Разработка элементов виброакустического анализа

В данной работе предпринята попытка обоснования основных положений построения и использования виброакустических систем диагностики лезвийной обработки.

Целью данной работы является обоснование основных положений построения и использования виброакустических систем диагностики лезвийной металлообработки.

На основании теоретических предпосылок и многочисленных экспериментальных исследований авторами данной статьи было получено достаточно большое количество моделей для построения систем диагностики, связывающих необходимый параметр, и контроля управления с виброакустическими параметрами отклика ТОС.

Одним из параметров, на основе которого осуществляется косвенный контроль процесса резания, является виброакустический сигнал, генерируемый зоной резания. Данный сигнал можно измерять с помощью пъезоакселерометров, установленных в непосредственной близости от зоны резания [3].

Зоной резания генерируется широкополосный динамический сигнал, который, проходя через упругую систему ТОС (технологическая обрабатывающая система), трансформируется в спектр отклика системы инструмента либо системы детали (в зависимости от того, где установлен пъезоакселерометр).

Наибольший уровень сигнала лежит в диапазоне 020 кГц, а шумы станка лежат в диапазоне 0-2 кГц. Поэтому диапазон 220 кГц является наиболее информативным с точки зрения текущего контроля металлообработки. Для систем текущего контроля могут быть использованы сигналы, измеренные в узких различных частотных полосах, соответствующих либо области резонанса, либо - антирезонанса, когда сама система ТОС выступает в качестве гребенчатого фильтра.

Следует оговорить, что даже в зоне антирезонанса сигнал не равен нулю и может быть использован для диагностики процесса резания [1-5].

Разбиение частного диапазона на несколько участков, обусловленное той или иной физической причиной, называется сегментацией. Она заключается в полосовой фильтрации отклика системы ТОС на виброакустический сигнал, генерируемый зоной резания, и последующей аналоговой и цифровой обработкой полосового сигнала, которая заключается в детектировании (интегрировании) сигнала с дальнейшим измерением текущих значений, характеризующих данный сегмент и данный процесс. Не менее информативным является измерение виброакустического сигнала в широком диапазоне частот, то есть измерение общего уровня виброускорений [3, 4, 5].

Износ инструмента и аварийные ситуации вызывают нарушение процесса генерации, в результате чего наблюдаются изменения и флуктуации уровня (спектра) виброакустического сигнала либо в одном, либо в нескольких сегментах одновременно.

Таким образом, контролируя изменения уровня и сам уровень, а также флуктуационные изменения, мы контролируем состояние процесса резания и инструмента [1-5].

При узкополосном многоканальном узкополосном анализе отклика виброакустического сигнала, снимаемого с пъезоакселерометра, установленного в той или иной точке ТОС, получим следующее выражение:

(1)

где Ui(t) - детектированное напряжение на выходе полосового фильтра;

(,t) - чувствительность пъезоакселерометра, зависящая от частоты;

G(,t) - виброускорение, представляющее собой отклик на виброак-кустический сигнал, генерируемый зоной резания и зависящий от частоты и пути резания (т.е. от времени);

Д - оператор детектирования;

Ai - модулирующая функция полосового сигнала;

0t - центральная частота полосового фильтра;

(t) - переменный угол сдвига фаз;

- медленно изменяющаяся "постоянная" составляющая детектированного сигнала, которая представляет собой результат усреднения с определенной постоянной времени;

- флуктуационная, или "переменная" часть составляющей детектированного сигнала:

, (2),

где m(t) - коэффициент модуляции;

(t) -усредненное значение детерминированного сигнала в полосе частот:

. (3)

После усиления сигнала Ui(x) с коэффициентом "К" получим сигнал, который поступает через коммутатор АЦП (аналого-цифрой преобразователь) по одному из аналоговых каналов. Данный сигнал можно представить в следующей форме:

, (4)

где Ui(t) - представляет собой случайный узкополосный сигнал, который можно представить как аддитивную модель;

Ki - коэффициент усиления i-гo канала.

В настоящее время существует две тенденции использования отклика технологической обрабатывающей системы (ТОС) на широкополосное, механическое возмущение, генерируемое зоной резания для диагностики и управления процессом лезвийной металлообработки: акустоэмиссионная и виброакустическая [6-12].

Акустоэмиссионная (высокочастотная) составляющая измеряется с помощью высокочастотных акустических датчиков в диапазоне частот до сотен килогерц, а низкочастотная - виброакустическая составляющая отклика _ измеряется с помощью пьезоакселерометров в диапазоне частот (10-30) кГц [10-12].

Часть исследователей вышеуказанной проблемы считают, что акустоэмиссионная диагностика более эффективна, поскольку исключает из отклика ТОС реакцию на моды ТОС и шумы станка [10].

Данное мнение не отвечает действительности, это не совсем отвечает действительности, так как шумовая составляющая охватывает и высокочастотный диапазон, а высокочастотная диссинация энергии ухудшает информативность акустоэмисионного отклика ТОС.

Несмотря на некоторые преимущества использования акустоэмисионного сигнала, обусловленное физикой процесса разрушения, "низкочастотный" отклик всё же более "информативен" и удобен как с позиции интенсивности самого отклика (на несколько порядков выше), так и с позиции его измерения с помощью пьезоакселерометров, а также с позиции простоты и надежности их крепления и некритичности к производственным помехам [6-8, 10-12].

Цель данной работы является обоснованием основных положений построения и использования виброакустических систем диагностики лезвийной металлообработки.

Зону резания (зону стружкообразования) условно можно рассматривать как условно "независимый" генератор широкополосных механических возмущений, воздействующих на ТОС.

С теоретических позиций зону резания можно представить как результат действия бесконечного числа источников возмущений в системе релаксационных автоколебательных процессов неосциляторного типа с запаздыванием.

Что же касается спектрального состава (спектральной временной картины) генерируемого сигнала и соответственно отклика ТОС, то в рассмотренной системе он может быть описан выражением:

где справа стоит не ряд Фурье, а сумма гармонических компонент с несоизмеримыми и неэквидистантными частотами и в данном выражении и являются экспоненциальными функциями времени, зависящими от коэффициента усиления k, в цепи обратной связи. Они определяют вид спектра и его временные изменения по ходу процесса металлообработки.

Именно и определяют все особенности спектра и его изменения в зависимости от износа инструмента и состояния процесса.

(6)

- уровень виброускорений, мв/g;

, - начальные значения (t=0)

At - дифференциальное время задержки [12].

На основании вышеуказанных теоретических предпосылок и многочисленных экспериментальных исследований авторами данной статьи было получено достаточно большое количество моделей для построения систем диагностики, связывающих необходимый нам параметр и контроль управления с виброакустическими параметрами отклика ТОС.

Естественно, что данные модели, алгоритмы и системы диагностики целесообразно использовать только для современных высокочастотных станков с ЧПУ, ГПМ, ГПС, используя для построения систем быстродействующие современные вычислительные машины, инструментальные платы, а современное матобеспечение станков с ЧПУ в соответствии со стандартами ISO и современные аналоговые БИС позволяют получать недорогие системы текущего контроля и управления процессом металлообработки [6,8,9,12].

Проблемы инвариантности виброакустических параметров к изменению параметров режимов резания и ТОС сравнительно легко решаются, если в системе аналого-цифровой обработки виброакустического сигнала используется логарифмическое преобразование аналогового сигнала [12].

По данным наших исследований, для построения достаточно эффективной системы виброакустической диагностики для станков токарной группы с ЧПУ достаточно пьезоакселерометра с чувствительностью и собственной частотой 12-16 кГц; и разбиения диапазона отклика ТОС с помощью полосовых фильтров на 4 части [8,9,12]. Одна из этих полос: 10-16 кГц (в резонансной области пьезоакселерометра) в совокупности с ЦАП и компараторами служит для определения моментов (координат) касания инструмента и заготовки и запуска системы диагностики.

Погрешность (точность) преобразования и чувствительность метода диагностики для принятой модели и аналого-цифровой схемы обработки сигнала [1,3] определяется величиной "переменной" составляющей U(t) в начальный момент времени, т.е. для острого инструмента, потому что для незатупленного инструмента флуктуации очень малы по сравнению с начальным "постоянным" сигналом:

(7).

Абсолютная погрешность преобразования будет определяться выражением:

, (8)

где q = 2т - количество квантовых уровней разрядности АЦП. Как видно из выражения (4), погрешность можно уменьшить увеличением Ki. Однако, это значение ограничено динамическим диапазоном измерения сегментированного полосового сигнала:

, (9)

где L - длина шкалы АЦП, т.е. диапазон преобразуемых напряжений (для АЦП 5В);

di - диапазон относительного изменения сигнала данного процесса резания.

Исследования показали [3, 4, 5], что в результате затупления инструмента по задней грани до В = 0,3-0,5 мм для очень широких условий варьирования параметров процесса точения конструкционных сталей твердосплавным инструментом изменения информативных сигналов лежит в пределах 5-10 дБ (сигнал изменяется в 2-3 раза), di=2-3. С другой стороны, значение погрешности преобразования (квантования) может быть определено из поправки Шеппарда [1]:

 (10)

где Ди - дисперсия стохастического сигнала;

- дисперсия "переменной" составляющей для незатупленного инструмента;

Дпх - шум квантования.

Относительная погрешность для данного процесса может быть определена из выражения:

, (11)

где uo - среднеквадратическое значение "переменной" составляющей процесса;

nx - среднеквадратическое значение шума квантования.

Исходя из двух взаимоисключающих условий, которые определяются шумом квантования и динамическим диапазоном di, значение коэффициента усиления i -го аналогового канала Кi будет:

, (12)

где 3 - заданная погрешность преобразования;

,3 - заданный износ инструмента по задней грани.

Современные вычислительные машины позволяют получать относительную погрешность преобразования в пределах 0,05-0,07(5-7%), что является вполне удовлетворительным для контроля износа по предлагаемой модели.

Данная система оценки ошибки преобразования аналогового сигнала в цифровую форму базируется на отклике на виброакустический сигнал при точении конструкционных сталей твердосплавными сменными резцами в диапазоне скоростей резания 60250 м/мин, подач 0,05-0,35 мм/об и глубины резания 0,2-1,25 мм. Точение должно осуществляться на токарных станках с ЧПУ и станках, имеющих параметры упругой системы ТОС, сходные со станком 16К20.

Широкополосная вибродиагностика ПРМ характеризирует виброакустическую активность зоны резания (в совокупности с ТОС), на основе которой можно успешно судить о текущем состоянии (качестве) процесса резания. Акустическая активность коррелирует как с силами резания, так и с качеством обработки (точностью, шероховатостью). С ее помощью достаточно точно можно прогнозировать стойкость инструмента [3] и осуществлять выбор рациональных режимов обработки.

Широкополосный отклик также, как и узкополосный после усиления детектируется (интегрируется) с определенной постоянной детектирования Т, которая определяет верхнюю частоту флуктуационной составляющей.

Если осуществлять широкополосную диагностику в полосе частот
2-7 кГц (и даже в полосе частот 0,3-7 кГц), то при собственной частоте пъезоакселерометра в районе 20 кГц мы будем измерять как постоянную составляющую отклика, которая характеризует акустическую активность зоны резания, так и флуктуационную составляющую в инфразвуковом диапазоне частот ( до 30 Гц). Она характеризует устойчивость процесса резания, автоколебания, устойчивость генерации сигнала, температурные условия в зоне резания, аварийность процесса и ряд других параметров косвенного контроля (диагностики) процесса резания.

В случае "широкополосной диагностики" аналогово-цифровая обработка (цифровая фильтрация виброакустического сигнала) приобретает особую важность. Она позволит осуществить корреляционный и структурный анализ, а также строить эффективные модели и алгоритмы виброакустической диагностики.

В этом случае сигнал, снимаемый с пъезоакселерометра можно представить выражением:

, (13)

где Д1 - оператор детектирования при аналоговой обработке;

Д2 - операторы цифровой обработки;

r - чувствительность пъезоакселерометра, которая в данном случае не зависит от частоты;

- действующие значения уровней виброускорений, наблюдаемые на модах отклика, которые входят в широкую полосу частот.

, (14)

где Т определяется постоянной времени детектирования;

qj (t) - максимальное значение уровня одной из мод;

j - моды, которые попадают в исследуемую широкую полосу частот.

По существу представляет собой "эффективное" значение сигнала (уровня виброускорений) в широкой полосе частот диагностики ПРМ [2]. Для эффективности построения моделей диагностики необходимы, по крайней мере, две широкие полосы, например, 0-5 кГц и 7-10 кГц [1, 3, 4].

Что же касается погрешности аналогово-цифрового преобразования, то для обеспечения точности при "широкополосной" диагностике выражение (8) полностью подходит. При этом необходимо учитывать, что для нее точность преобразования будет намного выше из-за того, что флуктуационные явления наблюдаются в инфразвуковом диапазоне частот, и, следовательно, минимальные амплитудные значения флуктуации будут достаточно большими.

Список литературы

1. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения.- М.: Энергоиздат, 1982.

2. Иориш Ю.И. Виброметрия.-М.: Машиностроение, 1963.

3. Тымчик Г.С., Румбешта В.А., Кокаровцев В.В., Держук В.А., Диордица И.Н. Виброакустические системы для резания // Сб. Різання металів та матеріалів. - 2002. - №21. - С.36 - 38.

4. Румбешта В.А., Кокаровцев В.В., Гнатейко Н.В. Повышение надежности процесса механической обработки // Вібрації в техніці та технологіях. - 2001.

5. Румбешта В.А., Кокаровцев В.В., Гнатейко Н. В. Системы повышения качества процесса точения в приборостроении за счет стабилизации динамики станка // Вісник Харківського технічного університету. - 2002.

6. Остафьев В., Румбешта В., Кокаровцев В. Система контроля процесса обработки на станках с ЧПУ // Вестник КПИ. Сер. Приборостроение. - 1988.

7. Румбешта В.А., Кокаровцев В.В., Харкевич А.Г. Организация системы диагностики инструмента в процессе обработки / Сб. Всесоюзн. конф. “Стойкость и диагностика режущего инструмента в условиях автоматизированного производства”. Ижевск, 1988. - С.36-37.

8. Румбешта В.А. Принципы и основные закономерности разработки системы диагностирования и управления механической обработки: Дис. на соискание степени д-ра техн. наук: 05.03.01. - К., 1994. -230 с.

9. Кокаровцев В.В. Методы контроля и управления процессом металло-обработки на основе виброакустического сигнала: - Киев, 1994. - 170 с.

10. Металлорежущий и контрольно - измерительный инструмент. Экспресс-информация. Вып. 7. Минставипром НИИИ машиностроения. - М., 1979.

11. Мигулин В.В., Медведев В.И., Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Основы теории колебаний. - М.: Наука, 1978. - 392 с.

12. Система прогнозирования состояния режущих инструментов / Остафьев В., Кокаровцев В. и др. Опубл. 1992, Бюл. №19 // Открытия. Изобретения