Контроль состояния инструмента в ГПМ

Контроль состояния инструмента на станке производится для оценки возможности дальнейшего использования инструмента при обработке данной или последующих деталей и определения его состояния.

Инструмент, установленный на станке, может находиться в одном из следующих состояний: нормальном, предельного износа, поломанном (с повреждениями режущих кромок).

При обработке нормальным инструментом (но не доведённым до состояния предельного износа) все технологические параметры резания, а также качество обработки соответствуют установленным техническим требованиям.

При разработке алгоритмов автоматической фиксации предельного износа необходимо учитывать, что сам износ и связанные с ним контролируемые параметры изменяются плавно и сравнительно медленно, так что резкого изменения величины параметра вблизи состояния предельного износа не фиксируется. Ещё больше затрудняет фиксацию предельного износа Наличие различных помех так называемых «шумов». Можно оценивать предельный износ на основе технологических показателей, например: по ухудшению качества обработанной поверхности, изменению характера стружки, появлению вибраций, чрезмерному нагреву детали. Возможна оценка по величине изменения геометрических размеров режущей части инструмента, например по величине износа передней или задней кромок.

Проще обстоит дело с фиксацией поломок инструмента, так как поломки происходят мгновенно (скачком) и измеряемый параметр также изменяется скачкообразно, так что фиксация поломок всегда более достоверна, чем фиксация предельного износа.

Фиксация выкрашивания режущих кромок, после которой инструмент сохраняет режущие свойства и может работать без замены, проводится на основании более сложной обработки результатов измерений сравнительно с фиксацией других нарушений. Например, при выкрашивании одного зуба концевой или торцевой фрезы возрастает нагрузка на соседний зуб, и для фиксации выкрашивания необходим контроль нагрузки в пределах одного оборота фрезы.

При разработке методов контроля прежде всего должны быть определены условия его проведения: должен ли он проводиться в ходе работы (резания) или достаточно вести его в «нерабочее» время, должны ли быть результаты контроля получены сразу же, непосредственно после измерений или они могут быть разнесены во времени. Значение имеет намечаемая периодичность измерений, т.е. условие, как должен вестись контроль – непрерывно или периодически. Требуется также определить номенклатуру контролируемого инструмента, установить, насколько стабильны условия контроля, т.е. будет ли контроль использоваться в одних и тех же или в переменных условиях, и т.д. В соответствии с принятыми решениями выделяется группа параметров (или один параметр), которые имеют корреляционную связь с контролируемым состоянием, т.е. износом, поломкой или выкрашиванием; из множества параметров отбираются те, которые могут быть измерены в реальных условиях работы контролируемого объекта. В связи с этим могут быть выделены два вида контроля: прямой и косвенный.

При прямом контроле измеряются геометрические размеры инструмента, которые изменяются при износе, поломке или выкрашивании.

Для косвенного контроля характерно измерение параметров, изменение которых является следствием изменения состояния инструмента. Так, изменение сил резания, при прочих равных условиях, может быть вызвано затуплением инструмента и, соответственно, по ним можно фиксировать предельный износ. Основным методом контроля при косвенных методах является метод «распознавания образцов», т.е. метод оценки реального состояния инструмента по расположению контролируемых параметров в допустимой области. Ввод данных, описывающих допустимую область значений параметров, может осуществляться вручную, на основе заранее проведенных исследований, или автоматически в ходе «обучения» устройства, ведущего контроль. Режим обучения проводится, как правило, при работе контролируемого объекта в нормальных условиях, когда все контролируемые параметры соответствуют норме, т.е. состоянию, требуемому техническими условиями.

В зависимости от того, в какой момент цикла изготовления детали проводятся измерения, возможны два вида контроля: периодический, который осуществляется вне процесса резания (до и после него), и текущий – в ходе резания.

Периодический контроль применяется тогда, когда текущий контроль невозможен. Периодический контроль инструмента проводится как в рабочей зоне, т.е. после установки инструмента в рабочую позицию, так и вне ее. Как правило, периодический контроль проводится прямыми методами измерения, что гарантирует высокую надежность фиксации поломок инструмента. Периодический контроль особо целесообразен для проверки мелкого осевого инструмента (свёрл, метчиков, концевых фрез), поломки которого плохо фиксируются текущим контролем, основанным на косвенных методах.Периодический контроль поломок вне рабочей зоны может производиться либо после возврата инструмента в магазин, либо, наоборот, до его выбора из магазина и установки в рабочую позицию. Преимуществом контроля вне рабочей зоны является возможность совмещения контроля одного инструмента с работой другого, так что контроль не ведет к непроизводительным потерям рабочего времени. Для периодического контроля используются индуктивные датчики, которые устанавливаются на столе обрабатывающего центра.

Текущий контроль состояния инструмента предназначен для его проверки непосредственно в ходе резания с целью своевременной замены изношенного инструмента и предупреждения аварийных ситуаций при его внезапной поломке. Как правило, такой контроль осуществляется косвенными методами, к которым относятся:

- контроль по ресурсу стойкости инструмента;

- контроль состояния инструмента по силам резания;

- контроль состояния по параметрам виброакустической эмиссии;

- контроль состояния инструмента по термоЭДС, по интенсивности тепловыделения, по нагреву детали, и т.п..

На практике наибольшее распространение нашли контроль по ресурсу стойкости и по изменению сил резания. Перспективны методы контроля по параметрам виброакустической эмиссии.

Контроль по ресурсу стойкости. Продолжительность работы инструмента до замены называется его стойкостью Т_ст, и каждому режиму резания для определенных материалов детали и инструмента соответствует одно значение стойкости. В науке о резании существует понятие «расчётная стойкость», т.е. стойкость, рассчитываемая по специальным формулам; в промышленности чаще всего используют зависимости, полученные опытным путем.

Для контроля состояния инструмента на станках часто используется так называемый «ресурс стойкости», т.е. время, в течение которого инструмент может еще проработать с учетом расчетной стойкости Т_ст. Ресурс стойкости равен

 

Т_рес = Т_ст - Т_факт ,

где Т_факт – фактически проработанное время.

Инструмент подлежит смене, когда ресурс полностью исчерпан, т.е. когда Т_факт = Т_ст. Надёжность автоматического контроля ресурса стойкости невелика, так как на практике поломка инструмента может происходить до исчерпания ресурса стойкости. Причиной этих поломок могут быть микротрещины на режущем элементе, случайные вкрапления в материале заготовки, местные изменения твёрдости заготовки и др. Как правило, поломки инструмента не прогнозируемы и причины их неизвестны; установлено только, что их вероятность возрастает по мере форсирования режимов резания. Кроме того, при эксплуатации оборудования раньше, чем кончается ресурс стойкости, возможны ситуации, когда из-за износа возникают заметные нарушения нормального резания. Поэтому необходим двойной контроль состояния инструмента: контроль ресурса для своевременной замены инструмента и текущий контроль реального состояния инструмента по различным косвенным параметрам.

Контроль состояния инструментов по силам резания. В результате многих исследований установлено наличие связи сил резания с величиной износа. Эта связь положена в основу контроля инструмента по величине или другим параметрам силы резания, причем установлена зависимость от износа величины суммарной силы резания или ее составляющих Р_х, Р_у, Р_z по координатным осям Х, У и Z. При этом фиксируется предельный износ инструмента, установленный по заметному ухудшению качества поверхности.

Контроль состояния станка по параметрам виброакустической эмиссии. При резании металла возникают несколько видов колебаний, в том числе колебания упругой системы «станок – инструмент – деталь» и колебания, сопровождающие собственно процесс резания. Причиной второго вида колебаний является трение инструмента и заготовки, трение отдельных частиц металла и трение при скольжении слоев металла при его деформации инструментом, возникновение микротрещин и ряд других явлений. Эти колебания имеют частоту 10…300 кГц, поэтому процесс их возникновения обычно называют виброакустической эмиссией (частоты до 60 кГц относятся к виброакустическим, а свыше – акустическим).

Установлено, что состояние инструмента влияет на параметры виброакустической эмиссии, измеряемые в ходе резания. Для каждого вида инструмента специальными исследованиями определен диапазон частот, в котором наиболее ярко проявляется связь параметров виброакустической эмиссии с состоянием (износом или поломкой) инструмента.

Для распознавания предельного износа и поломок используется ряд методов обработки результатов измерений. Наиболее простой – сравнение амплитуды колебаний (усредненной за несколько измерений) с заранее установленной максимальной величиной (распознавание износа) или сравнение амплитуды каждого измерения с другой максимальной величиной, превышение которой означает поломку инструмента. Иногда степень износа оценивается по числу измерений (за установленный период времени), в которых амплитуда колебаний превышает заданный уровень.

 

РАЗМЕРНЫЙ КОНТРОЛЬ В ГПС

Уровень автоматизации производства и организация обслуживания определяют и уровень автоматизации размерного контроля. Для обеспечения размерного контроля обычно в составе ГПС имеется контрольный пост, оснащённый координатно-измерительными машинами (КИМ). В основу работы КИМ положен расчет контролируемых геометрических параметров поверхностей по результатам измерения положения отдельных точек на этих поверхностях. Для отсчета положений отдельных точек используется координатная система, относительно которой положение измеряемого объекта фиксировано.

На рис. 5 приведена координатно-измерительная машина типичной компоновки. Объект измерения располагают в рабочем пространстве машины, т. е. в области, допустимой движению измерительной головки. Измерительная головка оснащена щупами: при касании щупа с поверхностью измеряемого объекта фиксируются три координаты точки касания. Управление перемещениями измерительной головки и обработка результатов измерения осуществляются системой управления. Для отсчета координат используются датчики положения всех подвижных узлов, входящих в систему управления.

Рис. 5. Координатно-измерительная машина. 1 – поверочный стол; 2 – измерительная головка; 3 – измерительный щуп; 4 – измеряемая деталь