Введение При наступлении критического износа режущего инструмента при точении резко возрастает уровень силовых, температурных и динамических нагрузок, а точность обработки приближается к границе поля допуска. В условиях автоматизированного производства оператору станка почти невозможно самостоятельно определить начало наступления критического износа резца, и замена инструмента происходит, как правило, раньше, чтобы избежать поломки резца, однако это приводит к снижению эффективности производства из-за неоптимального расхода режущего инструмента и увеличения времени простоя станка [1, 2]. Контроль износа резца возможен как прямыми, так и косвенными методами измерения [3], однако в условиях реального производства измерение прямыми методами является сложно-реализуемым процессом, поэтому широкое распространение получили косвенные методы контроля износа резца, в частности по вибрациям динамической системы (ДС) станка [4, 5]. Алгоритмизация выявления начальной фазы критического износа резца Представленная в данной работе методика и реализующий ее алгоритм (рис. 1) сформулированы исходя из способа стохастической идентификации в динамике станков, разработанного в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю. А. [4, 6]. Рис. 1. Алгоритм выявления начальной фазы критического износа резца при токарной обработке по запасу устойчивости динамической системы Суть данного метода заключается в том, что измеренные с помощью вибродатчика, установленного на магнитном основании, вибрации на резцовом блоке или на шпиндельном узле станка обрабатываются методами теории автоматического управления. Принимая во внимание, что сигнал, образующийся при врезании инструмента в заготовку, является для ДС входным стохастическим сигналом типа «белый шум», это впоследствии позволяет распознавать изменения запаса устойчивости ДС «резец – заготовка». Данный метод является неразрушающим, т. к. при его реализации не нужно вмешиваться в процесс работы станка и его конструкцию, и обладает такими преимуществами, как простота и низкая стоимость применения в условиях производства. Алгоритм, реализующий разработанную методику, представлен на рис. 1. Первоначально для определения момента начала катастрофического износа режущего инструмента необходимо измерить вибрации ДС станка [6]. После снятия показаний с вибродатчика сигнал необходимо отфильтровать, чтобы исключить колебания механических узлов станка, не связанных с процессом резания (низкие частоты в диапазоне до 400 Гц). Далее вычисляется авто-корреляционная функция (АКФ) виброакустических колебаний K( ), что позволяет воспользоваться формулой, полученной А. Н. Скляревичем [7], и определить передаточную функцию ДС при резании [4, 5]. В общем случае ДС станка является нелинейной, однако в ходе экспериментов установлено, что передаточная функция в процессе обработки одной заготовки практически не меняется, и ДС может быть рассмотрена как линеаризованная. Экспериментальная АКФ представляет собой затухающую косинусоиду и аппроксимируется выражением где A – постоянный коэффициент; α – коэффициент затухания; ω0 – основная частота АКФ; Ω – частота огибающей; m – коэффициент модуляции; τ – время. В результате полученных значений коэффициентов АКФ определяется передаточная функция ДС токарного станка: где р – оператор Лапласа. Идентифицированная передаточная функция позволяет оценить запас устойчивости ДС по вычисленному показателю колебательности М ДС при обработке каждой детали. Показатель колебательности является мерой запаса устойчивости системы, и чем выше этот показатель, тем меньше запас устойчивости ДС [8]. Показатель колебательности определяется из амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) A(ω), которая строится по передаточной функции: где [A(ω)]max – максимальное значение АЧХ; A(0) – значение АЧХ при ω = 0. Значения параметров АКФ постепенно изменяются по мере износа резца и, следовательно, изменяется запас устойчивости ДС. Значения показателей колебательности при обработке каждой детали записываются в массив данных. Для дальнейшего определения момента начала критического износа резца необходимо усреднить массив показателей колебательности, с этой целью предлагается использовать метод скользящего среднего, т. к. он достаточно точен при малом количестве точек сглаживания, но в то же время прост в реализации. Интервал сглаживания примем равным где i = 1, …, n; n – количество точек сглаживания. Следующим шагом является нахождение разности Δ между соседними усредненными значениями показателей колебательности. Это выполняется для дальнейшего определения степени изменения показателя колебательности, а следовательно, и запаса устойчивости системы: Затем выполняется сравнение текущего значения первой разности показателя колебательности с критическим, которое определено эмпирически при исследовании динамики токарных станков и изменения размеров колец: (1) Если выражение (1) верно, значит резец вошел в состояние критического износа и необходима его замена или заточка. Процесс обработки значений показателя колебательности можно представить графически в виде диаграмм (рис. 2). Рис. 2. Процесс обработки значений показателя колебательности: 1 – показатель колебательноcти; 2 – сглаженный показатель колебательности по значениям; 3 – разность между соседними сглаженными значениями Два столбца, отличающиеся цветом, обозначают показатели колебательности, соответствующие тем деталям, в которых необходимо заменить резец. На основе рассмотренного алгоритма было разработано специализированное программное обеспечение на языке C++ [5]. На выбор данной среды программирования повлияли такие критерии, как скорость компиляции и возможность применения в производственных условиях. Таким образом, алгоритм и соответствующее программное обеспечение позволяют распознать начало критического износа резца и выдать сообщение оператору станка. Экспериментальные исследования Для экспериментальных исследований вибраций станка использовался виброизмеритель ВШВ-003М3 с датчиком ДН-3 и ноутбук, в который встроена плата (рис. 3). Рис. 3. Аппаратное обеспечение экспериментов Эксперименты проводились при точении колец подшипников на токарном станке с ЧПУ модели ПАБ-350 в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» [4, 5] (рис. 4). Рис. 4. Общий вид станка ПАБ-350 Было проведено 2 эксперимента: 1) при черновой обработке резцом PSON пластина SNMM 120412 E-OR; 9230 (производство Чехии); 2) при чистовой обработке тем же резцом. Эксперименты повторялись по 10 раз. Заключение В ходе экспериментов проводились исследования точности обработки дорожки качения колец подшипников, т. к. скорость изменения диаметральных размеров служила косвенным параметром для выявления критического износа РИ. Именно сопоставительный анализ изменения показателя колебательности и изменения размеров позволил установить критерий замены резца в соответствии с соотношением (1). После обработки экспериментальных данных о вибрации ДС с помощью разработанного программного обеспечения были получены следующие результаты: для резца PSON с пластиной SNMM 120412 критический износ резца наступал при черновой обработке на 17–18-м кольцах, а при чистовой обработке – на 43–45-м кольцах, в то время как на предприятии смена резца про-исходит по регламенту при черновой обработке на 15-м кольце, а при чистовой обработке – на 40-м кольце. Из этого следует, что время резания инструментом можно увеличить на 10–12 %.