М.И. Этингоф Приборы активного контроля для шлифовальных станков

 620.1.08.621.758

Приборы активного контроля для шлифовальных станков  (состояние и перспективы развития)

Метрология №3, 2016

                                                           М.И. Этингоф                                                                           

ОАО «НИИизмерения», Москва, Россия, e-mail: etingof@glasnet.ru

 

Необходимость в  приборах для контроля размеров деталей  в процессe их обработки на шлифовальных станках  возникла в начале 40х годов прошлого века в связи с увеличением серийности изготовления точных деталей автомобилей и подшипников качения. На  полуавтоматических  шлифовальных станках начали  устанавливать так называемые приборы активного контроля (ПАК). Сначала это были механические приборы, оснащенные стрелочным индикатором, потом электроконтактные, пневматические и, наконец, индуктивные ПАК, которые осуществляли обратную связь по размеру, автоматизируя процесс обработки. Однако постепенно  изменилась технология изготовления деталей в машиностроении и конструкция станков. Вместо автоматических станков  и автоматических линий в настоящее время  преобладают станки, оснащенные числовым программным управлением (ЧПУ). Конструкция станков стала более жесткой,  и они стали точнее.  Изменение технологии обработки и технический прогресс привели к изменению конструкции ПАК и области их применения. В статье рассмотрены современныe  ПАК и перспективы их развития в период четвертой промышленной революции.

Ключевые слова: прибор активного контроля, индуктивный преобразователь, скоба, головка,  цифровой отсчет, микропроцессорный блок, ЧПУ.

In-process gauging system for grinding machines

(state of the art and development prospects)

The need for instruments to control the size of parts in the processing on grinding machines appeared in the early 40s of the last century in connection with the increase in serial production of vehicles and rolling bearings precision parts. In the semi-automatic grinding machines in-process gauging system have been established. First, there were mechanical gauges equipped with streit-lactic indicator, then electrical-contact ones, pneumatic and finally inductive gauges that performed feedback by size, thus making processing automatic. Gradually, however, technology has changed in manufacturing parts in mechanical engineering and machine design. Instead of automatic machine tools and automatic transfer lines, machines equipped with numerical control (CNC) are now used. Construction of machines became more rigid, and they became more precise. Changing the technology process and technological advances have led to changes in construction and applications of gauges. The article describes recent gauges and prospects of their development during the fourth industrial revolution.                             

Key words:   in-process control, an inductive transducer, a staple, a head, a digital readout, microprocessor unit, CNC

 

Необходимость в применении приборов для контроля размеров  деталей  в процесс их обработки на шлифовальных станках возникла в связи с увеличением серийности изготовления точных деталей автомобилей и подшипников качения. В России такие приборы называют приборами активного контроля (ПАК). 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 (или командам) которого можно будет следить за изменением размера детали в процессе обработки.    Первые ПАК появились на шлифовальных станках в начале 40х годов прошлого века и были чисто механическими, снабженными стрелочным индикатором (трехконтактные навесные скобы). Так впервые появились станки, снабженные обратной связью по обрабатываемому размеру. И хотя  это была  не автоматическая обратная связь, а  через оператора,   возросла производительность шлифования за счет сокращения машинного и  вспомогательного времени процесса обработки.

Индикаторные механические ПАК для визуального   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.

Однако уже начали выпускать станки-автоматы и автоматические линии. Для них необходимы были  ПАК,  которые могли бы выдавать  команды (или непрерывный сигнал) в систему управления станка для изменение режима обработки и на окончание шлифования при достижении заданного размера, то есть автоматически управлять циклом шлифования по размеру.

Первые автоматические ПАК снабжались элетроконтактными датчиками. Процесс шлифования стал полностью автоматизирован, появилась автоматическая замкнутая обратная связь по  обрабатываемому размеру.

Однако электроконтактные ПАК  не обеспечивали высокой точности и    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 шлифовальных и хонинговальных станках. Пневматическая оснастка ПАК занимала мало места и легко встраивалась в рабочую зону станка, имела небольшие подвижные массы и небольшое измерительное усилие. Упростилась конструкция приборов. Пневматическая оснастка не требовала герметизации,  не была чувствительна к смазочно-охлаждающей жидкости и  вибрациям. Пневматические приборы снабжались дифференциальными сильфонными отсчетными устройствами с  большой шкалой.  Имели четыре пары электроконтактов и выдавали четыре команды в систему управления станка. 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 ПАК были дешевы, надежны и ремонтопригодны.

Но технический прогресс постепенно привел к тому, что пневматические ПАК стали вытесняться емкостными и индуктивными приборами.       В начале 70х годов прошлого века индуктивные приборы появились повсеместно, в том числе в СССР.

Индуктивные приборы быстро вытеснили все остальные конструкции, благодаря своим несомненным преимуществам и применяются в настоящее время .  За прошедшее время  сменилось несколько поколений индуктивных приборов и они значительно усовершенствованы [1]ﱞ.

Долгое время выпускалась большая номенклатура ПАК, предназначенных для круглошлифовальных, внутришлифовальных,   плоскошлифовальных, бесцентровошлифовальных, подшипниковых и специальных станков. Это объяснялось недостаточной жесткостью и несовершенством конструкции станков, которые не могли обеспечить обработку партии деталей с заданным допуском. Недостатки станков частично  компенсировали установкой на них ПАК.

Однако постепенно станки совершенствовались. Изменилась компоновка станков — жесткая станина и легкие подвижные узлы. Шлифовальные бабки стали устанавливать на  шариковых безлюфтовых направляющих. Механизмы подачи шлифовальной бабки снабжались шариковинтовыми приводами с регулируемым электродвигателем и встроенным угловым энкодером.  И, главное, станки начали оснащать  системами ЧПУ.

Все   это привело к повышению стабильности и точности процесса обработки и  изменению технологии обработки.  В результате уменьшилась потребность в ПАК, потому что повысилась собственная точность станков и  современные шлифовальные станки с ЧПУ могут обрабатывать партии деталей с допуском более 20 мкм без применения ПАК, используя собственные системы управления.

Теперь ПАК редко применяют при плоском и бесцентровом шлифовании, и при шлифовании желобов подшипников качения.  В настоящее время ПАК применяют, главным образом,  при круглом и внутреннем шлифовании и на специальных станках при допуске на обработку менее 20 мкм.

Традиционно ПАК состоит из измерительной оснастки (скобы, головки и т.п.), расположенной в зоне обработки и контролирующей размер обрабатываемой детали, и электронного блока, питающего индуктивный преобразователь измерительной оснастки и воспринимающий его выходные сигналы. Электронный блок также снабжен аналоговым или цифровым устройством для наблюдения за процессом шлифования и настройки команд. И главное, блок передает в схему управления станка команды (интерфейс) на изменение режимов  шлифования и на окончание обработки.

Конструкция современных ПАК полностью изменилась. Вместо многочисленной измерительной оснастки, предназначенной для разных станков и обрабатываемых деталей [1],  в большинстве случаев применяют небольшие двухконтактные герметизированные скобы [3] с диапазоном измерения до 100 мм или измерительную оснастку из универсальных одноконтактных

Головок [1, 3].  Головки собирают в скобу из двух головок для контроля внутренних и наружных диаметров с диапазоном измерения до 500 мм      , А также применяют для осевой ориентации при  шлифовании торцев валов  и решения других задач.

Головка смонтирована в герметичном  корпусе (степень защиты IP68). В головке  установлены измерительный рычаг, дифференциальный индуктивный преобразователь, пневматический или электромагнитный арретир. Катушки преобразователя установлены неподвижно, якорь закреплен на рычаге и перемещается внутри катушек. Рычаг  установлен на  шарнире из плоских пружин [1].

Такая конструкция головок и скоб, собранных из головок, обеспечивает хорошие метрологические характеристики — небольшое контактное усилие (до 50 сН), хорошую температурную стабильность, небольшие погрешности измерения (до 0,2 мкм).

Во всех современных скобах и головках ПАК применяют дифференциальные индуктивные преобразователи соленойдного типа без собственных направляющих с трансформаторной или полумостовой схемой подключения [1, 2, 3].

В тех случаях, когда измерительная оснастка (скоба,  две головки) содержит два идентичных индуктивных преобразователя, в электронном блоке  осуществляется электрическое суммирование их выходных   сигналов с высокой точностью, благодаря линейности характеристик преобразователей и линеаризации их характеристик микропроцессорным блоком управления.

Преимущество скобы, состоящей из двух одноконтактных головок с электрическим суммированием сигналов индуктивных  преобразователей, в небольшом контактном усилии, небольшой массе подвижных рычагов, что обеспечивает высокие точностные характеристики прибора, в особенности в условиях вибрации и при обработке деталей с прерывистой поверхностью.

Все современные ПАК оснащаются электронным микропроцессорным или компьютеризированным  блоком управления [1, 3]. Блок имеет несколько исполнений, предназначенных для управления  процессом внутреннего и наружного шлифования  деталей с непрерывной и прерывистой поверхностью,  для приборов осевой ориентации, для сопряженного шлифования,  для центрирования торцев вала относительно шлифовального круга и др.

Блок обеспечивает питание индуктивных преобразователей, расположенных в измерительной оснастке,  преобразование, усиление  и суммирование их выходных сигналов,  индикацию результатов измерения на линейной световой шкале  и  цифровом дисплее,  светодиодную   сигнализацию и  выдачу в систему управления  станка  дискретных  команд, выходного аналогового сигнала постоянного тока или выходного кодового сигнала (интерфейса).

Микропроцессорные блоки имеют существенные преимущества по сравнению с  аналоговыми  электронными  блоками.

В микропроцессорных блоках предусмотрена программная линеаризация характеристик индуктивных преобразователей, что позволяет «выпрямить» их характеристику, обеспечить точное электронное суммирование сигналов двух индуктивных преобразователей и уменьшить систематические погрешности ПАК.

Наличие микропроцессора делает блок более универсальным, легко приспосабливаемым к различным технологическим процессам. Изменение числа управляющих  команд,  диапазонов измерения,  цены деления показывающей шкалы и дискретности цифрового отсчета  осуществляется перепрограммированием микропроцессора без изменения аппаратной части блока.

Несколько способов передачи управляющей информации позволяет применять блоки как на универсальных станках с традиционной автоматикой, так и на станках с ЧПУ.

Микропроцессорная схема блока позволяет усложнять цикл обработки, используя большее число управляющих команд  (до  8  команд),  измерять скорость съема припуска и вводить дополнительное управление, адаптируя прибор и станок к изменяющимся условиям обработки  [3]. Это  существенно повышает точность и производительность обработки.

Микропроцессорные блоки обеспечивают более высокую точность по сравнению с аналоговыми блоками, благодаря линеаризации характеристики индуктивного преобразователя, отсутствию компараторов, выдающих управляющие команды и более точной цифровой настройке команд с дискретностью 0,1 мкм.

Современные цифровые ПАК выпускает фирма «Marposs” (Италия),  ОАО «НИИизмерения» (Москва), ОАО «РОБОКОН» (Москва),  Челябинский инструментальный завод. (ОАО «ЧИЗ»).

Таким образом, в настоящее время благодаря повышению собственной точности станков  применение ПАК на шлифовальных и хонинговальных станках с ЧПУ сократилось.  Современные цифровые ПАК стали значительно проще по конструкции,  более универсальными и обеспечивают высокую точность обработки. Современные ПАК применяют в тех случаях, когда допуск размера изделия составляет менее 20 мкм.

Общие тенденции развития машиностроения и станкостроения позволяют представить  перспективы развития ПАК в ближайшее время.

Измерительная оснастка ПАК станет бескабельной, снабженной приемо-передатчиком и источником питания.

Возможен полный отказ от отдельного электронного блока управления для ПАК. Этот вопрос обсуждался с момента появления на станках ЧПУ. Современные ЧПУ легко решат те задачи, которые решает электронный блок управления ПАК. Это упростит конструкцию и удешевит ПАК.

 

Л и т е р а т у р а

1 Соболев М.П., Этингоф М.И. Автоматический размерный контроль на металлорежущих станках. Смоленск, Ойкумена, 2005, с. 300

2   Этингоф М.И.  Индуктивные преобразователи для линейных измерений. Измерительная техника. 2013. № 4.

3   Юдин А.Е., Косинский Д.В., Ковальский М.Г., Карпович И.Б., Этингоф М.И. Разработка гаммы прецизионного оборудования для адаптивного контроля точности изготовления изделий в процессе обработки. Измерительная техника. 2013. № 5