АПП курсовик / 5551 АПП / Курсовой проект / Обработка на станках с ЧПУ / Наладка и эксплуатация станков с ЧПУ

Для современного состояния рынка средств автоматизации характерно обилие автономных устройств контроля, предназначенных для решения конкретной задачи (инструментальные мониторы, измерительные головки с блоками согласования и др.). Практически отсутствуют универсальные УЧПУ, которые могли бы обеспечивать функции контроля и диагностики в полном объеме.

Основной причиной сложившейся ситуации является неотработанность алгоритмов контроля процесса резания и сравнительно невысокая надежность распознавания нарушений в работе инструмента [5]. Фирмыпроизводители УЧПУ неохотно берут ответственность за алгоритмы контроля процесса резания, основанные на изучении физических закономерностей резания и износа инструмента.

Следует отметить и другие причины: сложность комплектования УЧПУ различными датчиками для измерения параметров резания, усложнение аппаратной и программной структуры УЧПУ для средств контроля по заказу потребителя и др. Между тем автономное исполнение устройств контроля незначительно повышает стоимость всей системы управления, поскольку к большому комплекту модулей УЧПУ добавляется лишь модуль связи. В пользу автономных устройств говорит возможность их независимой отладки (включая программное обеспечение), а также более широкий выбор средств контроля для конкретного станка.

В целом при выборе средств контроля и диагностики следует руководствоваться основными требованиями к системе ПРС, которые составляют минимальный набор условий, необходимых для работы станка в "безлюдном" режиме:

- обеспечение аварийной защиты, т.е. быстрая остановка всех движений на станке при нарушении нормальной работы с последующим автоматическим восстановлением цикла или вызовом наладчика;

81

-контроль времени работы инструмента и сопоставление его с заданной стойкостью; автоматический вызов дублера изношенного инструмента или выдача сообщения об его отсутствии;

-контроль размеров поверхностей, обрабатываемых быстроизнашиваемым инструментом; расчет и автоматический ввод коррекций на износ.

Из комплекса задач, решаемых системой ПРС, необходимо выделить направление, которое непосредственно связано с контролем процесса обработки: контроль состояния инструмента, размерный контроль, адаптивное управление режимами резания. Перечисленные задачи являются наиболее важными для технологической наладки станка и требуют более подробного изучения. Проблемы автоматизации контроля процесса обработки достаточно полно отражены в [2, 9, 25]. Характеристика существующих способов контроля по их применяемости приведена в табл, 3.1.

83

3.2Контроль состояния инструмента

Взависимости от условий эксплуатации от 20 до 60% отказов станков с ЧПУ связано с нарушениями работоспособности режущего инструмента [7]. В процессе резания могут возникать как постепенные, так и внезапные отказы инструмента. К постепенным отказам относят затупление и размерный износ, а к внезапным - различного рода поломки.

Для черновой обработки решающее значение имеет затупление инструмента, которое приводит к постепенной утрате режущих свойств. Работоспособность инструмента восстанавливают путем его замены на инст- румент-дублер, а также поворотом или сменой режущей пластины (для инструментов с СМП). Эксплуатация изношенного инструмента недопустима, поскольку из-за увеличения сил резания и температуры резко возрастает интенсивность износа и происходит разрушение.

Для чистовой обработки на первый план выступает размерный износ. Инструмент сохраняет режущие свойства, но из-за размерного износа уменьшаются его вылеты WX и WZ , что приводит к выходу обрабатываемых размеров за пределы допуска. Особенно сказывается на точности обработки уменьшение радиального вылета WX . Работоспособность инструмента здесь восстанавливают путем своевременной коррекции или ручной регулировки радиального вылета (для расточных оправок).

Внезапные отказы проявляются, главным образом, при черновой обработке. Предупредить внезапный отказ нельзя, можно лишь вовремя обнаружить его и заменить поломанный инструмент на новый. Важную роль здесь играет анализ наиболее вероятных причин поломок с целью осуществления мероприятий по снижению интенсивности отказов. К таким мероприятиям, в частности, относятся повышение культуры производства (особенно технологической дисциплины), ужесточение требований к качеству инструментов и др.

84

Автоматический контроль состояния инструмента выполняют двумя способами - по остаточному ресурсу и по фактическому состоянию.

Контроль остаточного ресурса является наиболее простым с точки зрения технической реализации. В этом случае для каждого вида инструмента устанавливают назначенный ресурс ТН по стойкости. Устройство ЧПУ ведет учет фактического времени работы ТФ (с помощью таймеров) и при выработке назначенного ресурса принимает решение о принудительной замене или подналадке инструмента, независимо от его фактического состояния.

Для расчета назначенного ресурса ТН по критерию затупления используют эмпирические формулы, которые связывают стойкость инструмента с режимами резания [30]. Назначенный ресурс ТН по критерию размерного износа определяют с учетом выдерживаемого допуска на обрабатываемый размер, относительного износа U0 и пути резания L [11,17].

Существенным недостатком контроля по остаточному ресурсу является невозможность обнаружения внезапных отказов. Кроме того, из-за воздействия множества случайных факторов стойкость инструмента также имеет случайный характер. Таким образом, часть инструментов выработает свою стойкость еще до достижения назначенного ресурса ТН .

По этой причине в качестве назначенного ресурса ТН рекомендуется принимать гамма-процентный ресурс Тγ (ГОСТ 27.002-89), при котором вероятность преждевременного отказа не превышает величину γ, выраженную в процентах. Для расчета Тγ необходимо знать закон распределения стойкости инструмента, например, в виде плотности распределения f (Т).

В этом случае связь вероятности отказов γ с ресурсом Тγ можно выразить известной формулой:

T

∫ f (T )dT .

0

85

Поскольку вероятность преждевременных отказов не следует принимать более 0,05 (или 5%), то большая часть инструментов будет заменена до достижения им предельного состояния. Недоиспользование ресурса зависит от стабильности режущих свойств инструмента, которую можно оценить с помощью среднеквадратического отклонения σ стойкости в партии инструментов.

На рис. 3.1 показаны законы распределения стойкости для двух партий инструментов f1 и f2 с одинаковым средним значением Тср, но с различными среднеквадратическими отклонениями - σ1 > σ2. При одинаковых вероятностях преждевременных отказов γ1 = γ2 (заштрихованные площади) потенциальные возможности инструментов первой партии будут использованы в значительно меньшей степени по сравнению со второй партией.

Рис.3.1. Законы распределения стойкости для двух партий инструментов

Отсюда можно сделать вывод о том, что для успешного контроля инструмента по остаточному ресурсу желательно применять инструмент высокого качества (с небольшим разбросом стойкости) и создавать для него

86

стабильные условия резания. В целом следует отметить, что контроль остаточного ресурса эффективен для повторяющихся партий деталей ограниченной номенклатуры, где можно накопить необходимые статистические данные по стойкости инструментов.

Контроль инструмента по фактическому состоянию дает более объективные результаты, но требует специального технического оснащения. Различают два вида контроля: прямой и косвенный.

В процессе прямого контроля непосредственно измеряют геометрические параметры инструмента, которые изменяются при его износе или поломке. Например, измерение длины сверла позволяет установить его поломку, а измерение площадки на задней грани резца дает возможность оценить реальный износ. Для прямого контроля используют оптический и механический (контактный) способы измерения.

Оптический способ на основе устройств технического зрения позволяет контролировать состояние инструмента на быстром ходу, а иногда и в процессе резания [2]. Однако, эти устройства не нашли пока широкого применения ввиду неотработанности технических решений, сложности и высокой стоимости. Контактный способ обеспечивает высокую точность и надежность контроля.

Для этой цели используют специальные электронные датчики, которые размещают за пределами зоны обработки [13]. По своему принципу эти датчики аналогичны средствам размерного контроля, которые рассмотрены ниже. Недостатком контактного способа является невозможность контроля инструмента в процессе резания. Чаще всего, контактный способ применяют для автоматической размерной настройки инструментов.

При косвенном контроле измеряют параметры, изменение которых является следствием износа или поломки инструмента. Например, изменение сил резания, при прочих равных условиях, может быть вызвано затуплением инструмента и по ним можно фиксировать предельный износ.

87

Практически все виды косвенного контроля позволяют оценить состояние инструмента непосредственно в процессе резания. Однако, ни один из них не дает полной гарантии обнаружения отказа, поскольку на "полезный" сигнал неизбежно накладываются различные помехи. Параметры, по которым можно осуществить косвенный контроль, весьма разнообразны: электрическое сопротивление, термо-ЭДС, температура в зоне резания, виброакустическая эмиссия и др. Однако на практике внедрение подучили методы, основанные на измерении мощностных и силовых характеристик резания.

Наиболее просто реализовать измерение мощности, потребляемой приводом главного движения. Установка датчиков мощности не требует существенных изменений в конструкции станка. Однако, при обработке инструментами малого диаметра и при чистовых переходах этот способ неэффективен, так как потребляемая мощность неощутима на фоне мощности холостого хода. Кроме того, при контроле мощности учитывается только тангенциальная составляющая силы резания, тогда как по мере износа в значительно большей степени возрастают радиальная и осевая составляю-

щие [7].

Достаточно простыми являются устройства для контроля крутящего момента на валу электродвигателей постоянного тока, которые основаны на измерении величины тока, проходящего через якорь электродвигателя. Недостаток этого способа заключается в невозможности контроля быстрых изменений нагрузки. С целью устранения сетевых помех и наводок полоса пропускания ограничена частотой 50 Гц (с помощью фильтра) и контроль ведется по среднему значению тока. Чувствительность устройства также зависит от наличия редуктора между двигателем и шпинделем. Так, на обрабатывающих центрах средних размеров с зубчатой передачей удается контролировать состояние сверл диаметром до 10-12 мм. В то же время на

88

станках с мотор-шпинделем оказалось возможным контролировать состояние сверл диаметром до 5-6 мм [5].

Наиболее информативным и надежным способом контроля состояния инструмента является измерение составляющих сил резания. Этот способ обладает хорошей чувствительностью к износу. По изменению сил резания можно контролировать не только износ инструмента, но и его поломку.

В основе алгоритмов распознавания предельного износа и поломок инструмента лежит сравнение текущего измеренного значения РИЗМ с некоторой предельной величиной РПР. Обычно для каждого технологического перехода устанавливают три предела: РПР из - для контроля износа; РПР max и РПР min - для контроля поломок.

Выполнение неравенства РИЗМ > РПР из классифицируется как достижение предельного износа. Для распознавания поломок возможны два варианта: РИЗМ > РПР max - в результате поломки в контакт с заготовкой вступает часть инструмента, не предназначенная для резания; РИЗМ < РПР min - при поломке исчезает контакт инструмента с заготовкой.

Пример контроля силы резания в простейшем рабочем цикле резца показан на рис. 3.2. После включения рабочей подачи в точке 0 некоторое время движения происходит без резания с регистрацией силы холостого хода РХХ. При касании заготовки сила резания начинает возрастать и в точке I становится больше уровня врезания РВР. Процесс врезания завершается в точке 2. На участке резания (от точки 2 до точки 3) возможны колебания силы резания (например, из-за изменения припуска или твердости). В точке 3 резец начинает выходить из заготовки. Процесс резания заканчивается в точке 4, где сила резания становится меньше уровня врезания РВР.

Очевидно, что контроль состояния инструмента нужно вести на участке 1-4. При этом для устранения ложных команд следует ограничить контроль по минимальному пределу РПР max только участком резания 2-3 путем блокирования проверки на время τблок.

89

Рис.3.2. Пример контроля состояния инструмента по силе резания

Необходимо также предусмотреть защиту от случайных выбросов силы РИЗМ и различных помех. С этой целью вводится задержка формирования сигнала о поломке на время τзад , в течение которого фиксируется устойчивый выход РИЗМ за установленные пределы. Величину τзад выбирают как можно меньшей, но достаточной для исключения ложных срабатываний. На рис. 3.2 пунктиром показаны два варианта регистрации поломки:

вариант I - по условию РИЗМ > РПР max ; вариант II - по условию РИЗМ < РПР min .

Определенные трудности имеют место при назначении предельных значений силы резания для распознавания износа и поломок. Необходимо иметь большой массив данных по каждому инструменту, выполнять предварительные расчеты и проводить специальные эксперименты. Задача осложняется тем, что предельные значения могут изменяться в течение рабочего цикла.

90