CC BY
21
УДК 531.7:621.92
0Ь01.1-(_НАНИк ИРИМЬНЬНИН РАЗРАЬОI АНН01 О МРИЬОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕ"АЛЕИ В ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ НА Ш ЛИФОВАЛЫЫ X ОПЕРАЦИЯХ
А. Е. Типшбндин. В. Н. Иванов Омский государственный технический университет г. Омск. Россия
Личо\пация - Современные технологии требуют повышения геометрической точности изготовления легален машиностроительной продукции. При этом производство должно иметь минимальные интервалы времени при переходе на выпуск других изделии. Для повышения производительности изготовления деталей п снижения количества брака необходимо автоматизировать процесс контроля непосредственно при обработке детали, особенно на финишных операциях. Для этого станки модернизируются приборами активного контроля. Проведенный анализ существующих приборов выявил потенциал развития приборостроения. позволяющий уменьшить, стоимость обработки единицы продукции п погрешность измерения, увеличить гибкость перенастройки на новый тип обрабатываемых деталей даже с прерызнстон поверхностью. например, зенкеров. ра!верток. фре: н т. д. при сохранении максимальных значений производительности я процессе обработки на шлифовальных станках. Пелмо данного исследования является обоснование совместного применения шлифовальных станков и разработанного прибора активного контроля геометрических характеристик деталей, основанного на новом конструктивном принципе постро ення, с обеспечением точности измерения не более 1...2 мкм, быстрой переналадки на другой размер и возможности измерения дечалей с прерывно ин поверхностью и с полижи 1 е. 1ьным экономическим эффектом от внедрения. Прибор разработан на основе минимизации по созданной модели воздействия выявленных возможных составляющих суммарной погрешности обработки и измерения детален. Однокон-тактныи метод измерения, показанный на принципиальной схеме, позволяет упростить конструкцию, повысить надежность и улучшить метрологические и технические характеристики прибора. Использование импульсного режима работы перемещения измерительным стержнем позволила контролировать размер обрабатываемой детали с прерывистой поверхностью. Экономическое обоснование применения прибора выполнено с учётом эффекта от сокращения времени шлифовальной операции и эффекта от
снижения процента брака на примере обработки партии детален нескольких наименований. Результаты исследования доказали высокий технологический уровень п экономическую обоснованность применения созданного прибора. Материалы работы могут быть использованы на предприятиях, эксплуатирующих шлифовальные станки для автоматизации контроля геометрических характеристик изделий в процессе обработки на шлифовальных операциях в машиностроительном производстве.
Ключевые слова: прибор активного контроля, адаптивный контроль, шлифовальным станок, погрешность измерении, производительность, снижение брака, экономический эффект
Введение
Важным фактором получения высококачественных изделий в машиностроительном, авка- н ракетострон-тельном производстве является точность н правильность контроля геометрических характеристик изделий. Каждый этап производства детали начинается с конструкторского чертежа и технолэгшескогэ процесса, но самым главным этапом, дающим изделию празо дальнейшего существования н использование в сбэрочном узле, является метрологический контроль Для получения высокоточных изделии с допуском на размеры менее 5 мкм необходимо проводить Сол±шос количество нромежушчных шмсрсиий во врсмл обработки на станке. Процесс измерения занимает большое коднч:стзо Бременн (50...80% от общего времени изготовления детали), что снижает прэнззоднтельность производства изделий. Чтобы повысить прэнзводнгельность и снизить количество пакованных деталей, на станки уггачанливают приборы, которые почвояятот намерять геометрические размеры детали непосредственно в процессе обработки. Прибор позволяет управлять процессом шлифования и выключать обработку детали, кэгда достигается необходимый размер. В настоящее время усовершенствованы принципиальные схемы прнборэв активного контроля для шлифовальных станков, которые значительно повышают надежность измерений, точность обработки и обеспечивают высокую производительность [1].
ПС(Л АНОВКА ЗАДАЧИ
По разработаннэй схеме (рис. 1) спроектнроЕан и изготовлен опытный образец управляющего прнбера.
Механизм базнрованш 1? был сконструирован в ведс жесткой стойки, т.к для получения высокой точности измерения и стабильности работы необходимо, чтобы крепление к станку не имело ка>зос-лн5о подвижных соединений Механизм базирования 17 крепится г неподвижней части гтанга 18 напротив тштифочалчного круга 20. СседЕнение с неподвижной частью станка позволяет измерять деталь вдоль всей обрабатываемой поверхности при перемещении стола станка 19.
Рис. 1. Комбинированная схема прибора активного контроля: 1 - электронный блок; 2- измерительный нако-нечнше; 3 - фрикционный элемент; 4 н 13 - сеззазорная направляющая качения; 5 - измерительный стержень; 6 - индуктивный преобразователь; 7 - феррнтовый стержень; 8,10 - электромагнитный механизм; 9 - якорь; 11 -экранированный кабель: 12-разъем; 14- шток; 1> -микродвигатель с редуктором; 16-винтовая направляющая; 17 - стойка; 1Э - станина: 19- стол станка; 20 - абразивный круг; 21 - обрабатываемая деталь; 22 - подшипники: 23 - магнит постоянный; 24 - упер; 25 - винт: 26 - преобразователь линейного перемещения
Измерительное устройство имеет призматическую ролиювую направляющую 13, в которой создается небольшой (1...2 мкм) натяг, обеспечивающий точное и беззазорное перемещение штока 14. Перемещение штока 14 осущсствлястея с помощью взнгозого привода 16 сссднискногс со штоком магнитным элементом 23. Прн-зод 15 дозволяет перемещать шток 14 в прямом и обратном направлении с погрешностью не более I мкм иа 50 мм. Точность измерения перемещения обеспечивается растровым преобразователем 26 с ценой деления 0,1 мкм
Магнитный элемент 23 служит для закрепления положения опока направляющей в рабочее положение н защиты преобразователя от случайных ударов Для того что5ы внутрь измерительного устройства не попадата смазочно-охлаждающая жидкость, необходимо его полностью герметизировать
Первичный преобразователь. благодаря перемещению наконечника 2 п стержня 5 в роликовой направляющей 4 и фрикционному элементу 3. служащим для запоминания размера н предотвращения отскока наконечника 2 от обрабатываемой детали 21. создаег измерительный сигнал с помощью индуктивного преобразователя б и стержня 7
Этектроннын блок 1 управляет перемещением измерительного стержня 5 с помощью электромагнитных механизмов 8 н 10. а также перемещением штека 14 с помощью шагового двигателя 15. Для зысокототного измерения перемещения измерительного стержня 5 используется нндуктньнын преобразователь 6 с феррнтсвым сердечником 7. Переналадка на другей размер осуществляется с помощью шагового двигателя 15 и растрового лр?образовзтеля 26.
Импульсное перемещение измерительного стержня 5 происходит за счет электр эмагннгного механизма 8 н 9. Такое перемещение необходимо дгл того, чтобы наконечию: не западал г.тубоЕО в разрыв поверхности детали и не повреждал поверхность. На рис. 2 показан график перемещения измерительного наконечника при импульсном питании и теоретическая траектория его пер емещения 11(1).
Рис. 2. График перемещения измерительного наконечника с импульсной подачей питания на ялрктромагнитнмй метаниям
ТйОРИЯ
Качество обработки детален на шлифовальных операциях зависит от различного рода погрешностей. Для пгафовальното станка без прибора активного контроля суммарная погрешность обработка складывается из следующих основных ишрешыилей. будр - исмрсшност о'3рлбо1кно1 унр/юй деформации эяемснив 1ехноло-гической системы под действием сил резания: - погрешности установки заготовки: 5^-, - погрешности от зсплытня столов сташсов. размер которой зависит от сит резания: еиа погрешности от размерного износа пи струмента при обраоотке и правке круга: - погрешности от температурных деформаций технологической системы: - погрешности от неточного линейного пгиитщонироряния круга при подходе р заданное плложе-
нир' S,»DT - погрешности при повторном подводе птлифгжллт.нот круга и г}данную точку: ^срав - погрешности r запаздывании срабатывания элементов управления н исполнительного механизма станка на отвод зшнфоваль-ного круга; б^и - погрешно:тн наладки станка: оаан - псгрешности обработки формы в поперечном и продольном сечениях инструмента от геометрических неточностей станка: Д13Э£ - суммарная погрешность измерения универсальным средством.
Анализ точности технологической системы в различных сочетаниях использования приборов активного контроля для абразивной обработки изделий проведем методом элементарных погрешностей на основе расчета суммарной погрешности пс ГОСТ 27.202-S3. Длз технотогнчеекой системы без средств автоматического контроля суммарная погрешность обработки инструмента составит:
I 2 2 1 ^ ^ ^
13обр = К<\\3УЧ> +Я2 5изи +1Ъ5тем+Ч6сраб+Ä5scmaH+Ä6S)vm +
9 9 9 9 9
+Х1бйст +h8nm + V.™™ +'h05um +/?11 Атм ' W
где К - коэффициент риска: A.J, Лт-.Лп - коэффициенты, учитывающие закон распределения: элементарных погрешностей. которые р?.ссчнтывак'тся при наличии данных о заксне распределения элементарных погрешне-гтей; при норма.ттвноч» законе распределения ко^ффит[иектвт /1, i.a Х.ц равчы 0 111
Ести шлифовальный станок оснастить прибором активного контроля, то в этом случае в технологической системе часть элементарных погрешностей о^р. З^н- Овсо- Опок- компенсируется прибором активного контроля. а погрешность o^ о^. öjrT. и бщд значительно уменьшаются соответствующей настройкой станка и выбором огтгиматьных режнмоз обработки.
С учетом сказанного, суммарная погрешность обработки инструмента в технологической системы с прнбе-ром актиЕного контроля на операциях дьтифовашш будет определяться погрешностями:
1So6p = +hônp 1ALaî
(2)
где Осин - суммарная погрешность станка: о^, - погрепшость приспособления, на которое устанавливаются обрабатываемая деталь или инструмент: Дп* - суммарная псгрешностъ прибора активного контроля
Принято, что целесообразность использования приборов активного контроля в технологической системе для повышения ее точности и производительности будет обеспечена в том случае, еелк величина суммарной пс-
^упг.
грешности обработки будет составтять 40-60% от допуска Т на .линейный размер наиболее точного инструмента. обрабатываемого на станке
Первое условие можно сформулирсвать через коэффициент точности:
к = _оор_ = а<04_06
1 (3)
где со - поле рассеяния диаметральных размеров инструментов, обработанных на станке с прибором актнвногэ контроля.
Вторым условием, предъявляемым к технологической системе с прибором актавнего контроля, является возможность увеличения точности обработки При изготовлении режущего инструмента можно достичь двух -трехкратного увеличения точности обработки. >то подтверждено результатами испытаний приборов активного контроля многими исследоиятелями Второе условие предъявляемое к технологической системе с прибором активного контроля, выразим через коэффициент увеличения точности К:
(4)
где со] и о: - поля рассеяния обработанных деталей.
Повышение производительности абразивной обработки режущего инструмента на 40-60% является треть-
им. предъявляемым к технологической системе с прибором активного контроля, и достигается это за счет ис-
ключения многочисленных внутрноперапнонных измерений размеров щделнй в период настройки станка н
особенно после каждой правки круга. которая как известно. выполняется в зависимости от требований к точности геометрической формы, через 5-50 минут.
Резуллагк экспериментов
Для реализации предложенного алгоритма разработан н изготовлен опытный образец прибора активного контроля (рис 3). Отчетно-команднсе устройство закреплено в удобЕом для оператора станка месте. Око предназначено для управления процессом измерения и остановксй шлифовального станка при достижении необхо-днмии размера. Огчсш^-ломанднос усфоиово имеем блок индикации д.и визча.иьншо ош.вешенил иолиже-ння измерительного накокечнньа и состоит из цифровой шкалы и светодиодной линейки. Также существует возможность настройки границ измерения и установки нулевого положения.
Измерительный механизм «рис 4) установлен в зону обработки. Он имеет контактный минерагокерамиче-екпй наконечник. герметичный корпус и элементы для автоматической иасгрошси прибора из когггролнруемый ргзмер. В измерительном механизме используется два преосрззсвгтел* линейных перемещений. Перзый - индуктивный предназначен для контроля перемещения измерительного наконечника. Бторой - растровый, предназначен для измерения положения первичного преобразователя во время переналадки на другой размер обрабатываемой детгли.
Рис. 3. Измерительная система на Еруглолпнфовальном станке
Рис. Измеритглвнын механизм
Прибор предназначен для контроля геометрических характеристик цилиндрических детален с прерывистой поверхностью с точностью 1 мтм Диапазон измерения диаметров от 0 до 100 \гм
ПроЕелены производственные испытания одьпного образца прибора, которые поЕазгли работоспособность и надежность Еонструкцни. а также стабильность его работы.
Исследовательская работа В центре станка установлена четырехзубая фреза диаметром 32 мм. Результаты динамических испытаний показаны на рнс. 5.
На осцнкклраммал ьилни. -попри подаче кмпульснсю напряжения на лилиромахни 1 ньш мслашим (ЭММ) (рис. 5а-г. прямоугольные импульсы; измерительный наконечник западает в разрыв детали (рис. 5а-г. криволинейная линия). а после прекращения сигнала на ЭММ. наконечник выходит на максимальный диаметр. Мннн-мхльнын импутье подачи напряжения на ЭММ составляет С Л с. При увеличении длительности импульса наконечник длительное время контактирует с выступами детали, что нежелательно.
На рисунке 5 а сигнал с ЭММ расположен снизу и составляет 0.1 с Следуя показаниям индуктивного преобразователя можно определить время срабатывания. Еоторое составляет 0.01 секунду, прежде чем наконечник начинает перемещаться зо Бпадину. После отключения подачи напряжения на ЭММ время выхода наконечника на максимальный размер детали составляет Э.55 с.
в) г)
Рис 5. Осцилтограммы перемещения измерительного стержня в зависимости от длительности додаваемого импульса на электромагнитный механизм
Вывод результатов на цифровом днсплсс отчетно-командного устройства фильтруете.* н выводит показания в промежутке между сигналами (перед подачей сигнала). Таким образом па цнфрсвом табло отчетного устрой ста нет мелькания цифр и при уменьшении размера лета ли до иремя обработки показания прибора пларно изменяются.
Также была проверена разность показаинй статических и динзмическнх измерений, для этогс накоиечник выставлялся на максимальный выступ детали, а затем включаюсь её вращение. Разность показаний составила 2 ... 3 мкм.
Как видно на осциллограмме (рис. 5а. б. в. г), при экспериментальном определении динамических характеристик прибора (сигнал электромагнитного механизма прямоугольный, индуктивного преобразователя по форме измеряемой поверхности), проверено западанне наконечника в разрыв детали при различных режимах работы.
VI. Экономический эффект
О достижении экономического эффекта при дополнительном применении приборов активного контроля известно давно. Чаще всего он представлен для изделий массового производства. Для того, чтооы убедиться, что данная разработка эффективна при мелкосерийном пронзвсдстве. были получены исходные данные с предприятия изготавливающего детали для авиационной промышленности В качестве примеров рассмотрено производство блока цилиндров, золотников и шестерен. Экономический эффект от применения разработанного прибора активного контроля заключается в снижении процента брака из-за повышения точности обработки с 10-15 мкм до 1-2 мкм. поскольку шлифовальная операция является замыкающей при производстве деталей, брак включает з себя затраты, осуществлённые на предыдущих переделах (стадиях), также экономический эффект будет достигаться за счёт исключения многократных (3-5 раз) промежуточных измерений, особенно после правки круга что приведёт к сокращению продолжительности шлнфоватьной операции.
Для расчёта экономического эффекта от сокращения времени на шлнфоватьной операции хля конкретной детали необходимо знать затраты на её выполнение. С применением созданного прибора активного контроля в среднем вдвое сокращается время выполнения операции.
Формула годового экономического эффекта включает в себя эффект от сокращения времени шлифовальной операции и эффект от снижения процента брака н выглядит следующим образом:
Е = Уу • С • — • 11 +—) + К. • г ■ — - Са • —. (5)
> е 100 V 100/ > 100 а 100 ' 4 '
где Уу - объем продукции обработанной за год при двухсменном режиме работы станка, ед.: Се - себестоимость единицы продукции обработанной на станке, руб.; Б - снижение процента брака при использовании прибора, ед.: г - сокращение времени обработки на шлнфоватьной операции. %; 2 - стоимость выполнения шлифовальной операции до применения прибора, руб.; Са стоимость прибора, руб.: Лга годовая норма амортизации прибора. %.
Разность между процентом брака до и после начата применения прибора будет отличаться на различных предприятиях. Это вызвано различиями в технологическом уровне применяемого на предприятии оборудования. уровне квалификации персонала, и прочими, не зависящими от прибора факторами. Разность до 5 % подтверждена экспериментально.
Для наглядной демонстрации полученных экономических эффектов построены трёхмерные графики отдельно по каждой детали (рис. ба-в). С их помощью можно увидеть, как меняется экономический эффект в зависимости от себестоимости выпускаемой продукции и снижения процента брака после начала применения прибора активного контроля на операции шлифования. При производстве детатей на предприятии, по которому были взяты значения показателей, с прибором процент брака находился в интервате 0-1%. без прибора - 5%. Соответственно на оси снижения процента брака необходимо в таком случае выбрать значение 4%.
На каждом из графиков (рис ба-в) линией выделены значения соответствующие годовой себестоимости выпущенной продукции конкретного наименования.
Экономический эффект будет зависеть от вида детали, т.е. себестоимости единицы, времени выполнения шлифовальной операции, а также множества факторов, ока зывающих влияние на процент брака на шлифовальной операции.
Поскольку по графикам трудно установить точные значения годового экономического эффекта при различном снижении процента брака, представим обобщённые результаты по всем трём наименованиям деталей в табл. 1.
0,2
Гурий аксиом!»*«"* ыа ГММОЯИИ П0Т««> ОТ
браиа и уменьшен**
на имифомяьмои и,к-(«ц.'И МЛ- £
фиговоооиобь*-««
Ов^иб-'Н"««»* Детлвй6»г9Тик.и • СЛОВЧО'ПОС!«""-"-»
»трат на шмфоммнрт
пр»>У«<и«и 1,3» Ь
гоаоост« уюномимския »ф^«'
о«-ч«»МИИ ГОТ*0» О' 6р)но Иумсн»ш«ини 12 -С,»АО»«
на имифомпимсЯ
п[и юдавом о,в
О.Л
рстлпил 11952 иа и 02
у^ЛОВии-пОСТв""»1-"' А МИ олая? шлнЮвальму*
одсрЭЦИЮ •<«единицу
поод/ицн» 10.:*>*
а)
б)
Год*»0»
ЖОИОЛНЧ«"«-"
«я сннжами по-ср» и
и упоим«*»»
ВР(««ИИОбР*£ОТКИ
огсрицчи.
«ОН $
при год«»«
,»1р»«лым<»«ы* допясЯ 1
мтгвпя» ■•■««» шпи^мия»«**1 опчицио на «ДИН1ЧУ с
в)
Риг 6 Годовой эксиочический эффект при мо.^рнтгчлттшт одного станка прибором активного контроля
ТАБЛИЦА 1
ГСДСВОЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УВЕЛИЧЕНИЯ БРАКА
Наименование детали "С 1П1 ■ П11«1П11»П= 1 одовой экономический эффект на снижении потерь от брака и 'уменьшении времени обработки на шлифовальной операции при двухсменном режиме работы станка, млн. Э
1% 0.141 0.085 при снижении процента орака на ед. 2% 3% 4% 5%
ълок цплинлров Золотник и.^-ЭО и.ОО! 0,108 0.131 / ирг^ 0.154 0.177
Шестерня 0.056 0.058 0.061 0.063 0.066
В табл. 2 приведены значения точки безубыточности использования прибора активного контроля, как объём изделий в единицах, который обеспечит достаточный уровень экономического эффекта, чтобы покрыть затраты на приобретение прибора равные 1500 $. Значения, приведённые в табл. 2. нагляднс демонстрируют целесообразность применения рассматриваемого прибора даже при мелкосерийном производстве прецизионных деталей
ТАБЛИЦА 2
МИНИМАЛЬНОЕ ЧИСЛО ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ В ГОД.НЕОБХОДИМОЕ
ДЛЯ ОКУПАЕМОСТИ ПРИБОРА
Наименование детали Точка безубыточно с гп использования прибора, ез. (минимальное количество выпускаемых деталей в год}
при снижении процента брака на ед.
1% 2% 3% 4% 5%
Блок полонзров 138 83 59 46 3S
Золотник 41 32 27 23 20
Шестерня 32 31 30 29 28
VD. ВЫВОДЫ и ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Получены сждужицж результат исследования работы прибора на станке, что при вращении детали от 0 до 500 об. мин смещение уровня насгройкн не обнаружено (цена деления узлов отсчета составляла 0.001 мм).
На основе полученных результатов экспериментальных исследований управляющего прибора при контроле линейных размеров фрезы установлено, что поставленная задача решена на практике. Погрешность измерения устройства при выполнении статических и динамических измерений в условиях изменяющихся метрологических и технических характеристик изделий и режимов их обработки не превышает допустимой погрешности, предъявляемой к универсальным средствам измерения, то естьсуммарная погрешность измерения меньше или равна ОД2...0.3 допуска на размер. Разработанный прибор устраняет и другие недостатки существующих приборов.
В результате проделанной работы при многократных измерениях было выявлено, что погрешность установки детали в центрах не более 1 мкм. а погрешность измерения управляющим прибором контроля в пределах ±1
Расчет экономического эффекта показал, что разработанные приборы активного контроля можно и необходимо использовать при мелкосерийном производстве прецизионных деталей
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. V. Tignibidin. ""The process of measuring geometric parameters of details on cylindrical grinding machines using active control device."Dyuaniics of Systems: Mechanisms and Machines, Dynamics (2014) - Proceedings, art. no. 7005699. DOI: 10.1109/Dynamics^014.70056W
2. К Teli. K. Jeinielniak. G. О "Darnell. D. Dornfeld 2010.Andvanced monitoring of machining operations CIRP Annals - Manufacturing Technology, 59 (2010), p. 717-739DOI:10.1016/j.cirp.2010.05.010
3. Denkena. В.. Eofi. V. 2009. 'Technological NC Simulation for Grinding and Cutting Processes Using CutS," Proceedings of the 12th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, Volume EL May 7-8, 2009. Donostia-San Sebastian Spain. p. 563.
4. H.-C. Mohring. O. Glimmer. R. Fischer. Active error compensation in contour-controlled grinding // СШР Annals - Manufacmring Technology. - Volume (50, Issue 1, 2011, Pages 429-432.
5. G. Bas. L. Stoevb. N. 11. Dinaldiasa. Assessment of the Production Quality in Machining by Integrating a System of High Precision Measurement //Procedía Engineering. - Volume 100r 2015, Pages 1616-1624.
6. B. Denkena. O. Glimmer. Active Tailstock for Precise Alignment of Precision Forged Crankshafts during Grinding// Procedía CIRP. - Volume 12,2013, Pages 121-126
7. M. Colledani. I. Tolio: A. Fischer, B. lung, G. Lanza. R. Schmitt, J. Váncza. Design and management of manufacturing systems for production quality // C'EKP Annals - Manufacturing Fechnology. - Volume 63. Issue 2. 2014, Pages 773-796.
