СТЕНД ДЛЯ ВИБРОДИАГНОСТИКИ УПРУГОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА

Полезная модель предназначена для проведения диагностики упругой системы металлорежущих станков.
В настоящее время промышленность выпускает стенды и приборы для контроля параметров виброакустических сигналов, по которым можно судить о динамике упругой системы станка по состоянию 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 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 и при повышении температуры.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является способ 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, т.е. осуществляют на входе гармоническое, импульсное или случайное возбуждение в упругой системе станка и замеряют отклик системы на выходе, при этом для получения динамических характеристик возбуждают исследуемую конструкцию с помощью замеряемой динамической силы.
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 упругой системы станка.
Это достигается тем, что в стенде для вибродиагностики упругой системы станка, содержащим элементы для гармонического, импульсного и случайного возбуждения в упругой системе станка, дополнительно содержутся блоки для гармонического, импульсного и случайного возбуждения в упругой системе станка, выход которых связан со входом блока, предназначен для обработки полученных сигналов динамического воздействия на упругую систему станка, а также построения графиков, при этом гармоническое или случайное возбуждение обеспечивают с помощью пьезоэлектрического вибратора, в котором переменное усилие создается пьезокерамическими кольцами, на которые подается электрическое напряжение, а изменение линейного размера столбика пьезоэлементов через оправку, измерительные пьезоэлементы и наконечник передается на деталь станка, при этом величина статического усилия контролируется с помощью тензодатчиков, наклеенных на деформирующуюся часть основания пьезоэлектрического вибратора, а токонепроводящий корпус защищает исследователя от высокого напряжения, подаваемого на пьезоэлементы.
На фиг.1 изображена блок-схема динамического возбуждения при вибродиагностике упругих систем станков, на фиг.2 представлена схема пьезоэлектрического вибратора для контактного нагружения упругой системы, на фиг.3 изображена схема динамометрического молотка для создания импульсного силового воздействия, на фиг.4 изображена блок-схема двухканального спектроанализатора, на фиг.5 показаны этапы преобразования сигнала и спектров в спектроанализаторе, на фиг.6 представлен график для выбора оптимальной оценки частотной характеристики, на фиг.7 - график оценка линейности связи входного и выходного сигналов по функции когерентности
Стенд для вибро диагностики упругой системы станка (фиг.1) включает в себя станину 1, на которой установлен шпиндельный узел 2 и генератор 3 соответственно для получения сигналов 4, 5, 6: гармоническое возбуждение с дискретными частотами или непрерывной разверткой частоты, возбуждение в виде случайного сигнала и возбуждение в виде импульсного возбуждения. Для получения гармонического, синусоидального сигнала с разверткой частоты используется устройство в виде двух дисбалансных дисков, вращающихся навстречу друг другу с одинаковыми скоростями. При этом горизонтальные составляющие дисбалансной силы уравновешивают друг друга, а вертикальные - складываются. Частота возбуждения усилия определяется частотой вращения дисков, а усилие имеет квадратичную зависимость от частоты и изменяется за счет изменения дисбалансных масс или радиального положения эксцентриковых масс (на чертеже не показано).
Для получения динамических характеристик необходимо возбуждать исследуемую конструкцию с помощью замеряемой динамической силы. На фиг.1 изображена блок-схема динамического возбуждения при диагностике упругих систем станков. Блок 7 реализует синусоидальный сигнал 4 с разверткой частоты; блок 8 служит для генерации случайных сигналов 5; блок 9 реализует сигнал импульсного воздействия 6. Блок 10 предназначен для обработки полученных сигналов динамического воздействия на упругую систему станка и их обработки, а также построения графиков. При случайном и импульсном возбуждении частотные характеристики могут быть получены с помощью спектрального анализа сложных сигналов, основу которого составляет быстрое преобразование Фурье.
Гармоническое или случайное возбуждение обеспечивают с помощью электромагнитного бесконтактного вибратора (фиг.1), который располагают на станке так, чтобы развиваемая им сила совпадала с силой резания. При контактном возбуждении используют пьезоэлектрический вибратор (фиг.2), при этом переменное усилие создается пьезокерамическими кольцами 13, на которые подается электрическое напряжение через разъем 17. Из-за этого напряжения изменяется толщина пьезоэлемента. Изменение линейного размера столбика пьезоэлементов через оправку 14, измерительные пьезоэлементы 16, наконечник 15 передается на деталь станка, на которое требуется подать силовое воздействие. Величина статического усилия контролируется с помощью тензодатчиков 18, наклеенных на деформирующуюся часть основания 11. Токонепроводящий корпус 12 защищает исследователя от высокого напряжения, подаваемого на пьезоэлементы.
Для создания импульсного силового воздействия применяют динамометрический молоток, устройство которого представлено на фиг.3. Динамометрический молоток для создания импульсного силового воздействия содержит ударную часть 19, мембранный передающий элемент 20, корпус 21, пьезоэлектрический динамометр 22, массу 23 молотка, дополнительную массу 24, а также рукоятку 25. Подаваемое на исследуемый объект усилие измеряют с помощью пьезоэлектрического динамометра 22. Изменением величины дополнительной массы 24 и варьированием материала ударной части 19 меняют продолжительность импульса, а, значит, и частотный диапазон спектра возбуждения.
Стенд для вибродиагностики упругой системы станка работает следующим образом.
Для получения динамических характеристик необходимо возбуждать исследуемую конструкцию с помощью замеряемой динамической силы. Для создания импульсного силового воздействия применяют динамометрический молоток, при этом подаваемое на исследуемый объект усилие измеряется с помощью пьезоэлектрического динамометра 22. Дополнительной массой 24 и материалом ударной части 19 меняют продолжительность импульса, а, значит, и частотный диапазон спектра возбуждения.
Гармоническое или случайное возбуждение обеспечивают с помощью электромагнитного бесконтактного вибратора (фиг.2), при этом переменное усилие создают пьезокерамическими кольцами 13, на которые подается электрическое напряжение, из-за чего изменяется толщина пьезоэлемента. Изменение линейного размера столбика пьезоэлементов через оправку 14, измерительные пьезоэлементы 16, наконечник 15 передается на деталь станка, на которое требуется подать силовое воздействие. Величину статического усилия контролируют с помощью тензодатчиков 18, наклеенных на деформирующуюся часть основания 11.
На фиг.4 представлена блок-схема двухканального спектроанализатора. При случайном и импульсном возбуждении частотные характеристики получают с помощью спектрального анализа сложных сигналов, основу которого составляет быстрое преобразование Фурье. Принципы спектрального анализа рассмотрены (фиг.4) на примере двухканального анализатора, выполняющего быстрое преобразование Фурье. Анализатор можно применять в качестве "черного ящика", измеряющего сигналы возбуждения и реакций и определяющего частотные характеристики на основе этих измерений. Поступающие на входы анализатора аналоговые сигналы фильтруют, отбирают и преобразуют с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровую форму для получения серий цифровых данных, называемых реализациями. Эти реализации представляют временную историю сигналов на протяжении соответствующих временных интервалов. Скоростью выборки и продолжительностью реализации определяют частотный диапазон и разрешающую способность при анализе.
На фиг.5 представлены этапы преобразования сигнала и спектров в спектроанализаторе. Зарегистрированные реализации могут быть умножены на весовую функцию. Тем самым проводится сужение данных в начале и конце реализации, что делает их более удобными для блочного анализа. Взвешенные реализации преобразуются в частотную область в виде комплексных спектров с помощью дискретного преобразования Фурье. Этот процесс обратимый - в результате обратного преобразования получаются исходные временные последовательности. Для определения спектральной плотности должен быть использован какой-либо метод усреднения, в результате чего происходит устранение шума и улучшение степени статистической достоверности. Собственные спектры определяются путем умножения комплексных спектров на соответствующие комплексно сопряженные спектры (с противоположным знаком фазы) и затем усреднения ряда независимых произведений. При умножении комплексно сопряженного спектра на другой комплексный спектр получается взаимный спектр. Взаимный спектр - это комплексная функция, фаза которой показывает сдвиг фаз между выходом и входом и модуль которой представляет когерентное произведение мощности на входе и выходе. Собственные спектры силы и реакции совместно с взаимным спектром силы и реакции представляют собой именно те функции, которые необходимы для оценки частотной характеристики и функции когерентности.
1
1
Оценочная функция W, равная отношению взаимного спектра реакции и силы к собственному спектру силы, используется для минимизации шума на выходе системы; случайный шум на выходе удаляется в процессе усреднения взаимного спектра. При увеличении числа усреднений W стремится к истинной частотной характеристике W(ω) (фиг.6).
2
2
1
1
1
2
Оценочная функция W, равная , используется для минимизации влияния шума на входе, поскольку он удаляется из взаимного спектра в процессе усреднения. При увеличении числа циклов усреднения W стремится к истинной частотной характеристике W(ω). При случайном возбуждении и исследовании резонансов лучшей оценкой частотной характеристики является W так как она компенсирует шум на входе и менее чувствительна к рассеянию. При исследовании антирезонансных зон лучшей оценкой частотной характеристики считается W, так как главным в этом случае является ее малая чувствительность к шуму на выходе. Когда шум имеется на выходе и на входе, функции W и W можно считать пределами доверительного интервала для истинной частотной характеристики W(ω). Однако это не относится к нелинейным системам и к случаям с когерентными шумами на входе и выходе.
Функция когерентности дает средство для оценки степени линейности связи входных и выходных сигналов:
2
, где 0≤γ(ω)≤1.
Граничными значениями функции когерентности являются 1 при отсутствии шума и 0 при наличии чистых шумов. В качестве интерпретации функции когерентности можно сказать, что для каждой частоты она указывает степень линейной зависимости между сигналами на входе и выходе системы (фиг.7). Функция когерентности аналогична квадрату коэффициента корреляции, используемому в статистике. При динамических исследованиях это важное свойство функции когерентности используется для выявления целого ряда возможных ошибок.
По полученным тем или иным способом частотным характеристикам можно оценить виброустойчивость динамической системы станка. Например, при лезвийной обработке предельная ширина срезаемого слоя: ,
где К - коэффициент резания (удельная сила резания);  - отрезок, отсекаемый годографом упругой системы станка на отрицательной части вещественной оси. Чем больше отрезок , тем меньше предельная ширина срезаемого слоя и ниже виброустойчивость динамической системы станка.