ДИАГНОСТИКА ИЗНОСА СПИРАЛЬНЫХ СВЕРЛ

 

Методические указания для проведения практических занятий

по курсу «Надежность и диагностика технологических систем»

для студентов специальности 220501 «Управление качеством»

 

 

Составители А. М. Романенко

В. С. Люкшин

 

 

Утверждены на заседании

кафедры

Протокол № 4 от 16.09.2011

 

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

специальности 220501

Протокол № 11 от 21.09.2011

 

Электронная копия хранится в библиотеке ГУ КузГТУ

 

 

Кемерово 2011

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Освоение научно-методических основ разработки диагностики сверл и процесса сверления.

Изучение автоматизированной системы научных исследований при обработке резанием (АСНИ ОР) как прообраза системы диагностики; применение АСНИ ОР для выявления информативных диагностических признаков состояния инструмента.

Индивидуальное выполнение исследований, необходимых для разработки систем диагностики путем их имитации на компьютерах с использованием специально разработанного программного обеспечения.

Составление и описание принятого в результате исследований алгоритма диагностирования сверла и схемы аппаратной реализации системы диагностики.

 

2. Теоретические предпосылки для разработки

систем диагностики сверл

 

В основу создания систем диагностики инструмента положен научно-методический подход, состоящий в определенной последовательности выполнения следующих этапов работ:

1. На базе теоретических и экспериментальных исследований выявляют возможные в процессе эксплуатации изменения в состоянии инструмента; определяют критерий состояния и отказа инструмента. В качестве критерия состояния должен приниматься параметр инструмента, однозначно (при данных условиях) характеризующий текущее состояние инструмента и способный отображаться с помощью принятых диагностических признаков. Это может быть величина, характеризующая очаг износа, выкрашивания, нароста и др. Предельное значение этой величины – критерий отказа.

2. Экспериментально, из числа параметров процесса резания выявляют косвенные диагностические признаки возможных изменений в состоянии инструмента и критерия состояния. В результате анализа выделяют наиболее информативный признак.

3. Описывают связи между критерием состояния и диагностическими признаками состояния на основе исследований отображения изменений критерия состояния в диагностических сигналах из зоны резания. Разрабатывают диагностические модели, которые могут иметь или детерминированный или стохастический характер.

4. Разрабатывают алгоритм и программное обеспечение системы диагностирования.

5. Разрабатывают аппаратную реализацию алгоритма диагностирования

 

2.1. Изменения в состоянии сверла в процессе его эксплуатации

 

На быстрорежущих сверлах при обработке конструкционных углеродистых сталей развиваются очаги износа преимущественно на главных задних поверхностях h_з. Следует подчеркнуть, что очаг износа на ленточке h_лн не имеет заметного развития вдоль ленточки до периода, предшествующего катастрофическому затуплению сверла. Износ поперечной режущей кромки развивается в период приработки. Изучение развития очагов износа показывает, что ни один из них не может быть принят в качестве критерия состояния сверла в течение всего периода его работы до полного затупления.

Особенность затупления сверл состоит в том, что изнашивание происходит преимущественно по главной задней поверхности, а отказ внезапно наступает вследствие интенсивного катастрофического износа и затем полного теплового разрушения сверла по вспомогательной задней поверхности - по ленточке.

Для предотвращения этого определяют предельно допустимый износ [h_з], на который настраивается система диагностики. Износ h_з может служить критерием состояния сверла до начала его катастрофического затупления.

 

2.2. Диагностические признаки износа сверл

 

Исследования показали, что с ростом износа инструмента возрастают значения сигналов ряда функциональных параметров процесса резания или значения их дисперсий. Так, например, с ростом износа h_з сверла заметно растет осевая сила Р_о. Поэтому Р_о принимается в качестве диагностического признака h_з. При сверлении заготовки текущее значение Р_о, измеряемое с помощью динамометрического устройства, сравнивается с принятой уставкой Р_о(h_з=h_{з доп}). Р_о(h_з=h_{з доп}) устанавливают при обучении системы диагностики на применяемом режиме резания. Она равна значению Р_о при величине износа h_{з доп}. В свою очередь h_{з доп} определяется экспериментально или принимается его значение, рекомендованное в нормативной литературе.

Упрощает процедуру обучения расчет Р_о(h_з=h_{з доп}) по формуле:

 

,

 

где Р_о – значение осевой силы, возникающей при работе острым сверлом и рассчитанной, например, по формуле , полученной для данных условий сверления; К_уст – коэффициент запаса осевой силы, определяемый экспериментально.

Как показывает опыт, надежность диагностики сверла по осевой силе (метод "уставок") невелика: или не используется полный ресурс сверла, или возможны неожиданные отказы при значениях Р_о<Р_о(h_з=h_{з доп}).

Поиски иных диагностических признаков показали, что виброакустические сигналы W_a из зоны резания и момент М_кр надежно отображают состояние сверла, предшествующее катастрофическому затуплению.

Установлено, что началу катастрофического затупления сверла по ленточкам предшествует рост амплитуды W_a сигнала, а начало катастрофического износа вызывает интенсивный рост М_кр.

В этом случае технологический алгоритм диагностирования строится по двум диагностическим признакам – амплитуде W_a сигнала и М_кр. При этом возрастание амплитуды W_a сигнала за предел допустимого значения [W_e] соответствует предельному состоянию сверла, началу изменений контактных процессов на поверхностях ленточек, приводящих далее к катастрофическому затуплению сверла. Начало катастрофического затупления (отказ сверла) отмечается ростом М_кр с определенным ускорением Е_м.

 

3. Содержание и порядок выполнения лабораторной работы (имитация исследований на компьютерах)

 

Задача лабораторной работы состоит в получении технологического алгоритма диагностирования сверла, при принятых условиях обработки.

На компьютере имитируется сверление заготовки на обрабатывающем центре, представляющем собой автоматизированный стенд научных исследований при обработке резанием (АCНИ ОР).

На стенде, изображенном на дисплее, показано расположение датчиков, отображающих изменение ряда параметров процесса резания.

Приняты обозначения:

Р_о – осевая сила;

М_кр – крутящий момент;

W_a – виброакустический сигнал в диапазоне частот (до 20 кГц).

В лабораторной работе моделируются на ПЭВМ исследования, которые необходимы для разработки систем диагностики быстрорежущих сверл Р6М5.

Необходимо выполнить следующие этапы работы:

1. Получить экспериментальные зависимости параметров процесса резания Р_о, М_кр и W_a – сигнала и их дисперсий от режимов резания: скорости V, подачи S и диаметра сверла d. Эти зависимости (в виде графиков или математических моделей) будут использованы для обучения системы диагностики.

Назначить условия обработки: обрабатываемый материал.

Заполнить протокол экспериментов. Назначить режимы сверления для трех серий опытов (по 4 опыта в каждой серии). Режимы резания выбираются из предлагаемых диапазонов их изменения, для которых сформирована база данных, содержащая сигналы функциональных параметров процесса сверления.

Выполнить опыты на режимах принятых в каждой строке протокола. Получить сигналы датчиков в mV, отображающие значения каждого из функциональных параметров процесса резания П_i. Последовательно занести в протокол рассчитанные средние значения каждого параметра П_i и его дисперсию D(П_i).

Получить графические зависимости П_i =f(V); П_i =f(S); П_i =f(d); D(П_i)=f(V); D(П_i)=f(S); D(П_i)=f(d). Визуально оценить влияние режимов резания на исследуемые параметры П_i и D(П_i).

Получить "вручную" математические модели в виде степенных функций по данным экспериментов, занесенным в протокол.

Проверить полученные модели, сравнив их с моделями, рассчитанными на компьютере. Математические модели, полученные при износе равном нулю, будут использованы для "обучения" системы диагностики сверл.

2. Разработать технологический алгоритм однопараметрической диагностики сверл при сверлении конструкционных углеродистых сталей или чугуна.

Задать условия эксплуатации сверла: обрабатываемый материал, режимы сверления (d, S, V).

Назначить критерий затупления сверла [h_з] или [h_у].

Экспериментально выявить информативный диагностический признак износа сверла и его отказа. Для этого выполнить эксперименты для получения зависимостей П_i =f(h) и D(П_i)=f(h). Рассчитать коэффициенты информативности E каждого параметра

 

,

 

где П_i(h) – значение исследуемого диагностического признака при определенной величине износа h; П_i(h=0) – значение исследуемого диагностического признака при износе h = 0.

Для диагностирования отказа сверла принимается тот диагностический признак, который показал высокий коэффициент информативности.

Определить для принятого диагностического признака "уставку" [П_i], на которую обучена система диагностики.

Рассчитать коэффициент уставки К_уст:

 

.

 

Коэффициент уставки будет использован для обучения системы диагностики сверл.

Составить и описать алгоритм однопараметрической диагностики износа сверл. Составленный алгоритм можно проверить по алгоритму, вызванному на дисплей компьютера.

Составить аппаратную структурную схему системы однопараметрической диагностики износа сверл.

Проверить надежность работы предложенной системы диагностики на других режимах сверления. Для этого:

· Рассчитать уставку [П_i] для новых режимов сверления по зависимости при этом значение [П_i](h=0) рассчитать по полученным в п.1 математическим моделям или, если модель отсутствует, то по результатам эксперимента при сверлении с h=0.

· Проверить соответствие величины допускаемого износа [h] значению уставки принятого диагностического признака [П_i] при сверлении на новых режимах. Сделать вывод о надежности работы системы диагностики сверл на новых режимах.

Разработать технологический алгоритм двухпараметрической диагностики сверл для обеспечения полного использования их ресурса. Критерий затупления - катастрофический износ.

· Выполнить эксперименты для получения зависимостей П_i=f(h) и D(П_i)=f(h) при росте h до катастрофического затупления сверла.

· Выявить с помощью этих зависимостей информативные диагностические признаки предельного состояния сверла и начала его катастрофического затупления.

· Определить уставки принятых диагностических признаков или показатели изменения, соответствующие предельному состоянию сверла и началу катастрофического затупления.

· Составить и описать технологический алгоритм двухпараметрической диагностики, обеспечивающей полное использование ресурса сверл, который можно проверить по алгоритму, вызванному на дисплей компьютера.

· Составить аппаратную структурную схему системы двухпараметрической диагностики износа сверл.

Как указано выше, лабораторная работа выполняется на ПЭВМ с использованием специально программного обеспечения (ПО). Далее приведено руководство пользователя программным обеспечением.

 

4. Назначение и запуск программного

обеспечения SVRLAB

 

Программное обеспечение SVRLAB предназначено для выполнения лабораторной работы по диагностике сверления. ПО включает в себя следующие файлы:

SVRLAB.EXE

SVRBASE.RIB

SVRPCX,PCL

SVRLAB.HLP

Инструкция по установке ПО на Ваш компьютер содержится в файле README.TXT на установочной дискете.

Для начала сеанса работы с ПО необходимо:

· сделать активной, директорию, в которой находится файл SVRLAB.EXE (если переменная среды DOS PATH не содержит имя этой директории);

· набрать на клавиатуре Вашего компьютера SVRLAB и нажать клавишу <Enter>;

· для удобства работы с ПО желательно (по возможности) пользоваться манипулятором "мышь".

 

4.1. Как пользоваться данным руководством

 

Пользователи, имеющие опыт работы с программным обеспечением, могут не читать главу "Общие рекомендации по использованию ПО".

Описание действий пользователя при выполнении лабораторной работы дано в разд. "Выполнение лабораторной работы с помощью ПО".

Приложение содержит информацию об организации меню.

В данном руководстве при описании действий пользователя приняты следующие условные обозначения:

Если от пользователя требуется выбор из меню, то в данном
руководстве указано "Обратитесь к пункту меню [……]".

Если от пользователя требуется нажать клавишу, то она записывается в <>. Например: "Нажмите клавишу <F5>".

 

4.2. Общие рекомендации по использованию ПО

 

1. Пользовательский интерфейс.

В процессе работы с пакетом пользователь имеет на экране дисплея активное меню или окно-сообщение, список допустимых функциональных клавиш (нижняя строка), строку подсказок-сообщений (вторая строка снизу). Иерархия меню и последовательность окон-сообщений (подробно см.: Прил.) организованы в, соответствии с методикой выполнения лабораторных работ. Они навязываются пользователю. Выбор функций с помощью функциональной клавиатуры по желанию пользователя.

2. Работа с меню:

· для выбора из меню подведите курсор (с помощью клавиш управления курсором или указателем "мышки") к требуемой позиции в меню и нажмите <Enter> или левую клавишу "мышки";

· для выхода из меню в предыдущее нажмите <ESC> или правую клавишу "мышки";

· во время работы с меню доступна функциональная клавиатура.

3. Работа с окнами-сообщениями.

Для выхода-продолжения работы следует нажать клавишу, указанную в строке подсказок-сообщений.

 

4.3. Система помощи

 

В процессе работы с ПО пользователь имеет возможность получить вспомогательную информацию:

· последовательность действий для выполнения лабораторной работы. Помощь будет предоставлена по нажатии клавиши <F1>;

· структурную схему автоматизированной системы научных исследований (АСНИ). Структурная схема системы диагностики аналогична данной схеме. Помощь будет предоставлена по нажатии клавиши <F2>.

 

5. Выполнение лабораторной работы с помощью ПО

 

5.1. Выбор параметров процесса резания

 

Обращение к пункту меню [Выбор параметров] позволит Вам выбрать материал заготовки. Подведите курсор к выбранной марке материала и нажмите <Enter> или левую клавишу "мышки". Выход <ESC>.

 

5.2. Получение зависимостей функциональных параметров

(диагностических признаков) процесса резания от режимов

 

1. Обратитесь к пункту меню [Зависимости П=f(V, S, d) ].

2. Обратитесь к пункту меню [Заполнение протокола] и назначьте режимы резания для проведения опытов (первая строка протокола задана). Для этого необходимо:

· Подвести курсор к очередной строке протокола (кроме первой) и нажать"<Enter>.

· Ввести значение V, S или d из диапазона указанного в скобках и нажать <Enter>.

· После заполнения протокола нажать <ESC> для возвращения в меню [Зависимости П=f(V, S, d) ].

3. Обратитесь к пункту меню [Исследование зависимостей], а затем:

· Обратитесь к пункту меню [Выбор признака]. Предусмотрена возможность выбрать функциональный параметр (диагностический признак) двумя способами. Либо по датчику на схеме стенда, либо по списку признаков. Наиболее удобным для Вас способом выберите исследуемый диагностический признак.

· Обратитесь к пункту меню [Получение зависимостей].

· Получите сигнал выбранного Вами функционального параметра для всех строк заполненного Вами протокола. Для этого подведите курсор к очередной строке протокола и нажмите <Enter>. Вы получите имитацию процесса сверления (клавиша <Enter>). Для получения графика сигнала датчика функционального параметра нажмите клавишу <F5>. Выход из подрежима имитации клавиша <ESC>.

· После заполнения Вами последней строки протокола нажмите <F5>. Вы получите графики зависимостей П_i=f(S), П_i=f(V), П_i=f(d) и (если возможно) математическую модель П_i=f(s, v, d). Можете записать параметры модели на диск в файл s??iiiii.mdl. Этот файл потребуется при выполнении работы по диагностике сверла.

· Повторите описанные действия для тех функциональных параметров, влияние режимов резания на которые Вы хотите исследовать.

 

5.3. Разработка алгоритма однопараметрической

диагностики процесса сверления

 

Для разработки алгоритма однопараметрической диагностики необходимо:

1. Обратитесь пункту меню [Диагностика |Однопараметрическая].

2. Выбрать информативный диагностический признак. Для этого:

· Обратитесь к пункту меню [Выбор признака]. Предусмотрена возможность выбрать диагностический признак двумя способами; либо по датчику на схеме стенда, либо пo списку признаков. Наиболее удобным для Вас способом выберите исследуемый диагностический признак.

· Обратитесь к пункту меню [Получение зависимостей].

· Получите сигнал выбранного Вами функционального параметра для всех принятых в опытах значений износа сверла. Для этого подведите курсор к очередному значению износа и нажмите <Enter>. Вы получите имитацию процесса сверления (клавиша <Enter>). Для получения графика сигнала датчика функционального параметра нажмите клавишу <F5>. Выход из подрежима имитации клавиша <ESC>.

· После проведения Вами последнего опыта нажмите <F5>. Вы получите графики зависимостей П_i =f(h).

· Повторите описанные действия для тех диагностических признаков, информативность которых Вы хотите оценить.

· Обратитесь к пункту, меню [Оценка информативности]. На экране появится окно со списком диагностических признаков и их дисперсий с соответствующими значениями коэффициентов информативности Е (крайняя колонка справа). Вам следует выбрать наиболее информативный диагностический признак, имеющий; максимальный коэффициент информативности Е. Далее будет рассчитан коэффициент уставки (К_уст) для выбранного Вами диагностического признака.

3. Нажмите <ESC> для выхода в меню [Диагностика | Однопараметрическая].

4. Запишите алгоритм диагностирования в общем виде.

5. Проверьте полученный Вами алгоритм. Для этого:

· обратитесь к пункту меню [Алгоритм диагностирования] и введите пароль доступа к контрольной информации. Перед Вами появится блок-схема алгоритма однопараметрической диагностики в общем виде. Если к Вашему компьютеру подключен EPSON-совместимый принтер, Вы сможете распечатать алгоритм на принтере (<F7>);

· нажмите <ESC> для выхода в [Диагностика | Однопараметрическая).

6. Проверьте надежность работы системы диагностирования на другом режиме сверления. Для этого:

· Обратитесь к пункту меню [Проверка алгоритма]. ПО попытается открыть файл (s??iiiii.mdl) в директории MODELS (имя директории может быть изменено переустановкой конфигурации). Файл s??iiiii.mdl должен содержать значения параметров математической модели зависимости диагностического признака от режимов резания для данного материала заготовки и данного диагностического признака.

· Если вышеупомянутый файл не существует, Вам потребуется провести эксперимент по определению зависимости П=f(v, s, d) для данного материала заготовки и данного диагностического признака.

· Если существует, то на экране появятся результаты расчета П(h=0) и уставка [П], и при нажатии любой клавиши Вы попадаете в режим имитации резания с диагностикой. Для проверки алгоритма Вам необходимо запустить имитацию (<Enter>). В специальном окне будут отражаться текущие значения диагностического признака и износа, а также предельные значения последних. После завершения имитации технологического перехода Вы получите сообщение о результатах работы Вашего алгоритма диагностирования.

 

5.4. Разработка алгоритма двухпараметрической

диагностики процесса сверления

 

ВНИМАНИЕ! Приступить к разработке алгоритма двухпараметрической диагностики можно только после того, как Вы проведете измерения ПО ВСЕМ (!) диагностическим признакам в режиме однопараметрической диагностики.

Для разработки алгоритма двухпараметрической диагностики необходимо:

1. Обратиться к пункту меню [Диагностика | Двухпараметрическая].

2. Выбрать информативный диагностический признак. Для этого:

· Обратитесь к пункту меню [Продолжение экспериментов].

· Обратитесь к пункту меню [Выбор признака], и удобным для Вас способом выберите исследуемый функциональный параметр (диагностический признак).

· Обратитесь к пункту меню [Получение зависимостей], и для всех принятых в опытах значений износа сверла получите сигнал датчика выбранного Вами диагностического признака. Для этого: подведите курсор к очередному значению износа (h значения в первой слева колонке) и нажмите <Enter>. Вы получите имитацию процесса сверления (<Enter>). Для получения графика сигнала датчика функционального параметра нажмите клавишу <F5>. Выход из подрежима имитации клавиша <ESC>.

· После получения Вами сигналов для всех значений износа нажмите <F5>. Вы получите график зависимости П_i=f(h).

· Повторите описанные действия для всех функциональных параметров (диагностических признаков).

· Нажмите <ESC> для выхода в меню [Диагностика | Двухпараметрическая].

3. Запишите алгоритм диагностирования в общем виде.

4. Проверьте полученный Вами алгоритм. Для этого обратитесь к пункту меню [Алгоритм диагностирования] и введите пароль доступа к контрольной информации. Перед Вами появится блок-схема алгоритма двухпараметрической диагностики в общем виде. Если к Вашему компьютеру подключен EPSON-совместимый принтер, Вы сможете распечатать алгоритм на принтере (<F7>).

 

6. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

 

№	Материал заготовки	Признак
	Сталь 40Х	Мкр
	ШХ15	Мкр
	СЧ-15	Мкр
	Сталь 40Х	Ро
	ШХ15	Ро
	СЧ-15	Ро
	Сталь 40Х	Wo
	ШХ15	Wo
	СЧ-15	Wo
	Сталь 40Х	Мкр
	ШХ15	Мкр
	СЧ-15	Мкр
	Сталь 40Х	Ро
	ШХ15	Ро
	СЧ-15	Ро
	Сталь 40Х	Wo
	ШХ15	Wo
	СЧ-15	Wo