Система активного контроля

СИСТЕМЫ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ

Алмазное хонингование (энциклопедический словарь: англ. honing - от hone - точить) - это широко распространенный финишный процесс современного машиностроения, заключающийся в размерной обработке, выполняемой с помощью хонинговальных головок различных конструкций, которым сообщается вращательное и возвратно-поступательное движения при одновременной радиальной подаче алмазных брусков.

Вследствие совмещения вращательного и возвратно-поступательного движений брусков в результате хонингования на обработанной поверхности создается характерная сетка следов алмазных зерен и эффективно исправляются исходные отклонения обрабатываемых отверстий от цилиндричности, такие как конусность, овальность, корсетность, бочкообразность и др.

Высокая размерная стойкость алмазных брусков, значительное снижение температур и сил резания позволяет автоматизировать процесс хонингования, применять активный контроль, повысить точность и производительность обработки, увеличить долговечность деталей машин и приборов. Для автоматизации цикла хонингования применяют устройства активного контроля, разработанных на основе контактных и бесконтактных методов измерения.

Наиболее совершенным является бесконтактный метод, который позволяет исключить погрешности измерения, вызванные износом контактных поверхностей щупов, вибрацией, силовыми и температурными деформациями. При бесконтактном пневматическом методе измерение в процессе хонингования производится встроенными в хонинговальную головку измерительными соплами, к которым подается сжатый воздух под высоким давлением.

Для алмазного хонингования шлицевых отверстий зубчатых колес разработана система активного контроля с автоматической коррекцией уровня настройки по образцовой детали, основанная на косвенном методе контроля [Ч30]. Измерителем в этой системе является непосредственно хонинговальная головка, а размер обрабатываемого отверстия оценивается по перемещению конуса разжима хонинговальных брусков или кинетически связанных с ним элементов конструкции относительно корпуса хонинговальной головки. Для компенсации величины износа брусков, силовых и тепловых деформаций элементов измерительного тракта предусмотрен механизм поднастройкн системы на позиции обработки с использованием образцового кольца.

Основным элементом системы косвенного активного контроля с устройством поднастройки (рис. 11) является хонинговальная головка 4, в корпусе которой расположена цанга 3. Торец цанги служит как бы измерительной площадкой в этой конструкции. Цангу изготовляют так, чтобы ее упругие элементы, воздействуя на корпус хонинговальной головки с определенным радиальным усилием, обеспечивали фиксированное положение цанги в процессе хонингования. Кроме того, система имеет упоры 2 и измерительный чувствительный элемент 1 (в данном случае пневматическое сопло), которые жестко связаны со штоком 5 (конусом) разжима хонинговальных брусков 6. Торец измерительного сопла 1 занижен относительно торцов упоров на 0,05-0,1 мм для исключения его контакта с измерительной площадкой при поднастройке. В качестве измерительного элемента используется пневмоэлектроконтактный преобразователь. Измерительная площадка устанавливается в рабочее положение в процессе поднастройки, когда упоры штока разжима (расширения) брусков опускаются, перемещая бруски до контакта с образцовым кольцом 7, и продавливают цангу.

Рис. 11. Самонастраивающееся устройство косвенного контроля для алмазного хонингования шлицевых отверстий зубчатых колес

Так как зазор между соплом и измерительной площадкой в момент выдачи команды исполнительным органом станка должен находиться в пределах прямолинейного участка кривой расходной характеристики пневмоэлектрического преобразователя, то диаметр образцового кольца должен быть несколько больше диаметра обрабатываемого отверстия детали 8.

Обрабатываемую деталь закрепляют в приспособлении на столе станка. Над деталью устанавливают образцовое кольцо. При обработке хонинговальные бруски вводят в отверстие обрабатываемой детали. В то время как хонинговальная головка совершает возвратно-поступательное движение в сочетании с вращением, они с помощью гидроцилиндра поджаты с постоянным давлением к обрабатываемой поверхности. По мере съема припуска шток разжима перемещается относительно корпуса хонинговальной головки, соответственно перемещаются упоры и измеритель. Измерительная площадка при этом зафиксирована относительно корпуса хонинговальной головки. При достижении заданного размера замыкаются электрические контакты преобразователя, и выдается команда исполнительным органам станка на прекращение обработки или изменение режима резания.

Для поднастройки хонинговальная головка после прекращения обработки выводится из обрабатываемого отверстия и останавливается в образцовом кольце, и бруски разжимаются. При поднастройке, осуществляемой после каждого цикла обработки, измерительная площадка смещается упорами относительно корпуса хонинговальной головки во время разжима бруска в образцовом кольце на величину коррекции уровня настройки, зависящую в каждом цикле от износа брусков, силовых и тепловых деформаций системы СПИД и измерителя. Время на поднастройку совмещено со сменой деталей на позиции обработки и не превышает 3 - 5 с.

Для функционирования данной системы контроля не требуется специальной конструкции хонинговальной головки, ее можно использовать при обработке малых диаметров, прерывистых и гладких поверхностей, она позволяет контролировать съем любого припуска.

На использовании косвенного метода контроля по перемещению разжимного конуса хонинговальной головки основана также двухступенчатая система активного контроля фирмы «Нагель» [30]. Схема системы показана на рис. 12, а. Со штоком 14 разжимного конуса 15 хонинговальной головки 13 жестко связана планка 10, которая выходит через паз корпуса хонинговальной головки. Планка соединена с кольцом 11, которое перемещается по корпусу хонинговальной головки вместе со штоком. Кольцо установлено на корпусе хонинговальной головки на шарах 8, 9 и удерживается от вращения шпонкой 5.

Рис. 12. Двухступенчатая система косвенного контроля фирмы «Нагель»:

а) конструктивная схема; б) схема подналадки

Под кольцом 11 расположено измерительное сопло 3 пневматической системы. Сопло 3 установлено на стакане 2, который может перемещаться вверх или вниз с помощью одного или двух гидроцилиндров (на рисунке 12 не показаны) и передачи зубчатое колесо-рейка 4. Один гидроцилиндр используется для опускания стакана с соплом при износе хонинговальных брусков, второй - для подъема стакана. Сопло соединено с пневматическим отсчетно-командным прибором (контроллером) 6, который выдает команду на прекращение обработки, когда зазор между соплом и торцом кольца достигает установленного значения.

Измерительная система снабжена пневматическим прибором 7 с пневмопробкой 12, установленным на специальной измерительной позиции и служащим для контроля каждой детали 1 после обработки. Если диаметр обработанных отверстий уменьшается в результате износа хонинговальных брусков, прибор 7 подает команду на опускание измерительного сопла.

Система работает следующим образом. Цикл начинается опусканием штока разжимного конуса вместе с планкой и кольцом. Хонинговальная головка начинает вращаться и производить обработку отверстия. По мере съема припуска шток опускается до тех пор, пока размер отверстий не достигает установленного значения. При этом торец кольца приблизится к соплу на заданное расстояние и отсчетно-командное устройство выдаст команду на прекращение обработки. При обработке партии деталей бруски постепенно изнашиваются, диаметр обрабатываемых отверстий уменьшается и приближается к границе поля допуска (рис. 12, б). Контрольный прибор, измеряющий обработанные детали, подает команду гидроцилиндру на подналадку. Гидроцилиндр и храповой механизм через зубчатое колесо-рейку четырьмя последовательными ходами опускают сопло на величину, соответствующую износу брусков, и обработка продолжается до следующей подналадки. По данным фирмы «Нагель» при алмазном хонинговании отверстий обеспечивается высокая точность обработки, достигающая 0,002 - 0,003 мм, а подналадка производится после шести-восьми обработанных деталей и.

Двухступенчатые системы с использованием подвижных упоров применяют, как правило, в тех случаях, когда конструктивно не представляется возможность производить контроль в процессе обработки (например, бесцентровое шлифование на проход) или при отсутствии такой необходимости по условиям технологического процесса. Подвижные упоры (жесткие или чувствительные) могут сочетаться в системе с контрольно-подналадочным устройством или другим контрольным элементом.

Основное преимущество такого метода регулирования заключается в том, что подналадочный импульс сообщается не массивной бабке (столу, каретке), а легкому подвижному упору, чувствительность перемещения которого значительно выше чувствительности механизма подачи исполнительных органов станка. Двухступенчатые системы, основанные на применении подвижных упоров, можно использовать при любых технологических операциях, осуществляемых методом врезания или на проход (шлифование, точение и т. д.).

При хонинговании посадочного отверстия тонкостенных деталей типа гильз цилиндров двигателей доля температурных погрешностей деталей в общей погрешности обработки составляет примерно 60%. Для компенсации температурных погрешностей этих деталей при их обработке на хонинговальных станках разработана самонастраивающаяся система активного контроля с двумя контурами обратных связей - по обрабатываемому размеру и по температурной деформации детали [30]. Система имеет два измерительных устройства: одно контролирует диаметр обрабатываемого отверстия, другое - диаметр необрабатываемой наружной поверхности детали. Информация от этих устройств поступает в суммирующий преобразователь, который выдает команду для управления процессом хонингования отверстия детали.

Устройство, измеряющее температурную деформацию наружной необрабатываемой поверхности детали, вводит в суммирующий преобразователь такую информацию, которая задерживает подачу команды о прекращении процесса хонингования.

Принципиальная схема данной системы показана на рис. 13. Контролируемая деталь 16 в момент обработки находится в зажимном приспособлении 13 с эластичным элементом (диафрагмой) 15, наполняемым сжатым воздухом из сети. Диафрагма представляет собой фасонную втулку с толщиной стенки рабочей части 5 мм и отбортованными концами. Ее изготовляют из маслостойкой резины с помощью специальной пресс-формы. Буртики диафрагмы зажимают фланцами сверху и снизу.

В геометрическую полость между корпусом 6 приспособления и стенками диафрагмы через штуцер 14 подается сжатый воздух. При этом резина плотно и равномерно охватывает большую часть обрабатываемой детали, оставляя последней возможность самоустанавливаться в небольших пределах по хонинговальной головке 8. Хонинговальная головка подвешена на шарнире 18 и может самоустанавливаться по детали. Не создавая больших удельных давлений, зажимное приспособление не вызывает местных деформаций обрабатываемой детали и обеспечивает наиболее совершенную форму отверстия при хонинговании тонкостенных деталей типа гильз. В приспособление встроено плавающее термокомпенсационное устройство 12, контролирующее с помощью подвешенных на плоских пружинах контактных наконечников 9 температурную деформацию необрабатываемой наружной поверхности детали по измерительному зазору между соплом 10 и пяткой 11.

Рис. 13. Принципиальная схема самонастраивающейся системы активного контроля с компенсацией температурных деформаций детали в процессе хонингования

Измерительное сопло соединено через свою независимую измерительную ветвь с двумя упругими чувствительными элементами 3 и 22 преобразователя 1. Чувствительный элемент 2 преобразователя через свою независимую измеритёльную ветвь соединен с эжектором 23 и встроенными в хонинговальную головку измерительными соплами 7, которые контролируют диаметр отверстия обрабатываемой детали в процессе хонингования. В чувствительном элементе 25 преобразователя поддерживается постоянное противодавление, установленное по эталонной детали при настройке пневматической системы устройства.

Принцип работы системы активного контроля заключается в следующем. Сжатый воздух из сети, пройдя подготовительную станцию 26, раздваивается от электроуправляемого клапана 20 на две ветви: одна ветвь воздуха поступает в эжектор через сопло А, другая из камеры В - в пневматический преобразователь. В эжекторе воздух под рабочим давлением 0,2 МПа через сопло Б поступает через воздухопровод 19 и воздухоколлектор 17 в измерительные сопла. При работе хона воздух, поступивший в сопла, выходит в измерительный зазор между хоном и стенкой детали, вследствие чего в чувствительном элементе преобразователя устанавливается определенное измерительное давление, соответствующее определенному отклонению размера отверстия детали в процессе хонингования.

Любое изменение этого давления фиксируется в чувствительном элементе 2 электроконтактного пневматического преобразователя. Скорость истечения воздуха из сопл 7 зависит от измерительных зазоров между хоном и стенкой детали. Чем больше этот зазор, тем больше истечение воздуха через сопла, и, наоборот, чем меньше этот зазор, тем истечение воздуха меньше. В том случае, когда измерительный зазор не изменяется, скорость истечения воздуха через сопла А и Б в камере В эжектора постоянна и в чувствительном элементе устанавливается определенное давление. Однако такое явление возникает только в случае, если деталь не обрабатывается и измерительный зазор постоянен.

В процессе обработки детали измерительный зазор между хоном и стенкой детали изменяется в сторону увеличения. Расход воздуха через сопла 7 в этом случае увеличится и скорость прохождения из сопла А в сопло Б в камере В эжектора возрастет. Увеличение скорости потока воздуха через сопло Б в камере В повлечет за собой дополнительное изменение давления в чувствительном элементе, т. е. произойдет некоторое разрежение (эжекция) воздуха. Изменение давления передается на суммирующий рычаг 4 и стрелочный механизм 5 преобразователя. Чем больше скорость истечения воздуха через сопло Б, тем больше разрежение в камере В эжектора и чувствительном элементе 2, и стрелочный механизм отклоняется на большую величину. Таким образом, размещение вне зоны обработки и наличие встроенного непосредственно в преобразователь эжектора позволяют увеличить измерительный зазор между соплами 7 и стенкой детали до 0,5 мм и более с сохранением прямолинейного участка пневматической характеристики. Введение в схему выносного эжектора позволяет также улавливать даже небольшие изменения давления при достаточно больших измерительных зазорах, что повышает чувствительность всей пневматической системы устройства.

В процессе хонингования тонкостенных гильз цилиндров измерительный зазор между соплами и стенкой детали увеличивается по двум причинам: вследствие обработки хонинговальной головкой внутренней поверхности детали и температурных деформаций детали при ее обработке.

Передаточное отношение термокомпенсационнот устройства выбрано с таким расчетом, что изменения диаметра наружной поверхности детали приведены к изменениям диаметра внутреннего отверстия, для которого предназначена система термокомпенсации.

Принцип действия термокомпенсационного устройства заключается в следующем. При установке детали и включении системы в процессе обработки в зависимости от начального размера наружного диаметра детали в чувствительных элементах 3 и 22 преобразователя устанавливается некоторое давление, соответствующее действительному наружному диаметру детали. При этом суммирующий рычаг преобразователя находится в среднем положении, так как давление изменяется одинаково в чувствительном элементе 3 и в чувствительном элементе 22. Затем это установленное давление в чувствительном элементе 22 автоматически перекрывается электроуправляющим клапаном и, таким образом, запоминается на протяжении всего цикла обработки детали. В течение всего процесса хонингования в чувствительном элементе 22 сохраняется давление, соответствующее размеру наружного диаметра детали до обработки внутреннего отверстия.

Чувствительный элемент имеет небольшой внутренний объем (около 30 см3), который немного изменяется при взаимодействии с суммирующим рычагом других чувствительных элементов преобразователя. Для того чтобы погрешность от этих изменений не превышала 1% допуска на обработку отверстия 0,02 мм, между электроуправляемым клапаном 20 и чувствительным элементом 22 включают дополнительную емкость 21 (объем 300 см3), увеличивающую время, за которое в чувствительном элементе 22 устанавливается давление. Для обеспечения задержки включения цикла обработки на требуемое время в электрическую схему станка включается реле времени. При этом суммирующий рычаг остается по-прежнему в среднем (нулевом) положении. В чувствительном элементе 25 преобразователя 1 всегда поддерживается постоянное противодавление, установленное при настройке системы по эталону. В процессе обработки по мере снятия припуска зазор между измерительными соплами 7 (основного управляющего прибора с эжектором 23) и внутренней поверхностью обрабатываемого отверстия увеличивается и эжектируемое (разреженное) давление сжатого воздуха в чувствительном элементе 2 уменьшается. В связи с этим суммирующий рычаг переместится (так как противодавление в чувствительном элементе постоянное) и займет положение по внутреннему диаметру обрабатываемого отверстия с учетом нагрева детали.

Одновременно в процессе обработки наружный диаметр также увеличивается в связи с нагреванием, и первоначально установленное давление в чувствительном элементе 3 уменьшается пропорционально изменению зазора между поверхностью наружного диаметра детали и системой сопло - пятка компенсационного устройства 12. В результате изменения давления уменьшается противодавление измерительному усилию в измерительном сильфоне 2, связанном, через эжектор с измерительными соплами хонинговальной головки. При этом суммирующий рычаг займет соответствующее положение и замкнет управляющий электроконтакт 24 преобразователя. Этим обеспечивается выдача команды на прекращение цикла обработки с учетом действительной величины температурной деформации детали. Настройку преобразователя производят по образцовой детали.

На рис. 14 показана схема самонастраивающейся системы активного контроля в процессе обработки гильз тракторных двигателей на хонинговальных станках, выполненная на базе стандартных элементов пневмоавтоматики. Применение этих элементов существенно упрощает способы автоматического учета изменяющихся условий обработки и измерения, особенно при выполнении компенсационных контуров, а также позволяет повысить быстродействие пневматических систем. Система состоит из двух измерительных устройств: основного, непрерывно контролирующего обрабатываемый размер изделия, и дополнительного, корректирующего основной измерительный сигнал по результатам непрерывного контроля тепловых деформаций изделия в процессе обработки.

Первое измерительное устройство включает два выносных эжектора Г, Д, смонтированных на штангах, а также два выходных сопла А и Б, установленных в хонинговальной головке. Входные эжекторные сопла и специальная схема их подключения к выходным соплам применены для обеспечения возможности «плавания» хонинговальной головки относительно обрабатываемого изделия в диаметральном направлении на величину до ±0,1 мм без снижения точности системы.

Рис. 14. Схема самонастраивающейся системы активного контроля в зоне обработки гильз тракторных двигателей.

Давление после стабилизаторов 2 по манометрам 1 становится равным 0,15 МПа. Параметры эжекторов: диаметр входного дросселя 1,2 мм, диаметр выходного дросселя 1,5 мм, расстояние между дросселями 0,4 мм, длина выходного дросселя 18 мм. Внутренний диаметр выходных сопел А и Б равен 1,5 мм, наружный диаметр торца 2,5 мм. Эти пневматические параметры обеспечивают нелинейность характеристики системы до 2% на рабочем участке длиной 0,2 мм (середина рабочего участка 0,3 мм).

Давление от эжекторов Г и Д суммируется в первом пя-тимембранном усилителе 4, на выходе которого формируется сигнал, соответствующий внутреннему диаметру гильзы. Сопла 5 и 5' предназначены для создания регулировочного давления.

Второе измерительное устройство выполнено из входного сопла 5" и выходного сопла В, закрепленного в скобе-наезднике. Это устройство измеряет необрабатываемый размер гильзы и, следовательно, реагирует на ее тепловые деформации. Различие внутреннего и наружного диаметров гильзы учитывается коэффициентом передачи второго устройства. Диаметр отверстия входного сопла 5" составляет 1,3 мм, диаметр торца выходного сопла 2,5 мм. Эти параметры обеспечивают нелинейность характеристики до 2% на участке длиной 0,14 мм (середина рабочего участка 0,12 мм). Данная ячейка предназначена для запоминания исходного наружного размера гильзы. Изменение давления на выходе элемента пропорционально изменению обрабатываемого размера изделия с учетом его возможных тепловых деформаций. Электроуправляемый клапан 7 и дополнительная емкость 6 служат для запоминания давления, соответствующего исходному наружному размеру гильзы.

С выхода усилителя 4' давление поступает на счетно-командное устройство 3, снабженное двумя электрическими управляющими контактами. Предусмотрена возможность смещения нуля этого устройства с помощью регулировочной системы, состоящей из входного сопла 5''' и регулируемого входного сопла в датчике 3.

Плату из органического стекла непосредственно присоединяют к датчику посредством трех винтов и двух прокладок; На плате выведены штуцеры для подключения шлангов от измерительных систем, а также для контроля давления в разных точках системы (I - IX). Испытания системы показали, что погрешность суммирования измерительных сигналов и смещение настройки после 3600 срабатываний находится в пределах ±1 мкм. Для обработки сравнительно коротких отверстий (гладких и прерывистых) на многих машиностроительных предприятиях используется система активного контроля «падающий калибр».

Принцип действия прибора активного контроля с измерителем в виде калибра, западающего в обрабатываемое отверстие, показан на рис. 15. При возвратно-поступательном движении хонинговальной головки калибр 1 вначале заходит в отверстие обрабатываемой детали на незначительную глубину. По мере нарастания съема металла диаметр отверстия увеличивается. Когда диаметр отверстия достигнет заданной величины, то калибр опустится на 10-15 мм и заплечиком надавит на упор рычага 2, что приведет к замыканию контактов электроконтактного датчика 3 и прекращению цикла хонингования.

Рис. 15. Система активного контроля типа «Падающая пробка-калибр»

При обработке коротких отверстий падающий калибр обеспечивает получение погрешности обработки по 6-7 квалитету точности. Для повышения долговечности калибры оснащаются твердосплавными вставками.