Оценка качества механических соединений методами вибрационной диагностики в процессе автоматизированной сборки

Шуваев В.Г., Лаптев В.А. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДАМИ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ В ПРОЦЕССЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ

В статье рассмотрены вопросы выбора момента приложения ударных тестовых воздействий для определения декремента затухания как показателя качества формируемых соединений при автоматизированной сборке деталей типа вал-втулка.

Процесс автоматизированной сборки деталей предполагает наличие методов и средств для определения, как качества сборочных операций, так и свойств формируемых соединений [1]. Механика динамического взаимодействия контактирующих поверхностей деталей в процессе сборки продольной запрессовкой учитывает расположение вершин выступов неровностей на различных уровнях, что приводит к локализации контактной деформации на дискретных площадках шероховатых поверхностей, создает переменное возмущение и вызывает локальные колебания и поверхностные волны. Между показателями качества процесса запрессовки и динамическими характеристиками реализующей этот процесс колебательной механической системы существует прямая взаимосвязь, достаточно хорошо аналитически описанная в теории механических колебаний и служащая основой для построения диагностических алгоритмов [2,3] .

При реализации диагностических алгоритмов в процессе сборки измеряют величины колебаний поверхностей контакта соединяемых деталей, проводят частотный анализ измеренных колебаний, по результатам которого определяют погрешности сборки. Однако при измерении и анализе механических колебаний, возникающих в процессе сборки деталей, соответствующие им электрические сигналы имеют сравнительно небольшую амплитуду и искажаются помехами как механической, так и электрической природы. Для расширения функциональных возможностей вибрационной диагностики и повышения достоверности обнаружения некачественной сборки за счет фиксации локальных дефектов предлагается дополнительно возбуждать в соединяемых деталях одиночным импульсом колебания и определять некачественную сборку по результатам параметров отклика [4]. Определяющими факторами, влияющими на параметры свободных затухающих колебаний, являются рассеяние энергии и диссипативные силы в контакте, которые можно оценить по коэффициенту поглощения или логарифмическому декременту затухания. По осциллограммам затухающих контактных колебаний, полученным в результате эксперимента, определяются амплитуда и частота колебательного процесса, другие параметры вибрации.

В процессе сборки осуществляют возбуждение колебаний одиночным импульсом в соединяемых деталях и определяют некачественную сборку по результатам анализа параметров отклика, причем возбуждение колебаний одиночным импульсом и анализ параметров отклика проводят последовательно для ряда значений координат линейного относительного перемещения деталей.

Рассмотрим процесс автоматизированной сборки деталей типа вал-втулка, реализуемый с помощью разработанного устройства для определения качества сборки, схема которого представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема устройства для определения качества сборки

Устройство содержит деталь стержневого типа (вал) 1, которая с помощью схвата робота 2 вставляется в отверстие детали 3, установленной на базирующем приспособлении 4.

Отклонения размеров и формы поверхностей контакта, собираемых деталей приводят к изменению величины амплитуды колебаний, которые при помощи датчика вибрации 5 преобразуются в электрический сигнал, поступающий в аналого-цифровой преобразователь (АЦП-1) 6 и из него в персональный компьютер 7.

Перемещение схвата робота вместе с деталью 1 осуществляется с помощью двигателя привода 11, вращательное движение которого парой винт 10 гайка 12 преобразуется в поступательное перемещение соответственно ползуна 14, штанги 16 и схвата 2. Ползун связан с гайкой кронштейном 13 и перемещается по направляющей вертикального перемещения 15. Информация о перемещении детали 1 в вертикальном направлении с помощью преобразователя перемещений 8 преобразуется в электрический сигнал и подается через АЦП-2 9 в персональный компьютер 7, где и фиксируется.

На основе результатов частотного анализа колебаний, осуществляемого в компьютере с помощью специальных программ (быстрое преобразование Фурье), определяют дефекты сборки деталей путем сравнения эталонных значений частотных составляющих, хранящихся в памяти компьютера, с реальными значениями.

На губке 17 схвата робота с помощью кронштейна 18 закреплена катушка электромагнита 19 с токопроводящей обмоткой 20. В катушке электромагнита установлен сердечник 21, который с помощью возвратной пружины 22 соединен с губкой. На конце сердечника закреплен ударник 25, который через отверстие в губке может воздействовать на деталь стержневого типа. Обмотка катушки электромагнита подключена к выходу блока управления ударником 23, управляющий сигнал на который подается от персонального компьютера через цифро-аналоговый преобразователь 24.

В процессе сборки в персональном компьютере 7 осуществляется постоянное сравнение амплитуды колебаний поверхностей контакта с заданной уставкой. При достижении амплитудой колебаний уровня, превышающего уставку, персональный компьютер через цифро-аналоговый преобразователь 24 выдает сигнал на блок управления ударником 23, который формирует управляющее воздействие (подключает кратковременно напряжение к токопроводящей обмотке катушки электромагнита). Под действием электромагнитных сил сердечник с ударником через отверстие в губке схвата наносит удар по детали (валу). После отключения питания возвратная пружина 22 переместит сердечник с ударником в первоначальное положение.

Импульсом удара в соединяемых деталях возбуждают свободные затухающие колебания, преобразуемые датчиком вибрации 5 в электрический сигнал, по которому в персональном компьютере осуществляется определение декремента затухания Л и сравнение с эталонным значением декремента затухания Ло, соответствующего фактической площади контакта и контактному давлению для текущего значения координаты линейного относительного перемещения деталей.

Следующий цикл определения декремента затухания Л осуществляется аналогично уже для следующего момента превышения амплитуды колебаний величины уставки. В промежутках между определением декремента затухания Л проводится частотный анализ и определение величины каждой частотной составляющей колебательного сигнала, причем анализ параметров отклика проводится в функции координат линейного относительного перемещения соединяемых деталей.

Применение разработанного метода оценки качества соединений позволяет повысить точность определения положения дефектов в процессе сборки, что достигается за счет фиксации моментов превышения амплитуды вибрационного сигнала заданной уставки и возбуждения колебаний одиночным импульсом, по результатам анализа параметров отклика которого проводят оценку качества сборки. Получение характеристик затухания процесса для различных внешних условий дает возможность оценить величину диссипации механической энергии в контакте, а также установить резонансные зоны и зоны устойчивой работы контактных пар, что, в свою очередь, поможет создавать с учетом полученных рекомендаций условнонеподвижные соединения достаточно надежными и прочными в эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Базров Б.М. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2005. -

736 с.

2. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний: Учебное пособие. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980.-272 с.

3. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г. Информационно-технологическое обеспечение эксплуатационных свойств прессовых соединений при ультразвуковой сборке// Сборка в машиностроении, приборостроении. 2004, №

11. С. 34-36.

4. А.с. № 1824279; Б.И. № 24; 30.06.93. Способ определения качества сборки / В.А. Николаев, В.Г. Шуваев, В.А. Папшев.