Контрольно-вимірювальна система ГВМ

Об’єкти, етапи і функції контролю. Контрольно-вимiрювальну систему застосовують для контролю деталi, iнструменту, основного робочого процесу i окремих пiдсистем ГВМ.

Основне призначення контрольно-вимiрювальної системи – забезпечення безперебiйностi робочого процесу, запобiгання аварiям i пошкодженням, контроль за якiстю, поточна дiагностика i накопичення статистичної iнформацiї.

Для досягнення вказаних цiлей контрольно-вимiрювальнi функцiї виконуються перед обробкою, пiд час обробки, мiж окремими операцiями робочого процесу i пiсля завершення обробки, тобто можна структурувати виконувані функції контролю в ГВМ за об’єктами контролю та за різними етапами робочого процесу.

Отже, об’єкти контролю – це деталі, інструменти, робочий процес, а етапи контролю – це фази перед, під час і після завершення виконання процесу обробки.

Розглянемо суть функцій контролю.

При контролi деталей перед обробкою повиннi бути iдентифiкованi палета i заготовка, проконтрольоване просторове розташування заготовки, введенi вiдповiднi корекції та встановлений зв’язок систем координат верстата i деталi, вимiрянi допуск i твердiсть для визначення числа проходiв; пiд час обробки i мiж операцiями повиннi бути забезпеченi контроль якостi (перевiренi розмiри, допуски, вiдхилення форми) i розрахунок необхiдних корекцій; пiсля завершення обробки повинен бути виконаний остаточний контроль якостi та врахованi всi данi, що використовуються при накопиченнi статистичної iнформацiї i встановленнi трендiв.

При контролi iнструменту перед обробкою повиннi бути проконтрольованi правильнiсть вибору iнструменту, ступiнь зношення i стан робочої кромки, визначенi необхiднi корекцiї на довжину i дiаметр iнструменту; пiд час обробки повиннi здiйснюватися контроль непередбаченого зношування iнструменту i спостереження за ресурсом стiйкостi, контроль контакту з деталлю, контроль поломки iнструменту (з оцiнкою браку, як виправного, так i невиправного), контроль режимiв, недопустимих вiбрацiй, зливної стружки; мiж операцiями i пiсля завершення обробки необхiдно встановлювати неочiкуванi зношування i поломку iнструменту, фiксувати режими, як проходить зливна стружка.

При контролi основного робочого процесу перед обробкою повинен бути забезпечений контроль наявностi заготовки, iнструменту, управляючої програми, моделi робочого процесу; пiд час обробки i мiж операцiями необхідно здiйснювати збiр i накопичування iнформацiї про протiкання робочого процесу (дiагностичнi данi, вiдмови, корекцiї, зупинки); пiсля завершення обробки повиннi бути проаналiзованi причини появи будь-яких негативних чинникiв, врахованi всi необхiднi данi, що беруть участь в накопиченнi статистичної інформації та визначеннi трендiв. Для окремих пiдсистем ГВМ постiйно або перiодично повиннi бути забезпеченi збiр, накопичення i аналiз дiагностичної iнформацiї, формування моделей функцiонування, локалiзацiя аварiй та збоїв, прогнозування вiдмов, своєчасне залучення резервiв.

Щодо перерахованих функцiй контрольно-вимiрювальної системи, то можна сказати наступне. По-перше, наведений перелiк нi в однiй вiдомiй ГВМ у всьому обсязі не реалiзований. По-друге, скiльки-небудь помiтна тенденцiя до централiзацiї контрольно-вимiрювальних функцiй в рамках єдиної пiдсистеми не виявляється. Навпаки, значна частина вказаних функцiй виконується засобами системи ЧПУ i засобами системи управлiння електроавтоматикою ГВМ. Інша частина контрольно-вимiрювальних функцiй виконується спецiальними засобами: системою iдентифiкацiї та розпiзнавання образiв; монiторною системою контролю iнструменту; системою адаптивного управлiння процесом рiзання; контрольно-вимiрювальним автоматом.

Таким чином, контрольно-вимiрювальнi функцiї в ГВМ є децентралiзованими.

Переважна частина контрольно-вимiрювальних функцiй в iснуючих ГВМ пов’язана з двома класами функцій відповідно до показників якості: обробкою геометричної i розмiрної iнформацiї та обробкою iнформацiї про силовi параметри процесу рiзання.

Отже, при реалізації технологічної задачі виділяють дві основні фази: управління точністю обробки і управління ефективністю обробки. Для підтримки виконання цих функцій в системі ЧПУ задіяні спеціальні засоби і процедури їх здійснення.

Організація контрольно-вимірювальних циклів контролю. Контрольно-вимiрювальнi функцiї виконуються спеціальними вимірювальними головками спiльно iз слідкуючими приводами подачi i пристроєм ЧПУ. Прикладом такої головки може бути вимiрювальна головка, показана на рис. 6.36.

Головка не має яких-небудь шкал, а вимiрювальний сигнал формується в певному (нульовому) положеннi щупа при миттєвому переключенні “механiчного тригера”. Інформацiя про переключення передається в рiзних модифiкацiях головки одним з трьох способiв: дистанцiйно за допомогою iндуктивного зв’язку; дистанцiйно за допомогою оптичного зв’язку в iнфрачервоному дiапазонi частот (в цьому випадку головка має вбудовану батарею живлення); за допомогою дротяного зв’язку.

Вимiрювальнi головки перших двох модифiкацiй зберiгаються в iнструментальному магазинi. У вимiрювальному циклi контролю деталей головки автоматично перевантажуються у шпиндель точно так, як i це робиться з iнструментом (кінцевий хвостовик головки виконаний вiдповiдно до того ж стандарту, що i хвостовик інструментального налагодження).

Третя модифiкацiя призначена для встановлення на станинi, столi або коробцi верстата. Її використовують для вимiрювання iнструменту, закрiпленого у шпинделi або рiзцетримачі.

Рис. 6.36. Конструкцiя вимiрювальної головки з iндуктивним зв’язком:

1 – механiчний тригер; 2 – верхня захисна кришка; 3 – щуп; 4, 6 – пружиннi кiльця; 5, 7 – зовнішня та внутрiшня дiафрагми; 8 – модуль прийому вимiрювального сигналу, встановлений на верстатi; 9 – юстирувальна шайба; 10 – котушки iндуктивностi; 11 – модуль передачi вимiрювального сигналу

Слідкуючий привід під управлінням пристрою ЧПУ організує наступні відносні рухи вимірювальної головки у напрямку контрольованої поверхні (рис. 6.37): I – вимiрювальна головка в робочiй позицiї; II – підведення до контуру з прискореною подачею i зупинка руху по сигналу нульового переходу; III – відведення головки зі зменшеною подачею до звiльнення щупа, зупинка подачi; IV – повторне пiдведення з малою подачею i остаточна зупинка по сигналу нульового переходу. В результаті вимiрювальна головка генерує сигнал нульового переходу, а пристрiй ЧПУ зупиняє слідкуючий привід i знiмає данi зі шкали перетворювача зворотного зв’язку приводу подачi. Знятi данi пiсля обробки зберiгаються в пам’ятi пристрою ЧПУ як корекцiї, зсуви або данi, що використовуються в умовних переходах. Вимiрювальнi цикли можуть бути стандартними або розробляються як пiдпрограми.

Рис. 6.37. Реалiзацiя вимiрювальною головкою контрольно-вимiрювальних функцiй

До типових задач, що вирiшуються за допомогою вимiрювальних головок, вiдносяться: iдентифiкацiя заготовок; виявлення зсуву положення заготовок або пристосувань; корекцiя положення або перетворення координатної системи; вимiрювання заздалегiдь оброблених або готових деталей для внесення необхiдної корекцiї в управляючу програму ЧПУ.

Найпростіший спосіб iдентифiкацiї полягає у перевірці щупом чітких ознак розпiзнавання на палетi або заготовцi. Можна також виконувати обстеження певних характерних поверхонь за наперед розробленими пiдпрограмами. Для контролю фiксацiї палети i розпiзнавання її положення необхiднi дотики щупа в декiлькох певних точках (рис. 6.38). Коректування положення виконується автоматично пристроєм ЧПУ, причому воно зводиться до паралельних перенесень i кутових поворотiв координатної системи.

Рис. 6.38. Розпiзнавання положення точок у просторi

Для контролю заздалегiдь оброблених або готових деталей розробляють рiзноманiтнi вимiрювальнi цикли, у складi яких елементи управлiння рухами i розрахунковi процедури дуже складнi (табл. 6.2).

За допомогою тих же вимiрювальних головок (третя модифiкацiя) виконується контроль iнструменту. При цьому вирiшують задачi трьох класiв. Задача першого класу полягає у встановленнi початкового положення рiзальної кромки iнструменту в конкретнiй iнструментальнiй наладцi i передачi вiдповiдних даних в таблицю корекцiй, що зберiгається в пам’ятi пристрою ЧПУ. При цьому вiдпадає необхiднiсть в тонкому попередньому настроюванні iнструменту на спецiальних високоточних приладах поза верстатом (рис. 6.39). Задачi другого класу пов’язанi з епiзодичною оцiнкою iнструменту i внесенням змiн в таблицю корекцiй. Задачi третього класу полягають у перевiрцi цiлiсностi iнструменту за допомогою датчикiв, встановлених на столi верстата.

Рис. 6.39. Контроль різальної кромки інструмента

Датчики контролю цілісності інструмента зазвичай безконтактні: інструмент наближають у циклі контролю до датчика без дотику. Робота датчика може базуватися на різних фізичних ефектах, що забезпечують достатню чутливість. Наприклад, поломку зубів фрези виявляють так: фрезу повільно обертають перед датчиком, кількість сигнальних “сплесків” за один оберт повинна дорівнювати числу зубців, а рівень сигналів повинен бути однаковим.

Таблиця 6.2

Типовi вимiрювальнi цикли промiжного або остаточного контролю деталей

Вимірювальне завдання	Спосіб виконання завдання
Контроль лінійного розміру
Визначення центра кола, його діаметр
Визначення точки перетину, лінії перетину
Визначення площини, визначення відхилень від площини
Відхилення від круглості, паралельності, перпендикулярності

Поряд з універсальними контрольно-вимірювальними засобами, що забезпечують одержання геометричної та розмірної інформації, деяке поширення знаходять пристрої спеціального характеру. До числа подібних належить, наприклад, вимірювальний пристрій, що використовують для автоматичного внесення корекції у програму токарної обробки через систему ЧПУ.

Вище розглянуті деякі контрольно-вимірювальні функції, пов’язані з обробкою і використанням геометричної та розмірної інформації.

Питання контролю та вимірювань, що належать до сфери обслуговування інструмента і спостереження за процесом різання, заслуговують самостійного аналізу.

Системи обслуговування інструмента. До основних форм обслуговування інструмента (крім його ідентифікації та корекції за результатами прямого вимірювання, про які говорилося вище) належать: контроль граничної стійкості за часом; контроль стану (тобто поточної точності) на основі непрямих оцінок, експериментальних даних розрахункових моделей; контроль поломок. Спостереження за процесом різання створює можливість для адаптивного керування – за обмеженнями або із залученням деякого критерію оптимізації.

Інструмент у ГВМ є найбільш слабкою ланкою, тому той чи інший різновид його контролю застосовується обов’язково. У найпростішому випадку співставляється фактичний час роботи інструмента з його нормативною стійкістю. При цьому можливі такі варіанти контролю: за часом різання, який у цьому випадку варто якось визначати, за часом обертання шпинделя разом з даним інструментом, розрахункова стійкість якого задається числом оброблених деталей. Якщо нормативний ресурс стійкості вичерпаний, інструмент примусово замінюється на резервний без врахування його фактичного стану. Аналогічним способом здійснюється контроль стійкості для багатоінструментальних головок і насадок.

Hедоліком цього способу є помилки при призначенні нормативу, що значно коливається в залежності від якості виготовлення інструмента, стабільності властивостей оброблюваного матеріалу, сталості припуску на обробку тощо.

Найбільш розповсюдженим способом контролю поточного стану інструмента є вимірювання якого-небудь силового фактора процесу різання. Такий спосіб вимагає попереднього навчання системи керування контролем (ці системи часто називають моніторами).

У процесі навчання при роботі новим інструментом за налагодженою управляючою програмою ЧПУ в пам’ять монітора надходять дані про фактичні умови різання. Потім у виробничому циклі ці дані служать орієнтиром для оцінки фактичного стану інструмента. На вибір технолога встановлюють одне з двох можливих обмежень: неперевищення максимального значення навантаження сил різання, невихід за верхні та нижні межі допустимих відхилень від номінального (експериментального) значення навантаження.

Поломку інструмента виявляють різними способами. Так, якщо в пам’яті монітора зберігається значення часу врізання, то фактичне збільшення цього часу проти збереженого в пам’яті (що визначається за моментом сплеску навантаження різання порівняно з навантаженням холостого ходу) може означати поломку. Точно так само про поломку можна судити в тих випадках, коли фактичний час різання (визначений за допомогою датчика контакту з деталлю) менший за еталонний, встановлений при навчанні. Однак на точність зазначених двох способів впливають флуктуації подачі та коливання припуску.

Інший спосіб фіксації поломки полягає в тому, що на підставі даних навчання встановлюють дві верхні межі відхилення навантаження різання від номінального значення, одна з яких відповідає максимально допустимому зношуванню, а друга – руйнуванню інструмента. Перспективним напрямком у діагностиці поломок є виявлення у навантажувальних характеристиках різання топологічно єдиних закономірностей, що відповідають моменту руйнування і навіть попередньому до нього моменту. У тих випадках, коли такі закономірності існують, діагностування поломок зводиться до задачі розпізнавання образу, тобто до задачі виділення об’єкта в тріаді об’єкт – псевдооб’єкт – шум. Найпростішим прикладом може бути осцилограма обертального моменту сили різання при токарній обробці, що оцінюється по струму двигуна I _дв (рис. 6.40).

Відомо, що при поломці різця виникає невеликий спад сили струму, пов’язаний з холостим ходом протягом декількох обертів шпинделя, а потім сила струму збільшується на D I ₁ внаслідок різання тупою кромкою. Якщо сигнал з датчика обертаючого моменту відфільтрувати від шумів, то збільшення сили струму D I ₁, пов’язане з поломкою (об’єкт), легко помітне на тлі збільшення сили струму D I ₂ у зв’язку із зростанням глибини різання (псевдооб’єкт).

Рис. 6.40. Розпізнавання поломки інструменту

Великий інтерес викликають віброакустичні методи контролю інструмента, що базуються на використанні високочастотних акселерометрів у частотному діапазоні, верхня межа якого перевищує 100 кГц. За потужністю акустичної емісії можна робити висновки про зношування інструмента. Спеціальні методи обробки сигналу датчика акустичної емісії дозволяють встановити поломку інструмента.