Организация мониторинга с глубокой диагностикой технического состояния деталей шпиндельной бабки многооперационного станка модели ИР 500 ПМФ4 и её ремонта
Доброго времени суток, уважаемые коллеги!
В сегодняшней статье я познакомлю вас с организацией удаленного мониторинга с глубокой диагностикой технического состояния сборочных узлов и деталей шпиндельной бабки многооперационного станка модели ИР 500 ПМФ4 и ее последующего ремонта на централизованном участке Технического центра.
В процессе эксплуатации многооперационных станков с ЧПУ часто появляется повышенная вибрация шпиндельных бабок и шпинделей.
Причины повышенной вибрации шпиндельных узлов многооперационных станков моделей ИР 500, ИР800, ИР1250 , собранные за 35 лет, представлены на нижерасположенном рисунке.
Диагностику представленных выше дефектов шпиндельной бабки и шпинделя станков модели ИР500,ИР800 и ИР1250 эффективнее всего проводить по классическим спектрам и спектрам огибающей вибрационных сигналов, снятых со шпиндельной бабки и шпиндельных узлов при помощи вибропреобразователей, установленных на корпусах вблизи подшипниковых опор.
Техническая диагностика шпинделя и шпиндельной бабки — это комплекс работ, представляющий собой универсальный подход в определённой последовательности исполнения замеров технических параметров. Также диагностика является вектором на установление и анализ причин и признаков неисправности и формирования способов их решения.
Во многих случаях для диагностики состояния шпинделей многооперационных станков с ЧПУ недостаточно простых показателей, основанных на вибродиагностике, так как полученные показатели технического состояния деталей шпинделя взаимосвязаны с дополнительными перемещениями, вызванными дефектными деталями, с динамикой работы шпинделя. А полная диагностика технического состояния шпинделя должна основываться на возникающих дефектах и трендах их роста.
Для сбора данных и отделения динамики шпинделя от геометрии дефектов в Техническом центре была разработана и внедрена АСУ «Мониторинг с глубокой диагностикой технического состояния шпиндельной бабки и шпинделя многооперационного станка модели ИР 500 ПМФ», работающего в составе гибкой производственной линии, состоящей из 8 многооперационных станков (моделей ИР 500 ПМФ 4 и MS 3-200), которая включала в себя:
-вибромониторинг технического состояния подшипников и вала шпинделя;
-диагностику технического состояния шпинделя с помощью применения лазерных систем;
-предотвращение незапланированных простоев станка из-за неисправного шпинделя;
-контроль качества шпинделя и шпиндельной бабки на протяжении всего жизненного цикла;
-заблаговременное обнаружение повреждения подшипников и шестерен шпиндельной бабки.
Разработка и внедрение АСУ «Мониторинг технического состояния узлов шпиндельной бабки» и системы проверки и контроля ее работы стало идеальным решением для служб Технического центра ТОиР предприятия по осуществлению качественного ремонта шпинделей и шпиндельных бабок.
Стенд проверки и контроля технического состояния узлов и деталей шпинделей, шпиндельных бабок мотор-шпинделей состоит из:
станины;
приспособления для крепления шпинделей и мотор-шпинделей;
набора вибродатчиков;
набора модулей диагностики технического состояния узлов станков производства фирмы ATRIS;
набора приборов контроля и диагностики геометрических параметров станков;
системы ЧПУ Sinumerik 840 D sl с ЖК-дисплеем, панелью программируемых клавиш, панелью оператора;
сервоприводов производства фирмы Siemens;
серводвигателей, оснащённых системой обратной связи по положению – энкодерами;
системой безопасности (кнопки аварийной остановки, модуль двойного контура безопасности);
системой электроавтоматики;
программного обеспечения «LC-VISION PSC»;
набора приспособлений для проведения различных измерений.
Кроме выполнения удаленного мониторинга с глубокой диагностикой технического состояния механических узлов станков стенд позволяет выполнять в реальном режиме времени следующие дополнительные операции:
проверку исправного функционирования ЧПУ и его составных частей;
проверку работоспособности приводов и источника питания приводов;
проверку внутренних компонентов блоков при соответствии спецификаций Siemens;
проверку функционирования двигателей и энкодеров;
отработку управляющих программ и циклов в рамках учебного процесса;
создание и модификацию программ электроавтоматики для обучения обслуживающего персонала методам поиска и устранения неисправностей при помощи функции LADDER;
обучение и закрепление навыков по обслуживанию систем управления Siemens.
На нижерасположенном рисунке показано АРМ диагноста центра обработки получаемых вибрационных характеристик Технического центра «ТОиР оборудования с ЧПУ», которое состоит из мониторов, подключенных к сети АСУ «Мониторинг», библиотеки специальных программ по обработке вибросигналов, системы ЧПУ и специализированных модулей диагностики технического состояния элементов узлов станка ATRIS.
Задача автоматизированной системы мониторинга с глубокой диагностикой деталей шпиндельной бабки и самого шпинделя заключается не только в контроле технического состояния шпинделя с возможностью определять время его выхода в ремонт. Не менее важной является возможность оперативно защитить шпиндель от последствий перегрузок и столкновений.
Определение влияния конструктивно-технологических факторов процесса фрезерования на виброактивность шпиндельной бабки и самого шпинделя осуществлялось процессом моделирования возможного состояния элементов шпиндельной бабки во время обработки заготовки, с последующим проведением экспериментальных работ на специально разработанном стенде на базе многоцелевого станка модели ИР 320 ПМФ4.
На нижерасположенном рисунке представлена структурная блок сх-ма вибродиагностики шпинделя и шпиндельной бабки многооперационного станка модели ИР 500 ПМФ4.
Процесс диагностирования шпинделя и шпиндельной бабки многооперационного станка модели ИР 500 ПМФ4, проводимый Техническим центром «ТОиР оборудования с ЧПУ» и представленный на рисунке выше, основан на определении дефектов по классическим спектрам и спектрам огибающей вибрационных сигналов, снятых со шпинделя и шиндельной бабки при помощи вибропреобразователей (акселерометров), установленных вблизи передней подшипниковой опоры и на корпусе шпиндельной бабки.
Для повышения точности определения дефектного узла эффективности работы АСУ «Мониторинг» мы разработали и внедрили модуль анализа полученных амплитудно-частотных характеристик на базе проведения машинного обучения с применением искусственных нейронных сетей, что позволило нам резко повысить точность постановки диагноза исследуемому узлу.
Для решения поставленной нами задачи наиболее эффективна оказалась сеть прямого распространения, в которой каждый нейрон текущего слоя был бы связан со всеми нейронами предыдущего слоя. Количество входных и выходных элементов нейронной сети определяется индивидуально для каждого узла станка.
На нижерасположенном рисунке представлена усовершенствованная блок-схема вибродиагностики шпинделя и шпиндельной бабки многооперационного станка модели ИР 500 ПМФ4.
Для проведения мониторинга с глубокой диагностикой технического состояния узлов шпиндельной бабки и шпинделя и последующего их ремонта сотрудники Технического центра использовали нижеописанный алгоритм.
1. Алгоритм проведения ремонта шпинделя многооперационного станка модели ИР 500 ПМФ4
1.1. Провели визуальный осмотр технического состояния станка, шпиндельной бабки и шпинделя.
1.2. Провели комплексную вибродиагностику технического состояния шпиндельной бабки:
1.2.1.с использованием переносных приборов вибродиагностики, блок-схема которой показана на нижерасположенном рисунке.
1.2.2.с использованием удаленной АСУ «Мониторинг с глубокой диагностикой технического состояния узлов шпинделей» многооперационного станка модели MG-60 производства фирмы WFL с помощью лазерной системы модели ХК 10 производства фирмы Renishaw, блок-схема измерения точности вращения оси шпинделя которой показана на нижерасположенном рисунке.
А на нижерасположенном рисунке представлена фотография Лазерной системы ХК 10 производства фирмы Renishaw.
1.3. По результатам полученных данных определили зарождение дефекта в переднем подшипнике шпинделя.
1.4. На основании проведенного анализа определили: 1.4.1. возможно ли исключить ущерб при продолжении эксплуатации станка; 1.4.2. являются расходы на аварийный ремонт экономически приемлемыми; 1.4.3. будет ли техническое состояние шпиндельной бабки влиять на качество обработки и показатели производства; 1.4.4. возможно ли скорректировать работу шпиндельной бабки без разборки; 1.4.5. является ли аварийный ремонт шпинделя необходимостью; 1.4.6. необходимость подачи заявки на приобретение комплекта подшипников.
1.5. Принятие решения по дальнейшим действиям: 1.5.1. продолжить эксплуатацию станка; 1.5.2. ежемесячно проводить диагностику технического состояния шпинделя с помощью переносных приборов или используя АСУ «Мониторинг»;
1.5.3. при дальнейшем росте амплитуды виброускорения приступить к еженедельному проведению диагностики технического состояния шпинделя с помощь переносных приборов или используя АСУ «Мониторинг».
Блок-схема с изменением тренда контролируемых параметров шпинделя многооперационного станка модели ИР 500 ПМФ 4 , полученного при постоянном удаленном мониторинге, представлена на нижерасположенном рисунке.
Оценка технического состояния станочных шпинделей и шпиндельных бабок основана на контроле таких параметров вибрации, как виброскорость и виброускорение. Контроль вибрации шпинделя станка производится в режиме холостого хода и в процессе обработки заготовок в реальном режиме времени по осям X, Y, Z, исходя из сигналов, замеренных датчиками вибрации, установленными на корпусе шпинделя и шпиндельной бабки. Международный стандарт ISO/TR 17243 определяет нормы этих параметров для различных типов шпинделей. Так, для шпинделей со встроенными приводами, работающими со скоростями от 600 до 18 000 об/мин, нормы параметров виброускорения разделены на зоны по следующим уровням проблемности:
Зона А – новые шпиндели; Зона В – шпиндели могут нормально работать в непрерывном режиме; Зона С – шпиндели не должны работать в непрерывном режиме, требуют планового ремонта; Зона D – требуется срочный ремонт шпинделя; Зона E – уровень отключения шпинделя.
Для контроля предельных значений вибронагрузки и ударной нагрузки на шпиндель в процессе резания мы используем значения предельных норм вышеуказанных зон, которые, как правило, устанавливаются производителями шпинделей и подбираются в результате практической деятельности сотрудниками Технического центра.
На нижерасположенном рисунке представлена таблица-светофор технического состояния шпинделя, применяемая сотрудниками бюро диагностики Технического центра при настройке программируемых контроллеров на предельные уровни виброускорений и виброскоростей разных шпинделей.
1.5.4. при дальнейшем росте амплитуды виброускрения в аварийной зоне необходимо отключить станок.
1. 6. Приняли стратегию ремонта шпинделя:
1.6.1. ППР;
1.6.2. ППР по техническому состоянию;
1.6.3. плановый узловой ремонт;
1.6.4. аварийный ремонт.
1.7. Демонтировали шпиндель со станка.
1.8. Транспортировали шпиндель на централизованный специализированный участок ремонта шпинделей.
1.9. Провели полную диагностику технического состояния узлов шпинделя на специализированном диагностическом стенде.
1.10. Провели ремонт шпинделя с заменой комплекта подшипников.
1.11. Собрали шпиндель и обкатали его на специализированном стенде со снятием всех характеристик в течении 24 часов.
1.12. Смонтировали шпиндель на станок и сдали его в эксплуатацию.
1.13. Провели анализ причин выхода из строя подшипников, не отработавших свой ресурс.
1.14. Разработали и реализовали мероприятия по повышению надежности работы оборудования и сотрудников Технического центра.
Результаты диагностики показали следующие дефекты:
выход из строя тарельчатых пружин в устройстве зажима инструмента;
выход из строя сильфонной муфты, соединяющей вал электродвигателя с валом коробки скоростей шпиндельной бабки.
Разборка шпиндельной бабки и шпинделя подтвердили результаты диагностики на 100%
Планирование ремонта шпинделя по результатам вибромониторинга позволило Техническому центру исключить риск длительного ремонта при внезапном отказе из-за необходимости восстановления посадки подшипников на валу и в корпусе шпинделя.
Теперь перейдем к описанию работ по ремонту шпинделя на централизованном специализированном участке Технического центра.
2. Разборка шпинделя многооперационного станка модели ИР 500 ПМФ 4
2.1. Шестигранным ключом отвернуть 6 болтов 10х45 и снять передний фланец корпуса шпиндельного устройства.
2.3. С помощью выжимных болтов М8х60 снять два масло-отражательных кольца на заднем торце шпинделя, используя шестигранный ключ.
2.4. Используя щипцы снять стопорное кольцо.
2.5. Используя молоток и выколотку, вынуть шпиндель из корпуса. Перед началом работ нанести метку положения наружных и внутренних обойм переднего и заднего подшипников.
2.6. Используя шестигранный ключ, молоток, отвертку и шлицевой ключ расконтрить винт и открутить гайку.
2.7. С помощью выколотки и молотка снять проставочную втулку.
2.8. С помощью молотка и выколотки выпрессовать из шпинделя радиально-упорный подшипник. Осмотреть состояние подшипника, особенно внутреннего кольца переднего двухрядного роликового подшипника, предварительно установив метку положения на проставочную втулку, т.к. с ее помощью был сбалансирован шпиндель.
2.9. Проверить технические характеристики подшипника на стенде входного контроля. Результаты проверки подтвердили наличие дефектов в подшипнике в виде деформации тел качения и внутреннего кольца двухрядного роликового подшипника.
2.10. Снять кольцо со шпинделя и используя шлифовальный станок модели 3Е721ВФ11 и микрометр 0-25 прошлифовать до обеспечения натяга между роликами и дорожками подшипника качения в пределах 0,005 мм. При этом параллельность торцов кольца не должна превышать 0,005 мм.
3. Демонтаж шпиндельного устройства и механизма зажима инструмента в шпинделе
3.1. Используя «антикувалду» и шестигранный ключ №14 впрессовать 2 штифта Ø16х50, отвернуть 8 болтов М16х40 (с граверами) и демонтировать шпиндель с заднего торца шпиндельной бабки.
3.2. Используя накидной ключ 24х27 завернуть 4 шпильки М16х250 вместо болтов М16х40, выпрессовать шпиндель на 120-130 мм, зачалить чалкой, отвернуть шпильки и полностью впрессовать и снять шпиндель.
3.3. Снять механизм зажима инструмента (захват с тарельчатыми пружинами, втулкой и тремя шариками), при этом предварительно сделав риски на втулке и шпинделе.
3.4. Снять шарики с захватом.
3.5. Используя специальный ключ для заворачивания шлицевых гаек, отвернуть гайку с заднего торца захвата и снять тарельчатые пружины.
3.6. Снять цилиндр с уплотнительным кольцом с заднего торца захвата, тарельчатые пружины, втулку.
3.7. В моечной машине модели MAGITO MAJOR промыть детали зажима (тарельчатые пружины, втулки, шарики, цилиндр, гайку).
3.8. Детали просушить и продуть сжатым воздухом.
3.9. Отправить детали на дефектацию. В результате проведенной дефектации деталей устройства зажима инструментальных оправок определили наличие дефектов в виде деформации и разрушений 12 тарельчатых пружин.
3.10. Осмотреть техническое состояние сильфонной муфты, соединяющей вал электродвигателя с валом коробки скоростей шпиндельной бабки. В результате осмотра муфты соединения вала двигателя с валом коробки скоростей шпиндельной бабки были обнаружены начальные разрушения металлического сильфона в виде наличия деформации и трещин.
4. Сборка шпинделя
4.1. Используя молоток и выколотку установить на шпиндель два маслоотражательных кольца.
4.2. Используя молоток и выколотку установить на фланец резиновое кольцо и запрессовать его на шпиндель.
4.3.Используя молоток, выколотку, гидропресс модели НР15 производства фирмы Knuth и специальные шприцы смазать равномерно смазкой ПКС-2 или Kluber Jsollex NBU15 (18 cм нормы) ролики по периметру подшипника и запрессовать его в шпиндель.
4.4.С помощью молотка и выколотки установить на шпиндель кольцо.
4.5. С помощью молотка и выколотки установить на шпиндель второе кольцо.
4.6. С помощью молотка, выколотки, гидравлического пресса модели НР 15 запрессовать подшипник на шпиндель, предварительно смазав его по периметру смазкой ЛКС-2 (норма расхода 40 см ), используя специальный шприц.
4.7. Установить проставную втулку на шпиндель, чтобы совпали метки на втулке и шпинделе.
4.8. Используя ключ для заворачивания шлицевых гаек навернуть гайку на шпиндель.
4.9. Используя молоток и выколотку установить кольцо на шпиндель.
4.10. Используя молоток, выколотку, гидравлический пресс модели НР 15 запрессовать подшипник на шпиндель, предварительно смазав его по периметру смазкой ЛКС-2 или Kluber.
4.11. Установить кольцо на шпиндель.
4.12. Используя накидной ключ 12х14, отвертку 30х5, молоток установить на шестерню-полумуфту два маслоотражательных кольца и закрепить их на шпинделе четырьмя болтами М8х25 с двумя контровочными пластинами.
4.13. Установить шпиндель в сборе в корпус.
4.14. Установить захват инструментальной оправки в шпиндель. Собрать пакет тарельчатых пружин, составленный попарно . Длина предельной затяжки пакета должна составлять 395 мм, что соответствует усилию 1250-100 кг.
4.15. Установить механизм зажима инструмента в шпиндельное устройство, предварительно совместив риски шпинделя и втулки. Выход инструментальной оправки при «отжиме» инструмента из корпуса шпинделя должен быть на уровне 3 мм. Используя приспособление для определения усилия зажима инструмента в шпинделе настроить его на 1250 кг. При этом необходимо учитывать, что перемещение гайки на 1 мм при заворачивании соответствует увеличению усилия зажима инструмента в шпинделе на 50 кг.
4.16. Установить собранный шпиндель на стенд диагностики.
4.17. Проверить осевое и радиальное биение оси шпинделя.
4.19. Обкатать отремонтированный шпиндель в течении 24 часов.
4.20. Произвести монтаж шпиндельного устройства в корпус шпиндельной бабки станка, обеспечив при этом вертикальное положение торцевых шпонок шпинделя.
4.21.Обкатать шпиндель на станке в течении 24 часов с передачей всей информации о состоянии шпинделя на АРМ диагноста и в базу данных АСУ «Мониторинг».
На этом я заканчиваю данную статью.
При написании данной статьи я использовал следующие материалы:
1. Материалы, опубликованные в открытой печати в интернете. 2. Материалы собственных опубликованных статей. 3. Материалы собственных докладов на научно-технических конференциях. 4. Практические результаты, достигнутые сотрудниками Технического центра в области удаленного мониторинга с глубокой диагностикой технического состояния узлов оборудования с ЧПУ.