Исследование процесса формирования погрешности обработки при использовании систем активного контроля настройки инструмента на станках с числовым программным обеспечением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование процесса формирования погрешности обработки при использовании систем активного контроля настройки инструмента на станках с числовым программным обеспечением

В.И. Аверченков, Л.Б. Филиппова

Рассмотрены особенности настройки оборудования с ЧПУ с датчиками контактного типа, на примере вертикально-фрезерного обрабатывающего центра Quaser MV154EL с датчиком активного контроля контактного типа Renishaw TS27R, на производство новой партии изделий. Предложена новая методика определения геометрических параметров инструмента при использовании оборудования такого типа.

Ключевые слова: датчики контактного типа, погрешность измерения, фрезерный инструмент, систематическая погрешность, системы активного контроля, настройка инструмента, станки с ЧПУ.

Развитие технологий автоматизации производства ведет к повышению требований по качеству и точности изготовляемых изделий. С каждым годом возрастают инвестиции предприятий в новое современное высокотехнологичное оборудование с ЧПУ, которое позволяет существенно сократить затраты на производство по сравнению с использованием устаревшего универсального оборудования. Однако даже в этих условиях трудно изготовить изделия высокой точности, поскольку процесс настройки оборудования для производства таких изделий является достаточно трудоемким. Наладка станка на производство нового высокоточного изделия заключается не только в грамотном закреплении заготовки и правильном подборе инструмента, но еще и в точности задания геометрических параметров инструмента.

Как показывает практика, большая часть современного оборудования с ЧПУ оснащена датчиками активного контроля контактного типа. Как правило, они не всегда однозначно определяют положение инструмента, что требует значительной коррекции на инструмент и повторной обработки. При этом первое изделие оказывается бракованным, и необходима еще одна заготовка. Погрешность измерения таких устройств составляет 0,02…0,04 мм, соответственно и точность изделия с учетом суммарной погрешности обработки будет составлять не менее чем 0,05…0,75 мм.

На сегодняшний день выделяют следующие методы настройки инструмента для станков с ЧПУ:

- по пробным деталям;

- по эталонам;

- по индикаторам;

- с использованием специальных датчиков контактного типа, оптических и других приборов.

Рассмотрим указанные методы настройки инструмента.

Метод наладки по пробным деталям заключается в том, что необходимо предварительно рассчитать настроечный размер, а затем после обработки проверять его при измерении первых 3-5 обработанных на данном оборудовании деталей. Если среднее арифметическое значение заданного размера попадает в заданный интервал, то настройка признается правильной. Недостатком данного метода является то, что требуется значительное количество времени на расчет размера пробных деталей и настроечного размера[1].

Метод наладки по эталону используется при наличии уже готового изделия. Согласно данному методу, готовое изделие - эталон устанавливают на неработающем станке так, чтобы инструмент мог соприкоснуться с ним.

Метод настройки инструмента на размер по индикаторам предполагает настройку инструмента на оборудовании, расположенном вне станка (на внешнем оборудовании)[3]. В этом случае инструмент закрепляется в специальном приспособлении и выставляется с использованием вертикальных и горизонтальных индикаторов на заданный размер. Недостатком данного метода является потеря рабочего времени при наладке.

Четвертый рассматриваемый метод, широко применяемый на современном оборудовании с ЧПУ, - настройка инструмента с помощью специального оборудования внутри станка с ЧПУ: датчиков контактного типа, оптических, лазерных и т.п. Использование этих устройств активного контроля инструмента позволяет в достаточно короткий срок определить геометрические параметры инструментов, находящихся в магазине станка[2]. Принцип работы этого метода таков. На станке с ЧПУ запускается программа, в которой заранее задается, какие параметры инструмента необходимо определить (диаметр или вылет инструмента или и то и другое одновременно). Как только инструмент касается датчика (или лазерного луча), данные об инструменте фиксируются и заносятся в соответствующую ячейку памяти числового программного управления. Далее при запуске программы обработки изделия используется информация, полученная в результате описанных измерений. Недостатком данного метода является ограничение на настройку инструмента измерительными возможностями датчиков.

Первые три метода настройки инструмента являются более трудоемкими по сравнению с последним из перечисленных. Практика показывает, что на большей части современного оборудования с числовым программным управлением стоят датчики активного контроля инструмента контактного типа. Возникает вопрос: как на имеющемся оборудовании с минимальными затратами получить изделия более высокой точности?

Для решения этой проблемы был проведен ряд исследований на примере вертикально-фрезерного обрабатывающего центра Quaser MV154EL с датчиком активного контроля контактного типа Renishaw TS27R (рис. 1).

Рис. 1. Измерительная система с контактным датчиком TS27R

Инструмент подводится к щупу 1 датчика по оси Z для измерения вылета инструмента. Диаметр инструмента измеряется при его вращении по осям X и Y. Данные от щупа в виде электрического сигнала передаются в интерфейсный блок и затем, в обработанной форме, в память числового программного управления станка.

Целью данного исследования являлось построение и исследование математической модели, позволяющей определять погрешность при формировании точности настройки режущего инструмента на станках с ЧПУ. Для этого был проведен анализ величин, влияющих на оценку точности настройки режущего инструмента, и разработана, на основе полученных данных, алгоритмическая структура программного комплекса с формированием отдельных модулей математической модели системы.

В рамках исследования была разработана диаграмма прецедентов, показывающая взаимосвязь основных участников процесса измерения инструмента на оборудовании с ЧПУ с датчиками активного контроля инструмента контактного типа (рис.2). Участниками процесса являются программист, технолог и оператор [4]. Технолог определяет режимы резания и выбирает тип инструмента, а также консультирует инженера-программиста станков с ЧПУ по предметной области. Программист разрабатывает программу и заносит в нее параметры станка, а также осуществляет контроль работы оператора. Оператор определяет действительный размер инструмента, вводит величину коррекции и затем оценивает результат, полученный после ее введения.

Рис. 2. Алгоритмическая структура в виде диаграммы прецедентов

Размещено на http://www.allbest.ru/

числовой программный управление

Построенная диаграмма прецедентов демонстрирует, каким образом происходит процесс управления величиной коррекции на инструмент при использовании современного оборудования с ЧПУ с датчиками контактного типа. Также рис. 2 отражает степень влияния человеческого фактора на весь процесс. Уменьшение влияния человеческого фактора позволит повысить точность обрабатываемых изделий, уменьшить количество бракованных изделий, сократить время на настройку оборудования и на запуск новой партии изделий. Для достижения этих результатов в рамках исследования был проведен ряд экспериментов, направленных на выявление погрешностей при измерении инструмента и настройке оборудования. На первом этапе работы были измерены геометрические параметры инструмента с использованием датчика контроля инструмента контактного типа. Исследования проводились в лаборатории Брянского государственного технического университета на современном вертикальном обрабатывающем центре Quaser MV154EL (рис. 3) с датчиком активного контроля режущего инструмента контактного типа Renishaw TS27R.

В ходе экспериментов используемый инструмент поделили на следующие категории: сверла твердосплавные, сверла со сменными пластинами, фрезы монолитные, фрезы со сменными пластинами. Для каждой группы были измерены геометрические параметры инструмента: вылет H и диаметр D. Также внимание уделялось и типу закрепления. Для каждого инструмента, кроме корпусного, было проведено по 18 видов измерений:

в зависимости от типа закрепления (цанговый, силовой или трехкулачковый патрон);

c учетом положения инструмента в зависимости от метода установки его в шпиндель (инструмент автоматически сменялся, его каждый раз перед измерением вручную закрепляли в шпинделе или его положение не менялось в ходе измерений).

В связи с особенностями геометрического строения сверл (их концевая часть имеет форму треугольника, что не позволяет измерить истинный диаметр инструмента в режущей части при использовании датчиков контактного типа) измерения для этой группы инструмента проводились только по вылету инструмента (определяли длину инструмента по оси Z, мм). В табл. 1 представлены результаты измерений фрезы из твердого сплава номинальным диаметром 6 мм (d6) с количеством зубьев, равным 4(n4).

Таблица 1

Результаты экспериментальных измерений фрезы диаметром 6 мм на вертикально-фрезерном обрабатывающем центре Quaser MV154EL с использованием датчика Renishaw TS27R, мм

По результатам экспериментальных измерений был составлен ряд таблиц данных. Для анализа этих данных использовались статистические методы анализа погрешностей. На первом этапе анализа для каждой строки таблицы были найдены среднее значение измеряемой величины и среднеквадратичное отклонение, рассчитанные соответственно по следующим формулам:

где n- количество проведенных измерений; - результат n-го эксперимента; - величина среднего значения;

где - среднеквадратичное отклонение.

Усредненное значение результата многократных измерений исследуемого параметра рассчитывалось по зависимости

где - номинальный размер измеряемой величины; - i-я случайная погрешность; - i-я систематическая погрешность; - среднее значение измеряемой величины.

Согласно расчетным данным, значение мало (табл. 1), следовательно, величина случайной погрешности тоже мала, и этой величиной можно пренебречь. Тогда величину систематической погрешности можно рассчитать по формуле

,

Из полученных данных следует, что погрешность при измерении диаметра инструмента датчиком контактного типа вычисляется как

, (1)

где - систематическая погрешность измерения датчика контактного типа; - среднее значение диаметра измеряемого инструмента; - номинальный диаметр инструмента.

По формуле (1) для всех измерений были проведены расчеты, результаты которых представлены в табл. 2.

Таблица 2

Расчетные значения величины систематической погрешности результатов экспериментальных измерений, мм

Из полученных результатов следует, что погрешность является постоянной систематической. Были проведены дополнительные расчеты для вычисления величины систематической погрешности (при этом достаточно 3-5 измерений одного инструмента). При последующей настройке инструмента на вертикальном обрабатывающем центре Quaser MV154EL с датчиком активного контроля режущего инструмента контактного типа Renishaw TS27R достаточно одного измерения, затем разработанный программный комплекс корректирует полученное значение с учетом результатов исследований.

На основе проведенных исследований и выполненного анализа была сформулирована методика определения геометрических параметров инструмента при настройке станка с ЧПУ с датчиком активного контроля с учетом погрешности измерения (систематической постоянной погрешности), состоящая из следующих этапов:

провести пять измерений для первого измеряемого инструмента;

вычислить для измеряемой величины среднее значение, среднеквадратичное отклонение, рассчитать систематическую погрешность;

рассчитать истинное значение измеряемой величины и ввести его в таблицу коррекции;

для последующих инструментов достаточно одного измерения, истинный результат которого рассчитывается уже с учетом найденной величины систематической погрешности измерения инструмента.

После анализа погрешности измерения инструмента при подготовке оборудования с ЧПУ с датчиком активного контроля инструмента контактного типа к последующей работе была создана структурно-функциональная схема программного комплекса (рис. 4), позволяющего автоматически рассчитывать величину коррекции для конкретного измерительного устройства и вносить требуемую коррекцию на измеряемые геометрические параметры инструмента.

Рис. 4. Структурно-функциональная схема программы

Согласно этой схеме, созданный программный комплекс, установленный на персональном компьютере, взаимодействует с числовым управлением станка через СОМ - порт. Для передачи данных с компьютера на стойку ЧПУ через порт RS-232, необходимо его открыть, что и делается на начальном этапе алгоритма. Далее, если удалось открыть порт, необходимо провести его инициализацию, запись настроек, инициализацию структуры таймаутов, а также установить размер очередей приема и передачи. После того как порт открыт и проделаны все приготовления, можно передавать данные, полученные из управляющего модуля.

Из структурно-функциональной схемы (рис. 4) видно, что управляющий модуль взаимодействует с модулями открытия и закрытия порта, модулем записи данных в файл, а также модулем взаимодействия с пользователем. Данные со стойки ЧПУ принимаются и отправляются модулями чтения и записи, а те, в свою очередь, обмениваются данными с модулями записи в файл и взаимодействия с пользователем.

Созданная система позволит для конкретных видов измерительных устройств вычислять коррекцию на инструмент, учитывающую различные факторы и влияющую на формирование погрешностей, и вносить определенную коррекцию управляющих программ для станков с ЧПУ, оснащенных системами активного контроля режущего инструмента.

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:

Предложена новая методика измерения величины коррекции на инструмент при использовании датчиков контактного типа на современном металлорежущем оборудовании с ЧПУ, способная повысить точность определения геометрических параметров инструмента на оборудовании такого типа.

Созданная на основе разработанной методики автоматизированная система позволяет управлять точностью обработки изделий, сократить количество бракованных деталей, уменьшить время настройки оборудования при запуске новой партии изделий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аверченков, В.И. Автоматизация подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ: учеб. пособие для вузов/ В.И. Аверченков, А.А. Жолобов, Ж.А. Мрочек, А.В. Аверченков, В.А. Шкаберин, М.В. Терехов, Л.Б. Левкина.-Брянск: БГТУ, 2010. - Ч. 2. - 213 с.

2. Аверченков, В.И. Исследование точности позиционирования объектов при оптической микроскопии с управлением через Интернет / В.И. Аверченков, В.В. Спасенников, Р.А. Филиппов // Вестн. БГТУ. - 2012. ­ №1.- С. 125-130.

3. Аверченков, В.И. Оценка точности автоматизированной настройки режущего инструмента при обработке на станках с ЧПУ/ В.И. Аверченков, Л.Б. Филиппова// Материалы 11-й Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий».-Ялта, 2011.-С.6-8.

4. Аверьянов, О.И. Технология фрезерования изделий машиностроения: учеб. пособие/ О.И.Аверьянов, В.В. Клепиков.- М.:ФОРУМ, 2008.-432 с.

Размещено на Allbest.ru