Системы автоматизированного контроля в ГПС

Лекция 6

Системы  автоматизированного  контроля  в  ГПС

       Система автоматизированного контроля (САК) – совокупность взаимосвязанных автоматизированных подсистем, обеспечивающих требуемый уровень качества продукции и работоспособность оборудования.

      В свою очередь,  качество продукции определяется через контроль, а работоспособность оборудования – через процедуры диагностирования. 

      ГОСТ 16504-81 определяет задачи технического контроля как проверку соответствия контролируемого объекта установленным техническим требованиям. При этом информация о фактическом состоянии объекта называется первичной; обнаружение несоответствия (расхождения) между фактическими и требуемыми данными названо получением вторичной информации.

      Согласно ГОСТ 20911-75 техническое диагностирование является процессом определения технического состояния объекта с заданной точностью, причем результатом технического диагностирования является заключение о техническом состоянии (работоспособности) объекта с указанием при необходимости места, вида и причины дефекта. Система поддержания работоспособности состоит из отдельных подсистем, которые могут работать как совместно, так и автономно. К таким подсистемам относятся, например, подсистемы контроля состояния инструмента, размерного контроля, адаптивного управления.

    Система автоматизированного контроля решает следующие задачи:

¨ Получение и представление информации о свойствах, техническом состоянии и пространственном расположении контролируемых объектов, а также о состоянии технологической среды и производственных условий;

¨ Сравнение фактических значений параметров с заданными;

Рекомендуемые материалы

¨ Передача информации о рассогласованиях с моделями производственных процессов для принятия решений на различных уровнях управления ГПС;

¨ Получение и представление информации об исполнении функций.

Система автоматизированного контроля должна обеспечивать:

v Возможность автоматической переналадки средств контроля в пределах заданной номенклатуры контролируемых объектов;

v Соответствие динамических характеристик  САК динамическим свойствам объектов;

v Полноту и достоверность контроля, в том числе контроля преобразования и передачи информации;

v Надежность средств контроля.

Основное назначение САК – профилактика или своевременное вмешательство в работу с целью вывода системы в номинальный режим эксплуатации.

    Подробно рассмотрим подсистему контроля. В зависимости от времени осуществления контроля различают:

1. Входной контроль (до начала обработки)

2. Функциональный контроль (во время обработки)

3. Выходной контроль (после обработки).

ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ

       Входной контроль производится на подготовительном этапе и направлен на проверку готовности оборудования, системы управления и инструмента к обработке заготовок. Автоматизированный входной контроль сокращает количество отказов  в работе оборудования ГПС, предотвращает аварии, способствует стабильному получению деталей с заданными показателями качества.

     Контроль заготовок предусматривает идентификацию (автоматическое определение кода) с использованием результатов для вызова необходимых программ настройки станка и обработки детали; измерение (проверку размеров, величины припуска, твердости) для возможной последующей коррекции управляющей программы (например, уточнения числа рабочих ходов, изменения режимов резания).

      Определение вида заготовок может базироваться на измерении их размеров. При малой номенклатуре обрабатываемых заготовок достаточно измерять одну-две точки на поверхности каждой заготовки. Число контролируемых точек должно быть минимальным, так как оно определяет время измерения, но достаточным для надежной идентификации заготовок. Измерительные перемещения также нужно выбирать наименьшими, чтобы сократить время выполнения операции.

       Контроль инструмента предусматривает проверку наличия нужного инструмента, определяет данные предварительной настройки вне станка, его размеров, степени износа перед обработкой каждой новой заготовки (или нескольких заготовок).

      Рассмотрим в качестве примера размерную настройку инструмента вне станка.

     Сущность метода заключается в регулировании размера DX24 сборочного инструментального комплекта – резцового блока вне станка, с использованием специальных стационарных приборов для настройки.

                                        XD

                                        

                                        X1                                                                              X6

                               X2

                     

                                X3                                                             X24

                                X4

                                X5

                               

Используя теорию размерных цепей, можно записать:

                                    DXD = D(X6 - X1) + DX24 + DX5

       где  D(X6 - X1)  - погрешность позиционирования револьверной головки;

                      DX24   - погрешность настройки резцового блока вне станка;

                       DX5  - погрешность индексации револьверной головки.

      При этом методе не компенсируются систематические погрешности обработки, например, погрешности, вызванные размерным износом инструмента. Кроме того, можно видеть, что суммарная погрешность настройки достаточно велика и не исключает дополнительной поднастройки непосредственно на станке.

     Контроль оборудования определяет размерную привязку инструментальных комплектов к системе отсчета станка, предусматривает проверку наличия соответствующей управляющей программы, положения заготовки на станке. Таким образом, необходимо контролировать положение всех элементов, от которых зависит точность положения базовых поверхностей заготовки в системе координат станка. По результатам измерений рассчитывается и вводится в УЧПУ коррекция, компенсирующая обнаруженные погрешности. Линейные отклонения по всем осям компенсируются путем смещения положения системы координат детали относительно системы координат станка. Угловое смещение заготовки в плоскости XZ может быть устранено соответствующим поворотом ее с помощью поворотного стола. Другие угловые повороты, как правило, не компенсируются (при этом по результатам контроля можно, например, провести переустановку и замену палеты и начать обработку новой заготовки). Если заготовка устанавливается на подготовленные базы, то наилучшим вариантом является непосредственный контроль базовых поверхностей. В противном случае, а также если базовые поверхности недоступны для измерения, можно контролировать координаты базовых поверхностей приспособления. По результатам измерений для каждой палеты рассчитываются и вводятся в память УЧПУ фактические положения систем координат деталей относительно нулевой точки станка.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ  КОНТРОЛЬ

       Контроль во время обработки является важнейшей задачей САК, так как именно на этом этапе определяются показатели качества обработки и решается вопрос получения годной детали.

      Перечень обобщенных задач функционального контроля может включать в себя:

ü Контроль протекания рабочего процесса (уровень вибраций, сил резания, вида стружки и т.п.);

ü Контроль состояния инструмента (размерного износа, сколов, поломок и т.п.);

ü  Контроль системы управления (датчиков, приводов и др.);

ü  Контроль      работы      отдельных      механизмов      и    узлов    станка    и                                              дополнительного оснащения;

ü  Промежуточный контроль детали.

     В качестве примеров разберем контроль размерного износа инструмента и промежуточный контроль детали.

       Размерный контроль инструмента производится с целью автоматической поднастройки инструмента непосредственно на станке и является альтернативой и дополнением ранее описанному способу настройки инструмента вне станка. Сущность способа заключается в следующем.

                                                                                  X4

                                        XD                                                       

                                                                                                           DX5            

                                                                                                                  X5

                                        X1                                                                                                                                    

                                                                                                      

                X3                                                                                                X6 = X3

                

                                        X2                                                           

                        

         

В рабочей зоне станка устанавливается стационарный датчик, положение которого (размер X4) записывается в память системы ЧПУ станка. Периодически во время выполнения обработки дается команда на перемещение инструмента в измерительную позицию, при отработке которой автоматически фиксируются размеры  X5  и DX5. Далее определяется фактический вылет инструмента

X2ф  = X3 – (X4 + X5 - DX5)

и производится расчет коррекции

DX2  = X2ф - X2 н     , откуда    X2 ф     = X2 н  + DX2 ,

где     X2н – номинальный (заданный управляющей программой) вылет  инструмента;

                   X2ф  - фактический (измеренный на станке) вылет  инструмента.

    На втором этапе производится обработка следующей детали с введенной в программу коррекцией инструмента

                                           XD = X3 – (X1  + X2ф)        

                                 или    XD = X3 – (X1  + X2н  + DX2).

      Нетрудно видеть, что при использовании данного метода компенсируются систематические погрешности обработки, связанные с установкой инструментальных блоков на станке и размерным износом инструмента.

     Размерный контроль детали в процессе обработки проводится с целью своевременной коррекции размеров и предупреждения брака. Контроль осуществляется с помощью датчиков касания, которые с высокой точностью могут фиксировать момент касания щупа датчика с контролируемой поверхностью. Сигнал касания с датчика через электронный блок подается в систему ЧПУ станка, в которой происходит считывание и запоминание координат положения рабочего органа станка. Определение размеров и положений различных поверхностей основан на методе измерения “по точкам”. В качестве примера приведем алгоритмы расчета расстояния между двумя параллельными плоскостями и положения центра цилиндрического отверстия:

 

                                                                                                                     

                                                                                                                                                                                                                      

                              A1                                                                           Х₀

 X1                                                                                                                     

                                                                                           X1

                                    X2                                                                                                    X2

 

 А1 = X2  - X1 – 2R                                                Xо  =  0,5 (X1 + X2) 

      Контроль формы и расположения поверхностей (отклонений от плоскостности, цилиндричности, параллельности и т.п.) основывается на измерении большого числа точек на соответствующих реальных поверхностях детали. Увеличение числа точек позволяет повысить точность контроля.

Контроль детали во время обработки, как один из технологических переходов, производится по следующей схеме:

   XD                          DX1

            

                                                                                                                  

                                                X1                                                                                                                                    

                                                                                                       

                                                                                          X3

                

                                        X2                                                           

                        

                           

 1. Позиционирование рабочего органа (револьверной головки) на величину

                                               X1  > X3 -  (X2 + XDн )

 2. Измерение величины  DX1

  3. Определение размера детали  XDф = X3 -  (X1 + X2 - DX1)

 4. Сравнение измеренного размера с заданным DXD = XDф  - XDн .

     Далее реализуется один из трех возможных вариантов:

     А. Если DXD больше допустимого значения, дается команда на повторение    предыдущего технологического перехода обработки с учетом коррекции.

     Б. Если DXD находится в допустимых пределах, дается команда на выполнение следующего технологического перехода.

     В. Если DXD меньше допустимого значения, дается команда на прекращение операции (ввиду появления неисправимого брака).

      Датчик касания встраивается в измерительную головку, устанавливаемую в одну из позиций револьверной головки или инструментального магазина. Крепление измерительной головки аналогично креплению вспомогательного инструмента на станке. Поскольку измерительная головка поворачивается вместе с револьверной головкой (инструментальным магазином), то для ее связи с измерительным блоком применяется система бескабельной связи.

      Суммарная погрешность автоматического контроля складывается из случайных и систематических погрешностей, вызванных нестабильностью срабатывания датчика, наличием зоны нечувствительности при реверсировании ИГ, установкой ИГ в шпинделе станка (револьверной головке), выводом ИГ в измерительную позицию и др. Некоторая часть систематических погрешностей может быть компенсирована различными способами (калибровкой ИГ непосредственно перед измерением, вводом поправок и т.п.). По экспериментальным данным, точность автоматических измерений на станке ИР-800ПМФ4 с УЧПУ модели 6М-В фирмы “Фанук” и индикатором контакта модели МР-3 фирмы “Ренишоу” составляет от 8 до 20 мкм.

      Контроль размеров во время обработки позволяет обеспечить получение заданных размеров и создает предпосылки для отказа в проведении контрольных операций. Любой контроль размеров после обработки предполагает возможное наличие бракованных изделий, т.е. напрасную затрату материала, времени, средств. В будущих высокоавтоматизированных ГПС контрольных операций вообще может не быть. Таким образом, станок становится и измерительной машиной. Это еще один пример централизации полного изготовления деталей за одну технологическую операцию.

ВЫХОДНОЙ КОНТРОЛЬ

      Предусмотрен для гарантии качества готовой продукции. Контроль детали предполагает проверку размеров, шероховатости и может проводиться как на станке – до снятия детали, так и вне станка. Выходной контроль является пассивным, т.е. может только констатировать брак, но не предупреждать его. Выходной контроль может производиться как непосредственно на станке, так и после снятия детали на соответствующих контрольно-измерительных приборах и координатно-измерительных машинах (КИМ).

      Координатно-измерительные машины относятся к классу технических средств высокоточных измерений, позволяющих исключить ручной труд на контрольных операциях.

В ГПС механической обработки используются универсальные КИМ, которые позволяют измерять различные поверхности (плоскости, цилиндры, конусы, сферы), геометрические элементы пересечения различных поверхностей, а также определять положение различных поверхностей относительно базовых. При этом результаты измерений могут представляться в виде отпечатанных протоколов аттестации или в виде оперативных сообщений на дисплей; эти данные могут накапливаться в управляющей  ЭВМ для последующей статистической обработки.

       Исполнительным органом КИМ являются измерительные головки высокой чувствительности, которые могут быть механическими, оптическими, электронными точечными и электронными непрерывными. В основном, КИМ имеют портальную компоновку, хотя выпускаются КИМ и консольного типа. 

 Управляющую программу для КИМ можно составлять несколькими способами:

q Обычным программированием функций и перемещений;

q Программированием ЭВМ на базе управляющей программы обработки или использованной в САПР при конструировании детали;

q Самообучением по контролю первой детали (первоначальная программа измерений задается оператором методом касания точек детали с помощью щупа; программа измерений вводится в запоминающее устройство ЭВМ и может быть вызвана при повторных измерениях, осуществляемых в автоматическом цикле).

      Наиболее предпочтительным является второй способ, так как в программе используется математическое описание детали, которое было создано САПР.

На рисунке показана отечественная КИМ фирмы ЛАПИК на платформе гексапод:

      Другим видов оснащения для реализации выходного контроля служат контрольно-измерительные роботы (КИР), которые наилучшим образом отвечают требованиям в отношении гибкости, точности и скорости перемещений. Уступая по точности измерения КИМ, роботы превосходят их в быстродействии и приспособляемости к производственным условиям.

Быстродействие контрольно-измерительных роботов характеризуется  скоростями перемещения до 30 м/мин. Точность измерения - до ±(5 + 8L/1000)мкм.

При модульной  структуре   роботов   можно  реализовать     измерительные системы  с несколькими    рабочими органами, что обеспечивает возможность измерения  деталей  различной   метрологической сложности.

     Контрольно-измерительные роботы используются также в составе РТК для промежуточного контроля деталей. Совместное использование КИР и станков с ЧПУ в составе РТК позволяет расширить функциональные возможности и повысить точность и производительность обработки.

Техническое диагностирование в ГПС

      Как уже рассматривалось выше, под техническим диагностированием понимается процесс определения технического состояния объекта диагностирования с заданной точностью, причем результатом технического диагностирования является заключение о техническом состоянии (работоспособности) объекта с указанием при необходимости места, вида и причины дефекта.

      Цели технического диагностирования в ГПС:

v Поддержание заданных условий выполнения технологических процессов (технологическая надежность);

v Предупреждение поломок или своевременная остановка оборудования в аварийных ситуациях;

v Прогнозирование постепенно развивающихся дефектов с целью уточнения сроков вмешательства в работу технологической системы;

v Исключение возможности вредного влияния технологической среды на производственный персонал.

В ГАП, с одной стороны, ужесточаются требования к оперативности, достоверности и глубине диагностирования, с другой стороны – облегчается применение автоматических процедур диагностирования благодаря широкому использованию вычислительной техники.

      Разберем разновидности методов технического диагностирования на примере режущего инструмента.

      Конечной целью диагностирования режущего инструмента является оценка его пригодности для последующей работы. Предельный износ можно оценивать непосредственно по величине износа передней или задней граней инструмента, а также на основе технологических показателей: ухудшение качества обработанной поверхности, выход размеров за пределы допустимых отклонений. Износ инструмента можно оценивать и по многим косвенным признакам, например, увеличению сил и мощности резания, по интенсивности тепловыделения и другим. Таким образом, разнообразные методы диагностирования (контроля) инструмента можно разделить на прямые и косвенные.

      При прямом методе контролируются геометрические размеры инструмента, которые изменяются при износе, выкрашивании или поломке. Например, измерение длины инструмента позволяет установить его поломку, а измерение площадки на задней грани дает возможность оценить реальный износ.

      Для косвенного контроля характерно измерение параметров, имеющих корреляционную связь с контролируемым состоянием  инструмента, т.е. износом, выкрашиванием или поломкой. Эти методы носят вероятностный характер и дают меньшую точность оценки, но отличаются более простыми конструктивными решениями. По месту проведения диагностирования в  цикле технологической операции обработки детали различают периодический (осуществляется до или после процесса резания) и текущий (в ходе резания) контроль инструмента.

 

       Силовой метод позволяет определить состояние инструмента по величине усилия резания, крутящего момента на шпинделе и мощности резания. Для реализации метода применяются датчики различных типов:

F Динамометрический тензодатчик (нагрузка - сжатие кольцевого элемента -   изменение сопротивления);

F пьезоэлектрический датчик ( деформация пьезоэлектрического кристалла – образование заряда – электрическое напряжение );

F магнитоупругий динамометрический датчик сопротивления (нагрузка кольцевого элемента – изменение магнитных характеристик материала – изменение индуктивности катушки);

F магнитоупругий динамометрический датчик напряжения (нагрузка – изменение электрической связи между первичной и вторичной обмотками) и др.

 

       Вибрационный (виброакустический) метод основан на том, что каждому состоянию объекта диагностирования соответствует вполне определенные виброакустические сигналы.  Метод базируется на анализе колебаний элементов упругой системы станка с частотой 10 – 300 кГц. Виброакустические сигналы, причиной которых являются колебания механизмов с малыми амплитудами, контролируются датчиками – акселерометрами, основанными на принципе инерционного измерения ускорений. С  помощью метода можно надежно определять моменты возникновения поломок, сколов и выкрашивания кромок инструмента. Метод характеризуется простотой встраивания датчика в технологическую систему без изменения конструкции. Недостатки: наличие помех (поэтому при измерениях необходимо отделять полезный сигнал от большого количества посторонних шумов, например, от работы привода), поэтому датчик лучше располагать ближе к зоне резания, а его ось совмещать с направлением наибольших колебаний.

      Температурный (термометрический) метод позволяет определить информацию элементов системы, вызванную неравномерностью нагрева. Измерение температуры осуществляется термопарами, в отдельных случаях используются термокраски, которые обладают свойством изменять цвет в зависимости от температуры нагрева – их можно применять в широком диапазоне температуры на движущихся элементах оборудования. Известны способы контроля температуры стружки с помощью полупроводниковых фотоэлементов, работающих в инфракрасной области спектра.

       Механический (контактный) метод основан на использовании измерительных головок со щупами и подробно разбирался ранее.

       Оптоэлектронный метод основан на получении изображения объекта видеокамерой с последующим преобразованием в цифровую форму, которая сравнивается с данными, вызываемыми из запоминающего устройства и соответствующими заранее введенному в память изображению контролируемого объекта. Метод позволяет решать задачи:

§ контроль геометрических параметров инструментов;

§ обнаружение выкрашивания режущих кромок и поломок;

§ обнаружение путаной стружки на инструменте;

     Основное преимущество оптоэлектронной техники – полное разделение измерительной системы и объекта измерения, небольшие затраты времени на измерение; недостатки – влияние температуры, загрязнения объекта, наличия стружки на результаты измерения.

Информация в лекции "Установки и агрегаты для подземного и капитального ремонта и освоения скважин" поможет Вам.

      Фотоэлектрический метод служит для косвенного контроля износа инструмента по состоянию обработанной поверхности. При износе инструмента или его поломке изменяются шероховатость и отражающие свойства этой поверхности, что фиксируется фотоприемником, воспринимающим модулированное инфракрасное излучение.

      При контроле ресурса инструмента каждому инструменту назначается гарантированный период стойкости

                                              Трес  = Тст - Тфакт ,

    где   Тст  –  расчетная стойкость инструмента;

            Тфакт – фактически проработанное время.

       Cистема управления станком ведет счет фактически отработанного времени. При выработке заданного ресурса времени, когда Тфакт = Тст, автоматически дается команда на замену инструмента дублером. Недостатки метода: наличие ошибок при назначении периодов стойкости из-за разброса характеристик качества изготовления инструмента (материала, термообработки, затачивания и т.п.), нестабильности свойств обрабатываемого материала, местных изменений твердости материала заготовки, переменного припуска, изменения условий подачи СОЖ и др. Кроме того, надежность автоматического контроля ресурса стойкости невелика, так как на практике поломка инструмента может произойти до исчерпания ресурса стойкости, также такая система не реагирует на случайные поломки инструмента при аварийных ситуациях.