Глава 3 Общие вопросы конструкции приборов

Прибор автоматического контроля, как указывалось выше, является органической и необходимой составной частью системы станок–прибор. Поэтому при конструировании прибора и  станка необходимо обеспечить правильную функциональную связь, компоновку и стыковку управляющих цепей системы.     Конечная цель металлообработки — получение деталей заданной точности по размеру, отклонениям формы и шероховатости поверхности с заданной производительностью. Чтобы решить эту задачу, необходимо правильно выбрать все элементы конструкции станка и прибора активного контроля, подобрать цикл и режимы обработки. Следует иметь в виду, что точность деталей обеспечивается станком и технологией обработки, а роль прибора сводится к автоматизации процесса обработки путем выдачи в систему управления станка информации о величине непрерывно изменяющегося припуска детали, о скорости съема припуска и других параметрах цикла. Эта информация используется для изменения режимов резания  и выдачи команды на окончание обработки. Основное требование к  прибору активного контроля  состоит в том, чтобы дискретная или непрерывная информация о размере обрабатываемой детали, поступающая от прибора в систему управления  станка, с микронной точностью соответствовала размеру детали в контролируемом сечении. Причем эта информация не должна отставать по времени от  съема припуска.

Ниже будут рассмотрены принципы выбора приборов и их узлов, а также некоторые требования к станку и технологии обработки.

          3.1  ВЫБОР  СХЕМЫ  ИЗМЕРЕНИЯ

     Основное условие при выборе схемы контроля в процессе обработки — обеспечение высокой точности измерения. При активном контроле применяют  следующие  способы и схемы измерения:

— прямое измерение;

— косвенное  измерение;

— двухконтактное измерение;

— одноконтактное измерение;

— трехконтактное измерение;

Наилучший результат получают при  прямом измерении непосредственно того размера, значение которого необходимо обеспечить при обработке. Например, при круглом наружном шлифовании в центрах (рис. 3.1, д) наилучший результат для получения заданного значения диаметра D достигается при двухконтактном измерении.

В одноконтактной схеме (рис. 3.1, а) измеряется расстояние b от места закреплении измерительной оснастки до обрабатываемой поверхности вала. При этом измерение диаметра D с нужной точностью обеспечивается только в том случае, если расстояние а от места закрепления устройства до базы — оси центров — сохраняется достаточно постоянным в период между поднастройками прибора.

В схеме контроля с помощью седлообразного устройства (рис. 3,1, в) влияние непостоянства базы отсутствует. Однако поскольку в этом случае осуществляется косвенное определение диаметра путем измерения величины с при практически постоянной (в момент окончания обработки) хорде, на результат измерения влияет некруглость поперечного сечения обрабатываемой детали.

Таким образом, наивысшую точность измерения диаметра можно обеспечить только применением двухконтактной схемы прямого измерения. Аналогично выбирают схему измерения при бесцентровом наружном и внутреннем шлифовании, хонинговании и т.п.

При плоском шлифовании в основном задается значение h высоты (или толщины) детали, но наиболее предпочтительно непосредственное измерение этого значения (рис. 3.1, г). Однако последнее возможно только в тех случаях, когда оба торца детали открыты. В большинстве случаев плоское шлифование выполняется при базировании обрабатываемой детали на магнитном столе станка. При этом открытым для измерения остается только один торец и прибор может измерять только расстояние К от этого торца до станины станка (рис. 3.1, д). В этом случае на точность измерения влияют непостоянство зазора в направляющих стола станка, температурные и силовые деформации кронштейна прибора, стола станка и магнитной плиты М.

Повышения точности в рассматриваемом случае можно достигнуть
за счет дополнительного измерения положения базирующей плоскости магнитной плиты (рис. 3.1, д), где высота h детали соответствует разности расстояний B и b от измерительного устройства до поверхности магнитной плиты и до обрабатываемой поверхности детали.

Если же трудно разместить контактные наконечники и компоновать прибор таким образом, чтобы измерять непосредственно обрабатываемый размер, например, при контроле больших размеров,  то определяют его  косвенным способом.

               3.2  ВЫБОР ПРИНЦИПА ИЗМЕРЕНИЯ

Хотя в настоящее время находят применение средства автоматического контроля,    основанные    на разных способах преобразования сигнала:   механическом, электроконтактном, пневматическом и электронном, наибольшее распространение получили индуктивные приборы. Более 90% выпускаемых в мире приборов активного контроля основаны на индуктивном принципе измерения.  Индуктивные приборы  выпускают отечественные и иностранные фирмы:   ОАО «НИИизмерения»,  ОАО «Челябинский инструментальный      завод», фирма «РОБОКОН», фирма Магроss  (Италия).

Пневматические приборы применяют редко: лишь при хонинговании и в подналадчиках для контроля диаметров отверстий после обработки. Однако и в этих случаях требования к быстродействию прибора заставляют применять пневматику в сочетании с электроникой. Такой  прибор обычно состоит из пневматической системы с пробкой, входящей в обрабатываемое отверстие, пневмоиндуктивного преобразователя и электронного блока.

Электроконтактные преобразователи в средствах автоматического контроля используют весьма редко. Это обусловлено их чувствительностью к вибрациям и загрязнениям, относительно низкой точностью, отсутствием шкальных устройств, подгоранием контактов. Однако с развитием станков с ЧПУ и обрабатывающих центров появились новые электроконтактные приборы — так называемые индикаторы контакта. Последние служат для позиционирования инструмента и измерения размеров на токарных, сверлильно-фрезерных и расточных станках с помощью их координатных измерительных ситсем.

Средства контроля с механическим преобразователем в виде жестких калибров применяют на внутришлифовальных станках при обработке сквозных отверстий, например, колец подшипников малого диаметра и при хонинговании отверстий. Ограниченная точность, трудность получения нескольких команд, невозможность регулирования размера и гибкого управления циклом обработки, невозможность наблюдения за ходом обработки по шкале и быстрый износ калибров делают этот способ неперспективным. Применение его возможно только в специальных случаях, например, при шлифовании малых отверстий или хонинговании, когда весь припуск снимается на одном режиме при весьма малых подачах. При круглом шлифовании на универсальных станках, особенно часто в ремонтном производстве применяют механические трехконтактные навесные индикаторные скобы.

Фотоэлектрические растровые линейные и круговые преобразователи применяют в приборах с большими диапазонами измерений. На шлифовальных станках с ЧПУ и при контроле больших диаметров на вальцешлифовальных станках.  Но главным образом их применяют   для измерения перемещений и позиционирования узлов станка.

В целом при разработке новых средств автоматического контроля следует применять электронный принцип измерения, если какие-либо специальные требования и условия не вынуждают использовать другие способы.

            3.3  МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРОВ    

Диапазон измерения прибора активного контроля определяется припуском на обработку. При шлифовании припуск обычно не превышает 0,5 мм, поэтому диапазон измерения  у большинства выпускаемых приборов выбирается от –100 до +500 мкм. Диапазон измерения  измерительной оснастки и индуктивного преобразователя обычно не превышает 1,0 мм. Но шкальный или цифровой блок управления калибруется в диапазоне то –100 до +500 мкм или немного больше с учетом необходимости корректировки настройки прибора.

Диапазон контролируемых прибором размеров деталей значительно больше, так как все скобы и одноконтактные головки снабжены сменными или перенастраиваемыми державками и наконечниками, которые позволяют измерять изделия разных размеров. Например, двухконтактная скоба БВ-3268 для измерения наружных диаметров на круглошлифовальных станках позволяют измерять   диаметры в диапазоне от 2,5 до 80 мм. Аналогично строится вся измерительная оснастка приборов.

Цена деления шкалы или дискретность цифровой индикации – это изменение измеряемой величины, соответствующее перемещению указателя на одно деление шкалы или шагу дискретности цифровой индикации. В аналоговых приборах с шкальным индикатором имеется две шкалы грубая с ценой деления 10 мкм и точная с ценой деления 1,0 мкм. В некоторых случаях, например, для сопряженного шлифования цена деления шкалы была 0,5 мкм. В приборах с цифровой индикацией шаг дискретности составляет 0,1 мкм. Изредка для более грубых приборов выбирается шаг дискретности 0,5 или 1,0 мкм. Хотя для наблюдения за ходом обработки дискретность 0,1 мкм явно избыточна, а иногда и неудобна, но полезна, так как позволяет очень точно настроить прибор по образцовой детали (на ноль) и  установить уровни срабатывания управляющих команд.

Важная метрологическая характеристика –  чувствительность прибора – отношение перемещения указателя шкалы или смена дискреты цифрового индикатора к вызвавшему ее изменению измеряемой величины. Чувствительность приборов активного контроля является безразмерной величиной и равноценна передаточному отношению. Значение передаточного отношения могут составлять 1000, 5000 и 10000.

Прибор активного контроля состоит их трех преобразующих измеряемую величину элементов – механической измерительной оснастки, индуктивного (или другого преобразователя) и электронного блока. Передаточное отношение измерительной оснастки стараются выбирать 1:1. Но иногда по конструктивным соображениям делают меньше 1:2 или 1:3. У индуктивного преобразователя выбирается наиболее чувствительный участок рабочей характеристики, как правило вблизи электрического нуля. И, наконец, с помощью усилителей электронного блока устанавливают заданную цену деления или дискретность цифровой индикации.

Точность измерений прибором активного контроля – это качество измерений, отражающее близость их результатов  к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов, как систематическим, так и случайным (см. Гл.1).

               3.4   СВЯЗИ СТАНКА С ПРИБОРОМ

При разработке станка с прибором активного контроля необходимо обеспечить правильную, удобную и безопасную установку прибора на станке, последовательность движений узлов прибора и станка, последовательность управляющих команд в цикле обработки, выдачу прибором команд в цепи управления станка с целью изменения режимов резании и получения от станка команд о состоянии цикла обработки.

В современных станках с  приборами активного контроля используют главным образом электрические связи.

С   помощью   гидравлической   системы   станка   осуществляется перемещение измерительной оснастки  прибора: ввод в положение измерения и отвод для установки и съема обрабатываемой детали, а  иногда  арретирование измерительных  рычагов и контактных наконечников прибора.  Однако, в связи с тем, что современные станки не имеют гидравлической системы, начинают применять электромеханические подводящие устройства.

Связь прибора со станком для управления режимами обработки осуществляется с помощью  электрических команд. Используют несколько видов обмена прибора со станком электрическими сигналами.

Чаще всего приборы выдают на станок релейные команды замыканием или размыканием контактов электромагнитных реле. Разрывная мощность контактов реле, применяемых в приборах,   составляет до 500 ВА при напряжении 220 В переменного тока. Такими мощными контактами можно включать непосредственно силовые электромагнитные устройства (пускатели, электромагниты) станка.

Командный обмен прибора со станком осуществляется также с помощью потенциального выхода 24 В постоянного тока, который включает маломощные электромагнитные реле станка. В последнее время во входных и выходных цепях прибора применяют так называемые оптоэлектронные развязки (оптроны), которые защищают прибор от сетевых помех.

При установке приборов на станки с ЧПУ выходная информация кроме описанных выше способов выдается в систему управлении станка в виде аналогового сигнала постоянного тока или кодированного сигнала RS 232. Аналоговый выход отечественных индуктивных приборов имеет линейную характеристику в диапазоне от –2 до +10 В с чувствительностью 10—20 мВ/мкм.

Для шлифовальных станков с обычным ступенчатым циклом подачи абразивного круга, состоящим из черновой и чистовой обработки и иногда включающим доводочную подачу или выхаживание (шлифование без подачи), прибор при достижении соответствующего размера должен выдавать дискретные команды на устройства, управляющие изменением подачи и отводом шлифовального круга. Современные приборы в особенности те, которые предназначены для станков с ЧПУ, выдают также в схему управления станка дополнительную информацию об оставшемся припуске, скорости съема припуска, отклонении формы контролируемой поверхности и др., что способствует оптимизации цикла и  повышению точности обработки. Кроме того, системы ЧПУ станка могут принимать аналоговый или кодовый сигнал прибора, соответствующий   текущему размеру обрабатываемой детали, и самостоятельно формировать цикл обработки.

    3.5   СПОСОБ КОНТАКТА С ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛЬЮ

Способ контакта измерительных наконечников с обрабатываемой деталью имеет принципиальное значение, так как определяет точность и надежность измерения.  При контроле размера в процессе обработки измеряемая поверхность быстро перемещается под измерительными наконечниками, нагревается, и обливается охлаждающей жидкостью (СОЖ), что обуславливает требования, предъявляемые к способу контакта измерительной оснастки с контролируемой деталью.

При активном контроле применяют бесконтактную и контактную измерительную оснастку. Хотя казалось бы бесконтактная оснастка имеет   преимущества перед контактной при контроле подвижной поверхности, она редко применяется при активном контроле. Бесконтактная оснастка значительно проще контактной, не имеет подвижных элементов, не изнашивается  и не оставляет следа на контролируемой поверхности.

Малое распространение бесконтактной пневматической оснастки объясняется конструктивными соображениями. Бесконтактную пневматическую оснастку сложно настраивать на заданный размер и сложно перенастраивать с размера на размер.  Кроме того, бесконтактная оснастка имеет небольшой диапазон измерения и сравнительно невысокие метрологические характеристики. Перенастройка прибора, например скобы,  с двумя измерительными соплами, а также – нестабильность ее ориентирования относительно контролируемой поверхности могут вызвать перераспределение измерительных зазоров и, следовательно, дополнительные погрешности контроля. Поэтому бесконтактную оснастку для точных измерений чаще применяют в виде не перенастраиваемых устройств (главным образом  пробок), выполненных для контроля одного размера.

Точность бесконтактной пневматической оснастки зависит также от шероховатости контролируемой поверхности, поскольку ею обусловлено появление погрешности δRa на каждое сопло:

         δRa = 0,5Ra.                                                      (3.1)

Поэтому бесконтактное измерение практически осуществляют при шероховатости поверхности не более Ra < 1,6 мкм. Систематическая составляющая   погрешности        определяется   разностью   между шероховатостью поверхности детали,  по которой настраивают прибор, и шероховатостью обрабатываемых деталей.   Наличие случайной составляющей    обусловлено разностью шероховатостей обрабатываемых деталей.

Бесконтактную пневматическую оснастку применяют при активном контроле в процессе  хонингования в виде сопел, встроенных в хонинговальную головку и в пробках при контроле диаметров отверстий после обработки. Для бесконтактных измерений в процессе обработки  используют пневматические или пневмоиндуктивные приборы.

Контактные измерительные устройства оснащают линейными и сферическими контактными наконечниками. С метрологической точки зрения следует отдавать предпочтение сферическим наконечникам небольшого радиуса (1—2 мм). Однако при выборе формы наконечников необходимо учитывать возможную нестабильность их положения относительно контролируемой поверхности и ее форму.  При контроле цилиндрических деталей на круглошлифовальных станках используют сферические, цилиндрические и ножевидные наконечники с линейным контактом, при контроле отверстий на внутришлифовальных станках применяют сферические наконечники малого радиуса, при плоском шлифовании используют сферические наконечники большого радиуса и наконечники в форме ролика с линейным контактом.

Материалом для наконечников служат твердый сплав и искусственные или естественные алмазы с шероховатостью рабочей поверхности Rа = 0,1 – 0,2 мкм. Естественные алмазы (крошку) применяют для  наконечников небольших размеров, например, при контроле отверстий малого диаметра.

3.6   КОНТАКТНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСИЛИЕ И

       МАССА ПОДВИЖНЫХ ЧАСТЕЙ

Контактное усилие на измерительных наконечниках должно быть таким, чтобы они   не отрывались от быстро перемещающейся контролируемой поверхности, покрытой шламом и охлаждающей жидкостью, а также при вибрациях детали и станка. Однако слишком большое контактное усилие вызывает деформации измерительных рычагов и плоских пружин подвески рычагов, способствует повышенному износу наконечников и оставляет более глубокий след на контролируемой поверхности. У одноконтактных измерительных головок, имеющих легкие подвижные рычаги, контактное усилие составляет 70—150 сН, у двухконтактных скоб, имеющих относительно большие подвижные массы, измерительное усилие составляет 200-400 сН,

Кроме величины контактного усилия важно обеспечить небольшой перепад усилия в диапазоне измерения. Обычно перепад усилия не превышает ±(20—30) сН на всем диапазоне измерения. Однако у приборов контроля в процессе обработки перепад усилия мало влияет на точность выдачи окончательной команды, которая настроена на один размер на нуль шкалы.  Большее влияние на погрешность измерения перепад усилия оказывает у подналадчиков, у которых управляющие команды расставлены на всей шкале.

При работе в условиях вибрации, при контроле прерывистой поверхности  и при малых контактных усилиях масса подвижных измерительных рычагов и кареток должна быть как можно меньше. Это достигается конструктивными мероприятиями и изготовлением рычагов и кареток из легких титановых сплавов, например,   ВТ-5 и ВТ-6. Для уменьшения массы   рычаги и каретки   выполняют полыми, трубчатыми или с выборками. На них стараются не крепить дополнительные элементы (преобразователи, магниты, провода и т.п.), увеличивающие массу рычагов и кареток.

 3.7   КОМПОНОВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ОСНАСТКИ

Наиболее простая и часто применяемая компоновка устройства для измерения диаметров и ширины представляет собой две шарнирно установленные каретки  или два рычага, контактирующие с измеряемой деталью и несущие один преобразователь (см. рис. 2.9, б). При такой конструкции происходит механической суммирование результатов измерения каждой каретки (рычага). Недостаток такой компоновки  несколько увеличенная масса измерительных подвижных элементов и, следовательно, увеличенные контактные усилия. Поэтому такие конструкции применяют для контроля сравнительно небольших размеров и диаметров до 100 — 130 мм.

При контроле   деталей с прерывистой поверхностью и необходимости очень малых измерительных усилий и малых подвижных масс применяют компоновку скобы, состоящую из двух измерительных рычагов, каждый из которых связан с отдельным преобразователем (см. рис. 2,9 а),  или из двух измерительных головок с индивидуальными преобразователями. В этом случае в блоке управления суммируются электрические сигналы обоих преобразователей. Такая конструкция позволяет иметь легкие измерительные рычаги и малые контактные усилия.

При контроле  наружных и внутренних диаметров  более 130 мм  также   применяют две одноконтактные головки, собранные в скобу (см. рис.   5.10).

3.8   ГЕРМЕТИЗАЦИЯ

Измерительная оснастка  приборов активного контроля требует надежной защиты от попадания в нее охлаждающей жидкости и шлама, так как находится, как правило, в зоне обработки. Индуктивные измерительные устройства (скобы, головки)  монтируют в полностью закрытых герметичных корпусах, снабженных резиновыми уплотнениями. Для уплотнения мест выхода из корпуса измерительных рычагов применяют мягкие и эластичные подвижные резиновые чехлы толщиной 0,3—0,4 мм, не оказывающие существенного влияния на величину контактного усилия. Чехлы  снабжают гофрами для уменьшения влияния их жесткости  на измерительное усилие.  Уплотнения штампуют из мягкой резины, например, марки HO-68-1 или 3826С, устойчивой к воздействию мaслa, керосина и агрессивных охлаждающих жидкостей. Обычная степень защиты измерительной оснастки приборов активного контроля IP68.

Следует иметь в виду, что резиновые уплотнения являются уязвимым местом измерительной оснастки. При интенсивной эксплуатации приборов на подшипниковых и автомобильных заводах резиновые уплотнения выходят из строя через 3–4 месяца и их приходится заменять.

        3.9  НАСТРОЕЧНЫЕ  ЭЛЕМЕНТЫ

Для правильной, точной и удобной настройки на размер приборы снабжают  настроечными элементами. Измерительная оснастка для круглошлифовальных станков имеет, как правило, два настроечных механизма для грубой и точной настройки. Механизм грубой настройки служит для предварительной настройки на размер в сравнительно больших пределах (до 50—80 мм). Обычно грубую настройку производят перемещением или перестановкой измерительных губок или контактных наконечников с последующим надежным фиксированием их, например, клеммным зажимом (см. рис. 4.9). В измерительной оснастке, состоящей из двух одноконтактных головок, грубую настройку на размер осуществляют перемещением или поворотом головок. При контроле отверстий грубую и тонкую  настройку совмещают в одном механизме поворота головки (см. рис. 6.7).

Тонкую настройку осуществляют с помощью специальных регулировочных винтов, как правило, с мелкой резьбой с шагом 0,5 мм или перемещением преобразователя. Для плавного перемещения настроечных элементов (винтов)   применяют выборку зазора в резьбе с помощью серьги и сильной пружины (рис. 3,2). Такая конструкция позволяет не фиксировать жестко винт после поворота. При этом его положение сохраняется неизменном. Порог чувствительности механизмов тонкой настройки менее 0,5 мкм.В тех случаях, когда для размещения фиксирующих элементов мало места, например, в индуктивных контактных пробках для контроля диаметров малых отверстий, используют разрезную державку (рис. 3.3). После нарезания резьбы концы рычага немного сжимают, уменьшая диаметр резьбового отверстия, и заворачивают в него наконечник. Такую конструкцию применяют для небольших резьбовых наконечников диаметром МЗ, М4.

Иногда в гайку настроечного винта закладывают нейлоновое колечко, которое создает дополнительное трение и позволяет  не контрить винт после настройки.

Кроме настроечных элементов измерительной оснастки в блоке управления также имеются регулировочные элементы для настройки (смещения) нуля шкалы или цифровой индикации в диапазоне ±(100–150) мкм и настройки уровней срабатывания управляющих команд.

  3.10  ПОДВЕСКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ РЫЧАГОВ  И  КАРЕТОК

В качестве направляющих для подвески кинематических звеньев приборов, передающих измерительные перемещения, наибольшее распространение получили упругие шарнирные элементы. Широкое использование этих элементов в измерительной оснастке, работающей на станке в условиях загрязнений и повышенной влажности, объясняется их надежностью, отсутствием внешнего трения, люфтов и износа. Такими достоинствами обладает конструкция подвески измерительных звеньев на плоской пружинной ленте или упругом шарнире и виде участка суженного сечения в цельной металлической пластине.

Рис. 3.4  Плоскопружинный параллелограмм:  Z – свободная длина пружины; А – расстояние между пружинами; S – свободная длина пружины с накладкой; yр – предельно допустимое перемещение;   P – сила, приложенная к перемещаемому звену.

Упругие направляющие поступательного движения измерительной каретки выполняют в виде параллелограмма из двух или более параллельных в ненагруженном состоянии плоских пружин без накладок (рис. 3.4, а–в) или с накладками (рис. 3.4, г). Пружины разных ветвей подвески имеют одинаковую длину и толщину. Длины всех накладок t также одинаковы.

Рис. 3.5. Конструктивное исполнение четырехзвенного  параллелограмм из цельной толстолистовой стали:  а – при толщине до 10 мм; б — при толщине более 10 мм

Конструктивной разновидностью плосколружинного параллелограмма с накладками является четырехзвенный параллелограмм (рис. 3.5, а, б), изготовленный из цельной толстолистовой стали. Шарниры этих четырехзвенников выполнены в виде упругих перемычек малой толщины hо. Эффективный участок  рабочего профиля каждой перемычки на длине zэ заключен между цилиндрической поверхностью и торцовой плоскостью. Противолежащие звенья подвески имеют равную длину ℓ0. Толщина hо и радиус профиля r каждого шарнира одинаковы.

В качестве направляющих вращательного движения измерительного рычага  применяют несколько конструктивных разновидностей упругих шарниров из плоских пружин (рис. 3.6—3.8).Шарнир из одиночной плоской пружины (рис. 3.6) наиболее прост в изготовлении, однако область его применения ограничена приборами относительно низкой точности из-за малой устойчивости подлески рычага в нерабочих направлениях и неопределенности точки (центра) поворота.

Рис. 3.7. Центрально-симметричные плоские шарниры из двух плоскопружинных ветвей:   а – при α = 900;  б – при α ≠ 900              

Ось вращении крестового шарнира, обладающего центральной симметрией (рис. 3.7), более определенна и находится в точке О пересечения проекций ветвей подвески на середине свободных промежутков z пружины. Свободные промежутки z всех пружин одинаковые. Пружины должны быть изготовлены из одного материала и иметь одинаковую толщину h. При этом угол между ветвями α может_быть различным. Наибольшее распространение получил α = 90о. По направлению каждой из ветвей могут располагаться одна, две или более пружины одинаковой или различной ширины. Ширина пружины b измеряется по оси шарнира, проходящей через точку О.Рис. 3.8.  Крестовые шарниры из двух плоскопружинных ветвей с вынесенным центром:    а – при α = 900;  б – при α > 900 ;  в  – при α < 900       

Возможны конфигурации крестовых шарниров с вынесенным центром, состоящие из двух плоскопружинных ветвей (рис. 3.8, а—в). Этот шарнир характеризуют следующие ограничения: шарнир в проекции должен обладать симметрией относительно оси — длины свободных промежутков z всех пружин должны быть одинаковы; заделы на подвижном звене располагают на одинаковых расстояниях m от оси пересечения ветвей — точки О, являющейся осью вращения. Пружины изготовляют из одного материала одинаковой толщины h, Угол α между ветвями подвески может иметь различные значения, не обязательно 90°. По направлению каждой из ветвей могут располагаться одна, две и более пружин одинаковой или различной ширины.

Рис. 3.9. Т-образный шарнир из двух плоскопружинных ветвей

Тело подвижного звена (рычага) может располагаться различным образом по отношению к заделам пружины и точке О пересечения ветвей (рис. 3.8, б и в),

Широко распространен Т-образный шарнир, состоящий из двух плоскопружинных ветвей (рис. 3.9), сочетающий элементы шарнира на одиночной пружине и шарнира с вынесенным центром.

Рис. 3.10. Шарнир в форме пластины с выемкой

Заметный интерес проявляется к использованию шарнира в форме цельной пластины с выемкой, очерченной по дуге окружности. Расположенная напротив выемки сторона пластины плоская (рис. 3.10). Как и в случае шарнира на одиночной плоской пружине, поворот рычага при деформации перемычки принимается происходящим вокруг точки О, расположенной по середине перемычки. Конструкция этого шарнира (также как и Т-образного шарнира) позволяет приблизить ось поворота измерительного рычага к подвижному резиновому уплотнению, герметизирующему корпус, и благодаря этому уменьшить влияние переменной    жесткости уплотнения на колебание контактного усилии. Шарнир технологичен. Его характеризует уменьшенное количество стыков и зазоров между сопрягаемыми деталями, входящими в измерительную цепь. Подвеска на этом шарнире имеет большую устойчивость к изменению действующих на измерительный рычаг усилий в нерабочих направлениях.

В случаях, когда для измерительного рычага требуется обеспечить большие углы поворота, не допустимые для упругих направляющих, в качестве шарниров используют шариковые подшипники повышенной точности. Монтаж подшипниковых узлов в корпусе измерительной оснастки проводят с применением компенсаторов для уменьшения люфтов и биения оси рычага.

Основной задачей выбора конструктивных параметров подвески на упругих шарнирах являются обеспечение наилучшей подвижности измерительного звена в рабочем направлении и исключение смещения, поворотов и перекосов в нерабочих направлениях.

В случаях воздействия на подвеску пространственных нагрузок ее устойчивость достигается повышением жесткости в нерабочих направлениях с учетом следующих практических рекомендаций.

Для плоскопружинного параллелограмма без накладок (рис. 3.4, а) толщина пружины тоньше, чем h = 0,2 мм, не рекомендуется. Ширина пружин b = 15–25 мм. Расстояние между пружинами А должно быть не менее вылета z. Исходное (рабочее) положение параллелограмма без накладок обязательно должно совпадать со средним (не деформированным) положением плоских пружин.

Если жесткости подвески по отношению к нагрузкам в нерабочих направлениях придается большее значение, чем ее подвижности в рабочем направлении, то предпочтение следует отдать подвеске на широких пружинах с накладками (рис. 3.4, г). Толщина пружины для таких подвесок рекомендуется порядка 0,2—0,3 мм, свободный промежуток z должен составлять примерно 0,1S. Остальные параметры пружины принимаются такими же, как в предыдущем случае ( b = 15–25 мм, S = 30–60 мм, А > S).

Параметры прочности и жесткости плоскопружинных подвесок и шарниров, деформируемых в направлении рабочего перемещения, определяются расчетными зависимостями1.

Задачей расчета на прочность является определение наибольшего допустимого по условию прочности элементов упругой подвески линейного перемещения, укрепленного на подвеске звена механизма.

Если расчету подлежит допустимое линейное перемещение
некоторой точки звена (рычага), совершающего поворот вокруг оси
упругого шарнира, должно быть оговорено плечо ℓ, характеризующее
положение точки и направление расчетного перемещения относительно
оси.

Задачей расчета на жесткость является определение силовой жесткости элементов упругой подвески или шарнира в направлении рабочего, перемещения, т.е.

Cр = P / yр ,                                                                       (3.2)

где  Cр  — силовая жесткость,  Н/мм;  Р  —  сила, приложенная к линейно перемещаемому звену (в случае применения шарнира – сила, приложенная на заданном плече ℓ ), Н;  урлинейное перемещение в мм по линии приложения силы, вызванное силой Р, мм.

Материал элементов упругой подвески работает в основном на изгиб; критерием расчета их на прочность является допустимое напряжение изгиба [σи].

В большинстве реальных конструкций для подвески кинематических звеньев применяют плоские пружины, изготовленные из нагартованной стальной ленты ГОСТ 2283—79 (сталь 65Г) или близких к ней по составу и свойствам марок. ГОСТ устанавливает для такой ленты напряжение изгиба σи = 750 — 1200 МПа. С учетом указанных значений, выбирая коэффициент запаса не менее 1,5, в расчетах для пружин из стали 65Г принимают [σи] = 500 МПа.

Для расчета жесткости стальных подвесок и шарниров используют модуль упругости Е = 2 • 105 МПа.

Ниже приведены формулы для расчета силовой жесткости Cр упругих направляющих и предельно допустимого перемещении ур  укрепленного на этих направляющих кинематического звена.

Приняты следующие основные обозначения:

h — толщина пружины (пружин), мм;

ho — минимальная толщина упругой перемычки шарнира из цельной толстолистовой стали, мм;

bширина пружины, мм;

bΣ  = b1 + b2 +…+ bпсуммарная ширина всех пружин подвески (шарниров или упругих перемычек), мм

 zсвободная длина пружины, мм;

zА и zВ — свободная длина пружин А и В, мм (рис. 3.9};

  zэ — эффективная длина упругой перемычки шарнира из цельной толстолистовой стали, мм;

ℓ  — расчетное плечо рычага, мм;

Е — модуль упругости материала, МПа;

и]— допустимое напряжение изгиба, МПа.

Для плоскопружинного параллелограмма без накладок (рис.3.4, а-в)

Cр = Е· bΣ(h/z) 3 ,  Н/мм                                                           (3.3)

для стали при  Е = 2·105  МПа

Cр = 2·105· bΣ(h/z)3

       ур ≤(z2/3h) • (и] / E) , мм                                                     (3.4)

для стали при  и] = 500 МПа

     ур z2/1200h

Для плоскопружинного параллелограмма с накладками (рис. 3.4, г)

Cр= Е· bΣ(h/S)3 /1 – k13       при  k1= t/S                                    (3.5)

ур≤ S2 (1 – k13) [σи]  /3h • E , мм                                           (3.6)

Для стали

Cр= 2•105 bΣ(h/S)3 / 1 – kt3 ,         

ур≤(S2/1200h) · (1 – kt3)

при kt = 0,8

Cр = 4 · 105bΣ(h/S)3      

ур ≤ S2/2400h
Четырехзвенный параллелограмм из цельной листовой стали (рис. 3.5)

Cр = E · bΣ·ho3 / {(ℓ 0 + zэ) 3 – (ℓ 0 – zэ) 3},  где  zэ = 1,67 √ r ho;  (3.7)

ур≤{(ℓ0 + zэ )3 – (ℓ 0 – zэ)3 } ·[σи]  ∕ 3 ho(ℓ 0 + zэ) Е                    (3.8)

Для стали

Cр = 2•105  bΣho3 / {(ℓ 0 + zэ )3 – (ℓ 0 – zэ)3 }

ур ≤ {(ℓ 0 + zэ )3 – (ℓ 0 – zэ)3 }[σи]  ∕ 1200 ho(ℓ 0 + zэ)

Шарнир на одиночной плоской пружине (рис. 3.6)

Cр = E bh 3 / 12 ℓ2 z;                                                             (3.9)

ур ≤ 2 ℓz  и]  ∕  hЕ.                                                                 (3.10)

Для стали

Cр = 1,67 •104• bh 3 / ℓ2 z

ур ≤  ℓ z   ∕ 200h.

Центрально-симметричный крестовый шарнир из двух плоскопружинных ветвей (рис. 3.7)

Cр= E bΣh 3 / 12 ℓ2 z;                                                         (3.11)

ур ≤ 2 ℓ z  и]  ∕  hЕ.                                                             (3.12)

Для стали

Cр = 1,67 •104• bΣh 3 /  ℓ2 z

ур ≤  ℓ z   ∕ 200h.

Крестовый шарнир из двух плоскопружинных ветвей с вынесенным центром (рис. 3.8, а-в)

Cр = E bΣh3 • (1 + 12k2) ∕ 12 ℓ2 z;  где  k = n ∕z;  n = m ± z/2;   (3.13)

ур ≤ 2 ℓ z  и]  ∕  h (1 + 6k)•Е.                                             (3.14)

Для стали

Cр = 1,67 •104• bΣh3 (1 + 12k2)/  ℓ2 z

ур ≤  ℓ z   ∕ 200h (1 + 6k).

Т-образный шарнир из двух плоскопружинных ветвей А и В при hA  ≠ hB; bA bB; zA zB (рис. 3.9)

Cр = {E bAhA∕ 12 ℓ2 zA}•(1 + 12n2 / zA2 ) + E bВhВ3/12 ℓ2 zВ;        (3.15)

урА ≤ 2 ℓ zАи]  ∕  hA (1 + 6n/zА) Е                                     (3.16)

урВ ≤  2 ℓ zВи]  ∕  hВ Е                                                          (3.17)

ур ≤ урА ;     ур ≤ урВ

Для стали

Cр = 1,67 •104• bΣh3 (1 + 12n2/ zA2)/ ℓ2 zA  +  1,67 ·104 bВhВ3/ ℓ2 zВ

урА ≤  ℓ zА   ∕  200hA (1 + 6n/zА)

урВ ≤  ℓ zВ   ∕ 200 hВ.

Шарнир в форме пластины с выемкой (рис. 3.10)

   Cр = E bho3 / 12ℓ2 zэ ,  где  zэ = 1,67 √ r ho;                          (3.18)

  ур ≤ 2ℓ zэ  и]  ∕  hoЕ                                                                 (3.19)

Для стали

Cр = 104  bho3 / ℓ2 √ r ho;

 ур ≤ ℓ zэ   ∕ 400 ho

1 Расчеты выполнены во ВНИИизмерения канд. техн. наук  Драудиным-Крыленко А.Т.

3.11    БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

Блок управления прибора активного контроля обеспечивает питание преобразователей, расположенных в измерительной оснастке,  преобразование и суммирование их сигналов, индикацию результатов контроля на шкальном или цифровом индикаторе, запоминание результатов при контроле прерывистой поверхности, световую сигнализацию, выдачу в систему управления станка релейных  команд,  аналогового или кодового сигнала  и т.п.

Блоки снабжены шкалой и стрелкой, линейным светодиодным индикатором или цифровым дисплеем, регулировочными элементами для корректировки  нулевой настройки прибора и для настройки управляющих  команд,  переключателем режимов работ и др.

Традиционные аналоговые блоки управления для индуктивных приборов обычно имеют один стрелочный шкальный или линейный светодиодный  индикатор с автоматически  переключаемой ценой деления (например, 1 мкм и 10 мкм). Переключение цены деления шкал осуществляют автоматически по достижении входным сигналом установленного уровня.

Цена деления точных шкал составляет, как правило, 0,5;  1,0 или 2,0  мкм, Грубые шкалы имеют цену деления 5,0 или 10,0 мкм. В приборах для контроля в процессе шлифования с последовательной выдачей команд управления применяют несимметричные шкалы со смещенным нулем, а в подналадчиках — симметричные шкалы с нулем посередине. Диапазон показаний  точных шкал составляет Ot06 мм, грубых — 0,6—1,2 мм. Для точной настройки команд прибора желательно иметь линейные шкалы (нелинейность 1—2 % вполне удовлетворительна).  Блоки  управления могут выдавать от двух до пяти управляющих команд.      В настоящее время чисто аналоговые блоки практически не выпускают. Однако выпускают микропроцессорные блоки со шкальным индикатором.

Современные микропроцессорные блоки управления  снабжают цифровым и буквенным дисплеем и линейной шкалой (световой строкой). Выпускают также микропроцессорные блоки только с цифровым индикатором. Дискретность цифровой индикации составляет 0,1; 0,5 или 1,0 мкм. Диапазон показаний ±999,9 мкм.

Традиционные прибор активного контроля выдают в систему управления станка от 3х до 5ти команд . Приборы с меньшим числом  управляющих команд  применяют редко, в основном в подналадчиках, устройствах для осевой ориентации и индикаторах контакта.

Приборы активного контроля выпускают гаммами, охватывающими большинство случаев финишной обработки. Каждую гамму приборов снабжают блоком управления, выпускаемым в нескольких модификациях на унифицированной базе (преобразователи, корпуса, входные и выходные сигналы и т.п.).

   3.12   АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ШЛИФОВАНИЕМ

Целью автоматизации обработки на металлорежущих станках, в том числе с помощью  приборов активного контроля, преобразователей для координатных измерений перемещений рабочих органов станка и индикаторов контакта является повышение точности и производительности. На шлифовальных станках эта задача решается применением довольно сложных циклов (алгоритмов) управления. Ниже рассмотрены основные системы управления шлифовальных станков, их алгоритмы и способы оптимизации управления.

Традиционные системы управления. Рабочие циклы (алгоритмы) шлифовальных станков традиционно строились как параметрические программы изменения скорости vc перемещения шлифовальной бабки (скорости подачи) в зависимости от текущего припуска S обрабатываемой детали vc = f(S) в сочетании с этапами быстрого подвода шлифовального круга,  врезания и выхаживания (шлифование без подачи).

Наибольшее распространение получили следующие циклы:

— быстрый подвод шлифовального круга;

— врезание;

— черновое шлифование v1 = const (1-я команда прибора);

— чистовое шлифование v2 = const (2-я команда);

— доводочная подача или выхаживание (3-я команда);

— отвод круга (4-я команда – окончательная).Рис. 3.11. Цикл шлифовании с прибором активного контроля  (линия 0–1–2–3 — трехступенчатый нормальный рабочий цикл;  линия О–А–В–С–Д  —  цикл с контролем скорости съема припуска – участок  А–В)

Такие циклы обработки (рис. 3.11) применяют главным образом на круглошлифовальных полуавтоматах. Правку шлифовального круга проводят перед началом обработки каждой детали или после обработки  несколько деталей.овании применяют шлифовальные круги значительно меньшего диаметра, которые быстро изнашиваются, поэтому используют  более сложный алгоритм шлифования  с правкой шлифовального круга после каждой детали или в середине цикла обработки.

Реализацию алгоритмов управления обработкой осуществляют с помощью прибора, который выдает в систему управления  станка  релейные команды (3–5 команд). Функциональная схема системы управления по припуску показана на рис. 3.12.Рис. 3.12. Функциональная схема системы автоматического управления по припуску  vс = f(S):  ЗУ — задающее устройство (выходной команды);  ЭП — электропривод; МПП — механизм поперечник подачи;  СПИД — станок — приспособление — инструмент — деталь;  ПАК — прибор активного контроля                        Рис.2.13

Для повышения производительности шлифования необходимо увеличивать скорости подачи и уменьшать число этапов цикла. Для повышения точности  обработки следует уменьшать скорости подачи и увеличивать число этапов шлифования. Для решения этих противоречивых задач применяют более сложные алгоритмы обработки и системы управлении.

Усовершенствованные традиционные системы управления.  В традиционных алгоритмах управления по припуску типа vc = f(S) параметры процесса: скорости черновой и чистовой подач  vс1 и vс2,  припуски S1, S2 и S3 этапов шлифования и уровни срабатывания выходных команд прибора — остаются неизменными. Условия же процесса шлифования (припуски заготовок, режущая способность круга) меняются. Поэтому много предложений усовершенствования алгоритма vc = f(S) путем перестройки параметров рабочего цикла изменением заданных значений скоростей подач и  припусков S2 и S3. Известны различные  варианты перестройки цикла только с помощью  приборов активного контроля. В этих случаях приборы используют для получения дополнительной информации о процессе шлифования. С помощью приборов определяют:

припуск заготовки S;

действительную скорость съема припуска vc;

отклонение формы (овал) обрабатываемой детали;

время цикла шлифования или его этапов.

Получаемую информацию используют для изменения скоростей подач (главным образом, чистовой подачи), значений припуска (чистового или выхаживания) путем подачи прибором станку дополнительных управляющих команд. На рис, 3.13 показаны примеры усовершенствованных сложных алгоритмов  шлифования.Контроль врезания. При шлифовании  на обработку поступают заготовки с разным припуском. В начале цикла обработки шлифовальный круг  отводят  достаточно далеко от обрабатываемой детали, чтобы избежать его врезания в заготовку при быстром подводе, так как  врезание на большой скорости может привести к вырову детали из центров, к разрушению круга и как минимуму к нарушению геометрической формы обрабатываемой детали (к прижогам). Подвод круга к заготовке производят на большой скорости и, немного не доходя до предполагаемой поверхности  заготовки, уменьшают скорость, переходя  на черновую подачу. В результате часть пути до контакта с заготовкой круг проходит на сравнительно небольшой скорости («шлифование воздуха»). Это приводит к потере производительности обработки.

 Чтобы повысить производительность на современных станках устанавливают специальные  датчики касания.    Датчик состоит из микрофона (или двух) и пьезоэлектрического преобразователя и закрепляется  на кожухе шлифовального круга, на шлифовальной бабке или другом узле станка, который в наибольшей степени меняет свои колебания при касании кругом детали. Датчик работает в диапазоне частот 60—230 кГц.  В начале цикла обработки датчик измеряет и запоминает все фоновые частоты, возникающие от вращающихся узлов станка (подшипники, электромоторы и т.п.). При приближении шлифовального круга к заготовке и касании ее частота вибраций узла станка, на котором установлен датчик,  резко изменяется и датчик касания выдает команду в систему управления  станка на переключение скорости с быстрого подвода на черновую подачу.

Дошлифовка.  При традиционном ступенчатом цикле обработки с выхаживанием  иногда возникает ситуация, когда процесс шлифования (съем припуска) прекращается раньше, чем обрабатываемая деталь достигла заданного размера (окончательная команда не выдается). Причина такого состояния в том, что на обработку попала заготовка с припуском, меньшим, чем у остальной партии деталей, по которым был настроен технологический процесс. В этом случае натяга, возникшего на черновом этапе шлифования в системе деталь—шлифовальный круг, оказалось недостаточно для выхаживания (шлифования без подачи). Для исключения такой ситуации прибор активного контроля снабжают устройством, измеряющим скорость съема припуска.  Если в конце цикла обработки  скорость съема припуска близка к  нулевому значению в течение нескольких секунд, прибор выдает в систему управления станка дополнительную команду. По этой команде станок включает доводочную подачу для дошлифовки детали. 

Системы адаптивного управления. Существенное повышение точности и производительности обработки обеспечивают адаптивные системы управления.

Адаптивная система управления либо стабилизирует параметры обработки (мощность, силу резания, скорость съема припуска и др.), либо обеспечивает изменение этих параметров по заданному закону. Адаптивная система управления шлифованием обычно состоит из основной системы автоматического регулирования с замкнутой обратной связью (например, по мощности шлифования, силе резания или скорости съема припуска) и контура поднастройки основной системы по возмущающим воздействиям.

Приборы, осуществляющие адаптивное управление в течение

всего цикла шлифования, не получили распространения. Однако, выпускают приборы с элементами адаптивного управления на отдельных этапах цикла   шлифования.   Так, выпускают    приборы,   которые    кроме размера контролируют скорость съема припуска, овальность обрабатываемой детали, припуск заготовки и выдают дополнительные  команды в систему управления  станка для оптимизации цикла шлифования.

Фирмой «РОБОКОН» разработан ряд  приборов для адаптивного  управления шлифовальными станками. В приборах используется информация о текущем размере детали, мощности резания, скорости съема припуска, постоянной времени процесса резания.

Примером может служить микропроцессорное устройство мод, ПКМ1 для адаптивного управления круглошлифовальными и внутришлифовальными автоматами [8].На рис. 3.14. показана структурная схема устройства, а на рис. 3.15 — цикл обработки по алгоритму, реализуемому с его помощью. Цикл состоит из этапов чернового (1– 4) и чистового (4—7) шлифования. Этап чернового шлифования включает в себя врезание на предварительной черновой подаче (1 — 2), врезание на первой черновой подаче (2—3) и шлифование со стабилизацией мощности резания (3—4). Этап чистового шлифования состоит из предварительного выхаживания (4—5), шлифования со стабилизацией мощности резания (5–6) и окончательного выхаживания (6—7).

                                                Рис. 3.15. Алгоритм обработки

Управляющие команды (1Р—6Р) формируются по результатам контроля мощности резания, а команды 2D — 4D — по контролю оставшегося на обработку припуска. Команда D формируется по результатам контроля формы обрабатываемой поверхности в поперечном сечении, команда Т — по контролю постоянной времени процесса резания, а команда V—по контролю скорости съема припуска. Кроме этого, при поступлении на обработку
заготовки с припуском, превышающим допустимый, формируется
команда 1D на отбраковку этой заготовки.

В начале цикла обработки запоминается мощность Рхх холостого хода. После ускоренного подвода шлифовального круга к детали мощность Рхл повторно запоминается и компенсируется. При полной компенсации срабатывает команда P0, включающая форсированную подачу. Сравнение величин мощности Pхх позволяет получить информацию о преждевременном врезании шлифовального круга в заготовку при ускоренном подводе в случае неправильной настройки станка или завышенным припуском заготовки.

В рассматриваемом алгоритме предусмотрены два критерия окончания шлифования на предварительной черновой подаче и формирования управляющих команд 3P и 1Ф на включение первой черновой подачи. При использовании первого критерия окончание шлифования на предварительной подаче осуществляется при увеличении ширины шлифования (уменьшения исходной погрешности формы детали в продольном сечении) до заданного значения, которому соответствует уровень срабатывания команды 3Р. При использовании второго критерия дополнительным условием окончания предварительного шлифовании является уменьшение исходной погрешности формы детали в поперечном сечении до заданного значения (команда 1Ф), определяемого по амплитуде колебаний мощности резания. Если исходные погрешности формы заготовки не являются лимитирующим фактором предельной нагрузки на шлифовальный круг, то этап 1—2 может быть исключен из цикла обработки. В этом случае первая черновая подача включается в начальный момент врезания шлифовального круга в заготовку по команде 2Р.  При увеличении мощности до уровня срабатывания команды включается вторая черновая подача, меньшая по величине, чем первая подача.       Дальнейшее шлифование выполняется в режиме стабилизации мощности (участок 3 — 4 на рис. 3.15) при последовательном переключении первой и второй черновых подач. Если при шлифовании величина перерегулирования мощности ∆Р  превысит заданное значение, срабатывает команда 5Р на аварийную остановку станка.

При снятии чернового припуска формируется команда 2Ф на отключение черновых подач, дальнейшее шлифование проводится в режиме выхаживания (участок 4 — 5). При этом измеряется величина постоянной времени Т процесса резания. Ее определяют как время, прошедшее между срабатыванием команды 2D и моментом, когда P(t) = 0,37 Рнач,  где Рнач  — значение мощности (в памяти) при срабатывании команды 2D.

Если измеренная величина Т окажется больше заданного значения, то формируется команда М на правку шлифовального круга.

При уменьшении мощности в процессе выхаживания до уровня срабатывания команды 6P осуществляется стабилизация мощности (участок 5 — 6) последовательным включением и отключением чистовой подачи по команде 6Р. При уменьшении припуска до значения, соответствующего уровню срабатывания команды 3D, чистовая подача отключается и проводится окончательное выхаживание (участок 6—7). Обработка оканчивается по команде 4D,

Сочетание в приборе размерного контроля в процессе обработки с контролем силового параметра обеспечивает наибольшую эффективность управления процессом резания в течение всего цикла обработки благодаря:

— сокращению времени “шлифования воздуха” и управлению начальным этапом врезания шлифовального круга в заготовку с учетом погрешности формы обрабатываемой поверхности;

— стабилизации силового параметра на черновом и чистовом этапах обработки;

— диагностике режущей способности шлифовального круга и определению момента правки;

— более рациональному распределению припуска между отдельными этапами цикла.

Хотя описанный алгоритм управления проверен на практике и показывает хорошие результаты, обычно его не применяют в полном объеме, а используют отдельные операции, наиболее подходящие для конкретного технологического процесса.  Описанный алгоритм показывает также большие возможности приборов активного контроля в оптимизации процесса шлифования.

Системы управления на станках с ЧПУ. В настоящее время металлообрабатывающие станки с ЧПУ нашли широкое применение, причем не только при изготовлении сложных многоступенчатых деталей, но и в массовом производстве простых деталей, например, колец подшипников. Можно сказать, что большинство современных станков, в том числе шлифовальных, оснащают системами ЧПУ. В простейших случаях станки оснащают однокоординатными системами ЧПУ, только для управления подачей шлифовального круга. Современные станки снабжены  регулируемыми электроприводами переменного тока,   безлюфтовыми  механизмами подач, точными устройствами для отсчета перемещений узлов станка (например, круговыми или линейными фотоэлектрическими растровыми преобразователями) и микропроцессорными приборами активного контроля. На современных станках с ЧПУ можно обеспечить точные микронные и долемикронные перемещения шлифовального круга с заданной скоростью,  оптимизировать цикл обработки, применять многоступенчатые циклы и адаптивное управление.

Микропроцессорные приборы активного контроля выдают в систему ЧПУ не только дискретные управляющие команды, но  и нормированный аналоговый или кодовый сигнал, соответствующий, например, размеру заготовки или текущему размеру обрабатываемой детали. Такие приборы выдают станку больше информации, чем традиционные аналоговые блоки управления. Они могут выдавать информацию о начальном и текущем припуске обрабатываемой детали, о скорости съема припуска, об отклонении формы (овальности) контролируемого сечения, о конусности детали и т.п. Это позволяет выбрать оптимальный цикл обработки для получения заданной точности и наивысшей производительности. Получение непрерывной информации о текущем размере обрабатываемой детали позволяет проводить бесступенчатое управление циклом шлифования, исправлять форму обрабатываемой детали и т.п.

3.13  ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБОРУДОВАНИЮ                            

Основная задача использования средств активного контроля  –повышение размерной точности обработанных деталей за счет устранения влияния  износа режущего инструмента, тепловых,  силовых деформаций технологической системы, деформаций обрабатываемой детали (отжим, изгиб) и т.п. Однако необходимо иметь в виду, что не все погрешности могут быть устранены  применением активного контроля. Отклонения  геометрической формы обрабатываемых деталей, вызванные несовершенством отдельных узлов станка или  не отлаженным технологическим процессом, нагреванием обработанной детали и т.п. не компенсируются средствами активного контроля. Поэтому применения даже самых точных приборов не гарантирует получения размерной точности изделий, если какой-либо из элементов системы станок—приспособление—инструмент—деталь (СПИД) не отвечает  техническим требованиям. Для получения высокой точности обработки необходимо обеспечить определенные условия работы системы СПИД.

               Требования, предъявляемые к заготовкам

     Базовые поверхности. Недостаточно высокое качество выполнения базовых поверхностей может быть причиной не только искажения геометрической формы обрабатываемых деталей, но и причиной возникновения погрешности контроля в процессе обработки.

Большое значение это имеет при обработке на центровых круглошлифовальных станках. Отклонение от правильной геометрической формы центровых отверстий детали приводит к смещению обрабатываемой заготовки относительно центров станка под воздействием сил резания. В этих случаях решающее значение имеют правильность геометрической формы рабочей поверхности центровых отверстий детали, ширина рабочей части отверстий, твердость рабочих кромок центровых отверстий и шероховатость их поверхности.

На прецизионных шлифовальных станках при обработке ответственных деталей вводят специальную предварительную операцию по доводке рабочей части центрового отверстия. Длина поверхности центровых отверстий, соприкасающаяся с центрами станка, определяется размерами и весом  обрабатываемой детали. Чрезмерная длина этой поверхности ухудшает точность базирования детали в центрах станка.

Твердость рабочих кромок центровых отверстий детали должна быть достаточно высокой. Это исключает искажение их правильной геометрической формы и предохраняет от образования задиров в процессе обработки. Необходимо свести к минимуму возможность попадания твердых частиц, абразива, окалины и шлама в центровые отверстия. Перед началом обработки центровые отверстия детали и центры станка должны быть протерты и смазаны.

При обработке деталей на плоско- и  внутришлифовальных станках, а также при обработке наружных диаметров деталей типа колец и полых цилиндров  следует подвергать тщательному контролю их базовые и установочные поверхности.   Недостаточное качество обработки этих поверхностей, а также отклонение базовой поверхности от правильной геометрической формы могут служить причиной возникновения  погрешности обработки и контроля.

Высокие требования к базовым поверхностям предъявляют при обработке внутренних диаметров колец подшипников на «башмаках». В этих случаях кольцо устанавливают наружным диаметром на твердосплавную призму (башмаки) и приводят во вращение магнитным патроном. В процессе обработки дефекты формы (овал, огранка, волнистость), имеющиеся на  наружной  поверхности детали, копируются на внутренней поверхности, что вызывает искажение ее формы и приводит к повышенному рассеиванию размеров.

     Форма заготовки. В некоторых случаях, например на нежестких станках, овальность и конусность заготовки, а также другие отклонения от правильной геометрической формы, возникшие на предыдущих операциях, могут не устраняться в процессе окончательного финишного  шлифования или хонингования. Кроме того, при контроле деталей с неправильной геометрической формой, отличной от той, при которой настраивали измерительный прибор, могут появиться дополнительные динамические погрешности контроля.

Погрешности геометрической формы окончательно обработан-
ной детали, возникающие из-за нарушений геометрической формы
заготовки, могут быть уменьшены путем ужесточения допуска на
форму на предыдущих операциях, а также при использовании бо-
лее жестких станков и выбором  оптимальных режимов обработки.        Контроль длинных и нежестких деталей имеет ряд специфических особенностей. Большинство выпускаемых приборов активного контроля позволяют осуществлять измерение обрабатываемых деталей в одном сечении. Постоянство размера по всей длине детали обеспечивают точным выставлением стола станка, установкой люнета и выбором соответствующего цикла обработки. При контроле нежестких валов одноконтактными и двухконтактными измерительными устройствами непостоянный отжим детали под действием силы резания может привести к значительным случайным погрешностям, которые увеличиваются по мере износа измерительных наконечников. Непостоянный отжим детали возможен также при неправильной регулировке упоров люнетов. Для контроля подобных нежестких деталей целесообразно в некоторых случаях применять  «наездники», которые сами ориентируются  по обрабатываемой детали.

 Припуск на обработку. Большой разброс величины припуска на обработку может явиться причиной возникновения погрешности обработки. Разность в величине снимаемого слоя металла приводит к различному теплообразованию и соответственно к различным тепловым деформациям обрабатываемой детали. Так, деталь с большим припуском, шлифуемая с форсированными режимами на круглошлифовальном станке, оснащенном прибором активного контроля, после охлаждения будет иметь меньший размер, чем деталь с меньшим припуском. Кроме того, при обработке деталей с разным припуском окончание шлифования будет происходить при разных скоростях или вообще при нулевой скорости съема,  что может вызвать дополнительную динамическую  погрешность обработки В условиях прецизионного производства с целью поддержания постоянного начального припуска проводят предварительное шлифование деталей..

     Поверхностная твердость заготовки. Значительные отклонения в твердости заготовок приводят к различному теплообразованиюв деталях в процессе шлифования, особенно в процессе форсированного режима шлифования, и соответственно к появлению температурной погрешности. При этом необходимо учитывать, что обработка деталей с повышенной твердостью сопровождается интенсивным износом шлифовального круга и ухудшением его режущих свойств. При работе с таким кругом возникают дополнительные силовые и тепловые деформации обрабатываемой детали, которые могут явиться причиной возникновения погрешности обработки и контроля.

     Детали, поступающие на  шлифовальный станок после термообработки, имеют поверхностный слой, покрытый окалиной. При контакте с этим слоем происходит повышенный износ измерительных наконечников прибора. Необходимо строить цикл шлифования таким образом, чтобы  измерительные наконечники входили в контакт с деталью только после снятия слоя металла с окалиной, когда контролируемая поверхность уже не  имеет резко выраженных дефектов (сколов, заусенец и т.п.).

Следует также учитывать, что при обработке деталей повышенной твердости происходит быстрый износ измерительных наконечников прибора, вызывающий погрешность обработки. В этом случае вместо твердосплавных наконечников следует применять алмазные наконечники.

Требования, предъявляемые  к станку.

     Крепление обрабатываемых деталей на станке. Наиболее распространенным способом базирования  и крепления деталей на круглошлифовальных станках для наружного шлифования является установка их в центрах.  От того, насколько правильно центры станка осуществляют базирование детали, во многом зависит  геометрическая форма изделия и точность обработки. Центры не должны иметь сбитых кромок, изношенных рабочих поверхностей. При точной обработке погрешность формы центров не должна превышать 1—2 мкм. Посадка центров в посадочных гнездах должна быть плотной, зазор в подвижной пиноли должен быть минимальным.

Несовпадение осей центров передней и задней бабок в горизонтальной плоскости и непараллельность линии центров относительно перемещения стола вызывают конусность детали,  нарушения в вертикальной плоскости вызывают седлообразность  ее формы. Жесткость центров должна быть выше жесткости детали. Если жесткость центров меньше жесткости детали, может появиться седлообразность детали.

Величина осевого усилия, развиваемого центрами, должна быть оптимальной.  Большие усилия, возникающие в точках контакта центра с вращающейся деталью, могут привести в интенсивному теплообразованию и появлению температурной погрешности. При больших осевых усилиях интенсивно изнашиваются рабочие поверхности центров, искажается правильная геометрическая форма центровых отверстий.

При обработке длинных валов в люнетах шлифуемая шейка вала  опирается на нижнюю и боковую опоры люнета. Для устранения отжима детали под действием сил резания необходимо регулировать положение подвижных упоров люнета в процессе шлифования. Так как съем припуска происходит не только под действием поперечной подачи шлифовальной бабки, но и под действием усилий, развиваемых люнетом,   неправильнаярегулировка люнета может привести к нарушению геометрической формы  детали и к погрешности обработки.

На плоскошлифовальных станках деталь крепят, как правило, с помощью электромагнитных плит, от качества изготовления которых во многом зависит точность обработки. Рабочая поверхность плитыдолжна иметь хорошую плоскостность, без задиров и забоин. Ее поверхность должна быть параллельна направляющим стола. Следует периодически контролировать состояние поверхности плиты. Косвенным методом оценки состояния  плиты может служить разброс размеров деталей, обработанных в одной партии. Обработку производят на предварительно разогретом станке, несколько последних проходов выполняют в режиме выхаживания.

На внутришлифовальных станках детали, часто крепят в мембранных патронах различных конструкций. При этом не должно быть деформации деталей.

На внутришлифовальных автоматах большое распространение получил способ бесцентрового шлифования на башмаках. Это обеспечивает высокую жесткость системы станок—инструмент—деталь,  позволяет автоматизировать загрузку деталей, дает возможность получить достаточно высокую геометрическую точность обработанной детали. При этом способе обработки может происходить искажение геометрической формы детали из-за отрыва ее от поверхности башмаков или от магнитного патрона, из-за износа башмаков и появления надиров на их рабочей поверхности. Недопустим также останов детали в процессе обработки.

Деталь надежно базируется на башмаках, если она выставлена с необходимым эксцентриситетом по отношению к оси вращения магнитного патрона, осуществляющего привод изделия. При неправильной установке эксцентриситета возможен отрыв детали от башмаков и увеличенное рассеивание размеров обработанных деталей. Также необходимо, чтобы башмаки в процессе обработки омывались струей  СОЖ. При отсутствии СОЖ между деталью и башмаком возникает сухое трение, что может привести к остановке изделия и его отрыву от башмаков.

Базирующие поверхности магнитного патрона должны находиться в одной плоскости, различный вылет базирующих упоров вызывает биение обрабатываемого кольца и соответствующее увеличение погрешности измерения и обработки. Недопустим люфт магнитного патрона в осевом направлении. Осевой люфт может привести к погрешности измерения и обработки.

     Привод изделия. На круглошлифовальных станках при работе на врезание деталь совершает только вращательное движение. При работе на проход деталь помимо вращения совершает продольное перемещение относительно шлифовального круга. От механизмов, создающих эти движения, во многом зависит точность обработки.

     Привод детали должен обеспечивать постоянство скорости вращения при различных усилиях резания. Непостоянство скорости вра- щения приводит к неравномерному съему металла за один оборот детали, вследствие чего на обрабатываемой поверхности возможно появление овальности и других погрешностей формы.

Скорость вращения обрабатываемого изделия на круглошлифовальных станках выбирают из соображений оптимальной технологии, не допуская колебаний и вибраций детали (особенно при обработке неуравновешенных деталей).

Продольное перемещение детали или круга должно происходить без рывков и заеданий. В момент реверсирования не должно быть толчков. Износ направляющих также ведет  к отклонению от прямолинейности перемещения и к  возникновению погрешности обработки.

Обработка деталей с большими величинами продольной подачи приводит к отжиму детали, искажению ее правильной геометрической формы, возникновению тепловых и силовых деформаций. Детали, обработанные с интенсивной продольной подачей, приобретают бочкообразность, вследствие отжима детали в среднем сечении.

Для повышения качества обработки на современных полуавтоматах при шлифовании на проход предусматривают автоматическое  (по команде прибора активного контроля или системы ЧПУ)  уменьшение продольной подачи перед окончанием обработки.

На  шлифовальных станках вращение изделия осуществляют  регулируемыми приводами переменного тока, оснащенными  датчиками обратной связи по скорости вращения. Это обеспечивает высокую стабильность скорости вращения обрабатываемой детали и, как следствие,  хорошую форму обработанной поверхности.

На плоскошлифовальных станках после нескольких часов работы вследствие тепловых деформаций наблюдается обычно появление некоторой неплоскостности и непараллельности зеркала стола (магнитной плиты), что приводит к погрешности обработки и контроля. Уменьшить влияние указанных факторов позволяет предварительный разогрев станка, а также стабилизация температуры масла и охлаждающей жидкости.

Привод и механизм поперечной подачи. При работе в автоматическом цикле с прибором активного контроля существенным источником погрешности обработки может явиться ненормальная работа привода и механизма рабочих поперечных подач шлифовального круга. Подача должна осуществляться плавно и равномерно с заданной скоростью на каждом этапе цикла, без толчков в момент переключения на новый режим, с малыми микронными перемещениями в конце обработки. Стабильность работы привода и  механизма подач является решающим фактором прецизионного шлифования при работе в автоматическом режиме.

Привод механизма подач на современных шлифовальных станках осуществляется электродвигателями переменного тока с большим диапазоном регулирования до 1:100000. Электродвигатели снабжены   датчиками обратной связи по скорости вращения и перемещению, установленными на валу двигателя.

Механизм подач выполнен обычно в виде одноступенчатой безлюфтовой жесткой передачи, например, шарикового винта или червячной передачи.

Такие конструкции, управляемые от системы ЧПУ, обеспечивают точные микронные подачи шлифовального круга.

Смазывающе-охлаждающие жидкости (СОЖ). При правильном подборе СОЖ и абразивного инструмента может быть достигнута высокая производительность процесса шлифования при удовлетворении самых высоких требований к качеству обрабатываемой поверхности. Поток охлаждающей жидкости должен обеспечить при правильно настроенном цикле обработки максимальный отвод теплоты и минимальные тепловые деформации детали. Поток СОЖ должен поступать не только в зону резания, но и на всю поверхность детали. В процессе работы следует обращать  внимание на качество очистки СОЖ и постоянство ее температуры. Содержание твердых примесей в СОЖ ухудшает качество обработанной поверхности, а нагрев СОЖ приводит к возникновению тепловых деформаций элементов станка, прибора и обрабатываемых деталей.

     Шлифовальные круги. К абразивному инструменту, используемому на шлифовальных станках, предъявляются весьма высокие и разнообразные требования. От того, насколько правильно подобран шлифовальный круг, зависит качество обработки и экономическая эффективность процесса шлифования.

В период между правками в процессе шлифования происходят постепенное уменьшение размера шлифовального круга и изменение его режущей способности. На погрешность обработки при использовании приборов активного контроля во многих случаях  размерный износ круга не влияет. Однако изменение режущей способности круга за период его стойкости приводит к изменению сил резания, а следовательно, к появлению различных по величине силовых и тепловых деформаций системы СПИД. При этом увеличивается шероховатость обрабатываемой поверхности и меняется форма детали.

Недопустима работа с несбалансированным кругом. Балансировку круга производят при его установке и в случае необходимости в процессе эксплуатации.  Современные станки обычно оснащаются электронными устройствами для автоматической балансировки кругов.

3.14   СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ С ПРЕРЫВИСТОЙ 

                            ПОВЕРХНОСТЬЮ

К прерывистым поверхностям относят такие обрабатываемые поверхности деталей, при перемещении которых под контактными наконечниками приборов  автоматического контроля эти наконечники периодически находятся на контролируемой поверхности или сходят с нее. С этой точки зрения прерывистой поверхностью является не только поверхность шлицевого вала, но и гладкая цилиндрическая поверхность поршневого пальца, обрабатываемого на бесцентрово-шлифовальном станке и попадающего после обработки на измерительную позицию подналадчика. Если обработанные пальцы  перемещаются под контактными наконечниками непрерывно друг за другом (“столбом”), то контактный наконечник периодически то попадает на обработанную поверхность, то опускается на поверхность фасок, имеющихся на торцах пальцев. При круглом наружном, внутреннем и плоском шлифовании часто приходится контролировать детали, имеющие на поверхности разрывы, или детали, расположенные с разрывами по отношению друг к другу. В этих случаях контактные наконечники прибора периодически находятся на поверхности обрабатываемой детали и сходят с нее.На рис. 3.16, а–л показаны сечения валов и отверстий с прерывистой поверхностью, встречающиеся при наружном и внутреннем шлифовании: шпоночного и шлицевого вала, вала со смазочным отверстием, вала с тремя смазочными канавками, зубчатого колеса, развертки, фрезы, спирального сверла, метчика, овального поршня двигателя внутреннего сгорания, шпоночного и шлицевого отверстий.

При выборе или разработке  прибора активного контроля  необходимо знать некоторые характеристики прерывистой поверхности. Ее важной характеристикой является длина дуги (или пути) ℓ, на протяжении которой контактные наконечники не попадают в разрывы. Если выступы на поверхности детали расположены равномерно и число их четное (рис. 3.16, а, д—ж, к), то длину дуги  ℓ  для одно- и двухконтактного прибора определяют по формуле

ℓ = (D/2)·φ ,                                                                       (3.20)

где Dнаружный диаметр обрабатываемой поверхности, мм; φ — центральный угол непрерывного участка, рад.

Для определения временных и динамических характеристик прибора необходимо знать скорость V, мм/с  движения контролируемой  поверхности:

V  =  πDn /60,                                                                    (3.21)

где  n — число оборотов обрабатываемой детали в минуту.

Важнейшей   характеристикой   прибора   является   время  t, c,нахождения контактного наконечника на измеряемой поверхности:

t = ℓ / V                                                                                 (3.22)

или

t=30φ/πn .                                                                                 (3.23)

От значения t во многом зависят принципиальная схема и конструктивные особенности прибора.

Для характеристики обрабатываемой прерывистой поверхности, перемещающейся под контактным наконечником прибора с постоянной скоростью в одном направлении, используют отношение дуги ℓ  (или угла φ) к длине дуги разрыва m (или соответствующего угла ω), называемое коэффициентом прерывистости К

       К =ℓ /m = φ/ω                                                                           (3.24)

Иногда в качестве характеристики прерывистой поверхности используют частоту прохождения выступов и разрывов поверхности под контактными наконечниками. В табл. 3.1 приведены некоторые характеристики различных деталей  с   прерывистой   поверхностью.   Время  t  подсчитано   при  V = 15 м/мин = 250 мм/с

Таблица  3.1

Наименованиедетали Допуск, мм иликвалитетдопуска Коэфициентпрерывис-тости, К Времяизмере-ния, t, с Частота,Гц Ширинавыступа, ℓ, мм Числовыступов
Шпоночные валы        5-6    2,7-7,2   ≥0,1   4-8      —      1
Шлицевые прямобочные валы и отверстия 5-6 0,6-0,9 0,01-0,1 12-40 2,5-18 6-20
Шлицевые эвольвентные валы и отверстия 5-6 0,4-0,6 0,004-0,016 20-50 1-4 11-50
Метчики   0,03-0,12 0,35-0,7 0,01-0,02 10-15   1,8-5    3-4
Развертки 0,004-0,023  0,1-0,2 0,0015-0,01 16-36 0,4-3,0 6;8; 10
Концевые фрезы 0,12-0,34  0,1-0,2 0,005-0,01 8-20 1,2-2,4     3-6
Сверла 0,02-0,07 0,05-0,07 0,004-0,016  4-10     1-4       2
Шпоночные концевые фрезы   0,02-0,03 0,05-0,07 0,005-0,016  4-10      —       2

 

Измеряя детали с прерывистой поверхностью, в конструкцию прибора вводят специальные устройства, предохраняющие от поломки контактные наконечники при их западании в разрывы поверхности. Эти устройства также предупреждают выдачу ложных управляющих команд и уменьшают колебания выходного сигнала и стрелки блока управления.

Механические устройства. Самым простым устройством для контроля прерывистой поверхности при круглом шлифовании являются дугообразные наконечники, имеющие радиус Rн, близкий к радиусу Rд детали и перекрывающий разрывы поверхности (рис. 3.17).

Для спокойной и безударной работы дугообразного наконечника его ширина

а= (2–2,5)b,                                              (3.25)
где bширина паза, а его радиус

Rн>Rд                                                 (3.26)                                    


 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.17. Схема контроля с дугообразным наконечником Rн  > Rд

Причем   Rн  обычно   равен   радиусу   обрабатываемой   детали с припуском.

Разностью радиусов      Rн – Rд  объясняются малые периодические  колебания контактного наконечника:

∆h = h1 – h2 = (Rд – Rн) – {√Rд2 – b2/4 — √Rн2 – b2/4}  (3.27)                                                                                            

Исходя из соотношений (3.26) и (3.27),  дугообразные наконечники следует рекомендовать для контроля деталей с  bmax  ≤ 0,3d. Приборы

с дугообразными наконечниками могут обеспечить точность обработки порядка 15—20 мкм, поэтому в настоящее время такие приборы применяют редко.

При плоском шлифовании и в подналадчиках иногда применяют линейные наконечники, длина которых больше протяженности разрыва контролируемой поверхности.

Контролируя детали с одним шпоночным пазом при К ≥ 2,  в некоторых случаях можно вообще не применять никаких дополнительных мер, используя малое время прохождения разрыва под наконечником и присущую приборам инерционность. В других случаях для снижения колебаний выходного сигнала электронные блоки управления снабжают RС-цепочкой в выходных каскадах. Применение этого простого способа при правильном подборе RС-цепочки дает хорошие результаты. Возникающие дополнительные погрешности, связанные с увеличением инерционности приборов незначительны.

Гидравлические устройства. Большие трудности возникают при контроле деталей с малой протяженностью выступа (шлицевые валы, развертки), поверхность которых перемещается с большой скоростью ЗО-50 м/мин. В этих случаях применяют сложные комбинированные способы и специальные механические и электронные устройства.

При контроле размеров деталей с прерывистой поверхностью контактные наконечники совершают непрерывные колебания и испытывают ощутимые удары при перемещении по этой поверхности. В этих условиях механическая измерительная оснастка прибора должна правильно и без отставания передать контролируемый размер на измерительный преобразователь, а блок управления должен фиксировать поступающий сигнал, соответствующий размеру детали, за время прохождения выступа детали под контактным наконечником.

Траектория перемещения контактного наконечника по контролируемой прерывистой поверхности показана на рис. 3.18. Линия А—А соответствует нахождению контактного наконечники в разрыве поверхности вне контакта с ней. Линия А—Б соответствует подъему контактного наконечника на выступ контролируемой поверхности.Время t1 подъема наконечника на выступ зависит от скорости перемещения    поверхности,    радиуса наконечника,   формы  выступа и величины опускания наконечника в разрыв. Для  плавного подъема и исключения ударов наконечник выполняют с увеличенным радиусом до 6—15 мм. Время t1, как правило, невелико и составляет несколько миллисекунд. В результате удара наконечника о выступ часто происходит его отрыв от измеряемой поверхности (линия Б–В). При этом очень важно, чтобы после отрыва наконечник быстро успокоился (время t 2) и какое-то время t 3 находился в надежном контакте с измеряемой поверхностью (линия В–Г), определяющей размер обрабатываемой детали. И, наконец, участок линии Г–А соответствует опусканию наконечника в следующий разрыв поверхности. Время опускания t4 примерно соответствует  t1.

Конструкция измерительной оснастки, предназначенной для контроля прерывистой поверхности, должна обеспечивать прохождение наконечника по измеряемой поверхности без отрыва от нее. Желательно, чтобы безотрывный путь наконечника (время t 3) соответствовал протяженности выступа, а время t2 колебаний наконечника было бы как можно меньше.

Наиболее эффективным способом уменьшения времени t2 успокоения наконечника является снижение массы подвижных элементов (рычаги, каретки) измерительной оснастки и установка гидравлического демпфера. Уменьшение массы достигают рациональной конструкцией рычагов и кареток и изготовлением их из титановых сплавов (например, ВТ-5). Однако, имеются конструктивные ограничения для уменьшения подвижных масс. Поэтому более радикальным способом является  гидравлическое демпфирование подвижных элементов, которое  позволяет  исключить отрыв наконечника при встречающихся на практике скоростях перемещения обрабатываемой поверхности (от 10 до 60 м/мин).

В настоящее время имеется отработанная конструкция гидравлического демпфера, которая использовалась в отечественных и зарубежных приборах (рис. 3.19), В корпусе 2 расположен легкий алюминиевый

поршенек 1, который закреплен на тонком стержне 4, проходящем через резиновое уплотнение 3. Стержень 4 крепят к подвижному элементу (рычагу, каретке) измерительной оснастки с помощью планки 5. Демпфер заполняют силиконовой демпфирующей жидкостью через отверстия 7, которые закрывают планкой 8. Работоспособность демпфера обеспечивают правильной конструкцией и качественным изготовления  тонкого и мягкого резинового уплотнения, применением специального силиконового масла и заполнением демпфера маслом под вакуумом. Как видно из рис. 3.19, объем масла над поршнем несколько меньше, чем под ним. Поэтому для перемещения поршня необходима некоторая деформация резинового уплотнения, компенсирующая разность объемов при перемещении поршня. Рабочую часть резинового уплотнения 3 выполняют толщиной 0,25–0,35 мм. Уплотнение 3 имеет высокий буртик 6, позволяющий рабочей части легко прогибаться при ходе поршня. Уплотнение изготовляют из мягкой резины, например марки 3826С.

Демпфер заполняют специальной демпфирующей кремнийорганической жидкостью по ГОСТ 10887 — 75 с кинематической вязкостью 200 сст. Так как демпфер имеет малый объем, то важно, чтобы в нем совсем не было воздуха. Поэтому заполнение демпфера осуществляют под вакуумом.

Поглощающая способность демпфера должна быть такова, чтобы скорость перемещения контактного наконечника была равна скорости его подъема на выступ детали (подъем без отрыва). В то же время, скорость перемещения конца рычага с якорем преобразователя должна быть равна скорости наконечника, т.е. рычаг не должен изгибаться под действием усилия демпфера. Поглощающую способность демпфера можно регулировать изменением рабочего зазора между поршнем и цилиндром и вязкостью масла.

Наличие демпфера при небольшой массе измерительного рычага позволяет устанавливать небольшое контактное усилие 50—100 сН, что способствует повышению точности измерения.

Несмотря на высокую эффективность гидравлического демпфера, его применение имеет определенные недостатки. Демпфер сложен в изготовлении, а его заполнение маслом необходимо производить под вакуумом. Поэтому в настоящее время  применяют более простое конструктивное решение: заполнение маслом корпуса измерительной головки или скобы. В этом случае измерительную головку выполняют небольшого размера, а измерительный рычаг делают широким, чтобы увеличить его демпфирующую способность. Корпус головки заполняют демпфирующей кремнийорганической жидкостью с кинематической вязкостью 1500—2500 сст.

Для определения эффективности гидравлического демпфирования проводили испытания одноконтактных индуктивных измерительных устройств с  демпфером и с корпусом, заполненным маслом, на стенде с вращающейся оправкой с прерывистой поверхностью. Индуктивный преобразователь соединяли с блоком управления, а выходной аналоговый сигнал постоянного тока блока управления подавали на лучевой осциллограф. Качество демпфирования определяли по показаниям стрелки блока управления и “картинке” осциллографа. Испытания проводили на вращающейся оправке с одним выступом и на шлицевой оправке.

Испытания на вращающейся оправке с одним выступом и осциллографом давали полное представление о работе измерительной оснастки (на экране воспроизводилась картинка, показанная на рис. 3.18).

Испытания на шлицевой оправке с блоком управления позволяли оценить динамические погрешности прибора.

Испытания проводили при скорости вращения оправок 25-600 об/мин, окружной скорости 2—50 м/мин и контактном усилии 50 – 140  сН. Результаты испытаний показали, что при окружной скорости 3—14 м/мин отрыв контактного наконечника от контролируемой поверхности практически не наблюдается  t2 = 0. При скорости  14—32 м/мин  наблюдались небольшие  отрывы   (1—2  мкм)   контактного наконечника, который быстро успокаивался (t2 =0,01–O,02 с). При дальнейшем увеличении окружной скорости наблюдались значительные отрывы наконечников.

На рис. 3.20, а показан пример результатов испытаний индуктивного измерительного устройства с демпфером и блоком управления.   Как видно из приведенных графиков, при окружной скорости до 28  м/мин происходит небольшое (1—3 мкм) минусовое динамическое смещение уровня настройки, которое увеличивается с увеличением контактного усилия. Возникает так называемое передемпфирование.

На рис. 3.20, б  показан также пример результатов испытаний маслонаполненного устройства с блоком управления. Из графика видно, что до скорости 30—35 м/мин маслонаполненное устройство обеспечивает эффективный контроль прерывистой поверхности. Плюсовое динамическое смещение уровня настройки составляет 1—2 мкм. Происходит так называемое недодемпфироиание.

Сравнение устройств с автономным демпфером и заполненных маслом показывает, что демпфер более эффективен и может обеспечить работу измерительных устройств при разной массе подвижных измерительных рычагов  в большем интервале контактных усилий. Однако измерительные устройства, заполненные маслом, имеют меньшие габаритные размеры и более простую конструкцию. Кроме того, можно повысить эффективность успокоения измерительного рычага маслонаполненной головки с помощью дополнительного простейшего демпфера. Для этого конец рычага 3 снабжают кольцом 2, которое охватывает индуктивный преобразователь 1 с небольшим зазором (рис. 3.21). Перемещения конца рычага 3 приводят к прокачиванию небольшого объема масла 4 через зазор между кольцом 2 и преобразователем 1, создавая надежный демпфирующий эффект.

Электронные устройства. Для контроля деталей с прерывистой поверхностью кроме правильно сконструированной измерительной оснастки, обеспечивающей безотрывное перемещение наконечника по контролируемой поверхности, необходим электронный блок управления со специальной схемой, способной быстро определять размер выступа детали за время его прохождения под наконечниками и запоминать его на время прохождений впадины. Кроме описанной выше простейшей схемы запоминания на RС-цепочке, уменьшающей колебания выходного сигнала, применяют более сложные схемы с двумя последовательно и поочередно работающими запоминающими устройствами.  Такие устройства фиксируют и запоминают на заданное время пиковые значения выходного сигнала,  соответствующие текущему значению размера обрабатываемой поверхности.

На рис. 3.22, а показана структурная схема такого устройства, а на рис, 3.22, б — характеристики измерительного импульса на различных стадиях преобразования при контроле прерывистой поверхности. На вход В электронного блока с преобразователя А измерительного устройства поступает сигнал а, изменение амплитуды напряжения которого а = f(t) в процессе обработки показано на рис. 3.22, б. Изменение сигнала а почти полностью совпадает c траекторией движения наконечника при измерении детали.

Paзмep детали по обрабатываемым выступам остается постоянным в течение промежутка времени Δt1 одного цикла обработки, например, одного оборота шлицевого вала или  двойного  хода стола плоскошлифовального станка. Следовательно, за промежуток времени Δt1 останутся также постоянными величины наибольшего (пикового) уровня сигнала а. За следующий цикл обработки измеряемый размер уменьшится,  поэтому снизится величина пиковых значений сигнала a за рассматриваемый цикл по сравнению с предыдущим. Таким образом, пиковые значения сигнала а в процессе обработки будут занимать ряд последовательных уменьшающихся значений  а1,  а2, … а4 и т.д.

Для исключения колебаний стрелки отсчетного устройства и выдачи ложных команд в электронную схему прибора должны поступать сигналы, соответствующие только пиковым  значениям сигнала а. С этой целью на входе схемы установлено запоминающее устройство В (рис. 3.22, а). Во время измерения устройство В  запоминает  напряжение b1, соответствующее пиковому значению сигнала а за данный цикл измерения даже при попадании  контактного наконечника в разрывы обрабатываемой поверхности.

Однако, если в устройстве В будет сохраняться постоянное значение напряжения b1, то это не позволит электронной схеме прибора следить за изменением пиковых значений сигнала а в процессе обработки, т.е. за изменением измеряемого размера. Поэтому запоминающее устройство В  должно периодически разряжаться до уровня, меньшего, чем уровень пикового значения ожидаемого сигнала а. Затем оно должно вновь зарядиться до очередного значения пикового уровня сигнала a. Периодическая разрядка устройства Восуществляется с помощью устройства D. Устройство D  управляется от станка или от программного устройства блока управления с периодичностью включения Δt2. Период времени Δt2 должен быть достаточно большим для того, чтобы под наконечником прошел хотя бы один выступ обрабатываемой поверхности и пиковое значение сигнала а за этот период соответствовало бы размеру обрабатываемой поверхности. В то же время Δt2 не должно быть на много больше Δt1,так как это может привести к значительному отставанию показаний отсчетного устройства от изменения измеряемого размера и, следовательно, к увеличению погрешности измерения.

График b = φ(t) изменения величины сигнала b в процессе обработки детали показывает, что передавать такой сигнал на отсчетное устройство также нельзя во избежание получения ложных команд и колебаний стрелки. Поэтому в схему прибора введено второе запоминающее устройство С, работающее синхронно с устройством D, разряжающим  первое запоминающее устройство В. Запоминающее устройство C во время разрядки и соответствующего падения напряжения b на выходе запоминающего устройства В прерывает связь этого устройства с отсчетным устройством Е и поддерживает прежние показания  отсчетного устройства.

При разрядке устройства В  происходит  резкое понижение напряжения b  на его выходе.  Однако это понижение не сказывается на показаниях отсчетного устройства Е, так как  в памяти запоминающего устройства С поддерживается  прежнее значение напряжения с, являющееся выходным сигналом с и поступающее на отсчетное устройство Е.

При следующем цикле измерения устройство В заряжается до очередного пикового значения сигнала а, выходной сигнал b принимает значение, соответствующее этому сигналу. Выходной сигнал с вследствие этого также принимает значение, соответствующее пиковому значению сигнала а в этом цикле измерения. Отсчетное устройство Е при этом показывает значение измеряемого размера в этом цикле измерения. Переключение устройств памяти  постоянно повторяется с периодичностью Δt2.

График с = φ(t) изменения сигнала с в процессе обработки показан на рис. 3.22, б. Таким же образом изменяются и показания отсчетного устройства Е.

Достоинством рассматриваемого прибора является отсутствие необходимости синхронизации импульса, управляющего запоминающими устройствами, с положением и движением обрабатываемой поверхности детали, а также отсутствие ограничений в скорости движения и минимальной длине измеряемой поверхности. Единственное условие работы прибора состоит в том, чтобы хотя бы один раз за цикл измерения под наконечником прибора проходил участок обрабатываемой поверхности и наконечник не отрывался от нее.

Описанная система, разработанная  инженером В.И. Веретенниковым и примененная в блоке управления БВ—6230,  автоматически, без переналадки, обеспечивает контроль деталей с разной протяженностью и произвольным распределением впадин и выступов, движущихся с переменной скоростью в различных направлениях относительно контактных наконечников измерительного устройства. Схема блока воспринимает без искажений полезные сигналы длительностью не менее 10—12 мс.

В современных микропроцессорных блоках управления применяют специальные программные устройства для контроля прерывистой поверхности. которые оперируют не с амплитудами напряжений, а с кодами.  Из получаемой в форме кодов информации о размере прерывистой поверхности программное устройство  выбирает несколько значений кодов по заданному в программе признаку, например, одинаковых кодов, соответствующих размеру выступа (на линии В—Г траектории наконечника, показанной на рис. 3.18, за время t3). Информация, получаемая за время t1 подъема наконечника на выступ детали и время  t отрыва наконечника от контролируемой поверхности, игнорируется.  Выбранные  значения  усредняются и передаются в процессор блока. Усредненное значение соответствует размеру выступов обрабатываемой детали за цикл измерения и передается на цифровой индикатор. Программное устройство позволяет в процессе наладки   назначать значения времени t1 подъема наконечника на выступ детали, времени  t отрыва наконечника от контролируемой поверхности и времени t3 положения наконечника, соответствующее размеру детали. Это позволяет  перестраивать блок на контроль детали с разной прерывистой поверхностью при различных технологических процессах.

 3.15   УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИБОРОВ

Приборы активного контроля используют в металлообрабатывающих цехах машиностроительных предприятии. Окружающая температура в помещении может опускаться зимой до +10оС, а летом подыматься до +35°С. В соответствии с этими условиями приборы имеют климатическое исполнение УЧХ 4.2* по ГОСТ 15150 — 69. Приборы должны сохранять точность и работоспособность при указанных изменениях температуры в течение 4–8 ч. Небольшие смещения уровня настройки прибора устраняют его поднастройкой.

Влажность окружающего воздуха в цехе может меняться в широких пределах — от 30 до 80 %. Кроме того, в окружающем воздухе могут находиться капли масла и СОЖ, частички пыли, стружки и абразива. Поэтому степень защиты блока управления обычно соответствует IP54 по ГОСТ 14254–96. Измерительные устройства прибора (скобы, головки) и соединительные кабели, находящиеся в зоне обработки, интенсивно обливаются охлаждающей жидкостью. Поэтому скобы, головки и преобразователи  выполняют герметичными. Степень их защиты соответствует IP68.

Питание электрооборудования отечественных металлорежущих станков осуществляется переменным током напряжением 110 В и частотой 50 Гц, а зарубежных — 220 В и 60 Гц. Отечественные приборы выпускают с переключателем на два напряжения питания 110 В для работы на станке и 220 В для отладки и испытаний прибора в лаборатории при частоте 50 и 60 Гц.

         Условия эксплуатации приборов

Климатическое исполнение и категория размещения — УХЛ 4.2        ГОСТ 15150-69

 

Температура окружающей среды, оС     ……….     от +10 до + 35

Верхнее значение относительной влажности  воздуха

при температуре +25 оС                                                          75%

Атмосферное давление, кПа                                                86-106

Допускаемое изменение температуры окружающей

среды  в течение 4 часов, оС………………                               1,5

Напряжение питания от однофазной

промышленной сети переменного тока, В.……………..110±11; 220±22

Частота питающего напряжения, Гц…………..…………50±1 или 60±1

Вид обслуживания ……….                             …….. периодическое

3.16   ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ  ПРИБОРОВ

                            АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ

Экономический эффект от применения приборов достигается за счет повышения производительности и точности обработки, многостаночного обслуживания, исключения или снижения брака, снижения: потребности в контролерах. Экономический эффект рассчитывают по соответствующим методикам. В качестве исходных данных используют сведения о годовой программе обрабатываемых деталей, их стоимости, расходах на приобретение, установку и эксплуатацию  приборов, сведения о повышении производительности станка от внедрения этих средств, количестве брака до и после их внедрения и т.п.

Расчет экономической эффективности должен быть основан на общих положениях теории экономической эффективности капиталь-ных вложений и новой техники и отражать специфические особенности  приборов активного контроля.

При проведении экономических расчетов следует сравнивать результаты работы станка с устанавливаемым прибором с результатами работы станка без прибора или с заменяемым прибором. При сравнении следует соблюдать правило тождества эффекта, заключающееся в получении одинаковых полезных результатов по каждому варианту. В результате сравнения устанавливают наиболее экономичный вариант и определяют экономический эффект от внедрения прибора.

Годовой экономический эффект Егод от внедрения прибора опреде-ляется из выражения

Егод =  Э — Ен  ∆К,                                                                     (3.28)

где Э — суммарная экономия на текущих расходах, руб.;   Ен-

нормативный коэффициент экономической эффективности, составляющий Ен = 0,15; ∆К  — дополнительные капитальные вложения, руб. Годовой экономический эффект Егод определяет величину экономии и должен быть больше нуля.

Экономию текущих расходов устанавливают методом разности, т.е. определяют разность по каждой статье себестоимости. Суммарная экономия текущих расходов Э состоит из составляющих экономического эффекта и изменения расходов по эксплуатации прибора:

Э = Э1+ Э2 + Э3+ Э4 + Э5 + Эб + Э7 – 3,                            (3.29)

где Э1 — экономия на повышении точности обработки;  Э2 — экономия на уменьшении потерь от брака; Э3 — экономия на зарплате от снижения трудоемкости; Э4 — экономия на зарплате при переходе на многостаночное обслуживание; Э5 — экономия на эксплуатации высвобожденного оборудования; Э6 — экономия на эксплуатации высвобожденных площадей; Э7 — экономия  электроэнергии; 3 — затраты на эксплуатацию прибора.

Применение средств автоматического управления повышает качество изделий, их долговечность и надежность вследствие возрастания точности в партии обработанных деталей.

Возможные источники экономического эффекта при внедрении новыx приборов автоматического управления приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Источник экономического  эффекта Проявление эффекта Статья экономии
Автоматизация про-цесса обработки Сокращение числастанков, производ-ственных и бытовых  площадей.Сокращение станочников и наладчиков, понижение разрядастаночников Капитальныевложения, амортизация, затраты на обслуживание и ремонт.Заработная платастаночников иналадчиков
Уменьшение брака, повышение точности изделий Сокращение числастанков, производ-ственных и бытовыхплощадей.Уменьшение выбо-рочности контроляпосле обработкиСокращение штуч-ного времени припоследующей обра-

ботке изделий. По-

вышение точности

изделий.

Капитальные вложе-ния, амортизация,затраты на обслужи-вание и  ремонт.Заработная платаконтролеров, капи-тальные вложения,амортизация, затра-ты на обслуживаниеи ремонт.Заработная платастаночников и нала-дчиков. Годовые

эксплуатационные

издержки изготов-

ления изделий.

Расширение функциональных возможностей прибора Удобство в эксплу-атации. Использова-ние одного приборавместо двух. Капитальные вложе-ния, амортизация,затраты на обслуж-ивание и ремонт.Заработная платастаночников иналадчиков
Повышение надежности приборов Сокращение коли-чества ремонтов Стоимость ремонта
Повышение срокаслужбы прибора Сокращение числанеобходимых приборов
Повышение унифи-кации и технологич-ности приборов, уп-рощение конструк-ции, уменьшениеметаллоемкости,габаритных разме-ров, энергопотреб-ления. Уменьшения стоимости проектирования иизготовления приборов Капитальные вложе-ния, амортизация,затраты на обслу-живание и ремонт.

При выборе прибора и расчете экономической эффективности  важной, а иногда определяющей является цена прибора. В настоящее время   на рынке достаточно много предложений, которые можно условно разделить на три группы: отечественные приборы, приборы западных фирм и китайские приборы.  Цены на эти приборы различаются в 5-10 раз. Наиболее дорогие приборы западных фирм, например, фирмы Marposs, Heidenhain и др. Аналогичные отечественные приборы  НИИизмерения, ЧИЗа, РОБОКОНА, СКБ ИС и др. практически не уступают им по техническим характеристикам, хотя, конечно, уступают по дизайну и качеству изготовления. Кроме того, отечественные приборы более ремонтопригодны. Отечественные приборы в 2-3 раза дешевле приборов западных фирм. Очень осторожно следует покупать китайские приборы. Их долговечность может оказаться недостаточной.        

               3.17   НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ

Приборы активного контроля большей частью устанавливают на станках-автоматах и автоматических линиях, на которых нет оператора, работающего на каждом станке, есть только наладчики, обслуживающие группу станков. Поломка  прибора или ухудшение его точностных показателей приводит к выпуску бракованных деталей, которые могут быть замечены не сразу. Поднастройка прибора, а тем более его замена приводит к простою станка.     Работоспособность прибора определяется способностью выдавать в схему станка   управляющие команды для обеспечения автоматического цикла обработки и сохранять точностные характеристики в нормированных пределах.

Надежность прибора обусловлена не только длительной работоспособностью или безотказностью, но и его долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

В технической документации современных   приборов нормируют четыре указанных выше показателя надежности. Однако основными показателями являются безотказность и долговечность. Безотказность нормируется как средняя наработка на отказ в циклах срабатывания. Под циклом срабатывания понимают цикл контроля одной детали в процессе ее изготовления на станке. Например, может быть такой цикл: подвод измерительной оснастки в рабочее положение, разарретирование измерительных рычагов, контроль размера детали в процессе шлифования с выдачей в систему управления  станка всех  команд, арретирование измерительных рычагов и отвод измерительной оснастки в исходное положение. Под отказом понимают нарушение функционирования прибора или потерю точности, для восстановления которых требуется ремонт или замена отдельных деталей.

По нормам  технической документации средняя наработка на отказ составляет  400—500 тысяч циклов. В реальных условиях серийного  производства на подшипниковых и автомобильных заводах при 2–3х сменной работе и высокой производительности оборудования (600–1500 деталей в смену) наработка на отказ измерительной оснастки (головки, скобы) составляет 150–300 тысяч циклов, электронных блоков управления — 500—I000 тысяч циклов.

Основные причины выхода из строи измерительной оснастки — повреждения резиновых уплотнений, поломки плоскопружинных шарниров, на которых установлены измерительные рычаги, износ измерительных наконечников и т.п..

Долговечность приборов нормируется полным средним сроком службы. Обычно этот показатель устанавливают равным 6 годам. В последнее время  показатель долговечности увеличен до 9 — 11 лет. В реальных условиях массового производства измерительная оснастка полностью изнашивается через 5 лет. Блоки управления служат дольше — 6–8 лет.

Ремонтопригодность прибора определяют средним временем восстановления работоспособного состояния от 2 до 8 ч в зависимости от сложности прибора,

Сохраняемость прибора нормируется установленным сроком сохраняемости, который обычно принимают не менее 2 лет.