СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ХОЛОСТОГО ХОДА ШПИНДЕЛЯ

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 стендов 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 стенд для диагностики шпиндельного узла по патенту 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 системе диагностики шпиндельного узла по характеристикам холостого хода шпинделя, содержащей датчики колебаний, 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, 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 получения характеристик шпинделя на холостом ходу по трем координатам X, Y, Z.
На фиг.1 представлена схема системы для диагностики шпиндельного узла по характеристикам холостого хода шпинделя. На фиг.2 - общий вид экспериментальной установки системы диагностики шпиндельного узла. На фиг.3 показаны спектры виброакустических сигналов, снимавшихся в радиальном направлении с двух шпинделей с помощью 2-х акселерометров. На фиг.4 представлены спектральные разложения огибающих для двух шпинделей. На фиг.5 показаны примеры пространственного представления распределения вибраций при холостом вращении шпинделей на 9000 об/мин. На фиг.6 показаны примеры представления колебаний, полученных с двух акселерометров, стоящих на корпусе шпинделя по осям Y и Z. На фиг.7 и 8 показаны спектры виброускорения шпинделя фрезерного станка мод. 6М13, зафиксированных при разных числах оборотов. На фиг.9 с помощью линий равного уровня показано распределение колебаний корпуса шпинделя в плоскости XOY в районе передней опоры при 11000 об/мин.
Система диагностики шпиндельного узла по характеристикам холостого хода шпинделя состоит из станины 1, на которой посредством опор закреплена шпиндельная бабка 2 со шпиндельным узлом 3, и установленном в подшипниках качения шпинделем 6. В верхней части шпиндельного узла жестко закреплен трехкомпонентный акселерометр 4, выполняющий измерение колебаний по трем координатам X, Y, Z, и соединенный с управляющим блоком 5, содержащим компьютер со специально ориентированным пакетом программ для получения характеристик шпинделя на холостом ходу по трем координатам X, Y, Z.
Система диагностики шпиндельного узла по характеристикам холостого хода шпинделя 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 5, содержащего компьютер со специально ориентированным пакетом программ для получения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) шпинделя, а также отображения объемного изображение колебаний по трем координатам: X, Y, Z.
На станине 1 закрепляют шпиндельную бабку 2 со шпиндельным узлом 3 и шпинделем 6, а в верхней части шпиндельного узла жестко закрепляют трехкомпонентный акселерометр 4, выполняющий измерение колебаний по трем координатам X, Y, Z, и запускают шпиндель 6 на холостом ходу, при этом соединяют трехкомпонентный акселерометр 4 с управляющим блоком 5, содержащим компьютер со специально ориентированным пакетом программ для построения характеристик по трем координатам X, Y, Z от трехкомпонентного акселерометра.
В качестве примера рассмотрим результаты исследований 2-х одинаковых шлифовальных шпинделей на подшипниках качения.
На фиг.3 показаны спектры виброакустических сигналов, снимавшихся в радиальном направлении с помощью 2-х акселерометров. На фиг.3, а показан спектр виброускорений шпинделя №1, который после часовой обкатки на 9000 об/мин имел температуру нагрева корпуса в месте установки передних подшипников на 15 градусов ниже по сравнению со шпинделем №2, спектр виброускорения которого приведен на фиг.3, б. Из этих спектров видно, что у шпинделя №2 резко повышена амплитуда составляющих в районе 4,5 кГц. Это говорит о более интенсивном фрикционном взаимодействии подшипниковых колец в шпинделе №2 с телами качения.
На фиг.4 представлены спектральные разложения огибающих для двух шпинделей. Для построения огибающей из регистрируемого виброакустического сигнала с помощью полосового фильтра была выделена составляющая в диапазоне от 2,8 до 5,6 кГц. Далее по программе сигнал разбивался на временные интервалы (величина интервала определялась требуемым частотным диапазоном спектрального разложения), для каждого из которых определялось эффективное значение амплитуды, в результате получалось дискретное представление огибающей, которое затем разлагалось в спектр. На фиг.4, а представлен спектр огибающей для шпинделя №1, а на фиг.4, б - для шпинделя №2. На обоих спектрах видно по три основных составляющих, которые проявляются на первой, второй и третьей частотах вращения сепаратора относительно наружного кольца. Это может говорить об износе тел качения и о перекосе подшипниковых колец друг относительно друга при сборке шпиндельного узла. В работе [2] говорится, что момент сил сопротивления вращению подшипника аналогичен характеру и амплитудам колебаний, вызываемых заеданием в сепараторе. В приведенном примере в обоих шпинделях проявляются колебания, связанные с вращением сепаратора, однако видно, что у второго шпинделя амплитуда этих гармоник в несколько раз большая, чем у шпинделя №1.
На фиг.5 показаны примеры пространственного представления распределения вибраций при холостом вращении шпинделей на 9000 об/мин. На фиг.5, а показано пространственное распределение колебаний в диапазоне 2,8-5,6 кГц для шпинделя №1. Цветом выделено ядро распределения. В этих ячейках пространства вектор колебаний присутствует основное время. В других частях пространства, обозначенных точками, вектор колебаний тоже бывает, но реже. Для сравнения на фиг.5, б показан аналогичное пространственное распределение для шпинделя №2. Ось Х изображения совпадает с осью шпинделя, ось Z расположена вертикально и перпендикулярна оси шпинделя, ось Y расположена горизонтально. Обращает на себя внимание тот факт, что пространственное изображение колебаний шпинделя №2 имеет больший (почти в 2 раза) разброс позиций вектора в пространстве и большую вытянутость распределения вдоль оси Y. Это подтверждает вывод, сделанный с помощью анализа АЧХ. Таким образом, большая податливость порождает большой разброс высокочастотных колебаний. Соответственно, по форме и размаху пространственного изображения можно судить о ряде недостатков шпиндельного узла.
На фиг.6 показаны примеры представления колебаний, полученных с двух акселерометров, стоящих на корпусе шпинделя по осям Y и Z. Здесь время присутствия вектора колебаний в точках пространства изображено линиями равного уровня. По сути это изображение проекций распределения, показанного на фиг.6 на плоскость YZ. Показанные на фиг.6, а и фиг.6, б два изображения для шпинделей №1 и 2 по аналогии с фиг.6 показывают рост размаха колебаний и вытянутости по оси Y шпинделя №2 по сравнению со шпинделем №1. Выше указывалось, что шпиндель №2 при прогоне в течение часа на 9000 об/мин показал температуру на корпусе вблизи передней опоры на 15 градусов выше, чем шпиндель №1 при аналогичных условиях. Надо отметить, что такой относительный прирост температуры не вывел его за пределы нормы, он был признан годным к эксплуатации. Однако из приведенных данных экспериментов видно, что полученные в результате анализа параметры виброакустического сигнала у шпинделя №2 заметно отличаются. Это говорит о высокой чувствительности параметров ВА сигнала к изменению состояния шпиндельного узла. Дальнейшие задачи разработчиков методов виброакустической диагностики в приложении к оценке качества шпиндельных узлов состоят в определении границ изменения диагностических параметров, полученных с помощью различных представлений виброакустического сигнала. Но основная трудность лежит на пути установления связей тех или иных несоответствий, возникающих в процессе изготовления шпиндельного узла с изменением одного или нескольких параметров виброакустического сигнала. На первых порах можно опираться на методики виброакустической диагностики состояния подшипников, но они не могут в полной мере отражать особенности шпиндельного узла. Это и наличие собственных форм изгибных колебаний шпинделя, и изменение натяга с ростом температуры, и значительно более высокие скорости вращения шпиндельного узла по сравнению со стандартными скоростями испытания самих подшипников. Так, например, радиальная амплитуда колебаний на частоте вращения при увеличении угловой скорости с 2000 об/мин до 11000 об/мин может увеличиться в десятки раз.
2
2
На фиг.7 и фиг.8 показаны спектры виброускорения шпинделя фрезерного станка мод. 6М13, зафиксированных при разных числах оборотов. На фиг.7 скорость вращения была 2000 об/мин, на фиг.8 эта скорость составляла 11000 об/мин. Видно, что на малых оборотах в спектре практически отсутствует амплитуда на оборотной частоте, видны только ее вторая и третья гармоники. На больших оборотах картина меняется, на спектре доминирует первая гармоника, ее амплитуда несоизмеримо возрастает. На фиг.7 изображен спектр колебаний корпуса шпинделя по оси Y (по нормали к плоскости направляющих) при 2000 об/мин. Одно «дк» соответствует 0.01 м/с. Частота 66 Гц соответствует второй гармонике оборотной частоты, 99 Гц - третья гармоника. На фиг.8 представлен спектр виброускорения по оси Y шпинделя на 11000 об/мин. Видны 1-я, 2-я и 3-я гармоники оборотной частоты. Одно «у.е.» соответствует 0.1 м/с.
На фиг.9 с помощью линий равного уровня показано распределение колебаний корпуса шпинделя в плоскости XOY в районе передней опоры при 11000 об/мин. Ось Х параллельна направляющим, ось Y перпендикулярна плоскости направляющих. Видно, что по оси Y присутствуют редкие, но значительные по амплитуде отклонения шпинделя от плоскости направляющих. Дело в том, что отклонения от идеальной модели присутствуют всегда. Это перекосы колец подшипников, некруглость дорожек качения, остаточный дисбаланс шпинделя и т.п. Степень проявления этих отклонений в параметрах виброакустических сигналов зависит от числа оборотов, величины и направления нагрузок, действующих на шпиндель в процессе рабочего цикла.
Таким образом, на начальной стадии производства высокоскоростных шпинделей на предприятии-изготовителе должен быть создан исследовательский стенд для обкатки изготавливаемых шпинделей и регистрации параметров виброакустических сигналов. До установки узлов на стенд должны быть паспортизованы элементы узла, влияющие на качество функционирования шпинделя. Полученные данные фиксируются в базах данных для дальнейшего сопоставления с геометрическими отклонениями размеров и формы деталей узла. На начальном этапе температура может выступать в качестве интегрального показателя качества изготовления узла, по которому оценивается годность изделия. Другим показателем могут выступать сведения о функционировании шпинделя при его эксплуатации и данные о причинах его отказов. Через некоторое время станет возможным выявить те параметры виброакустических сигналов, которые наиболее чувствительны к критическим отклонениям геометрии шпиндельного узла, и установить нормативные значения этих параметров. После этого этапа можно упростить процедуру испытаний и регистрировать только наиболее информативные параметры виброакустических сигналов, по которым, например, можно на самой ранней стадии обкатки сделать заключение о несоответствующем состоянии шпиндельного узла и наиболее вероятных причинах этого состояния.