Программный комплекс определения величины коррекции на инструмент для обрабатывающих центров с датчиками активного контроля Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

various types of interoperational sending devices is received.

Key words: kinematics, interoperational transfer, a piece subject of processing, the rotor machine.

Aleksandrova Marina Nikolaevna, the post-graduate student,

2705home@rambler.ru, Russia, Tula, the Tula StateUuniversity

Prejs Vladimir Viktorovich, Dr. Sci. Tech., the prof., the chief of the cathedra,, preys@,klax.tula.ru, Russia, Tula, the Tula State University

Frolovich Evgenie Nikolaevich, Dr. Sci. Tech., the adviser of the general director, Russia, Klimovsk, Open Society «Design bureau of automatic transfer lines of a name of L.N.Koshkina»

Получено 18.07.2013 г.

УДК 62-503.55

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ КОРРЕКЦИИ НА ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРОВ С ДАТЧИКАМИ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ

В.И. Аверченков, Л.Б. Филиппова, Л.И. Пугач

Рассмотрены основные методы настройки инструмента для современных станков с ЧПУ и особенности настройки оборудования с ЧПУ на примере вертикально-фрезерного обрабатывающего центра Quaser МУ154ЕЬ с датчиком активного контроля контактного типа Renishaw Т827Я при организации производства новых партий деталей. Разработана диаграмма прецедентов процесса измерения. Проведен ряд экспериментов, направленных на определение погрешностей при измерении инструмента и настройке оборудования. Описана структурно-функциональная схема программного комплекса определения величины коррекции на инструмент для обрабатывающих центров.

Ключевые слова: датчики контактного типа, погрешность измерения, инструмент для фрезерной обработки, систематическая погрешность, современные станки с ЧПУ.

С каждым годом в машиностроении повышаются требования к качеству выпускаемых изделий: повышаются требования по точности и качеству получаемых поверхностей, а парк металлорежущего оборудования большинства предприятий существенно отстает по технологическому оснащению. Многие организации не имеют возможности для приобретения очень дорогостоящего оборудования с ЧПУ, но возможность оснастить производство станками среднего класса у большинства из них есть. Станки этой группы представляют собой небольшие обрабатывающие центры с ЧПУ с точностью позиционирования до 1 мкм. Данное оборудование, оснащают датчиками активного контроля инструмента контактного типа, по-

зволяющими сократить время настройки инструмента для обработки новой партии изделий. Датчики характеризуются такой величиной, как повторяемость результатов измерений, которая определяется «близостью результатов испытаний одного и того же объекта по одной и той же методике в соответствии c требованиями одного и того же нормативного документа, в одной и той же лаборатории, одним и тем же оператором с использованием одного и того же экземпляра оборудования в течение короткого промежутка времени» (ГОСТ Р 51672). У большинства таких устройств значение данной характеристики колеблется от 1 до 5 мкм, соответственно и точность изделия с учетом суммарной погрешности обработки будет составлять не менее чем 0,05...0,75 мм.

Возникает задача получения изделия более высокой точности на имеющемся оборудовании с минимальными затратами.

Для решения этой задачи был проведен ряд исследований на примере вертикально-фрезерного обрабатывающего центра ОиаБег МУ154БЬ (рис. 1) с датчиком активного контроля контактного типа Renishaw Т827Я (рис. 2). В используемом устройстве инструмент подводится к щупу 1 датчика по оси Ъ для измерения вылета инструмента. Диаметр инструмента измеряется при его вращении по осям X и У. Данные от щупа в виде электрического сигнала передаются в интерфейсный блок и затем, в обработанной форме, в память числового программного управления станка [1].

а б

Рис. 1. Фрезерный Рис. 2. Измерительная система

обрабатывающий центр с контактным датчиком типа

Quaser ИУ154 Renishaw Т82 7Я

Целью данного исследования являлось построение и исследование математической модели, позволяющей определять погрешность при формировании точности настройки режущего инструмента на станках с ЧПУ. Для этого был проведен анализ величин, влияющих на оценку точ-

ности настройки режущего инструмента, и разработана, на основе полученных данных, алгоритмическая структура программного комплекса с формированием отдельных модулей математической модели системы.

Для достижения этих результатов в рамках исследования был проведен ряд экспериментов, направленных на выявление погрешностей при измерении инструмента и настройке оборудования с ЧПУ. На первом этапе работы, были создан план эксперимента и определены статистические методы анализа результатов измерений.

В условиях производства этот процесс представлял собой следующую последовательность действий:

1. В патроне закрепляется инструмент заданного диаметра.

2. Затем патрон закрепляется в шпинделе станка, измеряется предварительный вылет инструмента.

3. В стойке станка выбирается специализированная управляющая программа 08005, где задаются в специальных параметрах:

- количество показателей инструмента, которые необходимо измерить, (диаметр, вылет инструмента или и диаметр и вылет) в инструментальном магазине;

- номер ячейки из таблицы коррекции Offset, где хранится информация о предварительном вылете инструмента;

- номинальный диаметр инструмента, мм.

4. После этого, программа запускается. Инструмент подводится в автоматическом режиме по соответствующим направлениям относительно датчика контактного типа. После касания инструментом датчика, данные измерения передаются в таблицу коррекции Offset в соответствующую ячейку памяти, указанную в управляющей программе.

Использование методик теории планирования экспериментов позволило минимизировать число необходимых измерений, условия проведения испытаний, в зависимости от заданной точности результатов измерений, включало в себя ряд этапов, с учетом следующих ограничений:

1. Установление предмета исследования. В данном опыте исследовались такие физические величины как диаметр (d) и вылет инструмент (h), которые относятся к классу качественных характеристик объекта исследования, а единицей измерения служат миллиметры.

В результате эксперимента определяются:

- погрешности измерения датчиком активного контроля режущего инструмента контактного типа Renishaw TS27R, установленного на вертикальном обрабатывающем центре Quaser MV154EL, диаметр и вылет инструмента;

- разброс значений при измерении вылета и действительного диаметра инструмента.

2. Исследования проводились в условиях лаборатории на базе Инновационного центра высоких технологий в машиностроении Брянского

государственного технического университета, оснащенного современным высокотехнологичным оборудованием с ЧПУ, где были задействованы:

- вертикальный обрабатывающий центра Quaser MV154EL;

- датчик активного контроля режущего инструмента контактного типа Renishaw TS27R, установленный на столе вышеуказанного центра;

- фрезы и сверла из твердого и быстрорежущего сплава, а так же со сменными пластинами.

Для выполнения измерений длины и обнаружения неисправного инструмента он подводится к щупу датчика по оси Z (см. рис. 2). Параметры вращающегося инструмента фиксировались по оси Х и Y для коррекции на радиус инструмента (для определения истинного положения центра инструмента). Интерфейсный блок, рассматриваемого устройства, обеспечивает обработку сигналов между датчиком и системой ЧПУ [2].

3. Входными параметрами являются: диаметр инструмента, измеряемый при помощи микрометра или декларируемый производителем инструмента согласно маркировке, и вылет инструмента, измеряемый при помощи специального устройства, с точностью измерения до 0,001 мм.

4. Выходными данными будут выступать данные из таблицы коррекции Offset, снятые после запуска управляющей программы 08005 из соответствующих ячеек памяти. Полученные данные являются в исследовании регистрируемыми, но не управляемыми. Точность измерений характеризуется тысячными долями миллиметра. Более точные данные будут получены после проведения статистического анализа.

Каждый параметр измерялся не менее 100 раз.

В качестве измеряемого инструмента выступали: фрезы; сверла; фрезы со сменными пластинами; сверла со сменными пластинами.

Последовательность действий при проведении исследований:

1. Инструмент монолитный и концевой устанавливался для проведения каждого измерения (п = 100) поочередно в цанговый, силовой и трехкулачковый патрон. После закрепления инструмента в патроне, измерялся на внешнем измеряющем устройстве вылет инструмента, а затем устанавливался в шпиндель.

Полученные первоначальные данные записываются как исходные: ^ном - номинальный диаметр, мм; Нном - номинальный вылет инструмента, мм.

Полученные данные о вылете и диаметре инструмента заносятся в таблицу Offset.

2. Для определения более точных данных с использованием датчика активного контроля инструмента контактного типа запускается программа О8005, при этом указывается номер инструмента в магазине, номер ячеек, куда до этого внесли предварительные данные об инструменте.

3. Затем, запускается программа. Полученные после измерения данные заносятся автоматически в таблицу Offset, в те ячейки памяти, что и

использовались для хранения первичной информации об инструменте.

4 После окончания работы программы результаты записываются в таблицу экспериментальных данных, информацию из соответствующих ячеек памяти таблицы коррекции Offset (значения диаметра и вылета измеряемого инструмента).

5. Пункты 3 и 4 повторяем до тех пор, пока таблица экспериментальных данных не будет заполнена для данного инструмента полностью.

6. Затем, меняется тип закрепления, и повторяются пункты 1-5.

7. Выбирается следующий инструмент, и повторяются пункты 1-6 для всех инструментов, кроме инструментов со сменными пластинами. В этом случае устанавливаем инструмент и выполняем j-ое количество раз последовательность действий 1-4.

Результаты наблюдений описаны с помощью линейной статистической модели

dj = dн +Ajj + 0i, i = 1,2,... ,n; j = 1,2,...,100, где dн - номинальный размер измеряемой величины; A j - i-я случайная погрешность измерения; 0i - i-я систематическая погрешность измерения; dj - среднее значение измеряемой величины.

Для анализа полученных данных использовался однофакторный дисперсионный анализ, согласно которому сравнение идет по п различным уровням одного фактора, в данном исследовании по виду закрепления.

Числа в этой таблице dj - результат j-измерения при i- исследовании.

Согласно эксперименту количество обработок к = 9 задано изначально, поэтому сначала проверяется гипотеза относительно 0г, а затем произведена его оценка. Такая модель носит название модели постоянных эффектов, или модели с фиксированными уровнями факторов [3].

Эффект обработок 0i определяется как отклонения от общего сред___ п

него 0i, поэтому выполняется условие Ё 0i = 0. Тогда соответствующие

i=1

формулы будут иметь вид

п — d

di = Ёdij; di = ~d~,i=1,2,k,к;

j=1 к

к n __ d

d = ЁЁ dj; d =^,

.. ^ L., ip .. n’

i=1j=1 N

где di - сумма наблюдений, полученных при i-ой обработке; di - среднее арифметическое наблюдений для i-ой обработки; d - общая сумма всех наблюдений; d - общее среднее (оценка) всех наблюдений; N = кп - общее число наблюдений.

Применение данного анализа позволяет проверить гипотезу Но о том, зависит ли величина С от типа закрепления, т.е. всегда ли одинакова величина систематической погрешности при измерении

Н0 : 01 = 02 = ■■■ = 0к.

Таким образом, если выдвинутая гипотеза справедлива, то каждое наблюдение складывается из математического ожидания общего среднего и реализации случайной ошибки. Соответствующая процедура проверки этой гипотезы, основанной на дисперсионном анализе, согласно которому дальнейшие вычисления будут производиться по формуле

к п ___ к __ __ к п

¿¿С-= п¿к-с..) + ¿¿с-4) . (1)

I=1 ]=1 I=1 I=1 ]=1

Это соотношение показывает, что общую изменчивость данных, характеризуемую общей скорректированной суммой квадратов, можно разбить на сумму квадратов отклонений средних по обработкам от общего среднего и суммы квадратов отклонений наблюдений при каждой обработке от своего среднего. При этом отклонения средних по обработкам от общего среднего характеризуют различия между обработками, в то время как отклонения наблюдений внутри обработки от своего среднего могут быть обусловлены только случайной ошибкой. Тогда соотношение (1), принимает следующий символический вид:

^общ = Жобр + ^ош. (2)

Расчеты по методу однофакторного дисперсионного анализа показали, что гипотеза Н0 подтверждается с большой доверительной вероятностью 0,995. В таблице представлены результаты измерений фрезы из твердого сплава номинальным диаметром 6 мм (С6) с количеством зубьев, равным 4(п4).

По результатам экспериментальных измерений был составлен ряд таблиц данных. Для анализа этих данных использовался вышеописанный метод анализа экспериментальных данных, согласно которому было доказано, что погрешность при измерении диаметра инструмента датчиком контактного типа вычисляется как

0С = С - Сн,

где 0С - систематическая погрешность измерения датчика контактного типа; С - среднее значение диаметра измеряемого инструмента; Сн - номинальный диаметр инструмента.

Из полученных результатов следует, что погрешность является постоянной систематической. Были проведены дополнительные расчеты для вычисления величины этой погрешности (при этом достаточно 3.. .5 измерений одного инструмента). При последующей настройке инструмента на вертикальном обрабатывающем центре ОиаБег ЫУ154БЬ с датчиком ак-

тивного контроля режущего инструмента контактного типа Renishaw Т827Я было достаточно одного измерения.

Результаты экспериментальных измерений фрезы диаметром 6 мм на вертикальном фрезерном обрабатывающем центре Quaser MV154EL с использованием датчика Renishaw TS27R, мм

Тип закрепления фрезы Номер измерения Измеряемый параметр Условия измерения (вынимаем или нет инструмент из шпинделя) Результаты измерений

1 2 99 100

Цанговый патрон 1 ё Не изменяя 6,002 6,004 6,003 6,003

2 а Вручную 6,002 6,005 6,003 6,003

3 ё Автоматически 6,003 6,005 6,003 6,003

1 к Не изменяя 87,062 87,064 87,063 87,063

2 к Вручную 87,062 87,065 87,063 87,063

3 к Автоматически 87,063 87,065 87,063 87,063

Силовой патрон 4 а Не изменяя 6,002 6,004 6,003 6,003

5 а Вручную 6,002 6,005 6,003 6,003

6 а Автоматически 6,003 6,004 6,003 6,003

4 к Не изменяя 87,06 87,062 87,061 87,061

5 к Вручную 87,06 87,063 87,061 87,061

6 к Автоматически 87,062 87,063 87,061 87,061

1 О щ й О £ л и- їу с * « 3 СХ И Н 7 а Не изменяя 6,002 6,004 6,003 6,003

8 а Вручную 6,002 6,005 6,003 6,003

9 а Автоматически 6,003 6,005 6,003 6,003

7 к Не изменяя 108,463 108,463 6,003 108,462

8 к Вручную 108,461 108,464 6,003 108,462

9 к Автоматически 108,461 108,463 6,003 108,462

После анализа погрешности измерения инструмента при подготовке оборудования с ЧПУ с датчиком активного контроля инструмента контактного типа к последующей работе была создана структурно-функциональная схема программного комплекса (рис. 3), позволяющего автоматически рассчитывать величину коррекции для конкретного измерительного устройства и вносить требуемую коррекцию на измеряемые геометрические параметры инструмента.

Согласно этой схеме, созданный программный комплекс, установленный на персональном компьютере, взаимодействует с числовым управлением станка через ОРС - сервер. Для передачи данных с компьютера на стойку ЧПУ через него, необходимо его открыть, что и делается на начальном этапе алгоритма. Использование ОРС сервера делает программу универсальной, по отношению к оборудованию и надежной, с учетом безопасности передачи данных. Использование базы данных позволит сохранять параметры, для по-

следующего анализа износа инструмента с течением времени.

Инструмент

Обработка

заготовки

Заготовка

Управляющее

воздействие

УП

обработка

детали

Управляющее воздействие

Воздействие на датчик

Чтение параметров

-----1

OFFSET Т аблица

СЧПУ

УП

калибровки

инструмента

Датчик

Сигнал

касания

Интерфейс

МІ8

Запись

параметров

Получение

детали

Подключение по протоколу TCP/IP

Обмен информацией в запрос-ответной форме

Команды установления связи

Модуль связи со станком

ОРС клиент замеров

1 г

Передача

Интерфейс общения с пользовател ем

ПК

Команды для расчета

Передача

рассчитанных

значений

Чтение/Запись

параметров

Рис. 3. Структурно-функциональная схема программного комплекса

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:

1. При измерении инструмента датчиками активного контроля типа Renishaw существует систематическая погрешность, значение которой можно установить эмпирическим путем.

2. В результате проведенных исследований повышается точность измерения инструмента с помощью датчиков контактного типа на оборудовании с ЧПУ на 3 мкм, при этом значение погрешности является постоянной.

3. Созданный на основе разработанной методики программный ком-

плекс позволяет автоматизировать управление точностью обработки изделий, сократить количество бракованных деталей, уменьшить время настройки при запуске новой партии изделий.

Список литературы

1. Аверченков В.И., Филиппова Л.Б. Оценка точности автоматизированной настройки режущего инструмента при обработке на станках с ЧПУ // Материалы 11-й Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий». Ялта, 2011. С. 6-8.

2. Автоматизация подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ: учеб. пособие для вузов в 2-х ч. / В.И. Аверченков [и др.]. Брянск: БГТУ, 2010. Ч. 2. 213 с.

3. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных: пер. с англ. Л.: Судостроение, 1980. 384 с.

Аверченков Владимир Иванович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, aver@tu-brvansk.ru. Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Пугач Леонид Израилевич, канд, техн. наук, доцент, lip58@mail.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Филиппова Людмила Борисовна, аспирант, libv88@mail.ru. Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет

DETERMINATION OF SOFTWARE TOOL COMPENSATION VALUES

IN THE PREPARATION OF AUTOMATED PRODUCTION OF THE USE OF ACTIVE CONTROL SENSOR TOOL

Averchenkov V.I., Pugach L.I., Filippova L.B.

The basic methods of setting tool for modern CNC machine tools and customization features of CNC equipment, the example of vertical milling machining center Quaser MV154EL the sensor active monitoring of the contact type Renishaw TS27R in the organization of production of a new batch of products. Developed a use case diagram of the measurement process. A number of experiments aimed at detecting errors in the measurement instrument and setting up equipment. Established structure-function diagram software package determining the value of the tool offset for machining centers.

Keywords: contact type sensors, measurement error, a tool for milling applications, the svstematic error, the CNC.

Averchenkov Vladimir Ivanovich, of technical science, professor, manager of department, aver@tu-brvansk.ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University

Pugach Leonid Izrailevich, candidate of technical science, docent, lip58@mail.ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University

Filippova Lyudmila Borisovna, post graduate student, libv88@mail.ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University

Получено 18.07.2013 г.