Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время России для успешного экономического развития необходимы создание и выпуск прогрессивной новой техники. Достижения современной метрологии, измерительной техники и электроники, такие, как компенсация помех, сопровождающих процесс резания, современные методы интегрирования, автоматически перестраиваемая по частоте фильтрация, позволяют решать актуальную проблему современного производства -активный контроль состояния режущего инструмента в процессе изготовления деталей приборостроения.
Создание в XX веке сложных высокоэффективных станков с числовым программным управлением (ЧПУ), снабженных микропроцессорными вычислительными комплексами, не исключило брак, возникающий при поломке режущего инструмента или его износе. Прямой контроль размеров деталей и состояния режущего инструмента на станках в настоящее время, несмотря на его очевидные достоинства, в процессе резания не применяется.
Косвенный активный контроль имеет значительное преимущество перед прямым. Он позволяет контролировать состояние инструмента и размеры деталей приборостроения в процессе обработки их на станке по анализу вибросигнала.
Огромный вклад в решение вопросов, связанных с разработкой теории колебаний и вибраций, внесли такие ученые, как А. Н. Крылов, Б. Б. Голицын, Ю. И.Иориш, Л. Д. Гик, Д. Уайт, Г. Вудсон и др.
Современные вибродатчики преобразуют звуковые колебания в электрическое напряжение. Вопросам, связанным с разработкой методов и средств измерений напряжений, посвящены работы Е. А. Ломтева, Л. И. Волгина, И. Р. Добровинского, К. Л. Куликовского, П. В. Новицкого, П. П. Орнатского, Э. К. Шахова, В. М. Шляндина, Г. П. Шлыкова и др. В то же время существует большая потребность в специализированных виброакустических приборах и системах, разрабатываемых для нужд диагностики и измерений в станкостроении, позволяющих контролировать размер детали и состояние режущего инструмента в процессе их изготовления на станках.
Цель работы состоит в развитии виброакустического метода контроля состояния режущего инструмента и размеров деталей в про-
\ \
цессе их изготовления на станках и разработке соответствующих алгоритмов и средств измерений.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
-
Анализ физических явлений, сопутствующих резанию, и выбор наиболее эффективного из них - виброакустического - для косвенного контроля состояния режущего инструмента. Анализ виброакустических и электрических помех, возникающих при резании, и разработка схемных решений, необходимых для их компенсации.
-
Разработка математической модели виброакустических явлений процесса резания и электрических схем замещения, учитывающих колебания резца и технологию крепления вибродатчика.
-
Разработка приборов виброакустического контроля состояния режущего инструмента и размеров детали в процессе точения, что не требует дополнительного времени на измерение при сохранении высокой точности контроля.
-
Разработка высокоточного комбинированного способа контроля размеров деталей для станков с ЧПУ, основанного на сочетании виброакустического косвенного метода активного контроля с виброакустическим методом контроля касанием.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на положениях теории электрических цепей, теории автоматического регулирования, теории погрешностей, элементов теории математической статистики, методах математического анализа.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложены математическая модель виброакустических явлений процесса резания и электрические схемы замещения объекта исследования, учитывающие колебания резца и технологию крепления и изготовления вибродатчика;
на основе математической модели и экспериментальных данных получены аналитические зависимости виброакустического сигната от режимов резания и износа инструмента;
предложены новые алгоритмы компенсации аддитивных составляющих погрешности измерения износа инструмента, вызванных вибрацией станка, виброакустической помехой, определяемой часто-
той вращения шпинделя станка при любой из дискретно изменяемых его скоростей, и сетевой помехой;
- разработан новый высокоточный способ контроля размеров деталей приборостроения, основанный на сочетании виброакустического косвенного метода активного контроля с виброакустическим методом контроля касанием для станков с ЧПУ.
Достоверность полученных результатов основывается на данных натурных испытаний.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Способ компенсации влияния виброакустических помех, вызванных работой кинематических элементов станка, на работу приборов виброакустического контроля состояния режущего инструмента и размеров деталей приборостроения.
-
Способы компенсации периодических виброакустических помех, вызванных биением заготовки методами многократного интегрирования и синхронизации.
-
Предложены новые способы высокоточного виброакустического контроля размеров деталей приборостроения на станках с ЧПУ и контроля состояния режущего инструмента виброакустическим методом касания, основанные на компенсации виброакустических помех холостого хода станка.
Практическая значимость. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в разработанных и внедренных приборах виброакустического контроля размеров деталей приборостроения на различных типах станков.
Реализация работы:
-
Предложенные в работе методы компенсации вибрации холостого хода станка использованы при разработке приборов «Износ-2МП» на Арзамасском приборостроительном заводе для оснащения стойки НШ-221 станка с ЧПУ ТПК-125; точность контроля - шаг станка с ЧПУ (2 мкм).
-
Виброакустическим прибором контроля состояния режущего инструмента и размеров деталей «Износ-2МП» оснащена стойка 2Р22
станка ЧПУ 16К20 в организации НИТИ г. Железнодорожный Московской области; точность контроля — шаг станка с ЧПУ (5 мкм).
-
Виброакустический прибор «Износ» контроля поломки режущего инструмента внедрен на Нижне-Ломовском электромеханическом заводе на станке-автомате, предназначенном для массового производства деталей отрасли. Способ контроля позволил свести к минимуму брак при массовом производстве деталей.
-
Прибор активного виброакустического контроля и контроля касанием изготовлен с использованием авторских свидетельств диссертанта в организации НИИ «Контрольприбор». Выпущена опытная партия приборов виброакустического контроля состояния режущего инструмента и размеров деталей приборостроения АМЦ 07540 с адаптивным алгоритмом контроля, пакетом программ и интерфейсом.
-
Предложены и обоснованы технические решения, внедрение которых позволяет обеспечить точность виброакустического контроля состояния режущего инструмента и размеров детали на станках с ЧПУ; точность контроля - шаг станка (2-5 мкм).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по измерительным информационным системам в Баку (ИИС — 77, Баку, 1977 г.), 5-й Всесоюзной научно-технической конференции в Куйбышеве (ИИС - 83, Куйбышев, 1983 г.), международных научных конференциях «Континуальные логико-алгебраические исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике» (МНК КЛИН-2001, -2003, -2004, -2006, Ульяновск, 2001, 2003, 2004, 2006 гг.), международных научно-технических конференциях «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» («Измерение -2000, -2004, -2006», Пенза, 2000, 2004, 2006 гг.), всероссийских научных конференциях молодых ученых («НТИ - 2004, 2006», Новосибирск, 2004, 2006 гг.). По теме диссертации опубликовано 34 печатных работы, в том числе 10 авторских свидетельств СССР и патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 120 наименований. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 11 таблиц и два приложения.
