Выбор средств контроля при автоматизации обработки на токарных станках

Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

К.т.н. Анухин В. И.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Россия

К.т.н. Макарова Т. А.

Санкт-Петербургский государственный экономический университет, Россия

КОМПЕНСАЦИЯ ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ ТОЧЕНИЯ ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА

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

Опыт использования систем УК при шлифовании показывает, что в большинстве случаев эти системы дают значительный экономический эффект. Но формальное использование схем и конструктивных решений УК, хорошо зарекомендовавших себя при шлифовании, при лезвийной обработке во многих случаях неэффективно. Это объясняется рядом организационных причин: например, отсутствием специальных служб и подготовленных кадров, неприспособленностью оборудования к установке средств контроля и т.д. Но наряду с указанными организационными причинами можно выделить такие, как неправильный выбор варианта контроля и схемы измерения.

Любой УК при дискретном характере получения измерительной информации и дискретном управлении может компенсировать только часть составляющих погрешности обработки. Поэтому перед выбором типа контроля необходимо знать не только составляющие погрешности на качественном уровне, но и их количественное соотношение.

Современная классификация составляющих погрешности основана на принципе, предложенном еще А.П. Соколовским, идея которого заключается в линейной аддитивной модели погрешности обработки деталей. Модель погрешности обработки была построена на анализе причин, вызывающих отклонение от линейных размеров при механической обработке, поэтому и в настоящее время она не потеряла своей актуальности, тем не менее появление принципиально нового оборудования (станков с ЧПУ, цифровых систем и т.п.) привело к перераспределению ряда составляющих погрешности, появлению новых, ранее не существовавших составляющих, например, связанных с дискретностью позиционирования рабочих органон станка, с влиянием системы ЧПУ и средств УК.

Разнообразие средств УК и методов получения измерительной информации заставило представлять каждую составляющую погрешности обработки условно состоящей из двух частей: систематической и случайной. Систематическая – та часть составляющей погрешности, которая для всех деталей рассматриваемой партии остается постоянной или закономерно изменяется. При переходе от обработки одной партии деталей к другой ее величина и закон изменения могут меняться. Случайной является часть составляющей погрешности, которая для различных деталей рассматриваемой партии имеет различные значения, а ее появление описывается некоторым случайным законом распределения. Такой подход к рассмотрению погрешности обработки дает возможность оценить основные источники погрешности и одновременно выявить ту часть из них, которую можно исключить или устранить ее влияние (систематическая часть погрешности). Случайные же части cоставляющих погрешности на данном этапе развития средств УК практически неустранимы и могут вносить только дополнительное влияние при устранении систематических частей.

Однако одна и та же погрешность при использовании разных УК может быть либо случайной, либо систематической. Например, изменение размера от детали к детали из-за колебания припуска для системы УК, получающей измерительную информацию только о диаметре обработанной детали, будет являться случайной погрешностью и вносить дополнительную погрешность при управлении точностью обработки. Но, изменив метод получения измерительной информации путем включения дополнительных измерений диаметра заготовки перед обработкой и обработав полученную информацию, можно исключить эту (при иных способах контроля – случайную) величину путем определения деформации СПИД в результате изменения глубины резания и дополнительно учитывать ее при коррекции положения элементов станка [1, 2].

Целесообразность применения средств УК определяется наличием сравнительно больших систематических составляющих погрешности при незначительных случайных для данной структуры и метода получения измерительной информации. При этом точность регулирования в значительной мере определяется влиянием случайных составляющих.

Основными причинами возникновения составляющих погрешности обработки являются:

- погрешности позиционирования станка;

- погрешности настройки инструмента;

- погрешности износа режущего инструмента;

- погрешности из-за тепловых деформаций станка, детали, инструмента;

- погрешности из-за силовых деформаций станка;

- погрешности из-за применения УК.

В связи с тем, что в процесс обработки деталей в условиях комплексной автоматизации входит УК, в погрешность обработки добавляются составляющие, связанные с погрешностью измерения и управления. Величина и количество этих составляющих зависят от применяемой схемы контроля, условий ее эксплуатации, алгоритма управления. В погрешность контроля всегда входит погрешность применяемой измерительной системы. Кроме того, могут входить (в зависимости от вида УК) несколько составляющих погрешности обработки, которые возникают либо в момент настройки станка, либо в процессе обработки партии деталей. Причем ряд составляющих как бы налагается второй раз из-за контроля и даже третий – из-за управления. Таким образом, УК вносит дополнительные составляющие погрешности, не устраняя при этом ряда других составляющих, что снижает эффект его применения.

Здесь не рассматриваются погрешности, возникающие в результате базирования и закрепления детали, из-за несовершенства технологического процесса, связанного с выбором режимов резания, маршрута обработки деталей и т.п., так как большая часть этих погрешностей может быть снижена или устранена полностью при проектировании технологического процесса.

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 своей работе на конференции [3 ] авторы привели наиболее часто применяемые в настоящее время варианты схем получения измерительной информации при использовании УК на токарных станках с ЧПУ в автоматизированном многономенклатурном производстве (табл. 1).

Было показано, что любой вариант контроля характеризуется местом и временем осуществления контроля, схемой измерения, применяемыми средствами измерения.

Представленные в табл. 1 варианты контроля отличаются друг от друга количеством и качеством исключаемых составляющих погрешности обработки, а также количеством погрешностей, которые дополнительно вносятся тем или иным вариантом УК. В каждую из предложенных схем контроля входит погрешность измерительной системы, которая в дальнейшем не рассматривается, но при сравнении вариантов контроля ее следует учитывать.

Причина нестабильности работы УК заключается в возможности каждого метода компенсировать только ту или иную группу погрешностей. Ни один метод не дает возможности компенсировать ряд случайных погрешностей, а случайные погрешности позиционипрования суппорта станка в результате регулирующего воздействия активного контроля в большинстве случаев увеличиваются в 1,4 раза и более.

В табл. 2 приведены погрешности, которые устраняются УК при использовании той или иной схемы контроля (они отмечены заштрихованными клеточками).

При жестких требованиях к точности обработки на токарных станках ряд авторов предлагает вести обработку заготовки в два прохода. После первого, предварительного прохода на станке определяется истинный диаметр заготовки и в систему управления в качестве поправки передается отклонение от заданного значения.

УК со схемой измерения 1.1, если его применять до окончательного прохода, устраняет практически все доминирующие систематические составляющие погрешности, кроме температурной погрешности детали. Случайные погрешности позиционирования станка, рассеивание размерной настройки, износ инструмента и тепловые деформации резца не устраняются, а, наоборот, увеличиваются в 1,4 раза, так как система при измерении их вносит соответствующие поправки при обработке следующей детали, у которой эти погрешности будут иметь другое числовое значение. В результате регулирования суммируется одна и та же случайная погрешность: она как бы складывается сама с собой. При этом не учитываются помехи, возникающие в каналах передачи и переработки полученной информации, которые, безусловно, дополнительно увеличивают уже существующие погрешности.

На примере этого типа УК поясним увеличение случайной погрешности позиционирования станка, обозначив ее e. Коррекция положения инструмента происходит по результатам, полученным при измерении диаметра перед окончательным проходом. При поправке в систему управления входит удвоенная погрешность позиционирования станка при предварительном проходе – 2e. Окончательный диаметр детали включает эту погрешность и еще удвоенную погрешность позиционирования, связанную с выходом резца на требуемый размер. Погрешность диаметра детали только из-за случайной погрешности позиционирования станка будет равна:

^* .

^*В табл. 2. приведены коэффициенты, увеличивающие погрешности, определенные на диаметре (D=1,41×2e)

Использование УК со схемой 1.1 после окончательной обработки детали дает ту же структуру погрешностей, что и предыдущего, но в отличие от него погрешность обработки будет увеличена из-за случайной погрешности вследствие колебания сил резания.

Действительно, при организации обработки в два прохода с
применением УК между проходами можно устранить влияние колебаний глубины резания и колебания твердости обрабатываемого материала от детали к детали, что в данном случае реализовать невозможно.

УК со схемами измерения 1.3 и 2.3 при применении его до обработки предназначен только для предварительной отбраковки заготовок, имеющих чрезмерное отклонение основных геометрических параметров. При определенной переработке полученной информации можно исключить погрешности, связанные с колебанием случайных составляющих силовых деформаций станка.

УК со схемами измерения 1.3 и 2.3 при использовании его после окончательной обработки детали имеет ту же структуру погрешностей, что и в случае применения со схемой 1.1 при этих же условиях. Если же на позицию контроля подавать детали охлажденными, можно компенсировать и их тепловые деформации.

УК со схемой измерения 2.1 при применении его до окончательного прохода удваивает такие систематические составляющие, как тепловые деформации элементов станка, входящих в измерительную размерную цепь, а тепловые деформации детали и погрешность позиционирования станка не устраняет. Случайные погрешности обработки имеют такой же качественный состав, что и при УК по схеме 1.1, но количественно они увеличиваются. Рассмотрим это на примере поведения случайной составляющей позиционирования станка.

При контроле положения радиуса детали датчиком контакта относительно элементов станка перед окончательным проходом в процессе измерения наряду с другими составляющими погрешности, входящими в схему контроля, входит погрешность позиционирования станка, так как применяемые датчики контакта на токарных станках располагают на суппорте. При предварительной обработке детали в погрешность изготовления тоже входит случайная составляющая погрешности позиционирования станка. Таким образом, поправка только из-за случайной составляющей погрешности позиционирования на этом уровне будет ошибочной на величину

В результате окончательного прохода происходит еще одно наложение случайной составляющей позиционирования станка, из-за которого ошибка увеличивается:

Учитывая, что погрешность обрабатываемого диаметра удваивается, получаем, что погрешность размера детали только из-за влияния случайной составляющей позиционирования станка будет увеличиваться при применении УК на величину

Но УК со схемой 2.1 может реализовать и косвенное измерение диаметра детали путем касания поверхности детали в двух диаметрально расположенных точках. В этих условиях опять меняются количественные коэффициенты у случайных составляющих погрешности, в частности, у случайной позиционирования станка. Так, после предварительного прохода в действительное значение диаметра входит удвоенная случайная составляющая позиционирования станка – 2e.

В процессе измерения диаметра датчик контакта два раза касается детали, т.е. в процесс измерения входит погрешность позиционирования

По результатам измерения диаметра детали ошибка поправки из-за случайных позиционирования станка составляет

В результате окончательного прохода на диаметр детали опять накладывается удвоенная случайная составляющая позиционирования станка 2e. Таким образом, погрешность размера детали из-за разброса случайных позиционирования станка составит

Влияние случайной позиционирования в данном случае немного меньше, чем при контроле положения радиуса детали, но данная схема контроля имеет измерительную размерную цепь, звенья у которой расположены так, что их температурные и ряд других составляющих погрешности взаимно исключаются.

УК со схемой контроля 2.1 при применении его после окончательной обработки деталей имеет ту же структуру погрешностей, что и при применении его до окончательной обработки, но, в отличие от него, добавляется случайная составляющая погрешности вследствие колебания сил резания.

УК со схемой контроля 3.1 при использовании его до окончательного прохода устраняет большинство систематических составляющих погрешности, включая и температурную деформацию детали, влияние которой не сказывается на точности выхода вершины режущего инструмента на размер. Количество случайных в этом случае, по сравнению с предыдущими схемами УК, уменьшается за счет устранения этим УК случайных рассеиваний размерной настройки и износа инструмента.

УК со схемой контроля 3.1 при использовании его после окончательного прохода имеет ту же структуру погрешностей, что и при использовании его до окончательного прохода. Но, в отличие от него, погрешность обработки будет увеличена из-за случайной погрешности вследствие колебания сил резания.

УК со схемой контроля 3.2 может ликвидировать только систематические и случайные составляющие тепловых и силовых деформаций измеряемых элементов станка, УК со схемой контроля 3.3 – только систематическую составляющую погрешности настройки инструмента.

Рассматривая каждый тип УК с определенной схемой измерения, можно установить степень компенсации той или иной составляющей погрешности (см. табл. 2). Из этой таблицы видно, что ни одна из схем не устраняет полностью погрешности обработки. Но если известны доминирующие составляющие погрешности при обработке данной номенклатуры деталей, можно выбрать схему контроля, способную наилучшим образом справиться именно с этими доминирующими составляющими.

Устраняя составляющие погрешности, не следует применять формальную комбинацию нескольких схем. При получении информации о ходе технологического процесса из двух разных источников, казалось бы, дополняющих друг друга, может получиться обратный эффект и погрешности вместо компенсации начнут увеличиваться. В случае применения комбинаций различных схем УК полученную новую схему следует рассматривать как самостоятельную с наличием уже своих погрешностей.

Для приведенных схем контроля при управлении характерно следующее:

1. Большинство рассмотренных схем могут успешно справляться с систематическими составляющими погрешности обработки, но в то же время увеличивать часть случайных составляющих.

2. Разброс позиционирования станка не может учитываться ни одной схемой контроля. Практически при всех видах УК эта случайная составляющая погрешности увеличивается.

3. Окончательно судить о целесообразности применения схем УК по количеству устраняемых составляющих погрешности не всегда корректно. Перед выбором схемы контроля следует провести анализ технологического процесса, определив хотя бы приближенно структуру доминирующих составляющих погрешности обработки.

Выводы

Опыт использования УК показал:

1. При выборе варианта УК следует учитывать не только требования к точности обрабатываемой детали, серийность, точностные характеристики оборудования, но и распределение доминирующих составляющих погрешности обработки.

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

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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. 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.

2. Анухин В. И., Макарова Т. А., Любомудров С. А. Оценка точностных возможностей токарных станков. Журнал Вестник ИНЖЕКОНА. Серия технические науки. Выпуск 3. Санкт-Петербург. 2005, 108 – 111 с.

3. Анухин В. И., Макарова Т.А. Выбор средств контроля при автоматизации обработки на токарных станках. Конференция "Достижения высшей школы" 01- 03 декабря 2013 года, Болгария .