2.3. Общие принципы функционирования систем контроля

и диагностики

При проведении контрольных операций очень важно увязать систему автоматизированного контроля (САК) с основными этапами ТП обработки, что позволяет ставить во­прос о разработке технологического процесса измерений, сопровож­дающего процесс обработки деталей.

Непосредственно на участке механической обработки осуществ­ляют контроль трех видов: при установке заготовки в приспособле­ние; непосредственно на станке и выходной контроль изделия.

Контроль установки заготовки в приспособление осуществляется на конвейере перед станком или на станке непосредственно перед обработкой. В первом случае используются датчики положения, распо­ложенные на конвейере, или специальные измерительные установки с роботами. Бесконтактные датчики положения регистрируют отклоне­ние действительного положения измеряемой поверхности от запро­граммированного или разность условной базы и измеряемой поверх­ности (датчики касания).

К бесконтактным датчикам относятся оптические измерители с погрешностью измерений ± 0,005 мм; лазерные датчики с погрешно­стью измерений ± 0,001 мм; датчики изображения (технического зре­ния) с погрешностью измерений ± 0,003 мм. Датчики и принимающие камеры располагают на стойках у конвейеров или над конвейерами. Сигналы датчиков поступают в сравнивающее устройство, затем в АСУ, производится корректировка положения заготовки в приспособ­лении перед установкой его на стол станка. Датчики касания с погрешностью измерений ± 0,002... ± 0,005 мм также могут устанавливаться на конвейере, одна­ко в основном их применяют для контроля положения и состояния за­готовки непосредственно перед обработкой на станке, т. е. в зоне обра­ботки.

Измерительные установки с роботами, устанавливаемыми на стойках у конвейеров, позволяют контролировать не только положе­ние заготовки в приспособлении до обработки на станке, но и парамет­ры детали после обработки при перемещении ее в приспособлении на другую позицию.

Выносной контроль заготовок деталей в процессе их транспорти­рования не удлиняет производственного цикла, однако наиболее опе­ративным является контроль заготовок и деталей непосредственно на станке. При небольшом увеличении длительности обработки он суще­ственно повышает ее качество, активно воздействуя на процесс обра­ботки.

Для контроля в зоне обработки применяют датчики касания (изме­рительные головки), закрепляемые в шпинделе, суппорте, револьвер­ной головке, как и режущий инструмент.

На токарных и круглошлифовальных станках с ЧПУ применяются индикаторы контакта. Индикаторы предназначены для выдачи информации о контакте наконечника его щуповой головки с поверх­ностью детали и инструмента, для определения размеров деталей, по­ложения или состояния инструмента. Индикатор состоит из щуповой головки для детали, щуповой головки для инструмента, передатчика, приемного устройства и электронного блока. Щуповая головка рабо­тает по принципу электроконтактного датчика, обеспечивающего вы­ход двух сигналов «да» и «нет».

Щуповая головка для контроля положения и состояния инстру­мента устанавливается на неподвижной части станка и стыкуется с электронным блоком согласования. От системы ЧПУ в электронный блок согласования поступает сигнал, определяющий выбор одной из двух головок. Щуповая головка для контроля размеров деталей, пере­дающее устройство, связанное кабелем с датчиком, и приемное уст­ройство устанавливаются на револьверной головке (РГ) станка. В со­ответствующем положении РГ выполняется ощупывание измеряемой детали. Прием информации от выбранной головки осуществляется с приходом сигнала «размещение» от СЧПУ. Далее выполняется фор­мирование выходных сигналов и передача их в СЧПУ. Схема автома­тического программного устройства контроля (система активного контроля) приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4.Блок-схема алгоритма самонастраивающегося управляющегося контроля

Контроль с помощью измерительных головок на станке может рассматриваться и как выходной кон­троль детали после конкретной (в том числе и после финишной) операции. Однако в ряде случаев целесообразнее и легче организовать специализиро­ванную контрольно-измерительную ячейку (КИЯ), обеспечивающую вы­носной контроль детали, чем контроль в зоне обработки. К таким случаям можно отнести контроль сложных кор­пусных деталей, например картера двигателя внутреннего сгорания.

Состав КИЯ определяется видом контролируемых изделий и может фор­мироваться как на основе унифициро­ванных измерительных систем отдель­ных параметров, так и на базе универ­сальных контрольно-измерительных машин (КИМ). Для механообработки характерен второй подход

На контрольно-измерительных машинах производят выходной контроль корпусных деталей, сложных штампов, зубчатых колес, чер­вяков, кулачковых валов; управление процессом измерения — при по­мощи вычислительного устройства, связанного с АСУ автоматизиро­ванного участка. Контроль детали состоит в активном ощупывании ее по записанной в памяти управляющего вычислительного устройства программе. Записанная программа может корректироваться. При из­мерении в автоматическом режиме отсутствует необходимость в вы­равнивании или перезакреплении детали, поскольку ее положение распознается вычислительным устройством.

КИМ устанавливают за обрабатывающими центрами в конце уча­стка или линии для осуществления выходного контроля деталей и из­делий. Но КИМ можно устанавливать также непосредственно за уча­стком выставки и закрепления детали на спутнике, что позволяет оце­нить фактические размеры и положение поступающей на обработку заготовки. Обработка информации, поступающей с КИМ на ЭВМ, дает возможность определить оптимальное число проходов и внести возможные коррекции в режимы резания.

Важным условием эффективной эксплуатации в автоматизирован­ном режиме быстрого восстановления работоспособности оборудова­ния является оснащение его средствами диагностики.

Регистрация фактических значений параметров и сопоставление их с заданными — основа для определения технического состояния технологического оборудования.

Технической диагностикой называется процесс определения во времени технического состояния объекта диагностики (ОД) с опреде­ленной точностью в условиях ограниченной информации.

Параметрами технического состояния ОД могут быть качествен­ные и количественные характеристики его свойств. Их можно разде­лить на три группы: структурные, функциональные и сопутствующие. Структурные параметры характеризуют структуру машин и механиз­мов: величины зазоров в кинематических парах, натягов и т. д. Функ­циональные параметры характеризуют функционирование всего обо­рудования и узлов: мощность, частоту вращения, продолжительность циклов и операций и т. д. Сопутствующие параметры (вибрация и шум, изменение тока в электроприводе, изменение температуры узлов и т. д.) сопровождают работу оборудования и его узлов.

В процессе эксплуатации технологического оборудования, осо­бенно в условиях АП, возможность прямого измерения структурных параметров без разборки оборудования весьма ограничена. Функцио­нальные параметры поддаются измерению, но их затруднительно со­поставлять с эталонными значениями, так как эталоны зачастую не оп­ределены. Наиболее удобны для диагностирования косвенные пара­метры. Так, износ режущего инструмента можно определить по вибрации и шуму, изменению тока в электроприводе и т. д. Задача ди­агностики состоит, в частности, в установлении зависимости парамет­ров технического состояния оборудования и контролируемых пара­метров. При установлении таких зависимостей контролируемые пара­метры можно считать диагностической информацией. Рассмотрим в качестве примера решение задачи диагностики состояния режущего инструмента.

Контроль состояния инструмента проводится с целью фиксации его износа и поломки, а в случаях ударных нагрузок при реза­нии — выкрашивания режущих кромок. Отдельная задача, которая относится к контролю состояния инструментов, — привязка инстру­мента к системе отсчета станка, т. е. автоматическое определение его размеров (вылета, длины) непосредственно на станке с вводом соот­ветствующих данных в устройство ЧПУ станка.

Алгоритмы контроля состояния режущего инструмента определя­ются выбором места контроля в процессе обработки (в ходе резания, в перерывах, до или после обработки данным инструментом) и методов, контроля (прямых и косвенных). Прямые методы контроля связаны с непосредственным измерением геометрических параметров инстру­мента, с помощью которых могут быть определены нарушения: износ, выкрашивание режущих кромок, поломка. Прямые измерения осуще­ствляют либо в рабочей зоне станка с прерыванием цикла непосредст­венно до или после обработки, либо в специальной позиции инстру­ментального магазина во время, совмещенное с резанием. На токар­ных станках с ЧПУ, входящих в состав модуля, прямые измерения инструмента проводят в рабочей зоне с помощью индикаторов кон­такта (ИК), которые могут служить и для привязки инструмента к сис­теме отсчета станка.

Среди известных и применяемых в производственных условиях методов косвенного контроля состояния инструмента наибольшее распространение нашли два: контроль по результатам измерений раз­личных составляющих силы резания и контроль по параметрам виб­роакустической эмиссии. Измерение и обработку результатов выпол­няют в процессе резания, в этом заключается основное достоинство косвенных методов контроля.

Контроль по результатам измерений составляющих силы резания основан на явлении возрастания суммарной силы резания и ее отдель­ных составляющих по мере затупления инструмента или при его по­ломке. В устройствах контроля состояния инструмента — монито­рах — используется принцип сравнения фактического значения изме­ряемой силы с некоторым заданным предельным уровнем (например, уровнем предельного износа). Основой расчета этих уровней служит уровень нормального резания, наблюдаемый при обработке детали новым инструментом, когда в память монитора автоматически или вручную вводят соответствующие зафиксированные значения изме­ряемого параметра.

Контроль по параметрам виброакустической эмиссии основан на измерении упругих волн в твердых телах, подвергнутых пластической деформации или излому. Амплитуда колебаний, регистрируемых пье­зоэлектрическими датчиками, коррелирует с деформацией режущей кромки инструмента в зоне его контакта с обрабатываемой деталью. Так, увеличение амплитуды высокочастотных колебаний характерно для периодов приработки и интенсивного износа инструмента. Важно установить наиболее информативные диапазоны частот для инстру­ментов различных типов и коррекцию между амплитудой эмиссии и показателями нарушения состояния режущей кромки. Этот метод ис­пользуют для контроля поломки осевого инструмента (сверла, метчи­ка и т. д.).

К методам косвенного контроля износа инструмента относится также контроль фактического времени работы инструмента и сравне­ние его со стойкостью инструмента, рассчитанной по параметрам ре­жимов резания с учетом различных факторов. Метод не требует нали­чия мониторов и может быть чисто расчетным путем реализован в уст­ройстве ЧПУ. Контроль по времени работы может быть эффективен тогда, когда стойкость инструмента рассчитана с достаточной досто­верностью, а разброс реальной стойкости при обработке различных заготовок различными инструментами невелик и им можно пренеб­речь. При этом следует исключить факторы, влияющие на разброс ре­альной стойкости, и в первую очередь повышенные режимы резания, что снижает производительность модуля. Несмотря на свою простоту, данный метод, как правило, используют в сочетании с другими мето­дами контроля фактического состояния режущего инструмента (на­пример, с прямым измерением инструмента с помощью ИК).

Средства автоматического контроля образуют устройства контро­ля — управляемые микро-ЭВМ измерительные устройства. Послед­ние включают различного рода датчики, которые вырабатывают сиг­нал, характеризующий процесс резания, и нормирующие преобразователи, обеспечивающие электрическое сопряжение устройства контроля с датчиками.

Выбор датчиков для измерения при косвенном контроле зависит от многих факторов: типа и размера станка, вида режущего инстру­мента и обработки, необходимости и возможности встройки датчиков в станок, а также от выбранных алгоритмов контроля.

В настоящее время используются различные датчики:

- измеряющие ток в якоре двигателя главного привода;

- тензодатчики на подшипниках шпинделя для измерения состав­ляющих силы резания (силоизмерительные подшипники);

- тензодатчики на специальных втулках в опорах ходовых винтов для измерения осевых сил на ходовых винтах;

- пьезодатчики, позволяющие измерять как статические, так и дина­мические нагрузки. Эти датчики встраивают в основание револьвер­ной головки токарных станков или устанавливают непосредственно на стенке шпиндельной бабки;

- датчики для определения деформаций шпинделя;

- пьезоэлектрические высокочастотные акселерометры, устанавли­ваемые непосредственно на шпиндель станка.

Некоторые устройства контролируют состояние инструмента по совокупности сигналов различных датчиков, что позволяет повысить надежность контроля различных неисправностей инструмента. Так, в устройстве для многоцелевых станков предусмотрены контроль изно­са режущих инструментов по крутящему моменту с помощью датчика тока и контроль их поломок по акустическому сигналу (уровню вибра­ций). На токарных станках поломка инструмента и его износ контро­лируют по крутящему моменту и составляющим силы резания с помо­щью датчиков тока и тензодатчиков на подшипниках шпинделя. При использовании сигналов только одного датчика упрощается матема­тическая обработка контрольной информации, но снижается надеж­ность контроля.

Точность измерений с помощью ИК в большой степени зависит от методики и выбранного алгоритма контроля. Как правило, для каждо­го типа инструмента, используемого на станке, следует разрабатывать свою программу измерений, хотя методика контроля может быть об­щей с некоторыми особенностями для различных типов инструмен­тов.

При автоматическом контроле должны быть реализованы следую­щие функции:

- начальная размерная настройка инструмента (привязка нового ин­струмента к системе отсчета станка);

- подналадка инструмента в процессе обработки; обнаружение поломки инструмента;

- замена инструмента дублером в случае превышения допустимых значений износа или исчерпания нормативного периода стойкости, а также в случае его поломки;

- прерывание обработки и вызов оператора при выявлении размер­ного брака, отсутствии дублера износившегося инструмента.

В условиях комплексной автоматизации производства целесооб­разно создание автоматизированных систем диагностирования (АСД). При этом появляется возможность использовать модульные принци­пы построения универсальных средств диагностики, адаптируемые к различным видам оборудования с помощью программного обеспече­ния ЭВМ. В этом случае необходимо четкое разделение между собст­венно программой диагностики и диагностическими данными, харак­терными для конкретных станков.

Анализ возможных неисправностей технологической системы и составление матриц неисправностей определяет инвариантное ядро программы и конкретные диагностические данные.

Построенная таким образом схема диагностики позволяет выявить неисправности в сложной и быстроменяющейся производственной ситуации. Кроме того, появляется возможность параллельной автома­тизированной диагностики с количественными методами информа­ции, прогнозированием остаточного ресурса диагностируемых эле­ментов технологической системы.