1.5. Автоматическая оценка состояния режущего инструмента и определение момента его замены

Создание гибких технологических систем на базе многоцелевых станков, обеспечивающих реализацию безлюдной технологии, требует решения задач, связанных с автоматическим определением состояния режущего инструмента, необходимости коррекции его положения или замены. Обработка заготовок корпусных деталей средних размеров на многоцелевых станках предусматривает 5—30 различных режущих инструментов (фрез, сверл, зенкеров, расточных резцов, метчиков). Одним из важных параметров, используемых для оценки состояния режущего инструмента, является продолжительность резания, т. е. время непосредственной работы инструмента на станке, начиная с момента его установки.

Сравнение времени резания с расчетным периодом стойкости в общем случае позволяет судить о состоянии инструмента и его возможностях. Однако, как показывает практика, фактическая стойкость инструмента может колебаться в широких пределах (изменяться в 1,5—3 раза и более). Причинами этого является различное качество изготовления и заточки инструмента, а также нестационарный характер процесса резания, обусловленный изменением входных параметров заготовки. Это обстоятельство требует использования нескольких критериев, позволяющих оценить состояние режущего инструмента в комплексе, с различных позиций, что возможно путем применения микропроцессоров и информационно-измерительных блоков систем адаптивного управления.

К числу таких критериев в первую очередь относятся технологические критерии, которые позволяют оценить состояние инструмента с позиции получаемых параметров точности детали. Согласно этим критериям инструмент требует поднастройки или замены, если в результате размерного изнашивания не обеспечиваются требуемые размеры детали или шероховатость поверхности в заданных пределах.

Указанные критерии дополняет силовой критерий, который позволяет оценить режущую способность инструмента путем измерения сил резания и моментов, действующих в процессе обработки. Затупление инструмента в результате изнашивания и выкрашивания приводит к изменению геометрии и относительному увеличению сил резания и моментов, начиная с первого рабочего хода, выполняемого острым инструментом. Это позволяет определить относительное приращение нагрузки, а следовательно, и степень затупления инструмента по мере его использования.

Для измерения сил резания и моментов можно применять различные по конструкции динамометрические узлы, динамометрические столы и опоры. Однако наиболее простым вариантом, при котором не требуется конструктивного изменения узлов станка, является оценка в системе станок— приспособление—инструмент—заготовка действующей нагрузки путем измерения силы тока или мощности двигателя по каждой из управляемых координат станка. Получение одновременной информации с электродвигателей, относящихся к управляемым координатам станка, и ее оценка позволяют судить о составляющих силы резания и моментах при обработке различным инструментом (фрезами, сверлами, резцами и др.) при разных направлениях подачи. Крутящий момент М_Kp на шпинделе определяют путем измерения мощности главного двигателя, а осевую силу F — путем измерения мощности двигателя подачи.

Учет продолжительности работы каждого инструмента в условиях технологически гибкого мелкосерийного производства основан на программных методах получения и оценки технологической информации. Управляющую программу станка транслируют и происходит считывание текста по каждому из кадров программы и получение необходимых исходных данных для выполнения последующих расчетных процедур. В процессе просмотра программы СЧПУ определяет вид и общее число используемого инструмента, а также многократность его применения за один цикл обработки. Одновременно выявляются режимы резания: подача S и частота вращения шпинделя п заданные в программе станка для каждого инструмента. Путем выявления координат, соответствующих началу и концу относительного перемещения инструмента на рабочей подаче СЧПУ находит длину резания для каждого инструмента.

В результате в памяти СЧПУ формируется массив данных о номенклатуре применяемого инструмента, режимах резания и длины резания на каждом рабочем ходе. При необходимости СЧПУ по запросу выдает полученный массив данных. На основе полученных данных вычисляется продолжительность резания при последовательном выполнении переходов соответствующим инструментом. Полученные результаты по каждому инструменту суммируются, и в результате определяется время работы каждого инструмента за цикл.

На основании непрерывного слежения за числом обрабатываемых деталей вычисляется фактическое время работы инструмента при данных условиях обработки и сравнивается с заданной стойкостью. Если фактическое время работы инструмента достигает периода его стойкости, то возникает вопрос о необходимости его замены. Рекомендуемые значения стойкости инструментов вводятся в память в виде массивов или в виде зависимостей Т = f (S, v). В результате становится возможным:

• определить число однотипных деталей которые могут быть обработаны каждым инструментом за имеющийся период стойкости;

• выявить момент, когда время резания при обработке однотипных заготовок инструментом i достигает заданного периода его стойкости;

• оценить по окончании обработки партии заготовок из m штук состояние режущего инструмента по значению оставшейся стойкости.

Последующую обработку заготовок нового типоразмера можно выполнять тем же режущим инструментом, но с другими режимами резания и при иных условиях обработки. Каждому из таких сочетаний режимов резания соответствует свое расчетное значение периода стойкости инструмента, которое может отклоняться как в большую, так и в меньшую сторону.

Если по окончании обработки заготовок одного типоразмера инструмент еще сохраняет определенный ресурс стойкости, то СЧПУ выполняет аналогичные расчеты и инструмент используется при последующей обработке новых заготовок. Режущий инструмент применяют до тех пор, пока период оставшейся стойкости инструмента не достигнет нулевого значения.

Вопрос о замене инструмента решает СЧПУ в соответствии с заданным алгоритмом принятия решения. В основе принятия решения лежит информация, которая характеризует целостность инструмента, его размерный износ, оставшийся период стойкости, нагрузку, действующую в процессе обработки, отклонения получаемых параметров точности детали.

В случае поломки инструмента или изнашивания, когда поднастройка невозможна, следует команда на его замену. Возникающая при резании нагрузка периодически измеряется, причем нагрузка на первых рабочих ходах, выполняемых острым инструментом, запоминается в СЧПУ как начало отсчета приращений. Если действующая нагрузка, измеряемая по мощности двигателя главного движения или подачи, достигает предельного значения, то дается команда на замену инструмента. Замена инструмента происходит также в том случае, когда расчетный период его стойкости исчерпывается, а соотношение действующей и допустимой нагрузки составляет N > 0,95N_пр.

Если в результате измерения окажется, что отклонение одного из параметров точности детали достигает предельного значения и поднастройка невозможна, то подается команда на замену инструмента. В тех случаях, когда коррекция статической настройки возможна, подается команда на поднастройку и продолжение использования инструмента. Текущая информация об отклонениях параметров точности детали, обусловленных размерным изнашиванием инструмента, формируется в результате автоматического контроля точности детали на рабочем месте.