Автоматизация управления процессом установки, статической и динамической настройки на многоцелевых станках

Увеличение степени автоматизации в ГПС означает постоянное расширение технологических задач, решаемых без непосредственного участия человека. Автоматизируются не только формообразующие движения и все вспомогательные перемещения, связанные с заменой заготовки и инструмента, но и операции контроля и управления качеством изделий, ходом процесса, состоянием инструмента и оборудования.

Процесс достижения требуемой точности при изготовлении деталей на многоцелевых станках в ГПС включает три этапа:

· этап установки,

· этап статической настройки технологической системы,

· этап динамической настройки технологической системы.

На этапе установки происходит разметка заготовки, ориентация и закрепление ее на спутнике, установка спутника на станке, а также автоматическая установка режущего инструмента, в результате формируется размер установки А_у.

При статической настройке инструмент по программе выводится относительно технологических баз детали на размер А_с.

Затем при динамической настройке в процессе резания в результате деформирования формируется размер динамической настройки А_д. Таким образом, размер, получаемый на детали,

А_Δ = А_У + А_С + А_Д.

Во время обработки деталь проходит по различным позициям технологического оборудования автоматизированного участка. Каждой технологической позиции и режущему инструменту соответствует определенная система координат. Прохождение детали и инструмента означает последовательный переход из одной координатной системы в другую и образование в каждой из систем соответствующих размерных связей. В результате на каждой из позиций технологического оборудования происходит формирование отклонений, влияние которых на точность обработки проявляется на заключительном этапе процесса резания.

Отклонения, возникающие при разметке, при установке детали на спутник и при установке спутника в приспособлении на столе станка — все это составляющие погрешности, формируемой на этапе установки детали.

В свою очередь, отклонения, возникающие при настройке инструмента на размер и при его установке в шпиндель, определяют погрешность положения исполнительных поверхностей инструмента на станке.

Таким образом, на этапе установки происходит формирование суммарной погрешности со стороны детали и режущего инструмента.

Отклонения относительного положения детали и инструмента в системе координат станка, возникающие при их перемещении без рабочих нагрузок, означают формирование отклонений на этапе статической настройки

Отклонения размера динамической настройки формируются в процессе резания.

Суммарные отклонения, формируемые на замыкающем звене в результате выполнения трех этапов, составляют:

Δ_Σ = Δ _У + Δ _С + Δ _Д.

Отклонения, формируемые на транспортных позициях при перемещении спутника с деталью и инструмента с помощью каретки и робота должны быть в пределах, при которых обеспечивается надежное прохождение потока деталей и инструмента.

По окончании обработки на первом станке деталь поступает на второй станок, где имеет место аналогичная схема формирования отклонений. Различие отклонений, формируемых на этапе установки на первом и втором станке, является дополнительным фактором, оказывающим существенное влияние на точность относительного положения поверхностей, полученных на двух станках. Влияние этого фактора еще более возрастает при переустановке детали, когда происходит смена баз.

Приведенная схема показывает, что достижение точности при изготовлении деталей в ГПС обеспечивает сложная система пространственных размерных связей, формируемых на различных этапах выполнения процесса при прохождении детали и инструмента по различным позициям технологического оборудования. При этом возникновение размерных связей и формирование соответствующих отклонений происходит еще до поступления детали на рабочую позицию многоцелевого станка, размерная настройка которого означает достижение требуемой точности относительного положения координатных систем детали, инструмента, спутника и приспособления в системе координат станка. Изменение положения этих систем относительно начала отсчета в главной координатной системе станка представляет собой результат совместного влияния отклонений, формируемых на этапах установки, статической и динамической настройки. Различные по своему характеру и природе возникновения эти отклонения проявляются на заключительном этапе обработки детали на станке как пространственные отклонения размеров и относительных поворотов замыкающих звеньев технологической системы.

Если на обычных станках и на станках с ЧПУ, обслуживаемых оператором, функции управления и контроля за ходом процесса выполняет рабочий, то на многоцелевых станках в ГПС при реализации безлюдной технологии эти задачи должны решаться с помощью систем управления. Сюда входит управление точностью установки, коррекция статической настройки, управление режимами на различных переходах, оценка параметров точности детали и состояния режущего инструмента на станке. Это означает комплексное управление размерными связями гибких технологических систем на этапах достижения точности. Эффективное решение этой проблемы определяет два аспекта: управление точностью на этапе проектирования оборудования и процесса, а также управление непосредственно на станке при выполнении технологического процесса.

Управление в процессе обработки означает создание на базе микропроцессорной техники автоматических систем, реализующих принципы адаптивного управления на различных этапах достижения точности, включая установку, статическую и динамическую настройку оборудования.

Коррекция статической настройки в исходном положении по результатам оценки точности установки инструмента, детали и спутника. На автоматических участках многоцелевые станки работают в заранее запрограммированном жестком автоматическом цикле, в процессе которого отсутствует контроль и компенсация отклонений при выполнении каждого из этапов достижения точности обрабатываемой детали. Такие станки постоянно работают в режиме автоматической перенастройки с обработки детали одного типоразмера на другой.

Для получения на станках с ЧПУ требуемой точности обработки уже на первых деталях каждой партии необходимо обеспечить равенство фактических размеров статической настройки и размеров, заданных в управляющей программе. Это равенство размеров зависит от сохранения первоначальной точности положения режущих кромок инструмента и баз станка относительно начала отсчета. Для этого необходимо компенсировать погрешность статической настройки, получаемую в результате размерного износа режущего инструмента и температурного деформирования технологической системы, а также в результате замены режущего инструмента, спутника с деталью и перемещения рабочих органов в новое исходное положение.

Решение этой задачи достигается с помощью автоматических систем, обеспечивающих коррекцию точности статической настройки в исходном положении. Принципиальная схема системы автоматической коррекции представлена на рис. 1.11.

 

 

 

 

Рис. 1.11. Схема систем автоматической коррекции

 

С помощью измерительного устройства 1, состоящего из одного или нескольких датчиков, измеряется точность положения вершины режущей кромки инструмента и баз станка относительно начала отсчета размеров. Измерение точности относительного положения производится перед обработкой очередной партии деталей; при этом рабочие органы станка находятся в исходном положении или выводятся по программе в определенную контрольную позицию. Информация о точности статической настройки с измерительного устройства поступает в блок коррекции 3, туда же с задающего устройства 2 подается сигнал о требуемой точности статической настройки.

Получаемый в результате сравнения сигнал рассогласования, соответствующий, погрешности статической настройки, подается в блок ЧПУ 4. В соответствии со значением рассогласования в блоке ЧПУ производится автоматическая коррекция управляющей программы. Таким образом, все последующие детали обрабатываются по откорректированной программе. Последняя учитывает погрешность статической настройки, обусловленную размерным изнашиванием режущего инструмента, температурным деформированием технологической системы 5 и другими факторами, вызывающими изменение положения режущих кромок инструмента и баз станка относительно начала отсчета.

Коррекцию статической настройки в исходном положении необходимо производить при перенастройке станка непосредственно перед обработкой первой детали очередной партии. Именно на этом этапе погрешность статической настройки составляет наибольшее значение и ее необходимо компенсировать. Автоматическую коррекцию статической настройки можно осуществлять также непосредственно в процессе обработки партии деталей после одного или нескольких циклов. Это повышает точность обработки за счет уменьшения влияния систематически действующих факторов.

Рассматриваемый способ коррекции статической настройки основан на измерении точности положения инструмента и спутника с деталью относительно начала отсчета.

Для получения информации о положении режущего инструмента и его размерном износе применяют контрольно-измерительные системы с использованием индуктивных, электроконтактных, пневматических и фотоэлектрических датчиков-преобразователей. Более универсальными являются системы, работающие по принципу касания режущей кромки измерительного наконечника, по которым фиксируют отклонения различного инструмента (рис. 1.12).

 

Рис. 1.12. Измерение положения режущей кромки инструмента и инструментальной оправки по методу касания:

а — измерение положения вершины резца) б — измерение положения инструментальной оправки; в — измерение положения режущей кромки фрезы

 

Для контроля точности положения исполнительных поверхностей инструмента в трех координатных плоскостях применяют трехкоординатные измерительные головки стационарного исполнения. Использование измерительной головки позволяет:

· определить целостность инструмента и отклонения его вершины в трех координатных направлениях;

· определить параметры вектора отклонения инструмента относительно стола станка, обусловленные совокупным влиянием погрешности его установки в шпиндель, размерным износом и температурными деформациями звеньев.

Внесение коррекции в управляющую программу станка для компенсации отклонений относительного положения режущего инструмента и обрабатываемой заготовки в исходном положении осуществляется одновременно с коррекцией позиционных отклонений. Это обеспечивается на базе применения процедуры коррекции путем введения дополнительного программного блока для вычисления необходимых корректирующих поправок.

При анализе текста заданной технологической программы выявляют кадры с указанием на использование рассматриваемого инструмента на различных технологических переходах. А затем все значения управляемых координат, определяющих относительные перемещения данного инструмента, корректируют в соответствии с полученными значениями поправок. Необходимую исходную информацию в этом случае получают с датчиков, фиксирующих отклонения положения режущего инструмента, и с системы автоматического контроля исходного положения детали и спутника.

Автоматическое управление точностью установки. Создание систем автоматического управления точностью установки заготовок и спутников на станках необходимо в тех случаях, когда отклонения, формируемые на этапе установки, не позволяют обеспечить высокую точность обработки деталей. Принцип работы таких систем заключается в измерении составляющих вектора погрешности установки и внесения соответствующей коррекции в управляющую программу для компенсации отклонений. Автоматическая оценка фактической точности положения спутника и заготовки на рабочей позиции многоцелевого станка возможна при использовании автоматических систем, создаваемых на базе применения измерительных головок. Измерительная головка устанавливается на одну из позиций инструментального магазина и при необходимости контроля отклонений автоматически устанавливается в шпиндель станка. Процесс измерения выполняется по определенному циклу, заложенному в управляющей программе. Для определения всех шести параметров вектора погрешности установки в общем случае необходимо выполнять измерения в шести точках.

Исходными для определения допустимых параметров погрешности установки спутников, а также допустимых значений их деформаций в процессе установки заготовок и закрепления самих спутников на станках являются требования точности, вытекающие из технологических задач обработки деталей. При этом отклонения, возникающие на этом этапе достижения точности, непосредственно проявляются в формировании размеров установки, а также в колебании припусков на соответствующих технологических переходах.

Рассчитав фактические значения параметров вектора погрешности установки и отклонения размеров установки, формируемых от соответствующих технологических баз, можно внести соответствующую коррекцию в управляющую программу станка для достижения требуемой точности обрабатываемой детали.

Измерения пространственной точности положения заготовок на спутниках многоцелевых станков могут быть выполнены с помощью измерительной головки непосредственно на рабочей позиции станка перед обработкой или на координатно-разметочной машине в процессе точной установки заготовки на спутнике. Оценка параметров вектора погрешности установки заготовки непосредственно на станке позволяет внести при необходимости коррекцию в соответствующие кадры управляющей программы для гарантированного достижения требуемой точности детали в процессе обработки. Необходимость этого возникает в первую очередь при обработке наиболее ответственных поверхностей с жесткими техническими требованиями.

Управление позиционными связями многоцелевых станков. Требуемое движение формообразования при обработке деталей на станках создается соответствующим относительным перемещением исполнительных поверхностей станка, на которых базируются заготовка и режущий инструмент. Требуемый закон относительного движения исполнительных поверхностей достигается в результате перемещения по управляемым координатам X, Y_y Z, подвижных узлов станка (столов, суппортов, кареток), базирование которых осуществляется по соответствующим направлениям.

Оценить влияние позиционных отклонений каждого узла на точность относительного положения исполнительных поверхностей станка возможно на основе выявления структуры установочных и формообразующих движений, путем приведения позиционных отклонений соответствующего узла к замыкающему звену.

Составляющие вектора отклонения зависят от точности позиционирования каретки при ее перемещении в направлении оси Z от точности позиционирования столапри перемещении по координатам X, У.

Формирование требуемых размеров статической настройки обеспечивается при одновременном перемещении нескольких узлов станка по различным управляемым координатам. При перемещении шпиндельной бабки в направлении оси Y формируется вектор позиционных отклонений исполнительных поверхностей шпинделя, по которым базируется режущий инструмент.

Таким образом, если каждому значению управляемой координаты X, У, Z поставить в соответствие связанные с ними значения параметров векторов позиционирования, то можно определить отклонения вектора статической настройки в любой точке рабочего пространства станка.

Современные СЧПУ позволяют вносить коррекцию в программу управления путем изменения текстов кадров программы непосредственно перед подачей получаемой от них информации на отработку станком.

Такой способ коррекции позволяет оперативно по ходу обработки вносить изменение в текст любого из кадров программы управления станком. При этом ограничением корректирующей процедуры может явиться лишь время, необходимое на изменение требуемого текста, при котором не нарушается непрерывность процесса обработки детали.

Таким образом, при выполнении установочных и формообразующих движений обеспечивается коррекция относительных перемещений детали и режущего инструмента целью компенсации пространственных отклонений в каждой точке рабочей зоны, обусловленных погрешностью позиционных перемещений и отклонениями геометрической точности оборудования. Коррекция относительного поворота осуществляется при наличии угловых отклонений в положении устанавливаемой детали и спутника.

Автоматическое внесение требуемой коррекции в программу станка по ходу обработки означает, что заданные в исходной программе установочные и формообразующие движения дополняются малыми перемещениями, обусловленными действием корректирующих процедур.

СЧПУ станка позволяет реализовать предложенный способ управления точностью в виде программно-реализованной корректирующей процедуры, составленной как рабочая программа, размещенная в памяти микропроцессора. Разработанная программа коррекции точности позиционных перемещений имеет иерархическую модульную структуру. Это позволяет путем введения дополнительных программных блоков компенсировать не только отклонения геометрической точности станка, но также температурные деформации, размерный износ инструмента и другие постоянные и систематические факторы, в том числе и отклонения, обусловленные погрешностью установки детали, спутника и инструмента. Выполнение корректирующей процедуры осуществляется в процессе обработки детали при трансляции управляющей программы на станок, т. е. непосредственно перед подачей соответствующего кадра на отработку в систему ЧПУ. Это означает выполнение требований управления станком в реальном масштабе времени.

В процессе трансляции поочередно просматриваются все кадры технологической программы, и для выполнения корректирующей процедуры выбираются те из них, в которых содержится информация о значении задаваемых перемещений в направлении соответствующих управляемых координат. Таким образом, основные исходные параметры, определяющие значение и точность задаваемых перемещений, получают автоматически непосредственно из технологической программы. Обращение к программному блоку для расчета корректирующих поправок происходит на основе полученной информации. Значения функциональных коэффициентов, учитывающих влияние текущих координат на значение корректирующего воздействия, задают до начала обработки. Для введения необходимой информации о геометрической точности станка могут быть использованы также программные таблицы, ставящие в соответствие значения управляемых координат X, Y, Z и необходимых корректирующих поправок.

Новые значения управляющих координат, полученные после введения корректирующих поправок, помещаются на место прежних, и модифицированный кадр передается для отработки на станок.