Исследование и испытание технологических систем

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

М. П. Журавлев

ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
СИСТЕМ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 
для студентов вуза, обучающихся 
по направлениям подготовки
15.03.05, 15.04.05 — 
Конструкторско-технологическое обеспечение 
машиностроительных производств

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 62:620.1(075.8)
ББК 30.65-07я73
          Ж91

Рецензенты: 
кафедра технологии машиностроения Новоуральского техноло-
гического института Национального исследовательского ядер-
ного университета МИФИ (завкафедрой канд. техн. наук, доц. 
В. В. Закураев);
гендиректор ООО «Делкам-Урал» канд. техн. наук В. Г. Жура‑
ховский

Научный редактор — доц., канд. техн. наук С. С. Кугаевский

Журавлев, М. П.
Ж91    Исследование и испытание технологических систем : учеб. 
пособие / М. П. Журавлев. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2017. — 84 с.

ISBN 978-5-7996-2128-5

Пособие предназначено для студентов всех форм обучения по курсам 
«Надежность и диагностика технологических систем», «Надежность и ди-
агностика технических систем», «Исследование технического состояния 
технологической системы», в ходе которых изучают основные направле-
ния, методологию и содержание прикладных исследований технологи-
ческих систем в машиностроении, прежде всего в станкостроении, при-
менение автоматизированных систем и средств исследований объектов 
машиностроения, измерительно-вычислительных комплексов на базе 
системного подхода как к проведению исследований, диагностированию 
объектов, так и к испытаниям современного оборудования.

Библиогр.: 15 назв. Табл. 2. Рис. 19.
УДК 62:620.1(075.8)
ББК 30.65-07я73

ISBN 978-5-7996-2128-5 
© Уральский федеральный 
 
     университет, 2017

Введение

В
ысокие требования к надежности и другим важнейшим 
характеристикам технологических систем, необходи-
мость их дальнейшего совершенствования ставят перед инже-
нерно-техническими работниками задачи получения новых 
научных знаний для целенаправленного поиска и объектив-
ной оценки технических решений. В свою очередь получение 
новых знаний связано с проведением двух уровней исследова-
ний: эмпирических с использованием натурных экспериментов 
и теоретических на основе построения математической моде-
ли, адекватной изучаемому объекту. В последние годы в ма-
шиностроении для оценки состояния оборудования его рабо-
тоспособности и выявления причин, оказывающих влияние 
на изменение выходных параметров, все шире применяются 
методы технической диагностики.
Основная цель пособия — привить навыки системного под-
хода к проведению экспериментальных исследований, диагно-
стирования и испытаний технологических систем.

Основная терминология

В 
соответствие с ГОСТ 27.002–84 «Надежность в техни-
ке, термины и определения» под надежностью техно‑
логических систем следует понимать их свойства сохранять 
во времени работоспособное состояние.
Под технологической системой по ГОСТ 27.004–85 «На-
дежность в технике. Системы технологические» понимают 
совокупность функционально взаимосвязанных средств тех-
нологического оснащения, предметов производства и исполни-

ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

телей для выполнения в регламентированных условиях производства 
заданных технологических процессов и операций. 
Технологическая система понимается как совокупность оборудования, 
приспособлений, инструментов, заготовок и процессов, 
происходящих в ходе технологического воздействия.
Техническая система — это система взаимосвязанных элементов, 
образующих единое целое. Таким образом, техническая 
система — это совокупность взаимосвязанных элементов 
технического объекта, объединенных для выполнения определенной 
функции, обладающая при этом свойствами, не сводящимися 
к сумме свойств отдельных элементов.
Технический объект — это созданное человеком реально 
существующее устройство, способ, материал, которые предназначены 
для удовлетворения определенных потребностей.
Техническая диагностика — установление и изучение 
признаков, характеризующих наличие дефектов в машинах, 
устройствах, их узлах, элементах и т. д., для предсказания возможных 
отклонений в режимах их работы, а также разработка 
методов и средств обнаружения и локализации дефектов 
в технических системах. Диагностика — наиболее эффектив-
ное средство повышения надежности технологической системы 
при эксплуатации. Надежность и диагностика технологических 
систем — основные показатели качества.

1. Критерии оценки технологических систем

Д
ля сравнительной оценки технического уровня машин 
используют определенные критерии, характеризующие 
их качество [6].
Эффективность — это комплексный показатель, который 
наиболее более полно отражает главное назначение оборудова-

1. Критерии оценки технологических систем

ния — повышать производительность труда при соответственном 
снижении затрат на изготовление деталей,

 
A = N/SC,

где А — эффективность, шт/р.; N — годовой выпуск деталей, 
шт.; SС — сумма годовых затрат, р.
При проектировании машин следует стремиться к максимальной 
эффективности.
Сравнение эффективности двух вариантов ведут по разности 
приведенных (суммарных) затрат, р.,

 
Р = (SС) – (SС).

Производительность определяет способность технологической 
системы обеспечивать обработку определенного числа деталей 
в единицу времени. Штучная производительность выражается 
числом деталей, изготавливаемых в единицу времени,

 
Q = Т0/Т,

где Т0 — годовой фонд времени, мин; Т — время цикла изго-
товления детали, мин.
Иногда используют производительность формообразования

 
Q = Vр tр/L T,

где Vр — скорость резания (перемещение инструмента по об-
разующей линии обрабатываемой поверхности), м/мин; tр — 
время резания, мин; L — путь резания, мм.
Основные направления повышения производительности 
связаны с увеличением снятия объема металла, совмещением 
разных операций, сокращением всех видов потерь.
Гибкость — способность к быстрому переналаживанию при 
изготовлении новых деталей. Ее характеризуют двумя показа-
телями: универсальностью и переналаживаемостью. Универ-
сальность определяется числом разных деталей, подлежащих 

ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

обработке на данном станке, то есть номенклатурой И обраба-
тываемых деталей. Отношение годового выпуска N к И опре-
деляет серийность
 
S = N/И.

Переналаживаемость определяется потерями времени 
и средств на переналадку станочного оборудования при пере-
ходе от одной партии заготовок к другой. Таким образом, пе-
реналаживаемость зависит от числа деталей в партии Р, обра-
батываемых на данном оборудовании в течение года. При этом 
средний размер партии

 
К = N/P.

Точность станка определяет точность обработанных на нем 
изделий и условно разделяется на геометрическую и кинема-
тическую точность. Геометрическая точность зависит от оши-
бок изготовления соединений и влияет на точность взаимного 
расположения узлов станка при отсутствии внешних воздей-
ствий, поэтому зависит от точности изготовления соединений 
базовых деталей и от качества сборки станка. Существуют нор-
мы на погрешности в расположении основных узлов станка. 
На соответствие этим нормам проверяют новое оборудование 
при приемке его к эксплуатации, а также периодически в про-
цессе его эксплуатации. Нормы на допустимые для данного 
станка геометрические погрешности зависят от требуемой точ-
ности изготовления деталей.
Кинематическая точность необходима для станков, в ко-
торых сложные движения требуют согласования перемеще-
ния нескольких простых. Нарушения согласованных движе-
ний нарушает правильность заданной траектории движения 
инструмента относительно заготовки и искажает тем самым 
форму обработанной поверхности. Особое значение это имеет 
для зубообрабатывающих, резьбонарезных и других станков 
для сложной контурной обработки.

2. Теория проведения экспериментальных исследований технологических систем

Эксплуатация любого оборудования представляет собой 
сложную систему мероприятий, включающую не только монтаж, 
наладку, контроль точности, но и безопасность работы. 
К эксплуатационным характеристикам относят те, которые 
необходимы для контроля нормальной работы оборудования: 
частоту вращения шпинделя, максимальное количество подаваемой 
СОЖ в минуту, потребляемую мощность электродвигателя, 
нагрев узлов станка, шум, вибрации и др. Эксплуатационные 
показатели — надежность, безотказность, долговечность, 
ремонтопригодность, технический ресурс, технологическая надежность. 
Более подробно эксплуатационные показатели будут 
рассмотрены в гл. 6.

2. Теория проведения экспериментальных 
исследований технологических систем

И
сследование как процесс выработки новых научных 
знаний о свойствах станка обычно проводят на начальном 
этапе процесса его проектирования. Оно обеспечивает кон-
структора недостающей информацией для объективной оцен-
ки технических решений.
В настоящее время, как правило, к проведению исследова-
ний применяется системный подход, который характеризует-
ся представлением изучаемого объекта в виде системы, состоя-
щей из элементов, взаимосвязанных друг с другом, с внешней 
средой и функционирующих в условиях воздействия случай-
ных факторов.
В общем случае основными этапами системного исследова-
ния являются:
1) осознание цели и постановка задачи;

ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 2) предварительный анализ имеющейся информации, ус-
ловий и методов решения аналогичных задач;
 3) формулирование исходных гипотез, касающихся мате-
матической модели изучаемого объекта;
 4) теоретический анализ гипотез;
 5) разработка методики, планирования и организация экс-
перимента;
 6) проведение эксперимента;
 7) анализ и обобщение результатов;
 8) проверка исходных гипотез и идентификация или опре-
деление математической модели объекта по результа-
там эксперимента;
 9) математическое моделирование;
10) обобщение результатов исследования и формулирова-
ние выводов.
Цель исследования обычно связана с поиском путей повы-
шения эффективности станков. Например, требуется повысить 
суммарную жесткость технологической системы. Необходимо 
найти количественную оценку этого свойства.
Можно в качестве критериев оценки жесткости выбрать ве-
личины суммарных упругих деформаций систем инструмента 
и заготовки по координатным осям X, Y, Z под действием силы 
резания. Они образуют вектор критериев и являются выхода-
ми будущей математической модели станка. Выходы должны 
обладать свойством наблюдаемости, то есть удобно и хорошо 
измеряться при проведении эксперимента.
Характеристика цели, заданная количественно, называет-
ся параметром оптимизации, или выходом модели. Она являет-
ся реакцией (откликом) воздействия факторов. Математиче‑
ская модель — это уравнение, связывающее выход с факторами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить 
ряд задач, например:
1) по результатам эксперимента, используя физическую 
модель станка, построить баланс упругих перемещений 
и выявить слабые звенья станка;

2. Теория проведения экспериментальных исследований технологических систем

2) построить математическую модель слабых звеньев;
3) методами математического моделирования осуществить 
поиск значений конструктивных параметров станка, обе-
спечивающих повышение жесткости;
4) разработать рекомендации для повышения жесткости 
технологической системы станка.
Кроме того, необходим набор информации, ее системати-
зирование и анализ. Информация должна касаться структу-
ры объекта и типа моделей, описывающих его поведение. Под 
структурой понимают некую формализованную схему объекта, 
освобожденную от деталей, которые не имеют отношение к це-
лям исследования. Так, представление о станке даст расчетная 
схема, упрощенно отражающая элементы реального станка.
Станки являются объектами, функционирующими во вре-
мени и пространстве. Аргументами входных и выходных сиг-
налов динамической системы станка могут служить время, 
пространственные координаты, некоторые специальные пе-
ременные, используемые в преобразованиях Лапласа, Фурье. 
Математические модели подобных систем относят к динами-
ческим. Динамическими моделями являются дифференци-
альные уравнения, импульсные и частотные характеристики, 
передаточные функции, уравнения регрессии. Априорная ин-
формация о структуре изучаемого объекта позволяет сформу-
лировать исходную гипотезу о виде его математической мо-
дели.
Объекты могут быть разделены на две группы:
1) объекты, модели которых известны вплоть до приблизи-
тельных значений коэффициентов;
2) объекты, модели которых известны, а численные значе-
ния коэффициентов неизвестны.
Для первой группы задача идентификации отсутствует. Ме-
тоды идентификации объектов второй группы носят название 
параметрических, то есть сводятся к определению параметров 
известной модели по результатам экспериментов. Для объек-

ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

тов, информация о которых отсутствует, типа «черный ящик» 
применяют прямые методы, основанные на измерении и обра-
ботке входных и выходных сигналов.
Перед началом экспериментов решается вопрос о вклю-
чении в модель всех параметров объекта, существенно вли-
яющих на его выход. Такие параметры называются факто‑
рами. Отсутствие в модели хотя бы одного из существенных 
факторов может сделать невозможным адекватное описание 
процессов, происходящих в изучаемом объекте, с помощью 
такой модели. Степень влияния каждого фактора различна. 
Но лишь небольшое количество факторов оказывает суще-
ственное влияние на выход, а остальные являются несуще-
ственными. Поэтому перед началом экспериментов обычно 
выдвигают гипотезу о предполагаемом влиянии на выход 
тех или иных факторов. Эту гипотезу проверяют. В против-
ном случае модель объекта может получиться слишком гро-
моздкой. Если априорная информация об объекте обширна, 
то можно отказаться от эксперимента и пойти по пути по-
строения теоретической модели на основе физических и дру-
гих законов природы, описывающих процессы, происходя-
щие в объекте. Если же эксперимент проводить необходимо, 
то надо решить вопросы, связанные с его проведением, опре-
делиться с режимом проведения.
Эксперименты, проводимые непосредственно на реальном 
объекте, могут быть активными и пассивными. При использо-
вании методов активного эксперимента, на вход объекта всег-
да подают специальные возмущающие воздействия и наблю-
дают реакцию объекта на них. Примеры активных методов:
1) частотные методы, основанные на исследовании выход-
ного сигнала объекта, вызванные гармоническим воздей-
ствием различной частоты;
2) методы, связанные с подачей на вход объекта апериоди-
ческих (импульсных, ступенчатых) и специальных слу-
чайных воздействий.