5.4 Датчики касания и координатные измерения на станках с ЧПУ

Датчики касания

 

На металлорежущих станках с ЧПУ – токарных, фрезерных, сверлильных, расточных, обрабатывающих центрах – могут применяться и иногда применяются те же датчики касания, что и на КИМ. Однако требования к таким датчикам несколько отличаются , что и влияет на их конструкцию. Но для начала интересно рассмотреть историю возникновения и эволюцию  датчиков касания на станках с ЧПУ.

В начале 70х годов прошлого века начали разрабатывать металлорежущие станки с ЧПУ. Причем их конструкция быстро прогрессировала вместе с развитием  электроники (появлением микросхем и микропроцессоров) и программного обеспечения. Следует иметь в виду, что станок с ЧПУ в большинстве случаев это полностью автоматическое оборудование, где мало или вовсе нет ручных операций, а все делается по разработанной программе.

На первых порах развития станков с ЧПУ  казалось, что измерение и позиционирование деталей и режущей кромки инструмента должны проводиться автоматически прямо на станке. Для этого начали интенсивно разрабатывать измерительные средства. Для станков с ЧПУ они состояли из двух компонентов: линейных или угловых инкрементных энкодеров (оптоэлектронных, индуктосинов, магнитных), которые устанавливали по осям перемещения узлов станка, главным образом, по координатам перемещения режущего инструмента. Датчик касания мог устанавливаться неподвижно на станине станка и к нему подводилась режущая кромка(рис. 5.5.1)

Рис. 5.4.1 Измерение инструмента на станке

инструмента, а мог устанавливаться в шпиндель станка или в револьверную головку и тогда с его помощью, используя  линейные энкодеры, измеряли размеры и форму обрабатываемой детали или положение и установку заготовки в процессе ее изготовления.

В течение нескольких лет большинство станков с ЧПУ оснащались линейными энкодерами, в основном индуктосинами (в настоящее время их выпуск прекращен) и датчиками касания.  Именно в то время фирма Renishaw (Швейцария) предложила гениальную конструкцию датчика касания (рис. 5.4.2   и 5.4.3 ).  Сразу появилось много вариантов аналогичных датчиков различных фирм. В СССР такие датчики серийно выпускал завод «Измерон» (Ленинград).

Предложение Renishaw состояло в том, что измерительный щуп с наконечником на конце представлял собой грибок с тремя шарами или цилиндриками, расположенными под  углом 120о, которые устанавливались в  аналогичным образом расположенных призмах на корпусе датчика (рис. 5.4.1). Такая конструкция обеспечивала однозначное положение щупа после любых перемещений и большой ход («разгрузку») измерительного наконечника, что необходимо при координатных измерениях на станках.

Схема Индик.Рис. 5.4.2     Схема датчика касания, базирующегося  на трех призмах

Эта конструкция оказалась настолько удачной, что применяется до сих пор, несмотря на множество  других предложений  и конструкций датчиков касания. 2.19_n Рис. 5.4.3   Электроконтактный триггерный датчик касания

Датчик касания (рис. 5.4.3) имеет очень простую конструкцию, основанную на электроконтактном способе преобразования сигнала. Такие датчики касания еще называют триггерными или механическими

Датчик  состоит из корпуса 3, в основании 6 которого установлены три пары шариков 9 (призм), расположенных  под углом  120о . Вдоль оси датчика располагается  подпружиненный (пружина 4) стержень 7, несущий на одном конце измерительный наконечник 8 (обычно шарик), а на другом  – диск 5 с тремя  роликами 10, расположенными в одной плоскости радиально и симметрично под углом 120о.. Получается “грибок” В исходном положении каждый ролик опирается на свою пару шариков. И такое касание в шести точках создает полную однозначность положения контактного наконечника  8 после любых перемещений.   При этом ролики и шарики являются электроконтактами и каждый ролик замыкает свою пару шариков, которые все включены  последовательно в общую цепь постоянного тока.  При любом смещении наконечника 8 в момент касания его с деталью хотя бы один из цилиндров отрывается от одного из опорных шариков, разрывая электрическую  цепь. Электрический сигнал через передающее устройство и интерфейс подается в систему ЧПУ станка. Таким образом, триггерный датчик касания срабатывает при малейшем касании  с поверхностью контролируемой детали в любом направлении. Кроме этого, такая конструкция позволяет наконечнику 8 после контакта еще перемещаться на 10-15 мм в плоскости X-Y и на 5 мм по оси Z, обеспечивая разгрузку и предохраняя датчик от поломок. Это важно для станков, потому что перемещаясь с большой скоростью узлы станка не могут мгновенно остановиться после контакта наконечника 8 с деталью и получения команды на остановку, а имеют какой-то перебег.

С тех пор было предложено и разработано много различных  конструкции датчиков касания, но электроконтактный датчик, щуп которого базируется на трех призмах (рис. 5.4.2)  широко применяется до настоящего времени,  благодаря  очевидным конструктивным достоинствам, простоте конструкции и невысокой стоимости.

Погрешность срабатывания (2σ) электроконтактного датчика составляет 1,0 мкм при длине щупа примерно 50 мм. При увеличении длины щупа погрешность срабатывания увеличивается. Измерительное (контактное) усилие по оси ±X и ±Y составляет от 0,5 до 0,9 Н. Рабочая скорость перемещения датчика касания до 500 мм/мин.

Иногда на станках с ЧПУ применяют более точные  электронные датчики касания, снабженные тензоэлеметами. Примерная конструктивная схема датчика касания с тензоэлементами показана на рис. 5.4.4.  Хотя применяют и другие схемы расположения тензоэлементов (не сжатия, а растяжения). Достоинство электронных  датчиков состоит в том, они, в отличие от электроконтактного датчика имеют не релейный  выходной сигнал, а  сигнал постоянного тока на небольшом участке в несколько мкм. Это позволяет с помощью электронной схемы усилить сигнал,  повысить точность измерения и исключить “лепестковый эффект”, свойственный электроконтактным датчикам. Датчик работает во всех направлениях  ±X, ±Y, ±Z. В направлении ±X и ±Y перебег составляет примерно ±16о  поворота щупа,  по оси Z перебег  составляет ±5 мм. При тестовых испытаниях с длиной щупа 50 мм и скоростью подвода к контролируемой поверхности 240 мм/мин  однонаправленная повторяемость (2σ) составляет ±0,25 мкм. При увеличении длины щупа повторяемость увеличивается.  Измерительное усилие в плоскости XY – 0,02 Н, по оси Z –  0,15 Н.

Однако для станков с ЧПУ эти преимущества датчика с тензоэлементами не существенны. Точность электроконтактных датчиков (1,0 мкм) вполне достаточна. тензодатчикРис. 5.4.4   Примерная конструктивная схема датчика касания с тензоэлементами.

Датчик касания для станков с ЧПУ кроме описанной  головки (рис. 5.4.4), содержит приемно-передающее устройство и интерфейс для передачи сигналов от датчика в ЧПУ и от ЧПУ датчику,  держатели, удлинители и других приспособления для установки датчика  на станке.

При касании наконечником датчика ощупываемой поверхности происходит разрыв электрической цепи электроконтактного датчика. При отрыве наконечника от ощупываемой поверхности происходит возврат щупа с исходное положение и замыкание электрической цепи. Электроконтактный датчик выполнен таким образом, что отклонение наконечника по любой из трех координат вызывает размыкание его электрической цепи, а возвращение в исходное положение — ее замыкание. В момент перехода из одного состояния в другое импульсные сигналы передаются в систему ЧПУ станка бескабельным или кабельным способом.

Контактный наконечник, используемый для контроля размеров деталей, имеет форму шарика, изготовленного  из рубина или твердого сплава. Контактный наконечник для контро­ля инструмента выполнен в виде куба из твердого сплава, прямоугольной или круглой пластины.

Приемно-передающий устройство, которое входит в комплект датчика и установлено неподвижно на некотором расстоянии от него,  преобразует сигналы датчика в вы­ходные управляющие команды, обеспечивает обмен сигналами с системой ЧПУ и соответствующую индикацию сигналов о состояний датчика.

Применение датчика касания на металлорежущем станке – токарном, фрезерном, обрабатывающем центре – имеет определенные особенности.  Датчик касания может быть установлен неподвижно на станине и к нему подводится режущая кромка инструмента. Это самый простой случай и при этом применяется кабельная связь датчика с системой ЧПУ станка.

В большинстве же случаев датчик касания устанавливают в шпиндель станка, и он перемещается в разных направлениях. В этом случае кабель применить нельзя, так как он мешает перемещениям узлов станка. Поэтому  было разработано несколько способов бесконтактной передачи сигналов от датчика к ЧПУ – индуктивный, оптический, радиочастотный.

Однако, позднее  от технологии обработки с помощью обратной связи по размеру обрабатываемой детали или положению инструмента практически отказались или стали применять ее редко только для очень точной обработки. Это было связано с быстрым развитием конструкций станков с ЧПУ, их компонентов и, главное  ПО, что позволило станку работать без измерения детали или инструмента на станке, путем точных установок инструмента и соответствующему ПО.

Наибольшее влияние на изменение технологии обработки на станках с ЧПУ оказало появление  регулируемых электродвигателей с обратной связью с помощью угловых энкодеров, прецизионных шариковых (ШВП) или роликовых (РВП)  ходовых валов (винтов) и, конечно, высокоточных шпиндельных устройств, замена направляющих скольжения на направляющие качения и быстрое развитие систем ЧПУ.

Электродвигатели с угловыми энкодерами  соединялись с высокоскоростными прецизионными шариковыми (ШВП) или роликовыми (РВП)  ходовыми валами (винтами). Такие приводы  перемещают  рабочие органы станков  по осям координат, обеспечивая их точное позиционирование.

ШВП (рис. 5.4.5) обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ, люфты.

Главное преимущество  ШВП проявляется в  механизмах подачи инструмента, его размерное поступательное перемещение осуществляется с высокой точностью.ШВПРис. 5.4.5    Схема шарикового винтового привода

Следует обратить внимание на то, что современные электроприводы с ШВП имеют отсчет перемещения, осуществляемый энкодером вращения или угла поворота (в том числе абсолютным), установленным на валу электродвигателя. И хотя эта  связь не по размеру, как в случае применения линейных энкодеров и датчиков касания, она обеспечивает достаточно точные перемещения инструмента в заданное положение.

Усовершенствование ПО на станках, в свою очередь, позволило выстраивать сложные и изощренные циклы обработки, в том числе адаптивные, учитывать износ инструмента и проводитьего  превентивную  подналадку.

Таким образом, применение на металлорежущих станках (на токарных, фрезерных, расточных, обрабатывающих центрах) электроприводов с ШВП,  и развиттых систем ЧПУ привело к тому, что во многих случаях отказались от установки на станках линейных энкодеров и датчиков касания, так как электроприводы угловыми энкодерами и развитое ПО вполне обеспечивали заданную точность обработки на этих станках. Отказ от линейных энкодеров и датчиков касания упростил станки и повысил производительность обработки.

Так же следует иметь в виду, что существуют и применяются достаточно удобные и точные устройства для настройки инструмента вне станка и лазерные устройства для измерения инструмента, устанавливаемые на станке..

Тем не менее, на    особо точных станках, при обработке деталей больших размеров, обработке зубчатых колес, обработке штампов и т.п., применяют координатные измерения с использованием  датчиков касания и линейных энкодеров.

С помощью датчиков касания на станках с ЧПУ  проводят много разнообраз­ных метрологических операций: контроль размера и формы обрабо­танного изделия (рис 5.4.6, б), нахождение центра отверстия (рис, 5.4.6, а); межцентрового расстояния (рис. 5.4.6, з), определение величины припуска (рис. 5.4.6, л); базирование  деталей и приспособлений (рис. 5.4.6, и, к)  настройку инструмента (рис 5.4.6, в, д, е), компен­сацию температурных деформаций (рис 5.4.6, г) и аттестацию датчика (рис 5.4.6, ж).

Схема Индик. конт

  Рис.  5.4.6   Операции, которые могут осуществляться с помощью датчиков касания и линейных энкодеров

На токарных станках один датчик касания устанавливают непод­вижно на станине станка и используют для настройки инструмента, второй датчик устанавливают в револьверную головку наравне с обрабаты­вающим инструментом и используют для контроля размеров обраба­тываемых деталей. В обрабатывающих центрах датчик касания для контроля инструмента устанавливают неподвижно, а датчик для контроля размеров — в шпиндель вместо инструмента.

 Координатные измерения на станках с ЧПУ.

При координатных измерениях деталей, обработанных на станке, определяют значения коорди­нат отдельных точек (точек измерения) реальных поверхностей  измеряемого объекта. Измерения производят от единой базы – системы координат, воспроизводимой станком. При этом с поверхностью дета­ли соприкасается ощупывающий элемент, например, сферический измери­тельный наконечник датчика касания, по координатам положения которого получают число­вую модель детали или отдельных поверхностей, ограничивающих ее.

Получение числовой модели детали заключается в проведении с помощью компьютера и соответствующего прог­раммного обеспечения, входящих в состав станка, расчетов, связанных с:

– определением геометрических параметров заменяющих поверхнос­тей и линий номинальной (идеальной) формы, представляющих реальные поверхности и линии детали;

– определением геометрических параметров элементов, являющихся производными по отношению к исходным заменяющим элементам;

– преобразованием координат точек измерения из системы  координат станка (СКС) в систему  координат детали (СКД). Эта процедура может осуществляться как при измерении, так и при базировании детали в начале обработки.  Такое математическое базирование позволяет  начать обработку без предварительной подготовки (выставление и базирование детали);

– определением расстояний и углов между элементами и

– определением отклонений размеров, формы и расположения поверх­ностей и линий, а также суммарных отклонений формы и расположения.

Датчик также может быть использован для идентификации заготовок,  определения положения заготовки, а также обнаружения ее неправильной загрузки с целью исключения брака, определения распределения припусков на обработку с тем, чтобы быстро и безопасно подвести режущий инструмент к заготовке.

Базирование

Базирование применяется, если деталь не обрабатывалась до измерения и реальное её положение в пространстве не совпадает с номинальным, заданным технологическим процессом и ПО. Как правило, такая задача возникает, если деталь возвращается для доработки, ремонта или отсутствуют приспособления для точного установки. Путём измерения текущего положения программа определяет  смещения и повороты относительно осей X,Y, Z. Зная эти значения, пользователь может пересчитать ПО обработки относительно фактического положения детали (перейти от СКС к СКД) или компенсировать разницу перемещениями рабочих органов станка.

Выбор способа базирования зависит от наличия геометрических элементов на изделии. Измеряемые элементы должны лишать деталь шести степеней свободы. Большинство обрабатываемых деталей обычно имеет плоскости и отверстия. Поэтому один из способов базирования в основан на этих объектах . Достаточно определить и измерить эти  элементы на изделии для определения его положения. Однако бывают случаи, когда изделие не содержит такой геометрии, например, турбинная лопатка. В таком случае применяют способ  оптимального совмещения. При этом программа пытается совместить измеренные точки и точки на модели, заложенной в ПО (чертеж лопатки)  так, чтобы расстояние до каждой из них было наименьшим. Существуют и другие способы базирования.

Создание траектории измерения

Это основной  и очень ответственный этап, на котором пользователь определяет нужные геометрические элементы для измерения на детали. Обычно ПО позволяет работать с геометрическими элементами (плоскости, прямые, окружности и т.п.) и произвольными точками на поверхности. С помощью первой группы можно проверять отклонения элементов изделия от формы и расположения, вторая группа помогает осуществлять контроль свободных формообразующих поверхностей. Создание вышеуказанных элементов осуществляется вручную или автоматически. Так  автоматически создаётся траектория движения щупа и точки измерений.

Имитация траектории щупа

ПО позволяет создать виртуальную картину процесса измерения. Щуп движется вдоль траектории, производя касание в заданных точках. На данном этапе можно выявить многие ошибки, например, столкновение с незапрограммированной частью детали или касание поверхности державкой, а не наконечником (сферой). Это позволит предотвратить поломку дорогостоящего оборудования.

Контроль первой детали

При изготовлении партии одинаковых изделий контроль первой детали непосредственно на станке позволяет:

– снизить время простоя станка, связанное с ожиданием результатов проверки на дополнительном устройстве вне станка;

–  производить автоматическую коррекцию любых ошибок.

Контроль внутри технологического процесса

Измерение параметров деталей после предварительной обработки с тем, чтобы:

– обеспечить необходимую точность финишной обработки;

– выявить ошибки, прежде, чем они приведут к появлению бракованного изделия.__

Периодичность измерений определяется стоимостью изготавливаемой детали и стабильностью технологического процесса на протяжении всего хода обработки. Проверять основные параметры изделия в процессе автоматической обработки обычно приходится при изготовлении дорогостоящих деталей и быстром износе инструмента.

Окончательный контроль

Контроль детали на соответствие заданным допускам по окончании обработки позволяет:

– убедиться в том, что изготовленное изделие соответствует заданным техническим требованиям;

– получать размеры обработанных изделий для статистической обработки.

При этом следует учитывать, что деталь сразу после обработки теплая, а иногда горячая, что вызывает температурную погрешность.

Датчик касания, предназначенный для контроля размеров деталей, устанавливается в позицию инструмента револьверной головки стан­ка (рис. 5. ). Затем осуществляют настройку датчик касания по поверхности с известными размерами (кольцо, паз, выступ) и положением в пространстве. Выдача сигнала происходит в тот момент, когда обеспечивается контакт измерительного наконечника с деталью. Зная размеры аттестованной детали (можно использовать для этого аттестованный буртик патрона станка), определяют точки срабатывания датчика, значения которых запоминаются в системе ЧПУ станка.

Необходимо отметить, что часто программа процесса измерения идентична программе процесса обработки. При составлении программы измерения точка касания наконечника с объектом измерения должна быть ориентировочно известна. Тогда в процессе измерения программа фиксирует точку, находящуюся на расстоянии около 2,0 мм до контура детали, т.е когда наконечник еще не дошел до детали. В случае отсутствия срабатывания датчика при прохождении пути в 2,0 мм в систему ЧПУ подается сигнал “Ошибка”, который останав­ливает процесс измерения.

При использовании на токарном станке датчика касания  для контроля размерообразующей кромки инструмента его устанавливают на станке неподвижно (рис. 5.4.1),  на передней бабке или специальном выдвиж­ном устройстве. Датчик   снабжают кубическим наконечником. Наконечник перед началом работы устанавливают так, чтобы плоскости куба были параллельны осям станка.

Практически погрешность срабатывания датчика касания на станках  составляет 2—5 мкм. Погрешность обработки партии деталей на токарных станках с ЧПУ с использова­нием датчика касания и линейных энкодеров составляет 15—20 мкм.

Особенности конструкции датчиков касания для станков с ЧПУ

Когструкция собственно датчиков касания для станков с ЧПУ  и для КИМ одинакова.  Их отличие заключается в особенностях применеия.

Станки имеют направляющие на шарах или направляющие скольжения, а КИМ имеют более точные аэростатические направляющие. На станках производится обработка деталей с большими усилиями резания и они подвержены деформациям и нагреву. Поэтому  измерение на станках не может быть таким точным,  как на КИМ  и датчики для станков могут быть менее точными, чем датчики для КИМ, Датчики для станков должны иметь большее контактное усилие во избежание отрыва от контролируемой поверхности под влиянием вибраций станка.  Но самое главное отличие состоит в способе передачи сигнала (интерфейса) от датчика в систему ЧПУ станка и от ЧПУ в датчик.

Между датчиком  и системой ЧПУ станка, на котором используется этот датчик, должна быть установлена связь. Действительно, сигнал срабатывания датчика должен попадать в систему ЧПУ станка, чтобы зарегистрировать момент касания заготовки или инструмента наконечником датчика. Кроме того, между системой ЧПУ и датчиком должна существовать  связь, необходимая для  управления  работой датчика.

Связь между датчиком и системой ЧПУ как раз и обеспечивается системой передачи сигналов. Выбор конкретной системы передачи сигналов определяется типом используемого датчика и типом станка, на котором он установлен. Существуют три способа связи: с помощью кабеля, посредством инфракрасного оптического бесконтактного устройства и с помощью  радиочастотного премо-передающего устройства (подобного Wi-Fi).

Кабелем соединяют датчики касания, которые установлены неподвижно на станине  (рис. 5.4.1 и 5.4.7)    или на специальном подводящем или быстросъемном приспособлении. В этих случаях кабель не оказывается на пути движкния узлов станка.

Рис. 5.4.7     Схема датчика с кабельной связью

Оптическая бескабельная связь применяется на обрабатывающих центрах, на которых датчик обычно находится в инструментальном магазине станка и устанавливается в шпиндель так же, как и обычный инструмент. Поэтому он не может иметь кабеля, который будет мешать его перемещениям в рабочей зоне станка. И передача сигналов должна быть бесконтактная и на достаточно большое расстояние. Для этого применяют инфракрасную оптическую систему передачи сигналов.

Датчик имеет  два активных режима: режим ожидания и рабочий режим. В режиме ожидания датчик выполняет роль приемника, ждущего команды (сигнала) от ЧПУ, которая переведет его в рабочий режим. Будучи в рабочем режиме, датчик передает в оптический приемник  сигнал о своем состоянии и информацию о состоянии элементов питания.  Оптический приемник  является приемно-передающим устройством, которое поддерживает бесконтактную связь с датчиком и посредством кабеля подключается к  системе ЧПУ станка.

Интерфейс преобразует сигналы датчика таким образом, чтобы они были совместимы с системой ЧПУ станка. Кроме того, на приемо-передающем устройстве  имеются визуальные или звуковые индикаторы состояния датчика –  состояние элементов питания, установленных в датчике, и диагностики ошибок датчика.  Датчик и приемник оптической передачи не обязательно должны находится на центральной оптической оси, однако необходимо, чтобы эти устройства не выходили за границы конусов излучения друг друга, и между ними все время существовала прямая видимость.

Оптическая  связь (рис. 5.4.8) осуществляется с помощью инфрак­расных свето- и фотодиодов. На датчике касания установлены один фотодиод для приема сигнала включения и несколько светодиодов для передачи управляющих сигналов. Датчик касания имеет встроенный источник автономного питания. Преимущество оптической связи — в большом расстоянии (до 3-6 м) между датчиком  касания и приемо-передающим устройством.

Рис. 5.4.8   Схема оптической инфракрасной передачи сигналов

Радиочастотная система передачи сигнала  (аналог Wi-Fi) позволяет установить связь между датчиком и ЧПУ станка на больших расстояниях (длина траектории распространения сигнала может достигать 15 м).  Частотный диапазон 2,4 – 2,48 ГГц (как и Wi-Fi). Взаимное расположение датчика и приемно-передающего устройства должно быть таким, чтобы эти устройства находились в пределах рабочих диапазонов друг друга (рис. 11.4.9). Однако для уверенной передачи радиосигнала прямая видимость между ними не требуется: необходимо лишь, чтобы длина траектории распространения отраженных радиоволн между ними не превышала 15 м.

Рис.5.4.9  Схема радио-частотной передачи сигнала

Датчик снабжен приемником и передатчиком и имеется приемо-передающее устройство, установленное неподвижно на станке и соединенное кабелем с  системой ЧПУ.

 

 М.И. Этингоф. Автоматический размерный контроль на металлорежущих станках. Москва, АПР, 2016, 336 с. Издание второе, переботанное и дополненное.

Высоцкий А.В., Карпович И.Б., Соболев М.П., Этингоф М.И. Приборы автоматического управления обработкой на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1995, с. 328