СТЕНД ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА

Полезная модель предназначена для проведения диагностики шпиндельных узлов металлорежущих станков.
В настоящее время промышленность выпускает стенды и приборы для контроля параметров виброакустических сигналов, по которым можно судить о динамике упругой системы станка и состоянии подшипниковых узлов [1. Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. - М.: Наука, 1984. - с 78-83.]. Сборка высокоскоростных шпиндельных узлов проводится в термостатированных помещениях по строго определенной методике со строгим контролем отклонений отдельных деталей от заданной геометрии, а после сборки шпиндель подвергается многочасовой обкатке на специальном стенде с регистрацией температуры в нескольких точках узла и момента сопротивления вращению.
К недостаткам известных средств диагностики следует отнести то обстоятельство, что контролируя только температуру нельзя проникнуть в сущность процессов, протекающих в шпиндельных узлах при холостом вращении шпинделя, при работе под нагрузкой. Сегодня назрела необходимость применения новых методик и способов виброакустической диагностики, позволяющих значительно глубже по сравнению с контролем температуры проникать в сущность процессов, протекающих в шпиндельных узлах при холостом вращении шпинделя, при работе под нагрузкой и при повышении температуры.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является устройство для диагностики шпиндельного узла, описанное в патенте РФ №2124966, Кл. B23B 25/06, G01M 13/02 - прототип. Согласно прототипу диагностика реализуется следующим образом. После выбора режима испытаний станок включается и производится обработка средней части оправки резцом. Сигналы от датчиков перемещения, расположенных в двух поперечных сечениях оправки, поступают сначала в усилительно-преобразующую аппаратуру, а потом в компьютер, где производится построение траектории оси оправки в двух сечениях. В результате движения вершина резца описывает на поверхности оправки некоторую кривую, которая формирует "геометрический образ" обработанного сечения. Программное обеспечение позволяет производить построение на экране дисплея "геометрический образ" в трехмерном пространстве, по которому определяют целый комплект параметров точности обработанной оправки.
Недостатком известного технического решения является сравнительно невысокая точность воспроизведения геометрического образа обработанного сечения эталонной заготовки и отсутствие возможности виброакустической диагностики, позволяющей значительно глубже по сравнению с температурой оценить сущность процессов, протекающих в шпиндельных узлах при холостом вращении шпинделя, при работе под нагрузкой и при повышении температуры.
Технически достижимым результатом является повышение точности измерений, а также расширение технологических возможностей при проведении диагностики шпиндельных узлов.
Это достигается тем, что в стенде для диагностики шпиндельного узла, содержащим датчики перемещения, расположенные в двух поперечных сечениях оправки шпинделя, и компьютер, где производится построение траектории оси оправки шпинделя, дополнительно содержится станина, на которой посредством опор закреплена шпиндельная бабка со шпиндельным узлом, установленном в подшипниках качения, в котором закреплен эталонный образец, а напротив шпинделя установлена измерительная стойка, состоящая из, жестко и перпендикулярно, закрепленной на станине вертикальной стойки, в верхней части которой закреплена параллельно станине, консоль, на которой смонтирована измерительная головка в виде динамометрического молотка, соединенного с управляющим блоком, генерирующим импульсное нагружение шпинделя, и ось которой перпендикулярна оси шпиндельного узла, а в верхней части шпиндельного узла жестко закреплен трехкомпонентный акселерометр, выполняющий измерение колебаний по трем координатам X, Y, Z, и соединенный с управляющим блоком, содержащим компьютер со специально ориентированным пакетом программ для выработки параметров входного воздействия для динамометрического молотка, и получения реакции этого воздействия по трем координатам X, Y, Z.
На фиг.1 представлена схема стенда для диагностики шпиндельного узла с помощью импульсного нагружения шпинделя посредством динамометрического молотка, на фиг.2 - общий вид экспериментальной установки системы диагностики шпиндельного узла, на фиг.3 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) шпинделя №2, построенные по двум взаимно перпендикулярным осям, на фиг.4 - схема устройства динамометрического молотка.
Стенд для диагностики шпиндельного узла состоит из станины 1, на которой посредством опор закреплена шпиндельная бабка 2 со шпиндельным узлом 3, установленном в подшипниках качения, в котором закреплен эталонный образец 10. Напротив шпинделя 3 с эталонным образцом 10 установлена измерительная стойка, состоящая из, жестко и перпендикулярно, закрепленной на станине 1 вертикальной стойки 5, в верхней части которой закреплена параллельно станине 1, консоль 6, на которой смонтирована измерительная головка 7 в виде динамометрического молотка 8, соединенного с управляющим блоком 9, и генерирующего импульсное нагружение шпинделя, и ось которой перпендикулярна оси шпиндельного узла 3. В верхней части шпиндельного узла 3 жестко закреплен трехкомпонентный акселерометр 4, выполняющий измерение колебаний по трем координатам X, Y, Z, и соединенный с управляющим блоком 9, содержащим компьютер со специально ориентированным пакетом программ для выработки параметров входного воздействия для динамометрического молотка 8, генерирующего импульсное нагружение шпинделя, и получения реакции этого воздействия в виде амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) шпинделя, а также отображения объемного изображение колебаний по трем координатам: X, Y, Z.
Динамометрический молоток (фиг.4) содержит быстросменный ударный элемент 11, расположенный соосно корпусу 13, и выполненный из эластомера, который посредством втулки 28 крепится к мембранному передающему элементу 12, закрепленному на цилиндрическом корпусе 13 посредством фланца 26, расположенному перпендикулярно оси корпуса 13, с помощью винтов 27. Внутри корпуса 13 и соосно ему, расположен мембранный передающий элемент 12, который имеет цилиндро-коническую часть, установленную в корпусе с тороидальным зазором 25 в нижней части, имеющем лепестковую форму в сечении торообразующей поверхности. Мембранный передающий элемент 12 соединен резьбовой частью 24 шпильки 23, расположенной по оси корпуса, с основной массой 15 ударного устройства, контактирующей с пьезоэлектрическим динамометром 14, помещенным в диэлектрическую защитную оболочку 32. Напряжение, возникающее при ударном или случайном воздействиях отводится от пьезоэлектрического динамометра 14 через контактный элемент 31, закрепленный в корпусе 13, и связанный проводом 34 с контактным элементом 29, закрепленным в полой цилиндрической рукоятке 19 ударного устройства, при этом провод 34 закреплен в хомуте 30, жестко связанным с внешней поверхностью рукоятки 19, ось которой расположена перпендикулярно оси корпуса 13, и которая посредством резьбовой части 20, жестко фиксируется в резьбовом отверстии 21 основной массы 15 молотка. Над основной массой 15 расположена дополнительная масса 16 ударного устройства, выполненная в виде цилиндра, и в которой выполнено осесимметричное резьбовое отверстие 17, в которое входит резьбовая часть выступа 18, составляющая одно целое с основной массой 15, которая в свою очередь посредством винтов 22 крепится к корпусу 13, а в торцевую поверхность резьбовой части выступа 18 упирается головка шпильки 23, связывающей основную массу 15 ударного устройства с мембранным передающим элементом 12 через пьезоэлектрический динамометр 14, в котором выполнено центральное осесимметричное отверстие 33, через которое проходит гладкая цилиндрическая часть шпильки 23.
Стенд для диагностики шпиндельного узла работает следующим образом.
Измерение реакции импульсного нагружения шпинделя фиксируется трехкомпонентным акселерометром 4, жестко закрепленном на шпиндельном узле 3. Обработка виброакустического сигнала со шпинделя осуществляется посредством управляющего блока 9, содержащего компьютер со специально ориентированным пакетом программ для выработки параметров входного воздействия для динамометрического молотка 8, генерирующего импульсное нагружение шпинделя, и получения реакции этого воздействия в виде амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) шпинделя, а также отображения объемного изображение колебаний по трем координатам: X, Y, Z.
На станине 1 посредством опор закрепляют шпиндельную бабку 2 со шпиндельным узлом 3, в шпинделе закрепляют эталонный образец 10. Напротив шпинделя 3 с эталонным образцом 10 устанавливают измерительную стойку, на которой смонтирована измерительная головка 7 в виде динамометрического молотка 8, и соединяют его с управляющим блоком 9, генерирующим импульсное нагружение шпинделя. В верхней части шпиндельного узла 3 жестко закрепляют трехкомпонентный акселерометр 4, выполняющий измерение колебаний по трем координатам X, Y, Z, и соединяют его с управляющим блоком 9, содержащим компьютер со специально ориентированным пакетом программ для выработки параметров входного воздействия для динамометрического молотка 8, генерирующего импульсное нагружение шпинделя, и получения ответной реакции этого воздействия по трем координатам: X, Y, Z от трехкомпонентного акселерометр 4.
Измерение реакции импульсного нагружения шпинделя фиксируется трехкомпонентным акселерометром 4, жестко закрепленном на шпиндельном узле 3. Обработка виброакустического сигнала со шпинделя осуществляется посредством управляющего блока 9, содержащего компьютер со специально ориентированным пакетом программ для выработки параметров входного воздействия для динамометрического молотка 8, генерирующего импульсное нагружение шпинделя, и получения реакции этого воздействия в виде амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) шпинделя, а также отображения объемного изображение колебаний по трем координатам: X, Y, Z.
Динамометрический молоток работает следующим образом.
При ударе об испытательную поверхность 35 исследуемого объекта (на чертеже не показан) посредством быстросменного ударного элемента 11 имитируется импульсное или случайное возбуждение. Подаваемое на исследуемый объект усилие измеряется с помощью пьезоэлектрического динамометра 14. Дополнительной массой 16 и материалом ударной части 11 можно менять продолжительность импульса, а, значит, и частотный диапазон спектра возбуждения. Напряжение, возникающее при ударном или случайном воздействиях, отводится от пьезоэлектрического динамометра 14 через контактный элемент 31, закрепленный в корпусе 13, и связанный проводом 34 с контактным элементом 29, закрепленным в полой цилиндрической рукоятке 19 ударного устройства. Сигналы от пьезоэлектрического динамометра 14 передаются в блок обработки данных (на чертеже не показан), в котором частотные характеристики получают с помощью спектрального анализа сложных сигналов, основу которого составляет быстрое преобразование Фурье, например с помощью двухканального анализатора (на чертеже не показан), выполняющего быстрое преобразование Фурье, и измеряющего сигналы возбуждения от ударного устройства, и реакции их на испытательной поверхности 35 исследуемого объекта, затем определяют частотные характеристики на основе этих измерений.
В качестве примера рассмотрим результаты исследований 2-х одинаковых шлифовальных шпинделей на подшипниках качения.
На фиг.3 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) шпинделя №2, построенные по двум взаимно перпендикулярным осям. Акселерометр устанавливался на корпусе шпинделя в радиальном направлении. Динамометрическим молотком наносились удары по концу шпинделя в этом же направлении. Вектор импульсного воздействия и ось акселерометра лежат в одной плоскости, проходящей через ось шпинделя. В идеальном случае АЧХ не должны существенно зависеть от выбора плоскости расположения ударного импульса и акселерометра. На фиг.3 показаны АЧХ, построенные для вертикальной (ось Z) и горизонтальной (ось Y) плоскостей. Видно, что в направлении оси Y податливость, особенно в районе частоты 1257 Гц, значительно выше, чем податливость по оси Z. Это можно трактовать как следствие неравномерного радиального натяга в подшипнике, вызванного искажением радиальной геометрии при посадке колец. Построение АЧХ дает полезную информацию о состоянии подшипникового узла, но такая методика связана с необходимостью применения динамометрического молотка, который может отсутствовать на предприятии. Информацию о качестве работы шпинделя можно получить, подключая к стенду для обкатки шпинделя не один, а два или три акселерометра, установленных по направлению координатных осей. С их помощью можно следить за поведением вектора виброускорения, виброскорости или виброперемещения.