Методы и средства автоматического контроля

ВВЕДЕНИЕ

Основные задачи, поставленные перед нашей промышленностью - это повышение качества продукции, эффективности производства, производительности труда. Важная роль в решении этих задач отводится метрологическому обеспечению народного хозяйства. В машиностроении и станкостроении широко внедряются средства автоматического контроля. Первостепенное значение приобрел активный контроль линейных размеров, который призван обеспечить высокое качество изделий непосредственно в процессе их изготовления. Решение этой задачи связано с постоянным ростом требований к точности и производительности изготовления деталей машин.

Проблема обеспечения заданной точности изготовления деталей в настоящее время приобрела особую остроту, так как именно от ее решения зависит дальнейшее повышение качества и эффективности процессов обработки на современных автоматических станках.

Решение задачи обеспечения, поддержания и проверки выполнения заданного качества продукции на всех этапах ее изготовления осуществляется с помощью систем контроля и управления качеством, для создания которой необходимо располагать подробной информацией о точности процесса обработки. По характеристикам точности процесса устанавливается необходимость применения средств автоматического активного контроля, определяются режимы обслуживания, количество наладчиков и другие показателе необходимые для управления процессом. Особое место в системе контроля занимает операционный активный контроль качества обработки, результаты которого используют для корректировки настройки обрабатывающего оборудования или устройств, управляющих процессом обработки.

Одной из самых важных проблем, значительно влияющих на эффективность работы металлообрабатывающего оборудования, является проблема повышения точности обработки деталей.

Наиболее эффективные методы повышения точности и качества работы технологического оборудования связаны с автоматическим получением и использованием дополнительной информации об отклонениях выходных параметров.

Активный контроль и управление выражает общую тенденцию, свойственную современной науке и технике. Получаемая измерительная информация о величине и направлении изменения размеров позволяет оптимизировать технологический процесс и обеспечить заданный уровень качества. Использование активного контроля и управления позволяет повысить технологическую точность путем компенсации погрешностей, обусловленных в основном износом инструмента и другими факторами. Средства активного контроля и управления позволяют совместить процессы обработки и измерения, исключая необходимость периодических остановок станка для измерения, Особенно велика роль этих средств в автоматизации производственных процессов, когда они выполняют роль устройств обратной связи. Автоматизация процесса обработки на базе измерительных систем активного контроля и управления резко повышает производительность труда станочников, снижает уровень требований к их квалификации и позволяет осуществлять многостаночное обслуживание. Средства активного контроля и управления сокращают объем последующих контрольных операций и, что особенно важно, предупреждают появление брака. Таким образом, активный контроль и управление позволяют решить комплекс технологических, метрологических и экономических проблем, направленных на повышение качества продукции и эффективности производства. Положительный эффект от применения средств активного контроля и управления определяется не только их точностью, надежностью, простотой обслуживания и ремонта, но и в значительной степени качеством станка, режимом обработки, стойкостью инструмента, качеством заготовок.

Внедрение высокопроизводительных методов заключительной обработки детали (скоростное и силовое шлифование, хонингование), когда традиционные средства активного контроля не обеспечивают эффективного управления процессом, привело к появлению принципиально новой их разновидности — адаптивных (самонастраивающихся) систем, для которых характерно получение дополнительной информации об условиях работы системы СПИД (станок — приспособление — инструмент — деталь) и использование ее в процессе управления. Объектами дополнительной информации обычно бывают скорость резания, усилия деформации, скорость снятия припуска, температура детали и окружающей среды и т.д. Самонастраивающиеся системы включают в себя элементы счетно-решающих устройств для обработки информации.

Современное состояние технологии металлообработки (интенсификация технологических процессов, расширение масштабов производства, рост требований к точности, качеству, надежности и долговечности изделий) предполагает комплексный подход к решению научно-технических проблем в области активного контроля для оптимизации технологических процессов.

В последнее время в промышленности начинают применяться самонастраивающиеся (адаптивные) системы активного автоматического контроля и регулирования. Такие системы управляют ходом технологического процесса с учетом внешних условий, обеспечивая на этой основе наивыгоднейший режим протекания процесса. За рубежом в последнее время стали также появляться сообщения о подобных системах. Однако эти сообщения относятся в основном к патентам или кратким описаниям элементов конструкций этих устройств. Зарубежные авторы дают высокую оценку таким системам, считая их наиболее прогрессивными и наиболее полно отражающими перспективы развития комплексной автоматизации технологических процессов. Самонастраивающиеся системы призваны обеспечить достижение наибольшей эффективности автоматических машин, которая характеризуется точностью, производительностью и экономичностью.

Одним из наиболее эффективных методов повышения точности обработки является использование систем активного контроля с элементами адаптивного управления циклом обработки, обеспечивающих существенное повышение точности изготовления при заданной производительности. Разработка таких систем должна осуществляться с учетом закономерностей процесса резания и характеристик используемого оборудования.

Настоящая работа посвящена вопросам развития теорий и практики активного контроля и управления точностью обработки деталей на металлорежущих станках. Эта проблема непосредственно вытекает из решения проблемы и управления регулирования качеством продукции, одним из основных методов осуществления которой является всемерное развитие всех форм управляющего активного контроля, т.е. контроля, результаты которого используются для своевременного оперативного и объективного вмешательства в технологический процесс.

Развитие самонастраивающихся (адаптивных) систем, предназначенных для комплексного решения вопросов регулирования качества продукции, а также разработка их теории и способов реализации является наиболее прогрессивным и перспективным направлением развития метрологии и измерительной техники в машино- и приборостроении. Самонастраивающиеся системы обладают большими потенциальными возможностями.

Фундаментальные исследования вопросов активного контроля и управления позволили создать в метрологии новую научную школу, которая, в отличие от старой, основанной на разбраковке, направлена на технологическое обеспечение качества продукции, его управление и регулирование. В рамках этой научной школы решаются задачи создания средств регулирования и управления технологическими процессами на основе синтеза прикладной метрологии, технологии машиностроения и станковедения.

Для дальнейшего развития самонастраивающихся систем большое значение приобретают вопросы их теории и расчета. Изыскание новых, более глубоких методов расчета позволит найти оптимальные решения при разработке общих принципов и конкретных систем. Разработка теории точности систем активного контроля и регулирования размеров имеет большое практическое значение, так как с ее помощью обеспечивается выявление резервов точности и возможность разработки более совершенных систем. Опыт показывает, что неудачи с внедрением автоматического контроля часто вызываются неумением правильно оценить точность автоматических измерительных средств. Применение современных методов исследования точности, позволяет получить объективное представление о системе и оценить ее возможность для осуществления функции контроля и регулирования. Трудности расчета систем регулирования размеров при механической обработке деталей связаны со значительной сложностью математического описания, как самого процесса обработки деталей, так и всей системы регулирования размеров в целом. Для исследования столь сложного процесса регулирования размеров весьма плодотворными оказываются теоретико-вероятностные методы и, в частности, методы, основанные на теории случайных процессов и теории цепей Маркова.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

ВВЕДЕНИЕ

Повышение производительности и точности обработки деталей в машиностроении и приборостроении является необходимым условием технического прогресса. Повышение точности обработки сопрягаемых поверхностей деталей обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик изделия, в том числе и его надежности.

Важным резервом повышения экономической эффективности производства является применение средств активного контроля, так как они позволяют без увеличения количества оборудования и производственной площади увеличить производительность труда и повысить точность обработки деталей на металлорежущих станках, в первую очередь на операциях окончательной обработки, осуществляемых с помощью абразивного режущего инструмента.

Наибольшее распространение средства активного контроля получили на станках шлифовальной группы вследствие требуемой высокой точности обработки и относительно малой размерной стойкости режущего инструмента, Расширяется применение этих средств нахонинговальных станках.

На станках других групп — токарных, фрезерных, сверлильных, расточных — средства активного контроля применяют в отдельных случаях, причем для каждого случая разрабатывают специальный прибор.

Задача средств активного контроля состоит в выдаче информации, о размере обрабатываемой или только что обработанной детали. Информация, выданная в нужной форме, используется оператором или автоматически для управления станком с целью получения требуемого размера. Это и определило название таких средств, поскольку с их помощью осуществляется активное воздеиствие на ход технологического процесса. Результаты измерения размера детали активно воздействуют на получение этого размера в заданных пределах и предупреждают брак.

Средства активного контроля принято разделять на две основные группы: средства активного контроля в процессе обработки; средства активного контроля после обработки. В каждой группе могут быть как визуальные, так и автоматические средства активного контроля.

При использовании визуальных средств оператор по показаниям шкалы отсчетного устройства или по показаниям лампочек светосигнального устройства выполняет нужные операции по управлению состоянием и ходом обработки: изменяет режимы резания, прекращает обработку, изменяет положение режущего инструмента относительно установочных баз и т.п.

Автоматические средства при достижении размером обрабатываемой детали определенных границ выдают в цепи управления станка соответствующие команды на изменение режимов и прекращение обработки, на изменение положения режущего инструмента и т.п.

Средства активного контроля первой группы — для контроля в процессе обработки — непрерывно измеряют размер обрабатываемой детали, и по мере достижения этим размером определенной границы вручную или автоматически изменяются режимы обработки и обработка прекращается при достижении требуемого размера.

Средства первой группы обеспечивают при прочих равных условиях более высокую точность обработки, так как с их помощью исключается влияние на получаемый размер силовых и тепловых деформаций систем станок - приспособление - инструмент - деталь (СПИД), в том числе деформаций от величины припуска и твердости материала, влияние от износа режущего инструмента и т.д.

Практически на точность обработки в этом случае влияют рассеивание температуры обрабатываемой детали, в момент прекращения обработки, рассеивание величины промежутка времени от выдачи команды на прекращение обработки до ее исполнения и погрешность собственно средста активного контроля.

Средства активного контроля второй группы — для контроля после обработки, называемые обычно подналадчиками, измеряют размер уже обработанной деталии и по результатам измерения подают сигнал или команду на изменение положения — подналадку — режущего инструмента относительно установочных баз в момент окончания обработки.

Применение средств второй группы обеспечивает при прочих равных условиях меньшую точность обработки, чем средства первой группы. Они устраняют влияние на точность обработки только износа режущего инструмента и сравнительно медленных температурных деформаций системы СПИД.

Существует ряд специфических условий, в которых приходится работать средствам активного контроля, особенно их части, непосредственно измеряющей обрабатываемую деталь.

При активном контроле измерительные наконечники соприкасаются при измерении с поверхностью движущейся детали, которая почти всегда находится в струе или покрыта пленкой смазочно-охлаждающей жидкости, зачастую насыщенной абразивом. Поэтому необходимо принимать специальные меры для уменьшения или исключения износа этих наконечников за счет применения алмазов, твердого сплава или бесконтактного способа измерения.

При контроле деталей, имеющих разрывы на обрабатываемой поверхности, называемых обычно деталями с прерывистыми поверхностями, кроме вибраций, могут возникнуть сильные удары по измерительным наконечникам. В этом случае средства активного контроля оснащаются дополнительными устройствами, предупреждающими поломку и выдачу ложных команд и показаний.

Экономический эффект, достигаемый за счет применения средств активного контроля с учетом расходов на их приобретение и эксплуатацию, является основным условием, определяющим целесообразность применения этих средств на данной операции.

Применение средств активного контроля тем эффективнее, чем выше точность обработки и массовость производства, чем меньше размерная стойкость инструмента и стабильность системы СПИД из-за температурных и силовых деформаций.

Величина экономической эффективности, достигаемой за счет сокращения потерь от брака, определяется несложным расчетом, в основу которого кладется уменьшение количества брака, стоимость материала заготовки и заработная плата на предыдущих операциях.

Экономическая эффективность от повышения производительности труда за счет применения средств активного контроля определяется сокращением времени, затрачиваемого на пробные измерения и вспомогательные операции, связанные с этими измерениями.

Так, например, при обработке валика диаметром 40 мм по 2-му классу точности на круглошлифовальном станке полное время обработки без применения прибора активного контроля составляло 1.628 мин. При установке такого прибора неавтоматического типа из этого времени исключалось 0.778 мин, связанных с пробными измерениями и соответствующими вспомогательными операциями (отвод и подвод шлифовального круга, пуск и останов детали).

Таким образом, коэффициент повышения производительности за счет применения прибора активного контроля составил

К = 0.778/1.628 = 0.47

Капитальные затраты на установку такого прибора выражаются в сумме 495 грн.

Годовой экономический эффект от установки одного прибора составляет при этих условиях 2919 грн., а срок окупаемости — 0,16 года.

Из примера видно, что средства активного контроля дают высокий экономический эффект даже без учета повышения точности обработки и сокращения количества брака.

Заводами Министерства станкостроительной и инструментальной промышленности серийно выпускаются приборы активного контроля, а также нормализованные узлы, блоки, датчики, приборы, на базе или с использованием которых можно проектировать и изготовлять новые средства активного контроля.