Введение

Контроль размеров  деталей на металлорежущих станках

В машиностроительном производстве детали машин (автомобилей и автомобильных двигателей, тракторов, топливной и гидроаппаратуры и др.) изготавливают с высокой точностью по размерам и форме (по 5-7 квалитетам). В течение нескольких десятилетий такие детали изготавливали серийно на автоматических станках и специальных разработанных для изготовления только одной детали) автоматических линиях. Однако уже в 70х годах прошлого века начали разрабатывать системы числового программного управления (ЧПУ) для металлорежущих станков. Точное автоматическое производство требует точных автоматических средств контроля размеров деталей и приборов для измерения линейных и угловых перемещения и позиционирования рабочих органов станков. На современных станках применяют сравнительно небольшую номенклатуру средств контроля линейных и угловых размеров и перемещений:

– на шлифовальных и хонинговальных станках врезного шлифования применяют приборы для контроля размеров деталей в процессе обработки;

– на шлифовальных станках, работающих “на проход”, расточных и обточных станках применяют приборы для контроля размеров деталей после обработки (подналадчики);

– на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах применяют широкодиапазонные преобразователи для координатных измерений перемещений рабочих органов станка;

– на сверлильно-фрезерно-расточных станках и обрабатывающих центрах применяют индикаторы контакта для контроля размеров деталей и позиционирования обрабатываемых поверхностей и режущей кромки инструмента;

– на обрабатывающих центрах применяют устройства для настройки инструмента вне станка.

Средства контроля размеров деталей условно разделяют на две группы – “пассивные” и “активные”. Пассивные средства контроля измеряют уже обработанные детали с целью определения соответствия их размеров заданному полю допуска и разделения деталей на годные, брак или на размерные группы. Активные средства контроля расположены непосредственно на металлорежущем станке и измеряют размер детали во время обработки. Указанные средства контроля на станках в России называют приборами активного контроля.

Настоящая книга посвящена активным средствам контроля размеров на станках. Однако кроме традиционных средств активного контроля будут рассмотрены также преобразователи линейных и угловых перемещений, то есть измерительные устройства, применяемые для автоматизации процесса обработки на металлорежущих станках.

Приборы активного контроля (ПАК) установлены на станке или рядом со станком и контролируют размер обрабатываемой или только что обработанной детали с целью обеспечения заданного допуска, предупреждения и исключения брака. Приборы также обеспечивают автоматизацию процесса обработки путем поддержания оптимальных режимов резания.

Применение ПАК позволяет повысить качество обрабатываемой продукции и производительность труда и обеспечить комплексную автоматизацию технологических процессов металлообработки.

Контроль размеров и перемещений в процессе обработки является неотъемлемой частью технологического процесса на станках-автоматах, автоматических линиях, станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах. Невозможно обеспечить автоматическую работу станков, не осуществляя контроль результатов обработки и не управляя точностью этой обработки, путем выдачи команд на подналадку и смену инструмента, изменение режимов резания и на остановку станка при достижении заданного размера или появлении брака.

Приборы для контроля размера детали в процессе обработки контролируют обрабатываемый размер непрерывно во время резания и получаемая информация используется для автоматического или ручного изменения режимов подачи режущего инструмента и прекращения обработки при достижении заданного размера. Эти приборы используются в тех случаях, когда обрабатываемый размер изменяется за счет перемещений (подачи) рабочей поверхности режущего инструмента в направлении изменения обрабатываемого размера. К таким видам обработки относятся, например, внутреннее шлифование, круглое наружное врезное шлифование, хонингование, плоское шлифование с многократным проходом шлифовального круга по обрабатываемой поверхности, врезное точение и т.п.

Приборы для контроля размера детали после обработки, называемые также подналадчиками, применяют в тех случаях, когда получение заданного размера обеспечивается предварительной установкой рабочей поверхности режущего инструмента “на размер”, т.е. на определенном расстоянии от установочных баз, или оси вращения обрабатываемой детали, или от оси вращения обрабатывающего инструмента. В этом случае информация о размере, получаемая от прибора, используется для изменения положения рабочей поверхности режущего инструмента (подналадка инструмента) или для прекращения обработки. К таким видам обработки относятся бесцентровое круглое шлифование “на проход”, шлифование торцев «на проход», когда шлифовальные круги установлены на расстоянии, равном окончательному размеру проходящей между ними обрабатываемой детали, растачивание, в том числе и алмазное, обтачивание, плоское шлифование “за один проход”, развертывание и т.п.

Приборы активного контроля решают две основных задачи:

– позволяют полностью автоматизировать процесс обработки, замыкая обратную связь, и

устраняют влияние на результат обработки различных систематических и случайных факторов, действующих в системе станок–приспособление–инструмент–деталь (СПИД), таких, как износ режущего инструмента, температурные и упругие деформации в системе СПИД, возникающие из-за нестабильности припуска, механических свойств обрабатываемого материала и затупления режущего инструмента.

Основная область применения приборов активного контроля – финишная абразивная обработка деталей на шлифовальных и хонинговальных станках. Это объясняется высокими требованиями к точности обработки и относительно малой размерной стойкостью режущего инструмента (шлифовальных кругов).

Широкое распространение в ПАК получил электронный принцип измерения. Этому способствует свойственное данному принципу быстродействие, возможность преобразования сигнала в нужную и удобную форму, хорошо развитая и быстро прогрессирующая элементная база для создания приборов, а также наличие стандартизованных вторичных устройств для промежуточных преобразований и получения отсчета, сигналов и команд в требуемой форме. В качестве первичных чувствительных элементов в современных ПАК чаще всего применяют индуктивные преобразователи. Большинство выпускаемых приборов снабжены микропроцессорными блоками управления.

Прибор активного контроля с помощью своих дискретных релейных команд полностью управляет режимом съема припуска обрабатываемой детали и отводом шлифовального круга при достижении заданного размера. Однако на современных станках с ЧПУ система управления позволяет получать от приборов не только релейные команды, а также кодированную информацию о текущем размере детали, скорости съема припуска и т.п. и использовать ее для организации оптимального цикла управления процессом обработки.

Широкое распространение находят средства активного контроля в автоматических линиях, успешная работа которых без них была бы невозможной. В этих линиях приборы управляют механизмами подачи шлифовальных станков, измеряют диаметры отверстий после тонкого растачивания или развертывания и подают сигналы на подналадку инструмента или остановку станка для замены инструмента, управляют хонинговальными станками, дают команды на подналадку токарных, бесцентрово-шлифовальных и плоскошлифовальных станков, работающих “на проход”.

В целом задачей комплекса, состоящего из металлорежущего станка и ПАК, является получение деталей с обработанной поверхностью, размеры которой должны находиться в пределах заданного поля допуска. С этой целью в процессе обработки снимается припуск, имеющийся на заготовке. Прибор в процессе работы станка осуществляет измерение обрабатываемой детали и при достижении определенных уровней размера, подает в систему управления станка команды на изменение режимов обработки и на прекращение обработки.

Подналадчик измеряет уже обработанную деталь и подает в систему управления станка команды на изменение положения режущей поверхности инструмента на определенную величину.

Однако, если даже измерение с помощью ПАК и выдача команд осуществляются правильно, то всякие неполадки и нестабильность в исполнении механизмами и устройствами станка команд прибора могут привести к потере точности обработки деталей. Таким образом, лучших результатов в обеспечении высокой точности обработки можно достичь только при использовании ПАК на точных и хорошо отлаженных станках, обладающих высокой жесткостью, надежностью и стабильностью работы исполнительных механизмов и устройств.

Приборы исключают влияние на получаемый в результате обработки размер не всех действующих факторов. К таким факторам, в первую очередь, относятся непостоянство температуры обрабатываемой детали во время ее измерения в конце обработки (для подналадчиков — после обработки), возникающее из-за непостоянства подачи шлифовального круга, колебания припуска и механических свойств обрабатываемого материала, затупления режущего инструмента, а также непостоянства температуры смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) и окружающего воздуха. Кроме того, на измерение влияют также износ измерительных наконечников прибора и изменение его температуры под влиянием окружающей среды. Приборы с автоматической компенсацией температурной погрешности с помощью измерения температуры обрабатываемой детали и измерительной оснастки распространения не получили из-за конструктивной сложности и ненадежности результатов.

Реальные результаты по уменьшению температурной погрешности получены за счет стабилизации скорости подачи, температуры смазочно-охлаждающей жидкости и снижения влияния колебаний температуры на показания прибора.

Система станок–прибор, обеспечивающая получение обрабатываемой поверхности деталей с размером, находящимся в заданном поле допуска, состоит из следующих элементов:

– металлорежущего станка, управляемого по текущей информации о размере, командам или показаниям прибора;

– ПАК, с помощью которого контролируется соответствующий размер обрабатываемой (или обработанной) детали, а результаты контроля используются для управления станком;

– специального, универсального или автоматического измерительного прибора, с помощью которого измеряют обработанные детали после частичной стабилизации их температуры, и по показаниям которых осуществляется в необходимых случаях корректировка уровня настройки прибора;

– настроечного образца для настройки и периодической проверки измерительного прибора.

Станок налаживается и настраивается оператором или автоматически на обработку конкретной детали; ПАК настраивается по настроечному образцу, а по результатам измерения первой обработанной детали (или небольшой партии деталей) с помощью показывающего прибора в настройку прибора вносится поправка, учитывающая не исключенные погрешности обработки. В дальнейшем по результатам периодической перепроверки при необходимости в настройку ПАК также вносится поправка, учитывающая смещение получаемого размера из-за изменившихся условий.

Основные требования к устройствам комплекса станок-прибор можно сформулировать следующим образом:

металлорежущий станок должен обеспечивать:

– обработку детали с отклонениями от правильной геометрической формы существенно меньшими, чем допуск на размер;

– надежное исполнение команд прибора за минимально возможный промежуток времени и с минимально возможным разбросом этого промежутка;

– стабильность режимов обработки — скорости резания, подачи инструмента, температуры и расхода смазочно-охлаждающсй жидкости;

прибор активного контроля должен обеспечивать:

– контроль обрабатываемого размера с нужной точностью в ус­ловиях обработки, свойственных станку вибраций, наличия пыли, шлама, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости в зоне измерения;

– информацию или показания о значении размера, оставшегося припуска и об изменении размера в ходе обработки;

– выдачу в систему управления станком (автоматической линией) нужного числа команд или информации о текущем размере обрабатываемой детали;

– выдачу в случае необходимости сигнала о значении текущего размера или оставшегося припуска в аналоговом или цифровом виде;

– выдачу в случае необходимости сигналов или информации о скорости изменения обрабатываемого размера, об отклонении от правильной геометрической формы и т.п.

Кроме того, система станок–прибор должна быть снабжена точным измерительным прибором для измерения размеров обработанных деталей и настроечным образцом.

Измерительный прибор или автоматическое средство должны обеспечивать получение показаний о значении обработанного размера с точностью, необходимой для корректировки уровня настройки ПАК, и позволять быстро и удобно проводить измерение.

Настроечный образец должен обеспечивать возможность настройки ПАК и периодической ее проверки с нужной точностью.

Выполнение перечисленных выше требований создает условия для получения обработанных изделий с заданной точностью и высокой производительностью.

В отличие от производства середины и конца прошлого века, когда на автомобильных, подшипниковых, тракторных заводах преобладало массовое и крупносерийное производство и одни и те же модели машин выпускались десятки лет, в настоящее время изменилась концепция производства. Теперь заводы значительно расширили номенклатуру выпускаемых изделий, снизилась их серийность и повысилась сменяемость моделей машин. Это привело к резкому сокращению применяемых в производстве специальных автоматических линий и станков-автоматов, ориентированных на выпуск только одной детали. Основная масса используемых в современном производстве станков оснащена ЧПУ и их можно быстро перестраивать на обработку деталей другого типоразмера.

Соответственно и приборы активного контроля должны обладать способностью автоматически или вручную быстро переналаживаться или легко заменяться при смене обрабатываемой детали или управляющей программы.

Кроме того, на современных металлорежущих станках с ЧПУ прямым или косвенным методом непрерывно измеряют перемещения рабочих органов (например, шлифовальной бабки, токарного суппорта и т.п..) и используют результаты измерения для автоматического управления процессом обработки. Для прямых измерений на станках устанавливают линейные и угловые широкодиапазонные фотоэлектрические растровые преобразователи перемещений, информация от которых поступает в систему ЧПУ станка. Косвенные измерения осуществляют с помощью угловые фотоэлектрических преобразователей, установленных на валу электродвигателей механизмов станка.

При обработке деталей на токарных и сверлильно-фрезерно-расточных станках и обрабатывающих центрах, оснащенных ЧПУ и координатными измерительными системами, для контроля размеров и позиционирования режущего инструмента используют индикаторы контакта. Индикатор контакта является одноконтактным устройством, снабженным подвижным стержнем с измерительным наконечником. При касания наконечником индикатора контакта обработанной поверхности детали, кромки режущего инструмента или необработанной поверхности детали, в систему ЧПУ выдается сигнал. Индикатор контакта устанавливают в суппорте станка или на его станине и используют для измерения размеров обработанных деталей, измерения величины припуска и его распределения, позиционирования режущей кромки инструмента и базирования обрабатываемой детали.

К рассматриваемой группе измерительных средств следует отнести также устройства для настройки инструмента вне станка. Такие приборы определяют положение режущей кромки инструмента, например, токарного резца относительно базового торца, до установки его в шпиндель станка. Результат измерения поступает в систему ЧПУ станка, что позволяет начинать обработку без предварительной настройки резца.

                   КРАТКИЕ СВЕДЕНИЕ ОБ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ И  

                 СОВРЕМЕННОМ СОСТОЯНИИ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ

Необходимость в применении приборов для контроля размеров деталей  в процесс их обработки на шлифовальных станках возникла с увеличением серийности изготовления точных деталей автомобилей и подшипников качения. Опытный шлифовщик может обеспечить изготовление  деталей с высокой точностью размера и формы. Но его производительность при этом будет невысокая.  Поэтому  возникло предложение применить прибор, по показаниям которого можно будет следить за изменением размера детали в процессе обработки.    Первые приборы появились в конце 40х годов прошлого века и были чисто механическими, снабженными стрелочными индикаторными головками или микрокаторами. Так впервые появились станки, снабженные обратной связью по обрабатываемому размеру. Однако это была  не автоматическая обратная связь, а  через оператора. Ожидания оправдались. Резко возросла производительность шлифования за счет сокращения машинного и  вспомогательного времени процесса обработки и, главное, теперь больше не требовались опытные шлифовщики. Для серийного производства это дало большой экономический эффект.

Индикаторные механические приборы для визуального активного  контроля широко применялись на подшипниковых и автомобильных заводах. Было разработано и внедрено огромное количество механических приборов разнообразных и порой сложных конструкций, в том числе с суммированием перемещений  рычагов.

Для дальнейшего повышения производительности труда и сокращения рабочей силы разрабатывали станки-автоматы, работающие по жесткому или чувствительному “упору”. На таких станках шлифовальная бабка перемещалась по направлению к обрабатываемой детали до заданного упором положения. Это положение должно было соответствовать получению размера обрабатываемой детали в заданном поле допуска. Однако высокой точности обработки  не удавалось достигнуть из-за быстрого износа шлифовального круга (особенно при внутреннем шлифовании), отжима детали, нестабильности перемещения шлифовальной бабки по копиру и других причин.

Опять обратились к ПАК, но таким, которые могли бы выдавать автоматические команды в систему управления станка на изменение режима обработки и на окончание шлифования при достижении заданного размера.

Первые автоматические ПАК снабжались элетроконтактными датчиками и светофорными сигнальными устройствами. Теперь процесс шлифования стал полностью автоматизирован, появилась автоматическая обратная связь по обрабатываемому размеру.

Однако, электроконтактные приборы  не обеспечивали высокой точности, имели большие подвижные массы и большое измерительное усилие, были чувствительны к вибрациям и к повышенной влажности в зоне обработки, электроконтакты быстро подвергались коррозии, обгорали.

Следующим поколением ПАК стали пневматические приборы высокого давления. Фактически они стали первыми настоящими ПАК, которые удовлетворяли всем требованиям, необходимым для точной и надежной работы на металлорежущих станках. Пневматическая оснастка занимала мало места и легко встраивалась в рабочую зону станка, имела небольшие подвижные массы и небольшое измерительное усилие. Сразу упростилась конструкция приборов. Пневматическая оснастка не требовала герметизации и не была чувствительна к СОЖ, вибрациям. Пневматические приборы снабжались дифференциальными сильфонными датчиками с  большой шкалой. Датчики имели четыре пары электроконтактов,  расположенные далеко от зоны обработки и защищенные от попадания влаги. Приборы имели высокую разрешающую способность до 0,5 мкм и обеспечивали микронную точность обработки.  Пневматические ПАК долго доминировали в машиностроении. Ими оснащались выпускаемые серийно шлифовальные и хонинговальные станки.  Пневматические приборы были дешевы, надежны и ремонтопригодны.

Но технический прогресс постепенно привел к тому, что пневматические приборы стали вытесняться индуктивными.  Хотя индуктивные приборы имеют некоторые преимущества,  пневматические ПАК в большинстве случаев по точности, надежности удовлетворяли требованиям производства.  А по стоимости пневматические ПАК были значительно дешевле.

В начале 70х годов прошлого века индуктивные приборы появились повсеместно, в том числе в СССР. За прошедшее время сменилось несколько поколений индуктивных приборов. Современные индуктивные  приборы описаны в этой книге.

Выпускаемые и применяемые  в настоящее время ПАК полностью удовлетворяют всем требованиям машиностроительного производства. Приборы, преобразователи перемещений и индикаторы контакта обеспечивают высокую точность обработки на станках. Зачастую приборы и преобразователи имеют более высокую точность, чем это необходимо для изготовления деталей машин. Приборы имеют высокие эксплуатационные характеристики, полностью приспособлены к условиям металлообработки. Вся измерительная оснастка приборов надежно герметизирована, электронные блоки надежно защищены от попадания влаги и пыли. Выходные управляющие сигналы приборов и преобразователей обеспечивают  связь с любыми  схемами управления станков и систем ЧПУ.  Появление микропроцессорных блоков управления расширили  возможности ПАК. Повысилась точность и надежность приборов.

Таким образом, в настоящее время все задачи автоматического размерного контроля на металлорежущих станках успешно решаются или могут быть решены.

В предлагаемой книге рассмотрены основные вопросы, связанные с разработкой и применением  приборов активного контроля и преобразователей перемещений и приведены описания ряда конструкций различного назначения.

 

Назад   К оглавлению   Далее