Шуваев В.Г., Папшев В.А.

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДАМИ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ В ПРОЦЕССЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ

В статье рассмотрены вопросы выбора момента приложения ударных тестовых воздействий для определе-

ния декремента затухания как показателя качества формируемых соединений при автоматизированной сбор-

ке деталей типа вал-втулка.

Процесс автоматизированной сборки деталей предполагает наличие методов и средств для определения,

как качества сборочных операций, так и свойств формируемых соединений [1]. Механика динамического

взаимодействия контактирующих поверхностей деталей в процессе сборки продольной запрессовкой учиты-

вает расположение вершин выступов неровностей на различных уровнях, что приводит к локализации кон-

тактной деформации на дискретных площадках шероховатых поверхностей, создает переменное возмущение и

вызывает локальные колебания и поверхностные волны. Между показателями качества процесса запрессовки

и динамическими характеристиками реализующей этот процесс колебательной механической системы суще-

ствует прямая взаимосвязь, достаточно хорошо аналитически описанная в теории механических колебаний

и служащая основой для построения диагностических алгоритмов [2,3].

При реализации диагностических алгоритмов в процессе сборки измеряют величины колебаний поверхно-

стей контакта соединяемых деталей, проводят частотный анализ измеренных колебаний, по результатам

которого определяют погрешности сборки. Однако при измерении и анализе механических колебаний, воз-

никающих в процессе сборки деталей, соответствующие им электрические сигналы имеют сравнительно не-

большую амплитуду и искажаются помехами как механической, так и электрической природы. Для расшире-

ния функциональных возможностей вибрационной диагностики и повышения достоверности обнаружения нека-

чественной сборки за счет фиксации локальных дефектов предлагается дополнительно возбуждать в соеди-

няемых деталях одиночным импульсом колебания и определять некачественную сборку по результатам пара-

метров отклика [4]. Определяющими факторами, влияющими на параметры свободных затухающих колебаний,

являются рассеяние энергии и диссипативные силы в контакте, которые можно оценить по коэффициенту

поглощения или логарифмическому декременту затухания. По осциллограммам затухающих контактных коле-

баний, полученным в результате эксперимента, определяются амплитуда и частота колебательного процес-

са, другие параметры вибрации.

В процессе сборки осуществляют возбуждение колебаний одиночным импульсом в соединяемых деталях и

определяют некачественную сборку по результатам анализа параметров отклика, причем возбуждение коле-

баний одиночным импульсом и анализ параметров отклика проводят последовательно для ряда значений

координат линейного относительного перемещения деталей.

Рассмотрим процесс автоматизированной сборки деталей типа вал-втулка, реализуемый с помощью раз-

работанного устройства для определения качества сборки, схема которого представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема устройства для определения качества сборки

Устройство содержит деталь стержневого типа (вал) 1, которая с помощью схвата робота 2 вставляет-

ся в отверстие детали 3, установленной на базирующем приспособлении 4.

Отклонения размеров и формы поверхностей контакта, собираемых деталей приводят к изменению вели-

чины амплитуды колебаний, которые при помощи датчика вибрации 5 преобразуются в электрический сиг-

нал, поступающий в аналого-цифровой преобразователь (АЦП-1) 6 и из него в персональный компьютер 7.

Перемещение схвата робота вместе с деталью 1 осуществляется с помощью двигателя привода 11, вра-

щательное движение которого парой винт 10 гайка 12 преобразуется в поступательное перемещение соот-

ветственно ползуна 14, штанги 16 и схвата 2. Ползун связан с гайкой кронштейном 13 и перемещается по

направляющей вертикального перемещения 15. Информация о перемещении детали 1 в вертикальном направ-

лении с помощью преобразователя перемещений 8 преобразуется в электрический сигнал и подается через

АЦП-2 9 в персональный компьютер 7, где и фиксируется.

На основе результатов частотного анализа колебаний, осуществляемого в компьютере с помощью специ-

альных программ (быстрое преобразование Фурье), определяют дефекты сборки деталей путем сравнения

эталонных значений частотных составляющих, хранящихся в памяти компьютера, с реальными значениями.

На губке 17 схвата робота с помощью кронштейна 18 закреплена катушка электромагнита 19 с токо-

проводящей обмоткой 20. В катушке электромагнита установлен сердечник 21, который с помощью воз-

вратной пружины 22 соединен с губкой. На конце сердечника закреплен ударник 25, который через от-

верстие в губке может воздействовать на деталь стержневого типа. Обмотка катушки электромагнита под-

ключена к выходу блока управления ударником 23, управляющий сигнал на который подается от персональ-

ного компьютера через цифро-аналоговый преобразователь 24.

В процессе сборки в персональном компьютере 7 осуществляется постоянное сравнение амплитуды коле-

баний поверхностей контакта с заданной уставкой. При достижении амплитудой колебаний уровня, превы-

шающего уставку, персональный компьютер через цифро-аналоговый преобразователь 24 выдает сигнал на

блок управления ударником 23, который формирует управляющее воздействие (подключает кратковременно

напряжение к токопроводящей обмотке катушки электромагнита). Под действием электромагнитных сил сер-

дечник с ударником через отверстие в губке схвата наносит удар по детали (валу). После отключения

питания возвратная пружина 22 переместит сердечник с ударником в первоначальное положение.

Импульсом удара в соединяемых деталях возбуждают свободные затухающие колебания, преобразуемые

датчиком вибрации 5 в электрический сигнал, по которому в персональном компьютере осуществляется

определение декремента затухания Λ и сравнение с эталонным значением декремента затухания Λ0, соот-

ветствующего фактической площади контакта и контактному давлению для текущего значения координаты

линейного относительного перемещения деталей.

Следующий цикл определения декремента затухания Λ осуществляется аналогично уже для следующего

момента превышения амплитуды колебаний величины уставки. В промежутках между определением декремента

затухания Λ проводится частотный анализ и определение величины каждой частотной составляющей колеба-

тельного сигнала, причем анализ параметров отклика проводится в функции координат линейного относи-

тельного перемещения соединяемых деталей.

Применение разработанного метода оценки качества соединений позволяет повысить точность определе-

ния положения дефектов в процессе сборки, что достигается за счет фиксации моментов превышения ам-

плитуды вибрационного сигнала заданной уставки и возбуждения колебаний одиночным импульсом, по ре-

зультатам анализа параметров отклика которого проводят оценку качества сборки. Получение характери-

стик затухания процесса для различных внешних условий дает возможность оценить величину диссипации

механической энергии в контакте, а также установить резонансные зоны и зоны устойчивой работы кон-

тактных пар, что, в свою очередь, поможет создавать с учетом полученных рекомендаций условно-

неподвижные соединения достаточно надежными и прочными в эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРЫ 1. Базров Б.М. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2005. -

736 с.

2. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний: Учебное пособие. – М.: Наука, Главная

редакция физико-математической литературы, 1980.-272 с.

3. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г. Информационно-технологическое обеспечение эксплуатационных свойств

прессовых соединений при ультразвуковой сборке// Сборка в машиностроении, приборостроении. 2004, №

11. С. 34-36.

4. А.с. № 1824279; Б.И. № 24; 30.06.93. Способ определения качества сборки / В.А. Николаев, В.Г.

Шуваев, В.А. Папшев.