Выбор средств контроля при автоматизации обработки на токарных станках

Комплексная автоматизация – это не только экономически оправданное, но и социально необходимое явление, создающее предпосылки соблюдения технологической дисциплины, что само по себе в значительной степени определяет высокий уровень качества выпускаемой продукции.

Повысить точность обработки и производительность труда, сократить вмешательство оператора в ход технологического процесса обработки партии деталей можно, в частности, с помощью управляющего, контроля (УК).

При работе управляющего контроля в автоматизированных системах механической обработки важное значение имеют правильно выбранные схемы и средства контроля обрабатываемого изделия, инструментов или элементов станка, способы переработки полученной информации и методы коррекции элементов станка.

В настоящее время существует большое количество вариантов контроля точности деталей, обрабатываемых на токарных станках. Так, например, исследователь Росс Х.-Г. (ФРГ) [1] перебором возможных вариантов управляющего контроля получает 192 различные схемы управления точностью. Однако он отмечает, что часть этих схем не рациональна, и из 192 возможных сочетаний после обобщения оставляет всего 13 вариантов контроля детали и режущего инструмента.

В табл. приведены наиболее часто применяемые в настоящее время варианты схем получения измерительной информации при использовании УК на токарных станках с ЧПУ в автоматизированном многономенклатурном производстве.

Любой вариант контроля характеризуется местом и временем осуществления контроля, схемой измерения, применяемыми средствами измерения.

Место и время контроля

При лезвийной обработке деталей в условиях комплексной автоматизации в настоящее время наметились две тенденции измерения контроля параметров деталей – на станке и вне станка. Контроль на станке происходит до обработки, перед окончательным проходом, во время или после обработки. Контроль вне станка – до или после обработки на отдельно вынесенных позициях, куда автоматически подается деталь для измерения. Причем контроль заготовок до обработки обычно вводится для того, чтобы предотвратить поломку режущего инструмента из-за переменного припуска или потери геометрической формы заготовки (изгибов, коробления). Предотвращение поломки достигается, как правило, либо отбраковкой заготовок, либо путем изменения количества проходов режущего инструмента.

Схемы измерения

Схема измерения 1.1 (см. табл. ) реализует контроль диаметра детали на станке и может быть решена на базе специальных скоб, призм, обкатных роликов. Эта схема имеет наиболее короткие размерные цепи, обладает достоверной измерительной информацией, так как измеряет тот параметр детали, который в процессе обработки следует выдержать.

Схема 2.1 для измерения положения поверхности детали относительно элементов станка обладает высокой универсальностью получения измерительной информации, т.е., может измерять не только наружные и внутренние размеры, длины уступов и т.д. Чаще всего такая схема имеет более длинные измерительные размерные цепи, в которые входят отдельные узлы станков. Измерительная информация, например, о диаметре детали, благодаря высокой универсальности схемы может быть получена путем касания с одной стороны поверхности детали, либо с двух противоположных сторон. Достоверность получения измерительной информации несколько ниже по сравнению со схемой 1.1 из-за большего количества погрешностей, возникающих при измерении.

Схема 3.1 контроля состояния положения режущей кромки инструмента до или после обработки проста в организации, не требует сложных приспособлений и, казалось бы, может обеспечить достаточно высокую точность обработки при управлении этим параметром, так как точность обработки деталей определяется положением режущей кромки инструмента относительно заготовки во время обработки. Но можно ли, контролируя состояние режущего инструмента, при чистовой обработке добиться высокой точности изготовления деталей?

Ряд авторов утверждает, что по положению вершины резца управлять точностью токарной обработки нельзя в связи с тем, что при измерении режущего инструмента на точность контроля может оказать влияние наличие нароста у инструмента, возникающего в процессе отвода инструмента. Инструмент оказывается практически всегда покрытым налипшим металлом (даже если обработка велась на режимах, при которых нарост не образуется) [2]. Другие авторы, не найдя стабильной корреляции между положением режущей кромки инструмента и размером диаметра детали, объясняют этот факт тем, что вершина резца формирует впадины шероховатости поверхности; образующиеся при точении, и тем самым ее положение не дает возможности надежно прогнозировать размер детали, определяемый по выступам шероховатости [3].

Проведенные предварительные эксперименты по управлению размерной настройкой станка по режущей кромке резца показали, что можно достичь точности обработки по 7-му квалитету. Тем не менее, необходимо отметить, что в некоторых случаях добиться указанной точности не удавалось в результате низкой корреляционной зависимости между колебанием размеров обработанных диаметров деталей в партии и положением режущей кромки. Следовательно, к подобным вариантам УК необходимо относиться весьма осторожно.

Схемы 1.2 и 2.2 контроля диаметра детали и положения поверхности детали относительно элементов станка во время обработки на токарных станках пока еще не нашли широкого применения в общем машиностроении, поэтому анализ их качества работы здесь не рассматривается.

Схема 3.2 контроля состояния элементов станка во время обработки учитывает только одну составляющую погрешности, связанную с измеряемой деформацией элементов станка. И, как известно, при чистовой обработке на точность диаметра детали влияет большое количество составляющих, поэтому на токарных станках этот вид контроля, как правило, малоэффективен.

Схемы 1.3 и 2.3 контроля диаметра детали и положения поверхности детали относительно элементов измерительной системы вне станка на измерительных позициях в силу возможностей реализации большого числа вариантов контроля и более высокой точности считаются рядом авторов [1, 4] предпочтительнее, чем на станке. Схема 1.3 может быть решена, как и схема контроля 1.1. При использовании схемы 2.3 могут применяться измерительные машины, роботы и т.п. Обе схемы используются при необходимости высокой точности обработки деталей, коротких циклов обработки и сравнительно больших программ выпуска, так как на процесс измерения не влияют точностные характеристики станка, кроме того, этот способ не увеличивает времени обработки деталей.

Схема 3.3 контроля положения режущей кромки инструмента относительно его базовых элементов реализует измерение и настройку режущих инструментов вне станка, например, резцовых блоков, контроль которых обычно осуществляется на специальных приспособлениях или измерительных приборах.

Средства измерения для УК

Широкое распространение для измерения линейных размеров деталей, заготовок, инструментов, элементов станка получили так называемые «зависимые системы измерений», т.е. такие системы, которые зависят от точности станков, качества их работы (см. табл., схемы 2.1, 2.2, 3.1, 3.2). Чаще всего в таких системах используются датчики контакта. Ряд датчиков оснащен индукционной бесконтактной связью, которая позволяет передавать измерительный сигнал на небольшие расстояния – до 2 мм. В других случаях используются датчики с оптической связью, которая функционирует при удалении измерительной головки от приемного устройства до 2 м.

К достоинствам контроля датчиками контакта относятся широкие возможности измерений как диаметральных, так и осевых размеров деталей. Но при реализации контроля такого типа из-за длинных измерительных размерных цепей в полученный результат входит большое количество дополнительных погрешностей, например, тепловые деформации звеньев станка, точность позиционирования рабочих органов станка и т.д.

Независимые системы измерения тоже могут найти применение при контроле состояния режущего инструмента и размеров детали. Примером такого использования может быть контроль диаметра детали на токарном станке с ЧПУ универсальными скобами. Широкопредельная скоба, разработанная в СПбГПУ на кафедре "Технология машиностроения", устанавливается на поперечном суппорте станка. В качестве первичного преобразователя используются цифровые системы с шагом дискретности 1 мкм [5]. Подобная схема обладает меньшей универсальностью, чем схема с применением датчиков контакта, но может обеспечить более высокое качество измерительной информации, так как осуществляет измерение с минимальным числом звеньев в измерительной размерной цепи, не зависящих от элементов станка.

Скоба имеет диапазон измерений от 20 до 200 мм. Без переналадки она может осуществлять измерение ступенчатых заготовок с максимальной разностью диаметров 60 мм. Для получения надежной измерительной информации скоба снабжена специальным калибром, который осуществляет проверку настройки измерительной системы в исходном положении.

Контроль деталей и инструмента на станке как датчиками контакта, так и независимыми системами дает возможность значительно сократить время на настройку станка, что особенно рентабельно при обработке небольших партий деталей, контролировать деталь или режущий инструмент между проходами при обработке ее в несколько проходов; компенсировать систематические погрешности, возникающие при обработке одной детали; компенсировать погрешности, возникающие при смене режущего инструмента, при условии, что разброс при смене больше, чем погрешность позиционирования.

Выводы

Опыт использования УК показал:

1. УК рационален лишь тогда, когда обеспечивает точность не хуже, чем при управлении вручную.

2. Управление точностью обработки, основанное на косвенном контроле детали (измерение ее радиуса, положения режущего инструмента и т. п.), обладает наибольшими погрешностями, так как на результаты измерений влияют точностные характеристики самого станка.

3. При управлении точностью обработки с использованием на станке как датчиков контакта, так и специальных измерительных устройств, повышается время на обработку детали, но они являются более гибкими в организации различных способов измерения, облегчают процесс настройки режущего инструмента, что особенно важно при малых партиях обрабатываемых деталей и больших циклах обработки.

4. Стабилизация размеров деталей, основанная на измерении диаметра специальными устройствами на станке, практически исключает влияние точностных характеристик станка на качество измерительной информации и тем самым приближает по точности этот метод к УК на специальных измерительных позициях.

5. Управление точностью обработки с использованием контроля деталей вне станка может быть более целесообразным при высоких требованиях к точности обработки, коротких циклах обработки, сравнительно больших программах выпуска. Подобная организация контроля позволяет проводить статистическую обработку результатов измерений, что повышает качество управления. Кроме того, этот способ не влияет на время обработки детали.

Литература

1. Rons H.-G., Schuler М. Zicle und Moglichkeiten fur Mepregelungen on CNC – Drehmaschinen. – Werkstatt und Betrieb, 1983, N 116, Р. 15–19.

2. Анухин В.И, Макарова Т.А. Опыт использования управляющего контроля при обработке на токарных станках с ЧПУ. Управление качеством: проблемы, исследования, опыт. Сборник научных трудов. Вып. 6. – СПб.: СПбГИЭУ, 2009 – 319 с.

3. Яманака X., Кидзухиса М. Повышение функциональных возможностей токарных станков с числовым программным управлением на основе разработки периферийных технических средств. – Ое кикай когаку, 1982, вып. 23, № 9, с. 2-9.

4. In cycle gauging a new consept in component size control Roc J. C., Eng B. S., Mech M. I. – Proc. 6^th Int Conf. Autom. Insp. and Prod. Contr., Birmingham, 27–29 Apr., 1982. – Kempston, 1982. Р. 17–27.

5. Анухин В.И., Любомудров С.А., Макарова Т.А. Система Автоматической стабилизации размеров при токарной обработке партии деталей. Сборник научных трудов СПбГТУ № 504. «Машиностроение», 2004.