CC BY
5
УДК 658.562
В.В. Симонов, А.А. Игнатьев
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО ПРИБОРА АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ
Аннотация. Проведен анализ приборов активного контроля процесса шлифования, рассмотрены основные характеристики и выявлены основные тенденции их развития. Разработаны функциональные схемы шлифования колец подшипников с применением прибора активного контроля
Ключевые слова: шлифование, кольца подшипников, активный контроль, микропроцессорный прибор
V.V. Simonov, A.A. Ignatiev
DESIGNING A MICROPROCESSOR-BASED DEVICE FOR IN-PROCESS CONTROL OF GRINDING THE BEARING RINGS
Abstract. The article presents an analysis of devices for active control of the grinding process, considers their characteristics, and identifies the key trends in their improvement. The functional schemes for grinding the bearing rings by means of active control devices have been developed.
Keywords: grinding, bearing rings, active control, microprocessor
ВВЕДЕНИЕ
Подшипники являются неотъемлемой частью большинства современных технологических машин и механизмов. Они используются в быту и промышленности в самых различных областях применения: на транспорте на движущихся деталях станков и бытовой техники. Подшипник является одним из основных элементов, обеспечивающих качение, вращение и прочую необходимую подвижность деталей в оборудовании. Выход из строя такого важного элемента может привести к поломке оборудования, а также авариям, влекущим за собой большие финансовые потери, а в ряде случаев - и человеческие жертвы. Соответственно особо важно соблюдение требований, предъявляемых к качеству изготавливаемой продукции, которая впоследствии будет установлена на подвижные элементы различных технических объектов.
Одни из самых высоких требований в изготовлении подшипников предъявляются к изделиям, используемым в авиационной, авиакосмической и транспортной технике, поэтому важен неукоснительный контроль изготавливаемых изделий, направленных на данное производство и другие области применения подшипников. Для поддержания параметров точности размера и шероховатости поверхности обрабатываемых деталей в заданных пределах внедряется активный контроль процесса, то есть контроль различных параметров обработки в процессе производства и перестроение производственных характеристик под данные параметры.
Для активного контроля процесса шлифования колец подшипников в станок встраиваются приборы активного контроля (ПАК), способные контролировать текущие значения параметров и вносить коррективы в процесс обработки. Разработке и применению приборов активного посвящено большое количество работ [1-23], однако практический интерес представляет использование в таких приборах современных средств микропроцессорной техники, расширяющих их возможности, в том числе связанных с мониторингом технологического процесса [14].
Процесс проектирования устройств, в частности устройств активного контроля, состоит из двух основных этапов - анализа и синтеза. На этапе анализа производятся исследование и оценка требований, предъявляемых к оборудованию и вырабатываемой им либо с его помощью продукции. Результаты анализа систематизируются и на их основании предъявляются требования к характеристикам будущего устройства.
На этапе синтеза происходит построение принципиальных, функциональных и других видов схем проектируемого устройства. Основной задачей на данном этапе является включение в схемы конечного устройства всех необходимых систем и компонентов, которые позволят эффективно реализовать выдвинутые на этапе анализа требования к прибору.
Для проектирования микропроцессорного прибора активного контроля процесса шлифования колец подшипников необходимо проанализировать существующие решения в рассматриваемой области и рассмотреть требования по качеству обрабатываемых деталей.
АНАЛИЗ РАССМАТРИВАЕМОЙ ОБЛАСТИ
Для выявления основных параметров, контролируемых приборами, рассмотрения их элементной базы и возможностей применения в составе различных систем шлифования проведем анализ приборов активного контроля процесса шлифования колец подшипников, а также технических новинок, появившихся в данной области в последнее время. Работы по созданию устройств активного контроля, различных областей и этапов производства, а также их внедрения в процесс обработки ведутся с 70-х годов XX века. На текущий момент разработано множество схем и прототипов устройств и приборов активного контроля различных конструкций, внедренных в производство на различных этапах развития активного контроля либо послуживших основой для этого развития. Стоит упомянуть работы, проведенные Саратовским государственным техническим университетом имени Гагарина Ю.А. совместно 40
с ОАО «Саратовский подшипниковый завод». Работы направлены на создание прибора активного контроля, позволяющего контролировать параметры детали до и во время обработки, а также метода обработки колец подшипников на основе скорости съема припуска и вибраций системы инструмент - деталь [2, 3]. В рамках работ разработан метод многопарамет-рового активного контроля обработки колец подшипников, основанный на скорости припуска съема припуска и вибраций заготовки во время обработки, а также прибор активного контроля, работающий по данному методу.
Рассмотрим существующие на сегодняшний день приборы активного контроля, предлагаемые отечественными и зарубежными фирмами и пригодные для обработки деталей на круглошлифовальных и внутришлифовальных станках, а также технические новинки в области активного контроля процесса шлифования и обработки деталей.
Первым устройством, рассмотренным в процессе анализа, является подналадчик БВ-4303. Он используется для круглошлифовальных станков, а также может быть применен для контроля токарных, расточных и других процессов. Внешний вид устройства представлен на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид подналадчика БВ-4303
Прибор позволяет контролировать размеры детали по внутреннему и внешнему диаметру после обработки на станочном оборудовании и по результатам произведенных замеров выдавать информацию о произведении необходимых корректировок в систему управления оборудованием.
Прибор оборудован индуктивными датчиками, предназначенными для контроля размеров изготавливаемых деталей, которые могут производить измерения в пределах от 5 до 300 мм по внешнему диаметру детали и от 10 до 120 мм - по внутреннему. Корректировку
41
процесса обработки прибор может выполнять при помощи диапазона управляющих команд, находящегося в пределах от 3 до 6. Индикация параметров детали может производиться по двум шкалам: точной и грубой. Грубая шкала имеет цену деления 10 мкм. Цена деления точной шкалы может быть выбрана из двух значений: 0,1 мкм и 1,0 мкм. Диапазоны показания шкал равны от 0 до 300 мкм и от 0 до 30 мкм соответственно. Время готовности прибора к работе - 5 минут. Продолжительность работы - не более 16 часов в сутки.
Также компанией АО «НИИИзмерения» выпускается автоподналадчик модели БВ-4304, представляющий собой модернизированную версию представленного ранее прибора. Данное устройство может выдавать 4 управляющие команды, работать с заготовками, находящимися в процессе обработки, размер которых находится в пределах о 5 до 200 мм, прибор также имеет точную и грубую шкалу измерения, диапазон измерения которых равен 60 и 600 мкм соответственно. Цена деления точной шкалы - 1 мкм, грубой - 10 мкм.
В сравнении с представленными ранее подналадчиками значительно выделяются приборы активного контроля ПКУ138 и ПКУ140, а также их модификации, являющиеся устройствами управляющего контроля. Различие моделей приборов ПКУ заключается в их применении: модели ПКУ138 - для гладких поверхностей и ПКУ140 - для прерывистых. В данной работе большее внимание уделяется прибору ПКУ138 как более подходящему для обработки колец подшипников. В сравнении с рассмотренным ранее прибором ПКУ138 может выполнять измерения в процессе обработки, а также контролировать мощность привода инструмента для быстрого врезания в поверхность и стабилизации мощности при черновой обработке. Внешний вид прибора представлен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид прибора ПКУ138 с устанавливаемыми на нем измерительными устройствами
Измерения производятся датчиками индуктивного принципа действия Выдача управляющих команд устройством производится на основании сравнения размеров деталей, получаемых с помощью измерительного комплекса, с заранее заданным эталонным значением.
Прибор имеет две шкалы для индикации измерений: аналоговую и цифровую, точность измерения которых равна 2 мкм и 1 мкм соответственно. На цифровом табло также может отображаться текущее значение мощности обработки.
Прибор обеспечивает выдачу управляющих команд, количество которых для обеспечения точности обработки по диаметральному размеру равно 5, а по регулировке мощности процесса обработки - равно 3 командам.
Среди зарубежных приборов, представленных на отечественном сегменте рынка, можно выделить прибор активного контроля Marposs РШМЕ. По заявлениям выпускающей его компании, прибор может производить измерения внутренних и наружных диаметров обрабатываемых деталей. Его внешний вид представлен на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид прибора Marposs РШМЕ
Управление прибором осуществляется при помощи сенсорного экрана, выводящего всю информацию о процессе обработки, такую как показания датчиков, измеряющих обрабатываемую поверхность, и отображение моментов перехода на новый режим работы. Сенсорный экран позволяет осуществлять переключение между типами отображаемых индикаторов, представляемых в виде стрелочного либо цифрового, позволяет осуществлять настройку прибора и дает возможность создание программы обработки детали по требуемым параметрам.
На заднюю панель прибора выведены сервисные порты, используемые для обслуживания и перепрограммирования устройства, колодка для связи с оборудованием и гнездо, используемое для подключения датчиков, устройств измерения обрабатываемой поверхности. Прибор может работать с несколькими типами устройств измерения - изме-
43
рительных головок, выпускаемых фирмой Marposs, каждая из которых имеет свои отличительные особенности.
В зависимости от типа измерительного инструмента, используемого в составе прибора, он может иметь три разных интервала измерений, равных от -250 мкм до +250 мкм, от -500 до +500 мкм и от -1000 мкм до +1000 мкм. Каждый из интервалов требуется для своего процесса обработки детали по требуемым значениям. Выведенная на заднюю панель колодка позволяет осуществлять выдачу сигналов о состоянии процесса обработки и его корректировку в соответствии с заданными параметрами и выбранной программой. Прибор выполняется в виде отдельно стоящего модуля либо модели с реечным исполнением управляющего блока.
Помимо реализуемых на рынке приборов активного контроля, были рассмотрены публикации и патенты как зарубежных, так и отечественных авторов. Среди наиболее значимых работ в данной области были выделены следующие.
Сотрудниками АО «НПО Лавочкина» совместно с сотрудниками и студентами Омского государственного технического университета, а также Московского государственного технологического университета «СТАНКИН», разрабатываются новые приборы активного контроля, основанные на применении для измерения размеров деталей лазерных лучей, проходящих через сапфировые и корундовые контактные наконечники, а также бесконтактных и гидроструйных приборов [4, 5].
Данные приборы позволяют увеличить точность измерения параметров обработки прерывистых поверхностей. Данные приборы активного контроля имеют несколько степеней свободы, что позволяет измерять конусность деталей и производить измерения по хорде.
Предложен проект малогабаритного пневмоиндуктивного преобразователя прибором активного контроля размеров деталей инструментов на операции шлифования [6]. Данный проект предлагает внедрение в качестве измерительного устройства пенвмоин-дуктивного преобразователя, основанного на передаче энергии сжатого воздуха через индуктивный элемент в устройство активного контроля в качестве параметров обрабатываемой детали.
Несмотря на бесконтактный принцип действия, недостатком прибора является необходимость тонкой очистки перекачиваемого через преобразователь воздуха, что требует установки дополнительного оборудования, увеличивающего его стоимость.
Рассмотрено управляющее устройство активного контроля деталей при механической обработке. Прибор состоит из двух магнитодинамических преобразователей, базирующего устройства с приспособлениями для точной настройки измерительной оснастки и отсчетно-командного блока [7]. Для измерения прибор использует виброконтактный принцип преобразования контролируемых размеров изделия в электрический сигнал, направляемый в от-счетно-командный блок. 44
Проект имеет широкий спектр применения среди различных видов шлифования, но на текущий момент его результативность измерений является малоизученной, а сам прибор существует лишь в виде исследуемого прототипа.
Предложены внедрение Прибора касания ПК-4М и автоматизация его работы путем внедрения алгоритма анализа спектральных составляющих, основанного на корреляции эталонного спектра со спектром измеряемого сигнала [8]. Недостатком данного прибора является то, что он автоматизирует не весь процесс обработки детали, а затрагивает лишь малую его часть, называемую процессом быстрого подвода.
Говоря об анализе рассматриваемой области, необходимо проанализировать основные требования, предъявляемые к качеству обрабатываемых деталей, а также к процессу обработки.
Основными показателями качества детали, обработанной шлифованием, являются твердость поверхностного слоя, соответствие требуемым размерам, шероховатость и волнистость поверхности, а также отсутствие трещин и прижогов, появившихся во время обработки и не обнаруженных на этапе установки заготовки на станок.
Данные показатели находятся в требуемых пределах при учете соблюдения технологического процесса обработки, учитывающего тип материала заготовки и шлифовального круга, режимы резания, временные интервалы обработки и прочие факторы обработки поверхности [9].
Исходя из характеристик и особенностей рассмотренных в контексте данной работы устройств, а также параметров обработки можно сделать выводы об основных тенденциях в развитии приборов активного контроля, работающих в области шлифования, и их основных характеристиках.
Основная масса измерительных устройств приборов активного контроля шлифования работает на основе датчиков индукционного типа, поскольку данный тип датчиков позволяет обеспечить наименьшие погрешности измерений. Измерительные устройства построены с использованием выносных измерительных головок преимущественно двух-рычажного типа. Все устройства имеют ограничения по максимальному и минимальному диаметру измеряемой детали, а также обладают диапазоном измерений в пределах нескольких сотен микрометров, что обусловлено малым изменением размеров детали в процессе шлифования.
Анализ новых разработок показал, что на текущий момент активно развиваются исследования в области приборов активного контроля с измерительными устройствами новых типов. Данные исследования направлены на улучшение качества обработки шлифованием прерывистых поверхностей, а также расширение возможностей итогового оборудования. Как и существующие устройства, разрабатываемые проекты имеют ряд существенных недостатков, таких как малая изученность точностных характеристик разраба-
тываемых устройств, малая функциональность оборудования, а также высокая себестоимость измерительных приборов.
Надо отметить, что все современные ПАК оснащаются микропроцессорными электронными блоками. Блок обеспечивает питание индуктивных преобразователей, расположенных в измерительной оснастке, суммирование и преобразование их сигналов, индикацию результатов измерения на световой шкале и цифровом дисплее, светодиодную сигнализацию, выдачу релейных управляющих команд, выходного аналогового сигнала постоянного тока и выходного кодового сигнала в цепи управления станка. Микропроцессорный блок может работать с индуктивными и растровыми фотоэлектрическими преобразователями. Количество подключаемых к блоку преобразователей - от 1 до 4 [1].
Анализ характеристик процесса обработки показал, что максимальные показатели качества обработки достигаются при помощи соблюдения технологического процесса обработки, разработанного с применением теории шлифования и современных средств управления обработкой. На основании изложенного произведем разработку функциональных схем прибора активного контроля и процесса обработки шлифованием с применением данного прибора.
РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ
Исходя из анализа параметров, влияющих на процесс обработки, можно сказать, что параметры качества детали зависят не только от параметров процесса обработки, но и закладываются гораздо ранее на этапе отбраковывания заготовок, что указывает на необходимость контроля всех этапов процесса обработки изделия: от получения заготовки до снятия со станка. Наглядно схема этого процесса с применением устройства активного контроля представлена на рис. 4.
Исходя из схемы, можно увидеть, что прибор получает данные с шлифовального автомата, контролируя его параметры, а также параметры заготовки во время, до начала и после окончания обработки детали при помощи двух датчиков: текущего припуска и вибрации. Данные датчики позволят контролировать необходимые величины и поддерживать их в заданных пределах.
После обработки сигнала программа информирует оператора о текущем состоянии обработки и вносит необходимые коррективы для поддержания параметров в заданных пределах. Также воздействие на процесс обработки может выполняться непосредственно оператором через панель управления и индикации прибора.
Учитывая приведенную выше функциональную схему процесса обработки шлифованием с применением цифрового прибора активного контроля и при учете произведенного ранее анализа приборов активного контроля составим функциональную схему прибора активного контроля процесса обработки шлифованием.
Анализ существующих решений в области приборов активного контроля шлифования показал, что большая часть устройств выполняется в виде внешних блоков, подключаемых к станку и осуществлявших непосредственное управление им посредством обработки сигналов с нескольких датчиков и воздействия на приводы станка.
Ранее было указано, что основными датчиками для прибора активного контроля выбраны датчики текущего припуска и датчик вибраций, которые позволят в полной мере контролировать параметры обрабатываемых деталей. Функциональная схема прибора представлена на рис. 5.
Рис. 4. Функциональная схема процесса обработки шлифованием с применением цифрового прибора активного контроля процесса шлифования колец подшипников
Рис. 5. Функциональная схема цифрового прибора активного контроля процесса шлифования колец подшипников
Схема разделена на три основные части: шлифовальный автомат, на который будут установлены датчики, контролирующие параметры станка и детали и которыми прибор будет осуществлять управление воздействием на двигатели главного движения и привода подачи; прибор активного контроля с необходимым набором дополнительных устройств, осуществляющий управление станком и представляющий оператору сведения о критических ситуациях и текущих значениях параметров процесса обработки; панель управления и индикации, осуществляющая функцию передачи информации между прибором и оператором. Данный набор устройств и элементов позволит создать эффективный прибор активного контроля процесса шлифования колец подшипников.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках работы по данной тематике проведен анализ текущего состояния развития приборов активного контроля, рассмотрены новые тенденции и основные требования к процессу обработки.
На основе анализа разработаны функциональная схема цифрового прибора активного контроля процесса шлифования колец подшипников, функциональная схема процесса обработки шлифованием с применением цифрового прибора активного контроля. Более подробно данные схемы, основные принципы работы разрабатываемого прибора, 48
а также предполагаемые принципиальные электрические схемы представлены в других работах по данной тематике [10-13]. В данных работах рассматривается возможность построение прибора активного контроля на базе микроконтроллера, что позволит уменьшить габаритные размеры прибора и его себестоимость за счет минимизации элементной базы вследствие объединения функций микроконтроллером. Основные достоинства и недостатки, представленные в результате анализа существующих на сегодняшний день средств активного контроля, используемых при шлифовальной обработке, будут учитываться при дальнейшей разработке цифрового прибора активного контроля процесса шлифования колец подшипников.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Этингоф М.И. Автоматический размерный контроль на металлорежущих станках. М.: АПР, 2016. 336 с.
2. Карпеева Е.В. Совершенствование средств активного многопараметрового контроля для системы мониторинга шлифовальной обработки деталей подшипников: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саратов, 2004. 16 с. (СГТУ имени Гагарина Ю.А.).
3. Васин М.П. Повышение стабильности параметров точности шлифованных поверхностей качения колец подшипников на основе многопараметрового активного контроля: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саратов, 2007. 16 с. (СГТУ имени Гагарина Ю.А.).
4. Приборы активного контроля размеров изделий на основе сапфировых измерительных наконечников с тремя степенями свободы / Е.В. Леун, В.И. Леун, В.К. Сысоев и др. // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5. № 2. С. 144-150.
5. Леун Е.В., Леун В.И., Шаханов А.Е. Метрологический анализ лазерных приборов активного контроля размеров изделий с использованием корундовых наконечников // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 98-103.
6. Симоненко К.В. Проект малогабаритного пневмоиндуктивного преобразователя прибора активного контроля размеров деталей инструментов на операции шлифовании // Новая наука: стратегии и векторы развития. 2016. № 118-2. С. 209-211.
7. Бубкин А.С. Разработка устройства управляющего активного контроля деталей при механической обработке // Молодежь и наука. 2016. № 1.
8. Дмитриев А.О., Пешев Я.И. Разработка устройства активного контроля технологического процесса шлифования // Молодой исследователь: вызовы и перспективы. 2018. № 42 (95). С. 146-150.
9. Наерман М.С. Справочник молодого шлифовщика. М.: Высш. шк., 1985. 207 с.
10. Симонов В.В., Игнатьев А.А. Разработка функциональной схемы процесса обработки шлифованием с применением цифрового прибора активного контроля процесса шлифования колец подшипников // Управление качеством на этапах жизненного цикла
технических и технологических систем: сб. тр. Междунар. конф. Курск: ЮЗГУ, 2019. Т. 2. С. 181-184.
11. Симонов В.В., Игнатьев А.А. Разработка цифрового прибора активного контроля процесса шлифования колец подшипников // Управление качеством на этапах жизненного цикла технических и технологических систем: сб. тр. Междунар. конф. Курск: ЮЗГУ, 2019. Т. 2. С. 184-187.
12. Симонов В.В., Игнатьев А.А. Разработка электрической принципиальной схемы цифрового прибора активного контроля процесса шлифования колец подшипников // Современные материалы, техника и технология: сб. тр. Междунар. конф. Курск: ЮЗГУ. 2019. Т. 2. С. 247-250.
13. Симонов В.В., Игнатьев А.А. Разработка принципиальной электрической схемы цифрового прибора активного контроля процесса шлифования колец подшипников // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2020. С. 80-85.
14. Игнатьев А.А., Горбунов В.В., Игнатьев С.А. Активный контроль и мониторинг процесса шлифования деталей подшипников. Саратов: СГТУ, 2007. 104 с.
15. Леун В.И., Николаева Е.В. Эффективность технологии шлифования режущего и контрольного инструментов с приборами активного контроля // Омский научный вестник. № 2010. № 2 (90). С. 48-50.
16. Леун В.И., Тигнибидин А.В. Новые принципы построения приборов активного контроля для изделий инструментальных производств и машиностроения // Омский научный вестник. 2009. № 1 (77). С. 165-169.
17. Леун Е.В., Леун В.И. Вопросы построения многофункциональных приборов активного контроля линейных и угловых размеров изделий и их формы поверхности // Омский научный вестник. 2018. № 1(157). С. 69-75.
18. Леун Е.В. Разработка приборов активного контроля размерных параметров изделий с использованием сапфировых измерительных наконечников // Омский научный вестник. 2016. № 4 (148). С. 123-127.
19. Патент России № RU 124406 U1 Измерительная скоба для приборов активного контроля / Карпович И.Б., Ковальский М.Г. 2013.
20. Подналадчики для круглошлифовальных бесцентровых, токарных и сверлильно-фрезерно-расточных станков с ЧПУ, обрабатывающих центров, ГПМ и систем БВ-4303 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.micron.ru
21. Прибор для контроля деталей с непрерывной поверхностью (с навесной скобой) БВ-4304 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.micron.ru
22. Приборы активного контроля к внутри и круглошлифовальным станкам - Модели ПКУ138, ПКУ140 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.robocon.ru
23. Simple in-process solution for ID and OD measurement on machine tool [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.marposs.com
50
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Симонов Виктор Васильевич -
аспирант кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Игнатьев Александр Анатольевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Viktor V. Simonov -
Postgraduate, Department of and Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of the Saratov
Alexander A. Ignatiev -
Dr. Sci. Tech., Professor, Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 15.07.21, принята к опубликованию 17.09.21
