Раздел 2. Проектирование лазерной системы 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].

Исследование 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.

Обзор 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].

В Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ) проводится исследовательская работа по созданию автоматических систем управления процессом резания. Это позволит обосновать концепции создания систем оперативной диагностики как подсистем интеллектуальных станочных модулей. Системы обладают расширенными свойствами адаптации (вплоть до самообучения и самодиагностики), как отдельных элементов (станка, инструмента, процесса резания, устройства управления), так и всей системы.

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