Общие принципы построения средств активного контроля(1)

1. Общие принципы построения средств активного контроля

Лекции по курсу «Автоматизация измерений, испытаний
и контроля»

2.

1. Влияние основных технологических погрешностей на точность обработки
размеров.
Основной смысл применения активного контроля (АК) при обработке на станках
заключается в повышении технологической точности путем компенсации
технологических
погрешностей.
Основными
технологическими
погрешностями являются износ режущего инструмента, тепловые и силовые
деформаций технологической системы, деформаций обрабатываемой детали
(отжим, изгиб) и т.п. Однако не все погрешности обработки могут быть
устранены применением АК. Так отклонения геометрической формы
обрабатываемых деталей, вызванные несовершенством отдельных узлов
станка или не отлаженным технологическим процессом, нагреванием
обработанной детали и т.п. не компенсируются средствами АК. Поэтому
применение даже самых точных приборов не гарантирует получения
размерной точности изделий, если какой-либо из элементов системы станокприспособление-инструмент-деталь (СПИД) не отвечает техническим
требованиям.
Проанализируем суммарное влияние на точность размеров износа режущего
инструмента, тепловых и силовых деформаций технологической системы.

3.

На рис. 1 приведена простейшая схема круглошлифовального станка. На схеме
показана размерная цепь, которая при обычных методах обработки
определяют точность размеров шлифуемых на станке деталей; они относятся
к категории плоских размерных цепей с параллельными звеньями.
Замыкающим звеном являлся размер обрабатываемой детали.
Рис.1 Размерная цепь круглошлифовального станка
Напишем уравнение размерной цепи станка, изображенной на рис. 1 (в данной
размерной цепи звено L является увеличивающим, а звенья l и R –
уменьшающим): rдет= L – (l + R).
Перейдя к диаметру детали, получим dдет= 2(L – l – R); L = l1+l2.

4.

Переходя к отклонениям номинальных размеров звеньев (усредненным
погрешностям), можно написать (не учитывая погрешности, вызываемые
тепловыми деформациями самих обрабатываемых деталей)
δdдет= 2(δL – δl – δR).
Погрешность δL возникает в результате тепловой и силовой деформаций звена l1
(ходового винта привода шлифовальной бабки), а также тепловой и силовой
деформаций звена l2 (расстояния от упора до линии центров). Кроме того,
погрешность звена L зависит от силовых деформаций, возникающих в стыке
ходового винта с упором. Погрешность δl возникает в результате тепловой и
силовой деформаций шлифовальной бабки (звено l). Погрешность δR
является следствием износа режущего инструмента, а также его тепловой и
силовой деформаций.
Из последней формулы следует, что все перечисленные погрешности
удваиваются при приведении их к диаметру обрабатываемой детали.
Выясним характер суммарного влияния на размеры обрабатываемых деталей
погрешностей отдельных звеньев этих размерных цепей. Анализ
приведенных зависимостей показывает, что размерный износ режущего
инструмента и тепловая деформация станины станка приводят к увеличению
размеров обрабатываемых деталей, а тепловая деформация шлифовальной
бабки – к уменьшению размеров деталей.

5.

Тепловая деформация звена R вызывает уменьшение размеров обрабатываемых
деталей. Постепенное увеличение во времени силовых деформаций
технологической системы при наружной обработке увеличивает размеры
обрабатываемых деталей (при внутренней обработке износ режущего
инструмента и силовые деформации технологической системы, наоборот,
уменьшают размеры деталей). Тепловые деформации обрабатываемых
деталей, как при наружной, так и при внутренней обработке приводят к
уменьшению размеров.
При оценке влияния тепловых деформаций узлов станка на точность обработки,
кроме линейных тепловых деформаций, необходимо также учитывать
деформации, вызывающие перекосы и повороты отдельных узлов станка.
Например, при неодинаковом нагревании стенок станины станка (см. рис. 1)
они неодинаково деформируются, что приводит к повороту стола станка и,
как следствие, к постепенному увеличению размеров обрабатываемых
деталей. Подобных примеров можно привести много.
Суммарное влияние на точность размеров деталей всех перечисленных выше
факторов носит сложный характер и зависит от величин и интенсивности
изменения во времени этих факторов.

6.

Рис. 2. Суммарное влияние на точность размеров износа режущего инструмента,
тепловых и силовых деформаций технологической системы.
На рис. 2 изображены условные кривые изменения во времени размерного
износа режущего инструмента (1), тепловых (3) и силовых (2) деформаций
технологической системы, тепловых деформаций обрабатываемых деталей
(4). Штриховой линией показана примерная кривая суммарного изменения
во времени размеров деталей под влиянием совместного действия всех
указанных факторов.

7.

Размерный износ режущего инструмента, а также тепловые и силовые
деформации технологической системы оказывают решающее влияние на
точность размеров и в значительной степени определяют точность
геометрической формы обрабатываемых деталей. Влияние указанных
факторов не всегда можно устранить с помощью средств АК размеров,
поэтому использование АК не должно снижать тех жестких требований,
которые должны предъявляться к геометрической и технологической
точности металлорежущих станков (например, тепловые деформации,
которые зависят от конструкции станка). С точки зрения размерных цепей
технологических систем основной смысл применения средств АК размеров
заключается в том, что обладающие большой протяженностью размерные
цепи станков заменяются более короткими размерными цепями
измерительных систем, на точность звеньев которых параметры станка и
режущего инструмента существенно не влияют.
2. Общие принципы построения средств активного контроля.
Рассмотрим подробнее принципы построения устройств, контролирующих
детали непосредственно в процессе их обработки, и подналадчиков.
Наиболее простой схемой управления при АК является схема при обработке
методом врезания на круглошлифовальном станке. На рис. 3а изображена
принципиальная схема круглошлифовального станка, работающего методом
врезания. Привод шлифовальной бабки осуществляется с помощью
гидравлической системы. На рисунке условно показана обратная связь (I),
осуществляемая при помощи средства АК (1).

8.

Рис.
3. Схема управления при АК при обработке методом врезания на
круглошлифовальном станке: а
—
принципиальная
схема
круглошлифовального станка; б – схема электроконтактного датчика.
При использовании обратной связи I (рис. 3, а) контролируется непосредственно
размер обрабатываемом детали, который включается в размерную цепь
измерительного прибора. Прибор оснащен электроконтактным датчиком 1.
Средства АК могут быть оснащены датчиками других типов (индуктивными,
пневматическими и т. д.), однако принцип управления станком и
компенсации технологических погрешностей остается таким же, как на рис. 3.

9.

Цикл обработки состоит из следующих элементов. При размыкании контакта 2
(рис. 3,б) происходит переключение станка с черновой подачи на чистовую. При
замыкании контакта 3, который настроен по образцовой детали на заданный
размер, подается команда на прекращение процесса обработки.
Возникающий при замыкании этого контакта электрический импульс после
усиления поступает в электромагнит, связанный с золотниковым устройством;
при срабатывании электромагнита золотник переключается, и поршень 4
(рис. 3, а) начинает двигаться в обратном направлении.
Таким образом, процесс обработки независимо от влияния различных
технологических факторов продолжается, до тех пор, пока в контролируемом
сечении не будет достигнут заданный размер. В этих условиях на точность
обработки перестают влиять размерный износ режущего инструмента,
тепловые и силовые деформации станка и режущего инструмента, а также
силовые деформации обрабатываемых деталей (при диаметральном
трехконтактном измерении).
При измерении в процессе обработки средства АК находятся в тяжелых условиях:
вибрации, охлаждающая жидкость, движение контролируемой детали и т.п.,
что сказывается на их точности. Для повышения точности обработки
используют комбинированные системы (рис.4.), которые позволяют
уменьшить погрешности измерительных устройств средств АК.

10.

Рис. 4. Комбинированная схема АК.
При работе станка обрабатываемая деталь нагревается, щуповое устройство
датчика 1 (рис. 4) изнашивается, поэтому изменяются размеры
обрабатываемых деталей. Для компенсации указанных погрешностей
предусмотрено
дополнительной
измерительное
устройство
(2),
расположенное вне зоны обработки. Периодически на это измерительное
устройство автоматически (3) подаются обработанные детали. По результатам
измерений этих деталей дополнительной измерительное устройство
управляет подналадной датчика 1 по вспомогательной цепи обратной связи
(II).

11.

В тех случаях, когда невозможно вести контроль в процессе обработки
используют подналадочные системы.
К подналадчикам относятся измерительные приборы, которые через цепь
обратной связи вызывают изменение настройки металлорежущего станка или
измерительного устройства, управляющего работой станка, когда значение
регулируемого параметра выходит за допустимые границы или отклоняется
от заданного значения.
На рис. 5 показана принципиальная схема подналадочного устройства при
сквозном бесцентровом шлифовании колец подшипников. После
шлифования на проход кольца, двигаясь сплошным потоком, поступают на
позицию измерения и контролируются с помощью электроконтактного
датчика 1. По мере износа шлифовального круга размеры колен постепенно
увеличиваются и приближаются к верхней границе поля допуска. В некоторый
момент замыкается контакт датчика и по цепи обратной связи подается
команда на подналадку.
Возникающий в датчике электрический импульс после усиления поступает в
устройство управления 2 ходовым винтом, который перемещает
шлифовальную бабку (по стрелке) на величину подналадочного импульса.
При этом размеры колец уменьшаются, и цикл обработки повторяется снова.
В рассматриваемом случае выходным параметром системы АК является
размер обработанной детали.

12.

Рис. 5. Принципиальная схема подналадочного
бесцентровом шлифовании колец подшипников
устройства
при сквозном
Как следует из рисунка, между позициями обработки и измерения (в пределах
зоны А) находятся шлифованные кольца, размеры которых в среднем больше
размера кольца, вызвавшего подналадку. Поэтому для того, чтобы кольца не
вызывали дополнительных подналадочных импульсов (после возникновения
первого импульса), на время их прохождения датчик должен быть обесточен,
что осуществляется при помощи реле времени. Данное обстоятельство
следует учитывать во всех случаях, когда между станком и подналадчиком
находятся обработанные детали.