книги из ГПНТБ / Регулирование качества продукции средствами активного контроля

на зубошлифовальном станке фирмы «Мааг» на точность обработ­ ки влияют тепловые и силовые деформации станка и режущего инструмента.

Контроль положения режущей кромки инструмента применяется при обработке деталей сложной формы, когда измерение самой де­ тали затруднительно.

При использовании обратной связи IV (см. рис. 32, а) контроли­ руется непосредственно размер обрабатываемой детали: его вклю­ чают в размерную цепь измерительного прибора. Прибор оснащен

и виброконтактные и т. д.). Однако принцип управления станком и

Цикл обработки состоит из следующих элементов. При размы­ кании контакта 9 (см. рис. 32, б) происходит переключение станка с черновой подачи на чистовую. При замыкании контакта 10, кото­ рый настроен по образцовой детали на заданный размер, подается команда на прекращение процесса обработки (возникающий при замыкании этого контакта электрический импульс после усиления поступает в электромагнит, связанный с золотниковым устрой­ ством; при срабатывании электромагнита золотник переключается, и поршень 4 (см. рис. 32, а) начинает двигаться в обратном на­ правлении).

Таким образом, в этом случае процесс обработки независимо от влияния различных технологических факторов продолжается до тех пор, пока в контролируемом сечении не будет достигнут задан­ ный размер. При таких условиях на точность обработки перестают влиять размерный износ режущего инструмента, тепловые и сило­ вые деформации станка и режущего инструмента, а также силовые деформации обрабатываемых деталей (при диаметральном трех­ контактном измерении). Данная обратная связь обладает более высокой точностью по сравнению с ранее рассмотренными.

Системы регулирования размеров, основанные на контроле де­ талей в процессе обработки, имеют ациклический характер.

На точность контроля в процессе обработки влияют износ из­ мерительных наконечников прибора (при контактных измерениях), тепловые деформации обрабатываемых деталей и погрешность са­ мого измерительного прибора, включая при автоматических изме­ рениях погрешность датчика, а при визуальных — погрешность универсального прибора.

При контроле в процессе обработки деталей, обладающих не­ большой жесткостью в поперечном сечении (например, тонкостен­ ных), на точность любых методов измерения, в том числе и диамет­ ральных, влияют силовые деформации обрабатываемых деталей. Поэтому тонкостенные детали целесообразнее контролировать не в процессе, а после обработки, используя обратные связи в форме подналадочных систем. При контроле после обработки уменьшает-

98

ся влияние динамических факторов. Кроме того, само измеритель­ ное устройство находится в более благоприятных условиях (с точки зрения влияния охлаждающей жидкости и возможности загрязне­ ния).

Однако с точки зрения компенсации технологических погрешно­ стей контроль деталей в процессе обработки является более вы­ сокой формой обратной связи по сравнению с подналадочными сис­ темами.

Характерная особенность контроля в процессе обработки за­ ключается в том, что компенсируется влияние не только функцио­ нальных технологических погрешностей, как например, при ис­ пользовании подналадочных систем, но и собственно случайных. Эта особенность заложена в самом принципе действия данных систем: поскольку процесс обработки прекращается при достиже­ нии заданного размера, то на точность регулирования уже не мо­ гут влиять случайные погрешности, вызываемые, например, коле­ банием припусков на обработку (за исключением связанных с ко­ лебанием припусков случайных температурных погрешностей са­ мих обрабатываемых деталей) или неоднородностью материала заготовок. Вместе с тем именно указанные факторы являются основ­ ными источниками возникновения собственно случайных погрешно­ стей.

Точность регулирования размеров при дискретном изменении контролируемых параметров. Весьма часто поперечные и продоль­ ные подачи исполнительных органов металлорежущего станка осуществляются совместно (рис. 35). На рисунке приведен слу-

чай круглого наружного шлифования в центрах, однако сделанные ниже выводы относятся к любому типу подобных операций, вклю­ чая внутреннее и плоское шлифование, а также точение, фрезеро­ вание, строгание и др.

Из рисунка следует, что размеры деталей изменяются дискрет­ но. Поэтому независимо от точности средства активного контроля, управляющего технологическим процессом (датчик / ) , величина

предельной погрешности не может быть меньше двойной толщины

ном на рисунке, заданный размер уже практически получен, но датчик не сработал в результате присущей ему погрешности или вследствие того, что его контакты не дошли друг до друга на ка­ кую-то очень малую величину. Во время следующего прохода с де­ тали будет снят слой металла толщиной і, в результате чего раз­ мер детали станет меньше заданного на величину 2t. Эта погреш­ ность колеблется в пределах от нуля до 2t и распределяется по закону равной вероятности.

Толщина слоя металла, снимаемого с детали за один проход, определяет точность обработки и при отсутствии средств регулиро­ вания размеров.

При шлифовании в центрах или патроне поперечная подача за один или двойной ход, равная 2,5—4 мкм, может вызвать по­ грешность обработки 5—8 мкм. Таким образом, для повышения точности регулирования размеров необходимо прежде всего умень­ шать величину і. Для этого, в свою очередь, нужно, чтобы сам процесс резания давал возможность снимать с обрабатываемых де­ талей тонкие слои металла. При шлифовании вполне можно сни­ мать слои металла, толщина которых составляет десятые и даже сотые доли микрометра. Возможности других операций (точение, фрезерование, строгание) более ограничены. Известно, например, что при обычном точении стальных деталей очень трудно снять слой металла толщиной меньше 0,01 мм.

Величина і зависит также от передаточного отношения кинема­ тической цепи станка, от порога чувствительности механизма при­ вода его исполнительных органов и от жесткости технологической системы. Для управления указанным параметром необходимо повы­ шать жесткость технологической системы и не доводить режущий инструмент до состояния полного затупления.

При недостаточно жесткой технологической системе и сильно затупленном режущем инструменте подача исполнительных орга­

деформаций технологической системы, которые тем самым опреде­ ляют и параметр і.

Точность средств активного контроля, основанных на косвенных методах измерения. На рис. 36 представлены схемы одноконтактных измерительных устройств. Размерные цепи, в состав которых вхо­ дят регулируемые параметры, характеризуются следующими за­ висимостями:

100

При измерении по схеме, приведенной на рис. 36, а, погрешность зависит от тепловых и силовых деформаций звена L . Погрешность самого измерительного прибора, включая и погрешность от износа измерительного наконечника, входит в состав ôC. Погрешность Ы является следствием тепловых и силовых деформаций звена /. При шлифовании силовые деформации возникают в основном под вли-

считать, что силовые деформации обрабатываемых деталей прак­ тически мало влияют на точность регулирования. Кроме того, при выборе положения измерительного наконечника прибора всегда можно учесть направление равнодействующей силы резания. При такой схеме измерения на точность активного контроля не влияет размерный износ режущего инструмента, тепловые и силовые де­ формации шлифовальной бабки, станины станка и инструмента.

Весьма своеобразным является метод контроля, изображенный на рис. 36, в. В этом случае на точность измерения не влияют сило­ вые деформации обрабатываемых деталей. Погрешность ôL зави­ сит только от тепловых деформаций звена L . Погрешность звена / определяется размерным износом и силовым отжатием режущего инструмента. Таким образом, своеобразие данного метода заклю-

101

измерениям, данную схему можно отнести к диаметральному изме­

Рис. 37. Схема контроля положения режущей поверхности шлифовального круга

щей поверхности шлифовального круга характеризует также и по­ ложение обрабатываемой поверхности.

Фиксируемая измерительным прибором линия АА относится одновременно к обрабатываемой поверхности и режущей поверхно­ сти шлифовального круга, в результате чего контроль положения од­ ной из поверхностей означает одновременно контроль положения другой. Именно поэтому оба метода измерения должны быть отне­ сены к косвенным.

Однако между этими методами есть и некоторое различие, не

ром при контактном методе измерения режущей поверхности кру­ га). Как следует из рисунка, линия А-А является одновремецно ли­ нией вершин неровностей поверхности шлифовального круга и ли­ нией впадин неровностей поверхности детали. Поскольку размер детали определяется по линии вершин неровностей ее поверхности, то при изменении их высоты, вызванном затуплением шлифоваль­ ного круга, может возникнуть погрешность измерения. Но, как показывают исследования, изменение высот неровностей шлифо­ ванных поверхностей (при затуплении круга) не превышает

102

0,5—{ мкм. Такому изменению величины Rz соответствует диамет­ ральная погрешность 1—2 мкм. Следовательно, можно утверждать, что линия вершин неровностей режущей поверхности шлифоваль­ ного круга достаточно точно характеризует положение обрабаты­ ваемой поверхности.

Контроль положения режущей поверхности шлифовального кру­ га целесообразно применять при шлифовании деталей сложной формы (например, сверл, зубчатых колес, лемехов и т. д.), так как контроль непосредственно самих деталей в этом случае является затруднительным.

При подналадке контроль положения режущей поверхности шлифовального круга позволяет одновременно компенсировать износ круга в процессе шлифования и в результате правки, в то вре­ мя как подналадчики, контролирующие непосредственно изготов­ ляемые детали, компенсируют только износ круга в процессе шлифо­ вания.

При правке с шлифовального круга срезается слой абразивного материала толщиной 0,02—0,03 мм. Если этот износ не скомпенси­ ровать до начала обработки, то неизбежно возникнет брак. Подналадчик, контролирующий положение режущей поверхности шли­ фовального круга, легко компенсирует износ круга при правке до процесса обработки. При использовании подналадчиков, контро­ лирующих обрабатываемые детали, для автоматической компенса­ ции этого износа приходится применять специальные, довольно сложные устройства.

Точность одноконтактных измерений ниже точности диаметраль­ ных. Это объясняется тем, что при одноконтактных измерениях воз­ никают более длинные измерительные цепи, а следовательно, оказы­ вают и более сильное влияние на точность регулирования тепловые и силовые деформации технологической системы.

Существенным недостатком одноконтактных измерительных устройств, контролирующих детали в процессе обработки, является

обрабатываемых деталей и не могут существенно уменьшить влия­

лико. Это объясняется тем, что шлифовальный круг тщательно ба­ лансируют.

1 Эти выводы относятся к электроконтактным системам. Индуктивные и элек­ тропневматические системы вследствие значительной инерционности реагируют на вибрации гораздо меньше.

103

Способы повышения точности косвенных методов измерения.

При плоском шлифовании на станках с прямоугольным столом ис­ пользуется одноконтактное измерительное устройство (рис. 38,а) . Размерная цепь, определяющая точность регулирования, характе­ ризуется зависимостью

Погрешность ôL обусловливается тепловыми и силовыми де­ формациями стойки 2, на которой смонтирован измерительный при­ бор /. Можно принять, что температура стойки равна температуре

/7

Ù

Рис. 38. Схемы контроля при плоском шлифова­ нии

окружающего воздуха. Погрешности ôh, èk и ôz зависят от тепло­ вых и силовых деформаций соответствующих звеньев измеритель­

воздуха. Погрешность самого прибора, включая погрешность, вызы­

Наибольшее влияние на точность активного контроля оказыва­ ют тепловые деформации звеньев U и /2 , возникающие под влия­ нием тепла, выделяющегося в системе гидропривода. На точность влияют также силовые деформации и изменение толщины слоя смазки в направляющих стола станка (звено z).

Вместе с тем точность регулирования можно существенно повы­ сить, если использовать схему измерения, изображенную на

104

рис. 38,6. При этом базой измерения является стол станка, а изме­ рительное устройство выполнено «плавающим». На точность такой системы не влияют тепловые и силовые деформации звеньев h и h, а также изменение толщины слоя смазки в направляющих стола станка. Точность обработки в основном зависит от тепловых де­ формаций обрабатываемых деталей, погрешности самого измери­ тельного прибора и толщины слоя металла, снимаемого с детали за один проход.

В предлагаемой схеме направление износа обоих наконечников прибора одинаковое и, следовательно, не оказывает существенного

мкм

На основании схемы двухконтактного измерения было разрабо­ тано соответствующее измерительное устройство. Сравнительная

105

работы станка составляет при одноконтактном измерении пример­ но 20 мкм, а при двухконтактном — 6 мкм. В начале работы стан­ ка (рис. 39, а) размеры шлифуемых деталей несколько увеличива­ ются, а затем начинают постепенно уменьшаться. Начальное уве­ личение размеров деталей объясняется влиянием силовых дефор­ маций и уменьшением толщины масляного слоя в направляющих вследствие нагревания смазки. Затем по мере разогревания стани­ ны и стола станка основное значение с точки зрения точности при­ обретает влияние их тепловых деформаций, стабилизирующихся на протяжении значительного промежутка времени.

При двухконтактном измерении (рис. 39, б) отсутствует сколь­ ко-нибудь существенное функциональное изменение размеров дета­ лей.

Рассмотренный пример показывает, что недооценка влияния на

чика в общем объеме погрешности может составлять всего 2—4%. Каким образом можно повысить точность систем регулирования размеров, работающих по методу правки круга перед чистовыми проходами1 ? Этот метод регулирования основан на фиксации поло­ жений режущей поверхности шлифовального круга и исполнитель­ ных органов станка. В качестве примера рассмотрим применение

указанного метода при шлифовании колец подшипников.

Принцип действия системы заключается в следующем. Шлифо­ вальный крут с ускоренной подачей подводят к поверхности заго­ товки кольца. После создания в системе некоторого натяга шлифо­ вальная бабка с помощью реле мощности, включенного в цепь электродвигателя привода круга, переключается с ускоренного пе­ ремещения на рабочую черновую подачу. Работа при черновом ре­ жиме производится до тех пор, пока кулачок, закрепленный на лим­ бе механизма поперечной подачи, не замкнет контакт, включающий выхаживание. Длительность выхаживания задается при помощи реле времени.

После выхаживания шлифовальный круг правят. Затем осу­ ществляют чистовое шлифование, которое заканчивается при замы­

обработку, износ правящего инструмента, колебание величины из­ носа круга при чистовом шлифовании, качество материала загото­ вок колец, колебание диаметра их базовой поверхности и некото­ рые другие факторы. Суммарная погрешность регулирования сос­ тавляет 0,02 мм. Эта погрешность в значительной степени обуслов-

1 По такому принципу работают станки «Хилд—Сайзматик».

106

лена рассеиванием припусков на обработку, которое на данной операции достигает 0,3 мм.

На рис. 40, а приведен график, характеризующий зависимость между колебанием величин припусков на обработку и рассеиванием диаметров прошлифованных колец. Колебание припусков вызыва­ ет изменение тепловых деформаций обрабатываемых колец и си­ ловых деформаций технологической системы, что существенно вли­ яет на точность размеров колец. Особенно ощутимо влияние сило­ вых деформаций. Рассмотрим, каким образом можно уменьшить это влияние.

107