621.9.067

ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФЕКТНЫХ СОСТОЯНИЙ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ С МЕХАНИЗМАМИ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ. I. АНАЛИЗ ОБЛАСТЕЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОВОРОТНЫХ СТОЛОВ

 

RESEARCH AND MODELING OF DEFECTIVE STATES OF MECHATRONIC SYSTEMS WITH MECHANISMS OF CYCLIC ACTION. I. ANALYSIS OF THE AREAS OF WORKING CAPACITY OF ROTARY TABLES

 

Алешин А.К., Ковалева Н.Л. Фирсов Г.И.

(Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва, РФ)

Aleshin A.K., Kovaleva N.L., Firsov G.I.

(Blagonravov Mechanical Research Institute of RAN, Moscow, Russia)

 

Приведены результаты экспериментальных исследований процессов появления дефектных состояний механизмов поворотных столов. Выявлены основные критерии работоспособного состояния механизмов, включающих время цикла и значение погрешности углового деления.

The results of experimental studies of the processes of the appearance of defective states of turntable mechanisms are presented. The main criteria for the operational state of the mechanisms, including the cycle time and the value of the error of angular division, are identified.

 

Ключевые слова: механизм циклического действия, поворотный стол, дефект, область работоспособного состояния, техническая диагностика

Key words: cyclic mechanism, rotary table, defect, operational state area, technical diagnostics

 

Одним из элементов мехатронных систем с механизмами циклического действия, входящими в состав машин различного технологического назначения [1,2], входят поворотные столы, быстродействие и надежность работы которых во многом определяют точность и производительность работы всей машины. Длительность цикла их работы может достигать 50% времени холостых ходов машины. Кроме того, в зависимости от технического состояния, качества регулирования время цикла работы стола может превышать допустимое в 3-4 раза. Особенность поворотных столов состоит в том, что устранение их поломок сопряжено с проведением дополнительных монтажно-демонтажных работ: снятием приспособления с планшайбы, инструментальной оснастки, демонтажем зажимных устройств, ограждений. Все это приводит к увеличению трудоемкости ремонта. К дефектам поворотных столов могут быть отнесены, в частности, недопустимо большая погрешность углового деления, недостаточная установившаяся скорость вращения планшайбы, недопустимые динамические нагрузки на детали механизмов поворота и фиксации, неравномерная скорость поворота планшайбы при реверсе, повышенные силы сопротивления в механизме поворота планшайбы и гидросистеме, недопустимо большая длительность цикла из-за плохой отладки стола. Перечисленные дефекты влекут за собой снижение точности обработки деталей на станках, снижение быстродействия, повышенный расход энергии, снижение точности фиксации, поломку деталей.

Дефекты поворотных столов, определяющие надежность его работы, можно подразделить на дефекты, устранимые регулировкой, без разборки и замены деталей, так и дефекты, устранение которых связано с разборкой отдельных узлов и заменой деталей, что приводит к увеличению трудоемкости ремонта. Поэтому одним из путей решения задачи повышения быстродействия и надежности поворотных столов, наряду с совершенствованием конструкций, является диагностирование на всех этапах жизненного цикла (производство, эксплуатация, ремонт). Одним из важных элементов создания системы диагностики [3, 4] является выбор диагностических признаков, обладающих достаточной информативностью с точки зрения выявления того или иного дефекта поворотного стола.

В настоящее время широкое применение для диагностирования механических систем получили методы диагностики по кинематическим, силовым и энергетическим параметрам - ускорению, скорости, перемещению исполнительных звеньев, давлению в гидросистеме, силе тока и мощности в сети питания. Широкое применение указанных методов связано с тем, что они обладают следующими преимуществами:

могут быть проконтролированы паспортные характеристики узлов;

кинематические, силовые и точностные параметры непосредственно связаны с дефектами;

диагностическая информация может быть использована также для конструкторских и технологических расчетов и совершенствования конструкций узлов.

Возможность выявления дефектов указанными методами основана на том, что наличие дефекта приводит к отклонению реальной осциллограммы диагностического параметра (скорости, ускорения, давления) от эталонной, установленной заранее. По виду их рассогласования, а также по характерным амплитудным значениям, временным интервалам делается заключение о наличии конкретного дефекта.

В качестве объектов диагностирования выбраны два типа поворотных столов (табл. 1). Первый - с зубчатым редуктором и механизмом двойной фиксации, широко применяемый в условиях массового и крупносерийного производства. Второй - с реечной передачей и механизмом фиксации из плоских зубчатых колес, используемый в условиях серийного и мелкосерийного производства. Это связано с широкими возможностями переналадки его на различное число позиций деления z. Переналаживаемость оценивается диапазоном изменения z. У столов второго типа она больше в 8 раз.

Одной из основных задач при разработке методики диагностирования является определение области работоспособного состояния. Требования технических условий, приводимые в паспорте на поворотные столы, как правило, не содержат необходимых критериев, позволяющих контролировать текущее техническое состояние и проводить качественное регулирование; это затрудняет также изучение и анализ возможных дефектов.

 

Таблица 1 - Параметры поворотных столов

Параметр. размерность

Значение параметра для поворотного стола

с зубчатым редуктором и механизмом двойной фиксации

с реечной передачей и механизмом фиксации из плоских зубчатых колес

Переналаживаемость zmax /zmin

6

48

Быстродействие Тц (при z = 6 и максимальной нагрузке), с

3,8

1,4

Погрешность углового деления δψ

4 – 13’’

6’’

Жесткость, Н/м

107 – 3×107 (средняя)

>108 (высокая)

 

Отсутствие указанных критериев в паспортных данных связано со значительной трудоемкостью и отсутствием необходимой методики их определения. Кроме того, разработка норм на критерии работоспособного состояния осложняется ограниченностью исходной экспериментальной информации о свойствах поворотных столов.

Область работоспособных состояний целесообразно определять с помощью комплекса количественных критериев и затем на их основе разрабатывать для каждого дефекта ряд количественных диагностических признаков [3, 4]. Это значительно упрощает диагностирование и повышает достоверность локализации дефектов. При этом основные критерии работоспособного состояния определяются исходя из служебного назначения поворотных столов (перемещать обрабатываемые детали из одной рабочей позиции в другую и точно фиксировать их в позициях обработки). Отсюда следует, что должны быть установлены допустимые значения времени цикла Тц в зависимости от числа позиций деления z и момента инерции J подвижных масс, а также значение погрешности δψ углового деления.

Отсутствие в паспорте на поворотные столы дифференцированных норм на допустимое значение Тц приводило к тому, что оно либо чрезмерно увеличено (до четырех раз по отношению к номинальному), либо уменьшено. Увеличение Тц приводит к неоправданному возрастанию цикловых потерь станка, а необоснованное его уменьшение - к возрастанию динамических нагрузок на детали механизмов поворота и фиксации планшайбы, В результате увеличивается погрешность δψ углового деления и разрушаются детали привода. Например, фактические нагрузки на фиксатор в ряде случаев достигают 2 т. Отсюда следует необходимость ограничения наряду с критериями Тц и δψ наибольших динамических нагрузок. поскольку в производственных условиях легче контролировать ускорение планшайбы ε(t), чем динамические нагрузки (динамический крутящий момент Мд), целесообразно ограничивать допустимые ускорения планшайбы.

Таким образом, требования технических условий на поворотные столы дополняются дифференцированными нормами на длительность цикла и допустимыми ускорениями планшайбы. Если нет дифференцированных ограничений на значение погрешности δψ, то их также необходимо установить.

Методика определения критериев основана на сочетании методов математического моделирования и квалиметрической обработки экспериментальных данных, а также на последовательном уточнении значений критериев по мере накопления опытных данных. Особенность ее состоит в том, что она позволяет расширить имеющийся в распоряжении конструктора ограниченный объем данных по быстродействию. Это достигается путем использования зависимости средней скорости планшайбы  поворотного стола от момента инерции J подвижных масс [2]:

                                                                                                           (1)

где K0 - коэффициент быстроходности.

Определив по экспериментальным данным доверительный интервал на указанную зависимость (1), можно установить для конкретной конструкции стола время поворота tп для произвольных чисел позиции деления z и момента инерции подвижных масс.

 

Таблица 2 -Результаты экспериментальных исследований поворотных столов

Тип стола

J, кгм2

z

tп, с

, рад/с

K0, кг1/3м2/3/с-1

K0/Кψ , кг1/3м2/3/с-1

С механизмом фиксации из плоских зубчатых колес

1,2

4

0,82

1,8

1,91

1,67

2,0

6

0,90

1,2

1,50

1,5

1,8

48

0,26

0,5

0,62

1,5

1,5

8

0,8

0,98

1,24

1,4

С зубчатым редуктором и механизмом двойной фиксации

200

3

4,2

0,50

2,89

2,63

190

3

4,0

0,52

2,97

2,70

1170

7

4,2

0,21

2,40

2,42

260

6

3,4

0,31

1,97

1,97

200

5

2,9

0,43

2,53

2,49

250

4

4,4

0,36

2,32

2,09

850

4

5,6

0,28

2,61

2,46

600

4

5,8

0,27

2,24

2,11

250

4

6,2

0,25

1,61

1,45

280

6

3,0

0,35

2,29

2,29

450

6

2,8

0,37

2,84

2,84

200

3

5,0

0,42

2,45

2,11

360

4

4,6

0,34

2,42

2,21

270

5

4,2

0,30

1,94

1,94

 

Методика определения критериев включает следующие основные этапы: разработку математической модели гидромеханической системы поворотного стола; определение допустимых ускорений планшайбы из расчетов на прочность деталей механизмов привода поворота и фиксации (они используются не только при уточнении паспортных данных, но и при моделировании); расчет на математической модели времени поворота tп планшайбы и значений поправочного коэффициента Кψ в зависимости от числа позиций деления z; определение по экспериментальным данным времени tп в зависимости от z; сравнение расчетных и экспериментальных значений времени и уточнение в случае необходимости математической модели; уточнение значений критериев по мере поступления экспериментальных данных в процессе диагностирования серийно выпускаемых поворотных столов.

На начальном этапе определения критериев имеется разброс экспериментальных данных по длительности цикла работы столов, так как данные получены при различных значениях z и J (табл. 2), При этом средняя скорость ,а следовательно, и время поворота tп зависят как от J, так и от угла поворота планшайбы ψ (или числа позиций деления z). Это неизбежно вносит искажения в зависимость средней скорости  от момента инерции J. Для устранения влияния z при определении доверительного интервала на зависимость (1) вводится поправочный коэффициент Кψ, равный отношению средней скорости поворота  на угол ψ к средней скорости поворота  на угол π/3 радиан Кψ =  / . Угол поворота π/3 (z = 6) является наиболее часто применяемым в практике проектирования поворотных столов.

В технических условиях на поворотные столы с механизмом фиксации из плоских зубчатых колес отсутствуют дифференцированные нормы на длительность цикла Тц в зависимости от угла поворота планшайбы и не приводятся ограничения на допустимые ускорения планшайбы ε [5]. В результате при эксплуатации возникали аварии, связанные с разрушением винтов крепления планшайбы к центральной оси. Динамические нагрузки в 5 раз превышали допустимые. Из пяти обследованных в условиях эксплуатации поворотных столов у двух наблюдались указанные аварийные поломки.

Список использованных источников

1. Рязанов С.И., Псигин Ю.В., Веткасов Н.И. Автоматизация производственных процессов в машиностроении (робототехника, робототехнические комплексы). Ульяновск: УлГТУ,  2018. 162 с.

2. Нахапетян Е.Г. Контроль и диагностирование автоматического оборудования. М.: Наука, 1990. 272 с.

3. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.Б. Техническая диагностика. М.: Высш. школа, 1975.  248 с.

4. Алешин А.К., Ковалева Н.Л., Фирсов Г.И. Разработка процедуры оперативного диагностирования мехатронных систем с механизмами циклического действия // Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении. М.: ИМАШ РАН, 2019. С. 37-39.

5. Алешин А.К, Нахапетян Е.Г. Щербаков В.В. Диагностирование многопозиционного технологического оборудования при эксплуатации. М.: Машиностроение, 1984. 68 с.