Метод реалізації імітаційних стохастичних навантажень верстатів. Математичні моделі для визначення динамічних властивостей токарного верстата. Структурна блочно-модульна розрахункова процедура і математичне моделювання динамічних коливальних процесів.
Аннотация к работе
Випробування дослідних зразків верстатів провадиться як глибоке експериментальне дослідження його характеристик із застосуванням сучасних метрологічних засобів і реєструючої апаратури, засноване на теоретичних розробках і ретельному аналізі всіх основних чинників, що визначають працездатність верстата. Однак методологія випробувань практично не зазнала принципових змін з того часу, коли були розроблені методи випробування верстатів на геометричну точність. Ці перевірки здійснюються, як правило, на верстаті, що не працює. Різні результати дають випробування, проведені в статичному стані та при русі вузлів верстата на холостому ходу і під навантаженням. Одним з таких методів є імітація навантаження верстата випадковими силами які виникають при обробці заготовок спеціального профілю, що формують випадкові вхідні впливи.Аналіз показав, що при випробуванні і оцінці якості верстата немає загального визначення його вихідних параметрів, які визначають його працездатність. Точність обробки деталей на верстаті не може бути вибрана таким параметром, оскільки вона є результатом дії всіх компонентів технологічної системи (інструмента, заготовки і т.і.). При випробуваннях немає розмежування між оцінкою тих параметрів верстата, які відносяться до показників якості всього верстата, і тих, які визначають точність виготовлення окремих його елементів. Статистичні характеристики технологічних процесів, здійснюваних на верстаті, і зовнішніх впливів на верстат визначають його реакцію на ці впливи, яка також виявляється у ймовірнісному вигляді. Більш того, для оцінки показників верстата, дослідний зразок звичайно перевіряється із використанням норм точності на порядок вищих, ніж для серійного верстата при середніх умовах експлуатації, і тому інформація про його параметри може бути значно спотворена у бік завищених оцінок.Розроблено метод реалізації імітаційних стохастичних навантажень верстата з використанням спеціальних заготовок із ступінчастим контуром різного виду, зокрема із контуром який відповідає процесу Пуассона, заготовка із виступами , висота яких є випадковою величиною, заготовки із виступами різної ширини, причому ширина виступів є випадковою величиною і заготовка із однаковими виступами ширина пазів між якими є випадковою величиною. Похибка має характер нестаціонарного випадкового процесу, який охоплює частотний діапазон до 300 Гц і відповідає хвилястості обробленої поверхні. Параметри мікропрофілю поверхні визначаються в основному технологічними факторами, а також високочастотними коливаннями в динамічній системі верстата. Розроблена і апробована методика оцінки параметрів динамічної якості верстата по виміряним значенням похибки обробки поверхні, що відповідає певному імітаційному навантаженню з паралельним вимірам вібраційних характеристик динамічної системи. Встановлено, що лінійчасті спектри амплітуд усередненого контура обробленої поверхні одержаний на різних верстатах при одному і тому ж імітаційному навантаженні, є надійним засобом порівняльного аналізу показників динамічної якості верстата.
План
2. Основний зміст
Вывод
1. Розроблено метод реалізації імітаційних стохастичних навантажень верстата з використанням спеціальних заготовок із ступінчастим контуром різного виду, зокрема із контуром який відповідає процесу Пуассона, заготовка із виступами , висота яких є випадковою величиною, заготовки із виступами різної ширини, причому ширина виступів є випадковою величиною і заготовка із однаковими виступами ширина пазів між якими є випадковою величиною. Всі випадкові величини задаються генераторами випадкових чисел з нормальним законом розподілу.
2. Встановлено, що всі види імітаційного навантаження приводять до появи суттєвих динамічних похибок обробки поверхні деталі. Значення похибки досягає 25..100 мкм в залежності від виду навантаження. Похибка має характер нестаціонарного випадкового процесу, який охоплює частотний діапазон до 300 Гц і відповідає хвилястості обробленої поверхні. Параметри мікропрофілю поверхні визначаються в основному технологічними факторами, а також високочастотними коливаннями в динамічній системі верстата. Вони мало впливають на виміряні значення хвилястості.
3. Розроблена і апробована методика оцінки параметрів динамічної якості верстата по виміряним значенням похибки обробки поверхні, що відповідає певному імітаційному навантаженню з паралельним вимірам вібраційних характеристик динамічної системи. Методика базується на спектральному аналізі випадкового процесу, що описує оброблену поверхню. Для забезпечення достовірності аналізу здійснюється статистичне усереднення ансамблю реалізації профілю обробленої поверхні в різних перерізах. Одержаний в результаті усереднення профіль підлягає спектральному аналізу як періодичний (циклічний по куту повороту шпинделя) детермінований процес.
4. Здійснено спектральний аналіз профілю обробленої поверхні із застосуванням процедури швидкого перетворення Фурє, реалізованої засобами пакета MATHCAD. Необхідна точність розкладу забезпечена збільшенням числа точок дискретизації процесу. Збільшення числа точок досягнуто за розрахунок сплайн - інтерполяції експериментально визначених значень з подальшим розрахунком значень координат контура в проміжних точках. В результаті застосування швидкого перетворення Фурє одержано лінійчатий спектр амплітуд і спектр початкових фаз складових усередненого контура обробленої поверхні. Спектр включає гармоніки до 150 включно, що при частоті обертання шпинделя 630 об/хв відповідає хвилястості обробленої поверхні з частотами до 1,5 КГЦ.
5. Встановлено, що лінійчасті спектри амплітуд усередненого контура обробленої поверхні одержаний на різних верстатах при одному і тому ж імітаційному навантаженні, є надійним засобом порівняльного аналізу показників динамічної якості верстата. Оцінку динамічної якості доцільно здійснювати по середньо-інтегральному значенню спектральних ліній низькочастотної частини спектру. Дана оцінка мало залежить від конструктивних особливостей верстата і експлуатаційних факторів і обєктивно відображає параметри динамічної якості верстата.
6. Визначено показники динамічної якості верстата у вигляді перехідних, імпульсних та частотних характеристик для яких визначено статистичні характеристики, зокрема сукупності амплітудно-частотних характеристик, кореляційних функцій і спектральних густин потужності параметрів вібрацій. Амплітудні фазові частотні характеристики мають складний вигляд із значною кількістю петлеподібних ділянок (50...100 шт.). Характеристика компактно обіймає симетричну частину комплексної площини і знаходиться в межах області близької до еліпса з напівосями 0,7...0,9 (в напрямку дійсної осі) і 1,3...1,5 ( в напрямку уявної осі). Еквівалентний запас стійкості по амплітуді для еліптичної області складає 0,3...0,5 нормованого значення амплітуди. Реальні запаси стійкості можуть мати менші значення по причині наявності чисельних резонансних зон в області фазових кутів близьких до 180°.
7. Визначені показники динамічної якості верстата шляхом аналізу перехідних процесів та імпульсних характеристик охоплюють порівняно вузьку частотну область, наприклад імпульсна характеристика коливань різця виявляє лише гармоніки з частотами 58...66 Гц; 230 Гц та 2500...3300 Гц. Тому, для надійного визначення показників динамічної якості верстата недостатньо лише аналізу перехідних (імпульсних) характеристик. Цей аналіз необхідно доповнити аналізом високочастотних коливань за допомогою частотних чи спектральних характеристик.
8. Оцінка показників динамічної якості верстата за кореляційними функціями потребує використання додаткової інформації. Це пояснюється незначним ступенем кореляції коливань окремих елементів динамічної системи верстата, значною коливальністю значень кореляційної функції в широкому діапазоні зміни часового параметру. Для надійної оцінки показників динамічної якості разом з кореляційною функцією необхідно використати часові реалізації записів віброприскорення, віброшвидкості та вібропереміщення окремих елементів динамічної системи верстата.
9. Надійна оцінка показників динамічної якості верстата при його імітаційному навантаженні здійснюється з використанням широкополосних спектральних характеристик, які відповідають полосі частот до 20 КГЦ, при пропускній здатності вимірювальної апаратури не менше 40 КГЦ. Обєктивним показником динамічної якості є абсолютні значення та розташування резонансних зон. Спектри потужності в характерних точках динамічної системи верстата мають кілька специфічних резонансних областей, зокрема спектр потужності віброприскорень різця включає резонансні області на частотах до 1 КГЦ, та в діапазонах 2...3 КГЦ і 5...7 КГЦ. В деяких випадках наявні високочастотні резонанси в діапазонах частот 14...16 КГЦ. Превалюючі резонансні області мають місце на частотах 2...3 КГЦ. Для нових верстатів превалююча область звужена і має високу інтенсивність. По мірі експлуатації верстата дана резонансна область розширюється при деякому зниженні амплітудних значень.
10. Визначення параметрів динамічної якості токарних верстатів на основі імітаційного стохастичного навантаження дає можливість ціленаправлено впливати на показники динамічної якості з метою їх покращення. Основними напрямками підвищення показників динамічної якості є вдосконалення шпиндельного вузла, згідно запропонованих технічних рішень та застосування спеціальних вібраційних пристроїв, розроблених за результами досліджень.
Список литературы
1. В.Б.Струтинський, А.М.Кравець, С.К.Демяненко Спектральний аналіз форми поверхні одержаної при обробці заготовок зі спеціальним профілем /Вісник ЖІТІ, 2000,- №16 С.10 - 18: ил. 13.
2. В.Б.Струтинський, А.М.Кравець Імітаційне навантаження динамічної системи верстата силами різання при обробці заготовок зі спеціальним профілем /Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт", серия машиностроение, 2000, № 39, НТУУ "КПИ" стор.115...135.
3. В.Б.Струтинський, А.М.Кравець Експериментальне визначення вібраційних характеристик токарно-гвинторізного верстата після проведення середнього ремонту шпиндельної групи /Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт", серия машиностроение, 2000, № 38, Том 1, НТУУ "КПИ" стор.158...161.
4. В.Б.Струтинський, А.М.Кравець Аналіз статистичних характеристик пульсацій кутової швидкості шпинделя металорізального верстата /Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века //Сборник трудов международной научно-технической конференции в г. Севастополе 13 - 18 сентября 1999 г.- Донецк: ДОНГТУ, 1999.- С.79 - 84.
7. А.с. СССР №1682042, МКИ3 кл. В23 В 9/00. Многошпиндельный токарный автомат/ Кравец А.М. и другие (СССР). - №4694236/08; Заявлено 22.05.89. Опубл. Бюл. №37, 1991.
8. А.с. СССР №1773569, МКИ3 кл. В23 В 9/00. Шпиндельный блок токарного патрона/ Кравец А.М. и другие (СССР). - №4812843/08; Заявлено 09.04.90. Опубл. Бюл. №41, 1992.
9. А.с. СССР №1824255, МКИ3 кл. В23 В 9/00. Токарный автомат/ Кравец А.М. и другие (СССР). - №4878345/08; Заявлено 29.10.90. Опубл. Бюл. №24, 1993.
10. Шевченко А.В., Кравец А.М., Джаалук Али Исследование устройства для дробления стружки /Прогрессивные технологии в системе машиностроения: Международный сборник научных трудов.- Донецк:ДОНГТУ, 2000, Вып. 14.- С.83 - 86.
11. Ю.Н.Кузнецов, А.М.Кравец Проектирование быстропереналаживаемых зажимных патронов токарных автоматизированых станков /Праці Міжнародної науково-технічної конференції, присвяченої 100-річчю механіко-машинобудівного і 50 річчю зварювального факультетів, "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва" 22 - 28 травня 1998 р., Том 1, НТУУ "КПІ".- стор. 247 - 252.
12. Литвин А.В., Лапковський С.В., Кравець А.М. Декомпозиция структуры токарного зажимного патрона// Тезисы докладов Международной научно-методической конференции "Интеграция образования, науки и производства" - Луцк, 1995 - С.93.