Глава 1 Погрешности активного контроля

  

     Металлообрабатывающие станки с  приборами активного контроля должны обеспечивать получение изделий с заданным полем рассеяния размеров, соответствующим принятому полю допуска и его расположе­нию. Точность получения размеров изделий зависит от многочислен­ных факторов, связанных с конструкцией станка, прибора активного контроля, режимами и условиями обработки и т.п. Для удобства анализа и нормирования погрешностей можно условно разделить их на три группы: погрешности прибора; погрешности, обусловленные сис­темой СПИД, режимами и условиями обработки (называемые в даль­нейшем погрешности обработки), и погрешности, связанные с мерами и средствами измерений, с помощью которых настраивают на размер прибор и систему СПИД.

Погрешность изготовления изделий ∆ обусловлена тем, что действи­тельные размеры X обработанных деталей отличаются от заданного размера х0, т.е.

∆ = хоX..                                                        (1.1)

Погрешность изготовления ∆ характеризуется следующим соотно­шением

                                   ∆ = п  + об  +  о ≤ δ                                        (1.2)

где ∆п — погрешность прибора; ∆об — погрешность обработки; ∆о — погрешность настройки прибора и системы СПИД;  δ — допуск.

В более общем виде погрешность изготовления изделий на станке с прибором (или без него) имеет вид:

δ  ≥  о  + Δс(t) +  р                                                       (1.3)

где Δс(t) — систематическая погрешность от смещения настройки сис­темы;  ∆ р   — случайная погрешность рассеяния размеров деталей.

Приборы активного контроля условно делят на две группы – приборы, установленные на станке и контролирующие обрабатываемое изделие непосредственно в процессе изготовления, и приборы, установленные вне станка и контролирующие уже обработанные изделия (подналадчики).  Приборы обеих групп имеют разные составляющие погрешности.

        1.1. ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ В  ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ

               Погрешность прибора

Результат  автоматического  контроля  в процессе обработки опреде­ляется выходной командой, свидетельствующей о достижении обраба­тываемым размером настроенного значения. Исключение составляют реже применяемые показывающие приборы, где результат контроля определяется при достижении стрелкой или световым указателем за­данного деления  шкалы (обычно нулевого).

Точность прибора характеризуется пределом допустимой погрешно­сти Δп в течение установленного времени работы прибора на станке. У автоматических командных приборов погрешность Δп  яв­ляется погрешностью выдачи окончательной команды. Однако опре­делить непосредственно погрешность Δп затруднительно. Поэтому при нормировании и определении точностных показателей приборов вы­нужденно делают два допущения. Во-первых, в соответствии с ГОСТ 8.011—72 вместо погрешности Δп нормируют ее составляющие, которые можно установить экспериментально, и, во-вторых, эти со­ставляющие определяют в условиях, приближенных к условиям работы прибора на станке. При необходимости погрешность Δп рассчитывают по известным ее составляющим.

Погрешность Δп можно представить состоящей из основных по­грешностей, присущих приборам независимо от условий эксплуатации, и дополнительных, которые зависят от условий эксплуатации.

Основными составляющими погрешностями Δп являются погрешность срабатывания окончательной команды δср, погрешность на­стройки окончательной команды на заданный размер δн и смещение уровня настройки окончательной команды δсн в течение установленного интервала времени. Кроме того, в зависимости от условий работы прибора и его конструкции, дополнительно возникают составляющие погрешности, вызываемые различными причинами, например, инер­ционностью прибора и переменной скоростью изменения контролируе­мого размера (входного сигнала), колебаниями температуры охлаждающей жидкости, попадающей на измерительное устройство, нестабильностью установки  контактных наконечников на контролируемые детали и другими причинами. Таким образом, предел допускаемой погрешности (рис.1.11)

Δп  = δсн + ∑δс +√δср2 + δн2 + ∑δ2 ,                            (1.4)

где  ∑δс  — сумма  систематических  составляющих  погрешности, возникающих дополнительно; ∑δ2 — сумма квадратов случайных составляющих погрешности, возникающих дополнительно.

Основные составляющие погрешности прибора δср, δн и δсн нормированы (ГОСТ 8517—90 “Приборы управляющие при шлифовании”), а дополнительные указывают при необходимости в технических условиях на прибор. Обычно указывают три основных погрешности:

    – погрешность срабатывания окончательной команды δср, которая в зависимости от конструкции и назначения прибора составляет 0,1-0,5 мкм;

     – погрешность настройки δн составляет 0,5–1,0 мкм;

– погрешность  от смещения настройки δсн за 1500 условных срабатываний, но не более 4 ч. работы, составляет 1,2-1,5 мкм.

Рассмотрим более подробно характер действия и количественную оценку основных и некоторых дополнительных составляющих погрешностей.

Погрешность срабатывания δср, характеризуя нестабильность получения окончательной команды прибора,  является случайной величиной и определяется пределом допустимой погрешности.

В квазистатическом режиме при медленном изменении размера (например, со скоростью менее 1 мкм/с) под контактным наконечником прибора и в динамическом режиме при большой, но постоянной скорости (5–15 мкм/с) изменения размера значение погрешности δср составляет 0,1–0,5 мкм.

Допустимую погрешность срабатывания δср  в соответствии с законом нормального распределения случайных погрешностей принимают  δср  = ±3 σ, где σ — средняя квадратическая погрешность срабатывания. Однако, учитывая малые значения, их нормируют и определяют размахом.

Следует отметить, что практически составляющие погрешности обычно не имеют такого распределения, которое соответствовало бы теоретической кривой нормального распределения. Но встречающиеся на практике симметричные распределения погрешностей обычно приближаются к ней. Это позволяет использовать теоретические свойства кривой в практике оценки погрешностей автоматического контроля.

Погрешность настройки δн  прибора характеризует точность, с которой он может быть настроен на заданный уровень (размер) с помощью собственных настроечных элементов. По существу, δн  является систематической погрешностью и проявляется как систематическая при обработке партии деталей без поднастройки прибора, например, при его испытаниях. Однако в промышленной эксплуатации при частых  поднастройках прибора систематическая погрешность δн  проявляется как случайная δн  с нормальным или равновероятным распределением и определяется средним значением (систематическая составляющая) и средней квадратической погрешностью σн.

Систематическую составляющую обычно не учитывают, так как она мала и может быть компенсирована изменением уровня настройки. На практике δн определяется пределом допустимой погрешности. Погрешность настройки δн  составляют 0,3—0,5 мкм. В микропроцессорных приборах с цифровым отсчетом настройка управляющих  команд  и нуля производится цифровым набором с клавиатуры с дискретностью 0,1 мкм, Это обеспечивает небольшое значение   погрешности настройки.

Погрешность от смещения уровня настройки δсн возникает из-за изменения уровня настройки команды прибора во время его дли­тельной непрерывной работы. Эти изменения определяются многими случайными внутренними и внешними факторами и наиболее полно характеризуются случайным процессом смещения настройки во времени ε(t). Однако такую характеристику неудобно определять и нормировать. Поэтому на практике пользуются каким-либо частным показателем смещения уровня настройки, например допустимым смещением настройки δсн. Эта величина показывает, что в течение установленного времени смещение уровня настройки не должно превышать ее по абсолютному значению. В такой оценке погрешность от смещения настройки δсн является систематической и составляет для прецизионных приборов не менее 0,8—1,2 мкм за 4 или 8 часов непрерывной работы.

Динамические погрешности прибора вызываются его инерцион-ностью, переменной скоростью изменения контролируемого размера и неправильной формой контролируемой поверхности (например, некруглостью цилиндрической детали).

Динамическая погрешность — это разность между погрешностью прибора в динамическом режиме и его статической погрешностью в данный момент времени.

При автоматическом контроле измеряется непрерывно меняющийся размер и вследствие инерционности прибора его выходной сигнал отстает от входного (размера), а моменты выдачи управляющих команд отстают от моментов достижения размером детали заданного значения (деталь немного перешлифовывается). При постоянной скорости изменения контролируемого размера возникает систематическая динамическая погрешность

δд =Vtо ,                                                             (1.5)

где   V средняя скорость изменения размера  (съема припуска),

мкм/с; t0среднее значение постоянной времени прибора, называемой временем отставания (запаздывания), с, которая показывает, насколько выходной сигнал (в данном случае команда прибора) отстает от входного сигнала (изменения размера) при его непрерывном изменении. Эта составляющая обычно компенсируется смещением уровня настройки окончательной команды и не учитывается при определении его погрешности. Значительно большее влияние имеет случайная составляющая динамической погрешности, вызываемая в основном переменной скоростью изменения размера (съема припуска) и непостоянством времени t0. Ее величина зависит от колебаний скорости изменения контролируемого размера в момент приближения к окончанию обработки и выдачи окончательной команды и определяется выражением

δд =±2σ = ±√ (tо σv)2 + (Vо σt)2,                        (1.6)

где σv  — средняя квадратическая погрешность, характеризующаяся непостоянством скорости изменения размера при прекращении обработки и σt— средняя квадратическая погрешность, характеризующаяся непостоянством времени t0.

Скорость изменения контролируемого размера в конце обработки (при выхаживании) меняется от 5 мкм/с до почти нулевого значения. Время отставания tQ пневматических приборов составляет 0,3—0,5 с, а индуктивных приборов 0,05—0,1 с. У приборов с временем отставания tо < 0,1 с погрешности δд невелики и составляют менее 0,5 мкм. Значение времени отставания tQ увеличивается у приборов, предназначенных для контроля прерывистой поверхности, так как такие приборы снабжены демпфирующими элементами и модулями памяти в электронном блоке.

Динамическая погрешность может возникнуть также при контроле деталей, имеющих отклонения геометрической формы измеряемой поверхности. Так, при контроле диаметра овальных цилиндрических деталей на контактные наконечники скобы воздействует входная величина примерно синусоидальной формы, с амплитудной до нескольких микрометров и частотой 2—20 Гц.

Форма аналогового выходного сигнала (ток, напряжение) прибора зависит от его инерционности. В случае использования инерционного  прибора  с tQ < 0,3 с выходной сигнал усредняется и окончательная команда выдается ориентировочно по среднему размеру (в сечении) контроли

руемой детали (рис.1.1, а) или по размеру, превышающему его среднее значение (рис.1.1, б). Выходной сигнал быстродействующего прибора (например, индуктивного с tQ < 0,1 с) будет практически повторять входной сигнал, и окончательная команда будет выдаваться при достижении минимальным размером в контролируемом сечении уровня настройки (рис. 1.1, в). Рис. 1.1   Момент выдачи окончательной команды прибора в   зависимости от его инерционности: а, б  – инерционный прибор (tо >  0,3 с); в  –  быстродействующий прибор (tо ≤ 0,1 с).

Таким образом, при автоматическом контроле инерционным прибором размеры обработанных деталей располагаются симметрично относительно уровня настройки, а при контроле быстродействующим прибором размеры деталей будут смещены относительно этого уровня. Из сказанного выше следует, что контроль деталей с отклонением геометрической формы может привести к систематической погрешности, вызывающей смещение размеров партии обрабатываемых деталей относительно уровня настройки и случайной погрешности, приводящей к некоторому дополнительному рассеиванию размеров деталей. Обе эти составляющие невелики, причем систематическая частично компенсируется при коррекции настройки прибора.

Погрешности δп возникает из-за  нестабильности положения контактных наконечников на контролируемой поверхности. Эти погрешности могут иметь систематическую и случайную составляю­щие. Систематическая составляющая связана с первоначальным неправильным положением измерительной оснастки относительно детали, а случайная — с нестабильностью ее подвода. Систематическая составляющая компенсируется при настройке прибора.

Ниже приведены формулы для расчета некоторых погрешностей, возникающих от смещений и перекосов контактных наконечников при контроле цилиндрических поверхностей.

При смещении одного сферического контактного наконечника с контролируемого диаметра (рис. 1.2) появляется погрешность

δ= d (1–cosφ) = e2 / 2 (R + r).                             (1.7)

Аналогичная погрешность    возникает    от    непараллельности  ножевидных измерительных наконечников (рис.1.3).

При смещении двух наконечников с линии измерения (рис.1.2)

δd  = e2 /(R + r).                                              (1.8)

Из формулы (1.8) видно, что при нестабильности подвода измерительного устройства в рабочее положение менее 10 мкм этой погрешностью можно пренебречь.

При наклоне плоскости измерительных наконечников (рис.1.4) возникает погрешность, определяемая соотношением

δd  = D (1– cosφ) / cosφ = e2 / 2 (D + d).                           (1.9)

Сравнительно большие погрешности возникают при одновременном наклоне обоих измерительных наконечников и смещения одного из них (рис.1.5):

δd  = aφ + D (1–cosφ) / cosφ.                                          (1.10)

При внутренних измерениях при смещении наконечников с диаметральной плоскости отверстия или их наклоне возникают погрешности, аналогичные приведенным выше. Так, при смещении одного наконечника с линии измерения (рис.1.6) возникает погрешность

     δd = e2 / 2 (Rr) .

При смещении обоих наконечников погрешность

     δd = e2 / (Rr) .

При наклоне плоскости наконечников относительно вертикальной плоскости (рис.1.7) возникает погрешность

       δd = e2 / 2 (Dd) .

Как видно из приведенных соотношений и графиков, в большинстве случаев указанные погрешности являются величинами 2-го порядка малости, однако их необходимо учитывать при проектировании устройств для подвода и ориентации измерительной оснастки в рабочем положении.

 Температурная погрешность δт оказывает большое влияние на точность прибора и возникает от колебания температуры окружаю­щего воздуха, охлаждающей жидкости, попадающей на измери­тельную оснастку, от обдувания ее потоком воздуха, идущим от шлифовального круга и от нагревания контактных наконечников при трении их по поверхности контролируемой детали.

Температурная   погрешность   имеет   систематическую   δт    и

случайную δт  составляющие. Через некоторое время после начала обработки температура прибора стабилизируется и изменение уровня настройки прибора характеризует систематическую составляющую температурной погрешности, которая может быть компенсирована его поднастройкой. Случайная составляющая погрешности возникает под действием кратковременных тепловых импульсов, например, при правке шлифовального круга, когда наступает некоторый перерыв в установившемся режиме работы станка.

Температурные погрешности прибора могут достигать нескольких микрометров. Однако пока не разработано методов их расчета с нужной точностью.

Уменьшить температурные погрешности приборов удается с по­мощью конструктивных мероприятий. В некоторых случаях в конст­рукциях измерительной оснастки применяют материалы с малым коэффициентом линейного расширения (инвар, титан) и их комбинацию, компенсирующие общие температурные деформации ответственных узлов. В табл. 1.1 приведены наиболее часто употребляемые в измерительной оснастке приборов  материалы и их тепловые характеристики.

Хорошие результаты дает выполнение измерительной оснастки, расположенной в зоне обработки, в корпусах, защищающих преобразователи, плоские пружины подвески и другие ответственные элементы от попадания на них охлаждающей жидкости и обдува потоком воздуха. Такая конструкция позволяет существенно уменьшить случайную составляющую температурной погрешности. На рис.1.8 показан график изменения температурной погрешности одноконтактного индуктивного устройства (головки), расположенного в герметичном корпусе (см. рис. 5.7). График получен следующим образом. Индуктивное устройство, закрепленное на инваровой плите и настроенное на нулевое значение шкалы блока управления, помещали в термокамеру. Блок управления находился вне камеры. В камере повышали температуру с 25  до 390С в течение 3 ч, затем следовали выдержка в течение 1 ч при установившейся температуре и охлаждение в течение 3,5 ч до прежней температуры. Из графика рис.1.8 видно, что изменение уровня настройки при нагревании в течение 3 ч составило 3,0 мкм (1,0 мкм/ч).

После охлаждения образуется небольшая  остаточная деформация около 1 мкм. Как следует из полученных результатов, устройство имеет небольшие температурные погрешности, которые практически могут быть компенсированы поднастройкой прибора.

Таблица 1.1

          Материал Коэффициент линейного расширения   α·10-6 , 0С Коэффициент теплопроводности, (кал/см) ·с · 0С
Сталь 20Сталь 45

Сталь 40Г

Сталь 15Х

Сталь 30Х

Сталь 65Г

Сталь 95Х18

Сталь 36НХТЮ

           11,111,6

9,4

11,3

13,4

11,1

10,5

12-14

          0,1860,162

0,180

0,12

0,111

 

0,06

Сплавы с малым коэффициентом линейного расши­рения36Н, инвар

32НКД, коинвар

 

 

1,5

1,0

 

 

 

0,038

0,032

Твердые сплавыВК6

Т15К6

3,6

6,0

0,19

0,09

Чугун серыйЧугун ковкий              10-1210-10,5           0,10-0,1350,12-0,14
Титановый сплав ВТ5 8,3 0,017-0,037

 

Стеатит (высокочастотная керамика) 5,5

Иногда применяется более сложный метод компенсации темпера­турной погрешности прибора, суть которого состоит в том, что в процессе обработки с помощью малоинерционных терморезисторов измеряется температура измерительного устройства, находящегося в зоне обработки, и в случае необходимости в показания прибора автоматически вносится соответствующая поправка.  Этот метод находит применение в приборах с микропроцессорными блоками управления, позволяющими рассчитывать и вносить поправки на изменение температуры.

Износ измерительных наконечников вызывает систематическую погрешность δи. Величина его зависит от используемого материала для наконечников, значения измерительного усилия, скорости перемещения контролируемой поверхности и времени контакта наконечников с поверхностью (точнее, пути контакта). Наконечники приборов изготовляют из твердого сплава, естественных алмазов и синтетических поликристаллических алмазов.

При работе приборов на полуавтоматических круглошлифовальных станках наконечники из твердого сплава изнашиваются после первоначальной приработки на 2—4 мкм в течение смены, а из доведенных алмазов — на 0,2—0,5 мкм в течение смены. При частой поднастройке прибора (3—4 раза в смену) погрешность от износа практически компенсируется и может не учитываться. При работе приборов на станках-автоматах  без поднастройки в течение одной-двух смен эта погрешность полностью входит в погрешность прибора.

Таким образом, формулу (1.4) для подсчета предела допустимой погрешности прибора можно представить в следующем развернутом виде:

п= δсн  + δтс + δи +  √ δср2   +  δн+ δд2 +  ∑δd2   +  δт2                (1.11)

Характер распределения случайных составляющих погрешностей прибора и рассматриваемых ниже составляющих погрешностей обра­ботки, как правило, не известен. Принято считать, что в большинстве случаев они распределены по нормальному закону и в таком случае наиболее точной характеристикой рассеяния погрешности является среднее квадратическое отклонение σ. На практике случайные погрешности прибора из-за их малых долемикронных значений чаще оценивают предельным или доверительным значением, или размахом. Для погрешностей прибора автоматического контроля достаточная надежность оценки обеспечивается при доверительной вероятности РД = 0,95. Тогда погрешность

δ = ±2σ.

Как следует из изложенного выше, указанные составляющие погрешностей не одинаково влияют на общую погрешность прибора ∆п. Доминирующее влияние на нее оказывает систематическая погреш­ность от смещения настройки δсн, систематическая δт и случайная δт температурные погрешности и случайная динамическая погрешность δд. Каждая из этих составляющих может иметь значение более 1,0 мкм. Остальные составляющие, как правило, имеют долемикронные значения.

Погрешность обработки

На точность обработки кроме погрешности выдачи окончательной команды прибора ∆п влияют погрешности, обусловленные системой СПИД. Точность обработки зависит от многих параметров системы СПИД и условий обработки. Погрешности обработки, возникающие вследствие разных причин, можно свести к трем составляющим погрешности, которые либо непосредственно влияют на получение размера детали в момент окончания обработки, либо проявляются на обработанных деталях.

Динамическая погрешность. При окончании цикла обработки отвод обрабатывающего инструмента происходит не в момент выдачи окончательной команды прибора, а через некоторое время, необходимое для срабатывания исполнительных механизмов станка. За это время происходит съем еще некоторой части припуска. Таким образом появляется динамическая погрешность ∆д, имеющая, как и динамическая погрешность прибора δд, систематическую и случайную составляющие. Систематическая составляющая компенсируется при настройке станка с прибором, случайная возникает из-за колебаний скорости съема припуска V и времени t0 отвода шлифовального круга в конце обработки и определяется по формуле

д   =  ±2σд = ±√ (tо σv)+ (Vо σt)2 ,               (1.12)

где tQ среднее время срабатывания механизма отвода шлифовального круга, равное примерно 0,1 с; σv  – средняя квадратическая погрешность, характеризующая непостоянство скорости изменения размера при прекращении обработки; σt — средняя квадратическая погрешность, характеризующая непостоянство времени tо отвода шлифовального круга.

Погрешность ∆д невелика и составляет примерно 0,2—0,5 мкм.

В отличие от описанных ранее погрешностей имеются две состав­ляющие, которые не влияют непосредственно на момент окончания обработки и отвод инструмента, а проявляются уже на обработанных деталях. Это погрешность формы  ∆ф и погрешность ∆с системы СПИД.

Погрешность формыф  обусловлена тем, что размеры детали могут различаться в разных точках обработанной поверхности. Однако все размеры обработанной поверхности должны находиться в поле допуска детали.

Особенность работы приборов автоматического контроля состоит в том, что они в большинстве случаев измеряют деталь не во всех точках поверхности, а лишь в одном сечении. При этом и в измеренном сечении команда на окончание обработки выдается прибором по одному из значений размеров в сечении (наибольшему, наименьшему или среднему).

Отклонения формы обработанной поверхности оказывают большое влияние на погрешность изготовления деталей, причем уменьшение их связано со значительными технологическими трудностями и со снижением производительности обработки. Полностью исключить погрешность формы нельзя. Даже на высокоточных шлифовальных станках отклонения формы обработанной поверхности редко бывают менее 1 мкм. Так, по ГОСТ 11654—90 для высокоточных круглошлифовальных станков класса А погрешность формы для всей обработанной поверхности ограничена значением 1,2 мкм, а в одном поперечном сечении — 0,4 мкм.

Для того, чтобы оценить соотношение между погрешностями формы и прибора условно представим, что погрешность обработки включает только эти две составляющие (∆ф и ∆п).

Погрешность формы ∆ф для цилиндрических поверхностей оценивается непостоянством диаметра одной и той же детали (разностью между наибольшим и наименьшим диаметрами), а для плоских — непостоянством размера различных точек обрабатываемой поверхности относительно базовой плоскости. В отдельных случаях (в особенности для сопрягаемых поверхностей) следует учитывать и другие отклонения формы: нечетную огранку и изогнутость.

Для    получения     количественных    соотношений     необходимо уточнить, что под погрешностью обработки ∆об понимают поле  рассеяния размеров обработанных деталей относительно заданного уровня настройки, причем ∆об  зависит не только от полей составляющих погрешности, но и от их расположения (рис. 1.9). В самом благоприятном случае составляющие погрешности ∆ф и ∆п расположены симметрично относительно уровня настройки и зто соответствует наименьшей погрешности обработки ∆об (рис. 1.9, а).  Наибольшее значение погрешность ∆об  имеет в том случае, если ее составляющие расположены целиком по одну сторону от уровня настройки (рис. 1.9, б).

Таким  образом,   погрешность   ∆об  можно  представить  формулой

об =  K1п  +  K2 ф                                                  (1.13)

где K1 и K2коэффициенты, зависящие от расположения поля каждой

составляющей погрешности относительно соответствующего исходного размера, т.е. погрешности ∆п относительно номинального или действительного уровня настройки, например, середины поля допуска, и погрешности ∆ф относительно действительного размера. Значения K1 и K2, приведенные на рис.1.9, а, б, являются предельными. Для предварительных расчетов точности обработки целесообразно ориентироваться на среднее значение этих коэффициентов K1 = K2 =1,5  (рис. 1.9, в). Учитывая случайный независимый характер составляющих погрешности. Их следует складывать квадратически Тогда

об = 1,5√ ∆п+  ф2                                                   (1.14)

Графическая интерпретация уравнения (1.14) приведена на рис. 1.10, где точкам, лежащим на окружности данного радиуса, соответствует постоянная погрешность обработки  ∆об = сопst при различных соотношениях составляющих случайных погрешностей ∆п  и   ф, которые представляют собой координаты этих точек.

Погрешности  ∆п ф и  ∆об  удобно выражать в относительных величинах допуска δ. Для большинства встречающихся на практике случаев ∆п  > 0,2δ и   ф > 0,2 δ. В то же время из уравнения (1.13) следует,

что значения ∆п  и   ф  не должны превышать 0,67δ (практически 0,6δ).

В табл. 1.2 приведены погрешности  ∆об  при некоторых значениях ∆п   и   ф , подсчитанные по формуле (1.13).

Таблица 1.2

                     ∆п / δ     ф/ δ            ∆об/ δ
           0,2          0,2            0,42
           0,2          0,6            0,95
           0,3           0,2            0,54
            0,3            0,55             0,94
            0,4           0,2              0,67
            0,4           0,5              0,96
            0,5           0,2                0,81

Таким образом, погрешности формы оказывают существенное влияние на точность обработки. В отличие от других способов обра­ботки, когда в ряде случаев могут допускаться отклонения формы в пределах всего поля допуска размера, при автоматическом контроле отклонения формы всегда должны быть ограничены лишь частью допуска размера. Наибольший допуск формы может составить 0,6δ (при  ∆п  < 0,2δ.  Однако оптимальным следует считать  ф < 0,4δ.  При этом условии погрешность прибора может составить ∆п  = 0,5δ .

Существуют целесообразные области  для соотношения между погрешностью формы и погрешностью обработки (на рис. 1.10 эта область заштрихована). При соотношениях  ф /  ∆п или     ∆п /∆ф более 3:1 большая из этих погрешностей практически определяет всю погрешность  ∆об, а меньшая не влияет на нее. Превышение соотношения 3:1 указывает на то, что данная система станок — прибор не оптимальна. Так, соотношение ∆ф/ ∆п > 3 свидетельствует о том, что либо использован излишне точный прибор, либо не отлажен станок и не установлены оптимальные режимы обработки, влияющие на погрешность формы. Соотношение   ∆п /∆ф > 3, в свою очередь, указывает на то, что целесообразно либо применить более точный прибор, либо отладить параметры технологического процесса, влияющие на рассеяние размера деталей в партии. Для практических расчетов следует иметь в виду, что в реальных технологических процессах погрешность формы ∆ф составляет несколько микрометров и в редких случаях бывает менее 1 мкм.

Погрешность с системы СПИД  возникает из-за колебаний подач, изменений режущих свойств инструмента, разогрева и деформаций станка, изменения температуры охлаждающей жидкости, колебаний припуска обрабатываемых деталей и по другим причинам. Изменения режимов и условий обработки приводят к изменениям температуры обрабатываемых деталей, и, таким образом, в момент окончания цикла обработки готовые детали имеют разную температуру. Спустя некоторое время после окончания обработки температура деталей выравнивается, но изменяются их размеры и возникает погрешность с. Поэтому эту погрешность часто называют температурной погрешностью, но возникает она вследствие нестабильности условий и режима обработки.

Погрешность ∆с имеет две составляющие: систематическую и случайную. Систематическая составляющая ∆с возникает при настройке цикла и режима обработки станка, при каждой поднастройке режима, например, при правке шлифовального круга. Если в процессе работы станка режим обработки изменяется периодически, то систематическая составляющая  ∆с полностью или частично проявляется как случайная. Случайная составляющая погрешности с  возникает при стабильной работе системы СПИД.

В большинстве случаев составляющая ∆с является доминирующей в суммарной погрешности обработки и ее очень трудно уменьшить или исключить. Применяют несколько способов уменьшения погрешности ∆с. Основным методом является стабилизация режимов и условий обработки и работы системы СПИД. Так при шлифовании необходимо обеспечить постоянство и равномерность скоростей подач шлифовального круга, регулярность и постоянство условий правки шлифовального круга, постоянство температуры охлаждающей жидкости, примерно одинаковые припуски на обработку и на отклонение формы заготовок, хорошую форму базовых поверхностей заготовок, одинаковую твердость заготовок, высокое качество шлифовальных кругов, их режущую способность и другие факторы.

На шлифовальных станах с ЧПУ стабильность процесса обработки существенно выше, а погрешность ∆с существенно меньше.  Это достигается применением регулируемым приводом шлифовальной бабки и программным управлением, обеспечивающим многоступенчатый оптимальный цикл обработки с небольшой и стабильной скоростью съема  припуска в конце шлифования, отсутствием люфтов в механизме привода шлифовальной бабки, отсутствием на станках гидравлической системы, что существенно снижает нагревание станка в течение смены и т.п.

И, наконец, уменьшить погрешность ∆с  можно путем непосредст­венного измерения температуры обрабатываемой (или обработанной) детали или ее температурной деформации и внесения соответствующей автоматической коррекции в показания прибора и в настройку его команд.

Поскольку определить температуру вращающейся обрабатываемой детали достаточно сложно, то обычно измеряют ее температуру сразу после обработки в одной или нескольких точках поверхности. Полученный таким образом результат не определяет температуры детали в различных точках объема и недостаточно коррелируется с ее дальнейшей тепловой деформацией при стабилизации температуры.

В некоторых случаях более перспективным представляется способ измерения тепловых деформаций детали непосредственно в процессе обработки и автоматическая коррекция уровня настройки прибора. Этот способ применяют при контроле колец подшипников больших диаметров. Например, при обработке наружного диаметра кольца подшипника одновременно с обрабатываемой наружной поверхностью контролируется необрабатываемая внутренняя поверхность. В процессе шлифования кольцо подшипника нагревается и меняется его внутренний диаметр. По результату измерения отклонения внутреннего диаметра автоматически вводится коррекция уровня настройки команды прибора. Соотношение между значением поправки и температурной деформацией внутреннего диаметра определяется экспериментально перед началом обработки.

В приборах и системах СПИД, не имеющих специальных средств для компенсации погрешности ∆с, ее значение может достигать нескольких микрометров.

Погрешность настройки о прибора и системы СПИД. Первоначально прибор и станок настраивают по специальной аттестованной детали или по результатам измерения обработанных деталей непосредственно после их съема со станка.

На точность настройки влияют погрешность аттестации образцовой детали, значение которой составляет обычно 0,5—1,0 мкм, а также погрешности измерения деталей на послеоперационных средствах измерений и температурная погрешность. Последняя обусловлена тем, что обработанные детали имеют температуру, отличную от той, при которой определяют (или задают) их действительные размеры после остывания или настраивают послеоперационное средство измерений. Эти погрешности приводят к неправильной установке уровня настройки системы прибор–СПИД, к смещению действительных размеров обработанных деталей в заданном поле допуска.

Погрешность изготовления изделий

При определении погрешности изготовления изделий суммарную погрешность прибора ∆п считают случайной величиной. Тогда

∆= ∆с +  √ р2   +  об+ ф2с2   о2                       (1.15)

В некоторых случаях удобнее и нагляднее пользоваться другой развернутой формулой, получаемой в результате сложения отдельно систематических и случайных погрешностей прибора и станка 1.11.).

п= δсн + δи  + δтс +  ∆с +

+ √δсрн2 + δд 2 + ∑ δd 2 + δт 2 д 2 + ф 2с 2   о 2         (1.16)

Указанные составляющие погрешности приве­дены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Наименование погрешности Обозначение Числовое значение погрешности, мкм
Погрешности прибора:
    срабатывания          δср    0,1-0,5
     настройки          δн    0,3-0,5
от смещения уровнянастройки          δсн    0,8-1,2
     динамическая           δд     0,1-1,0
      положения            δd 2-ого порядка
      температурная            δт        —
      от износа наконечников            δи      0,2-4
Погрешности обработки
       динамическая              д       0,1-0,3
      формы              ∆ф          1–5
      системы СПИД              ∆с             —
      настройки системы при-     бор — СПИД               о        0,5-1,0

 

       1.2. ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ

Результат  автоматического  контроля  после обработки определяется выходными подналадочными  и браковочными  командами, свидетельствующими о достижении обработанным размером настроенных значений и о необходимости произвести коррекцию положения шлифовального круга или остановить станок..

Точность подналадчика характеризуется пределом допустимой погрешности Δпод в течение установленного времени работы прибора на станке. У подналадчика Δпод  является погрешностью выдачи подналадочных и браковочных  команд. Также как и у приборов контроля в процессе обработки вместо Δпод нормируют ее составляющие, которые можно установить экспериментально в условиях, приближенных к условиям работы прибора на станке. При необходимости погрешность Δпод рассчитывают по известным ее составляющим.

Составляющими погрешностями Δпод являются:

— погрешность срабатывания  команд δср ;

— погрешность настройки  команд на заданный размер δн ;

— смещение уровня настройки команд δсн в течение установленного интервала времени;

— погрешность, возникающая от неправильного  базирования детали в момент измерения δБ;

— погрешность от отклонений формы измеряемой детали δф;

— динамическая погрешность  δд;

— температурная погрешность δу;

— погрешность от колебания измерительного усилия δу.

Таким образом, предел допускаемой погрешности

Δпод  = δсн + √  δср2 + δн+ δБ+ δфд+ δТ+ δу             (1.17)

Рассмотрим более подробно характер действия и количественную оценку  составляющих погрешностей.

Погрешность срабатывания δср, характеризуя нестабильность получения всех управляющих  команд подналадчика,  является случайной величиной и определяется пределом допустимой погрешности. Все, что было сказано выше относительно погрешности срабатывания окончательной команды касается всех команд подналадчика. Однако следует учитывать, что окончательная команда всегда настроена вблизи нуля шкалы, т.е. в самой точной ее части, а подналадочные и браковочные команды расставлены по всей шкале. Чем больше диапазон измерения подналадчика и чем дальше находится уровень настройки команд от нулевой отметки, тем больше их погрешность срабатывания (из-за нелинейности преобразователя, колебаний измерительного усилия и т.п.).

При проектировании подналадчиков учитывают указанную особенность и рабочий участок его характеристики стараются делать линейным.  В современных приборах с микропроцессорными блоками погрешности δср подналадоных и браковочных команд составляет 0,5—1,0 мкм.

Погрешность настройки δн  и погрешность от смещения уровня настройки δсн  подналадчика проявляются также, как у приборов контроля в процессе обработки. Однако значения этих погрешностей сильно зависят от конструкции подналадчика , способа настройки уровня подналадочных команд и условий контроля. Так в отличие от контроля в процессе обработки, где окончательная команда совмещается с нулем шкалы и настраивается по образцовой детали, подналадчик настраивают  по обной образцовой детали, наприер, на нуль шкалы, а подналадочные команды настраивают по шкале блока управления, что может увеличить  погрешность настройки δн.

Динамическая погрешность δд. Применяют два способа контроля деталей после обработки – контроль перемещающихся одна за другой («столбом») обработанных деталей, выходящих из-под шлифовальных кругов на бесцентровошлифовальных, торцешлифовальных и других станках и контроль неподвижной детали на специальной измерительной позиции, куда обработанная деталь переносится манипулятором.

При контроле перемещающихся деталей между ними образуются разрывы поверхности, в которые опускаются измерительные нако­нечники подналадчика. При наезде  следующей детали на наконечники происходит удар и они могут на время оторваться от контролируемой поверхности. И хотя подналадчики для контроля деталей на «проход» снабжают устройствами для контроля прерывистой поверхности, которые смягчают эти явления, некоторая динамическая погрешность остается.  В зависимости от конструкции подналадчика конфигурации перемещающихся деталей и  скорости их перемещения значение  динамической погрешности δд  может составлять от 0,5 до 1,0 мкм.

При контроле неподвижных обработанных деталей на отдельной измерительной  позиции, например, после их обработки на алмазно-расточных станках, динамическая погрешность не возникает.

Погрешность формы δф.  Подналадчики, также как приборы для контроля в процессе обработки, измеряют  детали в одном случайном сечении. Поэтому все, сказанное выше о влиянии погрешности формы на суммарную погрешность относится и к  подналадчикам.

 Температурная погрешность δт   Температурная погрешность при контроле размеров после обработки существенно меньше, чем при контроле в процесс резания. Измерительная оснастка подналадчика не обливается СОЖ. На нее влияют только колебания температуры в цехе. Обработанная деталь уже не подвергается резанию и ее температура больше не увеличивается. Однако деталь еще не остыла  до температуры помещения и подналадчика. Поэтому какое-то значение температурной погрешности всегда остается.

Погрешность базирования δБ  Эта погрешность проявляется при контроле движущихся деталей. Детали перемещаются разными способами – под действием радиальной силы развернутого шлифовального круга, транспортом станка или скатываются по наклонному лотку. Во всех случаях при прохождении через подналадчик  деталь попадает на базирующее устройство, но, как правило, прижимается к нему только собственным весом. Поэтому в момент измерения деталь может оторваться от базы, перекоситься и т.п. В результате возникает погрешность измерения, которая может составлять несколько микрметров.

Погрешность от колебаний измерительного усилия δу.Измери­тельные рычаги и каретки подналадчика занимают в процессе из­мерения разные положения в пределах всего диапазона измерения до 0,1—0,2 мм. Подналадочные и браковочные  команды подналадчика также расположены по всему диапазону измерений. Поэтому в момент выдачи управляющих команд  меняется измерительное усилие, что приводит к деформациям рычагов и  возникает погрешность δу. 

Колебание измерительного усилия обычно невелико и составляет  0,1—0,2 Н на всем диапазоне измерений. Поэтому погрешность δу не превышает долей микрометра.

Таким образом, доминирующее влияние на суммарную погрешность подналадчика оказывают погрешность базирования, погрешность формы и температурная погрешность.

При контроле неподвижно установленных обработанных деталей, например,  на алмазно-расточном станке точность измерения существенно выше, так как в суммарную погрешность не входят погрешность базирования и динамическая погрешность. В этом случае предел допускаемой погрешности

Δпод  = δсн + √  δср2 + δн+  δф+ δТ+ δу 2                               (1.18)