книги из ГПНТБ / Регулирование качества продукции средствами активного контроля

ружной обработке увеличивает размеры обрабатываемых деталей (при внутренней обработке износ режущего инструмента и силовые

При оценке влияния на точность обработки тепловых деформа­ ций станка следует учитывать смещение оси шпинделя шлифоваль­ ного круга, которое происходит под влиянием тепловых деформа­ ций подшипников и шеек шпинделя, а также в результате измене­ ния вязкости масла. Величина и направление теплового смещения оси шпинделя шлифовального круга зависят от конструкции под­

шипника.

деформаций различных узлов металлорежущих станков. Выше бы­

шлифуемых деталей, как правило, уменьшаются. Однако по мере стабилизации тепловых деформаций шлифовальной бабки влияние

68

на точность размеров тепловых деформаций станка следует всегда

ловых (2) деформаций технологической системы, а также график изменения тепловых деформаций обрабатываемых деталей (4) *. Штриховой линией показана примерная кривая суммарного изме­ нения во времени размеров деталей под влиянием совместного дей­ ствия всех указанных факторов.

На рис. 21 приведены кривые изменения во времени размеров цилиндрических и конических роликов, а также колец подшипни­ ков, полученные при бесцентровом шлифовании партии колец и роликов. Как следует из рис. 21, экспериментальные кривые под­ тверждают характер результирующей кривой, показанной на рис. 20. Характер полученных графиков подтверждается и при других экс­ периментах.

Теоретические и экспериментальные графики позволяют сделать следующие выводы.

Среди погрешностей обработки имеются такие, интенсивности изменения которых взаимно компенсируются. Если сразу после

* В данном случае имеется в виду процесс изменения размеров после стабили­ зации режущей поверхности шлифовального круга.

69

зывает износ режущего инструмента, то влияние силовых деформа­ ций в этот период оказывается наименьшим. И, наоборот, усиление влияния силовых деформаций, вызываемое затуплением режущего инструмента, сопровождается одновременным уменьшением вли­ яния износа режущего инструмента. Поэтому изменение во времени величины функциональных погрешностей обработки, как правило, сравнительно невеликоі .

В начальной стадии обработки наиболее сильное влияние на размеры деталей оказывают интенсивно развивающиеся тепловые

Рис. 21. Графики изменения размеров роликов и колец подшипников:

; — конические ролики; 2 — цилиндрические ролики; 3 — кольца

деформации шлифовальной бабки, что приводит к уменьшению раз­ меров деталей. По мере стабилизации тепловых деформаций шли­ фовальной бабки размеры деталей начинают постепенно увеличи­ ваться, причем это увеличение имеет приблизительно равномерный характер. Можно условно считать, что после стабилизации тепло­ вых деформаций шлифовальной бабки и режущей поверхности кру­ га изменение функциональных усредненных погрешностей подчи­ няется закону равной вероятности, хотя, разумеется, могут встре­ чаться и значительные отступления от указанного закона. В дан-

1 Эти выводы относятся только к наружному шлифованию. Вместе с тем ус­ тановленные выше общие закономерности изменения размеров встречаются и при других видах обработки. Это объясняется тем, что характер изменения во време­ ни размерного износа режущего инструмента, а также силовых и тепловых дефор­ маций примерно один и тот же при всех операциях. Очевидно, что во всех стан­ ках должны проявляться два вида тепловых деформаций, о которых говорилось выше. Частичная взаимная компенсация отдельных составляющих суммарной по­ грешности также характерна для различных станков. Выводы о взаимной компен­ сации погрешностей относятся только к наружной обработке. При внутренней об­ работке действие износа инструмента, тепловых деформаций обрабатываемых де­ талей и силовых деформаций технологической системы направлено в одну сторо­ ну и вызывает уменьшение размеров обрабатываемых деталей.

70

ном случае устанавливается самый общий характер изменения раз­ меров, причем, только для наружного шлифования. При различных реализациях случайных размерных функций графики изменения размеров деталей могут значительно отличаться друг от друга.

Таким образом, суммарное влияние на точность обработки из­ носа режущего инструмента, тепловых и силовых деформаций тех­ нологической системы имеет весьма сложный характер и может вы­ зывать как увеличение, так и уменьшение размеров обрабатывае­ мых деталей.

Изменение знака функциональных погрешностей обработки зна­ чительно усложняет систему управления исполнительными органа­ ми станка. Исполнительный орган необходимо конструировать так, чтобы он мог перемещаться в противоположных направлениях или сообщать подналадочные импульсы двум исполнительным органам, как сделано, например, в плоскошлифовальном станке типа А946. Поэтому при наружном шлифовании целесообразно использовать более мягкие круги, чтобы в начальной стадии обработки размер­ ный износ режущего инструмента компенсировал уменьшение раз­ меров деталей, возникающее под влиянием тепловых деформаций шлифовальной бабки

Кроме указанного преимущества, использование мягких и по­ ристых кругов способствует более свободному резанию, что приво­ дит к повышению производительности процесса шлифования, уменьшению тепловых и силовых деформаций и к улучшению ка­ чества шлифуемых поверхностей (под качеством поверхности пони­ мается не только ее микрогеометрия, но и состояние поверхност­ ных слоев металла).

Д л я уменьшения влияния на точность обработки тепловых де­ формаций можно использовать тепловые компенсаторы, которые создают искусственные встречные тепловые деформации. Для этого через некоторые полости станка пропускают нагретое масло, цир­ кулирующее через подшипники шлифовального круга. Указан­ ные полости должны быть за­ ранее предусмотрены в конструк­ ции станков.

На рис. 22 показан тепловой компенсатор, который исполь­ зуется в бесцентрово-шлифоваль- ном станке типа ЗБ180. Опора хо­ дового винта 1, который сообщает

движение шлифовальной бабке, смонтирована в кронштейне 2, жестко связанном со станиной. Нижняя часть кронштейна имеет

1 Данная рекомендация относится только к тем случаям, когда в технологи­ ческом процессе используются средства активного контроля размеров, компенси­ рующие влияние износа режущего инструмента.

71

полость, через которую пропускается масло, нагретое в подшипни­ ках шпинделя шлифовального круга. Тепловое смещение шпинделя в направлении обрабатываемой детали компенсируется направлен­ ной в противоположную сторону тепловой деформацией кронштей­ на. При / » 4 0 0 4 - 6 0 0 м м размер Л » 1 9 0 мм. Такое тепловое регу­ лирование имеет особенно важное значение в начальной стадии ра­ боты станка.

Размерный износ режущего инструмента, а также тепловые и силовые деформации технологической системы оказывают решаю­ щее влияние на точность размеров и в значительной степени опре­ деляют точность геометрической формы обрабатываемых деталей. Влияние указанных факторов не всегда можно устранить с помо­ щью средств активного контроля размеров, поэтому использование активного контроля не должно снижать тех жестких требований, которые должны предъявляться к геометрической и технологиче­ ской точности металлорежущих станков (например, тепловые де­ формации, которые зависят от конструкции станка).

С точки зрения размерных цепей технологических систем основ­ ной смысл применения средств активного контроля размеров за­ ключается в том, что обладающие большой протяженностью раз­ мерные цепи станков заменяются более короткими размерными цепями измерительных систем, на точность звеньев которых пара­ метры станка и режущего инструмента существенно не влияют.

Погрешности отдельных звеньев размерных цепей станка имеют характер случайных процессов. Проанализируем размерную цепь,

72

закон изменения величины компенсации, необходимо определить закон изменения математического ожидания случайной размерной функции. Для этого можно воспользоваться общими правилами определения вероятностных характеристик случайных функций, из­ ложенными в гл. I I . Однако компенсация по результату измерения усредненных параметров также в какой-то мере носит случайный характер. Кроме того, не устраняется влияние собственно случай­ ных погрешностей обработки.

§ 13. П Р И Н Ц И П АББЕ И П О Р О Г И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Принцип Аббе. Погрешность показаний приборов во многом за­ висит от того, соблюдается ли в их конструкциях принцип Аббе. Со­ гласно этому принципу, контролируемая величина и образцовая, с которой сравнивается первая, должны располагаться последова­ тельно. Принцип Аббе впервые был сформулирован применительно к измерению на компараторах. Однако этот принцип имеет универ­ сальное значение и может быть распространен не только на измери­ тельные приборы и приспособления, но и на металлорежущие стан-

Рис. 23. Принцип Аббе

ки. Применительно к конструированию приборов условием соблю­ дения принципа Аббе является расположение на одной прямой ли­ ний измерения и передачи измерительного импульса.

При измерениях могут возникать погрешности в результате пе­ рекосов измерительных стержней или кареток под влиянием непря­ молинейности или при наличии зазоров в направляющих. При со­ блюдении принципа Аббе погрешности от перекосов являются ошиб­ ками второго порядка малости по сравнению с погрешностями, воз­ никающими при несоблюдении этого принципа. Все наиболее точ­ ные измерительные приборы и приспособления выполняются обыч­ но с соблюдением принципа Аббе.

прибора, выполненного с соблюдением принципа Аббе. У штанген­ циркуля линия измерения и шкала, с которой сравнивается конт-

73

ролируемая величина (см. рис. 23,а), расположены не последова­ тельно, как требует принцип Аббе, а параллельно. В результате не­ прямолинейности боковых граней штанги каретка, с которой связа­ на подвижная губка штангенциркуля, может перекоситься, вслед­ ствие чего возникает погрешность от перекоса

В приборе, схема которого изображена на рис. 23, б, линия из­ мерения и ось стержня, передающего измерительный импульс при­ бору, расположены последовательно. В этом случае также возмо­

Таким образом, погрешность от перекоса при соблюдении прин­ ципа Аббе является ошибкой второго порядка малости.

Рис. 24. Схема активного изме­ рительного устройства, сконст­ руированного без соблюдения принципа Аббе

На рис. 24 приведена схема активного измерительного устрой­ ства, сконструированного без соблюдения принципа Аббе. При по­ добных измерениях необходимость нарушения принципа Аббе вы­ зывается обычно малыми размерами контролируемой детали, так как при соблюдении указанного принципа шлифовальный круг мо­ жет врезаться в корпус прибора. Погрешность от перекоса измери­ тельного стержня

74

Следовательно, для уменьшения ошибки от перекоса необходи­ мо уменьшать величину зазора в направляющих измерительного стержня и увеличивать расстояние между его опорами.

На рис. 25 изображена схема обработки детали на токарном станке. В данном случае принцип Аббе не соблюдается. Поэтому вследствие непрямолинейности направляющих станка А возникает ошибка от перекоса суппорта

Для уменьшения погрешности от перекоса необходимо умень­ шать параметр а и увеличивать / или назначать более жесткие до­ пуски на непрямолинейность направляющих.

Пороги чувствительности. В метрологии под порогом чувстви­ тельности понимается наименьшее изменение измеряемой величи­ ны, способное вызывать малейшее изменение показаний прибора,

т. е. такое изменение контролируемого параметра, на которое при­ бор способен реагировать. Однако понятие о пороге чувствительно­ сти, имеющее весьма важное значение также с точки зрения точно­ сти технологических систем, нуждается в более широком толкова­ нии.

Под п о р о г о м ч у в с т в и т е л ь н о с т и (в широком смысле) следует понимать минимальное изменение входного параметра си­ стемы, способное вызывать изменение ее выходного параметра. Вы­ ходным параметром может являться перемещение указателя отсчетного устройства измерительного прибора или исполнительного органа станка и т. д. Входным параметром может быть измеритель­ ный импульс, возникающий при контрольных операциях, или пере­ мещение Некоторого задающего устройства металлорежущего стан­ ка. Изменение выходных параметров может быть как плавным, так и скачкообразным.

75

К порогу чувствительности следует отнести погрешность обрат­ ного хода, возникающую при изменении направления движения в цепи передачи измерительной или технологической системы.

Определим погрешность обратного хода измерительной си­ стемы (рис. 26). При движении измерительного стержня внутрь корпуса прибора измерительное усилие складывается из силы на­

правлении сила трения изменяет знак и начинает действовать про­ тив силы натяжения пружины и веса стержня. Измерительное уси­ лие в этом случае определяют по формуле

где Fn-—сила трения покоя (движение в противоположном на­ правлении начинается из состояния покоя, а в начале дви­ жения должна быть преодолена сила статического тре­ ния) .

Таким образом, при изменении направления движения измери­ тельного стержня изменяется величина измерительного усилия

Указанный перепад измерительного усилия и является одним из основных источников возникновения погрешности обратного хода. Он приводит к изменению величины силовых деформаций звеньев измерительной (или технологической) цепи, вследствие чего возни­ кает погрешность показаний прибора или, в общем случае, рассог­ ласование между перемещениями входных и выходных элементов измерительных и технологических систем.

В процессе обработки на металлорежущих станках погрешность обратного хода возникает в копировальных системах при измене­ нии направления подачи режущего инструмента или при любых про­ цессах регулирования размеров, которые сопровождаются измене­ нием направления движения исполнительных органов станка.

Погрешность обратного хода, вызываемую изменением харак­ теристик сил трения в измерительных или технологических систе­ мах, следует оценивать по формуле

где Д'п — суммарная (приведенная) жесткость системы.

76

Если стойка и кронштейн, в которых закреплен прибор, имеют форму, изображенную на рис. 26, б, то погрешность показаний, вы­ зываемая деформацией стойки под влиянием перепада измеритель­ ного усилия ДРИ , равна

(89)

где АІ — погрешность обратного хода; / с и / к — моменты инерции стойки и кронштейна;

Е— модуль упругости;

/— высота стойки;

а— длина кронштейна.

На этом же рисунке показано изменение силовых деформаций цепи закрепления прибора при прямом и обратном ходе измери­

прибора останавливается несколько раньше того момента, при ко­ тором фиксируется размер контролируемой детали.

Вторым источником возникновения погрешности обратного хода являются зазоры, имеющиеся в подвижных соединениях механиз­ мов измерительных или технологических систем. При изменении на­ правления силы трения изменяется направление силы, действую­ щей на звенья цепи передачи прибора, что приводит к смещению цапф в подшипниках и к изменению положения мгновенных осей

увеличения зазоров при износе цапф и подшипников оси поворота должны выполняться на камнях.

Для уменьшения погрешности обратного хода необходимо умень­ шать силу трения и зазоры, а также увеличивать жесткость изме­ рительных и технологических систем. Целесообразно вместо направ­ ляющих трения скольжения использовать направляющие трения ка­ чения или пружинные связи, у которых вообще отсутствуют внеш­ нее трение и зазоры. Необходимо более жестко закреплять измери-

77