Charakterystyka badań eksperymentalnych i wstępna analiza sygnałów pomiarowych

8.1.1. Stanowisko pomiarowe i opis przeprowadzonych pomiarów

Badania eksperymentalne przeprowadzono na przebudowanej, wyposażonej w sterowaną numerycznie oś posuwu tokarce uniwersalnej TUD-50 [Sokołowski, 1995], [Sokołowski et al., 1995]. Schemat stanowiska pomiarowego oraz konfigurację czujników

tokarka TUD-50

czujniki przyspieszeń

B&K4384

k ie ru n e k o d p o ro w y

PC

wlbrometry B&K2511

(B&K2Ó35) i

9 « ?

magnetofon B&K7006

przetwornik

I

A/C

r

k ie ru n e k o b w o d o w y

k ie ru n e k p o s u w o w y

U

k ie ru n e k o d p o ro w y

Rys. 8.1. Schemat stanowiska pomiarowego Fig. 8.1. Schematics of the measuring set-up

Tabela 8.1 Zestawienie przeprowadzonych prób skrawaniowych

Warianty vc f aP VBB Gatunek

pomiarowe [m/min] [mm/obr] [mm] [mm] materiału ostrza W 1 90; 120; 150 0.1; 0.2 i;2 0.0; 0.4; 0.8; S10S W 2 120; 130; 150 0.2; 0.3 2 0.0-0.80 SIOS; S40S

W 3 90; 140 0.2; 0.3; 0.4 2 0.0-0.74 S40S

pomiarowych (punkty pomiarowe Sxn, Syn, Szn i SZi) przedstawiono na rys. 8.1.

We wszystkich pomiarach zastosowano oprawkę nożową hR. 110.16-3225. Jak wspomniano, materiałem obrabianym była stal chromowo-niklowa przeznaczona na części maszyn o wysokich wymaganiach 30HN3A, o twardości 241 HB. Średnice toczenia mieściły się w zakresie 130-210 mm. Do skrawania użyto płytki skrawające z węglików spiekanych SN U N 120408 o stereometrii opisanej w układzie narzędzia kątami: kąt przyłożenia a 0=6°;

kąt natarcia y0= -6° ; kąt pochylenia krawędzi skrawającej A,=4°; kąt przystawienia x=30°.

Każdy pomiar realizowano w dwóch krokach. W pierwszym kroku rejestrowano prędkości drgań w wybranych punktach obrabiarki, a następnie, bezpośrednio po rejestracji, dokonywano pomiaru zużycia głównej powierzchni przyłożenia (VBB). Dodać można, że dyskretyzację i wstępne przetwarzanie sygnałów pomiarowych przeprowadzono z zastosowaniem pakietów oprogramowania [Cholewa et al., 1988] i [Tyrlik et al., 1989].

Większość pomiarów została przeprowadzona co najmniej dwukrotnie w celu oszacowania powtarzalności uzyskiwanych wyników. Sumarycznie przeprowadzono 117 pomiarów.

Poszczególne zestawy pomiarów przedstawiono w tab. 8.1. Pierwszy zestaw przeprowadzonych pomiarów stanowiły zasadnicze próby skrawaniowe (wariant Wl, tab. 8.1). Pomiary przeprowadzono podczas skrawania z parametrycznie zmiennym zużyciem powierzchni przyłożenia ostrza skrawającego. Skrawanie z parametrycznie zmiennym zużyciem oznacza skrawanie wyselekcjonowanymi płytkami skrawającymi o zadanym zużyciu VBB. Wartości VBB starano się dobrać tak, aby odzwierciedlić 3 charakterystyczne fazy zużycia ostrza skrawającego, tj. początkową fazę zużycia (docieranie płytki skrawającej, VBB=0.0 mm), fazę "plateau" zużycia (VBB=0.4 mm) i fazę przyspieszonego zużycia ostrza skrawającego (VBB=0.8 mm).

Kolejny zestaw pomiarów (wariant W2, tab. 8.1) stanowił rozszerzenie zasadniczych prób skrawaniowych. Pomiary przeprowadzono podczas skrawania płytkami wykonanymi z materiałów o różnej odporności na ścieranie (SIOS i S40S). Istotną cechą tej części badań eksperymentalnych było dokonywanie rejestracji prędkości drgań i pomiarów zużycia VBB po arbitralnie przyjętej liczbie przejść narzędzia. Uzyskano w ten sposób zwiększenie liczby pomiarów przypadających na obserwowany zakres zużycia, a co się z tym wiąże, bardziej dokładną reprezentację zmian prędkości drgań ze wzrastającym zużyciem ostrza.

Celem przeprowadzenia kolejnego zestawu pomiarów była ocena wpływu zmian w układzie obrabiarki na mierzone wielkości (wariant W3, tab. 8.1). Mając na uwadze drgania jako sygnały pomiarowe, przez zmiany w układzie obrabiarki rozumie się zmiany cech sztywnościowo-tłumieniowych elementów obrabiarki. Pomiary przeprowadzono podczas skrawania narzędziem o zwiększonym wysięgu. Praktycznie zwiększono wysięg oprawki narzędziowej poprzez przesunięcie jej w kierunku materiału obrabianego o 10 mm w stosunku do położenia odpowiadającego poprzednim wariantom pomiarowym. Podobnie jak w wariancie W2, pomiary dokonywano po arbitralnie przyjętej liczbie przejść narzędzia.

8.1.2. K on w en cjonaln e próby w yznaczenia sym ptom ów zużycia ostrza

Charakteryzowane w niniejszym podrozdziale analizy oparto zasadniczo na widmach częstotliwościowych zarejestrowanych sygnałów pomiarowych [Sokołowski, 1995].

W pierwszym kroku wybrano składowe widm prędkości drgań charakteryzujące się największą wzpółzmiennością ze zużyciem ostrza skrawającego (VBB). Jak stwierdzono, w każdym z punktów pomiarowych na oprawce narzędziowej (Sxn, Syn, i Szn) wskazać można jedną, tę samą składową widma, nazywaną składową obserwowaną, której wartość (WSw) wykazywała największe przyrosty względne i monotoniczny charakter zmian wraz ze wzrostem VBB.

W przypadku wariantów pomiarowych W1 i W2 (tab. 8.1) wskazano na składową o częstotliwości fe7200 Hz, a w przypadku wariantu W3 (tab. 8.1) na składową 0 częstotliwości fe4800 Hz. Zmiana częstotliwości obserwowanej składowej związana była bezpośrednio ze zwiększeniem wysięgu oprawki narzędziowej. Wykazano także niemonotoniczny charakter zmian wartości WSw w punkcie pomiarowym na imaku narzędziowym (Szi) i zdecydowano się pomijać w dalszych analizach sygnał pomiarowy rejestrowany w tym punkcie.

W kolejnym kroku przeprowadzono analizę wpływu parametrów obróbki na rejestrowane sygnały pomiarowe. Najistotniejszy wniosek z tej części analiz odnosił się do wartości przyrostów obserwowanej składowej widma. Zwiększenie prędkości skrawania oraz zmiany posuwu f i głębokości skrawania aP powodowały analogiczne przyrosty Wsw jak wzrost zużycia VBB. Równie istotny wpływ na wartości obserwowanej składowej miał gatunek materiału płytki skrawającej. Istotny był w tym przypadku odmienny charakter zużycia mniej odpornej na ścieranie płytki wykonanej z S40S w porównaniu z płytką z SI OS.

Ponieważ przeprowadzone analizy wskazywały na relatywnie skomplikowany model zależności pomiędzy obserwowaną składową widma (symptomem zużycia VBB) 1 parametrami obróbki, kolejny etap badań ukierunkowano na próby wyznaczenia symptomów zużycia ostrza niezależnych od parametrów skrawania. Podjęto próby filtracji sygnałów pomiarowych oraz analizowano dryft obserwowanej częstotliwości ze zużyciem VBB.

Następnie jako potencjalne symptomy zużycia VBB testowano oceny punktowe dyskretnych sygnałów pomiarowych, np. współczynnik dewiacji i współczynnik spłaszczenia oraz częstotliwość przejść przez poziom zerowy ([Sokołowski, 1995], [Sokołowski et al., 1995]).

Pomimo zastosowania zróżnicowanych podejść nie wyznaczono jednakże symptomu zużycia powierzchni przyłożenia ostrza, który wykazywałby niezależność od parametrów skrawania.

Typowo, w przypadku gdy uzyskiwano redukcję wpływu parametrów skrawania, następowało równocześnie znaczne zmniejszenie czułości na postępujące z czasem skrawania zużycie VBB.

Korzystniejsze wyniki uzyskano natomiast z zastosowaniem analizy homomorficznej sygnałów pomiarowych [Sokołowski, 1995], [Sokołowski et al., 1995]. Jako symptom zużycia przyjęto wskaźnik cepstrum (W Cep), reprezentujący stopień rozbieżności pomiędzy sygnałami

A-vc-9 0 m/min; f=0.3 mm/obr; B-vc=140 m/min; fi=0.2 mm/obr; C-vc=140 m/min; f=0.3 mm/obr

a)

b)

Rys. 8.2.

oraz zmiany wartości wskaźnika cepstrum (b); punkt pomiarowy Syn, wariant W3, tab. 8.1

Fig. 8.2. Changes of the observed spectrum component (a) and changes o f the cepstrum factors (b) progressing with tool flank wear VBB; measuring point Syn, variant W3, tab. 8.1

rejestrowanymi podczas skrawania ostrym i zużytym narzędziem. Wyznaczone wartości WCep

(rys. 8.2b) wykazywały bardziej spójny, w porównaniu z wartościami W Sw (rys. 8.2a), charakter zmian wraz z postępującym zużyciem VBB. Wykazano także możliwość oceny wartości zużycia w zakresie VBB=0.6-K).8 mm bez względu na parametry skrawania.

Jednakże symptomy zużycia VBB=0.6-r0.8 mm wydają się mieć ograniczone zastosowanie ze względu na zbyt wysokie wartości VBB. Podając za [Dmochowski, 1981], dla toczenia stali w przypadku obróbki średniodokładnej dopuszczalne zużycie ostrza waha się w zakresie VBB=0.4-K).6 mm.

Uogólniając wnioski z przeprowadzonych analiz wskazano na konieczność reorientacji podejścia do sposobu wykorzystania drgań do diagnostyki zużycia ostrza skrawającego (np. [Sokołowski et al., 1995]). W przypadku scharakteryzowanych analiz starano się wyznaczyć symptomy zużycia VBB niezależne od parametrów obróbki, czyli dążono do pominięcia tych parametrów jako wielkości uwzględnianych w sposób jawny w hipotetycznym układzie diagnostycznym. Innym podejściem jest równoczesne zastosowanie wybranych informacji dostępnych z układu pomiarowego i parametrów obróbki, co stanowi zasadnicze zagadnienie poruszane w kolejnych podrozdziałach pracy.

8.2. Wybrane zagadnienia realizacji selekcji i integracji danych w zadaniu