Обеспечение качества формообразования деталей точного машиностроения на основе мониторинга технологического процесса и оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Обеспечение качества формообразования деталей точного машиностроения на основе мониторинга технологического процесса и оборудования

Игнатьев Станислав Александрович

Специальности: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении),

05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Саратов 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Бржозовский Борис Максович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Денисенко Александр Федорович;

доктор технических наук, профессор Кушников Вадим Алексеевич;

доктор технических наук, профессор Сердобинцев Юрий Павлович.

Ведущая организация - Институт проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов).

Защита состоится 23 декабря 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, СГТУ, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан: 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета И.Н. Янкин.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Обеспечение конкурентоспособности на внутреннем и международном рынках продукции машино- и приборостроительных предприятий, выпускающих высокоточные детали и изделия для авиационной, автомобильной, судостроительной, электронной и другой техники, обусловлено качеством изготовления. Для обеспечения качества продукции и эффективности производства на предприятиях внедряются системы менеджмента качества продукции (МКП), одним из важнейших элементов которых являются системы мониторинга технологического процесса и оборудования (СМТП). Это обусловлено тем, что процессы механообработки лежат в основе изготовления указанных выше изделий, причем наиболее широко используются процессы резания на автоматизированных металлорежущих станках (МРС). Именно технологическая надежность станков определяет качество формообразования деталей, поэтому ее обеспечению уделялось особое внимание в исследованиях А.С. Проникова, В.А. Кудинова, А.В. Пуша, В.Н. Подураева, А.Г. Суслова, Б.М. Бржозовского и ряда других ученых. При этом использовались положения теории резания, технологии машиностроения, динамики станков, теории автоматического управления, трения и износа и ряда других смежных дисциплин. Современный уровень требований к качеству изделий определяет необходимость применения станков с ЧПУ нового поколения, широкого использования методов и средств автоматизированного контроля и технической диагностики, микропроцессорных средств информационно-измерительной техники, новых методов сбора, обработки и использования информации о функционировании станков и параметрах технологического процесса (ТП) для принятия решения об управлении в соответствии с задачей системы мониторинга.

Вопросы построения СМТП, в основном технологического оборудования, методы, средства и результаты исследований изложены в работах Б.М. Бржозовского, В.Л. Заковоротного, А.В. Пуша, И.К. Салениекса и ряда других ученых. Однако изложения требований к организации и построению СМТП при изготовлении высокоточных деталей и изделий, в частности, в подшипниковом производстве, в упомянутых работах не представлено. Создание эффективной СМТП предполагает решение целого комплекса взаимосвязанных задач, включающих организационное, научно-методическое, техническое, информационное и кадровое обеспечение с учетом особенностей конкретного производства. Системный подход к организации СМТП позволяет не только повысить качество изготовления деталей за счет управления процессом обработки и обслуживания МРС по реальному техническому состоянию, но и предупредить появление брака, т.е. снизить издержки производства.

Производство подшипников является одним из примеров, когда процессы обработки практически полностью определяют качество деталей, причем необходимо принимать во внимание как геометрические параметры точности поверхностей качения, так и физико-механические параметры их поверхностного слоя. Одним из процессов финишной обработки поверхностей качения деталей подшипников (колец и роликов) является шлифование на автоматизированных станках. Влияние ряда факторов, сопровождающих шлифование (теплофизических, динамических и других), приводит к снижению качества деталей и, соответственно, подшипников. Обеспечение качества формообразования деталей достигается путем управления процессом шлифования на основе контроля ряда параметров технологического процесса и оборудования (ТПО), в частности, параметров состояния станков, процесса обработки и деталей, а также накопления, обработки и анализа полученных данных для принятия управляющего решения, что и составляет собственно систему мониторинга. Следует отметить, что организация мониторинга процесса шлифования, направленного на обеспечение стабильности качества деталей подшипников, практически не рассматривалась, за исключением ряда работ сотрудников СГТУ, решавших отдельные аспекты проблемы.

Для построения системы многопараметрового контроля необходимо из всего комплекса факторов, влияющих на качество шлифования, выделить доминирующие. Одним из таких факторов является динамическое состояние станка, определяемое уровнем и частотным составом виброакустических (ВА) колебаний в узлах формообразующей подсистемы, которые служат обобщающими показателями его динамических характеристик, существенно влияющих на формирование некруглости, гранности и волнистости деталей и связанную с ними неоднородность физико-механических свойств поверхностей качения. В современных условиях производства снижение динамического качества станков за счет повышения уровня колебаний объясняется рядом причин эксплуатационного характера, в частности, недостаточным качеством наладки, технического обслуживания и ремонта. Снижение уровня вибраций достигается периодической подналадкой станка или корректировкой технологического режима. Для оперативной оценки динамического состояния станков при эксплуатации актуальна разработка методов автоматизированного контроля вибраций и обработки данных для принятия решения о подналадке станка или его ремонте. Автоматизированная оценка динамического состояния станков в условиях производства, паспортизация станков на ее основе и создание соответствующей базы данных в СМТП для обеспечения технологической надежности станков требуют дополнительных исследований.

Для контроля качества деталей вместе с измерением традиционных макро- и микрогеометрических параметров точности дорожек качения целесообразно использовать дополнительный информационный канал, в частности, на основе автоматизированной системы вихретокового контроля (АСВК) качества поверхностного слоя шлифованных деталей. При этом следует осуществить автоматизированное распознавание дефектов поверхностей качения (периодических и локальных) и их количественную оценку, а затем при сопоставлении оценок динамического состояния МРС с реальными параметрами качества деталей принять соответствующее решение об управлении процессом шлифования. Эффективность вихретокового контроля деталей подшипников и его интеграция в СМТП на практике рассматривались только в ограниченном числе работ, выполненных в СГТУ.

Особенностью процессов шлифования колец подшипников является применение активного контроля, обеспечивающего получение в первую очередь заданного размера. Возрастание требований к качеству обработки поверхностей качения обусловливает необходимость учета при управлении шлифованием не только величины снимаемого припуска, но и дополнительных параметров, в частности, скорости съема припуска и уровня вибраций при резании. Установленные критические значения этих параметров рассматриваются в качестве ограничений при обработке, что позволяет повысить стабильность геометрических параметров точности и практически исключить прижоги поверхностного слоя. Однако управление качеством колец при многопараметровом активном контроле и его интеграция в СМТП практически не рассматривались, за исключением нескольких работ сотрудников СГТУ, решавших частные задачи.

Из изложенного следует, что практическая потребность в обеспечении высокого качества формообразования деталей подшипников определяет актуальность проблемы создания методологии построения системы мониторинга ТПО, научных основ реализации информационно-измерительных каналов и принятия решений по управлению качеством.

Цель работы - обеспечение качества формообразования деталей точного машиностроения на основе организации мониторинга технологического процесса и оборудования, базирующегося на многопараметровом автоматизированном контроле состояния деталей, станков и процесса обработки (на примере подшипникового производства).

Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены на основе методов теории автоматического управления, динамики станков, автоматизированного контроля, распознавания образов, анализа случайных процессов с использованием компьютерного моделирования и вейвлет-преобразований сигналов. Экспериментальные исследования проведены в производственных условиях на автоматизированных шлифовальных станках для обработки колец подшипников, оснащенных приборами активного контроля, в том числе многопараметрового, с применением современных средств контроля качества деталей, включая автоматизированный вихретоковый прибор ПВК-К2М (зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений № 26079-03), измерения ВА колебаний узлов станков с применением виброизмерителя ВШВ-003М2 с компьютерной обработкой результатов.

Научная новизна работы:

1. Для обеспечения качества формообразования деталей точного машиностроения на основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения их результатов решена актуальная научная проблема, связанная с созданием методологических основ организации системы мониторинга технологического процесса и оборудования как многоконтурной обратной связи в системе МКП, с интегрированным в нее автоматизированным многопараметровым контролем качества деталей, динамического состояния станков и процесса обработки.

2. Разработана методология построения СМТП (на примере подшипникового производства) из четырех взаимосвязанных подсистем (организационная, научно-методического, технического и информационного обеспечения), базовой из которых является подсистема технического обеспечения, включающая информационно-измерительные каналы вихретокового контроля качества поверхностного слоя шлифованных деталей подшипников, контроля динамического состояния станков и многопараметрового активного контроля процесса шлифования.

3. Обоснован метод обеспечения качества обработки поверхностей качения на основе оперативного контроля динамического состояния шлифовальных станков как до обработки, так и во время обработки, критериально устанавливаемого в соответствии со стохастическими моделями процессов в технологической системе по интегральным оценкам авто- и взаимным спектрам виброакустических колебаний шпиндельных узлов круга и детали и опоры кольца.

4. Обоснован метод оценки неоднородности структуры поверхностного слоя деталей подшипников на основе автоматизированного вихретокового контроля шлифованных поверхностей качения с выявлением периодических и локальных неоднородностей применением фурье- и вейвлет-преобразований сигналов и методов распознавания образов, и количественной оценкой качества поверхностей, базирующейся на сравнении информационных признаков вихретоковых образов эталонных и изготовленных деталей.

5. Обоснован метод минимизации макро- и микрогеометрических параметров точности и стабилизации качества поверхностей качения колец подшипников при шлифовальной обработке на основе многопараметрового активного контроля величины и скорости съема припуска и вибраций жесткой опоры кольца, позволяющего реализовать управление поперечной подачей круга.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Создано методическое и программное обеспечение для организации многопараметрового контроля в рамках СМТП при изготовлении деталей подшипников (колец и роликов).

Разработано методическое и программное обеспечение для автоматизированной оценки динамического состояния станков по стохастическим характеристикам ВА колебаний в диапазоне до 4 кГц , обеспечивающие паспортизацию станков по динамическому качеству. Экспериментально установлены эталонные значения динамических характеристик шлифовальных станков SIW-5 и SWaAGL-50, которые заносятся в базу данных СМТП. Выявлена связь динамических характеристик с качеством обработки дорожек качения колец подшипников, которое определяется с помощью автоматизированного вихретокового контроля.

Разработано методическое и программное обеспечение для выявления неоднородности структуры поверхностного слоя и автоматизированного распознавания локальных дефектов с использованием вейвлет-преобразований с помощью вихретокового прибора ПВК-К2М, интегрированного в СМТП.

Апробирован метод повышения стабильности геометрических параметров точности (овальности, гранности, волнистости) и однородности структуры поверхностного слоя дорожек качения колец подшипников с использованием микропроцессорного прибора многопараметрового активного контроля, интегрированного в систему мониторинга.

Разработанные методы и средства применены для решения задач корректировки маршрута обработки деталей подшипников при проектировании ТП, контроля изготовления протяженных конструктивов и процесса абразивной доводки деталей двигателя автомобиля.

Внедрение результатов работы осуществлено в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» в рамках программы внедрения специальных технических средств для совершенствования системы управления качеством, действующей на предприятии, что позволило на 60-80% повысить стабильность параметров точности и в 4-5 раз сократить брак по качеству поверхностей качения колец, о чем свидетельствуют акты внедрения. Внедрение ряда методических разработок и программных продуктов осуществлено в ОАО «Саратовский электроприборостроительный завод им. С.Орджоникидзе» и ЗАО «НПК прецизионного оборудования», что также подтверждается актами внедрения.

Материалы исследований использованы при выполнении «Ползуновского гранта» (2006 г.), а также при выполнении работ в соответствии с тематическим планом СГТУ по заданию Федерального агентства по образованию: «Разработка теоретических основ мониторинга технологического процесса обработки прецизионных деталей на базе современных информационных технологий» (2007 г., № госрегистрации 01200703631) и «Теоретические основы мониторинга состояния оборудования для финишной обработки высокоточных деталей на базе информационного канала многопараметрового активного контроля» (2009 г., № госрегистрации 01200902701).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 23 конференциях различного уровня:

на международных конференциях: Надежность и качество (Пенза, 2001 г.), Динамика технологических систем (Ростов-на-Дону, 2001 г.; Саратов, 2004 г.; Ростов-на-Дону, 2007 г.), Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении (Саратов, 2002 г.; 2006 г.), Современные технологии в машиностроении (Пенза, 2003 г.), Актуальные проблемы надежности технологических и транспортных машин (Пенза, 2003 г.), Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы (Волжский, 2003 г.; 2004 г.; 2006 г.), Проблемы точной механики и управления (Саратов, 2004 г.), Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении (Тольятти, 2005 г.), Материалы и технологии 21-го века (Пенза, 2006 г.; 2009 г.), Автоматизация технологических процессов и производственный контроль (Тольятти, 2006 г.), Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21 (Саратов, 2008 г.), Прогрессивные технологии в современном машиностроении (Пенза, 2008 г.), Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем (Уфа, 2009 г.);

на всероссийских конференциях: Студенты, аспиранты и молодые ученые - малому наукоемкому бизнесу (Ползуновские гранты, Барнаул, 2006 г.), Материаловедение и технология конструкционных материалов (Волжский, 2007 г.), Высокие технологии в машиностроении (Самара, 2008 г.), Совершенствование существующих и создание новых технологий в машиностроении и авиастроении (Ростов-на-Дону, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 работы, в том числе 15 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, включает 410 страниц текста, 154 рисунка, 11 таблиц и приложения, список литературы содержит 355 наименований.

На защиту выносятся:

1. Методологические основы организации мониторинга технологического процесса и оборудования, базирующиеся на многопараметровом контроле динамического состояния станков, качества деталей и процесса обработки.

2. Концепция системы МКП, базирующаяся на процессном подходе, в которой система мониторинга является многоконтурной обратной связью по ряду параметров, определяющих качество формообразования деталей и состояние оборудования.

3. Методология построения системы мониторинга ТПО в подшипниковом производстве, основанная на системном подходе, в виде четырех подсистем (организационная, технического, научно-методического и информационного обеспечения).

4. Обоснование метода обеспечения качества обработки поверхностей качения колец подшипников на основе оперативного контроля динамического состояния шлифовальных станков по характеристикам ВА колебаний основных формообразующих узлов.

5. Обоснование метода оценки качества поверхностного слоя деталей подшипников на основе автоматизированного вихретокового контроля шлифованных поверхностей качения с выявлением периодических и локальных неоднородностей.

6. Обоснование метода стабилизации качества поверхностей качения колец подшипников на основе многопараметрового активного контроля величины и скорости съема припуска и вибраций жесткой опоры кольца.

7. Результаты экспериментальных исследований и практического применения разработанных методов и средств автоматизированного контроля и программного обеспечения в рамках системы мониторинга в подшипниковом производстве.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, а также научные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу методов и средств обеспечения качества процесса формообразования деталей точного машиностроения. Рассмотрен методологический аспект управления качеством продукции на основе краткого анализа работ по системам менеджмента качества продукции (МКП) как зарубежных, так и отечественных авторов. В промышленно развитых странах во многих фирмах функционируют системы МКП, успешно обеспечивающие ее высокое качество и конкурентоспособность. На предприятиях нашей страны, выпускающих изделия для авиационной, ракетно-космической, электронной, автомобильной и другой техники, также внедряются системы МКП, способствующие повышению качества изделий, причем в основе этих систем для предприятий машино- и приборостроения лежит совершенствование ТПО. На основе известного кругового PDCA-цикла Э. Деминга предложена концепция системы МКП для предприятия (рис.1), базирующаяся на процессном подходе и отражающая роль мониторинга ТПО в управлении качеством изделий.

В основе механообработки лежат процессы резания на МРС и именно от уровня технологической надежности станков зависит качество процессов формообразования. Вопросы качества обработки деталей рассматривались в работах А.С. Проникова, В.А. Кудинова, А.В. Пуша, В.Н. Подураева, Б.М. Базрова, А.Г. Суслова, Б.М. Бржозовского и ряда других ученых. В них отражены многие аспекты формирования качества обработки на различных этапах ТП (от проектирования до контроля готовых деталей и изделий). Автором на основе системного подхода рассмотрены основные направления обеспечения технологической надежности МРС, причем выделена роль мониторинга и управления качеством обработки с использованием микропроцессорной техники, позволяющей расширить их функциональные возможности.

Рис.1. Управление качеством продукции с применением кругового цикла

Анализируются факторы, влияющие на качество обработки высокоточных деталей на примере шлифовальной обработки деталей подшипников, с выделением доминирующих. Процесс формообразования должен обеспечивать не только геометрические показатели точности деталей (размер, форма, волнистость, шероховатость и т.п.), но и физико-механические показатели поверхностного слоя деталей (однородность структуры, остаточные напряжения и т.п.), что в совокупности определяет надежность деталей при эксплуатации в составе изделий. Указано, что средства активного контроля обеспечивают получение заданных размеров деталей, однако другие параметры качества колец, в частности, волнистость и однородность структуры поверхностного слоя дорожек качения зависят от динамического состояния (уровня вибраций) станков и скорости съема припуска. Возникает необходимость контроля качества изготовленных деталей, динамического состояния станков и расширения функций средств активного контроля, а также оперативной обработки данных для управления ТПО (рис.2), в том числе и для реализации гибкой системы технического обслуживания и профилактического ремонта (СТОиПР) .

Указанные задачи решаются в рамках СМТП. Следует отметить, что отдельные положения по мониторингу ТПО изложены в работах А.В. Пуша В.Л. Заковоротного, Я.Л. Либермана, а затем развиты в работах Б.М. Бржозовского, А.А. Игнатьева и В.В. Мартынова. Однако методологические основы организации СМТП, базирующейся на комплексном контроле нескольких параметров, связанных с процессом формообразования высокоточных деталей и изделий, в приложении к производству подшипников в упомянутых работах представлены недостаточно.

Рис.2..Обеспечение качества шлифования колец подшипников с применением системы мониторинга

В соответствии с изложенным и поставленной целью работы, сформулирован ряд задач исследования, связанных с разработкой методологии мониторинга ТПО, созданием методического обеспечения и реализацией трех информационно-измерительных каналов (оценки динамического состояния станков, вихретокового контроля шлифованных поверхностей, многопараметрового активного контроля процесса шлифования) и практической реализацией СМТП на подшипниковом предприятии.

Вторая глава посвящена разработке методологии организации мониторинга технологического процесса и оборудования при изготовлении деталей точного машиностроения. Высокое качество деталей и изделий достигается за счет совершенствования существующих и разработки новых ТП, совершенствования существующего и внедрения нового оборудования, а также широкого использования средств автоматизации проектирования и управления производством (САD/САМ/САЕ). Для обеспечения качества и эффективности обработки деталей точного машиностроения в условиях автоматизированного производства необходимо иметь СМТП, которая служит технической и информационной базой для системы МКП.

Автором предлагаются концептуальные основы адаптированного к проблеме построения СМТП системного подхода, устанавливающего взаимосвязь методических, технических и программно-математических разработок для обеспечения качества формообразования высокоточных деталей машино- и приборостроения. Система мониторинга рассматривается как многоконтурная обратная связь в управлении формообразованием при условии контроля ряда наиболее важных параметров качества деталей, комплекса параметров оборудования, дающего представление о его техническом состоянии, режима обработки и уровня подготовки персонала, который может квалифицированно осуществлять эксплуатацию автоматизированных измерительных приборов и станков. Сформированы методологические основы организации мониторинга на предприятии, изготавливающем высокоточные детали, в частности, подшипников: во-первых, разработана структура СМТП в виде четырех взаимосвязанных подсистем (рис.3); во-вторых, обоснована целесообразность применения методов теории распознавания образов к контролю состояния ТПО; в-третьих, предложена структура многопараметрового контроля, интегрированного в СМТП; в-четвертых, разработано программное обеспечение системы мониторинга и указано его взаимодействие с комплексом прикладных программ для оценки состояния отдельных компонентов ТПО.

Подсистема технического обеспечения - базовая в составе СМТП, включает информационно-измерительные каналы (ИИК), в которые входят встроенные и внешние, автоматические и автоматизированные средства измерений, осуществляющие регистрацию, первичную обработку, передачу, хранение и воспроизведение информации о состоянии станков, процессе обработки и качестве деталей. Функционирование подсистемы научно-методического обеспечения связано с разработкой общей схемы СМТП, выбором информативных параметров, формированием критериев оценки качества ТПО, разработкой методик проведения измерений и обучающих экспериментов, построением математических моделей объектов контроля, разработкой программно-математического обеспечения (ПМО) и решением ряда других задач. Подсистема информационного обеспечения состоит из компьютерных систем обработки информации и линий связи с ИИК; в ней формируются базы данных (БД) о состоянии ТПО и отчетные документы в виде твердых и электронных форм; она осуществляет передачу информационных потоков внутри СМТП и внешним пользователям. На основе данных из информационной подсистемы и рекомендаций из подсистемы научно-методического обеспечения формируются управляющие решения. В организационной подсистеме анализируется выходная информация о качестве продукции, состоянии процесса обработки и оборудования, поступающая из информационной подсистемы, принимаются общие решения по структуре документооборота (в том числе электронного), по управлению формообразованием и по совершенствованию СМТП и МКП.

Для функционирования технической подсистемы необходимо выбрать рациональную совокупность контролируемых параметров и организовать процедуру оценки состояния ТПО. Контролируемыми параметрами служат измеримые выходные параметры x_i , причем для каждого задается интервал, соответствующий определенному состоянию объекта контроля

, (1)

где x_iв, x_iн - верхнее и нижнее допустимые значения, соответственно.

Для ТПО интервал допустимых значений параметров x_i должен соответствовать заданным значениям параметров качества деталей. Для оперативного определения состояния ТПО целесообразно применить известные положения теории распознавания образов. Методически определение состояния ТПО сводится к следующим этапам:

1) состояние объекта подразделяется на ряд классов

; (2)

2) формируется набор признаков, характеризующих каждый класс, т.е. каждое состояние объекта контроля

; (3)

3) создаются автоматизированные или автоматические средства контроля, включающие комплекс аппаратных и программных средств;

4) создаются алгоритмы распознавания и ПМО для определения состояния на основе определенных решающих правил.

В приложении к ТПО реализуется распознавание с обучением, т.к. расчетные методы не позволяют установить достоверные значения контролируемых параметров функционирующего оборудования. Приводится разработанный алгоритм распознавания с обучающим экспериментом, использующий известный метод распознавания с эталоном. При оценке состояния ТПО вместо двух классов (например, качество деталей в норме - качество не в норме) предложено выделить четыре класса с числовой оценкой (в баллах от 2 до 5), так как ИИК позволяют получить значения параметров в определенных диапазонах. В этом случае для лица, принимающего решение, формируется информация для оперативной выработки рекомендаций по обеспечению качества деталей.

Для обоснования выбора контролируемых параметров ТПО проведена их классификация с точки зрения связи с параметрами качества колец подшипников, Предложена схема управления процессом шлифования с многопараметровым контролем, включающим контроль качества поверхностей качения и динамического состояния станка, контроль припуска, скорости съема припуска и уровня вибраций на опоре кольца (рис.4), т.е. осуществляется комплексный контроль параметров ТПО.

Значения указанных параметров поступают в компьютер лаборатории мониторинга для последующей обработки и создания БД.

Для функционирования СМТП создано специальное ПМО, включающее собственно программное обеспечение системы мониторинга и комплекс прикладных программ для оценки динамического состояния станков и моделирования их динамических характеристик, оценки качества деталей по данным вихретокового контроля, управления процессом обработки с многопараметровым активным контролем, оценки исправляющих свойств процесса шлифования (рис.5). Программа «Мониторинг» выполнена в среде MS ACCES с использованием VBA и сетевого доступа к данным. Формирование отчетных документов определяется пользователем. Прикладные программы составлены в среде Matlab 6.5.

Рис.5. Структура программно-математического обеспечения системы мониторинга

Результатом исследования является построение методологии организации СМТП, целеориентированной на обеспечение качества деталей точного машиностроения (на примере деталей подшипников).

Третья глава посвящена вопросам контроля динамического состояния шлифовальных станков в системе мониторинга. Изменение технического состояния станка или неоптимальный технологический режим приводят к повышению уровня ВА колебаний, повышенному и неравномерному износу инструмента и ухудшению качества шлифованной поверхности. При оценке динамического состояния станка с использованием информации о вибрациях основных узлов необходимо рассчитать или определить их качественные и количественные характеристики, принимая во внимание то, что ВА колебания имеют как детерминированные, так и стохастические компоненты. Далее определяются критерии, устанавливающие связь динамического состояния с качеством обработанных деталей.

Разработано методическое обеспечение контроля динамического состояния станков по уровню ВА колебаний основных формообразующих узлов в системе мониторинга (рис.6).

Наибольший вклад в уровень вибраций станка вносят шпиндельный узел (ШУ) детали и ШУ инструмента, особенно на собственных частотах, нарушение балансировки абразивного круга, и силы резания, возбуждающие многомассовую динамическую систему (ДС) в широком диапазоне частот. Для оценки характера ВА колебаний построена модель ДС. Подобные модели приведены в работах В.А. Кудинова, С.С. Кедрова, В.И. Попова, В.Л. Заковоротного, Б.М. Бржозовского и других авторов, однако в них не отражено, как модели можно использовать в системе мониторинга. Модель ДС в виде передаточной функции, представленная в данной главе, более целесообразна для анализа с точки зрения представления входных и выходных величин и возмущающих воздействий, а также организации контроля информативных параметров.

При анализе колебательных процессов в ДС шлифовального станка учитываются как детерминированные, так и стохастические характеристики ВА колебаний, что позволяет использовать для оценки динамического состояния известные функционалы, например, интегральные оценки спектральных или корреляционных функций. В приложении к шлифовальным станкам подобные оценки в известных работах не применялись и, следовательно, недостаточно освещена взаимосвязь стохастических характеристик процессов в ДС с качеством колец подшипников и возможности их применения для управления процессом обработки.

В качестве основы принята модель, разработанная В.Н. Михелькевичем, однако в нее внесены важные изменения, учитывающие динамические характеристики основных формообразующих узлов - ШУ круга и ШУ детали (рис.7). За входное воздействие принята скорость поперечной подачи круга v_п, а за выходную переменную - радиальная составляющая силы резания F_р. Передаточные функции ШУ детали W_Д(р) и ШУ инструмента W_И(р) в общем случае имеют сложную структуру, образованную совокупностью колебательных звеньев. Для шлифовального станка упрощенная передаточная функция ДС W_P(p), когда ШУ инструмента рассматривается как колебательное звено с одной основной частотой, а ШУ детали как безынерционное звено, имеет вид

, (4)

где К_{рез ,} Т_и , _и , _д , h_д , h_и - параметры и коэффициенты, определяющие характеристики резания и динамических звеньев. При определенных условиях W_P(p) соответствует колебательному звену, что согласуется с экспериментальными данными, приведенными в работах других исследователей.

Рис.7. Структурная схема динамической системы шлифовального станка с усложненной моделью шпиндельных узлов инструмента и детали: F_Д(р), F_И(р) - возмущающие воздействия; а(р), а_Д(р) - припуски заданный и снимаемый; К_рез, К_реж, К_ус - коэффициенты, определяющие процесс резания; _Д - время оборота детали; S_Д, v_Д - снимаемый припуск и скорость съема припуска; , - передаточные функции звеньев, входящих в состав ШУ детали и ШУ инструмента; х_Д(р), х_И(р) - приведенные к плоскости резания смещения ШУ детали и ШУ инструмента, реально измеряемые в производственных условиях

Реально сила резания F_p(t) является суммой детерминированной составляющей , определяемой подачей круга, и стохастической составляющей , определяемой совокупностью различных факторов, к числу которых относятся неравномерность припуска заготовки, непостоянство режущих свойств круга, колебания в ДС и другие. Это позволяет рассматривать составляющую как «белый шум» с постоянной спектральной плотностью S₀. Характер процессов в ДС резания обусловливает детерминированную и стохастическую составляющие колебательных процессов в ДС и, следовательно, параметры качества обработанной поверхности.

Составляющая устанавливает закономерность съема припуска, задаваемую от подсистемы управления, а составляющая определяет формирование геометрии поверхности. Известно, что спектр сигнала на выходе ДС с частотной функцией W(j) связан со спектром входного сигнала соотношением

.

Поскольку

S_ВХ()=S₀, то S_ВЫХ()

целиком определяется частотной функцией и, следовательно, этот спектр содержится в микрорельефе поверхности качения кольца, определяемом колебаниями x_д(t) и x_и(t), которые измеряются. Из выражения для передаточной функции (4) получается искомое выражение для :

. (5)

В реальных условиях на ДС воздействуют возмущения в различных диапазонах спектра, в том числе и низкочастотное возмущение из-за неуравновешенности круга, вклад которого в спектр колебаний определяется появлением составляющей на частоте _к , амплитуда которой зависит от величины дисбаланса. Моделирование на компьютере в среде Matlab 6.5 позволило получить при воздействии типа «белый шум» спектр процесса S_ВЫХ() на опоре кольца (рис.8, 9). Вид спектров качественно соответствует реальным, полученным при измерениях на станке (рис.10 а, б).

Реальная ДС станка содержит большое количество звеньев, чьи частоты колебаний необходимо учитывать при возбуждении сигналом типа «белый шум», т.е. регистрируемые колебания являются полигармоническими. Поскольку в спектре присутствует и стохастическая компонента, то регистрируемый спектр имеет более сложный состав, что подтверждается экспериментальными данными, представленными на рис.10.

Для обработки результатов измерений ВА колебаний разработан пакет прикладных программ «Spectra» в среде Matlab 6.5, осуществляющих расчет и построение низкочастотного (НЧ) и среднечастотного (СЧ) спектров, авто- и взаимных корреляционных функций (АКФ и ВКФ), авто- и взаимных спектральных функций (АСФ и ВСФ); затем вычисляются их интегральные оценки, которые принимаются за критерии оценки динамического состояния станков в условиях эксплуатации. Все программы обеспечивают визуализацию и получение твердых копий результатов.

Информационной основой для оценки динамического состояния станка являются ВА колебания, необходимый частотный диапазон измерения которых рассчитывается на основе анализа динамики процесса формообразования. Обоснован НЧ диапазон вибраций (до 400 Гц), существенный для формирования рассматриваемых параметров точности поверхности - некруглости и волнистости. Вибрации более высокой частоты (СЧ диапазон) связаны с появлением погрешностей в виде шероховатости.



Рис.10. Спектр вибрации при резании, измеренный на опоре кольца: а - в начальный момент резания, б - по всей ширине шлифования

Проведен анализ влияния на колебания в ДС возмущений от дисбаланса шпинделя круга, изменения ширины резания, правки круга (рис.10, 12), который показал снижение качества шлифованных поверхностей колец. Измерение ВА колебаний основных узлов до и в процессе обработки в соответствии с разработанной методикой обучающего эксперимента позволило оценить динамическое качество станков, установить степень связи качества колец с динамическими характеристиками, обосновать технические мероприятия по обеспечению заданного качества обработки.

При анализе качества обработки колец выполнены измерения вибраций на шлифовальных автоматах моделей SIW-5 и SWaAGL-50 в производственных условиях в ОАО «СПЗ». Использовались виброизмеритель ВШВ-003М2 и компьютер (рис.11). Вибродатчики устанавливались с помощью магнитных опор на ШУ инструмента, ШУ детали и на узле крепления обрабатываемого кольца как наиболее информативных точках, выявленных в процессе предварительных экспериментов. Регистрировался либо общий уровень вибраций (ОУВ) в режиме линейного усиления (диапазон частот 1…4000 Гц), либо после преобразования на октавных фильтрах. Приборы активного контроля «Элекон-3М» позволяли оценивать последовательность и длительность технологического цикла и снимать информацию о реальном припуске на каждой детали. В процессе измерений оценивались виброускорение и амплитуда ВА колебаний. Уточнение информативного диапазона частот колебаний для каждого станка производилось посредством обработки записанных вибросигналов в лабораторных условиях на персональном компьютере.

Измерения волнистости (В) и некруглости (Н) колец подшипников проводились на кругломере Talyrond-73 до и после окончательной обработки. Кроме того, кольца нескольких типоразмеров контролировались вихретоковым прибором ПВК-К2М, позволяющим выявить прижоги на дорожках качения.

Выполнены измерения вибраций и точности обработки колец крупногабаритных роликовых подшипников различных типов на 6 внутришлифовальных станках мод. SIW-5, осуществляющих предварительную и окончательную обработку колец из стали ШХ-15. В качестве информативных характеристик использовались уровень виброускорения на частоте вращения шпинделя круга, ОУВ и спектры колебаний (рис.13 а).

а

б

Рис.13. Спектры вибраций станков: а - мод. SIW-5 № 332 при обработке кольца 232126М.01, б - мод. SWaAGL-50 № 436 при обработке кольца 208.02

Сравнительный анализ показал, что ОУВ и спектры колебаний узлов достаточно сильно различаются (особенно в НЧ диапазоне), свидетельствуя о различном динамическом состоянии станков и связанных с ним значениях некруглости и волнистости поверхностей качения. У некоторых станков эти значения превышали допустимые (Н=6 мкм, В=1 мкм), в связи с чем проведены технические мероприятия по повышению динамического качества станков, позволившие обеспечить заданную точность обработки.

При анализе качества обработки колец шарикоподшипников выполнены измерения вибраций на 4 круглошлифовальных станках мод. SWaAGL-50. В качестве информативных характеристик использовались уровень виброускорения на частоте вращения круга, ОУВ, спектры колебаний (рис.13 б) и интегральные оценки спектров.

Сопоставительный анализ динамических характеристик станков показал, что их уровень достаточно сильно влияет на качество дорожек качения. Данные с АСВК отражают различия в состоянии поверхностного слоя кольца с дефектом (рис.14 а) и кольца без дефекта (рис.14 б) и коррелируют с динамическим состоянием станков.

Установлено, что для оценки динамического состояния целесообразно использовать как детерминированные, так и стохастические характеристики колебаний основных узлов, наиболее чувствительные к изменению их уровня и взаимосвязанные с параметрами качества обработки колец подшипников: без резания - уровень вибраций на ШУ круга на частоте вращения и ОУВ, при резании - интегральные оценки НЧ автоспектра вибраций опоры кольца и НЧ взаимного спектра вибраций опоры кольца и ШУ круга, коррелирующих, соответственно, с волнистостью и некруглостью (рис.15, 16).

Приводится практическая реализация результатов исследований, связанных с обеспечением качества обработки колец подшипников. В результате обучающего эксперимента устанавливаются эталонные (паспортные) динамические характеристики, которые в процессе эксплуатации используются для сравнительной оценки текущего динамического состояния станков и восстановления их уровня в случае разладки. При паспортизации станка фиксируются рекомендации по наладке, указываются точки контроля и его периодичность, прикладываются данные об эталонных динамических характеристиках, что позволяет осуществлять их контроль при эксплуатации и на этой основе планировать техническое обслуживание по состоянию. Сопоставительный анализ качества обработки и информативных характеристик динамического состояния 10 станков SWaAGL-50 позволил установить их эталонные значения, при которых параметры качества поверхностей качения наиболее высокие: виброускорение на ШУ круга на частоте вращения (31 Гц) - не более 50 усл.ед.; ОУВ на опоре кольца не более 700 усл.ед.; значение интегральной оценки НЧ автоспектра колебаний опоры кольца - не более 30 отн.ед.; значение интегральной оценки НЧ взаимного спектра колебаний опоры кольца и ШУ круга - не более 20 отн.ед. (1 усл.ед. = 10^-3 м/с²). По аналогии при исследовании 8 станков SIW-5 установлены динамические характеристики эталонного станка.

ИИК канал контроля динамических характеристик входит в техническую подсистему, следовательно, все основные результаты оценки динамического состояния станков накапливаются и обновляются в базе данных СМТП (приведены примеры форм ).

Реализация результатов исследований связана с внедрением методики и ПМО для оценки динамического состояния станков и комплексом мероприятий по организации обслуживания станков по реальному динамическому состоянию, позволившим повысить точность (снизить волнистость) и значительно снизить прижоги поверхностей качения.

Четвертая глава посвящена вопросам разработки и применения метода автоматизированного вихретокового контроля деталей подшипников, интегрированного в систему мониторинга. Вихретоковый метод контроля начал активно развиваться в 80-е годы прошлого века, что отражено в работах А.Л. Дорофеева, В.Г. Герасимова, А.Д. Ярошека, В.Э. Дрейзина, В.С. Фастрицкого и ряда других авторов. Однако средства обработки сигналов были в основном аналоговыми, а отсутствие быстродействующих микропроцессоров сдерживало внедрение вихретоковых приборов. Совершенствование микроэлектроники дало толчок созданию автоматизированных приборов нового поколения. В СГТУ, в том числе с участием автора, совместно с ОАО «СПЗ» и ГНПП «СТОМА» выполнены исследования по применению вихретокового метода для контроля качества деталей подшипников в системе мониторинга.

Разработано научно-методическое обеспечение для организации ИИК вихретокового контроля (рис.17), проводится сопоставительный анализ неразрушающих методов контроля деталей подшипников, и подчеркиваются преимущества вихретокового метода, дается физическое обоснование принципа формирования сигналов вихретокового преобразователя (ВТП) о дефектах поверхностного слоя, приводятся примеры приборов вихретокового контроля деталей подшипников ряда фирм.

Рис.17. Вихретоковый контроль качества деталей подшипников как элемент системы мониторинга

Далее освещаются вопросы разработки АСВК - прибора ПВК-К2М (рис.18) и формирования сигналов о периодических и локальных дефектах колец (рис.19, 20). Особое внимание уделено автоматизированному определению локальных дефектов на основе вейвлет-преобразований с применением метода распознавания образов. Приведена методика практического применения АСВК в системе мониторинга, дающая информацию о целесообразности ремонтно-профилактических работ на станках или корректировке режима шлифования.

Рис.18. Автоматизированная система вихретокового контроля ПВК-К2М

Разработано ПМО для автоматизированного распознавания дефектов дорожек качения колец подшипников, характерных для поверхностного слоя контролируемых изделий: прижоги, трещины, забоины, трооститные пятна и т.д. Для обучающего эксперимента используется классификатор дефектов, принятый в ОАО «СПЗ» в качестве стандарта. Вид дефекта в классификаторе устанавливался другими известными методами, принятыми в подшипниковой промышленности.

Сигнал с выхода прибора ПВК-К2М представляет собой дискретный набор значений, полученных при контроле кольца путем сканирования. Периодические неоднородности выделяются применением фурье-преобразования: при наличии дефекта в сигнале ВТП содержится гармоника, амплитуда которой значительно превышает амплитуды остальных, что позволяет достаточно легко автоматизировать распознавание.

Задачу автоматизации распознавания локальных дефектов при вихретоковом контроле деталей подшипников можно разделить на две части. Первая часть - это локализация дефекта путем нахождения его границ в сигнале, вторая - собственно распознавание выделенного дефекта.

Первый метод распознавания локальных дефектов разработан в СГТУ ранее и основан на использовании изображения контролируемой поверхности и выделении класса дефектов, каждый из которых характеризуется 9 геометрическими признаками. Далее используется аппарат нейронных сетей Кохонена с обучением. Разработанный программный модуль обеспечивает передачу результатов контроля в базу данных СМТП.

Второй метод распознавания локальных неоднородностей основан на применении дискретного вейвлет-преобразования. Распознавание дефектов производится по значениям аппроксимирующих и детализирующих коэффициентов разложения по базовым вейвлетам. Полученные спектры коэффициентов имеют различные длину и амплитуду, так как дефекты различаются по геометрическим размерам: глубине, площади. Для последующих этапов распознавания возникает необходимость масштабирования и приведения спектров коэффициентов к одной длине. Для этого составлен алгоритм масштабирования с вейвлетом Добеши.

Вторая часть задачи - распознавание дефектов, представляет собой процедуру отнесение исследуемого дефекта, представленного набором признаков, к одному из установленных классов. В рассматриваемом случае определено два признака, связанных с геометрическими характеристиками спектров. Визуализация признакового пространства позволяет четко выделить вид дефекта (рис.21).

Для наиболее распространенных дефектов возможно использование одного признака - коэффициента заполнения спектром аппроксимирующих вейвлет-коэффициентов окна, приведенного к единому масштабу (рис.22). Для автоматической классификации дефектов по найденным признакам также применяется аппарат нейронных сетей. Предложенный метод на основе вейвлет-преобразований является эффективным для распознавания наиболее часто встречающихся дефектов поверхностей качения.

Приводятся примеры эффективного применения АСВК для контроля роликов после операции шлифования, исследования структуры поверхностного слоя шаров в процессе их доводки, для контроля колец после операции суперфиниширования.

Таким образом, применение вихретокового контроля совместно с автоматическим занесением выявленных дефектов в базу данных СМТП (рис.23) позволяет поднять качество выпускаемой продукции на более высокий уровень.

Рис.23. Форма отчета по результатам вихретокового контроля колец подшипников в системе мониторинга

Реализация результатов исследований связана с внедрением методики применения АСВК в системе мониторинга и соответствующего ПМО, позволивших снизить количество претензий по качеству поверхностного слоя в 3-5 раз, а также исключить экологически вредную операцию травления колец приборным контролем.

Пятая глава посвящена вопросам разработки и применения многопараметрового активного контроля шлифовальной обработки, интегрированного в систему мониторинга. Качество подшипников формируется на всех этапах обработки деталей, причем исследования показывают важную роль предварительной шлифовальной обработки колец, на которой из-за высоких режимов резания создаются глубокие изменения физико-механических свойств поверхностного слоя дорожек качения, не удаляемые при последующей обработке, а также закладываются условия окончательного шлифования, в частности, величина и неравномерность припуска.

Проведен анализ приборов активного контроля отечественных и зарубежных фирм с одним и несколькими информационными параметрами. Внедрение методов и средств активного контроля, чему были посвящены исследования С.С. Волосова, В.Н. Михелькевича, М.Н. Тверского, В.Д. Эльянова и других авторов, позволило стабилизировать размер деталей, однако при этом другие параметры качества не всегда соответствуют заданным значениям. Необходимо отметить, что имеющийся парк шлифовальных станков не всегда может удовлетворить растущие требования к качеству обработки колец подшипников. Решение задачи повышения эффективности шлифования основано на увеличении числа контролируемых параметров ТПО и совершенствовании обработки измерительной информации и принятия управляющих решений. Целесообразным становится включение в систему мониторинга ИИК на основе микропроцессорного (МП) прибора многопараметрового активного контроля (МАК) с введением дополнительного контроля скорости съема припуска и вибраций на опоре кольца. Эти параметры следует рассматривать как дополнительные информационные, величины которых не должны превышать установленных в экспериментах критических значений индивидуально для каждого станка.