нелинейного преобразования масштаба частот, определяют частоты существенных дефектов по величине существенных кепстральных компонент, по которым оценивают состояние объекта. Основным недостатком данного аналога является более низкая точность измерений: погрешность измерения вибрации 0,01.…5%.The disadvantage of the analogue is that the method is based on the method of vibration diagnostics of the technical condition of the object, which consists in the fact that the vibration of the diagnosed object is measured at an informative point, a vibration cepstrum is obtained in the time domain, the amplitudes and highs of the informative components of the cepstrum corresponding to defects of the object are estimated, that the cepstrum of vibration is built in the frequency domain, linearize the step of the location of informative components by non-linear transformation of the frequency scale, determine the hour the totals of significant defects in terms of the value of essential cepstral components, which assess the state of the object. The main disadvantage of this analogue is the lower accuracy of the measurements: the measurement error of vibration is 0.01 ... 5%.

В патенте РФ №2332652 СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ ВИБРОАКТИВНОСТИ СТАНКОВ, РАБОТАЮЩИХ С ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ (МПК G01M 7/00, опубликовано: 27.08.2008) предлагается производить измерения амплитуд виброскорости и виброускорения в локальной энергонасыщенной интегральной точке шпинделя станка на максимальной рабочей частоте со значениями, определенными из зависимостей. Зависимости учитывают, что амплитудные значения виброскорости определяют степень воздействия на вибрацию каждой составляющей характерного координатного смещения оси вращения шпинделя, а амплитудные значения виброускорения указывают на возникновение динамических нагрузок в шпиндельных сборках. Основным недостатком данного аналога также является более низкая точность измерений, погрешность измерения 0,01…5%.In RF patent No. 2332652 METHOD FOR DIAGNOSTIC AND EVALUATION OF VIBROACTIVITY OF MACHINES OPERATING WITH BLADE TOOLS (IPC G01M 7/00, published: August 27, 2008) it is proposed to measure the amplitudes of vibration velocity and vibration acceleration at a local energy point of the maximum operating temperature of the maximum workstation of the maximum defined from dependencies. The dependencies take into account that the amplitude values of the vibration velocity determine the degree of influence on the vibration of each component of the characteristic coordinate displacement of the axis of rotation of the spindle, and the amplitude values of vibration acceleration indicate the occurrence of dynamic loads in the spindle assemblies. The main disadvantage of this analogue is also a lower measurement accuracy, the measurement error of 0.01 ... 5%.

С другой стороны известен общий фазохронометрический метод (ФХМ) авторов из МГТУ им. Н.Э. Баумана (см. например, «Информационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и механизмов на базе прецизионного хронометрического анализа фазы рабочего цикла» (автореферат диссертации Пронякина В.И. на соискание ученой степени доктора технических наук, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010, адрес в Интернет: http://oldvak.ed.gov.ru/ru/announcements_1/technikal_sciences/index.php?id4=2458&from4=3).On the other hand, the general phase-chronometric method (FHM) of the authors from MSTU im. N.E. Bauman (see, for example, "Information and metrological support of the life cycle of machines and mechanisms based on a precision chronometric analysis of the phase of the working cycle" (abstract of the dissertation of V. Pronyakin for the degree of Doctor of Technical Sciences, MSTU named after N.E.Bauman, 2010, Internet address: http://oldvak.ed.gov.ru/en/announcements_1/technikal_sciences/index.php?id4=2458&from4=3).

Фазохронометрический метод в общем случае включает:The phase-chronometric method in the General case includes:

1) предварительное определение и перечень диагностируемых параметров и возможных дефектов машины и структурное разбиение машины на части, критически важные для диагностирования параметров и возможных дефектов,1) a preliminary definition and a list of diagnosed parameters and possible machine defects and structural breakdown of the machine into parts that are critical for diagnosing parameters and possible defects,

2) разбиение рабочего цикла машины и ее частей на отдельные фазы;2) dividing the working cycle of the machine and its parts into separate phases;

3) составление со степенью подробности, необходимой для прецизионного определения величин диагностируемых параметров и возможных дефектов, математических моделей рабочего цикла частей машины и их взаимодействия в фазохронометрическом информационном представлении для взаимосвязи результатов измерений с соответствующими процессами (фазами цикла) в работающих частях машины,3) compilation with the degree of detail necessary for the precise determination of the values of diagnosed parameters and possible defects, mathematical models of the working cycle of machine parts and their interaction in a phase-chronometric information representation for the relationship of measurement results with the corresponding processes (cycle phases) in the working parts of the machine,

4) установку в частях машины прецизионных (с относительной погрешностью не более 10-4%) хронометрических датчиков фаз рабочего цикла, выходы датчиков связаны с блоком обработки сигналов их измерений, в блоке также установлены рабочие программы математических моделей рабочего цикла частей машины и их взаимодействия для последующей обработки результатов измерений, при этом расположение датчиков в машине обусловлено конструкцией частей циклически работающей машины, а места установки датчиков определяют с точки зрения получения наиболее полной информации о работе частей машины;4) the installation of precision (with a relative error of no more than 10 -4 %) chronometric sensors of the working cycle phases in the machine parts, the outputs of the sensors are connected to the processing unit for their measurement signals, the block also contains work programs for mathematical models of the working cycle of machine parts and their interaction for subsequent processing of the measurement results, while the location of the sensors in the machine is determined by the design of the parts of the cyclically operating machine, and the installation locations of the sensors are determined from the point of view of obtaining the most olnoy information about the parts of the machine;

5) прецизионные измерения указанными датчиками интервалов времени фаз рабочих циклов частей машины и их взаимодействия с представлением обработанной измерительной информации в едином метрологическом формате на всех этапах жизненного цикла машины и в математическом моделировании рабочих циклов частей машины и их взаимодействия, а именно: получение массивов данных, образованных сериями измеренных последовательно (без пропусков) рядов интервалов времени фаз в едином опорном времени;5) precision measurements by the indicated sensors of the time intervals of the phases of the working cycles of machine parts and their interaction with the presentation of the processed measurement information in a single metrological format at all stages of the life cycle of the machine and in mathematical modeling of the working cycles of machine parts and their interaction, namely: obtaining data arrays, formed by a series of measured in sequence (without gaps) series of time intervals of phases in a single reference time;

6) в ходе обработки результатов измерений выполняют уточнение величин параметров, входящих в математические модели, на соответствие текущему техническому состоянию машины, а затем по результатам имитационного моделирования с использованием уточненных моделей и с последующей математической обработкой определяют величины диагностируемых параметров и возможных дефектов машины, по которым оценивают текущее техническое состояние машины.6) during the processing of the measurement results, the values of the parameters included in the mathematical models are refined to correspond to the current technical condition of the machine, and then the values of the diagnosed parameters and possible defects of the machine are determined by simulation results using the updated models and subsequent mathematical processing, according to which evaluate the current technical condition of the machine.

Это последовательность общих приемов действий ФХМ, которые необходимо каждый раз творчески применять с индивидуальными нюансами реализации для диагностирования конкретных типов циклических машин.This is a sequence of general methods of FHM actions that must be creatively applied each time with individual nuances of implementation for diagnosing specific types of cyclic machines.

Целесообразно также упомянуть полезную модель RU 131167 авторов ФХМ из МГТУ им. Н.Э. Баумана «Блок измерительный» (МПК G01M 13/04, опубликовано: 10.08.2013) для обработки сигналов датчиков, используемых в рамках общего ФХМ. Данный измерительный блок предназначен для измерения интервалов времени, соответствующих повторяющемуся заданному перемещению элемента или элементов механизма, включающий датчик перемещения элемента или элементов механизма и средство измерения интервалов времени между импульсами, поступающими от датчика при прохождении перед ним элемента механизма. Блок дополнительно включает датчик опорного канала, а средство измерения интервалов времени между импульсами содержит таймер общего счета, запускающий последовательность счетных импульсов, генератор счетных импульсов, счетчик и схему, включающую счетчик на время, определяемое таймером общего счета по сигналам опорного датчика. Блок также дополнительно включает память и средство формирования и записи измеренных интервалов времени в память и средство связи для передачи результатов измерений средству математической обработки. Эта полезная модель является универсальным устройством для первичной обработки сигналов датчиков, используемых в ФХМ.It is also advisable to mention the utility model RU 131167 of the authors of the FHM from MSTU. N.E. Bauman “Measuring unit” (IPC G01M 13/04, published: 08/10/2013) for processing sensor signals used in the framework of the general FHM. This measuring unit is designed to measure time intervals corresponding to a repeated predetermined movement of an element or elements of the mechanism, including a sensor for moving an element or elements of the mechanism and a means of measuring time intervals between pulses from the sensor when the element of the mechanism passes in front of it. The block additionally includes a reference channel sensor, and the means for measuring the time intervals between pulses contains a total count timer that starts a sequence of counting pulses, a counting pulse generator, a counter and a circuit that includes a counter for a time determined by the total count timer using the signals of the reference sensor. The unit also further includes a memory and means for generating and recording the measured time intervals in the memory and communication means for transmitting the measurement results to the mathematical processing means. This utility model is a universal device for the primary processing of sensor signals used in the PCM.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей предлагаемого изобретения является творческая реализация общих положений фазохронометрического метода (ФХМ) с дополнительными новыми индивидуальными признаками изобретательского уровня для диагностирования как отдельных циклически движущихся узлов и элементов металлорежущих станков, так и станков в целом, для повышения точности диагностирования до 10-4%.The objective of the invention is the creative implementation of the general provisions of the phase-chronometric method (FHM) with additional new individual features of the inventive step for diagnosing both individual cyclically moving units and elements of metal cutting machines, and machine tools in general, to increase the accuracy of diagnosis up to 10 -4 %.

Способ диагностирования циклических машин - металлорежущих станков фазохронометрическим методом включает в себя:A method for diagnosing cyclic machines - metal-cutting machines by the phase-chronometric method includes:

1) предварительное определение и перечень диагностируемых параметров и возможных дефектов машины и структурное разбиение машины на части, критически важные для диагностирования параметров и возможных дефектов,1) a preliminary definition and a list of diagnosed parameters and possible machine defects and structural breakdown of the machine into parts that are critical for diagnosing parameters and possible defects,

2) разбиение рабочего цикла машины и ее частей на отдельные фазы;2) dividing the working cycle of the machine and its parts into separate phases;

3) составление со степенью подробности, необходимой для прецизионного определения величин диагностируемых параметров и возможных дефектов, математических моделей рабочего цикла частей машины и их взаимодействия в фазохронометрическом информационном представлении для взаимосвязи результатов измерений с соответствующими процессами (фазами цикла) в работающих частях машины,3) compilation with the degree of detail necessary for the precise determination of the values of diagnosed parameters and possible defects, mathematical models of the working cycle of machine parts and their interaction in a phase-chronometric information representation for the relationship of measurement results with the corresponding processes (cycle phases) in the working parts of the machine,

4) установку в частях машины прецизионных (с относительной погрешностью не более 10-4%) хронометрических датчиков фаз рабочего цикла, выходы датчиков связаны с блоком обработки сигналов их измерений, в блоке также установлены рабочие программы математических моделей рабочего цикла частей машины и их взаимодействия для последующей обработки результатов измерений, при этом расположение датчиков в машине обусловлено конструкцией частей циклически работающей машины, а места установки датчиков определяют с точки зрения получения наиболее полной информации о работе частей машины;4) the installation of precision (with a relative error of no more than 10 -4 %) chronometric sensors of the working cycle phases in the machine parts, the outputs of the sensors are connected to the processing unit for their measurement signals, the block also contains work programs for mathematical models of the working cycle of machine parts and their interaction for subsequent processing of the measurement results, while the location of the sensors in the machine is determined by the design of the parts of the cyclically operating machine, and the installation locations of the sensors are determined from the point of view of obtaining the most olnoy information about the parts of the machine;

5) прецизионные измерения указанными датчиками интервалов времени фаз рабочих циклов частей машины и их взаимодействия с представлением обработанной измерительной информации в едином метрологическом формате на всех этапах жизненного цикла машины и в математическом моделировании рабочих циклов частей машины и их взаимодействия, а именно: получение массивов данных, образованных сериями измеренных последовательно (без пропусков) рядов интервалов времени фаз в едином опорном времени;5) precision measurements by the indicated sensors of the time intervals of the phases of the working cycles of machine parts and their interaction with the presentation of the processed measurement information in a single metrological format at all stages of the life cycle of the machine and in mathematical modeling of the working cycles of machine parts and their interaction, namely: obtaining data arrays, formed by a series of measured in sequence (without gaps) series of time intervals of phases in a single reference time;

6) в ходе обработки результатов измерений выполняют уточнение величин параметров, входящих в математические модели, на соответствие текущему техническому состоянию машины, а затем по результатам имитационного моделирования с использованием уточненных моделей и с последующей математической обработкой определяют величины диагностируемых параметров и возможных дефектов машины, по которым оценивают текущее техническое состояние машины.6) during the processing of the measurement results, the values of the parameters included in the mathematical models are refined to correspond to the current technical condition of the machine, and then the values of the diagnosed parameters and possible defects of the machine are determined by simulation results using the updated models and subsequent mathematical processing, according to which evaluate the current technical condition of the machine.

В ходе обработки результатов измерений выполняют уточнение величин параметров, входящих в математические модели, на соответствие текущему техническому состоянию машины, а затем по результатам имитационного моделирования с использованием уточненных моделей и с последующей математической обработкой определяют величины диагностируемых параметров и возможных дефектов машины, по которым оценивают текущее техническое состояние машины; первичный анализ рядов сигналов датчиков заключается в построении и сопоставлении массивов рядов прецизионных интервалов времени на разных временных промежутках; вторичный анализ - статистическая математическая обработка методами, признанными оптимальными для обработки сигналов прецизионных интервалов времени с учетом нюансов соответствующего класса диагностируемых циклических машин: корреляционный анализ хронограмм вращения; спектральный анализ хронограмм вращения; кросс-спектральный анализ; преобразование Фурье; и/или анализ трендов; режимный и «сезонный» анализ (в зависимости от загрузки оборудования, сложности обработки материалов, времени работы); имитационные хронограммы и производные из них частотные спектры, полученные в результате вычислительного эксперимента, сравнивают с экспериментальными графиками; критерии сравнения экспериментальных и имитационных графиков - в первую очередь математические (разброс диапазона значение, тренд замедления или ускорения, выход на установившемся режиме за пределы поровых значений).In the course of processing the measurement results, the values of the parameters included in the mathematical models are refined to correspond to the current technical condition of the machine, and then the values of the diagnosed parameters and possible defects of the machine are determined by the results of simulation using the specified models and subsequent mathematical processing, according to which the current technical condition of the machine; primary analysis of the series of sensor signals consists in the construction and comparison of arrays of series of precision time intervals at different time intervals; secondary analysis - statistical mathematical processing by methods recognized as optimal for processing signals of precision time intervals, taking into account the nuances of the corresponding class of diagnosed cyclic machines: correlation analysis of rotation chronograms; spectral analysis of rotation chronograms; cross-spectral analysis; Fourier transform; and / or trend analysis; regimen and “seasonal” analysis (depending on equipment loading, complexity of processing materials, working hours); simulation chronograms and frequency spectra derived from them, obtained as a result of a computational experiment, are compared with experimental graphs; The criteria for comparing experimental and simulation graphs are primarily mathematical (spread of the range of value, trend of deceleration or acceleration, exit at a steady state beyond the limits of pore values).

Данные экспериментальных хронограмм, в первую очередь, используют для уточнения параметров используемых математических моделей диагностируемой циклической машины и дальнейшей аппроксимации имитационных результатов.The data of experimental chronograms are primarily used to refine the parameters of the used mathematical models of the diagnosed cyclic machine and further approximate the simulation results.

При этом в металлорежущих станках в перечень диагностируемых параметров и возможных дефектов машины включают:Moreover, in metal-cutting machines, the list of diagnosed parameters and possible defects of the machine includes:

- дефекты изготовления станка и его элементов;- manufacturing defects of the machine and its elements;

- дефекты сборки после ремонта или монтажа отдельных элементов;- assembly defects after repair or installation of individual elements;

- изношенные, сломанные, плохо закрепленные детали и элементы станка;- worn, broken, poorly fixed parts and elements of the machine;

- определение и измерение небаланса в станке;- determination and measurement of unbalance in the machine;

- динамические параметры и геометрические характеристики станка;- dynamic parameters and geometric characteristics of the machine;

- физико-механические свойства элементов станка (например, жесткость);- physical and mechanical properties of machine elements (for example, rigidity);

- характеристики приспособлений для закрепления детали и инструмента;- characteristics of devices for fixing parts and tools;

- параметры обработки (скорость резания, подачу, глубину резания);- processing parameters (cutting speed, feed, cutting depth);

- идентификацию выходного и входного контроля станка путем сравнения результатов измерения ФХМ на определенном станке при предъявительских испытаниях готовой продукции (на заводе-изготовителе) и входном контроле (у потребителя продукции).- identification of the output and input control of the machine by comparing the results of the PCM measurement on a particular machine during the presentation tests of the finished product (at the manufacturer) and input control (at the consumer of the product).

Одно из важных преимуществ использования ФХМ в диагностике металлорежущих станков заключается в повышении точности метрологической информации об измеряемых переменных циклического движения отдельных критически важных узлов станка в любых циклических режимах его работы до 10% за счет использования прецизионных хронометрических датчиков и измерительного блока первичной обработки сигналов датчиков для ФХМ.One of the important advantages of using FHM in the diagnosis of machine tools is to increase the accuracy of metrological information about the measured variables of the cyclic motion of individual critical machine nodes in any cyclic modes of its operation up to 10% due to the use of precision chronometric sensors and a measuring unit for primary processing of sensor signals for FHM .

Критически важными структурными узлами металлорежущего станка следует признать следующие:The following are the critical structural units of a metal cutting machine:

1) станок с горизонтальной осью вращения шпинделя - токарный станок, состоящий из следующих частей: асинхронный двигатель с коробкой скоростей станка; шпиндельный узел станка с обрабатываемой заготовкой в патроне шпинделя; заднюю бабку станка; суппорт с режущим инструментом (в случае использования в станке мотор-редуктора мотор-редуктор заменяет асинхронный двигатель с коробкой скоростей станка).1) a machine with a horizontal axis of rotation of the spindle - a lathe consisting of the following parts: asynchronous motor with gearbox speed of the machine; spindle unit of the machine with the workpiece in the spindle chuck; tailstock of the machine; a support with a cutting tool (if a gear motor is used in the machine, the gear motor replaces the asynchronous motor with the gearbox of the machine).

2) станок с вертикальной осью вращения шпинделя - сверлильный или фрезерный станок, состоящий из следующих частей: асинхронный двигатель с коробкой скоростей станка; шпиндельный узел станка с режущим инструментом в патроне шпинделя; обрабатываемая заготовка в тисках на рабочем столе станка (в случае использования в станке мотор-редуктора мотор-редуктор заменяет асинхронный двигатель с коробкой скоростей станка).2) a machine with a vertical axis of rotation of the spindle - a drilling or milling machine, consisting of the following parts: asynchronous motor with gearbox speed of the machine; spindle unit of the machine with a cutting tool in the spindle chuck; the workpiece in a vice on the work table of the machine (in case of using a gear motor in the machine, the gear motor replaces the asynchronous motor with the gearbox of the machine).

Места установки в металлорежущих станках датчиков для ФХМ определяют с точки зрения получения наиболее полной информации о работе базовых узлов станка и конструкции станка, а именно:The installation locations in the metal-cutting machine of sensors for FHM are determined from the point of view of obtaining the most complete information about the operation of the basic nodes of the machine and the design of the machine, namely:

- измерение параметров вращения асинхронного двигателя или мотор-редуктора (установка со стороны двигателя);- measurement of rotation parameters of an induction motor or gearmotor (installation from the motor side);

- измерение параметров вращения коробки скоростей станка (датчики на входном и выходном валу);- measurement of rotation parameters of the machine gearbox (sensors on the input and output shaft);

- измерение износа зубчатых колес коробки скоростей (датчики на каждом зубчатом колесе в коробке скоростей);- measurement of gear box gear wear (sensors on each gear in the gear box);

- измерение параметров вращения шпинделя (датчик на выходе шпинделя, чаще всего в местах закрепления режущего инструмента или заготовки - патроны трехкулачковые, цанговые и др.);- measuring the parameters of the spindle rotation (the sensor at the output of the spindle, most often in the places of fixing the cutting tool or workpiece - three-jaw chucks, collet chucks, etc.);

- измерение параметров и исследование процесса резания (датчики со стороны задней бабки);- measurement of parameters and study of the cutting process (sensors from the tailstock side);

- измерение параметров обработки заготовки и износа режущего инструмента (датчики в соответствующих сечениях заготовки).- measurement of the processing parameters of the workpiece and the wear of the cutting tool (sensors in the corresponding sections of the workpiece).

Особенности установки измерительных датчиков на станки с вертикальной и горизонтальной компоновкой шпинделя связаны с особенностями процесса резания, конструктивными элементами станков, различиями в параметрах жесткости и геометрии.Features of the installation of measuring sensors on machines with vertical and horizontal spindle layout are associated with the features of the cutting process, structural elements of machines, differences in rigidity and geometry.

Станки с горизонтальной осью вращения имеют заднюю бабку для поджатия детали в процессе обработки. Силы резания, действующие на заготовку, направлены в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению вращения заготовки.Machines with a horizontal axis of rotation have a tailstock for preloading the part during processing. The cutting forces acting on the workpiece are directed in a horizontal plane perpendicular to the direction of rotation of the workpiece.

Особенностью станков с вертикальной осью вращения шпинделя является вращение режущего инструмента, а не заготовки, а также отсутствие задней бабки.A feature of machines with a vertical axis of rotation of the spindle is the rotation of the cutting tool, not the workpiece, as well as the absence of a tailstock.

Особенности математических моделей станков с вертикальной и горизонтальной компоновкой шпинделя выражаются в записи исходных уравнений системы, связанных в первую очередь с влиянием силы тяжести и изменением направления изгибно-крутильных колебаний системы.Features of mathematical models of machines with vertical and horizontal spindle layout are expressed in the recording of the initial equations of the system, associated primarily with the influence of gravity and a change in the direction of flexural-torsional vibrations of the system.

Математические модели узлов станка и взаимодействия узлов для каждой циклической фазы представлены в виде систем нелинейных дифференциальных уравнений, содержащих в виде коэффициентов сосредоточенные или распределенные параметры системы, такие как моменты инерции, жесткости, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, геометрию и материал режущего инструмента, материал и форму заготовки, внешние условия (температура, влажность), характеристики асинхронного двигателя, передаточные отношения коробок скоростей и т.д.Mathematical models of machine nodes and node interactions for each cyclic phase are presented in the form of systems of nonlinear differential equations containing, in the form of coefficients, concentrated or distributed system parameters, such as moments of inertia, stiffness, internal and external friction coefficients, geometry and material of the cutting tool, material and blank shape, external conditions (temperature, humidity), characteristics of an induction motor, gear ratios, etc.

Рассматривают следующую последовательность циклической работы станка с хронометрическими датчиками и измерительным блоком их первичной обработки в следующих оптимальных режимах диагностирования параметров и возможных дефектов по основным фазам рабочих циклов станков:Consider the following sequence of cyclic operation of the machine with chronometric sensors and a measuring unit for their primary processing in the following optimal modes for diagnosing parameters and possible defects in the main phases of machine cycles:

- включение/пуск станка;- turning on / starting the machine;

- работу станка в режиме холостого хода на разных скоростях вращения;- machine operation in idle mode at different speeds of rotation;

- врезание режущего инструмента в материал заготовки;- cutting tool cutting into the workpiece material;

- процесс обработки детали (резания) на разных режимах (глубина, подача, скорость вращения шпинделя);- the process of processing parts (cutting) in different modes (depth, feed, spindle speed);

- отрезание заготовки режущим инструментом;- cutting the workpiece with a cutting tool;

- критический износ режущего инструмента (при приближении к максимальному нормативному времени работы режущего инструмента или ускоренном износе);- critical wear of the cutting tool (when approaching the maximum standard operating time of the cutting tool or accelerated wear);

- выход инструмента из заготовки;- exit of the tool from the workpiece;

- остановку станка.- machine stop.

Перечень фигурList of figures

Фиг.1 - схема основных узлов станка с горизонтальной осью вращения шпинделя токарного станка, имеющего коробку скоростей, с установкой хронометрических датчиков и измерительного блока первичной обработки сигналов датчиков для ФХМ-диагностики;Figure 1 - diagram of the main components of the machine with a horizontal axis of rotation of the spindle of a lathe having a gearbox with the installation of chronometric sensors and a measuring unit for the primary processing of sensor signals for FHM diagnostics;

Фиг.2 - схема основных узлов станка с горизонтальной осью вращения шпинделя токарного станка с мотор-редуктором, с установкой хронометрических датчиков и измерительного блока первичной обработки сигналов датчиков для ФХМ-диагностики;Figure 2 - diagram of the main components of the machine with a horizontal axis of rotation of the spindle of a lathe with a gear motor, with the installation of chronometric sensors and a measuring unit for the primary processing of sensor signals for FHM diagnostics;

Фиг.3 - схема основных узлов станка с вертикальной осью вращения шпинделя сверлильного или фрезерного станка, имеющего коробку скоростей, с установкой хронометрических датчиков и измерительного блока первичной обработки сигналов датчиков для ФХМ-диагностики;Figure 3 - diagram of the main components of the machine with a vertical axis of rotation of the spindle of a drilling or milling machine having a gearbox, with the installation of chronometric sensors and a measuring unit for the primary processing of sensor signals for FHM diagnostics;

Фиг.4 - схема основных узлов станка с вертикальной осью вращения шпинделя сверлильного или фрезерного станка с мотор-редуктором, с установкой хронометрических датчиков и измерительного блока первичной обработки сигналов датчиков для ФХМ-диагностики;Figure 4 - diagram of the main components of the machine with a vertical axis of rotation of the spindle of a drilling or milling machine with a gear motor, with the installation of chronometric sensors and a measuring unit for the primary processing of sensor signals for FHM diagnostics;

Фиг.5 - конструктивная схема системы токарного станка УТ16П с ФХМ-диагностикой (соответствует случаю фиг.1, 2);Figure 5 is a structural diagram of a lathe system UT16P with FHM diagnostics (corresponds to the case of figures 1, 2);

Фиг.6 - динамическая схема коробки передач с электродвигателем токарного станка УТ16П;6 is a dynamic diagram of a gearbox with an electric motor of a lathe UT16P;

Фиг.7 - принципиальная схема получения измерительного сигнала датчика для передачи в измерительный блок первичной обработки сигналов датчиков для ФХМ;7 is a schematic diagram of a sensor measuring signal for transmission to the measuring unit of the primary processing of sensor signals for the PCM;

Фиг.8, 9 - экспериментальные и компьютерные имитационные хронограммы в полярных координатах вращения шпинделя токарного станка УТ16П с резанием, скорость вращения 315 об/мин, s=0,045 мм/об, t=0,5 мм, материал заготовки ШХ15, режущая пластина из сплава Т15К6;8, 9 - experimental and computer simulation chronograms in polar coordinates of the rotation of the spindle of the lathe UT16P with cutting, rotation speed 315 rpm, s = 0.045 mm / rev, t = 0.5 mm, workpiece material ШХ15, cutting plate from alloy T15K6;

Фиг.10, 11 - экспериментальные и компьютерные имитационные хронограммы в линейных координатах;Figure 10, 11 - experimental and computer simulation chronograms in linear coordinates;

Фиг.12, 13 - экспериментальные и компьютерные имитационные спектры частот вращения шпинделя станка после обработки его хронограмм;12, 13 - experimental and computer simulation spectra of the rotational frequencies of the spindle of the machine after processing its chronograms;

Фиг.14 - дефектный зуб в зубчатом колесе коробки передач станка;Fig - defective tooth in the gear wheel of the gearbox of the machine;

Фиг.15 - график колебаний плеча силы от времени в зацеплении передачи станка;Fig - graph of fluctuations of the shoulder forces against time in gear engagement of the machine;

Фиг.16 - реализация измерения по причине непостоянства «фазы» зубчатого колеса;Fig - the implementation of the measurement due to the inconsistency of the "phase" of the gear;

Фиг.17 - хронограмма в линейных координатах вращения зуба зубчатого колеса с показом тренда вращения;Fig. 17 is a chronogram in linear coordinates of rotation of a gear tooth showing a rotation trend;

Фиг.18 - разностная хронограмма между хронограммой фиг.17 и ее трендом.Fig. 18 is a difference chronogram between the chronogram of Fig. 17 and its trend.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг.1…4 в сквозной нумерации позициями обозначены: 1 - асинхронный двигатель; 2 - шпиндельный узел станка; 3 - заготовка в патроне шпинделя токарного станка или тисках сверлильного/фрезерного станка; 4 - задняя бабка токарного станка; 5 - коробка скоростей станка; 6, 7, 8, 9, 10 - хронометрические датчики; 11 - измерительный блок первичной обработки сигналов датчиков; 12 - мотор-редуктор станка; 13 - режущий инструмент в суппорте токарного станка или в патроне шпинделя сверлильного/фрезерного станка.In figure 1 ... 4 in a continuous numbering, the positions indicated: 1 - asynchronous motor; 2 - spindle unit of the machine; 3 - blank in the spindle chuck of a lathe or vice of a drilling / milling machine; 4 - the tailstock of the lathe; 5 - machine gearbox; 6, 7, 8, 9, 10 - chronometric sensors; 11 - measuring unit for the primary processing of sensor signals; 12 - machine gear motor; 13 - a cutting tool in the support of a lathe or in the chuck of the spindle of a drilling / milling machine.

Оптимальными вариантами установки минимального количества хронометрических датчиков в важнейших узлах двух типов металлорежущих станков были признаны и исследованы следующие варианты.The best options for installing the minimum number of chronometric sensors in the most important nodes of the two types of metal cutting machines were recognized and investigated the following options.

На фиг.1 - токарный станок, имеющий коробку скоростей, и с ФХМ-диагностикой содержит: 1 - асинхронный двигатель; 5 - коробку скоростей станка; 2 - шпиндельный узел станка; 3 - заготовку в патроне шпинделя; 4 - заднюю бабку станка; 13 - суппорт с режущим инструментом; 6, 7, 8, 9, 10 - хронометрические датчики соответственно в узлах станка 4, 1, 2, на входе и выходе узла 5; и 11 - измерительный блок первичной обработки сигналов датчиков.In Fig.1 - a lathe having a gear box, and with FHM diagnostics contains: 1 - asynchronous motor; 5 - a box of speeds of the machine; 2 - spindle unit of the machine; 3 - workpiece in the spindle chuck; 4 - the tailstock of the machine; 13 - a support with a cutting tool; 6, 7, 8, 9, 10 - chronometric sensors, respectively, in the nodes of the machine 4, 1, 2, at the input and output of node 5; and 11 is a measuring unit for primary processing of sensor signals.

На фиг.2 токарный станок с мотор-редуктором и с ФХМ-диагностикой содержит: 12 - мотор-редуктор станка; 2 - шпиндельный узел станка; 3 - заготовку в патроне шпинделя; 4 - заднюю бабку станка; 13 - суппорт с режущим инструментом; 6, 7, 8 - хронометрические датчики соответственно в узлах станка 4, 12, 2; и 11 - измерительный блок первичной обработки сигналов датчиков.In Fig.2 a lathe with a gear motor and with FHM diagnostics contains: 12 - a gear motor of the machine; 2 - spindle unit of the machine; 3 - workpiece in the spindle chuck; 4 - the tailstock of the machine; 13 - a support with a cutting tool; 6, 7, 8 - chronometric sensors, respectively, in the nodes of the machine 4, 12, 2; and 11 is a measuring unit for primary processing of sensor signals.

На фиг.3 сверлильный или фрезерный станок, имеющий коробку скоростей, и с ФХМ-диагностикой содержит: 1 - асинхронный двигатель; 5 - коробку скоростей станка; 2 - шпиндельный узел станка; 13 - режущий инструмент в патроне шпинделя. 3 - заготовку в тисках; 7, 8, 9, 10 - хронометрические датчики соответственно в узлах станка 1, 2, на входе и выходе узла 5; и 11 - измерительный блок первичной обработки сигналов датчиков.In Fig.3 a drilling or milling machine having a gearbox and with FHM diagnostics contains: 1 - an asynchronous motor; 5 - a box of speeds of the machine; 2 - spindle unit of the machine; 13 - cutting tool in the spindle chuck. 3 - workpiece in a vice; 7, 8, 9, 10 - chronometric sensors, respectively, in the nodes of the machine 1, 2, at the input and output of node 5; and 11 is a measuring unit for primary processing of sensor signals.

На фиг.4 сверлильный или фрезерный станок с мотор-редуктором и с ФХМ-диагностикой содержит: 12 - мотор-редуктор; 2 - шпиндельный узел станка; 13 - режущий инструмент в патроне шпинделя; 3 - заготовку в тисках; 7, 8 - хронометрические датчики соответственно в узлах станка 12, 2; и 11 - измерительный блок первичной обработки сигналов датчиков.In Fig.4, a drilling or milling machine with a gear motor and with FHM diagnostics contains: 12 - a gear motor; 2 - spindle unit of the machine; 13 - cutting tool in the spindle chuck; 3 - workpiece in a vice; 7, 8 - chronometric sensors, respectively, in the nodes of the machine 12, 2; and 11 is a measuring unit for primary processing of sensor signals.

Отличия в диагностировании станков с вертикальным и горизонтальным расположением оси шпинделя заключается в различном описании математических моделей (влиянии изгибной и крутильной составляющей, силы тяжести).The differences in the diagnosis of machines with vertical and horizontal spindle axes are in a different description of mathematical models (the influence of the bending and torsional components, gravity).

Например, система дифференциальных уравнений, описывающая простейшую схему работы токарно-винторезного станка, имеет следующий вид:For example, a system of differential equations describing the simplest operation scheme of a screw-cutting lathe has the following form:

Figure 00000001
Figure 00000001

j=1, 2.j = 1, 2.

В зависимости от направления оси вращения шпинделя (горизонтального или вертикального) для вертикального расположения в первом и втором уравнениях системы появляется член вида mjgny. В третьем и четвертом уравнениях системы уравнений (1) (их количество может увеличиваться в зависимости от количества элементов разбиения элементов шпинделя) член вида mjgny присутствует только для оси z (вертикальная ось)Depending on the direction of the axis of rotation of the spindle (horizontal or vertical) for a vertical arrangement, a term of the form m j gn y appears in the first and second equations of the system. In the third and fourth equations of the system of equations (1) (their number may increase depending on the number of elements for splitting the spindle elements) a member of the form m j gn y is present only for the z axis (vertical axis)

В системе дифференциальных уравнений приняты следующие обозначения:The following notation is used in the system of differential equations:

J1, J2 - приведенные моменты инерции шпиндельного узла и консоли со столом;J 1 , J 2 - reduced moments of inertia of the spindle unit and the console with the table;

θ1, θ2 - обобщенные координаты, угловые отклонения приведенных масс от положения их статического равновесия;θ 1 , θ 2 - generalized coordinates, angular deviations of the reduced masses from the position of their static equilibrium;

Q1, σ2 - обобщенные силы, определяемые из работы сил резания на возможных перемещениях;Q 1 , σ 2 - generalized forces determined from the work of cutting forces at possible displacements;

q1 - коэффициент, характеризующий крутильную жесткость;q 1 - coefficient characterizing torsional rigidity;

k12 - коэффициент, характеризующий вязкость;k 12 is a coefficient characterizing the viscosity;

c1 - коэффициент внешнего трения при изгибных колебаниях;c 1 - coefficient of external friction during bending vibrations;

c - коэффициент внутреннего трения при изгибных колебаниях;c is the coefficient of internal friction during bending vibrations;

q1j - изгибные жесткости шпинделя;q 1j - bending stiffness of the spindle;

e2j - эксцентриситеты;e 2j are eccentricities;

xj, yj - координаты центров масс;x j , y j - coordinates of the centers of mass;

mj - соответствующие сосредоточенные массы участков шпинделя;m j are the corresponding concentrated masses of the spindle sections;

q - ускорение силы тяжести;q is the acceleration of gravity;

ny - нормальная перегрузка (влияние продольной составляющей перегрузки в данном случае считается пренебрежимо малым).n y - normal overload (overload impact of longitudinal component, in this case assumed to be negligible).

Индексы: 1 - коробка скоростей с двигателем, 2 - шпиндель.Indices: 1 - gearbox with engine, 2 - spindle.

Пример 1.Example 1

Способ диагностирования параметров вращения шпинделя токарного станка УТ16П с помощью ФХМ.A method for diagnosing the parameters of the rotation of the spindle of a lathe UT16P using FHM.

На фиг.5 представлена конструктивная схема системы токарного станка УТ16П с ФХМ-диагностикой (соответствует случаю фиг.1), где в качестве хронометрических датчиков были использованы угловые датчики ЛИР 158А (на фиг.5 показан датчик вращения шпинделя станка), измерительный блок обозначен как ФХМ система.Figure 5 presents a structural diagram of a system of a lathe UT16P with FHM diagnostics (corresponds to the case of figure 1), where LIR 158A angular sensors were used as chronometric sensors (figure 5 shows the spindle rotation sensor of the machine), the measuring unit is designated as FHM system.

Измерения для ФХМ производили в рабочих режимах токарного станка в процессе обработки деталей в соответствии с динамической схемой трехступенчатой коробки передач с электродвигателем, где сила резания учтена в моменте сопротивления резанию MC по фиг.6. В модели по фиг.6 учитывали только динамические компоненты - те, что участвуют в движении, а не в статике - поэтому станину станка не учитывали.Measurements for the PCM were made in the operating conditions of the lathe during the processing of parts in accordance with the dynamic scheme of a three-stage gearbox with an electric motor, where the cutting force is taken into account at the moment of cutting resistance M C in Fig.6. In the model of FIG. 6, only dynamic components were taken into account - those that are involved in movement, and not in static - therefore, the machine bed was not taken into account.

Принятые допущения при составлении системы дифференциальных уравнений:The assumptions made when compiling the system of differential equations:

- распределенные параметры системы заменяются сосредоточенными с массами mi и моментами инерции Ji;- the distributed parameters of the system are replaced by concentrated with masses m i and moments of inertia J i ;

- валы считаются невесомыми и имеют жесткости ci;- shafts are considered weightless and have stiffness c i ;

- деформации в зацеплении не учитываются, так как деформации валов существенно больше деформации зубьев;- the deformation in the engagement is not taken into account, since the deformation of the shafts is significantly greater than the deformation of the teeth;

- трение в зацеплении не учитывается.- Friction in gearing is not taken into account.

Система дифференциальных уравнений трехступенчатой коробки передач с электродвигателем токарного металлорежущего станка с учетом приведенных допущений имеет вид:The system of differential equations of a three-speed gearbox with an electric motor of a lathe cutting machine, taking into account the above assumptions, has the form:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

где ΨX(t) и Ψx(t) - величины проекций векторов потокосцеплений на ось X статора и ротора соответственно;where Ψ X (t) and Ψ x (t) are the projection values of the flux link vectors onto the X axis of the stator and rotor, respectively;

ΨY(t) и Ψy(t) - величины проекций векторов потокосцеплений на ось Y статора и ротора соответственно;Ψ Y (t) and Ψ y (t) are the projection values of the flux link vectors onto the Y axis of the stator and rotor, respectively;

RS, LS, lS - активное сопротивление, индуктивность самоиндукции и индуктивность рассеяния фазы статора соответственно;R S , L S , l S - active resistance, inductance of self-induction and stator phase inductance, respectively;

Rr, Lr, lr - активное сопротивление, индуктивность самоиндукции и индуктивность рассеяния фазы ротора соответственно;R r , L r , l r - resistance, self-induction inductance and rotor phase leakage inductance, respectively;

Ef - эффективное фазное напряжение;E f is the effective phase voltage;

M - величина взаимной индукции между фазами статора и ротора;M is the magnitude of the mutual induction between the phases of the stator and rotor;

σ - полный коэффициент рассеяния;σ is the total scattering coefficient;

ωC - угловая скорость вращения поля;ω C is the angular velocity of rotation of the field;

p - число пар полюсов;p is the number of pole pairs;

J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8 - моменты инерции ротора электродвигателя, шестерни 1-й ступени, колеса 1-й ступени, шестерни 2-й ступени, колеса 2-й ступени, шестерни 3-й ступени, колеса 3-й ступени, шпинделя соответственно;J 1 , J 2 , J 3 , J 4 , J 5 , J 6 , J 7 , J 8 - moments of inertia of the rotor of the electric motor, gears of the 1st stage, wheels of the 1st stage, gears of the 2nd stage, wheels 2- 1st stage, 3rd stage gears, 3rd stage wheels, spindle, respectively;

c1, c2, c3, c4 - крутильные жесткости валов;c 1 , c 2 , c 3 , c 4 - torsional stiffness of the shafts;

φ1(t), φ2(t), φ3(t), φ4(t), φ5(t), φ6(t), φ7(t), φ8(t) - углы поворота ротора электродвигателя, шестерни 1-й ступени, колеса 1-й ступени, шестерни 2-й ступени, колеса 2-й ступени, шестерни 3-й ступени, колеса 3-й ступени, шпинделя соответственно;φ 1 (t), φ 2 (t), φ 3 (t), φ 4 (t), φ 5 (t), φ 6 (t), φ 7 (t), φ 8 (t) - rotation angles rotor of an electric motor, gears of the 1st stage, wheels of the 1st stage, gears of the 2nd stage, wheels of the 2nd stage, gears of the 3rd stage, wheels of the 3rd stage, spindle, respectively;

P1(t), P2(t), P3(t) - динамические силы в зацеплении 1-й, 2-й и 3-й ступеней соответственно;P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t) - dynamic forces in gearing of the 1st, 2nd and 3rd steps, respectively;

MG1, MG2, MG3, MG4, MG5, MG6 - моменты, из-за эксцентриситетов валов шестерни 1-й ступени, колеса 1-й ступени, шестерни 2-й ступени, колеса 2-й ступени, шестерни 3-й ступени, колеса 3-й ступени, шпинделя соответственно;M G1 , M G2 , M G3 , M G4 , M G5 , M G6 - moments due to the eccentricity of the shafts of the gears of the 1st stage, wheels of the 1st stage, gears of the 2nd stage, wheels of the 2nd stage, gears 3rd stage, wheels of the 3rd stage, spindle, respectively;

r1b(t), r2b(t), r3b(t), r4b(t), r5b(t), r6b(t) - радиусы начальных окружностей зубчатых колес (плечи сил P1(t), P2(t), P3(t)).r 1b (t), r 2b (t), r 3b (t), r 4b (t), r 5b (t), r 6b (t) are the radii of the initial circumferences of the gears (shoulders of forces P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t)).

МД - электромагнитный момент, развиваемый двигателем;M D - the electromagnetic moment developed by the engine;

МС - момент сопротивления на нагрузке.M With - moment of resistance to the load.

Момент сопротивления на нагрузке представляет собой ни что иное, как момент сопротивления резанью.The moment of resistance at the load is nothing more than the moment of resistance by cutting.

Моменты инерции и крутильные жесткости валов определяют исходя из конструктивных особенностей коробки передач.The moments of inertia and torsional stiffness of the shafts are determined based on the design features of the gearbox.

Разбиение системы «двигатель-коробка передач» на части.Partitioning the engine-gearbox system.

Часть системы (1) описывает электродвигатель:Part of the system (1) describes the electric motor:

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

Другая часть - уравнения коробки передач:The other part is the gearbox equations:

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

Уравнение J d 2 d t 2 ϕ 1 ( t ) + c 1 ( ϕ 1 ( t ) ϕ 2 ( t ) ) 3 2 p M σ ( ( L S + l S ) ( L r + l r ) ) × × ( Ψ Y ( t ) Ψ x ( t ) Ψ y ( t ) Ψ X ( t ) ) = 0

Figure 00000019
является общим для привода (электродвигателя вместе с коробкой передач).The equation J d 2 d t 2 ϕ one ( t ) + c one ( ϕ one ( t ) - ϕ 2 ( t ) ) - 3 2 p M σ ( ( L S + l S ) ( L r + l r ) ) × × ( Ψ Y ( t ) Ψ x ( t ) - Ψ y ( t ) Ψ X ( t ) ) = 0
Figure 00000019
is common to the drive (electric motor with gearbox).

Результатом имитационного решения системы дифференциальных уравнений в компьютерном имитационном моделировании с помощью соответствующего прикладного программного обеспечения являются имитационные хронограммы, аналоги которых также получают и после обработки реальных сигналов хронометрических датчиков в измерительном блоке. Далее хронограммы вращения для всех приведенных масс, полученные из эксперимента с помощью хронометрических датчиков (принцип работы типового хронометрического фазового датчика показан на фиг.7, где количество импульсных прецизионных измерений интервалов времени соответствует количеству прецизионных информационных меток или прорезей, равномерно распределенных по углу оборота датчикового диска, и определяют полноту и точность информации на фиг.8 и 9; 10 и 11, ширину спектров собственных частот фиг.12 и 13, и это количество также задает количество фаз и последовательные номера фаз на фиг.8…11). Сигналы с выходов хронометрических датчиков поступают в измерительный блок (по вышеописанной полезной модели RU 131167), где проходит их первичная обработка для последующей передачи в компьютер для формирования хронометрических графиков в полярных и/или линейных координатах и вторичной обработки для сравнения с имитационными хронограммами как в полярных (фиг.8, 9), так и в линейных координатах - (фиг.10, 11). В полярных координатах по кругу меняются номера фаз от 0 до максимума за 1 оборот вращения контролируемой координаты, например, угла поворота шпинделя, а по радиусам полярной сетки располагают графики прецизионных измерений интервалов времени измеряемой датчиком переменной в рядах за требуемый рабочий интервал времени или линейной сетке номера фаз расположены по горизонтальной оси абсцисс, а полученные интервалы времени для соответствующих номеров фаз - по вертикальной оси ординат.The result of the simulation solution of the system of differential equations in computer simulation using the appropriate application software are simulation chronograms, the analogs of which are also obtained after processing the real signals of the chronometric sensors in the measuring unit. Next, rotation chronograms for all the masses obtained from the experiment using chronometric sensors (the principle of operation of a typical chronometric phase sensor is shown in Fig. 7, where the number of pulsed precision measurements of time intervals corresponds to the number of precision information marks or slots uniformly distributed over the rotation angle of the sensor disk , and determine the completeness and accuracy of the information in Figs. 8 and 9; 10 and 11, the width of the natural frequency spectra of Figs. 12 and 13, and this number also determines EU ETS phase and phase sequence numbers 8 ... 11). The signals from the outputs of the chronometric sensors enter the measuring unit (according to the above utility model RU 131167), where they are processed for subsequent transmission to a computer for generating chronometric charts in polar and / or linear coordinates and secondary processing for comparison with simulation chronograms as in polar (Fig. 8, 9), and in linear coordinates - (Fig. 10, 11). In polar coordinates, the phase numbers change in a circle from 0 to a maximum per 1 revolution of the controlled coordinate, for example, the spindle rotation angle, and along the radii of the polar grid graphs of precision measurements of the time intervals measured by the sensor variable in rows for the required operating time interval or linear number grid phases are located on the horizontal abscissa axis, and the obtained time intervals for the corresponding phase numbers are located on the vertical ordinate axis.

Имитационные хронограммы и производные из них частотные спектры (фиг.12, 13), полученные в результате вычислительного эксперимента, сравнивают с экспериментальными графиками. Критерии сравнения экспериментальных и имитационных графиков - в первую очередь математические (разброс диапазона значений, тренд замедления или ускорения, выход на установившемся режиме за пределы поровых значений. Допускается применение и экспертной оценки). Эти методы: анализ трендов; режимный и «сезонный» анализ (в зависимости от загрузки оборудования, сложности обработки материалов, времени работы и т.д. - для первичной обработки хронограмм разных видов представления (в полярных и линейных координатах). Данные экспериментальных хронограмм в первую очередь используют для уточнения параметров (моментов инерции, жесткостей, вязкостей и т.д.) используемых математических моделей станков и дальнейшей аппроксимации имитационных результатов.Simulated chronograms and frequency spectra derived from them (Figs. 12, 13) obtained as a result of a computational experiment are compared with experimental graphs. The criteria for comparing experimental and simulation graphs are primarily mathematical (spread of a range of values, a trend of deceleration or acceleration, exit at a steady state beyond the limits of pore values. Expert evaluation is also allowed). These methods are: trend analysis; regimen and “seasonal” analysis (depending on the equipment load, complexity of processing materials, working hours, etc. - for primary processing of chronograms of different types of representation (in polar and linear coordinates). The data of experimental chronograms are primarily used to refine the parameters (moments of inertia, stiffness, viscosities, etc.) used mathematical models of machines and further approximation of simulation results.

Например, экспериментальные полярные хронограммы фиг.8 преобразуют в углы поворотов φ1(t), φ2(t), φ3(t), φ4(t), φ5(t) (в зависимости от количества установленных датчиков каждое значение φi(t) соответствует углу поворота элемента в месте установки измерительного датчика (преобразователя) и подставляют в систему уравнений (1), решение которой дает уточненное значение параметров модели, например жесткостей с1, с2, с3, с4.For example, the experimental polar chronograms of Fig. 8 are converted into rotation angles φ 1 (t), φ 2 (t), φ 3 (t), φ 4 (t), φ 5 (t) (depending on the number of installed sensors, each value φ i (t) corresponds to the angle of rotation of the element at the installation site of the measuring sensor (transducer) and is substituted into the system of equations (1), the solution of which gives an updated value of the model parameters, for example, stiffnesses from 1 , 2 , 3 , 4

Далее строят спектр частот - из хронограмм либо отдельно одним из 4-х методов: корреляционный анализ хронограмм вращения; спектральный анализ хронограмм вращения; кросс-спектральный анализ; преобразование Фурье; либо их совокупностью (посредством экспертных оценок).Then a frequency spectrum is constructed — from chronograms or separately by one of 4 methods: correlation analysis of rotation chronograms; spectral analysis of rotation chronograms; cross-spectral analysis; Fourier transform; or their combination (through expert assessments).

На фиг.8, 9 соответственно представлены экспериментальная и имитационные хронограммы вращения шпинделя станка УТ16П в полярных координатах в режиме резания заготовки при скорости вращения 315 об/мин, подаче s=0,045 мм/об, глубине резания t=0,5 мм, материал заготовки ШХ15, режущая пластина резца из сплава Т15К6.Figures 8, 9 respectively show the experimental and simulation chronograms of the spindle rotation of the UT16P machine in polar coordinates in the cutting mode of the workpiece at a rotation speed of 315 rpm, feed s = 0.045 mm / rev, cutting depth t = 0.5 mm, workpiece material ШХ15, cutting insert from T15K6 alloy cutter.

Сравнительный анализ фиг.8 и фиг.9 показывает одинаково «рваный» характер обработки данного материала ШХ15 режущей пластиной Т15К6. Отличие в результатах математического моделирования и эксперимента связаны с отличием реальных условий измерений и математического моделирования. На основании результатов измерений (фиг.8) производят уточнение параметров математической модели на разных режимах работы. Сравнительный анализ хронограмм в линейных координатах фиг.10 и фиг.11 также показывает, что разброс значений (амплитуда значений на хронограммах) отличается в эксперименте и при компьютерном математическом моделировании, что также требует уточнения параметров математической модели.A comparative analysis of Fig. 8 and Fig. 9 shows the equally "torn" nature of the processing of this material ШХ15 with a T15K6 cutting insert. The difference in the results of mathematical modeling and experiment is related to the difference in real measurement conditions and mathematical modeling. Based on the measurement results (Fig. 8), the parameters of the mathematical model are refined in different operating modes. A comparative analysis of the chronograms in the linear coordinates of FIG. 10 and 11 also shows that the scatter of values (the amplitude of the values on the chronograms) differs in the experiment and in computer mathematical modeling, which also requires refinement of the parameters of the mathematical model.

При анализе хронометрической измерительной информации в примере получены следующие результаты: определены вариации интервалов времени, соответствующих долям оборота для скоростей вращения 315 об/мин - не более 5,5 мкс, 400 об/мин - не более 3 мкс, 1000 об/мин - не более 1,0 мкс, 2000 об/мин - не более 0,5 мкс. Анализ экспериментальных хронограмм показывает, что токарный станок УТ16П имеет при работе отклонения периода вращения от номинального значения. Величина составляет от 0,5 до 8 мкс в зависимости от режима работы. При этом среднее значение периода изменяется в пределах до 5 мкс, что соответствует в круговых координатах величине от 5 до 26 мкм.When analyzing the chronometric measurement information in the example, the following results were obtained: variations of time intervals corresponding to fractions of a revolution for rotation speeds of 315 rpm - no more than 5.5 μs, 400 rpm - no more than 3 μs, 1000 rpm - not more than 1.0 μs, 2000 rpm - not more than 0.5 μs. The analysis of experimental chronograms shows that the UT16P lathe has deviations of the rotation period from the nominal value during operation. The value is from 0.5 to 8 μs, depending on the operating mode. In this case, the average value of the period varies in the range up to 5 μs, which corresponds to a value from 5 to 26 μm in circular coordinates.

Для оценки диагностических параметров работы станка и привязке к элементам системы проводили спектральный анализ хронограмм. Спектральный анализ рядов интервалов времени показал наличие области частот в диапазоне от 0,5 до 18 Гц, а также наличие пика устойчивой частоты в области 200 Гц.To evaluate the diagnostic parameters of the machine and linking to system elements, a spectral analysis of chronograms was performed. Spectral analysis of a series of time intervals showed the presence of a frequency region in the range from 0.5 to 18 Hz, as well as the presence of a stable frequency peak in the region of 200 Hz.

Наличие независимых от режимов резания и параметров окружающей среды частот качаний вала шпинделя свидетельствует о присутствии устойчивых признаков работы станка, которые могут быть использованы в качестве диагностических.The presence of spindle shaft swing frequencies independent of cutting conditions and environmental parameters indicates the presence of stable signs of machine operation, which can be used as diagnostic ones.

На фиг.12, 13 приведены спектры собственных частот качаний вала шпинделя станка УТ16П, полученные при спектральном анализе хронограмм вращения после применения автокорреляционной функции, скорость вращения шпинделя 315 об/мин, S=0,045 мм/об. t=0,5 мм. При построении спектра хронограммы уточненной математической модели в процессе работы оценивалась девиация (отклонение) частоты собственных частот в процессе работы, по которой судят об изменениях в металлорежущем станке. Сравнительный анализ экспериментальных и имитационных спектров частот фиг.12, 13 показывает наличие близких частот, соответственно: 4,241 Гц (эксперимент) и 4,67 Гц (моделирование), 8,482 Гц (эксперимент) и 8,82 Гц (моделирование). Сравнительный анализ частот крутильных колебаний токарного станка УТ16П приведен в таблице 1. Из результатов видно наличие частот в области 4 Гц, 6 Гц, 9 Гц, 12 Гц и 15 Гц.On Fig, 13 shows the spectra of the natural frequencies of the swing of the spindle shaft of the machine UT16P obtained by spectral analysis of rotation chronograms after applying the autocorrelation function, the spindle rotation speed of 315 rpm, S = 0,045 mm / rev. t = 0.5 mm. When constructing the chronogram spectrum of the refined mathematical model in the process of work, the deviation (deviation) of the frequency of the natural frequencies in the process of work was evaluated, which is used to judge changes in the metal cutting machine. A comparative analysis of the experimental and simulation frequency spectra of Figs. 12, 13 shows the presence of close frequencies, respectively: 4.241 Hz (experiment) and 4.67 Hz (simulation), 8.482 Hz (experiment) and 8.82 Hz (simulation). A comparative analysis of the torsional vibration frequencies of the UT16P lathe is given in table 1. The results show the presence of frequencies in the region of 4 Hz, 6 Hz, 9 Hz, 12 Hz, and 15 Hz.

Таблица 1Table 1 Значения собственных частот колебаний токарного станка УТ16П при разных режимах обработки, материал обработки - сталь ШХ15The values of the natural frequencies of the oscillations of the lathe UT16P under different processing conditions, the processing material is steel ШХ15 Скорость вращения 315 об/мин; s=0,045 мм/об; t=0,4 ммRotational speed 315 rpm; s = 0.045 mm / rev; t = 0.4 mm Скорость вращения 315 об/мин; s=0,045 мм/об; t=0,5 ммRotational speed 315 rpm; s = 0.045 mm / rev; t = 0.5 mm Скорость вращения 315 об/мин; s=0,064 мм/об; t=0,4 ммRotational speed 315 rpm; s = 0.064 mm / rev; t = 0.4 mm Прерывистое резание, скорость вращения 315 об/мин; s=0,045 мм/об; t=0,4 ммIntermittent cutting, rotation speed 315 rpm; s = 0.045 mm / rev; t = 0.4 mm Обработка твердым сплавом, скорость вращения 400 об/мин; s=0,109 мм/об; t=0,2 мм +врез.Carbide treatment, rotation speed 400 rpm; s = 0.109 mm / rev; t = 0.2 mm + insert.

-- -- 1,343 Гц1.343 Hz 1,309 Гц1.309 Hz 1,660 Гц1,660 Hz 4,241 Гц4.241 Hz 4,170 Гц4.170 Hz -- 4,583 Гц4.583 Hz 4,160 Гц4.160 Hz 6,362 Гц6.362 Hz 6,255 Гц6.255 Hz 6,042 Гц6.042 Hz 5,892 Гц5.892 Hz 5,824 Гц5.824 Hz 8,482 Гц8.482 Hz 9,035 Гц9.035 Hz 9,398 Гц9.398 Hz 9,166 Гц9.166 Hz 7,488 Гц7.488 Hz 9,896 Гц9.896 Hz 12,510 Гц12.510 Hz -- 12,440 Гц12,440 Hz -- 13,430 Гц13.430 Hz 15,990 Гц15,990 Hz -- 13,750 Гц13.750 Hz -- 17,670 Гц17.670 Hz 207,100 Гц207,100 Hz -- 15,710 Гц15.710 Hz -- Прим.: «врез» - врезание инструмента в заготовку, t - глубина резания, s - подача.Note: “plunge” - cutting the tool into the workpiece, t - cutting depth, s - feed.

Низкочастотные составляющие спектра собственных частот колебаний станка определяются в первую очередь первыми формами колебаний основных корпусных деталей и колебаниями тяжелых узлов при нежестких стыках.The low-frequency components of the spectrum of the natural frequencies of oscillations of the machine are determined primarily by the first forms of vibration of the main body parts and vibrations of heavy nodes with non-rigid joints.

Пример 2.Example 2

Способ диагностирования с помощью ФХМ мелких деталей станка на примере зубьев шестерни коробки передач скоростей токарного станка УТ16П.Method for diagnosing small parts of a machine tool using the PCM using the example of gear teeth of a gearbox of a UT16P lathe gear.

ФХМ также позволяет при соответствующей подробности математических моделей частей станка доходить до диагностирования самых мелких деталей станка, например, определение износа зубчатых колес коробки передач и далее определение остаточного ресурса, например, для токарного станка УТ16П.FHM also allows, with the appropriate details of mathematical models of machine parts, to reach the diagnosis of the smallest parts of the machine, for example, determining the wear of gear wheels of a gearbox and then determining the residual life, for example, for a UT16P lathe.

1) Обработка результатов измерения ФХМ системой, т.е. перевод хронограммы вращения в функции φ1(t), φ2(t), φ3(t), φ4(t), φ5(t), φ6(t), φ7(t), φ8(t), и определение передаточных отношений ступеней:1) Processing the measurement results of the PCM system, i.e. translation of the rotation chronogram into the functions φ 1 (t), φ 2 (t), φ 3 (t), φ 4 (t), φ 5 (t), φ 6 (t), φ 7 (t), φ 8 ( t), and the definition of gear ratios:

Figure 00000020
Figure 00000020

2) Подстановка реальных функций углов поворота в систему и определение силовых факторов МД, МС, P1(t), P2(t), P3(t), а также плечей сил реакций в зацеплениях r1b(t), r2b(t), r3b(t), r4b(t), r5b(t), r6b(t), как функций времени.2) Substitution of the real functions of the rotation angles into the system and determination of the force factors M D , M C , P 1 (t), P 2 (t), P 3 (t), as well as the shoulders of the reaction forces in the links r 1b (t), r 2b (t), r 3b (t), r 4b (t), r 5b (t), r 6b (t), as functions of time.

Величины r1b(t), r2b(t), r3b(t), r4b(t), r5b(t), r6b(t) связаны друг с другом через передаточные отношения ступеней:The values of r 1b (t), r 2b (t), r 3b (t), r 4b (t), r 5b (t), r 6b (t) are connected to each other through gear ratios of the steps:

Figure 00000021
Figure 00000021

3) Анализ функций r1b(t), r2b(t), r3b(t), r4b(t), r5b(t), r6b(t).3) Analysis of the functions r 1b (t), r 2b (t), r 3b (t), r 4b (t), r 5b (t), r 6b (t).

В связи с тем, что силы реакций в зацеплениях являются векторами и направлены вдоль линии зацепления перпендикулярно контактирующим эвольвентам, то при выкашивании и износе рабочих профилей данные векторы будут испытывать колебания по направлению относительно линии зацепления. Таким образом, плечи сил r1b(t), r2b(t), r3b(t), r4b(t), r5b(t), r6b(t) также будут испытывать колебания.Due to the fact that the reaction forces in the links are vectors and are directed along the line of engagement perpendicular to the contacting involutes, when the working profiles are mowed and worn, these vectors will experience fluctuations in the direction relative to the line of engagement. Thus, the shoulders of the forces r 1b (t), r 2b (t), r 3b (t), r 4b (t), r 5b (t), r 6b (t) will also experience oscillations.

На фиг.14 показан дефектный зуб шестерня и тонкими линиями показаны нормали к поверхности в различных частях выкрашенной области. Штрихпунктирной линией показана нормаль к эвольвенте, h - величина износа. На фиг.15 показан пример графика колебания от времени и плеча силы в зацеплении, rb0 - номинальное значение силы в зацеплении. В период времени, когда контакт происходит по выкрашенной поверхности rb начинает испытывать колебания, амплитуда Δ которых будет пропорциональна величине износа, т.е.:On Fig shows a defective tooth gear and thin lines show the normal to the surface in various parts of the painted area. The dash-dotted line shows the normal to the involute, h is the amount of wear. On Fig shows an example of a graph of fluctuations in time and shoulder forces in engagement, r b0 is the nominal value of the force in engagement. In the period of time when the contact occurs on the painted surface, r b begins to experience fluctuations, the amplitude Δ of which will be proportional to the amount of wear, i.e.:

Δ=k·hΔ = k

4) Нахождение коэффициента пропорциональности k.4) Finding the proportionality coefficient k.

5) Определение износа h и остаточного ресурса шестерни.5) Determination of wear h and residual gear life.

Математическое моделирование, определение износа и остаточного ресурса зубчатой передачи.Mathematical modeling, determination of wear and residual gear life.

Приведенное уравнение динамики зубчатой передачи в целях ФХМ диагностики выглядит:The given equation of gear dynamics for the purposes of FHM diagnostics looks like:

Figure 00000022
Figure 00000022

здесь J1 и J2 - моменты инерции шестерни и колеса соответственно, включая моменты инерции валов и ротора привода;here J 1 and J 2 are the moments of inertia of the gears and wheels, respectively, including the moments of inertia of the shafts and the rotor of the drive;

M1 - момент на приводе;M 1 - moment on the drive;

M2 - момент сопротивления на исполнительном устройстве;M 2 - moment of resistance on the actuator;

MG1 - момент, из-за эксцентриситета (смещения центра масс относительно оси вращения) вала шестерни;M G1 - moment, due to eccentricity (displacement of the center of mass relative to the axis of rotation) of the gear shaft;

MG2 - момент, из-за эксцентриситета вала колеса;M G2 - moment, due to the eccentricity of the wheel shaft;

φ1 и φ2 - углы поворота шестерни и колеса соответственно;φ 1 and φ 2 are the angles of rotation of the gear and wheel, respectively;

u(t) - иередаточное отношение редуктора (от колеса к шестерне).u (t) is the gear ratio of the gearbox (from the wheel to the gear).

Результатом решения уравнения (10) является угол поворота шестерни φ1.The result of solving equation (10) is the angle of rotation of the gear φ 1 .

При равномерном вращении шестерни изменение ширины зуба из-за износа по делительному диаметру можно определить из соотношения:With a uniform rotation of the gear, the change in the width of the tooth due to wear on the pitch diameter can be determined from the ratio:

Figure 00000023
Figure 00000023

здесь h - износ зуба по делительной окружности;here h is the wear of the tooth along the pitch circle;

ω0 - постоянная угловая скорость вращения шестерни;ω 0 - constant angular speed of rotation of the gear;

r1 - радиус делительной окружности шестерни;r 1 is the radius of the pitch circle of the gear;

Δt - отклонение длительности прохождения половины углового шага от номинального из-за износа профиля зуба.Δt is the deviation of the duration of the passage of half the angular step from the nominal due to wear of the tooth profile.

На фиг.16 представлена реализация измерения по причине непостоянства «фазы» зубчатого колеса и штриховыми линиями условно показан изношенный профиль зубьев. Для упрощения износ показан равномерным по всей высоте зуба, хотя в действительности - это не так из-за переменной скорости скольжения. Ф0 - это номинальное значение половины углового шага («фаза»), а Δφ1, Δφ2, …, Δφn - это износ рабочих профилей зубьев по делительной окружности в угловых единицах. Предполагается, что шестерня вращается всегда в одном направлении, поэтому рабочие профили находятся с одной стороны.On Fig presents the implementation of the measurement due to the inconsistency of the "phase" of the gear wheel and dashed lines conventionally shows a worn tooth profile. To simplify, wear is shown uniform over the entire height of the tooth, although in reality this is not so because of the variable sliding speed. Ф 0 is the nominal value of half the angular step (“phase”), and Δφ 1 , Δφ 2 , ..., Δφ n is the wear of the working tooth profiles along the pitch circle in angular units. It is assumed that the gear rotates always in one direction, so the working profiles are on one side.

На фиг.17 представлена экспериментальная хронограмма в линейных координатах вращения зуба зубчатого колеса с показом тренда вращения, а на фиг.18 - разностная хронограмма между хронограммой фиг.17 и ее трендом (для определения износа n-го зуба необходимо взять разность двух графиков на n-м шаге). Исключив из рассмотрения влияние передаточного отношения, необходимо воспользоваться формулой (11) для определения износа. Например, износ третьего зуба шестерни будет равен:On Fig presents an experimental chronogram in the linear coordinates of the rotation of the tooth of the gear wheel showing the rotation trend, and Fig. 18 is a difference chronogram between the chronogram of Fig. 17 and its trend (to determine the wear of the nth tooth, it is necessary to take the difference of two graphs by n m step). Having excluded from consideration the influence of the gear ratio, it is necessary to use formula (11) to determine the wear. For example, the wear of the third gear tooth will be equal to:

h30·r1·Δt3=32,97·38,75·6·10-3=7,6 мкмh 3 = ω 0 · r 1 · Δt 3 = 32.97 · 38.75 · 6 · 10 -3 = 7.6 μm

Для токарного станка УТ16П рассматриваем зубчатое колесо №11 по паспорту станка: Z=31, m=2,5 мм. Тогда ширина зуба по делительной окружности равна h=m/2. Т.е. в нашем случае h=1,25 мм. Согласно требованиям нормативных документов в зависимости от типа зубчатой передачи допускается износ от 5 до 15% от номинального значения размера. Представим самый жесткий вариант, тогда максимальный допускаемый износ составляет Δh=62,5 мкм. При износе 7,6 мкм реальный износ составляет 12,5% от возможного максимального износа. Таким образом, в случае равномерного по мере работы станка износа зубьев (отсутствии поломок и усталостного выкрашивания (частичного поверхностного разрушения зуба)) остаточный ресурс зубчатого колеса составляет 87,5%.For the lathe UT16P we consider a gear wheel No. 11 according to the passport of the machine: Z = 31, m = 2.5 mm. Then the width of the tooth along the pitch circle is h = m / 2. Those. in our case, h = 1.25 mm. According to the requirements of regulatory documents, depending on the type of gear transmission, wear is allowed from 5 to 15% of the nominal size. Imagine the toughest option, then the maximum allowable wear is Δh = 62.5 μm. With a wear of 7.6 μm, real wear is 12.5% of the possible maximum wear. Thus, in the case of uniform wear of the teeth during operation of the machine (no breakage and fatigue chipping (partial surface destruction of the tooth)), the remaining gear life is 87.5%.

По приведенным двум конкретным примерам осуществления способа диагностирования очевидны широкие функциональные возможности и высокая точность диагностирования с помощью фазохронометрического метода класса циклических машин - металлорежущих станков.The two specific examples of the implementation of the diagnostic method show the wide functionality and high accuracy of diagnosis using the phase-chronometric method of the class of cyclic machines - metal-cutting machines.

Claims (1)

Способ диагностирования циклических машин - металлорежущих станков фазохронометрическим методом, включающий: предварительное определение и перечня диагностируемых параметров и возможных дефектов машины и структурное разбиение машины на части, критически важные для диагностирования параметров и возможных дефектов; разбиение рабочего цикла машины и ее частей на отдельные фазы; составление со степенью подробности, необходимой для прецизионного определения величин диагностируемых параметров и возможных дефектов, математических моделей рабочего цикла частей машины и их взаимодействия в фазохронометрическом представлении для взаимосвязи результатов измерений с соответствующими процессами или фазами цикла в работающих частях машины; установку в частях машины прецизионных, с относительной погрешностью не более 10-4%, хронометрических датчиков фаз рабочего цикла, выходы датчиков связаны с блоком обработки сигналов их измерений, в блоке также установлены рабочие программы математических моделей рабочего цикла частей машины и их взаимодействия для последующей обработки результатов измерений, при этом расположение датчиков в машине обусловлено конструкцией частей машины, а места установки датчиков определяют с точки зрения получения наиболее полной информации о работе частей машины; прецизионные измерения указанными датчиками интервалов времени фаз рабочих циклов частей машины и их взаимодействия с представлением обработанной измерительной информации в едином метрологическом формате на всех этапах жизненного цикла машины и в математическом моделировании рабочих циклов частей машины и их взаимодействия, а именно: получение массивов данных, образованных сериями измеренных последовательно, т.е. без пропусков, рядов интервалов времени фаз в едином опорном времени; в ходе обработки результатов измерений выполняют уточнение величин параметров, входящих в математические модели, на соответствие текущему техническому состоянию машины, а затем по результатам имитационного моделирования с использованием уточненных моделей и с последующей математической обработкой определяют величины диагностируемых параметров и возможных дефектов машины, по которым оценивают текущее техническое состояние машины; первичный анализ рядов сигналов датчиков заключается в построении и сопоставлении массивов рядов прецизионных интервалов времени на разных временных промежутках; вторичный анализ - статистическая математическая обработка методами, признанными оптимальными для обработки сигналов прецизионных интервалов времени с учетом нюансов соответствующего класса диагностируемых циклических машин: корреляционный анализ хронограмм вращения; спектральный анализ хронограмм вращения; кросс-спектральный анализ; преобразование Фурье и/или анализ трендов; режимный анализ; имитационные хронограммы и производные из них частотные спектры, полученные в результате вычислительного эксперимента, сравнивают с экспериментальными графиками; критерии сравнения экспериментальных и имитационных графиков - в первую очередь разброс диапазона значений, тренд замедления или ускорения, выход на установившемся режиме за пределы пороговых значений; данные экспериментальных хронограмм в первую очередь используют для уточнения параметров используемых математических моделей диагностируемой циклической машины и дальнейшей аппроксимации имитационных результатов, отличающийся тем, что в металлорежущих станках в перечень диагностируемых параметров и возможных дефектов машины включают: дефекты изготовления станка и его элементов; дефекты сборки после ремонта или монтажа отдельных элементов; изношенные, сломанные, плохо закрепленных деталей и элементов станка; определение и измерение небаланса в станке; динамические параметры и геометрические характеристики металлорежущего станка; физико-механические свойства элементов станка; характеристики приспособлений для закрепления детали и инструмента; идентификацию выходного и входного контроля технологического оборудования станка путем сравнения результатов измерения фазохронометрической системой на определенном станке при предъявительских испытаниях готовой продукции на заводе-изготовителе и входном контроле у потребителя продукции; при этом критически важными структурными узлами станка признают следующие: у станка с горизонтальной осью вращения шпинделя: асинхронный двигатель с коробкой скоростей станка или мотор-редуктор; шпиндельный узел станка с заготовкой в патроне шпинделя; заднюю бабку станка; суппорт с режущим инструментом; у станка с вертикальной осью вращения шпинделя: асинхронный двигатель с коробкой скоростей станка или мотор-редуктор; шпиндельный узел станка; режущий инструмент в шпинделе; заготовка в тисках; места установки хронометрических датчиков определяют с точки зрения получения информации о работе базовых узлов станка и конструкции станка, а именно: - для измерения параметров вращения асинхронного двигателя требуется установка со стороны двигателя; - для измерения параметров вращения коробки скоростей станка установка датчиков на входном и выходном валу коробки; - для измерения износа зубчатых колес коробки скоростей установка датчиков на каждом зубчатом колесе в коробке скоростей; - для измерения параметров вращения шпинделя установка датчика на выходе шпинделя, в местах закрепления режущего инструмента или заготовки - патронах; - для измерения параметров и исследования процесса резания установка датчиков со стороны задней бабки станка; - для измерения параметров обработки и износа режущего инструмента установка датчиков в соответствующих сечениях заготовки; особенности установки хронометрических датчиков на станки с вертикальной и горизонтальной компоновкой шпинделя связаны с особенностями процесса резания, конструктивными элементами станков, различиями в параметрах жесткости и геометрии; циклическую работу станка разбивают на следующие базовые фазы цикла: включение/пуск станка; работа станка в режиме холостого хода на разных скоростях вращения; врезание режущего инструмента в материал заготовки; процесс обработки детали резанием; отрезание заготовки режущим инструментом; критический износ режущего инструмента при приближении к максимальному нормативному времени работы режущего инструмента или ускоренном износе; выход инструмента из заготовки; остановка станка; математические модели узлов станка и взаимодействия узлов для каждой фазы представлены в виде систем нелинейных дифференциальных уравнений, содержащих в виде коэффициентов сосредоточенные или распределенные параметры системы, такие как моменты инерции, жесткости, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, геометрию и материал режущего инструмента, материал и форму заготовки, внешние условия температуру и влажность, характеристики асинхронного двигателя, передаточные отношения коробок скоростей; особенности математических моделей станков с вертикальной и горизонтальной компоновкой шпинделя выражаются в записи исходных уравнений системы, связанных в первую очередь с влиянием силы тяжести и изменением направления изгибно-крутильных колебаний системы. A method for diagnosing cyclic machines - metal-cutting machines by the phase-chronometric method, including: preliminary determination of the list of diagnosed parameters and possible defects of the machine and structural breakdown of the machine into parts that are critical for diagnosing parameters and possible defects; dividing the working cycle of the machine and its parts into separate phases; drawing up with the degree of detail necessary for precision determination of the values of diagnosed parameters and possible defects, mathematical models of the working cycle of machine parts and their interaction in a phase-chronometric representation for the relationship of measurement results with the corresponding processes or phases of the cycle in the working parts of the machine; the installation in the machine parts of precision, with a relative error of not more than 10 -4 %, chronometric sensors for the phases of the working cycle, the outputs of the sensors are connected to the processing unit for the signals of their measurements, the block also contains work programs for mathematical models of the working cycle of machine parts and their interaction for subsequent processing the measurement results, while the location of the sensors in the machine is determined by the design of the machine parts, and the installation locations of the sensors are determined in terms of obtaining the most complete information about the operation ie parts of the machine; precision measurements by the indicated sensors of the time intervals of the phases of the working cycles of machine parts and their interaction with the presentation of the processed measurement information in a single metrological format at all stages of the life cycle of the machine and in mathematical modeling of the working cycles of machine parts and their interaction, namely: obtaining data arrays formed by series measured sequentially, i.e. without gaps, series of time intervals of phases in a single reference time; in the course of processing the measurement results, the values of the parameters included in the mathematical models are refined to match the current technical condition of the machine, and then the values of the diagnosed parameters and possible defects of the machine are determined by the results of simulation using the updated models and subsequent mathematical processing, according to which the current technical condition of the machine; primary analysis of the series of sensor signals consists in the construction and comparison of arrays of series of precision time intervals at different time intervals; secondary analysis - statistical mathematical processing by methods recognized as optimal for processing signals of precision time intervals, taking into account the nuances of the corresponding class of diagnosed cyclic machines: correlation analysis of rotation chronograms; spectral analysis of rotation chronograms; cross-spectral analysis; Fourier transform and / or trend analysis; regime analysis; simulation chronograms and frequency spectra derived from them, obtained as a result of a computational experiment, are compared with experimental graphs; criteria for comparing experimental and simulation graphs - first of all, the scatter of the range of values, the trend of deceleration or acceleration, the exit at a steady state beyond the threshold values; experimental chronogram data is primarily used to refine the parameters of the mathematical models used in the diagnosed cyclic machine and to further approximate the simulation results, characterized in that in metal-cutting machines the list of diagnosed parameters and possible defects of the machine includes: manufacturing defects of the machine and its elements; assembly defects after repair or installation of individual elements; worn, broken, poorly fixed parts and elements of the machine; determination and measurement of unbalance in the machine; dynamic parameters and geometric characteristics of a metal cutting machine; physical and mechanical properties of machine elements; characteristics of devices for fixing parts and tools; identification of the output and input control of the technological equipment of the machine by comparing the results of measurement with a phase-chronometric system on a particular machine during bearer tests of finished products at the manufacturer and input control at the consumer of the product; at the same time, the following are recognized as critical structural components of the machine: for a machine with a horizontal axis of rotation of the spindle: an asynchronous motor with a gearbox of the machine or a gear motor; spindle unit of the machine with the workpiece in the spindle chuck; tailstock of the machine; caliper with a cutting tool; for a machine with a vertical axis of rotation of the spindle: an induction motor with a gearbox of the machine or a gear motor; spindle unit of the machine; cutting tool in the spindle; workpiece in a vice; installation locations of chronometric sensors are determined from the point of view of obtaining information about the operation of the basic components of the machine and the design of the machine, namely: - to measure the rotation parameters of an induction motor, installation on the motor side is required; - to measure the rotation parameters of the machine speed box, the installation of sensors on the input and output shaft of the box; - to measure the wear of gears in the gearbox, installing sensors on each gear in the gearbox; - to measure the parameters of rotation of the spindle, the installation of the sensor at the output of the spindle, in the places of fixing the cutting tool or workpiece - chucks; - to measure parameters and study the cutting process, the installation of sensors from the tailstock side of the machine; - to measure the processing parameters and wear of the cutting tool, the installation of sensors in the corresponding sections of the workpiece; the features of installing chronometric sensors on machines with vertical and horizontal spindle layout are associated with features of the cutting process, structural elements of machines, differences in rigidity and geometry parameters; the cyclic operation of the machine is divided into the following basic phases of the cycle: turning on / starting the machine; work of the machine in idle mode at different speeds of rotation; cutting tool cutting into the workpiece material; part machining process; cutting the workpiece with a cutting tool; critical wear of the cutting tool when approaching the maximum standard operating time of the cutting tool or accelerated wear; tool exit from the workpiece; machine stop; mathematical models of machine nodes and node interactions for each phase are presented in the form of systems of nonlinear differential equations containing in the form of coefficients concentrated or distributed system parameters, such as moments of inertia, stiffness, internal and external friction coefficients, geometry and material of the cutting tool, material and shape blanks, external conditions temperature and humidity, characteristics of an induction motor, gear ratios of gearboxes; The features of mathematical models of machines with vertical and horizontal spindle layout are expressed in the recording of the initial equations of the system, which are primarily associated with the influence of gravity and a change in the direction of the bending-torsional vibrations of the system.
RU2013158894/28A 2013-12-30 2013-12-30 Method for diagnosis of cyclic machines - metal-cutting machines using phase-chronometric method RU2561236C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013158894/28A RU2561236C2 (en) 2013-12-30 2013-12-30 Method for diagnosis of cyclic machines - metal-cutting machines using phase-chronometric method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013158894/28A RU2561236C2 (en) 2013-12-30 2013-12-30 Method for diagnosis of cyclic machines - metal-cutting machines using phase-chronometric method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013158894A RU2013158894A (en) 2015-07-10
RU2561236C2 true RU2561236C2 (en) 2015-08-27

Family

ID=53538139

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013158894/28A RU2561236C2 (en) 2013-12-30 2013-12-30 Method for diagnosis of cyclic machines - metal-cutting machines using phase-chronometric method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2561236C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680632C1 (en) * 2017-02-02 2019-02-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Method of wear monitoring of the cutting tool of a lathe machine in the process of part processing

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116542971B (en) * 2023-07-04 2023-08-29 山东四季车网络科技有限公司 Vehicle wheel axle defect identification method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2230627C1 (en) * 2002-11-10 2004-06-20 Открытое акционерное общество "Магнитогорский металлургический комбинат" Method for control and complex diagnostics of state of pinch rolls and their drive units in secondary cooling zone of plant for continuous casting of metals and alloys
RU2244172C1 (en) * 2003-04-28 2005-01-10 Томский государственный архитектурно-строительный университет (ТГАСУ) Fault-finding method for machine hydraulic drive system
RU2332652C1 (en) * 2006-12-25 2008-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) Method of diagnostics of vibration activity of machines incorporating cutting-edge tools
RU2445598C1 (en) * 2010-08-13 2012-03-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" Diagnostic method of technical state of gas-turbine engine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2230627C1 (en) * 2002-11-10 2004-06-20 Открытое акционерное общество "Магнитогорский металлургический комбинат" Method for control and complex diagnostics of state of pinch rolls and their drive units in secondary cooling zone of plant for continuous casting of metals and alloys
RU2244172C1 (en) * 2003-04-28 2005-01-10 Томский государственный архитектурно-строительный университет (ТГАСУ) Fault-finding method for machine hydraulic drive system
RU2332652C1 (en) * 2006-12-25 2008-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) Method of diagnostics of vibration activity of machines incorporating cutting-edge tools
RU2445598C1 (en) * 2010-08-13 2012-03-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" Diagnostic method of technical state of gas-turbine engine

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Информационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и механизмов на базе прецизионного хронометрического анализа фазы рабочего цикла", 2010, найдено в сети INTERNET по адресу:. http://oldvak.ed.gov.ru/ru/announcements_1/technikal_sciences/index.php?id4=2458&from4=3; . *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680632C1 (en) * 2017-02-02 2019-02-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Method of wear monitoring of the cutting tool of a lathe machine in the process of part processing

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013158894A (en) 2015-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Parey et al. Dynamic modelling of spur gear pair and application of empirical mode decomposition-based statistical analysis for early detection of localized tooth defect
Dadon et al. A realistic dynamic model for gear fault diagnosis
El Yousfi et al. Electromechanical modeling of a motor–gearbox system for local gear tooth faults detection
Dadon et al. Impact of gear tooth surface quality on detection of local faults
Plöger et al. Vibration signature analysis of commodity planetary gearboxes
RU2561236C2 (en) Method for diagnosis of cyclic machines - metal-cutting machines using phase-chronometric method
Perret-Liaudet et al. Modeling of gearbox whining noise
CN112287492B (en) Dynamic characteristic identification method for five-axis linkage machining center swinging turntable
Peruń et al. Modelling of power transmission systems for design optimization and diagnostics of gear in operational conditions
Skvorcov Selection of vibration norms and systems structures when designing means of monitoring units with gear transmissions
Łazarz et al. Identification and verification of simulation model of gears working in circulating power system
Korka An overview of mathematical models used in gear dynamics
RU2332652C1 (en) Method of diagnostics of vibration activity of machines incorporating cutting-edge tools
Peruń A dynamic model as a tool for design and optimization of propulsion systems of transport means
Ghorpade et al. Dynamic modeling of PGT using analytical & numerical approach
Banodiya et al. Measurement of transmission error in spur gears
Lamraoui Spindle bearing fault detection in high-speed milling machines in non-stationary conditions
RU2631493C1 (en) Method of gear teeth diagnostics
Peng et al. Differentiating tooth root cracks and spalls in planet gears from changes in the transmission error
Nagumo et al. ESTIMATION OF LOADED STATIC TRANSMISSION ERROR OF HELICAL GEARS BY VIBRATION MEASUREMENT UNDER OPERATING CONDITIONS
Yumrukçal Dynamic modeling of high precision servo systems with gear backlash
Pacana et al. Vibroacoustic testing of prototype hermetic harmonic drive
Kang A Study of Quasi-static and Dynamic Behavior of Double-helical Gears
Mbarek et al. Operational modal analysis using order-based analysis in a two-stage planetary gear with mechanical power recirculation
Hadj Kacem et al. Uncertainty Consideration for Second Shaft Dynamic Behavior of a Double Stage Gearbox