Лекция_11_05_Диагностика точности (1261622), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Рис. 8. Сравнение траектории оси шпинделя и круглограммы обработанного отверстия

В качестве примера на рисунке 8, а показана траектория оси шпинделя, построенная на ЭВМ на основании обработки результатов измерения, и та же траектория, представленная в виде круглограммы. На рисунке 8, б приведена соответствующая круглограмма, снятая с отверстия диаметром 33 мм, расточенного при режимах обработки: v=107 м/с и S=3,18 мм/с. Приведенный частотный анализ траектории оси шпинделя и круглограммы показывает совпадение доминирующих частот.

Данный пример иллюстрирует перенесение формы траектории центра шпинделя, включая высокочастотные составляющие, на обработанную деталь.

Таким образом, параметры траектории шпинделя непосредственно влияют на показатели качества обработанной поверхности. Оценка областей состояний выходных параметров шпиндельного узла является объективной характеристикой его качества.

При устойчивом резании показателем динамического качества шпиндельного узла может служить уровень динамической погрешности Δ_Д, вносимой в радиальный размер за счет периодических составляющих траектории. Поскольку эта погрешность является случайной величиной со своим законом распределения, ее следует оценивать двумя параметрами - математическим ожиданием m и дисперсией D или средним квадратическим отклонением

(4)

где К — коэффициент, определяющий принятое поле рассеяния случайной величины (для нормального закона часто принимают шестисигмовую зону, т. е. К=6). Динамическая погрешность Δ_д должна составлять часть допуска δ, например Δд <0,3δ, и ее значение должно минимизироваться. Критерием динамической погрешности целесообразно принять второй начальный момент

(5)

Лучшим шпиндельным узлом, оцененным по вносимой динамической погрешности, будет тот, параметры которого соответствуют минимальному значению a₂. Если оценивается динамическая погрешность шпиндельного узла токарного станка, то измерение колебаний осуществляется только в направлении формирования размера детали, т. е. по оси Y, а измерительные преобразователи закрепляются на суппорте станка.

Если рассматривается шпиндель с вращающимися инструментами, например, для расточного станка, то измерения производятся в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т. е. но осям Х и У, и оцениваются соответствующие вторые начальные моменты «а_2х и a2y. Гистограммы, характеризующие законы распределения динамических погрешностей для шпиндельного узла многооперационного станка МС 12-250, показаны на рисунке 9 а. Эти данные получены на основании статистической обработки соответствующих осциллограмм при программном испытании станка. Для облегчения этой трудоемкой операции использовали преобразователь графиков (типа ФОМ), позволяющий набивать ординаты соответствующих точек на перфоленту.

Рис. 9. Оценка динамической погрешности, вносимой шпиндельным узлом

Испытания показали, что динамическая погрешность шпиндельного узла зависит от режимов обработки, и в первую очередь от частоты вращения шпинделя и сил резания.

На рисунке 9 б, в показаны графики, полученные в результате исследований динамических характеристик шпиндельного узла станка. При увеличении режимов обработки роль динамических процессов в точности обработки возрастает.

Испытание шпиндельного узла станка МС12-250 во всем диапазоне режимов работы с применением программного нагрузочного устройства, оценка динамической погрешности и ее сравнение с допусками на обрабатываемые детали показало, что операции по растачиванию отверстия могут быть осуществлены в пределах 10-го квалитета точности, поскольку динамическая погрешность соответствует допускам 8-го квалитета. Так, при обработке партии деталей с растачиванием отверстия d=33 мм с режимами резания v=1,07 м/с (n = 11,8 с^-1). S=3,18 мм/с, t=0,5 мм и силой резания Р = 300 Н) диаметры обработанных отверстий имели рассеяние по нормальному закону с шестисигмовой зоной 6σ = 84 мкм, в то время как динамическая погрешность составляла Δ₉=20 мкм.

При оценке областей состояний шпиндельных узлов необходимо помимо высокочастотных составляющих траектории учитывать также смещение траектории от тепловых деформаций в основном корпуса передней бабки. Это смещение может достигать значительных величин по сравнению с размерами круговой траектории.

В качестве примера на рисунке 10 показаны результаты исследования смещения траекторий шпинделей прецизионных станков. На рисунке 10 а показана траектория переднего конца шпинделя высокоточного токарного станка 16К20ВФ1 на гидростатических опорах. Каждое положение шпинделя фиксировалось через 0,25 ч. За 2 ч работы смещение составило 75 мкм, в то время как биение оси шпинделя было 1-1,5 мкм.

Смещение оси шпинделя на аэростатических опорах для специального прецизионного сверлильного станка, предназначенного для обработки печатных плат, показано на рисунке 10 б. Здесь биение оси шпинделя составляет 2-2,5 мкм, а его смещение за 1 ч 15 мкм. Из сравнения двух шпинделей видно, что во втором случае при меньшей точности вращения тепловая стабилизация наступает быстрее и общее смещение траектории оси шпинделя существенно меньше. Следует, однако, иметь в виду, что при токарной обработке значение имеет не суммарное смещение траектории, а его величина в направлении оси X, которая в данном случае составляет 25 мкм.

а - гидростатические опоры, б - аэростатические опоры

Рис. 10. Траектория и ее смещение для переднего конца шпинделя

Таким образом, при оценке точности шпиндельных узлов необходимо определять область состояний для выходных параметров, которые характеризуют траекторию движения шпинделя с позиции ее влияния как на размеры и форму, так и на волнистость и шероховатость обработанной поверхности.

Чем выше требования к точности обрабатываемых деталей и, следовательно, к точности станка, тем большую роль начинают играть динамические процессы в шпиндельном узле и влияние тепловых деформаций на стабильность положения оси шпинделя в пространстве.

Методика экспресс-диагностики шпиндельных узлов по траектории вращения контрольной оправки

В отличие от роторов других машин, к шпиндельным узлам станков предъявляются в первую очередь требования по точности и точностной надежности. В связи с этим шпиндельный узел можно рассматривать на холостом ходу как черный ящик, на входе которого динамические процессы в опорах, биение оправки и т.д., а на выходе траектория вращения контрольной оправки (рис. 11).

Рис. 11. Диагностическая модель ШУ на холостом ходу

Потребность в интеллектуальной технологии экспресс-диагностики шпиндельных узлов резонно приводит к необходимости анализа и по возможности максимального использования отечественного опыта, а это разработки в первую очередь ЭНИМСа. По своей сути, идея описанного выше подхода и была реализована в методике экспресс-диагностики ЭНИМСа (Фигатнер [3]).

Авторами были приняты следующие допущения:

• Ось шпинделя - это геометрическая прямая, проходящая через центры двух окружностей, заменяющих реальные контуры в среднем (по длине) сечении дорожек качения. Окружности проведены так, чтобы среднее арифметическое действительного контура дорожек качения внутреннего кольца подшипника от проведенных окружностей было минимальным.

• Поворот шпинделя совершается не относительно его оси, а относительно мгновенной оси вращения (далее ось вращения).

• Точность вращения шпинделя характеризуется изменением положения оси вращения шпинделя во времени- биением оси вращения шпинделя (траектория вращения).

• На точность вращения шпинделей существенное воздействие оказывают как погрешности подшипников, так и отклонения от заданных размеров и формы деталей шпиндельных узлов, сопряженных с подшипниками качения и самим шпинделем.

• Главными источниками биения шпинделей и оси вращения шпинделей, смонтированных на подшипниках качения, являются:

• эксцентричность отверстия внутреннего кольца подшипника по отношению к дорожке качения и к измеренной поверхности (центрирующий поясок под патрон, коническое отверстие шпинделя, цилиндрическая поверхность оправки и т.п.);

• некруглость дорожек качения;

• волнистость дорожек качения;

• боковое биение по дорожкам качения;

• некруглость и разноразмерность тел качения.

Траектория вращения шпинделя определяется совместным действием указанных выше погрешностей. В биении шпинделя эти погрешности проявляются с разной частотой, амплитудой и фазой. Сложное взаимодействие деталей подшипника во времени его вращения и неизбежное проскальзывание тел качения относительно дорожек качения - все это дает основание рассматривать биение шпинделя как стационарный случайный процесс.

На величину погрешности формы (некруглость) изделий типа тел вращения и на чистоту их поверхности решающее влияние оказывает совокупное воздействие всех составляющих биения шпинделя, частота которых не равна частоте f_n вращения шпинделя (оборотная частота)

где: n –число оборотов шпинделя в минуту.

Составляющая биения шпинделя с частотой f=f_n имеет определяющее значение для точности обработки изделий на зубошлифовальных (бабка изделия), фрезерных и других станках. Кроме того, амплитуда биений с частотой f=f_n, как правило составляет 80-90% всей величины биения и поэтому имеет решающее значение при контролей станка по проверкам, как биение центрирующего пояска шпинделя, конического отверстия шпинделя и т.п.

Предложено при измерении биения шпинделя проводить анализ, позволяющий дать раздельную оценку составляющим биения (траектории вращения), различно влияющим на формирование погрешностей формы и микропрофиля поверхности изделия.

Техника записи биения шпинделя. Измерение биения шпинделя предлагается производить с помощью устанавливаемых в инструментальный конус шпинделя контрольных оправок путем последовательного поворота шпинделя. Используются две оправки: у торца шпинделя короткой на вылете - длинной. Измерительные поверхности оправок аттестуют на приборе для измерения некруглости. Некруглость измерительной поверхности не должна превышать 0,1-0,3 мкм при диаметре шпинделя до 100 мм и 0,3-0,5 мкм при диаметре шпинделя свыше 100 мм (меньшие значения - при контроле точности вращения шпинделей станков классов точности А и С).

Установка оправки в шпиндель производится последовательно несколько раз до получения повторяемых результатов измерения размаха биения шпинделя. Это создает уверенность в отсутствии случайных перекосов оправки или попадания в посадочные отверстия загрязнения. Для отсчета угла поворота на шпинделе укрепляют лимб, разделенный в зависимости от выбранного числа измерения на 8 или 12 частей. Погрешность деления и отсчета при повороте шпинделя не должна превышать ±30'.

Обработка записи биения шпинделя. В методике предполагается, что запись биения шпинделя — это таблично или графически заданная развертка траектории биения на отрезке от 0 до Т функция у(t) (где независимая переменная t - время или угол поворота), может рассматриваться как сумма полигармонического процесса s(t) и некоторой реализации стационарного случайного процесса h(t).

где h(t) - ординаты записи биения шпинделя. Запись биения шпинделя понимается как запись проекции биения шпинделя в плоскости XOY на ось Х или Y. Ось Z по направлению совпадает с осью шпинделя.

Выделение периодических составляющих случайной функции y(t) осуществляется с помощью ее спектрального разложения. Частоты гармонических составляющих определяются визуально, путем поиска наибольших пиков в спектральном разложении, например по оценке спектральной плотности стационарного случайного процесса. Оценка спектральной плотности получается путем непосредственного применения преобразования Фурье к реализации случайного процесса.

Если реализация y(t) задана в интервале времени (0, Т), то оценка спектральной плотности вычисляется по формуле:

Формула для вычисления спектральной плотности по дискретно заданной (N точками) функции у(t) имеет вид

где

Результат обработки записи биения шпинделя (далее сигнал) токарного станка описанным способом показан на рисунке 2.11. Для приближенного анализа процесса биения вместо интегрального преобразования Фурье можно воспользоваться разложением в ряд Фурье функции, заданной таблично с постоянным шагом. Коэффициенты ряда Фурье вычисляются по формулам:

Характеристики

Список файлов лекций