Фельдштейн Е.Э. Обработка деталей на станках с ЧПУ (2008). Диагностика металлорежущих станков и технологической оснастки
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
1 — источник света; 2 — датчик •отражает световые лучи. Принципиальная схема оптико-электрон ного устройства приведена на рис. 7.5. В таких устройствах ис пользуются фотодиоды, вырабатывающие сигналы в зависимости от ширины ленточки износа. Точность измерения ± 0,01 мм, диапазон измерения 0 ,1 ...0 ,8 мм. Отраженный луч света передается через те лекамеру на телеэкран или на приемное устройство ЭВМ. 226 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах Рис. 7.5. Оптико-электронный преобразователь для контроля износа режущего инструмента: 1 — катод; 2 — фотоусилитель; 3 — выходной сигнал; 4 — щель; 5 — увеличенное изображение площадки износа; 6 — полупрозрачное зеркало; 7 — источник света; 8 — объектив; 9 — площадка износа; 10 — режущий инструмент Значительно более высокой точностью измерения (до 1 мкм) и боль шими технологическими возможностями обладают лазерные устрой ства. Они позволяют не только обнаружить поломки инструмента (либо его полное отсутствие на станке), но и измерить геометрию ре жущей кромки (рис. 7.6). Лазерные устройства могут использоваться также для одновременного контроля нескольких инструментов (на пример, в многошпиндельных сверлильных головках). Разновидностью оптических устройств являются также телеви зионные камеры с устройствами распознавания образов. С их помо щью можно оценивать как износ, так и сколы режущих кромок. Контактные устройства. Такие устройства обеспечивают непо средственный контроль инструментов в процессе работы с помощью датчиков касания (рис. 7.7). Рис. 7.6. Технологические возможности лазерных устройств фирмы «Blum»: а — измерение вылета стержневых инструментов; б — измерение вылета и радиуса расточных резцов и головок; в — измерение геометрии режущей кромки; г — изме рение отклонений режущей кромки от прямолинейности; д — диагностирование поломок Рис. 7.7. Контактные датчики и зонды 7.3. Диагностика режуших инструментов и проиесса обработки 227 228 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах Головка, показанная на рис. 7.8, обеспечивает контроль инстру мента в разных угловых положениях измерительного наконечника. Положения, в которых «ожидается» контакт, рассчитывает микро процессор станка. Работа такого датчика аналогична работе устройств, используемых на автоматических линиях, где вращающийся наконеч ник замыкает электрическую цепь, что служит сигналом о целости инструмента. В схеме, приведенной рис. 7.9, при отведенном поло жении сверлильной головки ступица 1 с радиально расположенны ми гибкими пластинами 2 поворачивается, и, если инструмент цел, размыкаются контакты 3 ,4. При поломке сверла контакты замкнуты, реле 6 остается под током, и срабатывает выключатель 5 в цепи управления станком. Рис. 7.8. Датчик касания с пово- Рис. 7.9. Схема устройства контроля рачивающимся наконечником целости сверла по контакту с нако нечником Схема контроля целости сверла по касанию обрабатываемой дета ли приведена на рис. 7.10. Если сверло 2 производит резание, то меж ду его патроном 3 и обрабатываемым изделием 1 имеется замкнутая цепь, по которой проходит ток, вызванный термоэлектрическим эф фектом. Этот ток снимается скользящей угольной щеткой 4. По про водам 5 ток от щетки и изделия подводится к усилителю б, выходной сигнал А которого подается на вход логической схемы 7. К другому входу логической схемы подается постоянное напряжение от источ- 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 229 Рис. 7.10. Схема устройства для контроля целости сверла по касанию детали ника 9 через выключатель 8. Если сверло цело, то по проводам прохо дит ток и на оба входа логической схемы поступает напряжение. В этом случае она не вырабатывает выходного сигнала С. Если сверло поломалось, то на один из входов логической схемы не поступает сиг нал А и на ее выходе появляется сигнал С, который используется для сигнализации и останова станка. В настоящее время при контроле износа инструментов использу ются также измерительные зонды. Они могут генерировать преры вистые (импульсные) и постоянные сигналы о контакте. На рис. 7.11 приведена схема импульсного зонда с электроконтактным преоб разователем. В корпусе находятся три равноотстоящие призмы, Рис. 7,11. Схема импульсного зонда с электроконтактным преобразователем [6]: а — принципиальная схема; б — пример конструкции электроконтактов; 1 — корпус; 2 — пружина; 3 — рычаги; 4 — призмы; 5 — наконечник; 6 — изме ряемая деталь электрически изолированные от него. Измерительный наконечник соединен с тремя рычагами со сферическими концами. Под действи ем пружины рычаги входят в призмы и замыкают электрическую цепь. В момент контакта с измеряемым объектом наконечник изме няет положение, рычаг отклоняется и электрическая цепь разрыва ется (возникает импульс). По мере движения зонда генерируется система таких импульсов, что позволяет после обработки сигналов определить координаты точек контакта. Погрешность измерения координат при использовании электроконтактных преобразовате лей колеблется в пределах 0 ,3 5 ...1 ,0 мкм. Более высокой точностью обладают зонды с контактным пьезо электрическим преобразователем (рис. 7.12). В таком зонде три рав ноотстоящих пьезоэлектрических сенсора располагаются между верх ней и нижней частями подвижной конструкции, оканчивающейся измерительным наконечником. В момент контакта наконечника с измеряемой поверхностью происходит деформация пьезоэлемен тов и генерируется одиночный импульс. При дальнейшем движении наконечника генерируется так называемый подтверждающий сиг нал, что обеспечивает погрешность измерений не более 0,5 мкм. 230 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах Рис. 7.12. Схема импульсного зонда с контактным пьезоэлектрическим преобразователем [6]: 1 — призма; 2 — пружина; 3 — рычаг; 4 — верхняя часть подвижной конструкции; 5 — нижняя часть подвижной конструкции; 6 — наконечник; 7 — пьезоэлектри ческий сенсор 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки Примеры использования измерительных зондов для контроля инструментов на ГПМ показаны на рис. 7.13. Контактные устройства могут использоваться как для контроля положения вершины инструмента в начале его работы, так и для измерения сколов, выкрашивания и износа режущих лезвий в ходе работы. В последнем случае эффективность действия датчиков не слишком высока, поскольку контролируется в основном область вершины инструмента, а она не всегда характеризует потенциаль ный отказ инструмента. Индукционные устройства. Работа таких устройств основана на принципе взаимодействия сердечника и магнитной катушки; они до статочно дешевы и универсальны. В простейшем случае эти датчики используются для проверки наличия (есть либо нет) и подсчета инст рументов. Например, нарис..7.14 приведена схема контроля поломок сверл на автоматической линии. В кондукторной плите 3 установлены индукционные катушки 2 , которые в начале рабочего хода проверяют наличие комплекта сверл (поломка в ходе обработки предыдущей детали), а при выходе сверла 1 контролируют, не осталось ли оно в детали 4 (поломка). Пневматические устройства. В таких устройствах для контроля используются перепады давления в сети сжатого воздуха. Напри мер, в стенках кондукторной втулки 5 (рис. 7.15) друг против друга располагают каналы б и 7, к которым подводится сжатый воздух от Рис. 7.13. Использование измерительных зондов фирмы «Renishow» для контроля инструментов на ГПМ: а — токарном; б — фрезерно-расточном источника 1. В канале 7 давление устанавливается регулятором 2, а в канале 6 — регулятором 8; при этом в канале 6 давление выше, чем в канале 7. Если сверло 4 цело, то каналы 6 и 7 разобщены и дав ление в трубопроводе к каналу 7 недостаточно для срабатывания дат чика 3. При сломанном сверле каналы 6 и 7 сообщаются, давление в них выравнивается, давление в канале 7 повышается и срабатывает датчик. 232 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах б Рис. 7.14. Схема контроля поломок сверл на автоматической линии [2]: а — принцип действия; б — положение на станке Рис. 7.15. Схема устройства для контроля целости сверла с помощью сжатого воздуха 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 233 Устройства, основанные на контроле времени прохож дения ультразвуковых волн через твердое тело. Для контроля использует ся время прохождения расстояния от измерительной головки через но вый и изношенный инструменты до поверхности детали и обратно. При неизношенном инструменте (рис. 7 .1 6 , а) ультразвук прохо дит расстояние L\ за время хг . При образовании площадки износа (рис. 7.16, б) путь сокращается на AL = L t - L2, а время прохождения сигнала меньше на Ат = Ti - т2, что регистрируется электронной аппа ратурой и позволяет определять величину износа. Рис. 7.16. Схема контроля инструмента по времени прохождения ультразвуковых волн: 1 — резец; 2 — генератор ультразвуковых импульсов; 3 — деталь; 4 — передавае мый импульс; 5 — отраженный импульс (без износа); 6 — отраженный импульс (с износом) 7.3.3. Косвенные методы диагностики Косвенные методы диагностики режущих инструментов основа ны на контроле изменения сил резания, мощности, температуры и других физических характеристик процесса резания в результате износа или поломки инструмента. Рассмотрим некоторые из таких устройств. Устройства контроля времени работы инструмента. Принцип действия таких устройств достаточно прост. Перед началом очеред ного цикла обработки система управления сравнивает реальное время, отработанное инструментом, с постоянным значением, занесенным в память компьютера, и определяет, имеется ли запас стойкости для обработки еще одной детали. Если нет, то подается команда на заме ну инструмента новым, находящимся во вспомогательном магазине инструментов. Длительность работы инструмента, определяемая количеством обработанных деталей, также является до некоторой степени харак 234 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах теристикой его износа. О числе обработанных деталей информирует счетчик циклов работы оборудования. По этой информации, устанав ливающей период режущей или размерной стойкости, производят принудительную смену инструмента. Для уменьшения количества преждевременных выходов инструментов из строя период стойкости назначают с некоторым гарантийным запасом. При каждом рабочем цикле автоматической линии или станка со леноид, встроенный в счетчик, получает электрический импульс и через храповой механизм и систему зубчатых колес поворачивает стрелки, отсчитывающие количество циклов. После обработки уста новленного количества деталей, соответствующего периоду стойко сти, контакты счетчика, настроенные на определенное положение, замыкаются. Соответствующий участок автоматической линии останавливается, зажигается сигнальная лампа, указывающая, какие инструменты нужно заменить. После смены инструмента наладчик устанавливает стрелки счетчика в начальное положение. Обычно счетчик настраи вают так, чтобы предварительный сигнал подавался после обработки примерно 90 % общего количества деталей, определяющего период стойкости инструмента. Устройства, основанные на контроле уровня сил и мощности ре зания. Известно, что с возрастанием износа инструмента увеличива ется уровень сил и мощности, потребной на резание. Поэтому как непосредственно силы резания, так производные от них (мощность, крутящий момент на шпинделе, сила тока двигателей главного дви жения или движения подачи) можно использовать в качестве источ ника диагностического сигнала. Действие устройств контроля мощности резания основано на из мерениях силы тока и напряжения в двигателе главного движения или движения подачи (рис. 7.17). Такие устройства весьма просты, дешевы, не требуют изменений в конструкции станка. Однако на дежность их работы зависит от соотношения мощности резания и но минальной мощности двигателя. Если оно невелико, достоверность диагностики резко снижается. Кроме того, эти устройства реагируют на изменения сил, связанные с возрастанием износа инструмента, со значительным опозданием во времени, что не позволяет вовремя среагировать на катастрофический износ и поломки инструмента. Это привело к практически полному отказу от использования таких устройств. В настоящее время измерение сил осуществляют, используя тензометрические подшипники или оправки, датчики напряжений 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 235 Рис. 7.17. Схема измерения мощности привода подач [2]: 1 — двигатель; 2 — датчик тока; 3 — регистратор сигнала и деформаций, а также динамометры, встроенные в инструменталь ную оправку, резцедержатель либо револьверную головку. Во всех случаях важную роль играет место размещения датчиков. Чем бли ж е оно к зоне резания, тем точнее измерения и выше надежность сис темы контроля. Широкое распространение получили подшипники с тензометри- ческими датчиками, наклеенными в канавке на их наружном кольце (рис. 7.18). Прохождение шарика (ролика) под датчиком вызывает Рис. 7.18. Тензометрический подшипник фирмы «Promess»: а — конструкция; б — принцип действия; 1 — тензометрический датчик; 2 — кабель 236 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах локальные деформации кольца. Датчик подключен к тензометриче- скому мосту и генерирует сигналы переменной частоты, зависящей от частоты вращения вала и количества шариков в обойме подшипника. Амплитуда сигналов пропорциональна действию внешних и внут ренних (возникших в результате предварительного нагружения) сил. Схемы установки таких датчиков в шпиндельных узлах приведены на рис. 7.19. Рис. 7Л 9. Схемы установки тензометрических датчиков на подшипник в шпиндельных узлах (2 — датчики) Для измерения осевой силы (силы подачи) можно использовать тензометрический датчик, представляющий собой обойму для опор ных подшипников (рис. 7.20). Тензометрические элементы, накле енные на внутреннее кольцо обоймы, защищены от действия СОЖ, масла и т.д. Пружинящие кольца с наклеенными на них тензометрическими датчиками можно использовать для измерения главной силы реза ния, монтируя их под основанием револьверной головки (рис. 7.21). Весьма перспективно использование для контроля сил резания пьезоэлектрических датчиков. Принцип их действия основан на известном физическом явлении, когда на поверхности некоторых диэлектриков (например, кристаллов кварца) в результате механи ческой деформации генерируется электрический заряд. На рис. 7.22 |