6. Метрологическое обеспечение гпс
Важную роль в метрологическом обеспечении ГПС имеют организация настройки инструмента на размер и связь между фактическим размером настройки инструмента и фактическим размером, полученным при обработке настроенным инструментом. Настройка инструмента на размер, как правило, производится вне станка на специальных стендах, и по-прежнему остается ручной трудоемкой операцией; рабочее место оператора-настройщика оснащено различными оптическими устройствами, повышающими точность настройки и снижающими трудоемкость настройки. Создание «видящих» устройств, осматривающих инструмент, явится главным элементом автоматизации этой операции.
Устройство ручной настройки теперь имеет связь с управляющей ЭВМ, в памяти которой регистрируется фактический установленный размер инструмента. При поступлении данного инструмента на один из станков ГПС одновременно в управляющую программу этого станка посылаются из памяти ЭВМ и фактические данные о настройке инструмента на обрабатываемый размер. Такая система повышает точность настройки и исключает возможность ошибок человека при ручной настройке. Настройка инструмента вне станка, особенно при использовании сменных инструментальных барабанов, должна обеспечивать фактическое получение заданного размера при установке каждого инструмента в шпинделе станка, для чего необходимо учитывать размерную характеристику посадочных мест инструмента и шпинделя. Все размерные параметры настройки инструментов должны автоматически передаваться из памяти управляющей ЭВМ в терминал прибора настройки, и необходимость в ручном вводе данных отпадает. Данные настройки каждого инструмента появляются на экране терминала, которыми и пользуется рабочий-настройщик. Однако окончательная настройка должна осуществляться на станке.
Дополнительное повышение точности настройки инструмента на размер с учетом его закрепления на станке в отдельных системах обеспечивается автоматической проверкой полученного размера первой детали после ее обработки. Деталь поступает на контрольно-измерительный стенд, где размер проверяется электронным калибром, или на координатно-измерительную машину с ЧПУ, которая проверяет размер. При необходимости соответствующая коррекция передается по каналу обратной связи в систему управления станком. Для обеспечения высокой точности необходимая коррекция в систему управления станком может передаваться после проверки каждой обработанной детали.
Приведенные способы автоматизации поднастройки инструмента на размер обработки имеют существенные недостатки. Это сложные дорогостоящие системы, фактически они не учитывают реальные условия закрепления инструмента на станке, так как в измерениях участвуют различные измерительные цепочки и приборы; измерения проводятся в различных условиях. Все это вносит свои ошибки в точность измерения.
Более точным является способ автоматической поднастройки инструмента на размер, при котором поднастройка производится непосредственно на станке с учетом реальных условий закрепления инструмента и детали на станке. Для этой цели созданы автоматические устройства, имеющие щуп-сенсор или систему щупов-сенсоров, щупов-проб. Перемещение щупа осуществляется по программе; он касается поочередно обрабатываемой поверхности и режущей кромки инструмента, измеряет их координаты, которые автоматически учитываются при обработке и получении окончательного размера. Этот способ поднастройки обеспечивает высокую точность в пределах от ±6 до ±10 мкм. Щуп-проба находится в специальной головке, которая устанавливается в инструментальном магазине и подается в шпиндель, как и инструмент. В дополнение к измерению обработанных размеров щуп-проба обеспечивает контроль установки деталей и дает команду на введение соответствующей коррекции через систему ЧПУ станка. Разработана специальная аппаратура для выполнения указанных операций в диалоге с ЧПУ типа CNC.
Рис. 3. Щуп-проба (а) и схема его применения (б);
В таких щупах-пробах можно использовать инфракрасное излучение для передачи сигнала трехразмерного точного измерения детали системе ЧПУ типа CNC. Щупы-пробы используются для контроля размера непосредственно при расточке, определения координат отверстий и положения плоскостей, проверки наличия в отверстии сломанного инструмента или для точного позиционирования детали на станке, автоматической установки “0”, начала отсчета перемещения по программам, определения необходимой компенсации в зависимости от смещения приспособления, температурных изменений узлов станка и детали, при работе в безлюдном режиме для автоматического определения наличия детали, ее надлежащей ориентации и подачи команды на коррекцию.
Измерение изменяющихся величин вылета режущего инструмента я детали по трем осям щупами-пробами позволяет регистрировать фактические размеры посредством контакта режущей кромки инструмента с щупом-пробой (чаще всего используется трехразмерный щуп-проба «Ренишоу»). Полученные данные сравнивают с заданными номинальными, и через систему управления типа CNC на станок подается соответствующая коррекция. Система позволяет поддерживать обработку с точностью до 0,005 мм.
Многие специалисты считают такие системы слишком дорогостоящими и экономически неоправданными. Однако в будущем при создании действительно безлюдного производства без таких систем не обойтись, поэтому они заслуживают изучения и экспериментальной проверки.
Для измерения внутренних и внешних диаметров и длины обработки прямо на станке можно использовать механические сканирующие устройства, оснащенные щупами-пробами, которые закрепляют на револьверной головке как обычный инструмент. Результаты измерения передаются системе ЧПУ станка с помощью инфракрасных лучей. Время полного контроля всех размеров составляет не более 20с. Каждый обмер обрабатываемой детали непрерывно используется для автоматической подналадки инструмента и для обеспечения заданных допусков. Станок немедленно останавливается, если измеренная величина какого-нибудь размера вышла из поля допуска или исчерпана заданная величина возможной поднастройки инструмента. При автоматической смене резца револьверная головка перемещается и касается специального предварительно настроенного щупа, расположенного выше патрона, происходит замер вылета резца, который автоматически регистрируется и учитывается управляющей программой.
Основная трудность состоит в нахождении такого сенсора (датчика), который имел бы высокую чувствительность, молниеносную реакцию, хорошую корреляцию между силой резания и сигналом датчика. Такой сенсор не доджей влиять на статику и динамику станка, занимать рабочее пространство, должен легко устанавливаться на станке, как можно ближе к зоне резания, не влиять на конструкцию, например подшипника, и на его работоспособность. Видимо, потребуется еще время, пока будет найден универсальный датчик изменения сил резания, крутящего момента, скорости снятия металла, износа задней грани, следящей за формой образующейся стружки, вибрациями, акустикой, чистотой поверхности и геометрическими размерами обрабатываемой детали.
Проблема слежения за состоянием режущего инструмента является одной из главных проблем точности обработки заданных размеров; требуют внимания и проблемы точности перемещения узлов станка, оснастки и позиционирования. На точность влияют и многие другие факторы и причины, которые должны отслеживаться и учитываться автоматической системой управления станком.
Режимы резания, от которых зависит стойкость инструмента, в значительной степени определяют производительность станка. При выборе режимов резания на станках в ГПС необходимо учитывать все факторы, влияющие на производительность. Опыт показывает, что в большинстве случаев режимы резания на станках в ГПС снижают на 10% во избежание частого выхода инструмента из строя, его поломок (опыт Японии). Это несколько стабилизирует процесс и улучшает автоматическое слежение за потерей стойкости инструмента. Есть примеры и увеличения скоростей резания на станках в ГПС (опыт США), но в этих случаях прибегают к автоматическому уменьшению скорости резания при входе в металл и выходе режущей кромки из металла. Варьируют и величину подачи при нестабильной величине припуска на обработку.
Имеющиеся примеры автоматического слежения за стойкостью инструмента на станках в ГПС основаны на принципе слежения за изменением крутящего момента на шпинделе станка, измерением величины тока главного двигателя. При затуплении инструмента сила тока растет, ее величина сравнивается с силой тока при нормальных условиях резания. По достижении установленного максимума станок останавливается, и инструмент заменяется дублером. Этот способ дает сравнительно реальные результаты только при контроле стойкости сверл и поэтому не нашел широкого применения. Другой более распространенный способ слежения за износом инструмента связан с автоматическим суммированием обработанного каждым инструментом времени, чаще всего по количеству циклов работы инструмента или количеству обработанных деталей. С этой целью используются всякого рода тулметры и таймеры, которые считают циклы, отработанные каждым инструментом. Их показатели выводятся на контрольные табло (панели), которые помогают оператору следить за состоянием всего инструмента, или автоматически передаются в ЭВМ, которая и дает команду на замену инструмента. Надежность этого способа небольшая, так как не обеспечивает автоматизацию смены инструмента при его внезапной поломке. Такая принудительная смена инструмента не является эффективной при значительном разбросе величины стойкости инструмента.
Наибольшая часть потерь в механообработке связана с нестабильностью процесса резания. Надежность резания, его оптимизация как рабочего процесса являются важнейшим фактором. Оптимизация означает необходимость в подборе режущего инструмента, обрабатываемого материала, режима и, кроме того, в надлежащем выборе смежных процессов и операций. Поскольку даже после подобной оптимизации остается определенная нестабильность, необходима разработка эффективных средств контроля, например, предельного износа инструмента, его возможной поломки, вида стружки. Для контроля образования стружки можно использовать, например, оптический пирометр. Такой контроль необходим при переходе к режиму работы без оператора, поскольку в случае длительных периодов резания происходят непрогнозируемые отклонения в форме стружки. Использование ранее настроенного стружколома оказывается при этом неэффективным. Пирометр позволяет уверенно распознавать непрерывную сливную стружку от элементной скалывающейся.
При напряженном режиме, в каком работают ГПС, невозможно предусмотреть различные внезапные поломки инструмента. Разработаны устройства для распознавания поломок инструмента. В настоящее время внедряют главным образом устройства, действие которых основано на измерении одной или нескольких составляющих силы резания. Для восприятия силовых сигналов применяют широко известные пьезоэлектрические либо тензометрические датчики, которые, впрочем, нужно приспосабливать к производственным условиям: защищать от перегрузок, загрязнения и попадания охлаждающей жидкости, температурных воздействий и старения. Пьезоэлектрические кварцевые датчики, регистрирующие подачу и силу, действующую на режущую кромку резца, устанавливают, например, между револьверной головкой и поперечными направляющими станка. Во время поломки инструмента пульсирующее изменение силы регистрируется за время, не превышающее 2 мкс. Команда на остановку станка проходит менее чем за 20 мкс. Такое устройство может одновременно контролировать до 16 инструментов. Датчики также встраивают в подшипники шпинделя. Датчик воспринимает сигнал динамического растяжения в то время, когда мимо него по неподвижному кольцу прокатывается ролик. Динамический принцип делает датчик нечувствительным к дрейфу. Время срабатывания зависит от расстояния между осями роликов и изменяется пропорционально скорости вращения шпинделя.
Такая система имеет определенные удобства: подшипники-датчики можно встраивать в станок в любое время; они не требуют дополнительного места для их размещения. Статические и динамические усилия в опоре не изменяются.
В настоящее время пока нет датчиков с высокой чувствительностью и быстродействием, обеспечивающих надежный контроль изменения силы резания или крутящего момента на шпинделе станка и изменения усилия подачи на ходовом винте привода стола при работе нескольких различных режущих инструментов. Эту задачу решают разделением измерения усилий по различным направлениям: созданием датчиков, измеряющих величину осевой силы, воспринимаемой опорой с упорными шарикоподшипниками; установкой датчиков в узле шпинделя для измерения поперечных сил, а также датчиков в опорах ходовых винтов приводов подач.
Чаще всего ломаются мелкие и хрупкие сверла, поэтому они должны проверяться систематически. Если поломку сверла диаметром свыше 10 мм можно контролировать слежением за изменением крутящего момента на шпинделе станка, то для сверл меньшего диаметра этот способ не пригоден, так как мощность, развиваемая электродвигателем, практически не отличается от мощности холостого хода. Сверла диаметром от 10 до 0,7 мм контролируются пробами-шупами.
При создании ГПС в целях обеспечения большой степени их гибкости, автоматизации и перехода к безлюдной или лучше сказать "малолюдной” их эксплуатации необходимо решать две тесно связанные между собой задачи: первая задача связана с активным (адаптивным) контролем получаемых размеров во время обработки, вторая — с вопросами стойкости инструмента. Решение первой задачи должно обеспечить получение точно заданных размеров и позволит отказаться от каких-либо контрольных операций вообще. Любой контроль размеров после обработки по своей сути предполагает возможность получения брака, а это значит, что напрасно затрачено время, материал, труд. В будущих высокоавтоматизированных, с высоким интеллектом ГПС контрольных операций после обработки вне станка не будет. Надежные и точные автоматические устройства активного контроля в будущем обеспечат точность размеров в процессе обработки на станке.
Известно, что производительность станка зависит в одинаковой мере от величины стойкости и времени смены инструмента. Если проблема быстросменяемости инструмента на станках практически решена (на смену инструмента тратится несколько секунд), то проблема уменьшения разброса величины стойкости еще ждет своего решения. Конечно, иметь длительную стойкость инструмента лучше, но это требует создание новых инструментальных материалов, т.е. больших исследовательских работ, новых открытий. Уменьшение разброса стойкости – это задача повышения качества режущего инструмента, которое пока остается низким. Минимальная и максимальная стойкость одних и тех же пластин-вставок из твердого сплава отличается подчас в несколько раз. При таком качестве пластин-вставок надежность автоматизации на основе принудительной смены инструмента по количеству отработанных циклов не может быть высокой. Кроме того, такая система не реагирует на случайные поломки инструмента.
Но не только низкая величина стойкости, ее нестабильность являются главными причинами нестабильности получения обрабатываемых размеров. Весь процесс резания, как таковой, является нестабильным процессом. Трудно стабилизировать процесс резания, когда имеет место вариация в широких пределах (не менее 30%) обрабатываемости материалов (появляются различия, связанные со свойствами материала заготовок) и условий обработки: влияние температуры, равномерность охлаждения, различная величина припуска, врезание и выход из металла и др. Около 40% всех геометрических ошибок являются результатом температурных изменений.
Все это в значительной мере влияет на точность и надежность контактных изменений, что заставляет разрабатывать новые бесконтактные способы измерений. Появились первые устройства бесконтактных измерений обрабатываемых размеров с использованием лазера. Одно из них, предназначенное для встраивания в ОЦ для ГПС, использует гелиево-неоновый лазер второго класса, в котором луч отражается зеркалом, получающим вращение от собственного привода. Измеряемая деталь располагается в отражающем отображении, а сигнал попадает в процессор и дает числовые отсчеты, пригодные или для визуальной проверки, или для анализа с автоматической обработкой; при этом используют автоматический графопостроитель. Эта техника ведет непосредственно к созданию процесса слежения за обрабатываемым размером статистическим методом - надежным инструментом в решении задачи регистрации и предсказания изменений, которые возникают в процессе обработки. Возможно, этот способ будет применен и для активного контроля размеров в процессе обработки при создании гибкого полностью интегрированного производства. Пока решение этой задачи требует присутствия человека, его своевременного вмешательства в рабочий процесс для введения коррекции.
Эффективный способ автоматического слежения за стойкостью режущего инструмента еще не найден, но можно надеяться на успешное решение этой задачи в ближайшие годы. Многие исследовательские организации мира ведут интенсивные исследования в этой области, понимая, что гибкость и автоматизация ГПС во многом будут зависеть от решения этой сложной задачи.
Необходимо создать единое устройство для автоматического слежения за несколькими параметрами одновременно, возможно найдя для этих целей какой-то один фактор. Автоматическое слежение должно включать решение следующих задач:
- определение затупления инструмента, его поломок и подачи команды на его замену;
- оптимизация условий резания в зависимости от суммы факторов, влияющих на процесс резания путем автоматического изменения режимов резания;
- устранение или изменение ненормальных условий резания, которые могут возникнуть от случайных причин;
- автоматическая реакция на размерные колебания заготовки и изменение свойств ее материала;
- контроль за получением заданного размера с высокой точностью и быстротой реакции;
- защита станка, детали и инструмента от возможных поломок.
Интеллект автоматического управления станка должен возрастать и дополнительно к изложенному выше включать следующее:
- способность системы автоматически решать, при каких условиях сигналы автоматических датчиков надежны и могут быть приняты для выполнения автоматической коррекции (устранения ложных сигналов);
- автоматически накапливать все данные, получаемые через систему адаптивного контроля и характеризующие различные условия обрабатываемости (резания), которые случайно складываются каждый раз с целью накопления опыта и выработки в дальнейшем рекомендаций по улучшению условий резания. (Повысить наши знания о процессе резания.)
Исходные параметры обеспечения качества размеров должны быть введены в автоматическую систему контроля размеров до начала процесса обработки, поэтому определенный объем контрольной работы должен быть выполнен перед обработкой. Контроль заготовки предусматривает проверку припуска, твердости, формы, точности установки в приспособлении; контроль инструмента – данных его предварительной настройки вне станка, его размеров, вылета режущей кромки относительно базовых размеров, износа инструмента перед обработкой каждой новой детали; контроль станка – проверку установки, т.е. положения заготовки относительно осей перемещения узлов станка. В подавляющем большинстве случаев последующий объем контрольной работы выполняется после обработки. Контроль детали предполагает проверку размеров и допусков, чистоты поверхности, сбора статистической информации; контроль инструмента – износа, поломки, налипания стружки. Как правило, этот контроль визуальный, и он чаще всего осуществляется после обработки нескольких деталей. Контроль станка после обработки, как правило, не производится.
Контроль после обработки является пассивным, т.е. может только констатировать брак, но не предупреждать его. Требование обеспечения высокого качества при гибком производстве может быть выполнено только при активном контроле, т.е. предупреждающем какие-либо отклонения обрабатываемых размеров от заданных. Такой контроль обеспечивается во время обработки. Контроль во время обработки на станке может быть цикловым, между переходами и в процессе обработки. Второй собственно и может обеспечивать обработку деталей без брака, т.е. автоматически кончать обработку по достижении точно заданного размера. Между переходами можно контролировать размеры детали и износ инструмента. Последний определяет более точно остаток ресурса стойкости инструмента, что дает указание о времени его замены. В результате этих замеров определяются поправочные данные для учета при выполнении следующего перехода.
Контроль в процессе является более прогрессивным, так как обеспечивает введение поправок до окончания обработки детали, выполнения перехода. Контроль в процессе должен учитывать изменения различных параметров: смещения заготовок, паллет, припуск, размер, допуск, шероховатость поверхности, правильность формы, износ режущей кромки, время резания, режимы обработки, вибрации, жесткость узлов, точность перемещений. Необходимо найти один или несколько суммарных показателей изменения этих параметров, от чего и будет зависеть успех автоматизации получения качественной продукции, т.е. необходимо обеспечить минимальное время на выполнение контрольных операций и простоту автоматических средств контроля не просто отдельных параметров, а всего процесса – автоматическую технологическую диагностику. Сюда входят: автоматическая регистрация и сбор данных; диагностика состояния станка, инструмента, детали в процессе ее обработки; определение коррекций и ввод их в управляющую программу и обеспечение своевременной остановки процесса. Анализ накопленных данных (причин, методов устранения сбоев, отказов) даст возможность выработать рекомендации и принять решения о необходимости последующих действий.
Применяемые на практике различные системы автоматической технологической диагностики приводят к тому, что станок становится измерительной машиной. Это еще один пример централизации операций в целях полной обработки детали за один установ на станке. С этой целью разрабатываются программы для измерения диаметров, расчета положения центра, межосевого расстояния, проверки параллельности, перпендикулярности, конусности, округлости, погрешности круговой интерполяции и т.п.
Система управления выполняет и автоматическое позиционирование (установку) детали на станке. С этой целью вводятся программы для операции контроля в момент поступления деталей наста- нок, например, для коррекции начала координат в зависимости от положения, занимаемого деталью на паллете. Такая система позволяет также после черновой обработки или обработки, требующей приложения значительных динамических усилий, осуществить контроль и ввести автоматически коррекцию на станок для повышения точности обработки за счет учета разности усилий при черновой и чистовой обработках.
Это значительно сокращает объем контрольных работ после обработки, когда деталь снята со станка. Контроль после обработки в ГПС останется главным образом для статистического и аналитического анализа уровня качества продукции. Специальные контрольно-измерительные машины с ЧПУ интегрируются в ГПС, образуя автономный модуль. Управляющую программу контрольно-измерительного модуля можно составлять тремя способами:
- обычным программированием перемещений и функции с применением предназначенного для этих целей языка;
- самообучением по контролю первой детали;
- обычным программированием путем логического составления программы самой ЭВМ на базе обрабатывающей программы или использованной в САПР при конструировании детали.
Последний способ является наиболее подходящим для ГПС, так как в программе используется геометрическое описание детали, которая была создана с использованием САПР.
Для осуществления интеграции контрольно-измерительного модуля в ГПС необходимо выполнить определенные требования. Гибкость в части механической интеграции, полного обмера заданных размеров всех обрабатываемых в ГПС деталей, при этом выполнение всех операций на высокой скорости с тем, чтобы один модуль мог без задержки обмерить все детали; модульная конструкция, предусматривающая возможность расширения как самого модуля, так и ГПС и способная использовать различные механизмы подачи деталей на машину; конструкция модуля должна позволить логический поток деталей в соответствии с объемом измерений на каждой из них; обеспечение высокой точности измерений независимо от изменений внешних условий; встроенные предохранительные устройства для избежания поломок машины, высокая надежность и поддержание точности измерений.
От системы управления требуется обеспечение высокой динамичности выполнения операций измерения по 5 – 10 осям перемещений, надежности работы устройств защиты данных в случае сбоев, подключения различных периферийных устройств, таких, как видеотерминалы, графопостроители; она должна быть совместимой с общей информационной сетью сбора данных. Программное обеспечение должно способствовать интеграции с центральной ЭВМ ГПС независимо от ее типа, быть простым, подобным тем, которые используются при программировании работы ОЦ, быть частью общей системы технической подготовки производства, пользоваться их банками данных и пополнять их.
Наибольшее распространение получили контрольно-измерительные машины с самообучением методом ощупывания оператором первой детали. Такие машины предназначены для контроля линейных, угловых и диаметральных размеров. Программное обеспечение позволяет измерять размеры в автоматическом и ручном режимах. Действие программы основано на использовании трехразмерной измерительной программы и базируется на шести геометрических элементах: плоскости, прямой, круге, цилиндре, конусе и шаровой поверхности. Для измерения расстояний, углов, точек, сечений и проекций эти элементы можно объединять друг с другом. Управление осуществляется от встроенного в установку микропроцессора, обеспечивающего автоматизацию измерений. Первоначально программу измерений задает оператор методом касания точек детали с помощью щупа. Программа измерений (касание точек щупом) вводится в запоминающее устройство ЭВМ и может быть вызвана при повторных измерениях, осуществляемых в автоматическом цикле. Оператор освобождается от необходимости повторного выполнения измерений, анализа результатов измерений, контроля технологических допусков и т.п. Благодаря программе обучения система обладает высокой адаптивной способностью. Движения щупа, необходимые при использовании программы измерений, записываются на кассету или гибкий диск.
Такие контрольные установки позволяют контролировать размеры обработанных деталей практически любого профиля. Контроль обеспечивается методом ощупывания с последующим сравнением координат контролируемых точек с эталонными (точки, заданные чертежом). Точность контроля при 20°С обеспечивается в пределах 5 – 83 мкм на 1 м. Станины и направляющие высокоточных машин выполнены из шлифованного гранитного моноблока, что позволяет обеспечивать стабильность параметров установок при перепаде температур. Дальнейшее совершенствование контрольно-измерительных машин зависит от надежности имеющихся данных измерений и расширения возможностей ЭВМ и микропроцессорной техники. Требуется постоянная информация о состоянии каждого инструмента в реальном времени. Для этого необходимо иметь быстродействующие микрокомпьютеры. На их базе следует создавать соответствующие банки надежных данных по условиям обрабатываемости и состоянию режущего инструмента.