Адаптивная система управления ультразвуковой запрессовкой с оценкой качества формируемых соединений

1

УДК 621.757:62-752 Шуваев В.Г.

Самарский Государственный технический университет

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЗАПРЕССОВКОЙ С ОЦЕНКОЙ КАЧЕСТВА ФОРМИРУЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Аннотация. Представлен анализ процессов, происходящих при запрессовке в условиях наложения ультразвуковых (УЗ) колебаний малой амплитуды. На основании результатов выполненных экспериментов сформулированы выводы о факторах, влияющих на качество образуемого соединения.

Ключевые слова: запрессовка, ультразвуковые колебания, адаптивная система, качество соединений.

Прессовые соединения получили достаточно широкое распространение в машино- и приборостроении благодаря простоте применяемого сборочного оборудования, хорошим функциональным показателям, отсутствию дополнительных крепежных элементов. Отличительной особенностью прессовых соединений является недоступность зоны контактного взаимодействия деталей для непосредственного наблюдения, что затрудняет контроль и управление процессами контактного взаимодействия деталей в процессе сборки, причем ужесточение требований к геометрическим характеристикам не приводит к адекватному повышению функциональных характеристик качества соединений.

Использование УЗ колебаний малой амплитуды позволяет интенсифицировать сборочный процесс, что обусловлено рядом специфических особенностей воздействия УЗ, к числу которых относятся значительное снижение сил трения при сборке, самоцентрирование деталей, повышение эксплуатационных характеристик соединений путем направленного воздействия на формируемые характеристики контактирующих поверхностей. Введение УЗ колебаний сопровождается уменьшением нагрузок на технологическое прессовое оборудование и снижением энергетических затрат при улучшении несущей способности соединений [1].

Для современного производства характерны усложнение технологических процессов, ужесточение требований к допустимым отклонениям управляемого процесса от предписанных значений, снижение разброса функциональных параметров изделий и т.д. Совершенствование методов управления в этих условиях предполагает разработку более сложных алгоритмов и математических моделей управляемых процессов, позволяющих оптимизировать управление и получать изделия гарантированного качества, а использование усложненных моделей порождает проблему определения значений характеристик и параметров модели, необходимых для формирования требуемого управления. Процесс запрессовки протекает при непрерывном изменении внешних условий и параметров динамической системы, включающей прессовое оборудование, УЗ колебательную систему и соединяемые детали. Математическое описание процессов, происходящих при запрессовке, обычно получают либо теоретическим путём на основе принятых допущений и ограничений, либо статистической обработкой и усреднением экспериментальных результатов для наиболее типичных случаев. При этом получаемые зависимости являются усреднёнными и не учитывают многообразия действующих факторов в каждом индивидуальном акте запрессовки. Качество работы сборочной системы, спроектированной в расчете на неизменяющиеся условия сборки, на практике оказывается существенно ниже проектного, что связано как с разбросом параметров деталей, так и отклонением режимов и условий работы сборочного оборудования. Широкое внедрение современных ЭВМ в процессы управления технологическими процессами позволяет контролировать изменение параметров без прерывания технологического процесса и использовать как текущие значения параметров, так и их оценки для формирования управляющих воздействий. Если параметры изменяются во времени достаточно медленно, что характерно для процесса запрессовки, то такие методы управления могут оказаться весьма эффективными, поскольку не связаны с прерыванием технологического процесса для тестирования управляемого процесса или объекта управления.

В связи с этим, применение жесткого алгоритма сборки, предписывающего поддержание энергетического критерия, в ряде случаев приводит к негативным результатам, выражающимся в значительном разбросе характеристик прочности формируемых соединений, так как расчет ведется на основе среднестатистических данных, что не позволяет учитывать индивидуальные особенности сборки каждого соединения. Одним из путей преодоления указанных недостатков является применение адаптивной системы ультразвуковой запрессовки, использование которой позволит оптимизировать процесс сборки каждого соединения благодаря дополнительному использованию текущей информации о динамических характеристиках формируемого соединения. Адаптивная (самоприспосабливающаяся) система автоматически изменяет алгоритм своего функционирования с целью достижения наилучшего результата при изменении внешних условий. Параметры адаптивной системы при изменении условий сборки изменяются, поддерживая тем самым близкий к оптимальному режим работы. В таких системах кроме основных сигналов управления, используется также дополнительная полезная информация о ходе процесса сборки, причём система осуществляет контроль условий и режимов сборки в режиме реального времени, т.е. в темпе процесса запрессовки.

2

Рис. 1 Адаптивная система ультразвуковой запрессовки

На рис. 1 показана разработанная адаптивная система УЗ запрессовки, учитывающая особенности запрессовки конкретных деталей путём определения динамических характеристик непосредственно в ходе запрессовки, что значительно снижает неопределенность в обеспечении требуемых параметров качества [2,3].

С помощью подсистемы расчета режима запрессовки по заданному энергетическому показателю качества определяются исходные технологические условия запрессовки, формируемые усилием и скоростью протекания процесса, и на их основе рассчитывается оптимальное значение энергетического критерия сборки. Одновременно производится определение текущих значений динамических характеристик соединения и в случае их отклонения от допустимых значений формируются дополнительные УЗ управляющие воздействия.

Технологический процесс запрессовки определяется силовым контактным взаимодействием деталей, при этом основные параметры регулировки включают усилие и скорость запрессовки, которые усредненно определяют качество формируемого соединения и эффективность процесса и выражаются в виде энергетического критерия

K

где P(l) - изменение усилия в процессе запрессовки, V(l) - изменение скорости в процессе за-

прессовки, l- длина запрессовки.

В качестве текущих значений динамических характеристик соединений использованы следующие параметры:

- логарифмический декремент колебаний Л , характеризующий диссипативные свойства системы и определяемый как натуральный логарифм отношения значений убывающих амплитуд как реакции на импульсное ударное воздействие;

коэффициент динамичности л и добротность механической колебательной системы Q , характери-

зующие резонансные свойства системы;

инерционные M(l), диссипативные K(l) и упругие C(l) характеристики формируемого соединения,

определяемые на основе моделей в пространстве состояний.

В реальных условиях сборки от системы активного контроля может поступить информация о несоответствии динамических характеристик формируемого соединения эталонным значениям, что предполагает применение дополнительных технологических воздействий, компенсирующих негативные факторы.

Эффективность использования ультразвуковых колебаний малой амплитуды при запрессовке соединений с натягом во многом объясняется возможностью более прочного соединения разнородных металлов и сплавов между собой за счет изменения характера протекания адгезионных и диффузионных процессов под воздействием ультразвукового поля. Одним из достоинств введения ультразвуковых колебаний малой амплитуды в зону сборки является возможность соединения металлов и сплавов в твердой фазе аналогично тому, как это происходит в процессах ультразвуковой сварки.

Проведенная серия экспериментов с использованием разработанного комплекса позволила выявить закономерности формирования областей схватывания и определения факторов, влияющих на качество образуемых соединений, что дает возможность гарантировать качество каждого прессового соединения.

ЛИТЕРАТУРА

3

1. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г., Папшев В.А. Автоматизированная система научных исследований процессов ультразвуковой сборки // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2007. - №12.

2. Шуваев В.Г. Автоматизация технологических процессов ультразвуковой сборки прессовых соединений / Междунар. науч.-техн. конф. «Наукоемкие технологии в машиностроении и двигателстронии» (ТМ-2012), Рыбинск 2012. С.373-377.

3. Патент РФ на изобретение № 2357848; Опубл. 10.06.2009. Способ запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота. / Богомолов Р.М., Ищук А. Г., Кремлёв В. И., Носов Н. В., Шуваев В.Г., Папшев В. А.

4. Юрков, Н.К. Концепция синтеза сложных наукоемких изделий/Н.К. Юрков// Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос.

ун-та, 2012. Том 1, С. 3-6

5. Юрков, Н.К. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В.Затылкин, И.И.Кочегаров, Н.К. Юрков //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2012. Том 1, С. 365-367