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 технологического института Национального исследовательского ядерного университета МИФИ (завкафедрой канд. техн. наук, доц. 
В. В. Закураев);
гендиректор ООО «Делкам-Урал» канд. техн. наук В. Г. Жураховский

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 диагностика технических систем», «Исследование технического состояния 
технологической системы», в ходе которых изучают основные направления, методологию и содержание прикладных исследований технологических систем в машиностроении, прежде всего в станкостроении, применение 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, необходимость их дальнейшего совершенствования ставят перед инженерно-техническими работниками задачи получения новых 
научных знаний для целенаправленного поиска и объективной оценки технических решений. В свою очередь получение 
новых знаний связано с проведением двух уровней исследований: эмпирических с использованием натурных экспериментов 
и теоретических на основе построения математической модели, адекватной изучаемому объекту. В последние годы в машиностроении для оценки состояния оборудования его работоспособности и выявления причин, оказывающих влияние 
на изменение выходных параметров, все шире применяются 
методы технической диагностики.
Основная цель пособия — привить навыки системного подхода к проведению экспериментальных исследований, диагностирования и испытаний технологических систем.

Основная терминология

В 
соответствие с ГОСТ 27.002–84 «Надежность в технике, термины и определения» под надежностью технологических систем следует понимать их свойства сохранять 
во времени работоспособное состояние.
Под технологической системой по ГОСТ 27.004–85 «Надежность в технике. Системы технологические» понимают 
совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического 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 эффективное 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 изготовления детали, мин.
Иногда используют производительность формообразования

 
Q = Vр tр/L T,

где Vр — скорость резания (перемещение инструмента по образующей 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 показателями: универсальностью и переналаживаемостью. Универсальность определяется числом разных деталей, подлежащих 

ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

обработке на данном станке, то есть номенклатурой И обрабатываемых деталей. Отношение годового выпуска N к И определяет серийность
 
S = N/И.

Переналаживаемость определяется потерями времени 
и средств на переналадку станочного оборудования при переходе от одной партии заготовок к другой. Таким образом, переналаживаемость зависит от числа деталей в партии Р, обрабатываемых 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 кинематическую точность. Геометрическая точность зависит от ошибок изготовления соединений и влияет на точность взаимного 
расположения узлов станка при отсутствии внешних воздействий, поэтому зависит от точности изготовления соединений 
базовых деталей и от качества сборки станка. Существуют нормы на погрешности в расположении основных узлов станка. 
На соответствие этим нормам проверяют новое оборудование 
при приемке его к эксплуатации, а также периодически в процессе его эксплуатации. Нормы на допустимые для данного 
станка геометрические погрешности зависят от требуемой точности изготовления деталей.
Кинематическая точность необходима для станков, в которых сложные движения требуют согласования перемещения нескольких простых. Нарушения согласованных движений 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 конструктора недостающей информацией для объективной оценки технических решений.
В настоящее время, как правило, к проведению исследований применяется системный подход, который характеризуется представлением изучаемого объекта в виде системы, состоящей из элементов, взаимосвязанных друг с другом, с внешней 
средой и функционирующих в условиях воздействия случайных факторов.
В общем случае основными этапами системного исследования являются:
1) осознание цели и постановка задачи;

ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 2) предварительный анализ имеющейся информации, условий и методов решения аналогичных задач;
 3) формулирование исходных гипотез, касающихся математической модели изучаемого объекта;
 4) теоретический анализ гипотез;
 5) разработка методики, планирования и организация эксперимента;
 6) проведение эксперимента;
 7) анализ и обобщение результатов;
 8) проверка исходных гипотез и идентификация или определение математической модели объекта по результатам эксперимента;
 9) математическое моделирование;
10) обобщение результатов исследования и формулирование выводов.
Цель исследования обычно связана с поиском путей повышения эффективности станков. Например, требуется повысить 
суммарную жесткость технологической системы. Необходимо 
найти количественную оценку этого свойства.
Можно в качестве критериев оценки жесткости выбрать величины суммарных упругих деформаций систем инструмента 
и заготовки по координатным осям X, Y, Z под действием силы 
резания. Они образуют вектор критериев и являются выходами будущей математической модели станка. Выходы должны 
обладать свойством наблюдаемости, то есть удобно и хорошо 
измеряться при проведении эксперимента.
Характеристика цели, заданная количественно, называется параметром оптимизации, или выходом модели. Она является реакцией (откликом) воздействия факторов. Математическая 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, обеспечивающих повышение жесткости;
4) разработать рекомендации для повышения жесткости 
технологической системы станка.
Кроме того, необходим набор информации, ее систематизирование и анализ. Информация должна касаться структуры объекта и типа моделей, описывающих его поведение. Под 
структурой понимают некую формализованную схему объекта, 
освобожденную от деталей, которые не имеют отношение к целям исследования. Так, представление о станке даст расчетная 
схема, упрощенно отражающая элементы реального станка.
Станки являются объектами, функционирующими во времени и пространстве. Аргументами входных и выходных сигналов динамической системы станка могут служить время, 
пространственные координаты, некоторые специальные переменные, используемые в преобразованиях Лапласа, Фурье. 
Математические модели подобных систем относят к динамическим. Динамическими моделями являются дифференциальные уравнения, импульсные и частотные характеристики, 
передаточные функции, уравнения регрессии. Априорная информация о структуре изучаемого объекта позволяет сформулировать исходную гипотезу о виде его математической модели.
Объекты могут быть разделены на две группы:
1) объекты, модели которых известны вплоть до приблизительных значений коэффициентов;
2) объекты, модели которых известны, а численные значения коэффициентов неизвестны.
Для первой группы задача идентификации отсутствует. Методы идентификации объектов второй группы носят название 
параметрических, то есть сводятся к определению параметров 
известной модели по результатам экспериментов. Для объек