Проектирование системы лазерного контроля инструмента
Введение
Создание материально-технической базы и необходимость непрерывного повышения производительности труда ставит перед машиностроителями весьма ответственные задачи.
Основное требование к современному производству - дать как можно больше продукции лучшего качества и с наименьшей стоимостью - относится прежде всего, к машиностроению, призванному обеспечить технический прогресс всех отраслей народного хозяйства. Выполнение этого требования обеспечивается не только за счет простого количественного роста производства (нового капитального строительства, увеличение рабочей силы, модернизации устаревшего оборудования и создания нового), но и путем лучшего использования имеющейся техники, хорошей организации труда, внедрения передовой технологии, распространения передового опыта и применения прогрессивной оснастки [1].
Интенсификация производства в машиностроении связана с модернизацией средств производства на базе применения новейших достижений науки и техники. Техническое перевооружение, подготовка производства новых видов продукции машиностроения и модернизация средств производства неизбежно включают процессы проектирования средств технологического оснащения и их изготовления.
В настоящее время в области конструирования и эксплуатации приспособлений накоплен большой опыт, как в отечественной, так и в зарубежной машиностроительной промышленности. Созданы типовые конструкции высокопроизводительных приспособлений, обеспечивающие высокую точность и экономичность изготовления деталей.
Некоторые вопросы конструирования приспособлений получили научное обоснование. К ним относятся вопросы принципов базирования и расчета погрешностей изготовления деталей в приспособлениях, создание методики расчета усилий закрепления и обеспечения прочности зажимных устройств. Разработана методика расчета экономической целесообразности выбора того или иного варианта приспособлений.
Раздел 1. Исследование систем контроля режущего инструмента
Технико-экономические результаты работы машиностроительных предприятий в значительной мере зависят от эффективности работы технологического оборудования, надежности всех элементов технологической системы, одним из которых является режущий инструмент. Опыт эксплуатации технологических систем показывает, что режущий инструмент является наименее надежным элементом. Рассеивание стойкости инструмента, непредвиденные отказы приводят к снижению производительности труда, возникновению брака основного производства, повышенному расходу инструмента, являются дестабилизирующим фактором механообрабатывающего процесса [2].
1.1Исследование существующих систем контроля
Режущий инструмент в процессе резания воздействует на обрабатываемый материал и вызывает образование стружки и формирование новой поверхности, однако сам при этом подвергается воздействию со стороны обрабатываемого материала и интенсивно изнашивается. Режущие инструменты работают в чрезвычайно тяжелых условиях действия громадных давлений на поверхностях контакта и высокой температуры, в условиях трения чистых, вновь образованных ювенильных поверхностей. По этим причинам интенсивность изнашивания режущих инструментов в тысячи и десятки тысяч раз превосходит интенсивность изнашивания трущихся деталей машин.
В настоящее время особое внимание уделяется проблеме создания интеллектуально интегрированных станочных систем, обладающих развитыми свойствами самоприспосабливаемости к изменению условий работы и диагностирования своих элементов и системы в целом. При этом особое место по важности и значимости занимает задача оперативного контроля и диагностики инструмента, наиболее слабого звена станочной системы. Управление интенсивностью износа инструмента и его оперативная диагностика имеет существенное значение при оптимизации технологического процесса механообработки деталей современного автоматизированного производства и, особенно, в условиях безлюдной технологии.
При непрерывном резании, каким является, например, процесс точения непосредственное (визуальное с помощью оптических систем) наблюдение контактируемых поверхностей невозможно.
1.2Обзор существующих решений
К эксплуатационным качествам инструментов в процессе использования предъявляются чрезвычайно жесткие требования. Качество режущей кромки является определяющим фактором качества обрабатываемой поверхности. Типичные параметры износа, такие как лунки износа, не могут использоваться для четкого описания механического профиля
Технология µsurf позволяет проводить исследование инструмента непосредственно в производственном процессе, что снижает до минимума время простоя и способствует экономии.
Локальный износ (например, следы кратеров) приводит к нестабильности режущей кромки и делает инструменты непригодными. С помощью системы µsurf крутые края и грубые поверхности могут быть измерены быстро и точно. Также могут быть определены объем кратера и его абсолютная глубина.
Геометрия и свойства поверхности инструментов являются ключом к качеству процессов механической обработки. Микроскоп µsurf быстро и достоверно позволяет определять абсолютный угол реза и закругление режущей кромки. Результаты измерений могут быть представлены в трехмерном виде.
Подобные исследования не возможны при использовании тактильных методов или сканирующей электронной микроскопии (рисунок 1).
У лезвий есть оптимизированная геометрия, такая чтобы достигнуть самых лучших режущих свойств. Поэтому необходимо постоянно регулировать угол обработки и толщину материала в производственном процессе. Стерео-конфокальный микроскоп µsurf способен исследовать обе стороны лезвия в одном измерении и оценивать результаты автоматически, как требуется.
Качество поверхности обрабатываемого изделия может быть определено с помощью конфокального микроскопа µsurf. Трехмерная топография позволяет получать информацию о достигнутом качестве поверхности, а так же о сроке службы используемого при обработке инструмента. Даже очень тонкие структуры могут быть проанализированы с помощью µsurf. Программное обеспечение µsoft позволяет выполнять структурный анализ (рисунок 3), а так же быстро и просто вычислять объем и облегчает измерение экстенсивных геометрических параметров (глубина, угол и т.д.) [3].
Продолжительная исследовательская работа, выполненная на кафедре автоматизированных технологических систем (АТС) УГАТУ по оптимизации процессов резания и создания систем автоматического управления (САУ) станочным модулем (СМ) позволяет разработать систему оперативной диагностики инструмента как подсистему САУ СМ. Исследования показали эффективность контроля текущего износа инструмента по ЭП КИД. Появляется возможность одновременно управлять температурно-силовым режимом процесса резания, управлять процессом изнашивания инструмента, обеспечить стабильность работы инструмента и процесса резания, сформировать алгоритмы оперативной диагностики инструмента, обеспечивающие требуемые быстродействие и точность контролирующей системы, создать математические модели, которые в сочетании с системой текущей идентификации процесса изнашивания инструмента позволят обеспечить высокоточное прогнозирование состояния инструмента и на его базе обеспечить высокую производительность и надежность всей станочной системы при обработке сложных изделий и ответственных деталей таких, как, например, авиационные двигатели [4].
Раздел 2. Проектирование лазерной системы контроля инструмента
.1 Выбор и описание технологических и инструментальных средств проектирования
- класс информационных технологий, направленных на обеспечение безбумажной поддержки жизненного цикла продукта. Концепция CALS возникла в связи с необходимостью повышения эффективности управления и сокращения затрат на информационное взаимодействие в процессах заказа, поставок и эксплуатации продукта. Движущей силой явилась естественная потребность в организации "единого информационного пространства", обеспечивающего оперативный обмен данными между заказчиком, производителями и потребителями. Предметом CALS является безбумажная технология взаимодействия между организациями заказывающими, производящими и эксплуатирующими тот или иной продукт, а также формат представления соответствующих данных. Доказав свою эффективность, CALS-технологии начали активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономики, расширяясь и охватывая все этапы жизненного цикла продукта - от маркетинга до утилизации. Аналогично этим видам деятельности CALS-технологии начали применяться в ходе функционирования предприятия для проектирования, анализа и реинжиниринга бизнес - процессов, связанных с обеспечением качества продукции. Информация и документы, циркулирующие в системе качества, представляются в формате и виде, регламентированном стандартами CALS (стандарты СРПП ВТ, международные стандарты ISO серии 10303 STEP, FIPS 183 (IDEF/0), FIPS 184 (IDEF/1x) и др.) [5].
Преимущества использования CALS-технологий:
представление системы качества в более наглядном виде. Как совокупность процессов, от большого к малому. Разрабатывается функциональная модель качества в соответствии с требованиями IDEF-методологии. Метод IDEF/0 предназначен для функционального моделирования, то есть моделирования функций объекта, путём создания описательной графической модели, показывающей что, как и кем делается в рамках функционирования предприятия. Функциональная модель представляет собой структурированное изображение функций производственной системы или среды, информации и объектов, связывающих эти функции. Модель строится методом декомпозиции: от крупных составных структур к более мелким, простым. На основе разработанной функциональной модели может быть построена информационная модель типа IDEF/1x, содержащая логическую модель базы данных о качестве. Средства моделирования не только обеспечивают проверку целостности и полноты информационной модели, но и позволяют автоматически сгенерировать текст описания структуры базы данных на языке SQL, поддерживаемого большинством современных систем управления базами данных (СУБД). На основе данного описания СУБД автоматически создаёт необходимые файлы, таблицы и индексы;
использование CALS-технологий позволяет иметь базы данных в виде стандарта ISO;
возможность видеть процессы, изложенные в тех или иных стандартах;
взаимосвязь между процессами при внесении изменений, то есть система автоматически, при внесении изменений в один процесс, изменяет другой связанный или зависящий от первого.
Одной из таких систем, является система BPWIN.
2.2 Построение функциональной модели
Нулевой уровень:
Для проведения контроля инструмента (рисунок 4) необходимо подать на вход системы подать информацию о типе контролируемого инструмента (концевая фреза, грибковая фреза, торцевая головка и т.д.). Необходимо задать в системе параметры инструмента, чтобы система могла оптимизировать алгоритм контроля, для этого достаточно ввести диаметр фрезы, ее вылет, длину режущей части и тип торца фрезы.
Для проведения расчетов по результатам измерений, в систему необходимо задать данные о материале инструмента (его твердость, износостойкость и т.д.).
Оператор, работающий на этом оборудовании, должен дать системе команду на смену инструмента и указать номер ячейки в магазине сменного инструмента, тогда станок, на котором установлена эта система, сразу после смены инструмента отправит шпиндель с фрезой в то место, где установлен лазер. После этого система произведет сканирование этого инструмента, обработает полученные данные и на выходе выдаст результат.
Результатом может быть либо один из сигналов ошибки (сигнал о неисправности установки, сигнал об отсутствии инструмента в ячейке магазина, сигнал об ошибке измерения или сигнал о критической непригодности инструмента), либо результат расчетов (коррекция инструмента, рекомендации о режимах его работы и нормативный запас стойкости). После получения положительного результата система выводит инструмент из зоны контроля и перемещает в рабочую область станка. В случае ошибки система просто поднимает инструмент на безопасную высоту и выдает сигнал ошибки на экран.
Для обеспечения работоспособности системы за ней, в режиме реального времени должен наблюдать оператор. Наладчик должен периодически проверять и настраивать систему. В случаях поломки ремонтник должен восстановить ее работоспособность. Инженер-программист должен периодически обновлять программное обеспечение системы, править уже имеющееся и восстанавливать систему после программных сбоев.
Система должна работать с базой данных, которую из-за больших размеров целесообразно установить на отдельном сервере, а система будет связываться с ней по сети. Администрирование этой базы данных также должен заниматься инженер-программист.
Все работы с системой должны проводиться в соответствии с паспортом на установку и паспортом на станок. Для проведения измерений в память системы должны быть загружены стандарт ISO на фрезы и аналогичный СТП (если он есть). Так же в соответствии с СТП должны проводиться все расчеты режимов резания.
Система должна быть аттестована на соответствие метрологическим нормам на проведение измерений и проходить периодический контроль точности измерений.
Контроль инструмента с использование лазерного сканирования происходит за три основных этапа (рисунок 5).
Первый этап выполняется за счет средств самого станка, последующие два выполняются средствами установки.
Вначале происходит извлечение инструмента из заданной ячейки магазина. Для этого оператор дает команду на смену инструмента и указывает номер ячейки, в котором располагается необходимый инструмент. Предварительно наладчик должен установить все необходимые инструменты в магазин и сообщить оператору номера всех ячеек, соответствующих каждому инструменту. Вся информация о запуске этой процедуры содержится в паспорте на тот станок, на котором она выполняется. Эта операция корректируется по средствам драйвера, путем задания в программе дополнительной контрольной точки.
В случае успешного проведения этой операции система перемещает инструмент в зону контроля и дает сигнал о готовности инструмента к контролю. В противном случае выдает один из сигналов об ошибке (сигнал об отсутствии инструмента в ячейке магазина или сигнал о неисправности установки). В случае ошибок система должна остановить дальнейшее выполнение операции, выдать сигнал об ошибке, а оператор должен обратиться к наладчику или ремонтнику, в зависимости от типа полученной ошибки, который будут заниматься восстановлением системы.
После завершения этого этапа начинается лазерное сканирование инструмента. Для выбора необходимого алгоритма сканирования, система должна знать основные параметры измеряемой фрезы (диаметр, вылет, длина режущей части, тип торца). Все возможные алгоритмы описаны в паспорте на установку и прошиты в памяти контроллера данной установки. Измерение должно проходить в соответствии с метрологическими нормами на проведение измерений, дополнительные данные об инструменте берутся из стандарта ISO, база данных которого записана на сервере.
В случае успешного завершения сканирования, инструмент покидает зону контроля и перемещается в рабочую зону станка. В то же время данные об измеренных величинах (измеренные диаметр, вылет и длина режущей части) передаются на следующий этап контроля, в противном случае система выдает один из сигналов ошибки (сигнал о неисправности установки или сигнал об ошибке измерения). В случае ошибки, система так же делает аварийную остановку. лазерный контроль инструмент режущий
В случае выхода из строя системы на одном из этих двух этапов, наладчик должен произвести проверку системы, правильности наладки и соответствие положения инструмента в магазине наладочным данным. В случае механической поломки системы ремонтник должен восстановить ее работоспособность.
И последний этап контроля - обработка результатов измерений. Он проходит параллельно с перемещением инструмента в рабочую зону станка. На этом этапе в соответствии с данными о типе инструмента и его материале, которые берутся из стандарта ISO и СТП (они находятся на сервере, с которым система связывается по внутренней сети), а также данных, полученных с предыдущего этапа, производится обработка полученных данных и вывод результата. Результатами могут быть либо сигнал о критической непригодности инструмента, либо рекомендации о режимах резания, нормативный запас стойкости и коррекция инструмента. В случае неисправности системы на этом этапе, ее восстановлением должен заниматься инженер-программист, так же он должен периодически обновлять программное обеспечение в системе и базу данных на сервере и проводить полное администрирование данной системы на каждом ее уровне.
В свою очередь лазерное сканирование инструмента делится на ввод инструмента в зону контроля, базирование инструмента и само измерение.
Ввод инструмента в зону контроля может осуществляться практически с любой стороны, за счет того, что система сканирования бесконтактная, и соответственно лазер и фотоэлектрический экран находятся на безопасном расстоянии и не мешаю свободному проходу инструмента в зону, где будет осуществлен контроль.
Базирование инструмента начинается при получении двух сигналов: сигнал о готовности системы и сигнал об успешном вводе инструмента в зону контроля. Также для успешного проведения базирования, система должна получить данные о типе инструмента, в которых содержится информация о базовых точках (у каждого инструмента есть базовая точка, перемещение которой рассчитывается при расчете программы, по которой будет производится обработка).
После завершения базирования система должна выдать либо сигнал об ошибке, либо передать на следующий этап координаты базовых точек и сигнал об успешном завершении базирования. По приходу последнего, начинается само измерение фрезы.
Измерение проходит в три этапа (рисунок 7): определение диаметра, вылета и длины режущей части фрезы. Этих величин, как правило, оказывается достаточно, чтобы в полной мере оценить качество инструмента.
Координаты базовой точки после каждого этапа переходят к следующему, но после определения диаметра, к ним еще добавляются координаты крайних точек фрезы.
Для определения вылета и длины режущей части используется информация о типе торца фрезы. Все измерения производятся путем сравнения введенных оператором номинальных значений с соответствующими показаниями, снятыми с инструмента (измеренный диаметр, вылет и длина режущей части). В результате, система либо выдает сигнал об ошибке, либо передает на следующий этап полученные данные, где они подвергаются обработке. Сигнал об ошибке измерения инструмента может быть вызван механическим повреждением инструмента или был выбран тип инструмента не соответствующий данным, введенным оператором.
Обработка результатов измерения (рисунок 8) состоит из двух этапов. На первом этапе, на основании полученных данных измерения и данных о типе инструмента, система отрабатывает коррекцию инструмента, выводит ее значение и передает номер корректора на следующий этап. На следующем этапе система выбирает вспомогательные данные об инструменте из встроенной базы данных (нормативный запас стойкости и рекомендации о режимах работы). На обоих этапах проходит анализ пригодности инструмента к работе. Если полученные в результате измерения значения слишком сильно отличаются от номинальных, система дает сигнал о критической непригодности инструмента. Она может быть вызвана ошибкой наладчика или оператора.
Обработка результатов измерения должна проходить параллельно с перемещением инструмента в рабочую зону станка и составлять несколько секунд.
Общая длительность измерения должна занимать немногим больше минуты.
2.3 Построение структурной схемы
Для более детальной проработки необходимого оборудования и выбора конкретных его типов необходимо построить структурную схему, с обозначением всех его связей и необходимыми элементами. На этом этапе элементы будут изображены в виде «черных ящиков», то есть их внутреннее устройство рассматриваться не будет, а будет рассматриваться только их функциональное назначение.
Устройство ЧПУ подает команду магазину инструмента станка на смену инструмента. Датчик, находящийся в магазине инструмента, дает сигнал системе ЧПУ об успешном или неуспешном выполнении команды. В случае успешного выполнения, инструмент перемещается в зону контроля, где находится лазерная установка.
Система ЧПУ дает команду микроконтроллеру лазерной системы для проведения сканирования. Микроконтроллер дает управляющие команды лазеру и получает ответный сигнал, который преобразуется в самом микроконтроллере и в виде числовых значений передается системе ЧПУ станка.
Система ЧПУ станка производит необходимые расчеты и дает команду на проведение коррекции инструмента, когда последний уже находится в рабочей зоне.
2.4 Выбор оборудования
В связи с тем, что данная система будет модульной, то она сможет работать практически с любой системой ЧПУ, имеющей возможность установки дополнительного оборудования и специальных драйверов.
Связь с базой данных расположенной на внешнем сервере будет происходить по средствам интерфейса RS-232.
В этой системе целесообразно применить микроконтроллер фирмы Simens Sinumerik 840D, который обладает высокой надежностью, достаточной мощностью и хорошей совместимостью с микроконтроллерами и микропроцессорами других марок. Программирование данного микроконтроллера осуществляется на фирменном языке Sinumerik [6].
Используемый лазер должен быть видимого спектра, иметь длину волны от 670 нм и мощностью менее 1мВт (лазеры второго класса). В качестве приемника будет использоваться высокоточный фотоэлектрический экран.
2.5 Описание ввода в эксплуатацию
Важной составляющей, еще до начала непосредственного ввода в эксплуатацию, является монтаж оборудования. Основная проблема ввода в эксплуатацию, возникающая на этапе монтажа - это соответствие смонтированного оборудования проектному решению.
«Холодный» пуск. Вся система автоматизации проектируется с учетом возможностей ручного управления. Для цепей непосредственного управления это переключатели ручного/автоматического управления, для цепей инверторного управления - возможность управления на инверторах в ручном режиме. На этом этапе проверяется соответствие управляющих цепей своим исполнительным устройствам, то есть последовательным подключением управляющих цепей, проверяется наличие ответной реакции на исполнительных устройствах.
Этап предварительной пуско-наладки. После проверки реакции исполнительных устройств на управляющие сигналы проверяется прохождение ответных сигналов от исполнительных устройств в контроллер - это этап предварительной пуско-наладки. По сути, на этом этапе происходит запуск самих контроллеров и проверка прохождения сигналов внутри контроллера. Предварительно необходимо подключить контроллер к компьютеру и внести базу данных точек в память контроллера.
Перевод системы в режим автоматического регулирования - наиболее важный этап всей работы по вводу в эксплуатацию. На этом этапе возникает проблема, связанная как раз с взаимодействием смежников. Уже на уровне автоматики реализуется ряд способов защиты, таких, например, как принудительный останов системы путем размыкания цепей пускателей, остановки инверторов в случаях угрозы замораживания.
Организации, осуществляющие пуско-наладку, обязательно имеют в своем распоряжении необходимый комплект измерительных приборов для всех сопряженных систем, именно для того, чтобы убедиться в отсутствии собственных ошибок и выявить ошибки смежников, универсального прибора, который бы перекрывал все линейки оборудования всех производителей, не существует [7].
Заключение
В результате этой работы была спроектирована система лазерного контроля инструмента. Были определены основные принципы системы, построены функциональные и структурные схемы. Было выбрано оборудование, среда программирования и определены способы связи с внешними устройствами. Так же был описан процесс ввода системы в эксплуатацию и возможные проблемы при этом процессе.
Данная система призвана сократить время на наладочные работы, снизить риск ошибки из-за человеческого фактора и оптимизировать процесс обработки.
Данная система будет иметь хорошие перспективы из-за своей портативности и возможности ее установки на морально устаревшее оборудование, в связи с чем, могут повыситься его эксплуатационные характеристики и оно сможет соответствовать современным требованиям.
Список литературы
1Автоматизация проектно-конструкторских работ и технологической подготовки производства в машиностроении. Т. 1/Под ред. О. И. Семенкова.- Минск: Высшая школа, 2005, 352 с.
3Интернет источник. Нанотехнологии. www.spectraservices.com.
Интернет источник. Уфимский государственный авиационный технический университет. www.twirpx.com.
Интернет источник. CALS-технологии. www.calscenter.com.
Интернет источник. Simens Sinumerik 840D. www.chipmaker.ru.
Интернет источник. Ввод в эксплуатацию измерительных систем. www.adastra.ru.