2. Контроль стану робочих процесів

2.1. Попередній, поточний та вихідний контроль

Необхідні дані для вирішення задачі прогнозування отримують у результаті контролю стану технологічного процесу. Залежно від характеру та конкретних задач, що вирішують при прогнозуванні, розрізняють контроль з прогнозуванням значень показників якості об’єкта у наступні моменти часу або контроль з прогнозуванням часу надходження відмови.

Під контролем стану технологічного процесу розуміють перевірку відповідності його характеристик встановленим нормам пошуку відмов та аналізу причин їх появи, отримання необхідної інформації для виявлення відмов, що виникають, або для прогнозування їх появ у майбутньому з метою попередження аварійних ситуацій. Аварійні ситуації виникають внаслідок виникнення таких змін у технологічному процесі, які призводять до часткового або повного зриву виконання системою поставленої задачі.

При контролі стану технологічного процесу виконується велика кількість вимірювальних операцій, за результатами яких видається інформація про стан його параметрів. Носієм інформації про стан процесу є діагностичний сигнал, отриманий шляхом вимірювання параметрів, що контролюють, у фіксований момент часу. Контроль працездатності та діагностика технологічного процесу пов’язані у визначенні його поточного стану шляхом контролю параметрів та характеристик або шляхом перевірки ступеня виконання їм своїх функцій.

У ході технологічного циклу виконують попередній, поточний та вихідний контроль.

Попередній контроль повинен забезпечувати умови для безвідмовного перебігу технологічного процесу. Контролю підлягають заготовки (правильність форми, положення, матеріал), інструмент (розміри, знос різальної кромки), стан обладнання (наявність заготовки, інструмента, управляючих програм, робота системи охолодження, змазки).

Поточний автоматичний контроль повинен забезпечувати не тільки безперебійну роботу обладнання, але й високу якість роботи. При цьому контролюється форма деталі (початкова, проміжна, заключна), якість обробки, ступінь зносу інструмента та інші параметри, які впливають на заключний продукт.

Вихідний контроль призначений, головним чином, для забезпечення якості продукції. Контролюються параметри (розміри, шорсткість поверхні, допуски), що визначають якість продукції.

 

2.2. Контроль моменту врізання різального інструменту
у заготовку

 

Використання первинних вимірювальних перетворювачів, а також сучасних систем числового програмного керування при наявності відповідного сервісного програмного забезпечення дозволяє проводити діагностування заготовок, оцінювати стан застосованого різального інструмента та якості оброблюваної деталі. У більшості випадків при знаходженні заготовки у робочому положенні необхідно визначати точку дотику різального інструмента із заготовкою з достатньою технологічністю. Переміщення різального інструмента в точку дотику із заготовкою може бути прискореним. Тому необхідно використовувати вимірювальні перетворювачі, не тільки такі, що фіксують момент врізання інструменту, але й такі, що дозволяють швидке перетворювання інформації з метою прийняття рішень для керування технологічним обладнанням.

Для зв’язку з технологічним процесом обробки деталей та впливу на технологічний процес у засоби діагностики введені первинні вимірювальні перетворювачі (датчики), призначені для створення сигналу вимірювальної інформації у формі, придатній для передачі, подальшого перетворення, обробки та зберігання.

Вимірювальні перетворювачі характеризуються чутливістю, динамічним діапазоном, границями та похибками перетворень. Крім того, до надійності чутливих перетворювачів необхідно ставити високі вимоги, інакше при максимальній швидкості ходу рухомих частин верстата можливе виникнення аварійної ситуації. Так, при механічній обробці може виникнути помилка, спричинена помилковими командами, що призводять до зіткнення вузлів та механізмів верстата. При цьому ушкодження дуже швидко поширюються на інструмент, верстат, деталь, що обробляється. У таких випадках факт поломки інструмента повинен встановлюватися протягом декількох мілісекунд, а подача миттєво вимикатися. Час для перемикання подачі на верстаті залежить від цілого ряду чинників: тормозних характеристик супорта верстата, що залежить від динамічних характеристик приводу подачі, контуру заготовки, конструкції інструмента.

Для створювання технологічних процесів металообробки з гарантованою надійністю виробництва деталей заданої якості необхідно мати надійні датчики, які визначають момент початку різання та надають інформацію, за якою можна здійснювати необхідну корекцію процесу у випадку його відхилення від заданого.

Датчики наближення за своєю конструкцією поділяються на такі:

Рисунок 2.1 – Схема роботи індуктивного  та ємнісного вмонтованих датчиків	Рисунок 2.2 – Схема роботи  індуктивного контуру

Індуктивні – від величини магнітного зазору між датчиком та деталлю залежить значення електричного сигналу (рис. 2.1). В іншій конструкції (рис. 2.2) система «інструмент-деталь» та верстат утворюють замкнений магнітний контур, змінним параметром у якому є повітряний зазор між інструментом та деталлю.

Ємнісний (рис. 2.1) – наближення до деталі призводить до зміни ємності, що входить до електричного коливального контуру.

Рисунок 2.3 – Схема роботи активного акустичного датчика	Рисунок 2.4 – Схема роботи пасивного акустичного датчика

Акустичні – якщо відбита хвильова енергія (рис. 2.3) перевищує порогові значення, то відбувається включення робочої подачі верстата; у іншій конструкції датчиків (рис. 2.4) акустичний шум, що виникає при стиканні інструмента з деталлю, вмикає робочу подачу.

Контактний (рис. 2.5) – діагностичний сигнал виникає при стиканні контактного штифта, який встановлений в інструменті, з деталлю.

Контактні датчики характеризуються простотою застосування, але потребують складних конструктивних рішень  проблеми зносу контактних штифтів, встановлення їх у різальний інструмент, електричного ізолювання від різального інструмента, або інструмента від верстата.

Світловий (рис. 2.6) – світловий пучок джерела світла, що переміщається перед різальною кромкою разом з інструментом, переривається деталлю і генерує сигнал на вмикання робочої подачі.

Рисунок 2.5 – Схема роботи контактного датчика	Рисунок 2.6 – Схема роботи світлового датчика

Силовий – сигнал від датчиків сили різання або крутильного моменту (принципи роботи датчиків надані у п. 2.3) при перевищенні встановленого значення вмикає робочу подачу верстата.

2.3.Контроль крутильного моменту та складових сили різання

 

Деякі системи діагностики процесу обробки базуються на вимірюванні енергетичних параметрів різання: потужності, що споживається верстатом, крутильного моменту, складових сили різання і так далі. Підвищення енергетичних параметрів вказує на відхилення нормального процесу різання і, в першу чергу, пов’язано з затупленням або зломом різального інструмента. Але підвищення потужності може відбутися через ріст припуску заготовки або твердості її матеріалу. Тому ці системи призначені для діагностики при грубому відхиленні технологічного процесу від заданого. Для реєстрації сил різання, що виникають у процесі обробки, крутильного моменту, потужності різання існують прямі та непрямі методи вимірювання.

Чутливі елементи для вимірювання крутильного моменту та сил різання у більшості випадків встановлюють на окремих частинах верстата. Власна частота чутливого елемента повинна бути вищою, щоб була можливість швидкого реагування на такі чинники, як врізання або різка зміна глибини різання.

Для виміру сили різання датчик повинен розташовуватись якомога ближче до зони різання. Механічний передавальний пристрій, розташований між зоною різання та чутливим елементом, може негативно впливати на процес вимірювання сили різання. У той же час, якщо в опорах шпинделя верстата або на супорті встановлюються датчики, що вимірюють деформації, то відбувається деяке зниження жорсткості верстата.

Більше поширення отримали пружно-силові системи діагностики, що побудовані на використанні пружного та магнітопружного ефекту. Під магнітопружним ефектом розуміють зміну магнітних властивостей твердого феромагнітного тіла внаслідок інших механічних напруг (розтягування, стиснення, зсуву або кручення), що впливають на нього. Якщо магнітопружний активний стрижень котушки навантажується у подовжньому напрямку з певною силою, то довжина його скорочується, і відповідно модулю пружності змінюється його магнітна проникність, а також магнітний гістерезис. Крім того, використовується і трансформаторний ефект для вимірювання сили різання.

На рис. 2.7 та рис. 2.8 зображені схеми датчиків, що побудовані на основі тензорезисторів, деформація пружних елементів яких призводить до зміни опору наклеєних на них тензодатчиків.

 

Рисунок 2.7 – Кільцевий тензодатчик	Рисунок 2.8 – Осьовий тензодатчик
Рисунок 2.9 – Магнітопружний трансформаторний датчик крутильного моменту	Рисунок 2.10 – Магнітопружний трансформаторний датчик сили

 

Рисунок 2.11 – Магнітопружний датчик опору

Магнітопружні датчики, (рис. 2.9, рис. 2.10, рис. 2.11), встановлені у поворотній револьверній головці або в інших місцях контролю видають сигнал, пропорційний силі різання або крутильному моменту. Навантаження пружного елемента приводить до зміни магнітних властивостей матеріалу, і відповідно індуктивності котушки, а також електричного зв’язку між первинною та вторинною обмотками трансформатора датчика.

Побудовані на магнітопружному ефекті силовимірювальні перетворювачі, що використовуються у діагностичних системах, мають просту та надійну конструкцію, високу вихідну потужність і широко використовуються для контролю технологічних процесів.

Для визначення сили різання при металообробці використовують оптичні, ємнісні та індуктивні датчики сили, але через свою нелінійність та конструктивні складності вони не знайшли поширення у системах діагностики технологічних процесів.

При збільшенні сили різання зростає вживана верстатом потужність, тобто збільшується електричний струм у ланцюзі живлення електродвигуна головного приводу. На рис. 2.12 зображена схема дії струмового датчика. Діагностичний сигнал датчика пропорційний силі струму, яка, в свою чергу, пропорційна силі різання.

Для підвищення точності вимірювання сил та коливань різання, а також їх аналізу широко використовують п’єзоелектричні датчики (рис. 2.13), тобто перетворювачі, в яких за чутливий елемент використовують монокристалічні матеріали, що мають п’єзоелектричні властивості.

Рисунок 2.12 – Електрична схема струмового датчика	Рисунок 2.13 – П’єзоелектричний датчик

Дія п’єзоелектричних вимірювальних перетворювачів базується на використанні прямого п’єзоефекту, тобто властивостей деяких матеріалів (п’єзоелектриків) генерувати заряд під дією прикладеної до них сили. Деформація п’єзоелектричних кристалів призводить до виникнення електричних зарядів, які підсилювачем перетворюються в електричну напругу. При встановленні п’єзоелектричного перетворювача на дослідному об’єкті він сприймає вібрацію об’єкта. Внаслідок прагнення інерційного елемента зберігати стан спокою п’єзоелемент деформується під впливом на нього інерційної сили. Деформація п’єзоелемента і виникаючий при цьому електричний заряд пропорційні прискоренню об’єкта. До основних преваг п’єзоелектричних перетворювачів слід віднести: широкий діапазон робочих частот; великі вібраційну та ударну міцності; простоту конструкції; малу чутливість до магнітних полів; можливість створення високотемпературних перетворювачів з малими розмірами та масою. Основним недоліком п’єзоелектричних вимірювальних перетворювачів є великий вихідний опір, залежність вихідного сигналу від довжини кабелю (при роботі з підсилювачем напруги) та неможливість вимірювання постійної складової динамічного процесу.

Для вимірювання низькочастотних вібрацій малого рівня прискорень необхідні перетворювачі, що мають високий коефіцієнт перетворення. При цьому слід враховувати, що на точність вимірювання впливають наступні чинники: спосіб та якість кріплення перетворювача на об’єкті, можливість вібрації вихідного кабелю, температура, змінні електричні та температурні поля, механічні деформації, акустичні шуми, перепади тиску, проникнення до струмопровідних елементів вимірювальних перетворювачів вологи або мастила.

Унаслідок того, що п’єзоелектричні вимірювальні перетворювачі малочутливі до перешкод електричного, акустичного та механічного походження, вони широко застосовуються у системах діагностики різального інструмента.

 

2.4. Контроль стану ріжучого інструменту

 

Методи контролю стану ріжучого інструмента поділяють на методи, що реалізуються поза основним часом роботи обладнання, та методи активного контролю, які дозволяють діагностувати стан різального інструменту у процесі різання. Методи контролю стану ріжучого інструменту, що реалізуються поза основним часом роботи обладнання, базуються на оцінці різних параметрів і властивостей заготовки та оцінці геометричних розмірів різальних елементів інструмента. Оцінка параметрів заготовки або інструмента базується на використанні датчиків: оптичних, дотику, шорсткості, переміщення. У комплекті з цими датчиками часто використовують датчики переміщень виконавчих органів верстата.

При прямих методах вимірювання зносу результати вимірювання є більш точні, ніж при визначенні зносу через функціонально пов’язані з ним параметри процесу різання. До прямих методів належать оптичні, телемоніторні та оптико-волоконні датчики.

У процесі безпосереднього контакту різального інструмента з заготовкою вимірювання зносу прямими методами важко реалізувати. Тому найбільше поширення отримали непрямі методи вимірювань, при яких визначають параметри, що відображають фізичну природу зношування та пов’язані зі зносом певними функціональними залежностями.

Відомо, що зі зносом різця збільшується сила різання, відбувається більш інтенсивне тепловиділення у зоні різання, змінюється характер вібрацій та відбуваються інші явища. Залежність кожного з цих явищ від зносу лежить в основі непрямого методу. У деяких випадках переважний вплив на знос інструмента чинить контактний тиск між задньою поверхнею різця та матеріалом заготовки. Тоді, як параметр непрямого вимірювання зносу різця, можна використовувати складові сили різання, що залежать від ширини фаски зносу. Для вимірювання складових сили різання використовують тензометричні, п’єзоелектричні та інші перетворювачі.

Сили різання можна вимірювати за допомогою тензодатчиків, закріплених на інструменті; вимірювального пристрою, встановленого у пристрої для закріплення інструмента або у шпинделі; датчиків навантаження у приводі подач; п’єзодатчиків, встановлених у напрямку дії сили, що контролюється, та інше.

Одним з цих методів є контроль стану інструмента за допомогою силовимірювальних підшипників, які використовують як чутливі елементи, з’єднані з підсилювачем та електронною обчислювальною машиною. До недоліків методу можна віднести те, що сигнал від сили різання, наприклад при розточуванні, зенкеруванні та чистовій обробці невеликими фрезами практично не виділяється на фоні перешкод.

Метод вимірювання сили різання за струмом у якорі двигуна привода подач знайшов широке застосовування в автоматизованому виробництві. Основною перевагою цього метода є порівняно просте контролювання діагностичного параметра. Збільшення амплітуди струму є ознакою підвищення зносу інструмента. Недоліком цього методу є віддаленість датчика від зони різання, внаслідок чого з’являються похибки від нерівномірного тертя у направляючих; інерційність приводу, яка спричиняє затримку сигналу, що може призвести до аварійних ситуацій; зниження чутливості при наявності редукції у приводі подачі.

Динамометри для вимірювання сил різання не знайшли використання у промисловості через наступні недоліки: монтування динамометрів у технологічну систему знижує жорсткість верстата; низька універсальність динамометрів як засобів вимірювання; складність експлуатації на верстатах з автоматичним встановленням інструмента та поворотним столом.

Відомо також використання тензодатчиків, встановлених в опорі ходового гвинта приводу подач для контролю працездатності інструмента. Недоліком методу є нестабільність втрат на тертя у направляючих та вплив теплового розширення гвинта на точність вимірювань.

Найбільше поширення отримав метод контролю стану різального інструмента за силою струму у якорі двигуна приводу головного руху, який корелюється з крутильним моментом і відповідно з потужністю на шпинделі. Контроль стану інструмента за навантаженням привода шпинделя здійснюється порівнянням фактичної сили струму з величиною, введеною в пам’ять у ході навчання. У системах контролю стану інструмента контроль струму сполучається з контролем часу різання. Передбачено також адаптивне управління для запобігання верстата від перевантажень за рахунок регулювання подачі.

Поширення цього методу пояснюється зручністю вимірювання діагностичного параметра, більш високою точністю оцінки зносу у порівнянні з вимірюванням струму у двигуні приводу подач. До числа недоліків методу можна віднести: низьку швидкодію внаслідок інерційності приводу; низьку чутливість до поломок кінцевого інструмента малого діаметра; значне коливання потужності, використовуваній на холостому ході, та її залежність від частоти обертання шпинделя; низьку чутливість при наявності редукції у приводі.

Підвищення сили різання з ростом зносу різального інструмента (особливо у напрямку подачі) спричиняє його вібрацію, інтенсивність якої залежить від тертя між різальним інструментом та поверхнею заготовки, що обробляється. Встановлено, що потужність сигналу, яка реєструється п’єзоелектричним акселерометром та визначена при аналізі спектра, є лінійною функцією від ширини стрічки зносу, причому співвідношення сигналу для нового та зношеного різців становить приблизно 1:10.

При мікро- та макропластичній деформації або у процесі руйнування у твердому тілі відбувається збільшення ступеня деформації, ущільнення, обумовлені рухом та гальмуванням дефектів кристалічної будови, яке супроводжується випромінюванням звукових хвиль. Виникаючий при цьому імпульс напруження рухається у матеріалі зі швидкістю звукових хвиль і може бути зафіксований п’єзоелектричним акселерометром у вигляді електричного сигналу з частотою до 50 МГц.

Фізичні явища у зоні різання: процеси тертя та адгезії у фрикційному контакті інструмента зі стружкою та з поверхнею деталі; процеси пружного та пластичного деформування матеріалу; швидкоплинні процеси крихкого руйнування; ударні процеси, що супроводжують перервне різання, та інші є джерелом пружних хвиль різної інтенсивності та частоти. Ці хвилі, розповсюджуючись у пружному середовищі зі швидкістю звуку, відлунюючись від поверхонь, поступово згасають і утворюють хвилю, яка досягає будь-якої точки поверхні та спричиняє її зсув. Прискорення цих зсувів і фіксується п’єзодатчиком.

Стійкість і наростаюча величина зносу ріжучого інструменту в часі пропорційно залежать один від одного, причому, чим довше в часі інструмент досягає своєї критичної величини зносу, тим вище його стійкість. Між величиною зносу і тривалістю різання існує залежність, при цьому інструмент послідовно проходить стадії: «перехідний процес», «нормальна робота інструменту» і «аварійний режим». Для більшості ріжучого інструменту втрата працездатності (відмова) становить через зношування 47 %, через поломки 21 %, через сколювання 10 %, через викришування 22 %. Витрати часу на виявлення і ліквідацію відмов різального інструменту складають в середньому 10 % загального часу роботи верстатного обладнання. Інструмент може бути замінений у зв'язку з раптовою відмовою, поступовою відмовою або вичерпанням своєї стійкості, при цьому в якості контрольованого параметра розглядається в основному знос інструменту.

Контролювання величини зносу ріжучого інструменту можна здійснювати різними методами і засобами в процесі різання матеріалів: за допомогою вимірювання сили різання, крутильного моменту на шпинделі, струму або потужності двигуна головного приводу шляхом пробного різання; вібродіагностикою з використанням акселерометрів методом акустичної емісії; шляхом визначення температури різання за допомогою електрорушійної сили і пірометрів, вимірюванням температури стружки; спектральним аналізом сили різання, з використанням механічних, оптичних, індуктивних та інших датчиків.

Широке застосування для контролювання стану ріжучого інструменту знайшли датчики дотику, що дозволяють вимірювати контрольовані розміри після закінчення процесу різання з високою точністю. При цьому датчики дотику розміщуються безпосередньо на верстаті і, в період вимірювального циклу, верстат працює в режимі координатно-вимірювальної машини.

Застосовуються і безконтактні способи контролювання стану ріжучого інструменту після закінчення процесу різання, що базуються на використанні оптоелектронних та пневматичних датчиків замість механічних щупів. Використовуються датчики, за допомогою яких за ступенем шорсткості обробленої поверхні можна судити про знос ріжучої кромки інструменту при точінні.

Зношування ріжучого інструменту є процесом середньої швидкості і в міру його розвитку, як в зоні різання, так і в динамічній системі верстата відбуваються складні процеси, тому великий інтерес представляють методи оцінки величини зносу інструменту, засновані на аналізі вібрацій, що виникають в пружної системи різець-деталь в процесі різання. При цьому слід зазначити два методи: віброакустичний і акустичний. Основною перевагою застосування зазначених методів є простота вбудовування датчиків в верстат практично без зміни його конструкції, інформативність сигналів, робота основних елементів апаратури обробки сигналів.

З різноманіття процесів, що впливають на віброакустичний сигнал, можна виділити один або кілька основних, які визначають характер зміни його параметрів з ростом зносу інструменту для конкретного виду обробки. Так, наприклад, з ростом зносу ріжучого інструменту при точінні змінюються динамічна характеристика процесу різання і інтенсивність взаємодії мікронерівностей на контактуючих поверхнях різального інструменту і заготовки. Ці два процеси і визначають зміну параметрів віброакустичного сигналу при токарній обробці. При використанні даного методу віброакустичний сигнал аналізується в діапазоні частот від 2 до 45 кГц.

Використання методів контролю величини зносу інструменту за допомогою вібродатчиків в процесі різання матеріалів має низку переваг в порівнянні з методами контролю за допомогою датчиків дотику після закінчення процесу різання. Явні переваги методів контролю величини зносу інструменту за допомогою вібродатчиків в процесі різання: оперативність контролю, зменшення повного циклу обробки деталей, облік випадкових факторів. Однак контроль величини зносу інструменту за допомогою датчиків дотику після закінчення процесу різання має досить високу надійність, при цьому апаратура контролю може бути розміщена таким чином, що на неї не будуть мати шкідливий вплив різні фактори, властиві процесу обробки.

Для контролю стану інструменту можливе використання діагностичних сигналів від різних частин технологічної системи. На підставі цього може бути складена класифікація способів контролю стану ріжучого інструменту (рис. 2.14).

У класифікації, наприклад, токарного інструменту відображені три основних види контролю стану інструменту: до початку обробки; в процесі різання; після обробки. Контроль до початку обробки спрямований перш за все на забезпечення відповідності ріжучого інструменту заданим параметрам і здійснюється зазвичай при зміні інструменту. Контроль в процесі різання призначений для запобігання відмов, які можуть виникнути в процесі обробки. Контроль після обробки забезпечує необхідну якість обробки застосовуваним інструментом на наступних операціях.

Для контролю використовують прямий або непрямий методи визначення параметрів стану інструменту. При контролі після обробки можливе застосування обох методів. Залежно від методу для кожного виду контролю в схемі вказані об'єкти контролю та їх можливі контрольовані параметри.

В класифікації не вказані конкретні засоби контролю, так як для вимірювання зазначених контрольованих параметрів можна застосовувати одні і ті ж засоби і в той же час за допомогою різних пристроїв можна контролювати однакові параметри.

Рисунок 2.14 – Класифікація способів контролю стану токарного інструменту: 1 - вид контролю; 2 - метод визначення параметрів інструменту; 3 - об'єкт контролю; 4 - контрольований параметр.

В процесі виробництва внаслідок багаторазового повторення циклу обробки види контролю до і після обробки як би перетікають одне в одного. Так, наприклад, контроль після першого циклу обробки заготовки є одночасно контролем до обробки для наступного циклу. Однак в деяких випадках можна виділити ці види контролю в чистому вигляді. По-перше, це може відбуватися при обробці поверхонь заготівки декількома інструментами. По-друге, контроль до обробки має місце після зміни інструменту, при цьому визначають його характеристики, які служать вихідними для подальшого контролю його стану. Контроль після обробки проводять після завершення обробки останньої заготовки партії або при поломці інструмента. У більшості випадків зазначені види контролю правильніше розглядати не щодо якогось певного циклу обробки, а у відношенні до часу проведення обробки – процесу різання, тобто як контроль поза процесом різання.

При контролі стану інструменту поза процесом різання як об'єкт контролю виступає тільки сам інструмент або оброблена деталь, при цьому використовують як прямий, так і непрямий методи визначення параметрів стану інструменту.

З іншого боку, для скорочення часу контролю використовують технологічно обумовлені проміжки в циклі обробки, наприклад переміщення інструменту в початкове або робоче положення, транспортування оброблюваних деталей. В цьому випадку час на здійснення операцій контролю не розглядається як втрати, так як збільшення часу повного циклу обробки не відбувається.

В даний час лише системи контролю стану інструменту поза процесом різання за допомогою датчиків дотику знайшли широке промислове застосування.

Головний недолік способів контролю стану інструменту поза процесом різання полягає в неможливості швидкого виявлення порушення працездатності інструменту, яке сталося в процесі обробки, що в ряді випадків може спричинити серйозні ускладнення і брак. Внаслідок цього більш ефективний контроль стану інструменту в процесі різання, що дозволяє при необхідності оперативно впливати на хід обробки.

Контроль стану інструменту в процесі різання не збільшує цикл обробки. При цьому існує ймовірність, що відмова інструменту не порушить працездатність інших вузлів технологічного обладнання. Такий вид контролю більш ефективний і дозволяє в разі необхідності втрутитися в хід обробки, хоча в порівнянні з контролем поза процесом різання в ряді випадків контроль в процесі різання важче реалізувати і він дорожче коштує.

З представленої класифікації (див. рис. 2.14) видно, що даний вид контролю стану інструменту включає в себе більшу кількість можливих контрольованих параметрів внаслідок збільшення числа об'єктів контролю в порівнянні з видами контролю поза процесом різання. Як об'єкт контролю для даного виду можна використовувати не тільки сам інструмент або оброблювану заготовку, а й стружку, що утворюється в процесі різання.

Існуючі способи контролю стану інструменту в процесі різання з нерівнозначним ступенем точності визначають параметри стану інструменту. Крім того, ймовірність виявлення порушень працездатності інструменту залежить від розташування вимірювального перетворювача.

Найбільш простими з точки зору реалізації є способи, де в якості об'єкта контролю виступають вузли металорізального обладнання. При цьому вимірюють такі контрольовані параметри, як показники потужності та електричні параметри приводних електродвигунів або пружні переміщення і деформації елементів технологічної системи (не включаючи інструмент), що залежать від силових параметрів процесу різання, а також вібрацій.

При вимірах, що проводяться на приводних електродвигунах, вимірювальні перетворювачі можуть бути легко встановлені на обладнанні, вони не вносять змін в процес обробки і не змінюють технічні характеристики верстата. Однак імовірність виявлення пошкоджень інструменту при даному способі контролю для токарної обробки, наприклад, становить лише 50 ... 60 %.

Споживану електричну потужність можна вважати не досить інформативним сигналом (з точки зору отримання інформації про стан інструменту), так як при нормальному зносі інструмента збільшення потужності мале і важко піддається виміру. Внаслідок значного віддалення від зони обробки показання приладів запізнюються щодо фактичної зміни стану інструменту, що визначається частково інерційністю кінематичного ланцюга від електродвигуна до інструменту.

Для контролю стану інструменту в процесі різання використовують пристрої вимірювання пружного переміщення окремих елементів технологічної системи, що виникають під дією сили різання. Найчастіше вимірювання здійснюють вимірювальні пристрої, встановлені в різцетримачі або на опорах шпинделя верстата, або на опорах гвинта приводу подачі. Вважається, що в багатьох випадках більш ефективна установка вимірювального перетворювача на валу приводу подачі. Теоретично вимірювальний перетворювач повинен монтуватися на лінії дії вимірюваної сили для уникнення впливу побічних сил. Невиконання цієї умови може призвести до значного збільшення похибки вимірювань силових параметрів. Тому для отримання достовірної інформації про силові параметри процесу різання при вимірюванні сил за допомогою реєстрації пружних переміщень окремих елементів технологічної системи необхідно враховувати вплив на ці елементи різних факторів, властивих процесу металообробки.

Контроль стану інструменту за силовими параметрами процесу різання має широке поширення внаслідок отримання досить достовірної інформації. Можливість використання сили різання для контролю стану інструменту пояснюється тим, що, наприклад, при чистовому точінні з подачею менше 0,1 мм/об розкид сили різання становить лише 10 % і швидко зменшується зі збільшенням подачі. Підвищена міцність оброблюваного матеріалу викликає більш інтенсивний знос інструменту, при цьому збільшується сила різання, що служить ознакою швидкого виходу з ладу інструменту і зміни розміру деталі через більший відтиск інструменту. Тому силові параметри використовують для контролю за ходом обробки.

Однак при установці вимірювальних перетворювачів на вузлах металорізального обладнання дещо скорочується вірогідність виявлення відмов інструменту внаслідок віддалення вимірювальних перетворювачів від зони різання, а також з огляду на те, що вимірювач сприймає не тільки силу різання, але і ряд інших сил, що мають місце при роботі металорізального обладнання. Вплив побічних сил призводить до збільшення похибки вимірювання сили різання, що необхідно враховувати при контролі стану інструменту за силовими параметрами.

При контролі стану інструменту за силовими параметрами практично при всіх відомих способах збільшення значень складових сили різання розглядають як наслідок зростання сил тертя, що діють на задній поверхні інструменту. При цьому не враховують фактичну геометрію ріжучої частини інструменту, вважаючи, що геометричні параметри інструменту залишаються незмінними. Однак зі зростанням зносу інструменту на задній поверхні і затупленням ріжучого леза буде змінюватися фактичний стан головної різальної кромки, що відобразиться на величині кінематичних геометричних параметрів інструменту, що визначаються взаємним розташуванням інструменту і оброблюваної заготовки і їх відносним переміщенням в процесі різання, а отже, і на значеннях силових параметрів.

Дослідження явищ, властивих процесу різання, дозволили розробити низку способів контролю стану інструменту, при яких в якості об'єкту контролю вибраний власне процес різання, тобто взаємодія інструменту з оброблюваної деталлю і стружкою. Для цілей контролю використовуються електричні явища, що виникають при різанні, акустичне та електромагнітне випромінювання.

Основною перевагою контролю стану інструменту за електричними параметрам із зони різання є відсутність необхідності перетворення вимірюваного параметра. Електричні сигнали, що генеруються при різанні, реєструють безпосередньо вимірювальним приладом, приєднаним одним входом до інструменту, а іншим до оброблюваної заготовки. Електрорушійну силу різання, що виникає в зоні контакту інструменту і заготовки, вимірюють в режимі як постійного, так і змінного струму. При вимірюванні електрорушійної сили різання не потрібна ізоляція інструменту, так як електричний опір шпиндельних підшипників значно більше електричного опору ковзного контакту. Електрорушійну силу різання як діагностичний сигнал можна використовувати в великому діапазоні режимів різання внаслідок того, що на величину електрорушійної сили практично не впливає температура заготовки. Контроль стану інструменту здійснюють за абсолютною величиною постійної складової електрорушійної сили різання. При вимірах в режимі змінного струму виділяють спектр частот, на яких виконуються зміни і для контролю використовують або абсолютне значення електрорушійної сили, або деяку змінну складову, яка визначається за заданим алгоритмом. Як контрольований параметр при оцінці стану інструменту застосовують також величину електричного опору контакту інструменту і заготовки.

Основний недолік способів контролю за електричними параметрами зони різання полягає в необхідності зняття електричних сигналів з деталей, що обертаються. Використовувані для цього пристрої є основним джерелом спотворень і перешкод, що генеруються в каналі вимірювання електричних параметрів зони різання, крім того, такий метод можна застосовувати тільки  при  обробці  електропровідних матеріалів.

Низку досліджень було проведено для виявлення можливості контролю стану інструменту за акустичним випромінюванням із зони різання. Вважається, що акустичне випромінювання (емісія) являє собою пружну енергію, що вивільняється в матеріалі при деформації або руйнуванні. Акустичний сигнал реєструють датчиком, який сприймає ударні хвилі, що виникають при вивільненні енергії.

Встановлено, що основні максимуми спектра сигналу акустичної емісії зосереджені в області 100 кГц при нормальному різанні, а при дефекті ріжучого інструменту це відбувається в діапазоні 100 ... 300 кГц. Тому при контролі стану інструменту за акустичним випромінюванням обмежують межу нормальної роботи смугою в 100 кГц, зону частот вище 100 кГц вважають зоною ушкодження інструменту.

Гостре лезо випромінює в основному енергію високих частот, зношене ж лезо генерує додаткову енергію коливань в низькочастотних і високочастотних областях спектра.

Експериментальні дослідження акустичної спектрометрії при контролі стану інструменту показали, що при 1 мм зносу інструменту на задній поверхні рівні складових коливань в низькочастотній області спектра виросли в 5 ... 8 разів, а в високочастотної області приблизно в 100 разів. Це свідчить про збільшення енергії акустичного сигналу на всьому спектрі внаслідок тертя, викликаного збільшеною загальною площею зносу на передній і задній поверхнях інструменту об стружку і об поверхню деталі. Збільшення енергії в різних частинах спектра неоднакове. Сказане дозволило зробити висновок про те, що між акустичним випромінюванням, що генерується в процесі різання, і станом інструменту існує певна залежність, тобто різного ступеня знос поверхонь інструменту відповідно генерує акустичний сигнал різної інтенсивності.

Однак при обробці різанням генерується не тільки діагностичний акустичний сигнал, але і шуми, що заважають виявленню і розшифровуванню контрольованого сигналу. Шуми виникають в результаті ударів стружки, від сторонніх включень в матеріалі заготовки, внаслідок роботи шестерень приводів верстата тощо. Також встановлено, що акустичний сигнал залежить від низки технологічних факторів (глибини і швидкості різання, частоти обертання шпинделя, величини вильоту інструменту або заготовки та інше). Крім того, при обробці різанням різних матеріалів виникають різні звукові коливання в ріжучому інструменті і в оброблюваній деталі. Внаслідок їх накладення ускладнюється виявлення необхідного для аналізу акустичного сигналу.

Розроблено спосіб контролю стану інструменту на основі інформації про зміну потоку інфрачервоного випромінювання зони різання, але в даний час він ще не знайшов широкого промислового впровадження внаслідок низки істотних обмежень.

Для контролю стану інструменту відомі нечисленні способи з використанням його в якості об'єкта, який змінюється при утворенні стружки. Стан інструменту в даному випадку оцінюють за його формою, температурою, радіоактивністю або напрямку сходу стружки. Наприклад, температуру вимірюють за допомогою фотодіодів. Для зниження похибки вимірювання температури необхідно враховувати шкідливий вплив теплового випромінювання від зони різання, так як вимірювальні перетворювачі розташовують на відстані близько 30 мм від вершини різця.

Оброблювана заготовка також може розглядатися в якості об'єкта контролю стану інструменту в процесі різання. Однак слід зазначити, що використання оброблюваної заготовки в цій якості раціональніше при контролі стану ріжучого інструменту поза процесом різання.

При механічній обробці інструмент в процесі різання знаходиться в постійному контакті з оброблюваної заготовкою, тому використання прямого методу визначення параметрів його стану практично неможливо. Стан інструменту в такій ситуації оцінюють непрямим методом, при цьому реєструються діагностичні сигнали, що формуються внаслідок реакції самого інструменту на зміну умов обробки через зміну стану інструменту.

Розміщення вимірювальних пристроїв на ріжучому інструменті дозволяє отримувати якіснішу інформацію про процес різання і про стан інструменту, але, з іншої сторони, це потребує деякого доопрацювання стандартного ріжучого інструменту, а іноді суттєво. Тому доцільність застосування такого інструменту слід економічно обґрунтовувати.

Тіло інструменту в процесі різання зазнає дії сил, що виникають при різанні, сприймає вібрації, вплив температур та інше. На основі цього визначають параметри, вимірюючи які можна контролювати стан інструменту.

Серед експериментальних методів вимірювання температури і її розподілу на робочих гранях інструменту, що відображають найбільш точно закономірності зміни температури від зносу, слід зазначити фотоелектронні методи. З їх допомогою визначено розподіл тепла між стружкою, заготовкою та різцем, характер розподілу температур на передній і задній поверхнях інструменту, зміну середньої температури і температури на задній поверхні різця в залежності від її зносу та інші закономірності. Однак застосування фотоелектронних методів вимірювання в виробничих умовах досить обмежене, так як фотоелектронні датчики складні у виготовленні, мають високу вартість і важко налагоджуються.

У лабораторних дослідженнях зміну температури інструменту визначають за допомогою вбудованих в тіло інструмента термопар. Для більш точного вимірювання температури гарячий спай термопари повинен бути максимально наближений до ріжучої кромки інструменту, іншими словами, термопару необхідно вбудувати в ріжучу пластину, а це пов'язано з певними труднощами виготовлення. Крім того, при цьому відбувається значне ослаблення різального леза інструменту, зростає ймовірність його руйнування в процесі різання. При розташуванні гарячого спаю термопари між ріжучою пластиною і державкою внаслідок низької теплопровідності інструментальних матеріалів теплопередача буде відбуватися повільно, що позначається на швидкодії вимірювальних перетворювачів.

Силові параметри, що виникають в процесі різання в першу чергу впливають на ріжучий інструмент і оброблювану заготовку, що викликає їх пружні переміщення і деформації, а потім і всіх інших елементів технологічної системи. Тому існує думка, що найбільш раціональним джерелом інформації про силові параметри в процесі різання є сам інструмент, він безпосередньо сприймає виникаючі навантаження. У той же час вимірювання силових параметрів на самому інструменті пов'язане з низкою труднощів як конструктивного, так і організаційного характеру. По-перше, в апаратній частини. Найбільш часто використовувані для силових вимірювань тензометричні і індуктивні вимірювальні перетворювачі вимагають наявності пружного елемента зниженої жорсткості, що сприймає навантаження, для забезпечення високої чутливості вимірювальних перетворювачів, що практично неприйнятно для реалізації в тілі інструмента. По-друге, при безпосередньому наклеюванні тензометричних датчиків або установці індуктивних датчиків на державці стандартного інструменту значно збільшується вартість останнього. Крім того, в цьому випадку неможливо забезпечити необхідну чутливість вимірювальних перетворювачів внаслідок високої жорсткості стандартного інструменту. По-третє, розміщення вимірювальних перетворювачів на інструменті перешкоджає швидкій зміні ріжучого інструменту. Через це зараз практично відсутні конструкції динамометричних пристроїв, виконаних в тілі ріжучого інструменту.

В даний час у зв'язку з подальшим розвитком вимірювальної техніки і створенням принципово нових конструкцій ріжучих інструментів (наприклад, для блокових інструментальних систем) можливе створення суміщених ріжучих інструментів-датчиків, що забезпечують характеристики міцності та жорсткості. Широкі перспективи для цього відкриває використання магнітопружних вимірювальних перетворювачів силових параметрів. Магнітопружні перетворювачі, на відміну від тензорезисторних пристроїв, які реєструють деформацію, і індуктивних, які фіксують переміщення, дозволяють вимірювати механічні внутрішні напруги в чутливому елементі. Внаслідок високої чутливості, що визначає основні переваги магнітопружних вимірювальних перетворювачів, діапазон вимірюваних навантажень обмежений тільки властивостями матеріалу чутливого елемента, а не характеристиками перетворювача, тому можливе створення таких вимірювальних пристроїв, які б дозволяли здійснювати вимірювання сил практично без деформацій пружночутливого елемента. Це особливо важливо при отриманні інформації про силові параметри процесу різання.

Хоча магнітопружні датчики для вимірювання сил і тисків розроблені досить давно, а сам магнітопружний ефект був відкритий ще в середині минулого століття, до сих пір не існує достовірних даних про окремі характеристики таких вимірювальних перетворювачів, що і ускладнює їх застосування. Різнобічні дослідження магнітопружних вимірювальних перетворювачів, проводилися з метою виявлення можливості використання перетворювачів даного типу для автоматизації металорізального обладнання шляхом запам'ятовування результатів вимірювань параметрів в процесі різання гострим (новим, тобто незношеним) інструментом.

В даний час для контролю стану різального інструменту існують пристрої контролю – це, як правило, мікроелектронні обчислювальні машини в комплекті з вимірювальними пристроями. Вимірювальні пристрої включають в себе різного роду датчики, що виробляють сигнал, який характеризує процес різання. У якості датчиків найчастіше використовуються тензорезисторні, п'єзоелектричні, індуктивні і рідше інші вимірювальні перетворювачі.

Залежно від математичних та логічних методів обробки даних, отриманих від вимірювальних пристроїв, і подальшого їх аналізу пристрої контролю розрізняються можливостями і ступенем надійності визначення неполадок, що виникають в процесі різання. У табл. 2.1 та табл. 2.2 представлені характеристики пристроїв контролю стану інструменту в процесі різання і їх можливості. У пристроях реалізуються різні способи контролю стану інструменту, розглянуті вище.

У більшості пристроїв в якості діагностичної інформації для контролю використовується інформація про силові параметри процесу різання, одержувана виміром значень складових сили різання або крутного моменту. Це обумовлено достатньою інформативністю контрольованих параметрів, відносною простотою їх вимірювання і обробки результатів.

Важливе значення для отримання достовірної і оперативної діагностичної інформації має місце вбудовування вимірювального перетворювача в технологічну систему.

Таблиця 2.1–Характеристики пристроїв контролю стану ріжучого інструменту (частина 1)

Таблиця 2.2–Характеристики пристроїв контролю стану ріжучого інструменту (частина 2)

Слід також відзначити проблеми, що виникають при визначенні граничних значень уставок, які характеризують неможливість подальшого використання контрольованого інструменту. Значення уставок в пристроях контролю задають, як правило, у вигляді відсоткової добавки до даних, отриманих в процесі навчання. Внаслідок цього неможливий контроль поточного стану інструменту з метою внесення коректив в хід процесу обробки наприклад для компенсації розмірного зносу контрольованого інструменту. Диференціювання уставок дозволяє більш раціонально використовувати інструмент, підвищити чутливість контролю і зменшити число помилкових спрацьовувань. Завдання уставок має відповідати ділянкам контролю, що характеризуються різними умовами (інструмент, режими різання і так далі). Іншими словами, необхідно мати можливість визначати значення уставок для конкретних (детермінованих) станів інструменту.

 Дослідження показують, що силові параметри процесу різання залежать від виду інструменту, його геометрії, тенденцій її зміни при використанні інструменту та інше. Але в існуючій методиці визначення значень силових параметрів враховують їх зміни, зумовлені зносом, шляхом введення уточнюючих коефіцієнтів. Ці коефіцієнти мають орієнтовні значення, обмежені деяким інтервалом, і нерідко для конкретних умов обробки розрахункові значення, що визначають силові параметри можуть сильно відрізнятися від фактичних. Хоча зміна силових параметрів дозволяє судити про зношування інструменту, рекомендації з призначення уставок відповідно до існуючих методик визначення значень силових параметрів носять орієнтовно-приблизний характер, що призводить до необхідності уточнення значень уставок в процесі експлуатації пристроїв контролю за силовим параметрам процесу різання.

При обробці деталей високої складності питання його діагностування особливо актуальні. На сьогоднішній день розроблена відносно велика кількість систем для контролю ступеня зношування і визначення моменту виходу з ладу (поломки) інструменту. Ці системи класифікуються за різними показниками (рис. 2.15), що визначають стратегію діагностування інструментів.

Залежно від часу спостереження за інструментом, системи можна розділити на ті що безперервно отримують інформацію при обробці і ті що отримують інформацію в перервах процесу обробки. В тому, і в іншому випадках потрібен певний час для збору даних про результати вимірювань, наприклад, після обробки деякого числа заготовок. При обробці деталей на верстатах-автоматах або верстатах з числовим програмним керуванням, де оператор практично не бере безпосередньої участі в обробці деталі, системи активного (безперервного) контролю стану різального інструменту є особливо необхідними. Існують чинники, які знижують ефективність роботи системи. Наприклад, при оптичному способі контролю, складно домогтися «гарного бачення» ріжучої кромки при впливі мастильно-охолоджувальної рідини і стружки, пневматичний і радіоактивний методи обмежують використання стандартної оснастки без додаткової їх доробки. Для обертового інструменту проблема контролю встає більш гостро. Розвиток інструментальних матеріалів і покриттів призводить до значного збільшення швидкості обробки, що дуже ускладнює контроль стану кромок інструменту, і практично унеможливлює процес його безперервного прямого контролю. Переривчасте різання також накладає певні обмеження на вибір принципів діагностування стану ріжучого інструменту.

Рисунок 2.15 – Методи контролю стану різального інструменту

 

Найбільш ефективним напрямом в контролі ріжучих інструментів є моніторинг (безперервний контроль) безпосередньо в процесі обробки. Всі методи діагностики поточної працездатності ріжучих інструментів можна умовно розділити на групи, а їх, у свою чергу, на методи прямого контролю, засновані на безпосередній реєстрації величини зносу інструменту, і непрямого контролю, що використовують фізичні явища, які супроводжують процеси різання і зношування інструменту.

Прямі методи вимірювання передбачають безпосереднє вимірювання параметрів зносу, при цьому контролюється знос за лункою, що утворюється на передній поверхні, відстань від ріжучої кромки до центру лунки, глибина лунки, ширина стрічки зносу на задній поверхні, зменшення об’єму або маси інструменту, розмірний знос ріжучої кромки , розкид розмірів деталей в партії і тому подібне. Зазначені параметри можуть бути визначені радіоактивними, оптико-телевізійними, лазерними, електромеханічними, ультразвуковими або пневматичними методами.

При прямому контролі параметри зносу (характеристики лунок і стрічок зносу) на контактних поверхнях інструменту вимірюються безпосередньо в процесі обробки. Прямі вимірювання зносу інструменту викликають деякі труднощі, що пов'язано в основному зі складністю конструкції датчиків зносу. При виконанні прямих вимірювань використовують, як правило, допоміжні або холості ходи інструменту, вихід інструменту або різальних кромок з процесу обробки. Апаратура для контролю зносу ріжучих інструментів після закінчення процесу різання може бути розміщена таким чином, що на неї не будуть мати шкідливий вплив різні фактори, властиві процесу металообробки. Такі вимірювання мають підвищену надійність. Однак вимірювання здійснюються періодично, що не дає змоги вчасно виявити відмови ріжучого інструменту. Необхідна періодичність контролю може бути визначена на підставі досвіду використання відповідного ріжучого інструменту на даних технологічних операціях і на підставі імовірнісних розрахунків з урахуванням передбачуваного періоду стійкості різального інструменту.

Рисунок 2.16 – Непрямі методи контролю стану різального інструменту

 

У зв'язку зі складнощами використання в виробничих умовах прямих методів визначення стану ріжучого інструменту проводилися і проводяться численні роботи, спрямовані на використання можливості оцінки стану інструменту за вимірюванням різних параметрів процесів, які супроводжують різання. При використанні непрямих методів (рис. 2.16) датчиками приймаються сигнали, що надходять від певних ділянок інструменту, машини, заготовки та містять інформацію про розміри і швидкість зносу інструменту. При цих методах контролюються різні характеристики процесу різання, які мають певні кореляційні зв'язки з величиною зносу і інтенсивністю зношування ріжучих кромок інструменту. Принципи і техніка вимірювання при непрямих методах порівняно прості. Вони дозволяють безперервно отримувати в процесі обробки інформацію про знос ріжучої кромки. Придатні вони також для реєстрації різких або стрибкоподібних змін зносу або руйнування різальних кромок інструменту протягом коротких інтервалів часу. Основний недолік непрямих методів полягає в тому, що кореляційний зв'язок між виміряним фактором і зносом інструменту повинні бути визначені експериментальним шляхом для кожного конкретного випадку обробки. Одним із складних, з точки зору діагностики стану різального інструменту, є процес фрезерування, яким на сьогоднішній день займаються багато вчених. Найбільш популярними непрямими методами визначення зносу при фрезеруванні в даний час є методи аналізу сигналів акустичної емісії, вібрацій елементів технологічної системи, а також вимір потужності приводу головного руху різання або зусилля подачі.

Методи вимірювання включають в себе нижчезазначені.

Рисунок 2.17 – Схема дії радіоактивного перетворювача

Радіоактивний метод (рис. 2.17) заснований на застосуванні радіоактивних датчиків. Ріжуча пластина опромінюється нейтронами, і в процесі різання невеликі радіоактивні частинки інструменту відходять разом зі стружкою. Радіоактивні частинки розміщують на межі зони зносу або на задній грані на рівні величини критичного зносу. Падіння радіоактивності означає, що зона зносу поширилася далі місць розташування радіоактивних частинок.

Стружка переміщається у потік масла, що проходить крізь вимірювальну головку, де вимірюється рівень її радіоактивності. Рівень радіоактивності стружки залежить від об’єму який віднесло з інструментального матеріалу а, отже, від зносу інструменту.

Проблема захисту від радіоактивності та необхідність збирання стружки не дозволяють широко застосовувати радіоактивні перетворювачі.

Недоліками даних методів є низька точність, складна вимірювальна апаратура, неможливість роботи з переточеним ріжучим інструментом, необхідність роботи з радіоактивними речовинами. Тому незважаючи на відносну простоту реалізації даного способу, він практично не набув поширення.

Оптичні і оптико-електронні пристрої вимірювання зносу засновані на тому, що зі зміною зносу змінюється відбивна здатність задньої грані інструменту. З огляду на розвиток сучасної оптоволоконної техніки, що дозволяє спростити процес вимірювання і високу точність одержуваних результатів, слід зазначити перспективність застосування даного методу вимірювання зносу ріжучого інструменту. Схема використання оптичних датчиків полягає в наступному: після закінчення обробки інструмент виводиться на вимірювальну позицію так, щоб його робоча поверхня освітлювалась джерелом світла; відбите від неї світло проектується на світлочутливі елементи. За допомогою схеми перетворювання забезпечується сигнал, пропорційний зносу інструмента.

Рисунок 2.18 – Оптико-волоконний датчик	Рисунок 2.19 – Телемоніторний пристрій виміру зносу різця

У оптико-волоконному датчику (рис. 2.18) знос різця вимірюється світловим променем, що рухається і трансформується цим датчиком в електричний сигнал.

За телемоніторною схемою (рис. 2.19) вимір зносу на телемоніторному пристрої реєструють у вигляді світлової смужки з подальшою обробкою телевізійного сигналу за допомогою електронних засобів та комп’ютерних технологій.

Найбільш поширеним критерієм затуплення різального інструмента, який засвідчує про необхідність припинення роботи, є ширина зносу контактної площадки його задньої поверхні. Методика визначення критерію затуплення базується на систематичних вимірах під час роботи розміру зносу задньої поверхні. Замір проводять у момент припинення різання або безпосередньо у процесі різання. Використання у системах автоматичного керування процесом обробки пристроїв, пов’язаних з необхідністю припинення процесу різання для здійснення заміру зносу інструмента, не дає ефекту через значне запізнення формування керуючого сигналу за отриманою у результаті замірів інформацією.

Рисунок 2.20 – Схема дії оптичного світло-волоконного датчика

Тому найбільш цінними є пристрої, що вимірюють знос інструмента безпосередньо у процесі різання. До них належать оптичні пристрої (рис. 2.20) з використанням засобів звичайної та волоконної оптики. Вимір відстані між світловим вихідним отвором оптичного волокна і деталлю призводить до зміни інтенсивності відбитого світла.

Загальним недоліком оптичних методів є висока чутливість до зовнішніх умов експлуатації (засміченість повітря, наявність мастильно-охолоджувального середовища та стружки у зоні різання) що є суттєвою перешкодою для їх впровадження в виробничих умовах.

Пневматичний метод заснований на залежності опору повітряного струменя від відстані між соплом датчика і контрольованою поверхнею. В такому методі вимірювання зносу різця в якості вимірювального пристрою використовується пневматичний датчик. Сопло розташовується в ріжучій пластині інструменту або на державці під ріжучою пластиною. З ростом зносу інструменту скорочується відстань між соплом і поверхнею обробленої деталі. Це призводить до зміни опору повітряного струменя.

Рисунок 2.21 – Схема дії пневматичного датчика

Пневматичний перетворювач зносу (рис. 2.21) вимірює відстань між торцевою поверхнею вимірювального сопла та поверхнею деталі, що обробляється і діє як заслінка. У процесі різання за мірою зносу різального інструмента змінюються вказана відстань і тиск у вимірювальній камері, за яким контролюють величину зносу.

Перевагою перетворювача є можливість вимірювання зносу різця у безпосередній близькості від різальної кромки, недоліком – вплив на показники пристрою кривини поверхні деталі, що обробляється, її шорсткість, а також точність виготовлення вимірювальних сопел.

У ряді робіт наведені опис і результати випробувань системи безперервного контролю зносу інструменту при точінні. Система заснована на використанні диференційного безконтактного пневматичного датчика, сопло якого розташовано на державці різця в безпосередній близькості від ріжучої пластини з боку обробленої поверхні. Перед початком обробки тиск вимірювального ланцюга балансується таким чином, що нульове показання приладу реєстрації відповідає положенню вершини різця, що забезпечує отримання необхідного діаметра деталі.

Даний спосіб не позбавлений істотних недоліків. До них необхідно віднести, по-перше, складність практичної реалізації, пов'язану з необхідністю застосування спеціальних конструкцій інструменту з пнемо-каналами, а також із забезпеченням подачі повітря при автоматичній зміні інструменту; по-друге, залежність результатів вимірювання від точності і шорсткості поверхні «заслінки». Тому даний спосіб доцільно застосовувати тільки на оздоблювальних операціях.

Рисунок 2.22 – Пневматична система виміру зносу різця

Також існують пневматичні системи виміру зносу різального інструменту поза зоною обробки (рис. 2.22). У схемі з використанням пневматичної системи зміна швидкості струменя повітря пропорційна зносу ріжучого інструменту. По мірі зношування інструменту збільшується зазор між соплом і поверхнею, що відповідає позитивній неузгодженості вимірювальної системи. Пропонована система може бути використана на верстатах з адаптивним керуванням і автоматичною зміною інструментів.

Електромеханічний метод забезпечує вимір зносу інструменту в робочому просторі верстата за допомогою контактних датчиків при установці супорта в позицію, яка визначається конструктивним розташуванням вимірювального пристрою. У більшості випадків вимірювальні пристрої розміщуються безпосередньо на верстаті і в період вимірювального циклу верстат працює в режимі координатно-вимірювальної машини. При цьому методі датчик розташовують на задній бабці токарного гідрокопіювального верстата або закріплюють на передній стінці коробки швидкостей. У наведених системах вимірювання зносу проводиться при підведенні інструмента до датчика. Датчик перетворює переміщення щупа, що рухається по інструменту, в електричний сигнал, а про величину зносу судять за різницею виміряних сигналів датчика до і після обробки.

Рисунок 2.23 – Схема дії датчика дотику

Методи контролю з використанням датчиків дотику отримали поширення завдяки підвищенню точності вимірювальних пристроїв систем програмного керування та появі надійних датчиків дотику. Оцінка зносу проводиться за наступною схемою (рис. 2.23): виконавчий орган верстата підводить інструмент на вимірювальну позицію до моменту дотику з механічною або електричною рухомою системою, і за зміщенням різальної кромки визначається знос інструмента.

При проведенні вимірювань можливе збільшення швидкості переміщення робочого органу, але збільшення швидкості обмежено динамічними характеристиками датчиків. Наявність наросту та стружки на різальних елементах інструмента також негативно впливає на надійність методу дотику.

Перевагою методу дотику є його універсальність, тобто можливість проводити різноманітні контролюючі операції, наприклад контроль наявності інструмента у робочій позиції, а також висока точність вимірювань, відсутність впливу умов обробки на результат вимірювань. Недоліком є необхідність високої точності виходу виконавчого органу на вимірювальну позицію і мала швидкодія вимірювань.

Однак даний спосіб може бути використаний далеко не на всіх верстатах, оскільки наявність в робочому просторі верстата додаткового пристрою знижує універсальність верстата і зменшує його надійність. Стружка, мастило і мастильно-охолоджувальна рідина в ряді випадків роблять цей спосіб не придатним. До того ж необхідно врахувати, що через наявність зайвих переміщень, необхідних для контролю зносу інструменту, знижується продуктивність верстата.

У процесі обробки через розмірний знос різця відстань між різцетримачем та обробленою поверхнею зменшується.

Контроль за зміною вказаної відстані здійснюється за допомогою електричного та пневматичного перетворювачів, а також ультразвукового пристрою.

 

Рисунок 2.24 – Схема дії електричного контактного перетворювача

Електричний перетворювач встановлюють на різцетримач, а його щуп контролює безпосередньо поверхню, яка обробляється (рис. 2.24).

Перевагою цього методу вимірювання є те, що фіксується зміщення оброблюваної поверхні, а не різальної кромки інструмента. Знос щупа через його тертя об деталь, подряпини на обробленій поверхні, вібрації заготовки та інші шкідливі явища ускладнюють вимірювання.

Ультразвуковий метод забезпечує діагностування стану ріжучого інструменту, засноване на вимірі довжини ріжучого леза, за рахунок визначення часу проходження ультразвукової хвилею заданої відстані. Знаючи швидкість і час поширення ультразвуку в середовищі, легко визначити відповідний шлях.

Ультразвукові коливання в середовищі у вигляді імпульсу збуджуються п'єзоелектричним джерелом. Якщо ці імпульси наштовхуються на перешкоду, то частина енергії випромінювань хвилі відбивається і повертається до джерела випромінювання у вигляді відлуння-імпульсу. У цей момент часу п’єзоперетворювач переходить з режиму випромінювання в режим прийому.

Час між переднім фронтом переданого імпульсу і переднім фронтом луна-імпульсу є часом проходженням імпульсом відстані передавач-відбивач-приймач, яке може бути виміряна з точністю до 1 нс. Встановлено, що методом ультразвукового контролю можна виміряти різницю шляху з точністю ± 2 мкм.

Рисунок 2.25 – Схема виміру зносу різця за допомогою імпульсного (ультразвукового) датчика

Ультразвуковий пристрій (рис. 2.25) базується на використанні ультразвукового генератора, який встановлено на різцетримачі. У процесі різання вимірюється час проходження імпульсів, відбитих від поверхні, що обробляється, який зменшується у мірі збільшення зносу різця. До недоліків пристрою можна віднести складність його конструкції.

Віброакустичні вимірювання. Певна кількість досліджень присвячена визначенню залежності між вібраціями верстатів і зносом інструменту. Всі роботи в цьому напрямку можна розділити на 2 групи:

1. Використовують в якості сигналу хвилі акустичної емісії, коливання генеруються в зоні різання, в діапазоні частот більше 100 кГц;

2. Використовують в якості сигналу параметри коливань технологічної системи і коливань, що генеруються в зоні різання в діапазоні від 20 Гц до 60 кГц, що включає звуковий діапазон.

При дослідженні коливань технологічної системи верстата зі зносом інструменту пов'язують і співвідношення між високочастотними і низькочастотними коливаннями технологічної системи. При дослідженні сигналів акустичної емісії використовують спектральний аналіз, інтегральні характеристики, а також амплітудний аналіз сигналів. Пропонований спосіб діагностики заснований на аналізі низькочастотних коливальних процесів пружної системи верстата.

Вібраційний метод, заснований на реєстрації характеристик вібрації інструменту в процесі обробки. Розкладають віброакустичний сигнал на низькочастотні і високочастотні складові, за співвідношенням яких судять про знос інструменту.

Судити про достоїнства і недоліки даного методу складно, так як в різних джерелах наводяться різні дані щодо розподілу спектра вібрацій і, відповідно, пропонується використовувати різні його ділянки для діагностування стану ріжучого інструменту.

Інтенсивність високочастотних хвиль напружень (смуга частот зазвичай 200 ... 1200 кГц) може бути використана в якості діагностичного сигналу про стан інструменту, оброблюваності матеріалу, і для оптимізації швидкості різання і геометрії інструменту. Основним недоліком методу є те, що датчик для реєстрації процесів акустичної емісії необхідно розташовувати в безпосередній близькості від зони різання. У всіх публікаціях відмічено, що датчик наклеювався безпосередньо на різець, тому що навіть нерухомий стик послаблює реєстрований сигнал більш, ніж в 10 разів.

Пристрої засновані на контролі рівня коливань. Відомо, що в процесі різання генеруються коливання різних частот і амплітуд, які в значній мірі залежать від стану ріжучих лез.

Коливання в діапазоні звукових і навколозвукових частот реєструються за допомогою датчиків прискорення (як правило, п'єзоелектричних). Дослідження показують, що в міру затуплення інструменту зростає енергія (амплітуда) високочастотних коливань. Об'єктом контролю в цьому випадку служить співвідношення енергій високо - і низькочастотних коливань, яке визначається шляхом вимірювання інтенсивності коливань або звукового тиску в певному діапазоні частот.

При прийнятті рішення про використання коливань для контролю працездатності інструменту слід враховувати, що в ряді випадків на зміни спектра звукових і інших видів коливань істотний вплив спричиняють безпосередньо зміни режимів різання. В цьому випадку необхідно спочатку виділити складову амплітуди, що генерується в результаті зміни режиму різання, а потім ідентифікувати решту сигналу.

Рисунок 2.26 – Схема дії акустичного перетворювача

Широке застосування знаходять акустичні перетворювачі (рис. 2.26), які сприймають сигнали, що виникають при виділенні енергії у результаті процесів пластичної деформації і руйнування при різанні та поширюються у різальному інструменті і заготовці (частоти акустичних імпульсів перевищують частоти шумів від рухомих вузлів верстата та вібрацій).

Перевагою перетворювачів є висока частота сигналів, що дає можливість відсікати за допомогою фільтрів звичайні низькочастотні шуми, простота кріплення перетворювача до інструмента, нескладність конструкції та порівняна легкість обробки отриманих сигналів.

Акустичне випромінювання, що виникає при деформації та руйнуванні металів, генерує акустичний сигнал на частотах, які містять звуковий (до 20 кГц) та ультразвуковий (2·10⁴ ... 10¹³ Гц) сигнали.

Проходження процесів, що породжують акустичне випромінювання, визначається великим числом чинників: макро – і мікрогеометрією інструмента, фізико–механічними властивостями матеріалів інструмента і деталі, динамічними характеристиками технологічної системи, зовнішніми умовами навантаження та використання технологічних середовищ. Зміна хоча б одного з цих чинників призводить до зміни характеристик акустичного сигналу, його інтенсивності та частотного спектра. Знос різального інструмента призводить не тільки до зміни його геометрії, але й спричиняє дію на процеси, що впливають на акустичне випромінювання: збільшується пластична деформація стружки, що знімається, та поверхні різання, змінюється геометрія мікронерівностей у фрикційному контакті пари “інструмент-деталь”, зменшується швидкість ковзання стружки по передній поверхні інструменту, змінюються умови утворення наросту на інструменті, більш інтенсивно йдуть процеси зміцнення матеріалу, що обробляється.

Через різнобічність впливу цих чинників на характеристики акустичного випромінювання та випадкового характеру проходження самого процесу зносу параметри акустичного сигналу, що реєструється, є випадковими функціями різального інструмента. Складність алгоритму обробки акустичного сигналу та віброакустичної системи діагностики стану різального інструмента визначаються задачею, для вирішення якої вона призначена. Наприклад, для знаходження поломки інструмента, при якій розривається контакт “інструмент-деталь”, для певних видів і умов обробки не потрібен складний алгоритм обробки акустичного сигналу. Для визначення ступеня зносу інструмента необхідна, як правило, достатньо складна обробка сигналу, яку можна здійснити за допомогою віброакустичної системи на базі мікропроцесора або з використанням зовнішньої електронної обчислювальної машини.

Експериментально встановлено, що найбільший розкид амплітуд акустичного сигналу відповідає періоду припрацювання інструмента. Далі розкид змінюється, але інтенсивність сигналів мало змінюється з ростом зносу. Це пояснюється тим, що процеси, які суперечливо впливають на зміну характеристик акустичного випромінювання, на даному етапі компенсують один одного.

При критичному зносі інструмента інтенсивність акустичного сигналу та його дисперсія починають різко зростати.

Незважаючи на суттєвий розкид миттєвих значень акустичного сигналу, встановлено, що за закінченням періоду припрацювання енергія акустичного випромінювання протягом достатньо високого інтервалу часу монотонно зростає з розвитком зносу. Виняток становлять моменти появи стійкого наросту на вершині різця, коли інтенсивність високочастотного сигналу може падати.

Практика показує, що більш достовірну інформацію забезпечує вимірювання не безпосередньо амплітуд коливань, а співвідношення амплітуд в тому чи іншому напрямку дії сил у мірі зношування інструменту. Встановлено, що такі співвідношення в значній мірі залежать від напрямку дії сил різання.

Такий метод вимірювання є одним з найбільш простих для контролю стану різального інструменту в процесі різання. До переваг цього способу контролю слід віднести його простоту, невисоку вартість, доступність інформативного параметра, відсутність суттєвої модернізації обладнання.

За допомогою електронних пристроїв контроль цілісності інструменту може здійснюватися шляхом вимірювання потужності, що розвивається електродвигуном.

Обмеженням для використання таких пристроїв є випадки обробки інструментами малого діаметра, при яких потужність, що розвивається приводним електродвигуном, практично не відрізняється від потужності холостого ходу.

Інший істотний недолік способу полягає в тому, що датчики, що стежать за величиною крутного моменту і потужністю, що розвивається електродвигуном, недостатньо ефективні, так як зміна крутного моменту і потужності відбувається недостатньо швидко.

Пристрій контролю стану інструменту за струмом електродвигуна головного приводу дозволяє зафіксувати знос інструменту. При зносі інструменту і перевищенні рівня струму на 20 %, а також при поломці інструменту і зростанні струму на 50 % видається команда на зупинку верстата.

Вибір засобів (датчиків) для оперативної діагностики процесу різання визначається в основному двома чинниками: інформативністю, а також простотою і надійністю монтування в верстат. За цим критерієм вибір в більшості випадків залишається за контролем згаданих силових параметрів і параметрів вібрацій в широкому частотному діапазоні. Однак високочастотні вібрації швидко згасають зі збільшенням відстані від джерела виникнення. Їх рівень різко падає при проходженні стиків між деталями. При зміні ріжучого інструменту умови контактування поверхонь, що сполучаються змінюються випадковим чином, впливаючи на рівень сигналу емісії. Ці моменти істотно звужують сферу застосування високочастотних вібрацій як джерела інформації.

Вібрації в діапазоні до 30 ... 40 кГц вимірюються акселерометрами, які можуть надійно встановлюватися на пружну систему верстата на значній відстані від зони різання, де датчик надійно захищений від стружки і випадкових пошкоджень. Така установка зазвичай не вимагає модернізації верстата, хоча слід приділити увагу захисту від пошкодження кабелю датчика. Проблеми виникають при наявності рухомих стиків між акселерометром і зоною різання, тобто коли обертається і ріжучий інструмент, і заготовка. Однак при великих швидкостях різання наприклад, на круглошліфувальних верстатах це не викликає ускладнень. Але при наявності обертових столів доводиться верстат оснащати механізмом віджимання і притиску акселерометра в періоди повороту столу. Це робить актуальним оснащення віброакустичного каналу системою бездротової передачі сигналу, що дозволило б безперешкодно встановлювати акселерометри на обертові об'єкти і усунуло б прокладку кабелю до датчика. Іноді можна замінити акселерометр мікрофоном, хоча в цьому випадку значно погіршується співвідношення корисного сигналу і перешкод.

Відомо, що рівень вібрацій монотонно зростає зі збільшенням площадки зносу контактуючих поверхонь. Це повинно було б визначати тісний зв'язок сил різання з амплітудою вібрацій. Природа вібрацій при різанні і терті в широкому діапазоні частот має складну структуру, яка не збігається з природою сил при різанні. Наприклад, при збільшенні площі контакту при терті амплітуда коливань на якихось етапах може різко зростати, а на якихось падати або не мінятися зовсім. Складна природа віброакустичного сигналу компенсується його чутливістю до зміни контактних процесів при різанні і терті. Наприклад, чутливість проявляється в тому, що при зближенні ріжучого інструменту з обертової заготовкою момент їх контакту помітно змінює віброакустичний сигнал ще на стадії пружної взаємодії ріжучого інструменту з мікрорельєфом заготовки. Дальність дії проявляється в тому, що віброакустичний сигнал, що виникає в зоні різання, в діапазоні до 20 ... 30 кГц можна реєструвати в будь-якій точці пружної системи верстата, що не відокремлена від зони різання рухливими стиками.

Складна залежність параметрів віброакустичного сигналу від площі контакту пояснюється тим, що віброакустичний сигнал визначається не усередненими залежностями сили від площі контакту, а динамікою самої контактної взаємодії. Ця взаємодія пояснюється двома протилежними процесами у фрикційному контакті: ударами мікронерівностей взаємодіючих тіл і прагненням цих нерівностей утворювати адгезійні містки, що збільшують міцність контакту. З одного боку, це ускладнює оцінку зносу ріжучого інструменту, з іншого – віброакустичний сигнал відображає характер взаємодії контактуючих тіл при різанні і терті, що в ряді випадків, особливо при фінішних операціях, може стати важливішою оцінкою зносу ріжучого інструмента.

Динамічні явища при різанні визначаються не тільки режимами різання а й станом ріжучого інструмента. Наприклад, обробка в однакових умовах заготовок з різною жорсткістю супроводжується різними віброакустичними сигналами. Якщо мова йде тільки про стан ріжучого інструмента, то ця обставина може розглядатися як перешкода. Але якщо важлива чистота поверхні або стан поверхневого шару деталі, то це інформація, яка потребує прийняття рішення. Параметри динамічної системи верстата визначаються не тільки заготовкою, але і координатами робочого простору. Це пов'язано з непостійною жорсткістю пружної системи верстата, зміною вильотів ріжучих інструментів і таке інше. Розрахунок динамічних характеристик верстатів спрямований на оцінку граничної товщини стружки, яку можна знімати на даному верстаті при допустимому рівні вібрацій. Однак добре відомо, що і при чистових режимах обробки доводиться стикатися з автоколивальними процесами (наприклад, тональний шум при різанні), які не порушують хід обробки, але залишають сліди на поверхні і знижують стійкість ріжучого інструменту. При зупинці подачі навіть гострого ріжучого інструменту можуть виникати автоколивання з амплітудою, що перевищує рівень коливань при різанні.

Знаючи режими різання, поки дуже складно заздалегідь визначити, яким повинен бути граничний рівень будь-якого параметра віброакустичного сигналу при досягненні ріжучим інструментом граничного зносу. Існує методика попереднього навчання, згідно з якою при обробці першої деталі отримують дані про параметри віброакустичного сигналу. Далі, спираючись на ці значення, задають коридор, наприклад +/– 10 дБ, вихід контрольованого параметра за межі якого свідчить про відмову ріжучого інструменту чи іншу невідповідність. В процесі експлуатації межі коридору можуть коригуватися для мінімізації помилкових спрацьовувань системи контролю і зменшення числа пропущених дефектів ріжучого інструменту.

Вимірювання температури різання і електричних характеристик зони різання. Метод непрямого вимірювання параметрів зносу інструменту шляхом безперервного або періодичного вимірювання температури різання в процесі обробки ґрунтується на залежності між температурою різання і параметрами зносу інструменту для заданого поєднання матеріалу заготовки та інструменту і для даних умов і режимів обробки.

Як критерій зносу використовується інтенсивність тепловиділення в зоні різання. Вважається, що одним з найбільш простих і надійних методів автоматичного контролю зносу інструментів в умовах малолюдної технології є вимір теплового потоку в інструменті, що визначається перепадом температур в двох точках корпусу інструменту поблизу різальних кромок.

Існує пристрій для безперервного контролю тепловиділення інструменту в процесі обробки різанням. Твердосплавна ріжуча пластина упаюється в мідне оправлення, в тілі якої є наскрізний отвір. Оправлення з пластиною встановлюється за допомогою ізольованої прокладки або покриття на різці. Через отвір в оправці в процесі обробки безперервно протікає вода, яка відіграє роль теплоносія.

У період зношування ріжучої кромки твердосплавної пластини різниця температури вхідного і вихідного потоків води безперервно зростає і досягає свого максимального значення при повному зносі пластини. Різниця температури потоків води вимірюється мостовим методом безперервно в процесі обробки. Недоліками методу є: мала точність, необхідність спеціального інструменту.

Вимірювання термоелектрорушійної сили різання дозволяє отримати інформацію із зони різання про стан ріжучого інструменту безпосередньо шляхом вимірювання термоелектрорушійної сили що генерується в зоні змінного контакту ріжучого інструменту з оброблюваної деталлю. Існують результати при дослідженні впливу технологічних режимів, а також зносу інструменту на параметри термоелектрорушійної сили (постійну і змінну складові), інтенсивність коливань в різних частотних діапазонах, виміряні методом природної термопари. Показано, що знос інструменту, в основному, впливає на змінну складову термоелектрорушійної сили.

Для вимірювання її величини необхідні струмознімач і ізолювання ріжучого інструменту від верстата, що в реальних умовах експлуатації викликає низку додаткових труднощів. Треба відзначити і той факт, що в літературі немає строгих залежностей між термоелектричними явищами і зносом різального інструменту.

Рисунок 2.27 – Схема визначення зносу інструменту за допомогою термопари

Серед непрямих методів визначення зносу різального інструмента найбільше поширення отримав метод, що базується на замірах температури різальної кромки різця термоелектричним та термохімічним способами. За першим способом температуру різальної частини інструмента визначають за допомогою штучної, напівштучної та природної термопар (рис. 2.27).

Метод вимірювання температури різання за допомогою природної термопари знайшов найбільше поширення через високу чутливість, практичну безінерційність та надійність.

До недоліків методу можна віднести складність тарування вихідного сигналу термопари та необхідність перешкодозахищеності корисного сигналу.

Метод вимірювання температури різання за допомогою пірометра дозволяє визначити розподіл температури на поверхні інструмента. До недоліків методу належать значна інтерференція теплових випромінювань у контактній зоні, що впливає на отриманий результат, а також похибка пірометра.

Для вимірювання температури різання (наприклад, при токарній обробці) використовують оптичний пірометр, максимальна нестабільність результатів замірів якого при цьому становить не більше ±3  %.

На цей час виконано багато робіт із замірів температури контакту “інструмент-деталь” та використанню отриманого сигналу у системі активного контролю. Виміри температури проводяться методом природної термопари та за допомогою оптичних пірометрів, використання яких обмежувалося лабораторними умовами, і в подальшому важко очікувати їх широкого використання у промисловості через складність їх вбудови в інструментальні вузли. Те ж саме можна сказати про метод штучної термопари.

Гарні результати показали дослідження впливу зносу інструмента на параметри термоелектрорушійної сили (постійну та змінну складові, інтенсивність складових спектра). Основні недоліки методу полягають у необхідності встановлення струмознімача (з його недоліками) та в ізоляції інструменту, що у промислових умовах експлуатації має ряд обмежень.

Термохімічні методи вимірювання температури не отримали поки що великого поширення.

Для заміру зносу різального інструмента використовують електричні перетворювачі, опір яких змінюється залежно від ширини площадки зносу. При цьому на попередньо ізольовану за допомогою термотривкого шару задню поверхню різального інструмента наносять шар електропровідного матеріалу. Внаслідок зносу різця зменшується довжина цього шару, що приводить до зменшення електричного опору нанесеного матеріалу, який реєструється вимірювальним приладом. Метод можна використовувати при обробці діелектричних матеріалів.

 

2.5.Контроль розмірів заготовки

 

Існує досить велика кількість способів прямого та непрямого вимірювання параметрів в процесі обробки, заснованих на вимірі заготовки. При механічному непрямому вимірі контроль розмірів здійснюється за допомогою щупів. Існують різні методи вимірювання деталей безпосередньо на верстаті. Деталь може вимірюватися за допомогою щупа, закріпленого в інструментальній головці, яка за допомогою числового програмного керування переміщається щодо деталі. Цей метод вимагає значних додаткових витрат, а також високої точності верстата і його вимірювальної системи. Розглядаються питання застосування контактних датчиків, оснащених щупами, на верстатах із числовим програмним керуванням типу CNC. Контактні датчики використовуються в циклі обробки, але не під час процесу різання. Використання такого способу на операціях налаштування інструменту дає економію часу до 95 %.

Крім механічного способу вимірювання існує ряд інших способів (пневматичних, оптичних, індуктивних, ємнісних, фотоелектричних, електронних) для визначення розмірних характеристик заготовки, які можуть використовуватися і для непрямих вимірювань параметрів зносу інструменту. Але точність виміряних параметрів зносу невисока, так як вона залежить від помилок при виготовленні елементів системи обробки, помилок, викликаних пружними деформаціями в системі обробки, похибок внаслідок температурних деформацій і таке інше. Можливе використання і лазерних датчиків для непрямого вимірювання зносу або довжини інструменту, так як вони відносяться до класу датчиків вищої якості, точності і надійності виміряних параметрів заготовки.

Для контролю вихідного параметру процесу різання (розмірів деталі) використовують в основному два типи вимірювальних перетворювачів – з безпосереднім контактом вимірювального наконечника з обробленою поверхнею деталі та безконтактні.

До контактних перетворювачів належать датчики:

Фрикційний (рис. 2.28) – фрикційний диск, зв’язаний з імпульсним датчиком, залежно від обходу деталі видає пропорційне периметру деталі число імпульсів.

Контактний індикаторний (рис. 2.29) – вимірювання здійснюється індикатором контакту (щупом) з автоматичним керуванням від системи числового програмного керування.

Рисунок 2.28 – Схема дії фрикційної вимірювальної системи	Рисунок 2.29 – Схема дії контактної індикаторної вимірювальної системи

 

Рисунок 2.30 – Диференційна система

Диференційний (рис. 2.30) – вимірювальна система являє собою вимірювальний пристрій у формі вилки; точне вимірювання деталі забезпечується індуктивними, ємнісними або акустичними датчиками.

Найбільша точність контролю розміру та форми деталі, що обертається, може бути забезпечена при диференційній схемі вимірювання, у результаті чого вилучається вплив на точність вимірювання теплових та силових деформацій основних елементів технологічної системи, а також вплив геометричної неточності верстата.

Рисунок 2.31 – Пересувна контактна вимірювальна система

Крім того, перевагою диференційної схеми вимірювання є те, що похибка вимірювання, викликана неточністю взаємного розміщення перетворювача і шпинделя, може бути компенсована осередненням результатів вимірювань, виконаних у діаметрально протилежних точках деталі.

Контактний (рис. 2.31) – пересувна вимірювальна контактна система. Особливості процесу токарної обробки (наявність стружки, мастильно-охолоджувальної рідини), а також необхідність роботи на підвищених швидкостях різання ускладнюють широке застосування контактних методів вимірювання.

Це викликано, у першу чергу, швидким зносом вимірювальних наконечників, а також впливом на точність вимірювань форми вимірювальних наконечників та сили їх притискання. Це приводить до необхідності більш широкого використання безконтактних вимірювальних перетворювачів.

До безконтактних перетворювачів належать наступні датчики:

Рисунок 2.32 – Ультразвуковий імпульсний вимірювальний  пристрій	Рисунок 2.33 – Фотоелектричний однобічний тіньовий вимірювальний  пристрій

 

Рисунок 2.34 – Тіньовий двобічний лазерний вимірювальний пристрій	Рисунок 2.35 – Оптична телевізійна вимірювальна система

Ультразвуковий (рис. 2.32) – імпульс, який випромінює датчик ультразвукових хвиль, обходить деталь та генерує у приймачі при кожному обході сигнал. Час між імпульсами на приймачі пропорційний периметру деталі.

Фотоелектричний (рис. 2.33) – тіньовий однобічний метод полягає у тому, що обмежений пучок світла падає на диференціальний фотодіод; переміщення вилки визначає розміри деталі.

Тіньовий (рис. 2.34) – тіньовий двобічний метод полягає у тому, що пучок випромінювання лазера ощупує деталь за допомогою дзеркал з двох боків; фотоприймач оцінює відхилення від встановленого значення, за яким визначають розміри деталі.

Оптичний (рис. 2.35) – оптична система з’єднана з відеопідсилювачем та телевізійною приймальною трубкою; відстань між рядками дає числове значення вимірювання.

Рисунок 2.36 – Акустична вимірювальна система

Акустичний (рис. 2.36) – вимірювання товщини стінок за допомогою ультразвуку. Вимірюється час розповсюдження імпульсу між зовнішньою та внутрішньою стінками деталі.

На відміну від пневматичних безконтактні оптичні перетворювачі мають ряд переваг: можливість здійснення контролю у безпосередній близькості від зони різання та розташування конструктивних елементів перетворювача на значній відстані від об’єкту вимірювання.

Безконтактні пневматичні перетворювачі типу сопло-заслінка мають ряд переваг: надійність у роботі, нечутливість до вібрацій, простота конструкції та технологічність їх використання, самоочищення перетворювачів та ін. При використанні пневматичних перетворювачів для контролю діаметра деталі, що обертається, на показники перетворювачів у значній мірі впливає кривизна поверхні оброблюваної деталі, яку можна зменшити, використовуючи пневматичну вимірювальну скобу.

 

2.6.Контроль шорсткості обробленої поверхні

 

Шорсткість обробленої поверхні залежить від геометричних характеристик ріжучої частини інструменту. Однією з таких характеристик є знос інструменту. Аналіз показує, що шорсткість важко використовувати в якості контрольованого параметра в силу його нестабільності, тобто робота такої системи буде мало надійною. У той же час вимірювання шорсткості характеризується великою складністю, що вимагає застосування точного обладнання.

Для контролю за станом поверхневого шару деталей існують методи, які дозволяють оцінити якість параметрів в основному тільки після закінчення обробки. До таких методів належать такі:

Контактний (рис. 2.37) – коливання голки, що рухається по поверхні, індуктивним або ємнісним способом перетворюється у електричний сигнал.

Пневматичний (рис. 2.38) – вимірювальне сопло, встановлене на певній відстані від поверхні деталі, що утворюють систему сопло-заслінка, залежно від швидкості потоку визначається шорсткість поверхні.

Рисунок 2.37 – Схема дії контактного датчика з індуктивним або ємнісним перетворювачами	Рисунок 2.38 – Пневматичний датчик

 

Рисунок 2.39 – Схема дії ємнісного контактного датчика

Ємнісний (рис. 2.39) – поверхня та вимірювальний електрод утворюють конденсатор, ємність якого залежить від виду поверхні. Вимірювання ємності дає можливість оцінити якість поверхні. Для здійснення автоматичного контролю використовують оброблену поверхню як один з елементів ємнісного датчика, і зробивши виміри ємності між нею та пластиною, можна проконтролювати якість поверхні. Для об’єктивного порівняння необхідно проводити калібрування за еталоном та порівнювати ці виміри у процесі обробки деталі

Оптико-волоконний світловий (рис. 2.40) – від джерела світла пучок за допомогою волоконної оптики відбивається від поверхні деталі і потрапляє на фотодіод, де реєструється сигнал, за яким оцінюють шорсткість обробленої поверхні.

Світловий (рис. 2.41) – обмежений світловий пучок освітлює поверхню під кутом. Викривлення пучка, яке залежить від мікронерівностей, визначається і оцінюється лінійкою фотодіодів.

Фотометричний – світлокерована галогенна лампа через систему лінз освітлює місце вимірювання; відбитий пучок потрапляє на фотодетектор, і залежно від його інтенсивності визначається шорсткість поверхні.

Лазерний – відбитий від поверхні промінь лазера сприймається вимірювальним фотоелементом, за величиною сигналу якого визначають шорсткість поверхні.

Рисунок 2.40 – Оптико-волоконний датчик	Рисунок 2.41 – Схема дії світлового, фотометричного, лазерного перетворювачів

 

Рисунок 2.42 – Схема дії лазерного оптичного фоторезисторного перетворювача

Оптичний (рис. 2.42) – пучок лазера, встановленого перпендикулярно до деталі, попадає на фоторезистор, що обертається, який оцінює відбите випромінювання і визначає таким чином шорсткість поверхні.

При використанні лазерних джерел та систем вимірів, що сканують, оптична система вимірювань спрощується і може знайти використання для автоматичного контролю якості поверхні, але при цьому їх використання ускладнено у зв’язку з використанням мастильно-охолоджувальних середовищ.

Труднощі використання шорсткості та її характеристик як діагностичної ознаки пов’язані з тим, що вони залежать не тільки від ступеня зношеності різального інструмента, але і від характеристик динамічної системи верстата, режимів обробки та інше.

У способі використання датчиків шорсткості у процесі різання шорсткість оброблюваної поверхні, розташованої супроти різця, оцінюється оптичним методом. Ділянка поверхні, що контролюється, освітлюється джерелом світла, відбиті проміні якого сприймаються телевізійною камерою. Наявність мастильно-охолоджувальної рідини та стружки спотворюють надійність цього методу.

Складність конструкції і мала перешкодозахищеність ускладнюють широке використання цього методу.

 

2.7. Технологічні алгоритми контролю стану інструменту

 

В якості одного з методів визначення стану інструменту використовуються спостереження і аналіз змін різних силових параметрів різання в процесі обробки. Застосовувані для цього засоби побудовані на базі мікропроцесорів і працюють за спеціальними програмами, заснованими на функціональних алгоритмах. Створені для заміни на деякий період оператора біля верстата, ці засоби не повинні значно збільшувати його зайнятість спеціальним налаштуванням і введенням вихідних даних, так як інакше втрачається сенс їх використання.

До силових параметрів різання відносяться крутний момент на валу шпинделя і складові сили різання. Численними дослідженнями встановлено залежності складових сили різання і стану зносу інструменту, їх загальна функціональна тенденція, можливі відхилення від загальної функції і умови виникнення. На підставі цих досліджень сформульовані вимоги до складу та структури функцій, які повинні виконуватися при контролі за силовими параметрами.

Основний принцип розпізнавання стану інструменту полягає в порівнянні вимірюваних поточних значень силових параметрів різання з деякими еталонними значеннями, що характеризують процес нормального різання, тобто різання справним інструментом, що гарантує отримання оброблюваної поверхні відповідно до заданих умов. Еталонні значення параметрів визначають межі робочої зони – зони допустимих змін вимірюваного параметра, при яких різання може розцінюватися як нормальне. Еталонні значення отримують в результаті логічної обробки сигналів в процесі різання справним інструментом. Цей процес як «навчання» є майже завжди у функціях контролю стану інструменту.

Функціональні технологічні алгоритми являють собою формальну послідовність логічних дій і процедур, які виконуються з даними, які надходять від датчиків, в результаті фіксується фактичний стан інструменту (придатний або непридатний до подальшого використання).

Як правило, функціональні технологічні алгоритми пристроїв, розроблені різними фірмами, не розкриваються і не наводяться ні в проспектах, ні в описах і інструкціях для користувача, хоча можливості того або іншого пристрою контролю в частині надійності розпізнавання несправності, обсягу процедур автоматичного контролю та фактичної участі оператора визначаються саме ними.

Функціональні технологічні алгоритми контролю стану інструменту розподіляються за трьома групами: визначення еталонних значень нормального різання; діагностика стану інструменту; контроль і прийняття рішень.

Алгоритми визначення еталонних значень нормального різання передбачають пошук найбільш ефективних критеріїв, які дозволяють визначити стан нормального різання і різних порушень.

Для значень вимірюваного параметра встановлюють обмеження, за межами яких сигнал, що надходить від вимірювального пристрою, може свідчити про будь-яке порушення. Диференціація цих обмежень допомагає ідентифікувати вид порушення з тим або іншим ступенем достовірності. При розробці алгоритмів ведеться пошук обмежень в системі координат: величина вимірюваного параметра – час обробки, які дозволяють зафіксувати відхилення від умов нормального різання, ідентифікувати це відхилення з видом порушення і створити передумови для прийняття рішень в кожному конкретному випадку.

Чим більше інформації отримано від вимірювального пристрою в процесі обробки, тим вище надійність розпізнавання стану цього процесу як в умовах нормального різання, так і при порушеннях. Підвищенню надійності сприяє збільшення кількості контрольованих параметрів, що характеризують складові сили різання, так як в процесі різання інформативність кожної складової про стан інструменту постійно змінюється (особливо це відноситься до обробки на багатоцільових верстатах).

При використанні мікропроцесора для обробки даних вимірювань, збільшення частоти опитування датчиків і перетворення аналогового сигналу в цифровий вигляд підвищує надійність розпізнавання стану інструменту, що має велике значення для запобігання аварійної ситуації, наприклад, в разі поломки інструменту. Однак збільшення частоти опитування датчиків обмежується тривалістю обробки вимірюваного сигналу, яка виконується за інтервал часу між вимірами.

Дані нормального різання зберігаються в пам'яті пристрою контролю. Зберігання всіх виміряних показників датчиків (при високій частоті опитування) вимагає дуже великого обсягу пам'яті, тому зазвичай результати вимірювань попередньо обробляють за встановленими правилами. В одному випадку вибирають максимальне значення з усіх отриманих при вимірюванні, в іншому – визначають і запам'ятовують максимальне значення за деякий встановлений проміжок часу. У ряді випадків може виконуватися розрахунок середніх значень параметра з встановленого числа вимірів з наступним виділенням з них середнього максимального або мінімального значення за весь час різання або за період різання на окремих ділянках.

Можливі й інші, більш складні, але разом з тим ефективні методи обробки інформації. Слід враховувати, що обробка інформації в період навчання і тим більше під час подальшого контролю повинна відбуватися в реальному часі паралельно з процесом різання. Від швидкості фіксації порушення залежить корисність даного методу контролю.

Знос інструменту відбувається постійно і тільки починаючи з деякого моменту досягає граничної величини, при якій не забезпечується отримання якісної деталі через збільшення шорсткості поверхні, появи зливний стружки і таке інше. Обробка інформації може привести до помилкових спрацьовувань при значній зміні величини припуску по довжині проходу (наприклад, при обробці кулачка або чистовій обробці по контуру). Так, обмеження, встановлене за максимальним навантаженням, відповідає максимальному припуску, і практично контроль буде виконуватися тільки на цих ділянках. На ділянках з малим припуском і малим навантаженням навіть при граничному зносі інструменту критична величина за максимумом може бути не досягнута. Навпаки, обмеження, встановлене за мінімальним навантаженням, видасть помилковий сигнал про порушення на ділянках з великим припуском. Щоб підвищити надійність контролю, необхідно розділяти весь шлях, пройдений інструментом, на ділянки з постійним або мало зміненим припуском.

Таким чином, виникає задача алгоритмізації обробки, виділення інтервалів обумовлених різним характером зміни і контролю навантаження. Так, на ділянці проходу без різання необхідний контроль можливих зіткнень. Реальні показники можуть відрізнятися і повинні бути виключені із сфери контролю. Ділянки, на яких відбувається активне зростання або падіння навантаження, пов'язане з врізанням або виходом інструменту, можуть контролюватися тільки за максимальними граничними навантаженнями, що характеризують поломку; ділянки з різко перемінним припуском також повинні бути розділені.

При розробці керуючої програми існує можливість використання стандартних циклів, які дозволяють програмувати багатопрохідну обробку. У цих умовах команди на включення контролю можуть бути лише загальними для всього циклу, хоча протягом циклу виконується безліч елементарних переміщень як на робочій, так і на швидкій подачі, з різанням і без нього. Очевидно, прийняття спільних для всього циклу критеріїв з навантаження не буде відповідати конкретним умовам, і ефективність контролю буде незначна. Встановлення тимчасових інтервалів для різних ділянок циклу обробки дозволяє диференціювати контроль і пов'язані з ним критерії.

Самі тимчасові інтервали часто також можуть бути використані для процедур контролю. Так, час, за який інструмент переміщається на робочій подачі від її включення до контакту з деталлю («час врізання»), може служити для контролю поломки інструменту, якщо він більше величини, зафіксованої при навчанні, або контролю неправильної установки інструменту, якщо він менше.

Аналогічно можна фіксувати і контролювати час різання, тобто час, протягом якого інструмент знаходиться в контакті з деталлю. У нормальних умовах ці величини повинні бути однаковими (в межах деякого допуску) при різанні на одній і тій же ділянці.

При переміщенні на робочій подачі без різання величина вимірюваного навантаження, яке залежить від конструкції і умов змащення рухомих ділянок верстата, часто значно перевищує навантаження різання. На фоні цього зміна навантаження від зміни сили різання, що супроводжує затуплення інструменту, може бути не помічена. Тому до складу алгоритму визначення еталонних значень нормального різання зазвичай входить визначення корисного навантаження, яке розраховується як різниця вимірюваного поточного навантаження при різанні і навантаженні, умовно названого навантаженням холостого ходу. Навантаження холостого ходу вимірюють при переміщенні інструменту на робочій подачі без різання безпосередньо перед різанням. Алгоритми визначення еталонних значень нормального різання можуть видозмінюватися залежно від вихідних умов контролю. Наприклад, при різних типах інструментів і видах обробок доцільно використовувати ті датчики, які сприймають навантаження, характерні для даної обробки. Адаптивне регулювання слід використовувати тільки тоді, коли можлива і результативна зміна подачі. Контроль тимчасових інтервалів врізання і різання можливий тільки там, де ведеться силове різання, при якому чітко фіксуються контрольовані інтервали. Граничні значення навантаження розраховують за допомогою поправочного коефіцієнта, який визначається в залежності від типорозміру інструменту. Такого роду умови контролю задаються у вихідних даних.

Обсяг, спосіб і трудомісткість завдання вихідних даних і алгоритми обробки вимірювань і підготовки даних нормального різання взаємопов'язані. При розробці алгоритмів слід враховувати, що чим більше залишиться процедур ручного втручання оператора, тим складніше забезпечити контроль в виробничих умовах. Формалізація багатьох функцій, що реалізують виконання контролю і отримання вихідних даних, пов'язана з виявленням багатьох і складних залежностей, умов отримання та обробки інформації, тимчасові інтервали, що відповідають різним ділянкам різання, і склад самих інтервалів ідентичні описаним вище. Оскільки деякі тимчасові інтервали також є об'єктами спостереження, то при їх визначенні одночасно проводиться порівняння з еталонними.

Алгоритми діагностики стану інструменту за результатами порівняння фіксують порушення еталонних значень параметрів нормального різання. При цьому порушення можуть бути виявлені як за одним, так і за кількома параметрами одночасно або з незначним зрушенням за часом. При контролі надійність і точність діагностування значно зростають, якщо алгоритми контролюють відразу декілька параметрів. Необхідно зафіксувати всі визначені порушення, щоб потім провести їх аналіз та більш точно встановити причину порушень.

Найбільш важливо з точки зору швидкості і надійності діагностики розпізнавання поломки інструменту. Поширений алгоритм розпізнавання поломок інструменту – контроль за верхньою межею одиничного значення навантаження. Однак при поломці характер навантаження може змінюватися; наприклад, навантаження падає нижче граничного значення, відзначається послідовний перепад значень зверху вниз або знизу вгору, чергування стрибкоподібних великих і нормальних значень. Щоб запобігти аварійній ситуації, час між моментом поломки і зупинкою робочих органів верстата, що беруть участь в різанні, повинен бути мінімальним. Фіксування миттєвої зміни навантаження не можна однозначно ідентифікувати з поломкою інструменту. Причина може полягати в зіткненні з непередбаченим предметом що також викликає аварію. У цьому випадку необхідно, як і при поломці, швидке виявлення несправності.

Знос більш повільний процес. Тому для його розпізнавання може бути використана і більш складна обробка інформації, що надходить від датчиків. Однак і в цьому випадку занадто тривала обробка інформації і запізнювання виявлення зносу може привести до його розвитку з такими наслідками, як викришування та поломка.

Через великі перешкоди при спостереженні за параметрами різання може виникнути помилковий сигнал, для виключення якого зазвичай дають деяку витримку часу. При цьому відлік часу ведеться від моменту першого сигналу порушення. Якщо протягом деякого часу продовжує фіксуватися порушення, то це порушення вважається доведеним і виробляється відповідний сигнал.

Відлік витримки часу при поломці суперечить меті найбільшої швидкодії. Тому при призначенні величини витримки слід оцінити можливу тривалість випадкових сигналів, перешкод і вибрати таку малу величину, яка виключить видачу помилкового сигналу. Зазвичай при поломці ця величина має порядок 10 ... 100 мс. Для фіксації величини зносу витримка часу повинна бути більше, оскільки рівень граничних значень більш наближений до значень параметрів нормального різання, і виникнення помилкових сигналів порушення ймовірніше. Величина витримки при визначенні зносу становить 100 ... 500 мс.

Алгоритми контролю і прийняття рішень відіграють велику роль в експлуатаційних характеристиках пристроїв контролю. До останнього часу багато пристроїв контролю здійснювали зупинку роботи верстата при фіксації порушення. Диференціювання рішень полягало в наступному: при поломці – миттєве зупинення; у разі спрацювання – зупинка в кінці відпрацювання даним інструментом; у разі спрацювання і можливості адаптивного регулювання – вироблення команди зміни подачі. При вдосконаленні зв'язків ЧПУ й пристроїв контролю з'явилися інші можливості, зокрема заміна зношеного інструменту дублером.

Як правило, пристрій контролю діагностує вид порушення не зі стовідсотковою надійністю. Важко розрізнити поломку і зіткнення, встановити, в якому стані після поломки знаходяться інструмент і деталь. При поганому затиску інструменту також можна тільки припускати, але не затверджувати цей факт. Коли фіксується знос, це може бути пов'язано з раптовою зміною твердості оброблюваного матеріалу або геометрії ріжучого інструменту (при введенні дублера) в межах, допустимих стандартом. Складність встановлення точного діагнозу привела до прийняття спрощених на перших порах рішень.

Подальший розвиток прийняття рішень вимагає розширення складу інформації. Наприклад, якщо після фіксації порушення необхідно відвести інструмент від деталі для його заміни, то в системі числового програмного керування і пристрої контролю в даний час відсутні дані про оброблювані поверхні, типи інструменту та інші дані, які дозволили б це зробити.

Інтеграція функцій процесу контролю з системами проектування технологічних процесів, впровадження цих функцій в системах комп’ютерного автоматизованого моделювання забезпечують використання різноманітних потоків інформації для розвитку мережі рішень. Можна ввести додаткові виміри інструменту, деталі, вирішити питання про зміну технологічної операції, маршруту, потоку інструментів і таке інше. Таким чином, інтеграція функцій процесу контролю і системи управління гнучкими виробничими модулями і гнучкими виробничими системами забезпечить експлуатацію обладнання за обмеженої участі оператора.

Один з варіантів функціональних технологічних алгоритмів контролю стану інструментів реалізовано в пристрої «Контроль. Діагностування. Прийняття рішень». Випробування алгоритмів розділені на два етапи: на спеціальному стенді і в умовах реального різання.

На стенді різні процеси різання моделювалися за допомогою електронно-обчислювальної машини. Показання датчиків імітувались в цифровому виді. Складені таблиці за параметрами: час – силовий параметр. Характер зміни і діапазон значень силових параметрів відстежували на підставі даних досліджень, проведених на токарному і свердлильно-фрезерному верстатах.

Моделювання виконувалося в два етапи. Спочатку підготовлені дані в цифровому вигляді вводилися до електронно-обчислювальної машини і передавалися на вхід контрольної системи. Потім ці ж дані в цифровому вигляді вводилися до контрольної системи за ланцюжком перетворень: електронно-обчислювальна машина – аналоговий перетворювач (в якому дані перетворюються в вид, аналогічний отриманим від вимірювальних пристроїв) – цифровий перетворювач (в якому дані переробляються в цифровий вигляд, відповідний реальним умовам) – контрольна система (дані обробляються за функціональними алгоритмами).

Результати обробки інформацій зводилися в таблиці проміжних робочих параметрів, що змінюються в часі за тактами опитування-зчитування. Ці дані виводилися на дисплей електронно-обчислювальної машини і на друк. Правильність реагування на ту чи іншу ситуацію за функціями контролю перевіряли аналізом проміжних даних. Моделювання виконували за завданнями імітації наступних процесів. Імітували: нормальне різання в режимі контролю, еталонні значення контрольованих параметрів, які повинні визначатися в режимі навчання, задавалися вручну; імітувалося різання на одній-двох-трьох ділянках різання з різними видами контролю; імітували функції визначення навантаження при подачі без різання, без навантаження; аналізувався характер зміни навантаження з тим, щоб розрахунок виконувався на ділянці зі сталим рухом (виключаючи пусковий період); імітували процес в режимі навчання при різанні з одним-двома-трьома ділянками різання для різних видів контролю; імітували порушення, характерні для поломки за силовим і тимчасовим критеріям; імітували порушення, характерні для зносу за силовими і тимчасовими критеріям; імітували процес адаптивного регулювання.

Відпрацювання кожного завдання закінчувалася виробленням рішень, які реалізуються в пристроях числового програмного управління.

Всі дії, що включають виявлення пошкоджень в інструменті, визначення їх місця і ознак пошкоджень, повинні бути відображені в алгоритмі діагностування. Ці дії є підготовкою до завершального етапу діагностування – до перевірки відповідності критерію стану інструменту певному заданому значенню або перевірці відповідності діагностичної ознаки заданому значенню («уставки»). Цим етапом алгоритму діагностування є контроль технічного стану інструменту, тобто визначення виду його стану: справний, несправний, працездатний, непрацездатний. За результатами контролю приймається рішення з управління процесом обробки інструментом. Таким чином, контроль в цьому випадку слід розглядати як складову і завершальну частину технічного діагностування. Етап розпізнавання стану інструменту і прийняття рішення про його експлуатацію може бути описаний алгоритмом контролю, виділеним в загальному алгоритмі діагностування.

1. На базі теоретичних і експериментальних досліджень виявляють можливі в процесі експлуатації зміни в стані інструменту; визначають критерії його стану і відмови. Як критерій стану приймають параметр інструменту, що однозначно і повно при даних умовах характеризує поточний стан інструменту і здатний відображатися за допомогою прийнятих діагностичних ознак. Це може бути величина, яка визначає осередок зносу, викришування, наріст та інше. Граничне допустиме значення цієї величини є критерій відмови. При попередній обробці деталі відмова інструменту вважається функціональною, а при остаточному параметричною.

2. Основною дією при визначенні стану інструменту є вимірювання розмірів осередку пошкодження ріжучого леза як критерію стану інструменту. Вимірювання можуть виконуватися періодично після завершення технологічної операції і безпосередньо на протязі процесу обробки. Періодичні вимірювання часто не вирішують завдання виявлення значних пошкоджень, що призводить до відмови, так як швидкодіючі процеси, що викликають пошкодження, можуть привести до відмови за час менше, ніж машинний час. Переважні безперервні вимірювання, однак їх неможливо здійснити прямими методами через те, що доступ до інструменту під час його роботи закритий. Тому застосовують непрямі вимірювання, для чого експериментально з числа функціональних параметрів процесу різання або параметрів фізичних явищ, супутніх різанню, виявляють непрямі діагностичні ознаки можливих змін в стані інструменту – критерії стану і критерії відмови.

3. Описують зв'язок між станом інструменту і діагностичними ознаками стану на основі дослідження відображення змін критерію стану в діагностичних сигналах датчиків процесів. Виявляють в результаті аналізу найбільш інформативну діагностичну ознаку. Створюють діагностичну модель, що встановлює зв'язок між станом інструменту і його відображенням в діагностичних сигналах. З цієї залежності визначають уставку – значення діагностичної ознаки, відповідне встановленому значенню критерію відмови. Всі описані дії і введення в пам'ять електронно-обчислювальної машини отриманих значень називають навчанням системи діагностування.

4. Розробляють алгоритм і програмне забезпечення контролю стану інструменту.

5. Розробляють технічне забезпечення системи контролю стану інструменту.

6. Виконують дії з визначення стану інструменту відповідно до алгоритму контролю. Цей алгоритм є технологічним алгоритмом діагностування.

Якщо інструмент працює в умовах, коли результати дії на всіх етапах алгоритму, що передують контролю, залишаються незмінними, то значення, наприклад, допустимого зносу інструменту і уставки, один раз отримані експериментально, залишаються постійними при виконанні операцій контролю. Зміна факторів, що визначають умови експлуатації інструменту, таких як режими різання, матеріал, що обробляється і його властивості та інші може змінити не тільки причини відмови, а й розташування середовищ пошкоджень на ріжучому лезі. Це призведе до зміни значень допустимих пошкоджень, інформативних діагностичних ознак і уставок. Тоді для кожного можливого варіанту умов експлуатації необхідно виконати роботи відповідно до алгоритму, а отримані значення помістити в базу даних для контролю. Змінні умови повинні враховуватися при розробці технічного забезпечення, зокрема при визначенні числа вимірювальних каналів.

Простий алгоритм контролю (як частина алгоритму діагностування), містить наступні дії: вимір поточного значення діагностичної ознаки; порівняння поточного значення з уставкою; прийняття рішення.

Для підвищення надійності контролю алгоритм контролю за уставками може бути доповнений прийняттям рішення про стан інструменту, наприклад, за результатами порівнянь за двома діагностичним ознаками. При цьому діагностичні технології в відповідальних випадках можуть бути «надлишковими», які передбачають застосування декількох різних за фізичною природою методів контролю і відповідних їм контрольно-вимірювальних засобів.

З розглянутого алгоритму випливає, що діагностування інструменту є процесом визначення стану інструменту, що включає в себе два періоди: період до експлуатаційний, що передує контролю і період експлуатаційний – контроль.

Інформація, отримана в результаті контролю, використовується (автоматично або оператором) для вироблення керуючих (регулюючих) впливів на процес обробки. Контроль – управління, як будь-який контроль активний. В кожній системі управління функція контролю є основною.

Алгоритм діагностування, відноситься до випадків, коли стан інструменту визначається шляхом непрямих вимірювань пошкоджень інструменту з різними діагностичними ознаками. При прямих методах вимірювань ушкоджень, відпадає необхідність виконання ряду дій, зазначених в загальному алгоритмі. Тоді визначення стану інструменту зводиться тільки до контролю сколювання або поломки ріжучої частини інструменту.

 

2.8. Контрольні запитання

 

1.    Охарактеризуйте задачі, що вирішуються у попередньому, поточному та вихідному контролі.

2.    Якими засобами діагностики здійснюється контроль моменту врізання різального інструменту у заготовку?

3.    Які основні характеристики повинні мати засоби діагностики, що використовуються для контролю моменту врізання ріжучого інструмента у заготовку?

4.    Перерахуйте основні конструкції датчиків наближення.

5.    Назвіть особливості щодо розміщення датчиків контролю крутильного моменту та складових сили різання.

6.    Які основні принципи роботи датчиків контролю крутильного моменту та складових сили різання?

7.    Які основні методи контролю стану ріжучого інструмента?

8.    Назвіть особливості і доцільність використовування прямих і непрямих методів контролю стану ріжучого інструмента.

9.    Як класифікуються способи контролю стану токарного інструменту?

10. Перерахуйте основні конструкції датчиків контролю стану ріжучого інструмента.

11. Наведіть основні характеристики пристроїв контролю стану ріжучого інструменту.

12. Назвіть методи контролю стану різального інструменту.

13. Що передбачають прямі методи вимірювання?

14. Які існують непрямі методи контролю стану різального інструменту?

15. Охарактеризуйте існуючи методи вимірювання зносу ріжучого інструменту.

16. Які критерії вибору засобів для оперативної діагностики процесу різання?

17. Опишіть основні принципи роботи контактних перетворювачів, що використовуються для контролю розмірів заготовки.

18. Назвіть основні методи контролю шорсткості обробленої поверхні деталі.

19. Опишіть метод визначення стану інструменту за силовими параметрами та алгоритм його дії.