Система определения состояния инструмента

Новым подходом к решению задачи повышения точности и производительности обработки является использование микропро­цессоров. Учет факторов, определяющих геометрические погрешности обработки, сводится к созданию либо эмпирическим, либо аналитическим путем математической модели станка, которая затем закладывается в вычислительное устройство, ведущее управление ходом процесса обработки. В этом случае станок оснащают системой первичных преобразователей (датчиков), дающих информацию о режиме, силе резания, температурном режиме обработки, координатах положения режущего инструмента, анализируемых в соответствии с УП. Получаемые данные о состоя­нии технологической системы вводят в вычислительное устройство, которое расчетным путем определяет вид и уровни сигналов коррекции, поступающих в УЧПУ, или непосредственно на соответствующие рабочие органы станка.

Создание гибких технологических систем на базе многоцелевых станков, обеспечивающих реализацию без­людной технологии, требует решения задач, связанных с автома­тическим определением состояния режущего инструмента, необ­ходимости коррекции его положения или замены. Обработка заготовок корпусных деталей средних размеров на многоцелевых станках предусматривает 5 – 30 различных режущих инструмен­тов (фрез, сверл, зенкеров, расточных резцов, метчиков). Одним из важных параметров, используемых для оценки состояния ре­жущего инструмента, является продолжительность резания, т.е. время непосредственной работы инструмента на станке, начиная с момента его установки.

Это время

, (20)

где τ_j – время резания при выполнении инструментом определен­ного перехода; п – число выполненных переходов к рассматрива­емому моменту времени.

Сравнение времени резания с расчетным периодом стойкости в общем случае позволяет судить о состоянии инструмента и его возможностях. Однако, как показывает практика, фактическая стойкость инструмента может колебаться в широких пределах (изменяться в 1,5 – 3 раза и более). Причинами этого является различное качество изготовления и заточки инструмента, а также нестационарный характер процесса резания, обусловленный изме­нением входных параметров заготовки. Это обстоятельство требует использования нескольких критериев, позволяющих оценить состояние режущего инструмента в комплексе, с различных позиций, что возможно путем применения микропроцессоров и информационно-измерительных блоков систем адаптивного упра­вления.

К числу таких критериев в первую очередь относят техно­логические критерии, которые позволяют оценить состояние инструмента с позиции получаемых параметров точности детали. Согласно этим критериям инструмент требует поднастройки или замены, если в результате размерного изнашивания не обеспечи­ваются требуемые размеры детали или шероховатость поверх­ности в заданных пределах:

≤ Δ_А ≤ , (21)

где , – допускаемые верхние и нижние предельные откло­нения соответственно; Δ_А – отклонение параметра точности детали.

Указанные критерии дополняет силовой критерий, который позволяет оценить режущую способность инструмента путем измерения сил резания и моментов, действующих в процессе обработки. Затупление инструмента в результате изнашивания и выкрашивания приводит к изменению геометрии и относитель­ному увеличению сил резания и моментов, начиная с первого рабочего хода, выполняемого острым инструментом. Это позво­ляет определить относительное приращение нагрузки, а следовате­льно, и степень затупления инструмента по мере его использования.

Учет продолжительности работы каждого инструмента в усло­виях технологически гибкого мелкосерийного производства осно­ван на использовании ЭВМ и программных методов получения и оценки технологической информации. Управляющую про­грамму станка транслируют через ЭВМ, в которой происходит считывание текста по каждому из кадров программы и получение необходимых исходных данных для выполнения последующих расчетных процедур. В процессе просмотра программы ЭВМ определяет вид и общее число iиспользуемого инструмента, а также многократность j его применения за один цикл обработки: i= 1, 2, .... i, j = 1, 2, ...., j. Одновременно выявляются режимы резания: подача S_i и частота вращения шпинделя n_i,заданные в программе станка для каждого инструмента: S₁ n₁; S₂, n₂; ...; S_i, n_i. Путем выявления координат, соответствующих началу х_н, у_н, z_н и концу х_к, у_к, z_к относительного перемещения инструмента на рабочей подаче S_i, ЭВМ находит длину резания L_i для каж­дого инструмента (L₁, L₂,..., L_i).

В результате в памяти ЭВМ формируется массив данных о номенклатуре применяемого инструмента, режимах резания и длины резания на каждом рабочем ходе. При необходимости ЭВМ по запросу выдает полученный массив данных в виде распечатки. На основе полученных данных ЭВМ вычисляет продолжительность резания при последовательном выполнении переходов соответствующим инструментом: τ_i = L_i/S_i. Полученные результаты по каждому инструменту суммируют, и в результате определяют время работы каждого инструмента за цикл τ_1Σ, τ_2Σ,…, τ_iΣ.

На основании непрерывного слежения за числом обрабатываемых деталей вычисляют фактическое время работы режущего инструмента при данных условиях обработки и сравнивают с заданной стойкостью. Если фактическое время работы режущего инструмента достигает периода его стойкости, то возникает вопрос о необходимости его замены. Рекомендуемые значения стойкости инструментов вводят в память ЭВМ в виде массива или в виде аппроксимированных зависимостей T = f(S, υ). В результате становиться возможным :

– определить число однотипных деталей m_i, которые могут быть обработаны каждым инструментом за имеющийся период стойкости, m_i = Т_i/τ_iΣ;

– выявить момент, когда время резания при обработке однотипных заготовок инструментом i достигает заданного периода его стойкости, mτ_iΣ →T_i;

– оценить по окончании обработки партии заготовок из m штук состояние режущего инструмента по значению оставшейся стойкости, T_oi = T_i – – mτ_iΣ.

Последующую обработку заготовок нового типоразмера в общем случае можно выполнять тем же режущим инструментом, но с другими режимами резания S_j, υ_j, t_j и при иных условиях обработки. Каждому из таких сочетаний режимов резания соответствует свое расчетное значение периода стойкости режущего инструмента Т₁ = f(S₁,υ_j), Т₂ = f(S₂,υ₂), …, Т_j = = f(S_j,υ_j), которое может отклоняться как в большую, так и в меньшую сторону: T₁(S₁,υ₁) > T₂(S₂,υ₂); T₁(S₁,υ₁) < T₂(S₂,υ₂); T₁(S₁,υ₁) = T₂(S₂,υ₂).

Период стойкости инструмента на выполнение новых переходов j с учетом использования ресурса стойкости на предыдущие переходы (j – 1) составит

T_j^* = T_jT_o(j-1)/T_(j-1), (22)

где T_j, T_(j-1) – расчетные периоды стойкости для условий данного и предшествующего переходов; T_o(j-1) – период стойкости, оставшейся по окончании (j – 1) перехода.

Если по окончании обработки заготовок одного типоразмера инструмент еще сохраняет определенный ресурс стойкости, то ЭВМ выполняет аналогичные расчеты и инструмент используется при последующей обработке новых заготовок. Режущий инструмент применяют до тех пор, пока период оставшейся стойкости инструмента Т_oj не достигнет нулевого значения Т_oj → 0.

Общая функциональная схема автоматической системы по оценке состояния режущего инструмента и определения момента его замены представлена на рис. 64. Для определения целостности инструмента и его размерного износа, а также в целях введения необходимой коррекции в размерную настройку станка по двум координатам используют специальное измерительное устройство 2. Его устанавливают вблизи рабочей зоны на кронштейне. Перед обработкой стол станка и шпиндельная бабка выводятся в положение, при котором соответствующий режущий инструмент доводится до касания с измерительным штоком. В результате с измерительного устройства подается сигнал, характеризующий положение вершины режущей кромки инструмента относительно начала отсчета. Вопрос о замене инструмента решает микроЭВМ в соответ­ствии с заданным алгоритмом принятия решения. В основе при­нятия решения лежит информация, которая характеризует цело­стность инструмента, его размерный износ, оставшийся период стойкости, нагрузку, действующую в процессе обработки, откло­нения получаемых параметров точности детали.

В случае поломки инструмента или значительного изнашива­ния, когда поднастройка невозможна, следует команда на его замену. Возникающая при резании нагрузка периодически изме­ряется, причем нагрузка на первых рабочих ходах, выполняемых острым инструментом, запоминается в ЭВМ как начало отсчета приращений. Если действующая нагрузка, измеряемая по мощ­ности двигателя главного движения или подачи, достигает пре­дельного значения, то дается команда на замену инструмента.

Замена инструмента происходит также в том случае, когда расчет­ный период его стойкости исчерпывается (Т_oj = 0), а соотношение действующей и допустимой нагрузки составляет N ≥ 0,95N_пр, при .

Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие контурного управления от позиционного?

2. С чем связана необходимость использования в процессе программирования нескольких координатных систем?

3. Как вырабатываются управляющие воздействия в системах ЧПУ?

4. Какие виды управляющих сигналов используются в системах ЧПУ?

5. В какой системе координат записывается управляющая программа?

6. Как управляющая программа связана с простановкой размеров на чертежах обрабатываемых деталей?

7. В чем состоит основное назначение спутников как технологических приспособлений?

8. Как кодируют в процессе программирования режущий инструмент, значения подачи, частоты вращения шпинделя и т.д.?

9. Какая информация содержится в карте наладки станка?

10. Какие преимущества по сравнению с перфолентами обеспечивает программирование с использованием компьютерных систем?

11. Какие требования следует предъявлять к первичным преобразователям, используемым с цепи обратной связи систем адаптивного управления?

12. В чем состоит принцип работы динамометрического узла как источника информации в САдУ?

13. Какие причины могут повлиять на точность статической и динамической настройки технологической системы?

14. Каково назначение датчиков Д1 и Д2 в системе статической настройки расточных оправок?

15. Какие причины вызывают появление вибраций в процессе резания?

16. Как назначается величина подачи в процессе резания?

17. Как связаны между собой скорость резания и подача?

18. Каков принцип термостабилизации в процессе обработки резанием?

19. Какая информация принимается во внимание при автоматической смене режущего инструмента?