СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЮФТОВ В ПРИВОДЕ СТАНКА
PROCEDURE FOR DETERMINATION OF BACKLASH IN MACHINE DRIVE

Изобретение относится к виброакустической диагностике и может быть использовано для определения люфтов приводов станков. Люфты приводов станков оказывают непосредственное влияние на точность обработки, например при расточке отверстий из-за люфтов будут образовываться плоские участки в местах смены направления перемещения узлов. Причем оценка люфтов с помощью индикаторов в статическом состоянии дает искаженный результат, т.к. не учитываются изменения, возникающие при работе оборудования, при котором из-за температурных и упругих деформаций происходит изменение люфтов. Поэтому безразборная оценка реальных люфтов при работе оборудования служит основой отладки и регулировки приводов в станках с целью повышения точности станка в целом.
Известен способ определения угла контакта в шарикоподшипнике и устройство для его осуществления (патент РФ №2112950, класс 6 G01M 13/04, опубликованный в бюллетене №16 от 10.06.98 г.), заключающийся в том, что снимают вибрационные сигналы при вращении подшипника под нагрузкой, определяют составляющие спектра вибраций в заранее определенных диапазонах частот, проводят быстрое преобразование Фурье и определяют частоты вращения вала, частоты перекатывания шариков по внутреннему и наружному кольцу, шарика вокруг собственной оси. Затем рассчитывают угол контакта в шарикоподшипнике в зависимости от параметров частот деталей подшипника. Недостатком вышеприведенного способа является то, что при использовании вышеприведенного способа невозможно определение люфтов в приводах станка.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ диагностики низкооборотных подшипников качения путем выделения с помощью преобразования Фурье амплитуд из автонормированного сигнала вибрации, и по значениям резонансных частот определяют наличие дефектов, степень их влияния и принадлежность к определенным элементам подшипников. (Патент РФ №2133454, класс 6 G01М 13/04, опубликованный в бюллетене №20 от 20.07.99 г.).
Недостатком данного способа является невозможность определения реальных люфтов в приводах при работе станка при полных перемещениях.
Наиболее информативным инструментов для идентификации параметров оборудования является получение его вибрационных характеристик, которые непосредственно связаны с его параметрами и напрямую определяют различные показатели его точности. Так известно, что амплитуды вибрации станков, наблюдаемые при его функционировании, непосредственно отражаются на обработанной детали, что и определяет точностные показатели. При работе станков возникает широкий спектр колебаний, природа которых имеет как стационарный, так и нестационарный характер. В станках могут действовать как вынужденные колебания, так и автоколебания. В свою очередь автоколебания различаются при резании и при работе на холостых ходах, т.е. при его установочных перемещениях и при функционировании без резания. Поскольку при резании динамические составляющие сил резания в большинстве случаев имеют нелинейный характер, определяемый именно процессом резания, то для идентификации элементов станка более всего подходит режим его функционирования на холостом ходу, при котором вибрационные характеристики станка в целом определяются работой его деталей и узлов: подшипниками, шестеренными и ременными передачами, шариково-винтовыми парами, приводными механизмами. При работе на холостом ходу станка, вследствие наблюдавшихся в ряде случаев незначительного уровня вибраций, требуется применение высокочувствительной аппаратуры, позволяющей фиксировать необходимые частотные характеристики и позволяющей также суммировать измеряемые характеристики с целью расчета средних значений, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям соответствия состояний реальных объектов.
Колебания валов узлов станков являются основными источниками вибраций, возникающими при работе машин, причем их частотные составляющие и величины амплитуд вибраций определяются как дефектами отдельных элементов, установленных на валах, так и погрешностями сборки и эксплуатации. Особенностью вибраций вращающихся узлов является то, что наибольшие амплитуды наблюдаются в поперечном направлении, причем вибрационный сигнал имеет способность хорошо передаваться по корпусным деталям. Поэтому при установке датчика на корпусе узла можно получить исходную информацию о вибрационном состоянии параметров каждого подшипника, параметров шариково-винтовых пар. При этом следует учитывать, что вибрационный сигнал значительно затухает при передаче его через сопряжение между деталями, особенно корпусными.
При работе оборудования в подшипниках генерируются вибрации, что приводит к развитию вибраций в широком частотном диапазоне. Причины, приводящие к появлению вибраций в подшипниках, следующие:
Конструктивные особенности подшипников, состоящие из нескольких элементов, совершающих сложное кинематическое движение с различными угловыми скоростями, приводят к возникновению спектра вибраций в диапазоне от низкочастотного до высокочастотного. Также появлению вибраций способствуют неточности деталей подшипников, образовавшиеся при их изготовлении. К ним относятся разностенность наружного и внутреннего кольца, некруглость и шероховатость тел качения и дорожек качения колец, погрешности, вызванные дефектами сборки узлов, в том числе перекос наружных и внутренних колец, дисбалансом вращающихся валов.
Следующие погрешности возникают при эксплуатации: износ беговых дорожек колец, образование на них задиров, износ тел качения и сепаратора, некруглость тел вращения, образование трещин в сепараторах. Одним из основных показателей подшипников и шариково-винтовых пар является люфт, который образуется или при их изготовлении, или при сборке.
Способ диагностики люфтов приводов станков в настоящем изобретении заключается в том, что сначала выполняют измерение виброакустического сигнала, проводят преобразование Фурье, определяют спектр огибающей вибрации при перемещении привода станка на расстояние, соответствующее полному ходу привода. Затем проводят аналогичные операции с тем отличием, что спектр вибрации определяется при попеременном перемещении привода станка в величинах, соответствующих возможным люфтам в приводе станка. После этого высчитываются средние значения выявленных пик-факторов при двух режимах работы станка на частотах, соответствующих частоте тел качения и кратных частоте тел качения. Сравнивая вышеприведенные средние значения, определяют фактический люфт в приводе станка.
Пик-фактор - это отношение максимального значения амплитуды виброакустического сигнала Vмак к его среднеквадратичному значению Vсрк в определенной полосе частот
Х=Vмак/Vсрк.
2
На фиг.1 приведен спектр огибающей вибрации при перемещении привода станка на расстояние, соответствующее полному ходу привода, где по оси абсцисс приведен диапазон частот измеряемой вибрации в герцах, а по оси ординат значения амплитуды виброускорений в м/с.
2
На фиг.2 показан спектр огибающей вибрации, определенный при попеременном перемещении привода станка в величинах, соответствующих возможным люфтам в приводе станка, где по оси абсцисс приведен диапазон частот измеряемой вибрации в Герцах, а по оси ординат значения амплитуды виброускорений в м/с.
Вибрация, создаваемая подшипником качения, характеризуется следующими основными частотами, связанными с элементами подшипников (Неразрушаемый контроль: Справочник, Москва, Машиностроение. 2005 г., Том 7, Книга 2, Вибродиагностика, Балицкий Ф.Я., Барков А.В., Баркова Н.А., 829 с.):
Частота вращения сепаратора относительно наружного кольца:
c
2
вр
тк
c
1
f=/f{1-d/dcos(a)},
вр
тк
c
2
н
в
н
в
1
где частота вращения подвижного кольца относительно неподвижного - f; d - диаметр тела качения; d=/(d-d) - диаметр сепаратора, d - диаметр наружного кольца, d - диаметр внутреннего кольца; угол контакта тел и дорожек качения. Частота перекатывания тел качения по наружному кольцу:
н
2
вр
тк
c
с
1
f=/f{1-d/d cos(a)} z=fz,
где z - число тел качения.
Частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу:
в
2
вр
тк
c
вр
с
1
f=/f{1+d/dcos(а)} z=(f-f)z.
Частота вращения тел качения относительно поверхности колец:
тк
2
вр
с
тк
тк
c
1
2
2
2
f=/fd/d{1-d /d cos(а)}.
вр
в
н
тк
с
1
2
3
Где: f - частота вращения вала, f - частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу, f - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу, f - частота вращения тел качения, f - частота вращения сепаратора, ВЧ - высокочастотная область спектра вибрации, k=1, 2, 3, 4,…, k=1, 2, 3, 4,…,k=1, 2, 3, 4,…
Как видно из спектра огибающей, приведенного на фиг.2, наибольшее значение пик-фактора наблюдается на частотах, равных частоте перекатывания шариков Fтк, и на частотах, кратных частоте перекатывания шариков N х Fтк, где N=1-100. Определив значения пик-факторов Хпер. на частотах Fтк, 2Fтк, 4Fтк, 6Fтк, при попеременном перемещении привода станка в величинах, соответствующих возможным люфтам в приводе станка, рассчитываем среднее значение пик-факторов Хср.пер. при вышеприведенном режиме работе станка. Затем на тех же самых частотах определяем величины пик-факторов Хп. при перемещении привода станка на расстояние, соответствующее полному ходу привода (см.  фиг.1). Рассчитываем среднее значение пик-факторов Хср.п. и для второго режима работы станка. Определяя отношение средних значений при двух режимах работы станка, определяем величину люфта L в приводе станка.
L=k x Хср.пер./Хср.п.,
где k - коэффициент, учитывающий связь между отношением средних значений пик-факторов при попеременном перемещении и при полном перемещении приводов станков к фактическому люфту в приводах станков. Вышеприведенный коэффициент определяется для оборудования один раз при совместном использовании аппаратуры, позволяющих определить люфт в приводах станка (Современная комплексная диагностика технического состояния станков, Савинов Ю.И. Станки и инструмент, №9, 2008 г., стр.5-11) и пик-факторов, определяемых с помощью виброакустической аппаратуры. В дальнейшем, настройка и регулировка люфтов в приводах подач станков осуществляется только с помощью определения пик-факторов по вышеизложенному способу.
Возможна также диагностика неисправностей, в том числе и определение люфтов шариково-винтовых пар, подшипников на основе сравнения вышеприведенных пик-факторов для исправного (нового) и изношенного (дефектного) подшипника, привода, шариково-винтовой пары и заключения о годности элементов и узлов без определения поправочных коэффициентов, устанавливающих связь между величиной люфта и значением пик-фактора, на основе сравнения только пик-факторов. В этом случае требуется замена или ремонт комплектующих, когда их износ превышает 10%. (Снижение затрат при обслуживании станков. Савинов Ю.И. Инструмент, технология, оборудование, №1, 2009 г., стр.40-42).
Реализация вышеприведенного способа на работающем станке осуществляется путем внесения коррекции в параметры системы управления станком. Применяемые в настоящее время коррекции погрешностей станка, обусловленные измерением тепловых деформаций (Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. Справочник. Том 2, Часть 2. Стр.115-130, Москва, Машиностроение, 1995 г.), позволяют получать приближенные значения люфтов в приводах станка, поскольку при использовании в качестве диагностического параметра такого показателя, как температура, получаем интегральную оценку ряда факторов, которые, в том числе и люфты, влияют на температуру. Известно, что влияние изменения смазки или попадания посторонних частиц как из-за износа, а также из-за некачественного обслуживания станка приводят к значительному изменению температур при одном и том же состоянии рабочих органов. Применение предлагаемого способа диагностики позволит определить зазор в каждом приводе станка при его работе и внести реально необходимую коррекцию с целью повышения точности обработки на станке.