Инструментами идентификации являются контрольно-измерительные, диагностические и испытательные средства входо-выходного и операционного контроля техпроцессов. В связи с высокой технологичностью и прецизионностью производимых изделий качественный уровень возможно определить только путем применения специализированных средств измерения и диагностики состояния объектов через автоматизацию и комплексирование средств контроля, базирующихся на математическом обеспечении, технических решениях «high technology»-уровня и экспертных знаниях.
Контрольно-диагностические функции включены в этапы тестирующего передела машиностроения и являются ключевыми при принятии инженерно-технических и управленческих решений в системе менеджмента качества выпускаемой продукции и технологическом контроллинге средств оснащения предприятий [1]. Опыт эксплуатации технологических систем, созданных на основе автоматизированных станков, показывает, что надежность их зачастую недостаточна. Простои из-за отказов функциональных блоков и поиск повреждений снижают эффективность производственных процессов. Повышение надежности возможно за счет технической диагностики. Это определяет связанность контрольно-диагностических процедур объектов и средств производства, а также сквозной характер менеджмента качества в производственных процессах (рис. 1). Отметим приоритет заготовительного передела в жизненном цикле выпускаемой продукции, поскольку результирующий уровень погрешностей конечного изделия формируется на самых ранних стадиях техпроцесса. Технологическое ранжирование переделов позволяет экономически целесообразно выстроить структуру средств оснащения машиностроительных предприятий, включающих, кроме заготовительного, также обрабатывающее, сборочное и тестирующе-испытательное технологическое оборудование, что важно при реновации.
Рис. 1. Приоритетность взаимосвязей средств оснащения производственных переделов машиностроения при выборе эффективных решений при реновации и реинжиниринге.
В производственных процессах различают средства входного, пооперационного и выходного контроля, а также станочные и выносные средства измерения и диагностики. В этой связи можно привести следующую иерархию «входо-выходных» контрольно-измерительных средств оценки качества объектов и средств производства в технологических процессах:
1-для объектов производства (машиностроительных деталей):
1.1 - средства оценки макрогеометрических параметров изделий (точности размеров, формы и взаимного расположения поверхностей);
1.2 - средства оценки микрогеометрии обработанных поверхностей (шероховатости);
1.3 - средства оценки структурных состояний поверхностных слоев обработанного материала (глубина дефектного слоя, микротвердость);
1.4-средства оценки качества внутриструктурных состояний материала (однородности состава и физико-механических свойств).
2-для средств производства (технологического оборудования):
2.1 — инструментальные средства безразборной диагностики работоспособного состояния технических средств (машин и механизмов);
2.2 — инструментальные средства неразрушающего контроля свойств материалов и неразъемных стыков изделий и конструкций;
2.3 — инструментальные средства оценки технического уровня оборудования (точности, устойчивости, повторяемости и воспроизводимости алгоритмов и циклов);
2.4 — средства функциональной диагностики работоспособности узлов, подсистем и оперативного мониторинга хода техпроцесса/операций.
3-для заготовок (исходных полуфабрикатов):
3.1 — средства «входного» параметрического контроля заготовок.
3.2 — средства оптимального распределения припуска.
4-для инструмента и процесса резания (оснастки)
4.1 — средства оценки износа или поломок инструмента;
4.2 — средства контроля процесса резания.
На выбор средств контроля и измерения машиностроительных деталей при их формообразовании влияют два фактора:
1. Требования качества обработки (точности, шероховатости) детали и ее конструктивный вид.
2. Вид и конструкция заготовки, ее параметрическое «входное» состояние по наследуемым погрешностям, припуску и состояние поверхностных слоев (наличие окалины, облоя и иных заготовительных дефектов). Последнее, в свою очередь, определяет уровень возмущающего фона в зоне измерения и степень достоверности получаемой при контроле информации. В связи с расширением применяемости технологического оборудования с высокоэнергетичными инструментами (лазерными, плазменными, электроэррозионными) возросла степень влияния тепловых возмущений в балансе воздействий на станочную систему. Лезвийная обработка значительно повышает роль силовых и динамических факторов, а абразивная — требует комплексного учета возмущающего фона и входного состояния заготовки для равномерного распределения малых припусков.
Рамки статьи ограничим операционными этапами техпроцесса, когда на станкоместах формируются полуфабрикаты (деталесборочные единицы), в дальнейшем поступающие на сборочный этап формирования конечного машинотехнического изделия. При этом используются как станочные (встроенные) средства контроля, так и выносные, осуществляющие измерение на специализированных местах. Станочные измерительные средства контроля качества деталей уступают выносным по степени информационной достоверности и уровню прецизионности измерений. Это обусловлено нестабильностью уровня возмущений в рабочей зоне станка и нестационарностью их воздействий, как на объекты контроля, так и на технические средства измерения.
Cut-технологии металлообработки вынуждают корректно вписывать параметры конечной детали в габариты заготовки с учетом достаточности припуска для недопущения брака [2]. Важнейшей «входной» контрольно-диагностической задачей при обработке деталей на автоматизированных станках является правильная первоначальная установка заготовки для равномерного распределения припуска. Технологически наследуемые погрешности заготовки ограничивают возможности компенсации величины припуска в случае неверно выбранной исходной точки, от которой начинается съем материала. Это порождает брак в виде черновин на поверхностях обработанной детали, срезание завышенного слоя материала с заготовки, предварительно химико-термически обработанного или упрочненного. И чем топологически сложнее форма детали и меньше припуск, тем труднее реализуется задача оптимального распределения припуска по заготовке в автоматическом режиме. Для этого формируются специальные средства поддержки принятия решений в системе управления станка, а сам станок оснащается контрольно-измерительными станочными средствами [3]. Такие решения являются наукоемкими, так как вынуждают разработчиков станков и средств измерения решать технологические задачи, значительной неопределенности. Вышесказанное предполагает при выборе средств хорошее знание машиностроительных технологий и связанности всех средств оснащения по переделам. Технологическая среда тестирующего передела интегрирует весь производственный цикл, формирует сквозные данные для управления производством, и потому является критической с позиций эффективности производства и качества выпускаемой продукции.
Системно и инструментально задача управления качеством решена в концепции Productive Process Pyramid компании Renishaw, представляющая собой базовую схему для выявления и контроля отклонений параметров обработки на производстве (рис. 2). Виды контроля у основания схемы-пирамиды направлены на обеспечение максимальной стабильности параметров среды, в которой осуществляется технологический процесс. Профилактический мониторинг позволяет устранить причины колебаний параметров, влияющих на процесс обработки. Так, например, строгая процедура оценки эксплуатационных характеристик станка, калибровка и, если необходимо, восстановление станка позволяют привести его параметры в соответствие с требованиями к технологическому процессу [1,6]. Этап прогнозирущего контроля предполагает входной контроль заготовок и распределение припуска, данных инструмента, станка и позволяет прогнозировать успешное выполнение технологического процесса в соответствие с заданными требованиями [3]. Полная интеграция средств с пакетом GibbsCAM позволяет создавать задачи по контролю процесса обработки одновременно с программированием задач формообразования на станке. Компания Renishaw внедрила ряд инновационных технологий в контрольно-измерительных системах для автоматизированных станков:
1.RENGAGE обеспечивает очень высокую точность и повторяемость измерений по 3-м координатам и используется с тензодатчиками OMP400, RMP600 и MP250.
2.MicroHole и PassiveSeal используются в бесконтактной системе NC4, обеспечивая хорошую защиту средств измерения в жестких условиях работы станка и гарантируют категорию защиты по классу IPX8.
3.Toolwise применяется в новой бесконтактной системе TRS2 для обнаружения неисправного инструмента, позволяя проводить различие между инструментом, Сож или стружкой.
4.Технология FHSS обеспечвает радиопередачу сигнала по методу частотных скачков без использования выделенного радиоканал [5].
Рис. 2. Пирамида эффективного производства «по-Ренишоу».
Закономерное возрастание сложности технологических систем связано с необходимостью достижения уровня «high technology» в целях ресурсо-, энергосбережения и обеспечения требуемого качества. Эта тенденция комплексирования функций в обрабатывающей системе реализуется:
— увеличением числа выполняемых функций на одном рабочем месте (многоцелевые, многоосевые и комбинированные станки) [2];
— усложнением состава и структуры операций и иных компонентов технологии и средств оснащения;
— увеличением энергоемкости металлообработки (лазерная, электрофизическая, плазменная обработка);
— увеличением числа функциональных модулей в системе управления производственным процессом, что предполагает интеграцию средств IT-управления и гибкую комплексную автоматизацию [4].
Станочная система, входящая в состав обрабатывающей технологической системы, является сложносоставной, объединяющей в единой конструкции технологическую, энергетическую и информационно-управляющую, контрольно-диагностическую и адаптивную функции. Для анализа статических и динамических характеристик систем точных перемещений компанией Renishaw разработана лазерная интерферометрическая измерительная система с компенсацией параметров окружающей среды и исключительно высокими характеристиками. Точность линейных измерений до ±0,5 ppm от диапазона измерений, считыванием показаний на частотах до 50 кГц, максимальная скорость линейных измерений до 4 м/с и с линейным разрешением до 1 нм. Такие технические возможности особенно актуальны для многоосевых станков при сложнопрофильном формообразовании и прецизионных станков (рис. 3) [5].
а) б)
Рис. 3. Система взаимодействия средств измерения, диагностики и контроля на станках с ЧПУ: а — проводная; б — беспроводная.
Для многокоординатных станков ранее отсутствовала удобная и надежная процедура, позволяющая выполнять оценку характеристик поворотных осей, а также выявлять проблемы, связанные с неверной наладкой станка, столкновениями узлов или их износом. Система AxiSet Check-Up (Renishaw) позволяет выполнять быструю проверку технического состояния многокоординатных станков:
• измерение и выдача отчетов с результатами оценки рабочих характеристик;
• возможность выявления погрешностей центров вращения поворотных осей, являющихся критическими при 5-координатной интерполяции, и выдача соответствующих отчетов, в т. ч. при критических углах ориентации;
• функции учета допусков позволяют надежно определить, могут ли быть обработаны критические элементы деталей;
• функции сравнения и истории станка позволяют вести постоянное слежение за его характеристиками, что дает возможность получать информацию о существующих закономерностях в техническом состоянии станка и планировать соответствующим образом его техобслуживание;
• графическое представление отчетов в сочетании с проверкой допусков позволяют быстро выявлять изменения характеристик, связанные со столкновениями узлов и ошибками наладки, и на этой основе управлять качеством производимой продукции.
Рис. 4. Современные возможности контрольно-измерительных средств на разных стадиях техпроцессов металлообработки [5].
На рис. 4 показаны типовые контрольно-диагностические операции на станках с ЧПУ, реализуемые на основе современных решений в области измерений [5]. В комплексном применении это дает следующие преимущества:
• уменьшение времени простоя станка;
• автоматизацию крепления заготовки, ее выравнивания по отношению к осям станка путем корректировки углового положения поворотной оси;
• отсутствие ошибок, связанных с неточными действиями оператора-наладчика;
• снижение доли брака;
• снижение издержек на ремонт и сервис оборудования;
• повышение производительности и эффективности производства по отношению к объему серии обрабатываемых деталей.
Отчественные решения в области диагностического контроля работоспособности оборудования с ЧПУ позволяют формировать объективную информационную основу для управления качеством продукции предприятий РКТ на основе разработанной методологии технического контроллинга средств оснащения, связанной с технологическим аудитом предприятия [1] (рис. 5).
Рис. 5. Система дистанционного мониторинга технического состояния оборудования предприятия и оценки его соответствия требованиям менеджмента качества [6].
Отметим наукоемкость задачи диагностики многокоординатного оборудования и станков с ЧПУ, когда современная инструментальная аппаратура является важным и необходимым условием, но явно недостаточным для реализации производственных задач. Математическое моделирование и интерпретация результатов замеров является пока эксклюзивной процедурой, неотъемлемой от интеллектуальной компоненты, что доказано отечественной практикой [6].
Именно прецизионность является решающим фактором, ограничивающим возможность применимости станочных средств контроля при оценке уровня качества обработанных деталей, поэтому внешний (выносной) контроль является обязательным в высокоточном машиностроении. Покажем актуальность входного комплексного контроля
заготовок с автоматическим распределением припуска заготовки на примере операции зубошлифования — финиширующей техпроцесс изготовления высокоточных зубчатых изделий.
Прецизионная зубообработка до недавнего времени являлась «вершиной» станкостроения по техническому уровню достижимого качества и конструктивной сложности изготавливаемых изделий (зубчатые колеса, червяки, ходовые винты). В нынешнем столетии с ней конкурируют многокоординатные и комбинированные технологии металлообработки, с помощью которых изготавливаются детали с периодическими и криволинейными профилями (импеллеры, пресс-формы). Качественный контроль процесса обработки столь сложных деталей возможен станочными средствами измерения при условии невысоких требований к точности.
В российской компании «Самоточка», выпускающей прецизионные зубошлифовальные станки нового поколения, на основе современных подходов в измерениях и диагностике были решены задачи автоматизированной поддержки принятия решений при производстве изделий 3 …5-й степени точности по DIN 1328 [3]. Рациональное распределение и разбиение припуска по проходам (для минимизации времени на операцию), а также назначение координаты первой подачи при наладке станка, установке заготовке и равномерного распределения припуска (для исключения брака) является залогом оптимизации цикла шлифования зубчатого изделия. Автоматическая идентификация требуемых параметров наладки решается с помощью специализированного программного комплекса в системе ЧПУ станка мод. СК1000 (ООО «Самоточка», Россия). На станок априори поступает заготовка с нестабильным значением припуска по зубьям в круговом цикле обработки. Для автоматизации процедуры идентификации параметров припуска используют контактный датчик и систему автоматического распределения припуска (рис. 6).
Рис. 6. Инструментальная система автоматического контроля и распределения припуска при профильном зубошлифовании на станке мод. СК1000.
Момент контакта круга с заготовкой фиксирует акустический датчик фирмы MARPOS. Датчик устанавливается в отверстии инструментального шпинделя совместно с балансировочным устройством. Полный частотный диапазон датчика составляет 70–350kHz. После превышения порога шума время срабатывания составляет 0.001 с. Диапазон установки порогового значения составляет 0…99.9dB с разрешением 0.1dB. Это позволяет контролировать процесс врезания круга в заготовку, фиксируя в СЧПУ координату станка в момент срабатывания датчика. После измерения заготовки в СЧПУ автоматически формируется алгоритм действий оператора, позволяющий правильно установить и закрепить заготовку, задать автоматический цикл обработки на основе разработанной методики распределения припуска (рис. 7, 8).
Рис. 7. Программно-измерительная идентификация разброса значений припуска по зубьям в круговом цикле относительно профильного круга в СЧПУ.
Рис. 8. Визуализация разноприпускности по зубьям и оптимизация распределения припуска в СЧПУ для поддержки наладочных действий оператора.
Кроме этого, реализован оперативный съем данных измерения с обработанной заготовки с помощью контактных датчиков Renishaw, установленных непосредственно на станке, на основе интегрированной измерительной
системы (рис. 9).
Рис. 9. Цифровая диагностическо-измерительная система, реализованная на зубошлифовальном станке мод. СК1000.
Эффективность внедренной методики может подтвердить заводская статистика предприятия «ЛЛМЗ» по браку изготовления зубчатых колес в железнодорожном машиностроении. При использовании контрольно-диагностической системы при шлифовании колес на станке мод. СК1000 брака не наблюдалось, хотя статистически на 100 колес приходится до 15 с припуском меньшим проектно-технологического, что, как правило, при обработке на обычных станках дает брак не менее 5%.
Протокол выносного контроля конечного изделия позволяет подтвердить эффективность использования автоматизированной диагностическо-измерительной системы на гамме мехатронных станков мод. СК800…1250 (ООО «Самоточка», Россия») (табл. 1).
Таблица 1 Протокол контроля зубчатого венца ЭП1 mn=10 мм, z=85, ?=24°37’12”, B=60 мм после операции зубошлифования на станке мод. CK1000
Шаг зацепления замерялся накладным шагомером БВ 5070
Накопленная погрешность шага рассчитывалась из показаний шага зацепления
Общая нормаль замерялась нормалемером ГОСТ 7760-59.300-Б
Замеры производились при t=24°C
Замер профиля и направления зуба производился на 4-х впадинах расположенных под углом 900 на универсальном эвольвентомере Klingelnberg PFSU1200.
Наименование параметра
Допуск по чертежу, мм
(7-6-6-В по ГОСТ 1643-81)
Фактическое значение, ммФактическая степень точности по ГОСТ1643-81*Длина общей нормали W
386.898 -0.220
-0.440
386.898-0.440
(выполнено по фактическому требованию)Допуск на колебание длины общей нормали FVW 0,1000,0053Погрешность направления зуба F? 0,0120,074Погрешность профиля зуба ff 0,0200,0084Отклонения шага зацепления fpb +-0,017-0,003...+0,0054Накопленная погрешность шага Fp0,1400,0334
* наивысшая степень точности для данного изделия предусмотренная ГОСТ1643-81 – 3-я (FVW=18мкм, F?=6мкм, ff=6,5мкм, fpb =± 4,2мкм, Fp =25 мкм)
Выводы:
1. Структура технических средств производственных переделов является зависимой от технологии производства конечной продукции, при этом контрольно-измерительные, испытательные и диагностические средства оснащения тестирующих этапов являются сквозными и интегрирующими в производственном цикле,
системе менеджмента качества.
2. Существует прямая технологически обусловленная связь между качеством выпускаемой продукции, параметрами исходных заготовок, техническим состоянием оборудования и возможностями средств их контроля и измерения. Инструментальная диагностика технического состояния оборудования с ЧПУ является неотъемлемой частью технологического контроллинга предприятий и позволяет эффективно и прозрачно решать ресурсоемкие задачи управления качеством, реновации станкопарка и организовывать восстановление станков по фактическому состоянию.
3. На выбор контрольно-измерительных и диагностических средств оценки состояния объектов производства оказывают решающее влияние заданные требования к качеству изготавливаемых изделий и уровень тепловых и силовых возмущений в зоне измерения. Это ограничивает возможности станочной контрольно-измерительной оснастки по достоверности снимаемой информации и прецизионности, что влияет на выбор технических средств.
4. Комплексирование функций в станочных системах на основе измерительно-информационных и диагностических средств контроля состояний компонентов технологической системы (заготовки, станка, инструмента, оснастки) позволяет достигать высокой степени автоматизации многоцелевого станочного оборудования и обеспечивать требуемый уровень его надежности, производительности и выходного качества продукции, исключает брак.
5. Расширение возможностей технологического оборудования путем системной автоматизации контрольно-диагностических функций дает перспективу инновационного развития производства и переход на технологии нового поколения, повышая конкурентоспособность предприятий.
В. М. Макаров
д. т.н., профессор кафедры «Станки»
МГТУ «Станкин»
директор Департамента технического
аудита компании «С. А. Партнерство» v.makarov@sapart.ru
Ю. И. Савинов
к. т.н., директор центра отраслевой диагностики
технологического оборудования
ФГУП «НПО»Техномаш»
savinov@tmnpo.ru
Литература:
- Макаров В. М., Савинов Ю. И. Технологический контроллинг — ключевой фактор модернизации производств. — Ритм, № 4 (82), 2013 с. 30–34.
- Многокоординатная и многоповерхностная металлообработка: сближение альтернатив. — Ритм, № 8 (56), 2010 г. с. 32–35.
- Макаров В. М. Обеспечение точности профильного шлифования винтовых зубьев крупномодульных цилиндрических колес на основе имитационного моделирования. Дисс… д. т.н., — Саратов, 2010. — 509 с.
- Комплексированные обрабатывающие системы. — Ритм № 8, 2011 с. 20–23.
- Контактные измерительные системы для станков с ЧПУ. Каталог компании Renishaw.
- Савинов Ю. И. Обслуживание станков по фактическому состоянию. — Ритм, № 4 (62), 2011 стр. 130–133.
<"