Таким образом, спектральный анализ кинематической погрешности позволяет разделять погрешности деталей и оценивать состояние элементов зацепления. На этой основе появляется возможность адаптивного управления параметрами техно
логического процесса изготовления передач с целью обеспечения наименьших зна
чений их кинематической погрешности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник по производственному контролю в машиностроении.- Л.: Ма
шиностроение, 1974. - 676 с. 2. Ионак В.Ф. Приборы кинематического контроля.
- М.: М аш иностроение, 1981. - 128 с. 3. Чуев Ю .В ., М ихайлов Ю .Б., Кузьмин В.И. Прогнозирование количественных характеристик процессов. - М.:
Сов. радио, 1975. - 400 с.
У Д К 6 2 1 .9
Е. Э. Фельдш тейн
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В КОНТРОЛЕ
ны такие варианты мониторинга, как сравнение уровня сигнала, воспринимаемо
го датчиком, с заранее заданным «пороговым» значением, а также раздельное слежение за текущим значением сигнала об износе инструмента и сигналом о ка
тастрофическом износе [1].
Препятствия широкому промышленному использованию мониторинга связаны:
а) с отсутствием датчиков или систем датчиков, удовлетворяющих требованиям контролирующих систем;
б) со сложностью или невозможностью использования непосредственно на производстве примененных в исследованиях датчиков, поскольку они не выдер
живают воздействия высоких температур, СОЖ, а также циклических контактов со стружкой;
в) с тем, что большинство исследований выполняется путем кратковременных испытаний, а не в реальных условиях обработки;
г) с отсутствием специализированных интерфейсов между измерительной сис
темой и системой ЧПУ и соответствующего программного обеспечения.
Диагностика возможна как непосредственно в процессе резания, так и после его окончания (табл. 1).
Таблица 1 Классификация способов диагностики состояния
режущего инструмента
Объект контроля Контролируемый параметр
Режущий инструмент Ширина площадки износа; вибра
ции; температура; остаточная ра
диоактивность; расстояние от вершины режущего инструмента до постоянной базы
Обрабатываемая деталь Размеры; шероховатость обрабо
танной поверхности; температура
Стружка Форма; направление схода; темпе
ратура; радиоактивность Взаимодействие инструмента со
стружкой и деталью
Положение инструмента относи
тельно детали; длительность цикла обработки; силы резания; мощность резания; вибрации; акустическая эмиссия; ЭДС в зоне резания; элек
трическое сопротивление зоны кон
такта инструмент-деталь
Все методы диагностики состояния режущего инструмента можно условно раз
делить на методы прямого и косвенного контроля [1,2]. К первой группе относятся:
• оптические и оптоэлектрические, основанные на анализе изображения изно
шенной поверхности инструмента;
• юэнтактные, основанные на применении измерительных зондов, используе
мых на ГПМ для контроля обработанной детали;
• индуктивные, аналогичные контактным, но использующие электромагнитные преобразователи (наиболее широко применяются для контроля поломок стержне
вых инструментов);
• радиационные, основанные на анализе интенсивности теплового излучения с изношенной поверхности инструмента.
Ко второй группе относятся методы, базирующиеся на измерении:
• сил резания;
• акустической эмиссии;
• колебаний в зоне резания;
• мощности приводов главного движения и движения подачи.
а) б)
о о о
П _Г1 м
в) г)
Рис. 1. Схемы измерения сил резания с помощью тензометрических (а) и пьезозпектричеста (6) датчиков, установленных под револьверной головкой; датчиков типа *'штифт'‘, уста
новленных внутри и вне корпусных деталей станка (в); шпиндельной оправки (г): 1 - салазки;
2 - основание револьверной головки: 3 - резец; 4 - винт; 5 -разрезное кольцо с наклеенными тензодатчиками; б - плита; 7 - пьезоподкладки; 8 - измерительное устройство; 9 ~ пьезо
электрический датчик; 10 - разэісймная цанга; 11 - корпус; 12-усилитель тока; 13 - антен
на приемная; 14 - передающая; 15 - пьезоэлектический преобразователь; 16 - шпиндель; 17 -хвостовик оправки; 18 - гайка; 19 - шпилька; 20 - переходник для крепления инструмента.
в настоящее время наиболее широко для мониторинга используются способы, относящиеся ко второй группе. Так, согласно данным рабочей группы Междуна
родного института промышленных исследований (CIRP), за последние годы конт
ролю акустической эмиссии посвящено 73 работы, сил и мощности резания - 59, колебаний - 14, температур и внешнего облика инструмента - 6. При этом в 83 работах анализировался текущий износ инструмента, в 39 - катастрофический из
нос и поломки, в 19 - стружкообразование и в 11 - колебания [3].
Рис. 2. Схемы измерения сил резания с помощью тензометрических датчиков, вмонтиро
ванных в шпиндельный узел (а) и шарико-винтовую пару (б): I - датчики; 2 - корпус; 3 - упругая втулка; 4 - подшипник; 5 - тяга зажимного устройства.
В ходе ряда исследований [1] установлено, что:
• выкрашиванию режущих кромок инструмента сопутствуют скачкообразные изменения осевой и радиальной сил резания;
• скалыванию режущего лезвия сопутствует внезапное возрастание, а затем па
дение силы резания;
• в обоих случаях силы резания остаются на новом уровне в течение одного оборота заготовки.
Это позволяет получать достаточно достоверную информацию о состоянии ре
жущего инструмента путем мониторинга сил резания. В качестве датчиков ис
пользуются тензометрические, пьезокварцевые, индуктивные, магнитострикцион- ные. При этом к ним предъявляются следующие требования:
• низкая чувствительность к помехам, вызванным повышением температуры и колебаниями;
• возможность установки датчика на станке без ограничений технологических возможностей последнего;
• отсутствие воздействий на статическую и динамическую жесткость узлов станка;
• высокая надежность работы, в том числе и в условиях критических нагрузок;
• простота и легкость установки датчика на станке, не требующая конструк
тивных изменений в последнем;
• возможность покупки (серийное изготовление фирмой-производителем).
Датчики могут крепиться непосредственно к инструментам [4], встраиваться в шарико-винтовые пары [5-7], револьверные головки [5, 8, 9 ] , оправки [10, 11], а также крепиться к корпусным деталям станка (снаружи или внутри) [12, 13]. В настоящее время ведущие фирмы-изготовители режущих инструментов приступи
ли к вьшуску динамометрических оправок с конусностью 7:24 для крепления ре
жущих инструментов в шпинделях многоцелевых станков и ГПМ [10,11]. Приме
ры использования датчиков силы показаны на рис. 1,2.
Рис, 3. Зависимость относительной амплитуды колебаний от их направления (X, Y, Z) и износа резца: а - v = 90 м/мин.; б - v = 120 м/мин,;/ = 7200 Гц.
Вторым по перспективности направлением мониторинга режущих инстру
ментов является использование акустической эмиссии. Под акустической эмис
сией понимают возникновение упругих волн, генерированных в результате выс
вобождения внутренней энергии материала вследствие его деформаций, разру
шения и фазовых превращений. Источниками акустической эмиссии в процес
се резания могут быть срез и пластическая деформация обрабатываемого мате
риала, образование микротрещин в обрабатываемом и инструментальном мате
риалах, трение между поверхностями детали, инструмента и стружки, а также ломание стружки и ее удары о деталь [1]. Исследованный диапазон частот аку
стической эмиссии лежит в пределах 50 кГц...2 МГц, что значительно выше частот авто- и звуковых колебаний. Учитывая, что качество фиксации сигнала в значительной степени зависит от регистрирующей аппаратуры и положения
датчиков, современные исследования акустической эмиссии следует рассмат
ривать скорее как качественные, а не количественные.
Среди датчиков акустической эмиссии представляют интерес пленочные, нахо
дящиеся непосредственно под режущей пластиной инструмента, а также воспри
нимающие сигнал от потока СОЖ.
Механические и звуковые колебания технической системы также широко ис
пользуются для анализа состояния инструмента, поскольку, с одной стороны, из
нос значительно влияет на картину колебаний, с другой - колебания легко зафикси
ровать с помощью, например, широко доступных датчиков ускорений. При этом рассмотрены разные частоты (от 500 до 11000 Гц) и направления колебаний. Уста
новлено [1], что наиболее интенсивно износ инструмента влияет на колебания в направлении подачи, причем для анализа лучше использовать не абсолютные, а относительные (отношение текущей амплитуды колебаний к амплитуде колебаний при работе инструментом, не имеющим износа) значения амплитуд фис. 3). Кроме того, все полученные результаты применимы только для конкретных сочетаний эле
ментов режима резания, а значит, для обработки конкретных деталей.
Окончательная диагностика состояния режущего инструмента проводится ком
пьютером на основе, например, метода нейронных сетей [1] в ходе комплексного анализа информации. Такие сети должны обеспечивать:
• способность к самообучению путем использования соответствующих меха
низмов поиска и кодирования информации;
• приспособление ко вновь возникшей информации;
• саморганизацию для создания оптимальных связей между входными и вы
ходными параметрами;
• формирование новых знаний о явлениях, сопутствующих исследуемому;
• высокую скорость расчетов.
Несмотря на значительную стоимость, использование мониторинга режущих инструментов позволяет обеспечить высокую надежность работы современного технологического оборудования, повысить качество обработки, снизить финансо
вые затраты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Adamczyk Z., Jemielniak К., Kosmol J., Sokołowski А. Monitorowanie ostrza skrawającego / Pod red. J.Kosmola. - Warszawa: FNKT, 1996. - 244 s. 2. Палей C.M.
Состояние и тенденции развития способов прогнозирования периода стойкости лезвийного режущего инструмента. - М.: ВНРШТЭМР, 1985. -44 с. 3. Domfel D.
Future Directions for Intelligent Sensors. Proc. Third Meeting of the CIRP Working Group on TGM. - Paris, 1994. - P. 52-57. 4. Адаптивное управление станками / Под ред.
Б.С.Балакшина. - М.: Машиностроение, 1973. - 688 с. 5. Kosmol J. Automatyzacja obróbiarek i obrobki skrawaniem. - Warszawa: WNT, 1995. - 412 S. 6. Mess-system fiir die Produktionstechnik. Проспект фирмы «Promess». 7. Tool Monitoring System -
Vorschubkrafttsensor. Проспект фирмы «Sangwik Coromant». 8. Tool Monitoring System. Multi-channel Tool Monitor Unit. С - 342TMS. Проспект фирмы «Sangwik Coromant». - 1984.9. Tool Monitoring System. Проспект фирмы «Prometec GmbH».
- Aachen, 1985. 10. Tool Monitoring System. IntelliTool. Schnittkraftuberwaching in Werkzueghalter. C - 342TMS. Проспект фирмы «Sangwik Coromant». 1 1. Stimiman J.
Rotating Cutting Force Dynamometr. Проспект фирмы «Kistler Instrumente AG». 12.
Kraftsensoren zur Werzeug und Prozessiiberwachung. Проспект фирмы «Prometec GmbH». 13, TMS - PMS: Werkzeug- und Prozessuberwachimgsysteme zur Erkennung von: Werkzeugbruch, Werkzeugverschleiss, Maschinenkollisionen. Проспект фирмы
«Prometec GmbH».
У Д К 6 2 1 .8 3 М 5
И. П. Филонов, £ . Б. Вериго