Исследование и разработка системы оперативной аттестации измерительных головок на станках с ЧПУ Святский Михаил Александрович

Содержание к диссертации

Оглавление 2

Условные обозначения и сокращения, принятые в работе 4

ВВЕДЕНИЕ 6

1. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОМЕРИТЕЛЬНЫХ

ГОЛОВОК И СПОСОБЫ ИХ АТТЕСТАЦИИ ПА СТАНКАХ С ЧПУ 13

\Лш Анализ точности систем контроля с ИГ и их эффективности

при автоматических измерениях на станках с ЧПУ 13

1.2, Анализ характеристик измерительных головок, применяемых

для контроля линейных размеров корпусных деталей на станках 21

13. Способы аттестации средств контроля на станках с ЧПУ 27

1.4. Анализ устройств, предназначенных для установки эталона на станок 36

Выводы. Цели и задачи исследования 46

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОЙ АТТЕСТАЦИИ

СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ НА СТАНКАХ С ЧПУ 48

2.1. Анализ параметров, влияющих на погрешность диаметральной

ориентации и устойчивость эталона в технологической оправке 47

1. Анализ расходных характеристик дроссельных элементов 61

2. Анализ погрешности фиксации эталона при его установке на станок 67

Выводы 75

III- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТИ

СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОЙ АТТЕСТАЦИИ НА СТАНКАХ С ЧПУ 76

3.1. Экспериментальные исследования погрешности контроля на станках 76

3.2, Исследование параметров аттестационного устройства

для автоматической установки эталона на станок с ЧПУ 81

1. Взаимосвязь элементов стенда с пневмоэлементами и результаты исследования погрешности диаметральной ориентации эталона 81

2. Оценка погрешности фиксации эталона на магнитном столе 89

3. Анализ параметров пневмодатчиков для системы контроля с ИГ 94

4. Исследование точности системы оперативной аттестации 100

Выводы 106

IV. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ОПЕРАТИВНОЙ АТТЕСТАЦИИ И КОМПОНЕНТОВ

АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ 108

4.1. Элементы технологической системы автоматической установки эталона

на стол станка для оперативной аттестации измерительной головки 108

2. Структура и элементы автоматической системы контроля с ИГ 116

3. Практическое применение системы оперативной аттестации 124

(Технологический процесс системы оперативной аттестации)

Выводы 129

Основные результаты и научные выводы 130

ЛИТЕРАТУРА 132

ПРИЛОЖЕНИЯ 141 -158

Условные обозначения и сокращения, принятые в работе:

ОЦ - обрабатывающий центр (станок с ЧПУ);

МС - многооперационный станок (станок с ЧПУ - аналог ОЦ);

ТМ — технологический модуль (обобщенное название станков с ЧПУ);

ГПС - гибкая производственная система;

КИМ - координатно-измерительная_машина;

ИГ - измерительная головка (элемент системы автоматического контроля);

ИС - измерительная система;

ИИС (ИИП) - индуктивная измерительная система (преобразователь);

САУТО — система автоматического управления точностью;

ТАП - технологическое аттестационное приспособление;

Э - эталон (элемент аттестации измерительных головок);

ТО - технологическая оправка (элемент для установки эталона на стол);

ЭМ - электромагнит (элемент для фиксации эталона на столе);

ПАГ - пневмо-акустический генератор (пневмодатчик для системы контроля);

ПЭ - пьезоэлемент (акустоэлектрический датчик для системы контроля);

МЭВМ - микроЭВМ (однокристальный микропроцессор);

АЦП - аналого-цифровой преобразователь (элемент схемы в системе контроля);

ФНЧ - фильтр низкой частоты (элемент схемы в системе контроля);

СОЖ - смазывающе-охлаждающая жидкость.

[Н/м²; МПа]; [Н/м²; МПа];

[м³/с];

[Н/с];

[Н/мкм];

[Н]; И;

Условные обозначения параметров; ро, рк, Ра - давление: питающее, в камере, атмосферное; др_к - приращение давления (например, в камере); Q - объемный секундный расход газа; G - весовой секундный расход газа; Gc - жесткость потока газа (в зазоре); W - подъемная сила (нагрузка на опору); Wo, (Рэ) - вес эталона;

S - площадь сечения канала дросселя (на просвет); [м²];

f - площадь сечения потока газа (в канале дросселя); [*г];

D - диаметр по образующей обоймы ТО и эталона; [м];

L - полная длина обоймы ТО и эталона; [м];

/щ - длина канала щелевого дросселя; [м];

сіц - диаметр канала цилиндрического дросселя; [м];

/ц - длина канала цилицдрического дросселя; [м];

h_t- текущий зазор в междроссельной камере; . [мкм];

с - средний зазор в междросселъной камере; [мкм];

е — эксцентриситет; [мкм];

m - количество каналов щелевых дросселей; п - количество отверстий цилиндрических дросселей;

9х - отклонение, погрешность систематическая; [мкм];

5х - отклонение, погрешность случайная; [мкм];

Ах - отклонение, погрешность комплексная; [мкм];

кц - коэффициент, показатель характеристики расхода цилиндрических дросселей; кщ - коэффициент, показатель характеристики расхода щелевого дросселя; кзп - коэффициент, учитывающий запас на погрешность позиционирования; клр - коэффициент, учитывающий отношение линейных размеров дросселей; kg - коэффициент, учитывающий отношение геометрических площадей дросселей; kf- коэффициент, учитывающий отношение площадей потоков газа в дросселях; кдэ - коэффициент, учитывающий отношения средних давлений в зазоре.

Введение к работе

Важной задачей в машиностроении является обеспечение высокого качества изготовления корпусных деталей на станках с ЧПУ и их эффективная работа.

Частным решением этой задачи на станках с ЧПУ, объединяемых в гибкие производственные системы (ПТС), является повышение точности автоматических измерений корпусных деталей на всем этапе технологического цикла обработки и раннее выявление размеров, не соответствующих чертежу.

Обеспечение высокой точности обработки деталей требует много времени на настройку узлов станка и оценку погрешности системы автоматического контроля, элементом которой выступают измерительные головки (ИГ), позволяющие вести контроль сложных поверхностей корпусных деталей на станках расточной и фрезерной группы обрабатывающих центрах (ОЦ).

Основное назначение ИГ - автоматическое измерение линейных размеров и межосевых расстояний отверстий в корпусных деталях на станке.

Автоматизированные системы контроля на основе ИГ и совокупности датчиков на МС позволяют автоматизировать размерную настройку инструмента и базирование детали, т.е. выполнить их привязку к координатам станка [1].

Точность работы измерительной головки на станке с ЧПУ определяют ее аттестацией, заключающейся в контактном ощупывании (измерении) заданных поверхностей эталонного средства (эталона) и их соответствие измеренным.

Эффективность применения ИГ на станках с ЧПУ зависит от уровня автомати--зации процесса аттестации. Известные способы аттестации ИГ трудоемки и малоэффективны в условии единичного и мелкосерийного производства [10]_

Погрешность контроля корпусных деталей на ОЦ модели ИР500ПМФ4 составляет около Дизм.оц ^ 20 мкм, тогда, как погрешность измерений на координатно-измерительных машинах (КИМ) не превышает Аизм.ким ^ 5 мкм.

В связи с высокой стоимостью и низкой загрузкой КИМ их применение для измерения корпусных деталей в единичном производстве нерентабельно.

Приобретение зарубежных систем с ИГ для контроля линейных размеров ответственных деталей на станках с ЧПУ требует значительных затрат.

В развитых странах мира затраты на системы контроля составляют до 30%, а в приборостроении до 70% от стоимости технологического оборудования.

На отечественных предприятиях не нашли должного распространения современные системы автоматического управления точностью (САУТО). Для широкого круга станков ОЦ не решены вопросы автоматической аттестации ИГ [7].

Помимо высокой стоимости и сложности к ИГ предъявляют ряд общих требований: обеспечение заданной шероховатости и чистоты сопрягаемых поверхностей конуса ИГ и шпинделя ОЦ; малая шероховатость измеряемой поверхности Ra < 0,5 мкм детали; стабильность температуры в зоне ОЦ и детали.

Погрешность установки ИГ в шпиндель ОЦ, часто возникающие случайные деформации измерительных наконечников (щупов) ИГ при измерении прерывистых поверхностей детали, а также влияние прочих факторов, например, нестабильность температурных полей в зоне станка являются основными факторами снижения достоверности результатов автоматических измерений.

Случайный характер проявления этих факторов снижает достоверность настройки элементов ОЦ и аттестации ИГ. Это заметно, если аттестация проводится нерегулярно, т.е. не в процессе подготовки к измерению очередной детали.

Применяемые в настоящее время средства аттестации ИГ на станках моделей ИР(ИС)320ПМФ4 - ИР(ИС)800ПМФ4, 1И22, MAZAC, SV800, SV1000 и других трудоемки и не отражают реальной погрешности измерений из-за действия перечисленных факторов, что снижает точность и эффективность ИГ.

Основная сложность проведения оперативной аттестации ИГ вызвана отсутствием средств и методов автоматической установки эталона на станок с ЧПУ. На машинах КИМ аттестацию ИГ выполняют по эталонам, установленным на длительный срок в специально отведенных местах стола, где дрейф координат положения эталона во времени не превышает Syj < 3 мкм. Лучшая термо стабилизация обеспечивается установкой станков и вспомогательного оборудования в термостабильных кабинах.

К средствам аттестации ИГ на станках с ЧПУ необходимо предъявлять аналогичные требования- Перенос на станок способов и средств аттестации ИГ, аналогичных станкам КИМ, невозможен по следующим причинам:

- на столе станка, в отличие от КИМ, нет специально отведенной зоны для установки эталона на длительный период, где будет защищен от повреждений;

- установка эталона в зоне обработки детали будет мешать установке и снятию очередной детали, а выделяемое тепло, стружка и СОЖ влияют на изменение геометрических размеров и чистоту эталона.

Следовательно, эталон на стол ОЦ необходимо устанавливать на короткий срок -на период проведения аттестации и измерения очередной детали, а не для всей партии деталей в течение смены, как это практикуют [35].

Автоматическая установка эталона подразумевает его базирование, т.е. точную ориентацию и фиксацию эталона на поверхности стола станка.

Манипуляторы, применяемые для автоматического базирования и установки инструмента, не могут быть приспособлены для установки эталона на стол станка. Роботизированные средства, применяемые на некоторых типах станков для установки деталей весом 0,5 - 2 кг, обеспечивают погрешность установки Зуд < 50 мкм и часто создают забои и царапины на поверхности детали при ее контакте с поверхностью стола [3].

Для точной ориентации эталона можно предложить устройства с пневмоэлемен-тами, применяемые для формирования газового слоя, аналогичные устройствам, используемым в ответственных агрегатах некоторых моделей станков для ориентации шпинделя. Быструю и точную фиксацию эталона можно выполнить при помощи магнитной оснастки, включая специальный магнитный стол.

Большой вклад в разработку технических средств повышения точности и надежности агрегатов и элементов станков с ЧПУ внесли ученые Л.А. Залманзон, СВ. Пине-гин, С.А. Шенберг и другие.

Их результаты использовались в данной работе и позволили создать систему оперативной аттестации ИГ на основе технологической оправки (ТО), служащей для автоматической установки эталона на стол станка с ЧПУ.

В данной работе предлагается устройство, в котором между цилиндрическими образующими поверхностями ТО и эталона создается газовый слой (газовая опора) для диаметральной ориентации эталона (вала) в обойме ТО,

Погрешность диаметральной ориентации эталона в ТО зависит от протекающих процессов в газовой опоре и параметров устройства: рабочего зазора с, питающего давления р₀ воздуха и геометрических размеров дросселей.

Предлагаемый метод автоматической установки эталона на стол ОЦ отличается от известных методов тем, что, управляя процессом установки эталона и аттестацией в целом, можно снизить погрешность измерений и повысить эффективность ИГ.

С другой стороны, современный подход в применении последних достижений науки и техники в области повъпиения точности и надежности автоматических систем контроля (использование пневмодатчиков в сочетании с микроЭВМ), позволяет повысить эффективность, надежность и точность систем с ИГ путем снижения времени на их диагностику, настройку и аттестацию.

Исследованиями измерительных систем с пневмодатчиками занимаются такие ученые, как: Ю.С Шарин, О.Б. Балакшин, А.Н. Шельпяков и др.

Результаты их работ используются в данной работе для создания автоматической системы контроля с ИГ на основе пневмодатчиков и микроЭВМ.

Задача повышения точности и эффективности работы систем контроля с ИГ в единичном и мелкосерийном производстве особенно актуальна при изготовлении дорогостоящих корпусных деталей на отечественных станках с ЧПУ.

Низкая точность и эффективность ИГ на станках обусловлена:

низкой периодичностью проводимых аттестаций ИГ;

неудовлетворительной достоверностью результатов измерения ИГ;

отсутствием системы коррекции и настройки элементов МС в текущее время;

Для повьішеїшя точности контроля корпуспых деталей и эффективности применения ИГ на станке необходимо вести работы в следующих направлениях:

разработка технических устройств для проведения оперативной аттестации ИГ;

разработка элементов и схемы для автоматической системы контроля с ИГ.

В этом аспекте задача разработки технических устройств для проведения оперативной аттестации ИГ с целью повишеїшя точности контроля корпусных деталей на станках автором поставлена и решена впервые.

Несмотря на большое количество публикаций проблема автоматической установки эталона на стол станка с заданной точностью и с использованием устройств с пневмоэлементами, практически не изучена.

Важным аргументом применения пневмоэлементов при решении поставленной задачи является управляемость процесса установки эталона и оперативность ее проведения, а также простота эксплуатации технологической оснастки.

Однако, для внедрения системы оперативной аттестации необходимо всестороннее исследование физических явлений, процессов и факторов, влияющих на ее точность, технологичность, надежность и эффективность.

Для достижения высокой точности и эффективности системы оперативной аттестации, необходимо теоретическое и экспериментальное исследование особенностей поведения эталона (точность и повторяемость параметров) в устройстве, формирующем газовый слой, с целью разработки научно-обоснованных предложений по внедрению результатов исследования в производство,

В данной работе: "Исследование и разработка системы оперативной аттестации измерительных головок на станках с ЧПУ" решаются задачи повышения точности контроля на станках за счет оперативной оценки погрешности средств контроля и совершенствования работы элементов системы контроля с ИГ.

На основании этого разработана система оперативной аттестации ИГ и автоматическая система контроля с ИГ, содержащая пневмоэлементы и микроЭВМ.

Научное обоснование необходимости создания системы оперативной аттестации ИГ в сочетании с разработкой универсальных компонентов системы контроля с ИГ, позволяет считать работу в данном направлении актуальной.

Целью работы является повышение точности контроля размеров корпусных деталей и повышение эффективности станков с ЧПУ в процессе механической обработки за счет автоматизации и оперативности проведения аттестации (контроля погрешности) измерительных головок.

Задачи исследования и направление разработки:

1. Провести анализ источников погрешности автоматизированных измерений линейных размеров корпусных деталей приюбработке на станках с ЧПУ.

2. Построить физическую модель зависимости погрешности элементов системы оперативной аттестации измерительных головок по эталону на станке с ЧПУ.

3. Предложить способ и средство автоматической диаметральной ориентации и фиксации эталона с минимальной погрешностью на станке для проведения последующей оперативной аттестации измерительной головки.

4. Разработать адаптированную для системы оперативной аттестации измерительную головку с акустическим пневмодатчиком и дать методику оценки ее параметров на основе экспериментальных данных.

5. Разработать автоматическую систему контроля линейных размеров деталей на ОЦ,

приняв за основу систему оперативной аттестации ИГ по эталону на станке с ЧПУ и результаты исследования акустического пневмодатчика.

Методы исследований. Основная часть поставленных задач решена экспериментальными методами с использованием стендов и станков с ЧПУ. Для оценки микро перемещений (погрешности диаметральной ориентации) эталона в междроссельной камере технологической оправки и фиксации эталона, а также микро перемещений чувствительного элемента в акустическом датчике автоматической системы контроля с ИГ использовали микронные индикаторы, датчики микро перемещений и измеритель статических деформаций АИД-2М, ИД-2И, а также блок АЦП и ЭВМ.

Параметры потоков сжатого воздуха в исследуемых объектах измеряли с помощью аттестованных ротаметров, манометров, тензометрических датчиков давления и тензо-станции. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием методов математической статистики средствами вычислительной техники.

Теоретические исследования процессов работы опытных образцов автоматических устройств для аттестации измерительных головок выполнены на основе уравнений движения вязкой несжимаемой жидкости.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

в достоверном выявлении источников погрешностей измерительной головки и обосновании необходимости проведения автоматизированного и оперативного контроля погрешности ИГ в ходе финишной обработки корпусных деталей па станках с ЧПУ;

в экспериментально подтвержденных теоретических выводах о том, что основным: параметрам ₉ влияющим . на производительность, точность и надежность функционирования системы автоматической и оперативной аттестации ИГ^ с применением эталона является погрешность установки эталона на станок;

в функциональных зависимостях, определяющих суммарную погрешность аттестации ИГ в ходе технологического процесса обработки деталей на станках;

в результатах экспериментальных исследований адаптированной для системы оперативной аттестации ИГ с акустическим пневмодатчиком положения и микроЭВМ и синтезированной на их основе автоматической системы контроля линейных размеров корпусных деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ.

Практическая ценность. На основе экспериментальных и теоретических исследований изготовлены и испытаны в производственных условиях опытные образцы

//

нового аттестационного устройства и элементы автоматической системы контроля и получены следующие результаты;

продолжительность разовой аттестации ИГ снижена с 30-ти до 3-х минут, за счет чего снижаются простои станков с ЧПУ на 25 - 30%;

снижены погрешности автоматизированных измерений корпусных деталей на ФГУП "Боткинский завод" на 20 — 25% и потери от брака на 15 - 20%;

доказана целесообразность проведения оперативной аттестации ИГ после обработки очередной (каждой) корпусной детали на ОЦ;

Практическая ценность и научная новизна полученных результатов подтверждена двумя патентами на изобретение.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы:

на ФГУП "Боткинский завод" на станках с ЧПУ в гибкой производственной системе МАК-25 при автоматическом контроле размеров корпусных деталей;

в учебном процессе в Боткинском филиале Ижевского государственного технического университета в курсах "Автоматизация производственных процессов", /Проектирование технологической оснастки" и "Конструирование и технология производства".

Апробация работы. Основные положения диссертации публиковались и докладывались на конференциях:

"Датчик-95" (1995, Гурзуф, Украина);

"Информационные технологии" ВФ Иж ГТУ и ФГУП ВЗ (г. Воткинск, 1998);

"Информационные технологии в инновационных проектах" (г. Ижевск, 1999 и 2000);

"Социально-экономические проблемы развития региона" (г. Чайковский» 2001);

"Инновационные технологии в машиностроении и приборостроении'* (Ижевск 2002);

"Проблемы машиностроения и мехаяотроники" (г. Ижевск 2002);

на семинарах кафедр "Технологии машиностроения и приборостроения" и "Организации вычислительных процессов и систем управления" Боткинского филиала Иж ГТУ (г. Воткинск, 1997-2003 г.)-

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе получено два патента на изобретения.

Автор глубоко благодарен доктору технических наук, профессору Борису Анатолиевичу Якимовичу за помощь и содействие при выполнении кандидатской работы.

1. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ГОЛОВОК И СПОСОБЫ ИХ АТТЕСТАЦИИ НА СТАНКАХ С ЧПУ

(аналитический обзор)

Объектами технического контроля при механообработке на станках являются не только обрабатываемые изделия, но н применяемые средства контроля, параметры технологического процесса и окружающей среды.

Задачей главы является анализ доминирующих факторов н связанных с ними погрешностей, влияющих на качество автоматических измерений^ проводимых измерительными головками при финишной обработке корпусных деталей на станках с ЧПУ.

ІЛ. Анализ ноіреіііности систем коніроля с ИГ и ил эффективности при автократических измерениях на станках с ЧПУ

Одной из важных задач современного машиностроительного производства является высокоэффективная работа обрабатывающих станков по выпуску качественной продукции при низкой ее себестоимости. В машиностроении обработку корпусных деталей сложной формы ведут на обрабатывающих центрах (ОЦ) расточной и фрезерной группы, которые часто объединяют в гибкие производственные комплексы [2].

Вопросы повышения точности автоматизированной обработки и измерений рассматриваются на всем этапе изготовления корпусных детален и зависят от способа настройки станка, приспособления, инструмента и детали.

При автоматизированном измерении линейных размеров корпусных деталей на станках с ЧПУ применяется метод измерения по координатам. Основным инструментом взаимодействия с поверхностью детали (средством автоматизированного контроля) является щуповая измерительная головка (ИГ) касания или отклонения [5].

Применение ИГ на счянке позволяет автоматизировать процесс базирования приспособления, корпусной детали и настройку инструмента, т.е. фиксировать фактические размеры и положение профиля поверхности детали при отклонении щупа ИГ и представлять системе ЧПУ станка информацию о фактическом размере нлн положении координат поверхности или отверстия детали [8],

Для контроля сложных поверхностей детали часто применяют несколько ТИПОВ ИГ или типоразмеров щупов, входящих в комплект ИГ» а это требует периодическую и индивидуальную оценку их погрешности.

Погрешность координатных измерении Ди-ад на ОЦ зависит погрешности позиционирования,, т.е. от влияния систематической погрешности бгь, (при многократном позиционировавши подвижных элементов станка в заданную точку), либо от случайной погрешности 5^ (при однократном позиционировании). Результатом этого влияния является несовпадения реального и заданного пути движения инструмента [9].

На процессе измерения часто влияют ошибки программы и ошибки оператора, измерение прерывистой поверхности детали, что вызывает упругие или остаточные деформаянн элементов ИГ. Погрешность измерений на станке зависит так же от шероховатости контролируемой поверхности детали, которая не должна превышать Ra 0,5 мкм при финишной обработке корпусной детали.

Влияние случайных (5) и систематических (В) погрешностей формируют комплексную (Д) погрешность измерений, достигающую значения Ді^_ч * 15 - 25 мкм [30].

Погрешность координатных измерений Ди-іч детали на станке не должна превышать погрешности финишной обработки Доср* проводимой на этом же станке, т. к. система (устройство) ЧПУ станка имеет обратную связь по размеру (рисунок 1Л ),

/*

Шзипдеяь станка

/

датчик Д{г)

Внешний Олок

1 лрСОирйЗОБШЇИЯ

И Сопряжения"

нтпинделя і ПРИВОД *

t стіп І

_ Стад

ЧПУ или ЭВМ

Д(*Г Д(у)'

Программы управления и измерения

Датчики перемещений: -* ^ — продольного Y - поперечного

і *~ —* *

_ - \і"'"і' ІД. .'"'. . .-.-.±г.!~-г^-. .^-«- . —

,.-.^...,-.,. ,..-...^_к._г. . .--,-„-.,.. .L

,.Г"' ^^vvnv^;.^..,/ г-—J

Рисунок IX Структурная схема автоматической системы контроля с ИГ на станке

Автоматический контроль линейных размеров корпусных деталей на станке аналогичен процессу измерения поверхностен эталона при аттестации средств контроля на этом же станке, поэтому трретаности измерения и аттесттрт формируются влиянием совокупности погрешностей одного вида.

Многолетняя практика применения ИГ для измерения корпусных деталей, обрабатываема на ФГУП в условиях обычного цеха на МАК-25 на станкал с ЧПУ, и проводимая при этом аттестация средств контроля, позволила получить данные для оценки факторов, влияющих на погрешность измерений (рисунок L2):

в интервале времени t> -t\ выполнялась настройка элементов станка;

в интервале времени U -1₃₄ Ь- Ц, t₅- t₆,.^ вьптолнялась обработка очередной детали;

в интервале времени t₂ - tj_t U- Ь, t^- ty,— проводился автоматический контроль линейных размеров очередной обработанной корпусной детали (время t_iU^ = 5 -1D мин.).

Во время t₂, U, ^.^проводилась аттестация ИГ с помощью эталона, установленного на станке на длительное время. Время аттестация составляло tAni — 2 - 3 мнн.

Экспериментальные кривые (А, Б₅ В) отражают изменение погрешности Дншс размерной настройки многооперационного станка (МС) в случае различной интенсивности его работы (вьшаженной отношением времени непрерывной работы станка на время рабочей смены при неизменных средних скоростях резания): А) интенсивность = 65-60¹) Б) интенсивность ^ 70-65%: В) интенсивность - 75—70%.

Йщы:

Ь~~Ь ГойО 2 (МО 3 (Ы-)

4 t

5 in

* ;

цчасі

Рисунок 1.2, Изменение погрешности размерной настройки станка во времени

Общее время обработки корпусной детали составляло около 1 часа. Простои станка были вызваны потерей времени на проведение подготовительных операций:

снятие предыдущей, установка и крепление очередной детали (3-5 мин.);

настройка детали и определение припусков на обработку (3-5 мин);

контроль размерных целей после обработки детали (4-6 мни.);

прочие потерн (4-6 мин.) - доля суммарного времени отнесенного к одному часу работы станка: (настройка станка, режущего инструмента и аттестация ИГ).

В процессе обработки детали в зоне станка изменяются тепловые поля (внешние факторы) и влияют на изменение размерной настройки, формируя погрешность Д_га_

По данным многолетних наблюдений выявлено также, что начальная погрешность Дркоц размерной настройки ОЦ (на участке времени to -1\) составляет до 5 мкм, а в процессе работы станка (на участке to - Ъ) суммарная погрешности может вырасти до Драоц ** S *12 мкм. Формирование погрешности вызвано ростом температуры внешней среды, особенно в летний период, и в меньшей степени прогревом агрегатов станка при финишной обработке корпусных деталей. Суммарная погрешность Дрноц включает погрешности Дрнсл средств аттестации и средств контроля Дрн ск на станке.

Рисунок 1,3, Дрейф начального положения эталона

На величину погрешности Др^сд размерной настройки средств аттестации влияет как погрешность установки эталона (рисунок 1.3) в данный момент, так и изменение положения координат эталона во времени, если эталон оставлен на столе станка на длительный период для сокращения времени проведения следующей аттестаций ИГ.

Запись в ЧПУ станка координат Х-*» Y^ Z-** установки эталона выполняют с целью последующего позиционирования шпинделя станка с ИГ в известные координаты эталона дли оненки погрешности ИГ,

Периодическое (после обработки очередной детали) позиционирование шпинделя с ИГ в координаты Ху* Y-y* Z-& начальной установки эталона (известные ЧПУ) для аттестации ИГ» показывало несовпадение координат эталона по отношению к ранее известным с ошибкой 3-5 мкм. Это свойство не позволяло сразу оценить ситуацию а результате влияния какого фактора координаты не совпадают.

За время работы станка эталон подвергается загрязнению^ при этом установлено* что дрейф эталона в окрестности координат Х-v* \Ч* Z^, составляет до ± 8 мкм за смену работы станка модели ИР50Ш1МФ4. В результате величину погрешности Д_иг можно оценить не лучше Лиг «7—8 лпем, что характеризует низкое качество аттестации, т,е. низкую чувствительность системы к опенке погрешности ИГ, не позволяя в дальнейшем судить об истинной погрешности Диw. измерений на станке.

Поэтому, такой вид аттестации малоэффективен, т.к. он снижает чувствительность системы аттестации к выявлению погрешности средств контроля.

Исследование степени влияния тепловых полей на изменение настройки элементов технологической системы требует определение совокупности значений температуры в данный момент времени для точек исследуемого пространства на станке, где находятся средства аттестации н средства контроля. Например, за смену (в летний период) температура в зоне станка изменяется в среднем на 6 - 8 гра-їусов.

Можно отметить, что стабилизация температуры станков на механическом участке применяется очень редко из-за дороговизны. Вследствие этого можно отметить, что избавиться от влияния тепловых полей достаточно сложно, но с другой стороны:

финишная обработка не связана с интенсивным выделением тепла в зоне обработки, т.к. припуски на обработку малы, в результате чего деталь нагревается незна*штельно;

перемещения подвижных органов станка на повышенных скоростях при финишной обработке также не вызывают значительного выделения тепловых полей на станке.

В совокупности, за смену работы, эти источники тепловых полей изменяют местный тепловой фон в зоне детали менее чем на 15%.

Более широким диапазоном изменения температуры в зоне станка (± ДТ <1 1,5*С за час) обладают внешние тепловые поля. Средняя температура Т_Ср — 24С в зоне станка за смену может изменяться в диапазоне ± ДТ < 6"С.

Эти тепловые поля действуют не локально» а на всю технологическую систему» поэтому изменение линейных размеров всех элементов системы происходит равномерно. Поэтому, изменения (приращения) температуры детали по отношению к температуре в цехе редко превышают значения ДТ = + 3 - 5С

За это время приращение размера стальной или чугунной детали по любой координате на длине L = 300 мм не превышает 16 мкм [25]. Для исключения нагрева детали и для исключения ее перегрева на станке часто применяют местный обдув обрабатываемых поверхностей сжатым воздухом (в крайних случаях применяют СОЖ).

Поэтому влиянием общих и местных тепловых полей можно пренебречь, если полагать^ что время аттестации и измерения на станке составляет не более tum й 15 мин, и іїрн этом изменение температуры в зоне детали и станка не превышает ± ДТ 1С.

В связи с этим, погрешности формируемые тепловыми полями можно отнести к

ПрОЧНМ ПОГрешНОСТЯМ бпроч, Т.К. ВКЛад ВЛИЯНИЯ ТеПЛОВЫХ ПОЛеЙ В формирование ПО'

грешности измерения не превышает 20% и их влияние несущественно.

Методы расчета тепловых полей и упругих деформаїшй на станках с ЧПУ подробно рассмотрены в работах КХС. Шарина, Ю.Н. Соколова и других [21, 26].

По многолетним данным работы ОЦ было установлено, что погрешность измерений зависит как от периодичности аттестации средств контроля на станке, так н от чувствительности системы аттестации к выявлению возникающих погрешностей ИГ.

Проведем анализ погрешности Др_Н размерной настройки с целью выявления доминирующих факторов, влияющих на погрешность автоматических измерений на ОЦ,

Размерная настройка элемента станка выполняется в технологическом цикле в соответствии с задачами каждого этапа, а результат настройки отражается замыкаю-щгш звеном размерной связи этого этапа [38, 46],

Погрешность Дрн размерной настройки элементов станка есть функция влияния совокупности погрешностей: 0^-, позиционирования, б^пу системы ЧПУ станка, бу_ст установки детали и инструмента.

С учетом составляющих погрешности Дрн текущая погрешность A_AtT. аттестации соответствует погрешности Д|*_1Ч.э измерений эталона на этом же станке:

Дрн = Ащч,:> ⁼ Даті. */(б|!въ 5чну> Днг* Ау:>) О Л)

В обшем случае погрешность Л^ измерений* как и погрешность Д^_п аттестации на этом же станке формируется составляющими погрешности одного вида; привода (позшщонированияХ датчиков и схем преобразования, наличием зазоров и люфтов в направляющих, несоблюдением принципа Аббе и прочими факторами [49, 50].

Характеристикой станка, учитывающей погрешность бчпу системы ЧПУ, является дискретность отсчета. Например, ОІД фрезерно-расточной группы нормального класса точности имеют дискретность перемещения по координатам до 5 мкм, а станки класса В имеют дискретность перемещения по координатам до 0,001 мм при погрешности Да*, < 0_Ч015 мм и повторяемости 9шї 0,006 мм. Погрешность Дп«* однократного позиционирования на ОЦ модели ИР-500 составляет до Дп^ 5 15 мкм и является функцией систематической и случайной погрешностей вш* и 8.

Для снижения погрешности впо! и бпоч, повышают жесткость системы, ограничивая зазоры и люфты стола и шпинделя. При этом на станке растут упругие деформации, вызывая резонанс элементов станка при повышенных скоростях перемещения [22],

Величину погрешности Дї>іїск размерной настройки средств контроля на станке, в частности погрешность А_Жг рассматриваемую функцией погрешностей; установки $г> элементов преобразования бп.иг и 8скж свободного хода (кинематики) ИГ оценивают по эталону при аттестации. Поэтому снижение погрешности Дуэ установки эталона и исключение дрейфа его положения в системе координат станка можно достичь уменьшением времени пребывания эталона на столе станка. Это позволит повысить чувствительность системы аттестации к выявлению погрешности 5уиг на уровне 3-4 мкм и погрешность Зек иг свободного хода (датчика ИГ) на уровне 1-2 мкм.

В заключении можно отметить, что качество автоматизированных измерений зависит от интенсивности и степени влияния отмеченных факторов на элементы станка.

В совокупности они проявляют себя систематически и случайно и вызывают, как было отмечено, размерной насіройки элементов станка и системы контроля.

Возникающие нередко остаточные деформации элементов (датчиков и щупов) ИГ связаны с порчей ИГ или ее чувствительных элементов-датчиков.

Поэтому, надобность в систематической оценке состояния точности средств контроля и возникающих отклонений очевидна.

Анализ характеристик средств контроля (измерительных головок) и методов их аттестации на многооперациокных станках позволит обозначить пути и методы повышения томности автоматических измерений.

1,2, Анализ характеристик измерительных головок, применяемых для контроля линейных размеров корпусных деталей на станках

Основные требования, предъявляемые к измерительным головкам:

высокая чувствительность и точность схемы измерения н преобразования;

высокая надежность и автономность работы ИГ в составе системы ЧПУ станка;

наличие стандартного интерфейса для связи ИГ. с любой системой ЧПУ станка.

Анализ известных конструкций ИГ, отличающихся типов измерительных датчиков [15-20] и способом представления информации о смещении щупа в ИГ касания и отклонения - представлен на рисунке АЛЛІ.

Там же приведены способы установки эталона и способы аттестации ИГ, а также сравнительные параметры точности аттестации ИГ и измерения на ОЦ по сравнению с КИМ. При всем разнообразии отечественных и зарубежных систем с ИГ все они нуждаются в периодичной оценке на точность в условиях станка.

Эксплуатационные характеристики распространенных типов ИГ приведены в таблице АЛ .П. по сведениям публикаций литературных источников и проспектов.

Эксплуатационными показателями известных головок [12, 42] являются: тип ИГ (касания или отклонения); количество измеряемых координат; 1, 2, 3; система питания ИГ и способ передачи сигналов от ИГ в систему ЧПУ.

Согласно ГОСТ 8009-83 параметрами ИГ как средства измерения, являются;

а) пределы допустимого размаха срабатывания (от 100 мкм до 10 мм);

б) диапазон измеряемых, отклонений (дискретный или аналоговый);

в) погрешность нелинейности характеристики преобразования.
Характеристика (а) необходима для оценки качества ИГ касания, а характеристи
ки (б, в) для оценки качества ИГ отклонения. ГОСТ16263-70 классифицирует два ме
тода измерений; нулевой и метод ертнення с мерой [49, 50],

Информация о положении координаты измеряемой точки или поверхности при контроле поступает в ЧПУ от логического сигнала ИГ касания (нулевой метод), либо от аналогового сигнала ИГ отклонения (сравнителыгый метод).

В России распространены оба метода* а разработкой таких ИГ в 90-х годах занимался ВНИИ измерений (Минстанкопром) [14,42, 48],

2/

Рабочими характеристиками двух типов измерительных головок являются;

1. погрешность 5ск,иг свободного хода (кинематического узла), включая погрешность 5ц.иг элементов и схем преобразования в ИГ - чувствительность б

2. погрешность определения значения координаты измеряемой точки;

3. время, затрачиваемое на единичное измерение (производительность).

В отношении погрешности бск.иг ^и 8п,иг можно отметить следующее.

Нулевая ИГ (ИГ касания) является эдектроконтактным датчиком, физические явления которого позволяют получить точность срабатывания около 2-х мкм. При перемещении измерительного щупа ИГ перпендикулярно его оси, с учетом передаточного отношения (4:1) от шупа ИГ к контакту, устойчивый разброс срабатывания контактов ИГ составил 8с_в.ход = 3+5 мкм (данные испытаний в ШШМаше, проведенные с измерительной головкой Renishaw) [48].

Поэтому погрешность ИГ касания выше при контроле размеров отверстий, т.к_ в этом случае щуп ИГ перемещается перпендикулярно оси шпинделя станка.

ИГ отклонения лишены этого недостатка, т.к. снабжены линейными измерительными преобразователями отклонения. Индуктивный датчик перемещений (моя 233) обеспе'тивает разброс измерений в диапазоне 5(/) = &цщ- - ± 1 мкм.

Для выделения сигнала ИГ касания из общего уровня импульсных помех, воздействующих на ЧПУ, применяют помехоустойчивое кодирование сигнала.

Измерительный цикл на 2-х стороннее позиционирование ИГ относительно поверхности детали составляет tn₀* = 1 - 2 с.

Уровень скоростной ошибки бек падает при снижении скорости о подвода ИГ касания к поверхности детали, а это снижает эффективность измерений. Чтобы сгладить это противоречие на практике применяют алгоритм измерения [34], который также справедлив и для аттестации ИГ. При использовании нулевого и сравнительного метода измерений, значительную роль играет динамическая погрешность Ъц^ позиционирования* связанная с пєсобпздєееиєм действителыгого положения рабочего органа станка и запрограммированного Х^ в различных точках по пути его перемещения по одной из координат. Если применяется ИГ отклонения, то рабочий орган станка позиционируют до заданной измеряемой точки координаты Х_їі1 и останавливают.

ИГ фиксирует действительное положения измеряемой точки, а система ЧПУ вычисляет отклонение действительного рахмера поверхности детали.

Разброс действительных положений рабочего органа станка увеличивается на величину Д/ (зону нечувствительности), возникающую при реверсивном перемещении рабочего органа стаііка. Зона нечувствительности ИГ Д/ при реверсе рабочих органов станка достигает значения Д/ = 2 -4 мкм (для донны щупа L = 50 мм) [11,13].

Анализ разных типов ИГ показывает, что применение ИГ отклонения дает меньшую погрешность, чем ИГ касания, т.е. сравнительный метод измерений имеет меньшую погрешность, чем нулевой. В настоящее время на отечественных станках при измерении ^чна проход" применяется нулевой метод [47] в связи с применением в практике нулевых ИГ, т.к отечественные системы ЧПУ не работают с ИГ отклонения.

Имеющийся парк ОЦ со стандартными системами ЧПУ необходимо снабдить универсальными ЧПУ, либо ИГ, которые сами вычислят величину отклонения щупа* например, системы ЧПУ типа CNC обладают таким свойством.

Значительный парк ОЦ оборудован системами ЧПУ - NC₅ DN, FANUC не имеющих такой гибкости, что ограничивает применение различных типов ИГ.

ИГ отклонения не требует жесткой связи с ЧПУ т.к, обработку сигналов ИГ часто выполняют схемами с микропроцессорами, а затем сигнал передают в ЧПУ станка.

Критерии применимости обоих типов ИГ в источниках отсутствуют.

Погрешность значения координаты измеряемой точкп часто возникает от появления дефектов кинематического узла ИГ (бск.иг) или щупа ИГ в связи с измерение сложных и прерывистых поверхностей детали. Поэтому возникает проблема частой замены щупа, а иногда и ИГ, Деформации элементов ИГ, полученные в результате неверных действий при измерении, а так же при переустановке или замене щупов ИГ, превышающие величину бс^иг ^> 3 - 4 мкм, являются частыми источниками погрешности измерения.

Эффективность ИГ зависит от характеристик системы ЧПУ, скорости канала передачи данных от ИГ к ЧПУ_> наличия систем защиты (подавления) от помех в схемах преобразования и в канале связи, совершенства и надежности элементной базы. Отличительной особенностью большинства типов ИГ является различие способов представления информации о смещении наконечника ИГ при касании или отклонении.

Известные типы ИГ с измерительными преобразователями (ИП) и их основные характеристики приведены по источникам [120» 123] в таблице А.2.П,

Отечественные ИГ с индуктивными ИП (три группы классификации) имеют высокую энергоемкость, сложны в эксплуатации» ненадежны и громоздки в связи с использованием устаревшей дискретной элементной базы 80-х годов.

Анализ характеристик точности, надежности и энергоемкости схем индуктивных ИП в серийных ИГ выполнен по материалам рекламных публикаций и источников и приведен на рисунке А.2.П.

По данным 90-х годов разработчиком большинства отечественных индуктивных ИП являлся завод "Калибр" ВНИИ измерений [55],

В 90-х годах на ОЦ получили распространение ИГ отклонения с ИИП и схемами на основе микропроцессора, позволив снизить погрешность измерения ИГ до величины Лиг < 2 мкм (без учета погрешности Sy»r установки ИГ).

Из анализа парамеїров оіечественньїх ИИП 80-х 90-х годов, можно отметить их некоторые недостатки; нестабильность и нелинейность ВЧ генераторов питания датчиков в ИИП; нестабильность параметров вторичных измерительных преобразователей а нестабильность работьт отсчетных преобразователей (ОП), которые можно заменить мнкроЭВМ с интегрированной схемой АЦП - аналого-цифрового преобразования.

Серийные ИИП имеют относительную суммарную погрешность преобразования 3(/) ^0,5%, мощность потребления Риип^ 500 милливатт, вес ад 2 кг [122].

Слабое подавление помех при передаче сигналов в устройствах с многоступенчатыми ИИП нередко приводит к сбоям в работе, поэтому требуется до 3-х - 5-ти полных циклов преобразований сигнала от датчика ИП Поэтому можно отметить существование проблемы низкой надежности и некорректной работы систем контроля с ИИП,

Примером повышения точности, гибкости и универсальности автоматических систем контроля, совместимых с ЧПУ является применение систем с ИГ построенных на основе пневмолатчиков и современных микроЭВМ [90-95].

Громоздкие датчики ИП не позволяют рассматривать перспективу их применения в малогабаритных автоматических системах контроля с ИП

Проблемы повышения эффективности й точности систем контроля с ИГ, ставят задачи замены устаревших систем с измерительными индуктивными преобразователями (ИП) на системы контроля с новыми типами датчиков.

Применение неконтактных пневмодатчиков, требует разработки новых схем преобразований, обладающих высокой то^гшостью, надежностью и простотой.

Примером может служить ИГ с новыми конструктивными и технологическими признаками; в качестве чувствительного элемента - акустический тшевмодатчик; в качестве схемы преобразования и передачи параметров измерения - микроЭВМ,

Современные зарубежные системы на основе МП схем обладают этим свойством.

В отечественных системах контроля [62-63] есть примеры применения пневмодатчиков н пкСБмоздсмектоз в сочетании с микропроцессорами.

Дня применения пневмодатчиков в ИГ необходим анализ их рабочих параметров, т.е. системный подход к проектироваїїию системы измерения н преобразования на основе микроЭВМ- Вопросы разработки систем на основе микроЭВМ в совокупности с малогаоаритнымн измерительными датчиками является еднеи из задач повышения точности и эффективности ИГ,

Достижение современной микроэлектроники по созданию автоматических систем контроля с ИГ позволит повысить; эффективность настройки и аттестации; точность измерения; разгрузить систему ЧПУ для решения задач управления точностью.

Анализ характеристик различных типов ИГ показал, что отечественная промышленность нуждается в надежных н точных ИГ.

Если измерительная головка установлена в шпиндель станка, то суммарную погрешность ИГ можно оценивать функцией влияния погрешностей:

Аиг(ОЦ) ~ /(8ск.нг* Злит* 5г.иг, 5у иг) (12)

бскнг- собственная и кинематическая механизма (свободный ход) ИГ;

S-циг ^5(/)-схемы преобразования и чувствительности элементов ИГ;

5г,иг " геометрических размеров;

оу.иг установки ИГ в шпиндель станка.

Анализ характеристик и типов ИГ_Э параметров точности, принципа работы с учетом их достоинств и недостатков позволен сделать следующие выводы: Г оценку состояния и точности ИГ в составе измерительной системы станка необходимо проводить с периодичностью измерения очередной детали;

2. для периодической оценки точности ИГ на станке требуется решить комплекс задач по обоснованию средств и методов для проведения оперативной аттестации ИГ.

3. отечественные ИГ менее универсальны, имеют низкую точность и надежность.

4. с целью повьїшєїшя точности автоматических измерений па ОЦ необходимо обозначить возможные пути повышения точности, универсальности и надежности ИГ;

разработка новых типов датчиков, способов преобразования к передачи информации;

отказ от устаревших схем преобразования, выполненных на дискретных элементах; использование микроЭВМ в системах с ИГ.

1.3, Способы аттестации средств контроля на станкахС Низ

Известные способы размерной настройки станков с ЧПУ (1-й, 2-й и 3-й тин размерной настройки) и аттестации КГ ка станках, базируются на измерении поверхностей специального эталонного средства [И, 13, 39].

Не приводя известную методику поверки ИГ в лабораторных условиях, где ГОСТ 8.009-84 регламентирует комплекс поверок средств контроля, рассмотрим способ аттестации ИГ при настройке станков в цехах ФГУП Боткинский завод.

В состав гибкого производственного комплекса МАК-25 входит ірушщ станков моделей ИР320ПМФ4 - ИР800ПМФ4, а также 1И22, MAZAC, SV800 и SV1000 с сие-темами ЧПУ типа TNS-600 и FANUC (модель 6, модель II) и CNC

На данных станках нет средств оперативной аттестации ИГ, поэтому ее выполняют на каждом станке поэтапно, вручную, а время проведения составляет t^-rc - 30 мин,

1) Рассмотрим этапы аттестации ИГ с технологическим аттестационным приспособлением (ТАЛ, шифр СП-897), закрепленным па спутник (рисунок 1.4):

а) На ТАП закреплен эталон с плоскостью по координате Y и отверстием
с1э - 50,000 ± 0,005 мм для контроля по координатам X н Z.

б) После фиксашш ТАП со спутником на столе ОЦ в шпиндель устанавливают оправку
со стрелочным индикатором (шифр: МИГ-1-1) с ценой деления I мкм.

в) По поверхностям эталона с координатами X, Y и Z проводят настройку
индикатором для выверки координат эталона со спутником на столе ОЦ.

-*Y«-

VJAJ»II'

Эталон

_{гт_}^:

z^

Рис. ІІА

ЇІйіирЛРЛЬ МС

"Т⁴

Индикатор

Спутник Г

2*г

Рис. 1.2-Б

_{^ д}

Прислссойкние ТАП _г^

СголМС

Рисунок 1.4. Способ определения нуля координат эталона (А) и аттестация ИГ (Б)

г) После установки ИГ в шпиндель станка проводят аттестацию (поверку)
ИГ обкаткой шарика ИГ по эталону, с учетом известных координат.

д) После проверки соответствия точности измерения элементов ИГ по эталону
результат аттестации переписывают в систему ЧПУ станка.

На всех станках в МАК-25 аттестацию ИГ проводят один раз в смену в связи с высокой трудоемкостью аттестации вызванной сложностью установки эталона.

В исключительных случаях ТАП с эталоном оставляют на свободном (от детали) месте стола станка на всю смену для проведения текущей аттестации ИГ при обработке и контроле партии сложных корпусных деталей; При этом проведение текущей аттестации связано со следующими проблемами:

приспособление ТАП подвергается воздействию СОЖ и стружки при обработке очередной детали, а это требует последующей чистки приспособления;

приспособление ТАП часто мешает установке и снятию со стола очередной корпусной детали, что является причиной ударов деталью по ТАП и эталону;

длительное действие тепловых факторов вызывает дрейф координат TAIL Действующие совместно перечисленные факторы сдерживают применение данного

метода аттестацди ИГ на всех станках с ЧПУ на МАК-25.

2) Рассмотрим этапы настройки, обработки и контроля на станке с ЧПУ;

а) Вместо спутника с приспособлением ТАП на стол станка устанавливали
приспособление для детали и определяли точность установки.

б) После установки детали в приспособление, при помощи ИГ проводили замер
поверхностей детали и определяли величину припуска на финишную обработку.

в) Далее проводили финишную (чистовую) обработку детали.

г) По завершению обработки поверхности деталь измеряли по программе ЧПУ,

Некоторые ответственные размеры перепроверяли индикаторными наладками (нутромерами). Часто величина погрешности контроля на станке оценивалась оператором интуитивно. Операцию (б - г) повторяли для каждой следующей детали в партии. В данный день проводить аттестацию ИГ периодично, по готовности очередной детали в партии, было невыгодно и технически сложно.

Возникающие погрешности установки ИГ, а также дефекты ИГ и сбои в настройке станка, которые в течение смены не анализировали, являлись следствием низкой

достоверности измерений и приводили к дефектам и браку до 15 % деталей. Отклонение ответственных размеров за пределы допуска по этой причине составляло до 20 %.

Процесс аттестации ИГ (рисунок 1Д а) заключается в обмере поверхностей эталона с фиксированными размерами и проверке их соответствия отклонешдо наконечника (щупа) ИГ на величину Д_и,_ч по координатам X, Y, Z.

Рисунок 1,5. Способы ощупывания поверхностей эталона при аттестации ИГ

Измерение (ощупывание) эталона при аттестации проводят при строгой ориентации оси шпинделя станка и движения стола в направлении ИГ [34, 35],

Измерение по координатам X и Z проводят до 10 раз. Разность между средним арифметическим значением измеренного диаметра в направлении X и Z и фактическим 0(1э эталона не должна превышать 0,005 мм.

Погрешность бскиг свободного хода в направлении координат X и Z зависит от длины / щупа ИГ, поэтому измерение проводят по 2-х точечному способу в направлении +Х, -X, +Z, -Z_T а по координате Y по одноточечному (рисунки 1Да и 1.5,6).

В результате ускоренных движении щупа ИГ по поверхности детали,, имеющей прерывистые участки н перепады в виде ступенька, происходит перегрузка измерительного датчика (пьезоэлектрического или индуктивного) и элементов преобразования в ИГ, Это в итоге приводит к деформации элементов кинематического узла и щупа ИГ, вызывая рост погрешности 6п иг и 5_Ск.иг*

Известные способы оценки погрешности ИГ на ОЦ не всегда позволяют фиксировать рост погрешностей 5п иг и 5ск иг» что отражается на общей погрешности контроля.

В итоге, к недостатками аттестации по 1-му методу можно отнести высокую трудоемкость проведения и сложность оценки погрешности Лиг ИГ в последующих измерениях из-за несвоевременной оценки совокупности погрешностей 8уип 5_Пип $ск иг*

Анализ отмеченных погрешностей является актуальной задачей повышения точности измерений, поэтому, алгоритм координатных измерений на ОЦ должен содержать переходы для периодичной аттестацнн ИГ (предварительной - до измерения и финишной - после измерения детали), что позволит оперативно оценивать величину накопленной погрешности Лиг ИГ [32].

Для сравнения рассмотрим метод оперативной аттестации измерительных головок на коордкнатно-измерительных машинах (КИМ),

Аттестацию средств контроля на КИМ по эталону проводят каждый раз при измерении очередной детали, что обеспечивает своевременный анализ достоверности результатов измерения. Условия достижения высокой точности аттестации и измерений на КИМ в диапазоне Даттиг ^fe Аи^м ким ^ 3 мкм обусловлены [13];

1. высокой культурой производства, изоляцией КИМ от тепловых полей;

2. эталон на КИМ установлен на специально отведенном месте, часто в термостабильной точке, и где исключено случайное повреждение эталона.

3. деталь до измерения на КИМ выдерживают для выравнивания ее температуры.

Этих возможностей лишены отечественные ОЦ любого класса, если они установлены и работают в условиях обычных цеховых помещений.

Применяемый для аттестации эталон в виде шара, куба или цилиндра имеет базовые поверхности для его установки и фиксации и измерительные поверхности, отвечающие метрологическим характеристикам.

Эталон, располагаемый на длительное время на ОЦ (как это практикуют на КИМ) не должен изменять во времени своего начального положения координат установки по отношению к системе координат шпинделя станка.

Средства аттестации также не должны подвергаться воздействию на них внешних факторов, например, загрязнению и деформированию, т.е. быть постоянно готовыми к проведению аттестации.

На станках с ЧПУ решить эту задачу достаточно сложно. Располагаемый на столе на длительное время эталон в зоне обработки детали невозможно оградить от воздействия на него стружки, абразивной пыли и масла.

Вне зоны стола станка эталон располагать нельзя, т.к. эталон будет недоступен для шпинделя с измерительной головкой.

Для повышения качества аттестации ИГ необходимо сократить время между очередными аттестациями, т.е. проводить аттестацию ИГ до измерения каждой (очередной) обработанной детали.

Единственной проблемой является то, что эталон на столе ОЦ оставлять на длительное время нельзя, т.к. основная часть пространства на столе должна быть свободной для перемещения через нее спутника с корпусной деталью для переустановки.

При выборочном анализе методов снижения погрешности измерений и методов аттестации ИГ на станках с ЧПУ (ОЦ) н на коордшштно-нзмернтельных машинах (КИМ) можно отметить достоинства и недостатки известных решений:

1) "Способ калибровкн ИГ" и "Способ коррекции координат ИГ" [99].
Цель - повышение точности измерений н аттестации ИГ.

Ручным способом можно аттестовать или контролировать состояние ИГ - изгиб наконечника щупа ИГ, люфт механизма ИГ (свободный год). Недостаток - наличие промежуточного звена между пинолью станка и ИГ поворотного устройства ручного управления, В поворотное устройство закреплена ИГ, которая щупом касается эталона при наличии индикатора.

2) "Устройство для компенсации теплового расширения на ОЦ" [104].
Цепь - определение, фиксация и компенсация погрешностей размерных
цепей станка под действием внешней температуры.

Недостаток - высокая цена и сложность реализации,

3. "Способ измерения погрешности базовых элементов на КИМ" [96]. Недостаток - применение эталонных мер, установленных на большой срок.

4. "Способ измерения формы поверхности детали на ОЦ" [97]. Недостаток - требуется выбор и присвоение дополнительной системы координат (Хь Yi, Z0 нулевой ИГ, которые параллельны осям ОЦ*

5. "Способ калибровкн координатного многозвенного устройства" [98]. Недостаток - сложность быстрой установки на столе призматических калибраторов, либо их постоянное присутствие в зоне обработки.

Достоинства и недостатки перечисленных разработок: - низкая погрешность аттестации (3-5 мкм), но высокая стоимость устройств,

сложность, а так же высокие требования к месту установки и типу станка;

возможно перенесение метода на станки с ЧПУ, но высока трудоемкость изготовления дополнительной оснастки привода ИГ по координатам (X, Y, Z);

способ [ЇО0] пригоден для оценки дефектов и состояния ИГ на момент ее аттестации на любом ОЦ, но при этом калибровка ИГ - операция ручная,

Рассмотренные в работах [96-114] методы настройки и аттестации требуют тср-мостатирование оборудования, они неудобны и малоэффективны.

В патентах [Ї01-114] ставились аналогичные задачи увеличения точности и достоверности измерения на ОЦ и калибровки ИГ. Их общий недостаток - способы аттестации ИГ и настройки ОЦ дороги и сложны.

Известные методы повышения точности измерения на ОЦ и вопросы эффективности ИГ систематизированы и разделены на три группы на рисунке А.З.П.

Анализ работ в области снижения погрешности настройки ОЦ и аттестации ИГ показал, что повышение точности измерений проводится в направлениях;

конструкторские - создание новых систем контроля [20, 79, 90];

технологические - внедрение новых способов контроля [36, 62, 68];

программные * разработка новых алгоритмов контроля [60, 61, 65],

1) Конструкторские методы позволяют существенно снизить комплекс составляющих
суммарной погрешности измерений на ОЦ (повысить точность элементов системы
СПИД в целом) и охватывают направления [3, 24, ЗЇ, 37, 43, 44]:

а) создание термически симметричных компоновок станка повышенной жесткости;
ИР320 - ИР800, 4-х шпиндельный станок ТСІ-МЧ ф "Werner";

б) совершенствование конструкций узлов и элементов станка, создание четырех и пя-
ти-координатные станки моделей 1И22 (РФ) и MAZAC (Япония);

в) создание новых систем с ИГ и элементов для их аттестации [15-20].

Отечественные ученые: Шарин Ю.С, Соломенцев Ю.М, Сосонкин В.Л., Старо-дуб С.В,, Чудов В,А и др. провели большую работу в области анализа погрешностей элементов станков, и факторов, влияющих на точность обработки и контроля,

2) Технологические методы охватывают: проблемы сквозной автоматизации, регули
рование хода технологического процесса (адаптивное управление станком при поопе
рационном измерении линейных размеров детали), измерение параметров режимов
резания и другие проблемы [23, 29, 40, 41].

32.

Сюда могут входить САУТО - системы автоматического управления точностью обработки н системы контроля при получении информации характеристик обработки и контроля. Такие системы позволяют выполнять ведение пошагового управления пара* метрами точности станка [56-59], В качестве элемента САУТО часто выступает система с ИГ для контроля настройки инструмента и преобразования сигнала измерения в параметр управления точностью.

Для повышения точности измерений ИГ применяют совместно с адаптивными системами управления [48]_ч При этом особое внимание уделяют развитию систем позволяющих автоматизировать процессы размерной настройки [33].

Следящие системы и системы активного контроля на ОЦ часто базируются на применении пневмоэлементов для проверки точности установки, настройки и износа режущего и мерительного инструмента [77 - 80],

Большой вклад в развитие систем адаптивного управления и САУТО и создания систем активного контроля на ОЦ с ЧПУ внесли такие ученые, как: О.Б. Балакшин, М.С. Невельсон, Ю.М. Соломенцев, Шарил, ВТ. Портман* МС* Невельсон Ю.С и др. 3) Программные методы выделены в самостоятельную группу»

К ним можно отнести: системный подход управления качеством;

интеллектуальные н наукоемкие технологии, САД САМ системы;

микропроцессорные и интегрированные системы активного контроля (непрерывное управление точностью), требующие их внедрения в современное машиностроительное производство [56 - 61].

Для анализа видов погрешностей, действующих на ОЦ при аттестации и контроле необходимо разделить погрешности на существенные и малозначимые.

По результатам патентных исследований методов аттестации и многолетних данных исследований погрешности измерений и аттестации, можно сделать вывод о том, что погрешность аттестации Ддгг соизмерима с погрешностью Диш измерений на этом же станке. При этом можно выявить следующие зависимости:

I) Погрешность Даггпі аттестации средств контроля на станке, проводимая по 1-му методу - на ТАП), оценивалась функцией погрешностей:

Ддтт * ДДоц, Дуэ> Аиг)

(U)

2) Погрешность Ди^о автоматических измерений на станке по координатам, проводимая после аттестации (по 1-му методу - на ТАП), оцешшалась фушощей поірешностей:

AftwO) ⁼ /(Аоіь Лиг* Slip*) (1-4)

Результаты аттестации (и измерений) фиксируемые системой ЧПУ на ОЦ позволили сформулировать и выделить следующие виды погрешностей и их зависимости: а) Погрешность элементов станка оценивается функцией погрешностей:

Доц ⁼/(впі, $чпу* 5рн) (1.5)

в) Прочие погрешности оценивают функцией погрешностей, вызванных влиянием малозначимых факторов (только для операций аттестации и измерения).

Бцроч ⁼ Дбупр., ^Иэн.) (' **)

где Доц - погрешность размерной настройки элементов ОЦ включает погрешности: бпоз - при многократном позиционировании в заданные координаты; брн, - размерной настройки элементов станка; 5чпу - системы ЧПУ станка; 8прпч- прочие погрешности на ОЦ_ч к которым отнесены погрешности: 5упр. - вызваны упругими деформациями элементов станка, в том числе дрейф элементов от влияния тепловых факторов; 5иэн. - вызваны износом элементов системы СПИД.

Для оценки влияния погрешности біщу системы ЧПУ поверку ИГ проводят при перемещении рабочего органа ОЦ в пошаговом режиме.

Необходимо отметить, что при этом погрешность Диг в совокупности не должна превышать Лиг 2 мкм (без учета погрешности 5уиг установки ИГ).

В связи с ограниченным временем аттестации и контроля размеров детали на ОЦ, влияние тепловых полей на элементы станка несущественно,

В совокупности величина погрешности 5проч не превышает величины 6про_Ч й 4 мкм и, потому, выделена в самостоятельную группу "прочих погрешностей" Зпроч* отнесенных кмапозначгшым.

Анализ эффективности применения средств контроля на ОЦ показал, что доля общего времени в технологическом цикле обработки, при переналадке составляет до 75 %, а доля времени на настройку и контроль составляет до 25% от общего времени.

Увеличение эффективности средств контроля и аттестации возможно следующими методами: автоматизацией процесса настройки инструмента и детали; автоматической установкой эталона на стол ОЦ и проведение первичной аттестации; измерение поверхностей детали; проведение финишной аттестации; расширение функций и повышение надежности систем контроля с ИГ. Введение первичной и финтиной аттестации ИГ позволяет сравнить результаты, т.е, сравнить начальную и накопченную по< грешность ИГ, выявить ее изменение и, тем самым, удостовериться в допустимости погрешности измерений. Своевременная (периодическая) оценка погрешпости Д_иг элементов средств контроля на ОЦ, на уровне 2- 4 мкм позволяет ограничить погрешность измерений на ОЦ до величины Ди*ч .~ 7—10 мкм.

Для снижения погрешности координатных измерений деталей на ОЦ, в условиях обычных цехов, необходимо решить комплекс задач, например, необходим текущий анализ и корректировка точности размерной настройки и выявление момента превышения ее допустимой величины.

Сдерживающим фактором проведения оперативной (систематической) аттестации средств контроля является отсутствие методов и средств быстрой и точной установки эталона на ОЦ,

Для выполнения поставлеішой задачи требуется:

а) Разработать систему оперативной аттестации ИГ и предложить методику расчета ее
элементов, позволяющую с известной погрешностью проводить:

ориентацию* установку и фиксацию эталона на стол станка;

аттестацию ИГ в любом цикле финишной обработки детали.

б) Разработать адаптированную для системы оперативной аттестации ИГ с акустиче
ским гтневмодатчиком и дать методику ее расчета;

в) Синтезировать автоматизированную систему контроля линейных размеров корпус
ных деталей на ОЦ, приняв за основу систему оперативной аттестации и измеритель
ную головку с акустическим пневмодатчиком и микроЭВМ

I Л. Анализ устройств, предназначенных для установки эталона на станок .<..

Рассмотрим варианты автоматической установки и фиксации эталона для последующего проведения оперативной аттестации средств контроля на станке с ЧПУ.

1. Теоретически центрирование, базирование и установку эталона можно выполнить на приспособлении "коническая оправка", закрепленном на столе ОЦ (рисунок 1.6), но при этом эталон должен иметь ответное коническое отверстие.

Этот способ приемлем только для вертикально-расточного станка, на столе которого коническая оправка будет расположена вертикально- При автоматическом базировании эталон фиксируется на конусе оправки под собственным весом, не требуя до-полнительных элементов крепежа. Во время установки эталона на поверхность конуса через отверстия в оправке можно нагнетать сжатый воздух и очищать стыкуемые поверхности от стружки, абразивной пыли и масла.

Установку эталона таким способом мог бы выполнить манипулятор станка, но его применение сопряжено со следующими проблемами:

A) Применяемые на ОЦ манипуляторы для установки инструмента обеспечивают по
грешность около буи =3-5 мкм только в продольном направлении координаты шпин
деля станка, и они не могут перемещать инструмент в направление других координат с
той же погрешностью. Доработать такой манипулятор невозможно,

Б) Манипуляторы и роботизированные средства, применяемые на станке с ЧПУ для установки детали разной формы и весом до Рд = 5 - 20 Н, обеспечивают погрешность установки буд к 20 мкм [23], Манипулятор не способен обеспечить диаметральную ориентацию эталона по отношению к конусу оправки с погрешностью 5уэ^< 5 мкм.

Установка и эксплуатация таких манипуляторов на каждом станке в условиях единичного и мелкосерийного производства нерентабельна.

B) Если конические поверхности оправки и эталона имеют угол менее Z 7, то воз
можно заклинивание их поверхностей. Проблемы при снятии (расстыковки) этих со
пряженных элементов часто приводит к деформации элементов.

Дшшый способ установки эталона неприемлем, тж. нет обеспечения малой погрешности автоматической установки эталона и возможности привязки координат эталона к системе координат шпинделя ОЦ.

Рисунок L6_F Вариант установки эталона на коническую оправку при помощи манипулятора

2, Теоретически и практически диаметральную ориентацию Эталона по отношению к шпинделю станка выполнить можно, если использовать опыт применения на станках устройств с пневмоэлементами - самоцентрирующие газовые опоры.

Самоцентрируюпше опоры применяют в ответственных узлах ОЦ для центрирования шпинделя с сохранением его высокой устойчивости, жесткости и точности положения (ориентации) при радиальных и осевых нагрузках [73].

Аэростатические направляющие позволяют снизить вибрации несущих опор и упругие перемещения, которые испытывают узлы станка при перегрузках, возникающих в результате обработки прерывистых поверхностей детали [30₅ 42].

Формирование газового потока в опорах цилиндрического типа решается на основе использования законов газостатики и газодинамики [70].

В газовых опорах, формируемых газовым потоком в междроссельной камере, между валом и обоймой зазор выполняют достаточно малым с = hc_p « 6 -5-Ю мкм. Модель фрагментов междроссельной камеры представлена на рисунке L7

При избыточном давлении (рк> 0,1 мПа) газовый слой в зазоре распределяется равномерно и течет между сопрягаемыми поверхностями (обоймой и валом) параллельным потоком к выходу, РІзбьіточное давление повышает несущую способность газового слоя Gc, в результате чего в зазоре возникает подъемная сила W.

Вал в обойме всплывает и компенсирует осевые и радиальные нагрузки.

П.

Рисунок 1.7, Фрагменты и положение элементов самоцентрирующей газовой опоры

При номинальном давлении в зазоре (рд- = PK_Htat) и номинальной нагрузке на вал его положение в обойме концентрично, стабильно и устойчиво [70-75]..

Недостаток самоцентрирующих опор ~ их малая нагрузочная способность.

Стабильность протекающих процессов и параметров в междроссельной камере зависит от конструкции отдельных дроссельных элементов и диапазона давления в камере рк. Приведенные в работе примеры справедливы для условия, когда вал не вращается и не испытывает больших динамических нагрузок.

Поэтому целесообразно применять технологическую оправку (ТО) как устройство, временно располагаемое в шпинделе станка (т.е. совместимое с системой координат шпинделя), откуда эталон и будет устанавливаться на стол станка (рисунке 1.8).

Предлагаемая технологическая оправка (ТО) для диаметральной ориентации эталона (рисунок 1.7) должна содержать по периферии внутренней цилиндрической поверхности пневмоэлементы. Если в ТО поместить эталон и принудительно через пнев-мдалементы подавать сжатый воздух, то в междроссельной камере (в зазоре) будет формироваться газовый слой.

1)

/

Шпиндельный у "ЮЛ МС

1) Установка эталона из технологической оправки

2) Аттестация Т 3) Измерение

ИГ I , Деталь (условно)

_ww—

^ I Ц

Электромагнитный сгод для фиксации эталона⁴^

Стон станка

Рисунок 1,8. Этапы установки эталона, аттестации ИГ и контроля детали

Необходимо создать такое давление в зазоре, при котором газовый поток будет обладать достаточной подъемной силой, способной исключить эксцентричное положение эталона в обойме.

Если технологическую оправку располагать в шпинделе станка (рисунок 1.8), то погрешность установки ТО> по отношению к оси шпинделя, соизмерима с величиной погрешности установки инструмента 5ухо « 5уи = 3-5 мкм на данном станке.

Полагаем, что при этом ось обоймы ТО будет являться продолжением шпинделя ОЦ, если их оси лежат в одной плоскости с учетом погрешности буто установки технологической оправки (ТО) относительно оси шпинделя.

Поэтому, очевидна целесообразность применения ТО как устройства, временно располагаемого в шпинделе ОЦ (для совмещения с системой координат шпинделя), откуда эталон и будет устанавливаться на стол станка (рисунок L8),

Проблема установки эталона требует решения задачи минимизации погрешности йдоэ диаметральной ориентации эталона относительно обоймы ТО (или оси шпинделя ОЦ), а также погрешности Дфэ фиксации эталона на поверхности стола с учетом факторов, влияющих на превышение их допустимых значений.

Доминирующей в погрешности Дуэустановки эталона является погрешность 8поз. позиционирования, поскольку перечисленные погрешности 5доэ и Дфэ* как и погреш-

пости Эгмо геометрических размеров средств аттестации (диаметров ТО и эталона) лежат в окрестности погрешностей буто установки ТО в шпиндель станка и впоз-

Теоретически погрешности бдоэи 5фэ в совокупности не должны превышать величины бдоэ~5фэ*= бгртоS 1-3 мкм.

Запишем погрешность установки эталона функцией влияния погрешностей:

Дуэ ⁼ /(вшз* Syjxb 5доэ_э бфэ, вгр.то) О -7)

В качестве устройства для автоматической и быстрой фиксации эталона на станке можно предложить оснастку с магнитными элементами, расположенными либо в эталоне, либо эти элементы выполнены в виде мапгатного стола на ОЦ^

Использовать для этих целей известные конструкции магнитных столов с постоянными магнитами довольно сложно, т.к. такие устройства имеют большие габариты, и их рабочая поверхность способна притягивать стружку [117].

При установке эталона на выключенный магнитный стол, с последующим его плавным включением, позволит автоматизировать процесс фиксации и исключить возникновение ударов и возникновение дефектов поверхности эталона.

Автоматически задаваемое плавное нарастание силы Р_ф фиксации (притяжения) эталона, можно осуществить при использовании электромагнитного стола с регулируемой характеристикой увеличения тока в его катушке.

Особенность процедуры фиксации эталона на поверхности стола с магнитным блоком заключается в том, что шпиндель станка, в котором размещена технологическая оправка с эталоном, не должны касаться поверхности магнитного стола, для исключения "наезда" и разрушения материальной части станка.

При включении магнитного блока зазор А между базовыми поверхностями эталона и стола должен несколько превосходить величину погрешности позиционирования шпинделя в направлении поверхности магнитного стола А_ФЭ> Дп<*.

Погрешность фиксации 6_Фэ эталона зависит: от зазора й_Фэ меж,ду базовыми поверхностями эталона и магнитного стола; Fo силы тяги магнитной системы стола; Р_э веса эталона; Somc, Sod площадей опор магнитного стола и эталона; угла наклона между базовой поверхностью эталона и стола.

бфэ - ДРф* Рэ» Soc, Sos, Лоз)

(1.8)

росслпгаля

ГОСУДАРСТВЕННА* БИБЛИОТЕКА

Следовательно, для обеспечения точной и автоматической фиксации эталона при его установке на стол, необходимо проанализировать факторы, влияющие на погрешность фиксации бфэ и исключающие удары и деформации эталона.

Процесс оперативной аттестации подразумевает не только автоматическую установку эталона, но и его последующее снятие. Поэтому, важным фактором в оценке цепи погрешности Дуэ установки эталона является анализ комплекса погрешностей: ориентации и фиксации, включая погрешность 0_Пвд позиционирования (при снятии), определяемую классом точности станка (ОЦ).

Рассмотрим проблемы установки и снятия эталона на станках разного класса точности: 1) Применение аттестационного устройства на ОЦ повышенного класса точности, для которых погрешность позиционирования не превышает 0п_Оі 5 4 мкм. Необходим, как минимум, 2-х - 3-х кратный запас по зазору с (технологический запас по зазору) между диаметральными поверхностями эталона и ТО, чтобы исключить наезд поверхности ТО на эталон при снятии эталона со стола станка (рисунок 1,9). Проблем по снятию эталона не возникнет на станке высокого класса точности, если зазор в аттестационном устройстве (в междроссельной камере) зазор составляет не менее Сцко > 10 - 12 мкм (аналогичный зазору в известных конструкциях опор)-

_Х-

c-hep

эталона

ЭТАЛОН

н его положение по отношению б оси шпинделя

(и ТО) с учетом действующих факторов на станке

Центральное
положение Техн. запас на зазор

Рис. 1.9. Варианты положения оси эталона по отношению к оси ТО

2) Применение аттестационного устройства на ОЦ обычного класса точности, для

которых погрешность позиционирования составляет около бпоз ⁼ 3 - 6 мкм. В этом случае потребуется увеличить зазор до значения с = 20 — 30 мкм, что не согласуется с размером зазора с_Ико в известных конструкциях опор цилиндрического типа.

Для обеспечения автоматического снятия эталона со стола ОЦ необходимо учитывать влияние погрешностей: Д^устэ предыдущей установки эталона; б^устто " последующей установки ТО для снятия эталона; 5_Проч - от прочих факторов, включая износ поверхности эталона и ТО_? влияние тепловых факторов (рисунок 1.9),

Следовательно, при создании универсальной системы оперативной аттестации, применяемой для широкого класса ОЦ, необходимо выполнить анализ влияния совокупности погрешностей: позиционирования станка, установки ТО, установки эталона, дрейфа эталона, а также протекающих процессов в устройствах с пневмоэлементами с увеличенным рабочим зазором с в междроссельной камере»

Если система оперативной аттестации будет применяться на ОЦ различного класса точности, то необходимо, чтобы рабочий зазор в конструкции технологической оправки был больше систематической погрешности 9п₀₃ позицирования как минимум в 3 раза (кзп ⁼ 3 - коэффициент запаса на погрешность позиционирования) по отношению к зазору Сико в известных конструкциях опор цилиндрического типа. Это позволит исключить влияние перечисленных погрешностей при установке.

CtfKO' Ьш ⁼ /(Дус1\Э> , Под.. 5іІроч) 0-9)

Если зазор в известных конструкциях опор выполняют величиной Сико =6-12 мкм, то в нашем случае зазор с в аттестационном устройстве с пневмоэлементами может составить сиш'кзп ^ю 18 - 36 мкм;

Предложение об использовании устройств с пневмоэлементами, формирующими газовую опору для диаметральной ориентации и последующей установки эталона, требует проведение анализа параметров и протекающих процессов в дроссельных элементах, влияющих на погрешность предлагаемой системы оперативной аттестации ИГ.

Для обоснования выбора конструкций пневмоэлементов, формирующих газовый поток в зазоре, выполним анализ протекающих процессов в опорах с газовым слоем.

К числу известных устройств опор относятся проточные камеры с разнотипными дросселями (рисунок 1.10), где щелевой зазор между валом и обоймой образует междроссельную камеру малого объема.

Классификационные признаки разнотипных дросселей наддува, используемых в конструкциях» формирующих газовый поток, приведены на рисунок 1,10.

Выбор конструкции дросселей наддува определяется условиями:

форма дросселя зависит от способа нагрузки на опору и величины зазора с;

дроссели наддува должны обеспечивать необходимое давление рк в междроссельной камере» расход, требуемую жесткость газового слоя и подъемную силу при ламинарном и турбулентном режиме течения газа в каналах дросселей.

Классификация ограничителей расхода типа "дроссели цилиндрические"

Рисунок IЛО, Конструкции цилиндрических дросселей разного типа

Цилиндрические дроссели наддува располагают на входе конструкции. Через них питающий воздух под давлением р$ подается в междроссельїїую камеру образованную щелевыми дроссели капиллярного типа (см. рисунок L7),

Каналы цилиндрических дросселей длиной /_ц обеспечивают падение давления Арі_ч поддерживая в междроссельной камере давление р_к за счет щелевого дросселя образованного текущим зазором /^ (средним зазором с = h^) между обоймой и эталоном, где на выходе из камеры создается падение давления 4/.

Наиболее распространены отверстия наддува малого диаметра - сопловые (Лава-ля) кольцевые дроссели с простой диафрагмой.

Их количество N определяет суммарную площадь S₀i*. проходного сечения, обеспечивающего расход G и рабочее давление р_к в зазоре (в междроссельной камере).

Технологически простой является конструкция дросселя наддува (рисунок 10, фигура Г)_э где в цилиндрическом канале установлена диафрагма из фольги толщиной 1ц = 0,20 - 0,50 мм с калиброванным отверстием <1ц = 0,30 - 0,50 мм в центре.

Выходящие в камеру отверстия соединены с продольными и диаметральными V -образными микро канавками шириной 0,5 мм и углом 60,

В отличие от цилиндрических дросселей к точности изготовления щелевых дросселей предъявляют более жесткие требования. Например^ допуск на радиальный зазор щелевого дросселя ограничен величиной АЬ_Изг, ^ 2 мкм.

Анализ доминирующих факторов на ОЦ позволил построить структурную схему (рисунок 1Л1) цепи погрешности аттестации и измерения, выявить связи и влияние элементов станка на погрешность аттестации и измерений. Сплошные (основные) линии связи и пунктирные (вспомогательные) показывают последовательность проведения операции аттестации ИГ и измерения детали.

Последовательность проводимых операций аттестации и контроля, с целью повышения точности и эффективности средств контроля на ОЦ, принята с учетом затрат времени на операции и влияния источника погрешности.

По структурной схемы (рисунок 1Л1) цепи погрешности аттестации и измерения будет построена физическая модель системы оперативной аттестации.

Для построения модели необходимо ввести допущенім и ограничения на входные и выходные параметры системы я диапазон действующих погрешностей..

Погрешность автоматической установки эталона, с одной стороны, определяет качество проведения аттестации, а с другой стороны зависит от погрешности элементов и протекающих процессов в аттестационном устройстве,

1. Погрешность Дуэ установки эталона не может превышать Дуэ^Опоз Й8мкм.

2. Погрешность аттестации и измерений не должны превысить Д_АтТі ^ Д_Иі_М S 10 мкм, что позволит снизить погрешность Д_Изм измерении на ОЦ на 25 - 30%.

При этом время измерения после аттестации не должно превышать tn < 20 мин, а время оперативной аттестации не должно превышать t_Arr ^ 3 мин.

Введенные ограничения должны увеличить чувствительность системы аттестации к выявлению погрешности ИГ превышающей величину Диг ^ 4 мкм.

МНОГООПН'АЦИОННЫЙ СТАНОК С ЧПУ

Рисунок 1.11- Структурная схема связей и влияния погрешностей на ОЦ

Для анализа величины среднего зазора с = hep в устройстве с пневмаэлементами, с учетом /т.з,(С) - технологического запаса по зазору, необходимо учитывать следующие параметры, влияющие на погрешность Дуз установки эталона: ёдоэ"" погрешности диаметральной ориентации эталона в технологической оправке; Огрто " погрешности геометрических размеров ТО и эталона; 5фэ- погрешности фиксации эталона на столе станка.

В заключение первой главы можно отметить, что одним из методов анализа погрешности средств контроля на ОЦ и соответствия координат ИГ координатам шпинделя в текущий момент времени является оперативная оценка погрешности (аттестация) ИГ с периодичностью обработки очередной корпусной детали.

Оперативная аттестация (предварительная - до измерения детали и финишная -после измерения детали) должна позволить выполнять проверку состояния точности ИГ, оценивать изменение точности измерений на станке и выявлять факторы, влияющие на снижение точности элементов автоматической системы контроля на станке.

Выводы. Цели и задачи исследования

Вопросы повышения точности автоматических измерений на станках с ЧПУ возникают на всем этапе изготовления деталей и зависят от способа настройки станка, способа и частоты (периодичности) аттестации систем контроля на станке.

1. Величина погрешностей Лрн.са размерной настройки средств аттестации в каждый
данный момент времени определяется в первую очередь изменением положения ко
ординат эталона во времени.

2, Установлено, что степень влияния тепловых полей (нагрева элементов технологи
ческой системы) на погрешность настройки эталона и на изменение размеров обра
ботанной детали незначительна (менее 10% от суммарной погрешности).

Одним из методов анализа погрешности ИГ и соответствия координат ИГ координатам шпинделя ОЦ в текущий момент времени может являться оперативная аттестация ИГ с периодичностью, определяемой сложностью измеряемых поверхностей корпусной детали и ее точностью, а так же влиянием внешних и внутренних факторов.

Известные методы аттестации средств контроля на ОЦ показывают их низкую эффективность, слабую оценку погрешности ИГ и достоверность результатов автоматизированных измерений на ОЦ-

Периодичность оперативной аттестации включает в себя проведение предварительной — до измерения и финишной — после измерения детали. Это позволит на ранней стадии оценивать погрешности измерений и выявлять факторы, влияющие на снижение точности элементы системы контроля на станке.

Способ автоматической установки эталона предполагает выполнение диаметральной ориентации с последующей фиксацией эталона на столе ОЦ любого класса с погрешностью, соизмеримой с погрешностью позиционирования Дуэ » вц_№ ^ 8 мкм.

Анализ источников показал, что возможность оценки погрешности ИГ на некоторых моделях зарубежных станков заложено на стадии их изготовления.

Погрешность измерений и эффективность использования ИГ определяется;

степенью и интенсивностью влияния внешних и внутренних факторов на станке;

текущей погрешностью элементов измерительной системы на станке;

низкой надежностью и неполной совместимостью ИҐ с разным системами УЧПУ.

Для снижения погрешности измерений на станке необходим анализ:

- элементов и параметров устройств, обеспечивающих оперативную аттестацию;

%

средств и методов снижения погрешности оперативной аттестации ИГ;

факторов, влияющих на точность и эффективность средств контроля,

т,е. необходимо определить функциональные зависимости погрешности проектируемой системы аттестации и отметить основные пути снижения погрешности аттестации измерительной головки на станках с ЧПУ. Цель исследования;

- повышение точности контроля размеров корпусных деталей и повышение эффек
тивности станков с ЧПУ в процессе механической обработки за счет автоматизации
и оперативности проведения аттестации (контроля погрешности) ИГ.

Задачи исследования:

1. Провести анализ источников погрешностей автоматизированных измерений линейных размеров корпусных деталей при обработке на станках с ЧПУ;

2. Построить физическую модель зависимости погрешности элементов системы оперативной аттестации измерительных головок по эталону на станке с ЧПУ;

3. Предложить способ и средство автоматической диаметральной ориентации и фиксации эталона с минимальной погрешностью на станке для проведения последую-щей оперативной аттестации измерительной головки,

4. Разработать адаптированную для системы оперативной аттестации измерительїіуго головку с акустическим пневмодатчиком и дать методику оценки ее параметров на основании экспериментальных данных.

5. Разработать автоматическую систему контроля линейных размеров корпусных деталей на станках с ЧПУ, приняв за основу систему оперативной аттестации ИГ по эталону на станке и результаты исследования акустического пневмодатчика.

Похожие диссертации на Исследование и разработка системы оперативной аттестации измерительных головок на станках с ЧПУ

Разработка и исследование методики подбора деталей для обработки на станках с ЧПУЖуравлева, Софья Валентиновна

Разработка и исследование системы оптимального управления процессом получения суспензионного ПВХ с учетом экологической безопасности производстваЛопатин Александр Геннадиевич

Разработка и исследование системы автоматического управления процессом синтеза сложных полиэфировПетров Александр Юрьевич

Разработка и исследование систем управления производством труб большого и сверхбольшого диаметра Служенко Сергей Юрьевич

Исследование и разработка системы автоматического управления измельчением золотоносных руд в шаровой барабанной мельницеЛеттиев, Олег Анатольевич

Разработка и исследование системы автоматического управления процессом шлихтования в пене Виниченко Светлана Николаевна

Разработка и исследование системы автоматического регулирования импульсного ядерного реактора : Применительно к реакторному комплексу ИГРГорбаненко Олег Анатольевич

Разработка и исследование системы автоматического управления процессом сборки продольно-прессовых соединений при вибрационном дополнительном воздействииАнтимонов Александр Александрович

Разработка и исследование систем управления пиролизными установками мобильного типа на базе нечеткой логики Черный Сергей Петрович

Исследование и разработка системы оптимального управления межклетевым охлаждением на широкополосных станах Куделин Александр Руфович