УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РЕЗАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕМ СТАНКЕ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РЕЗАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕМ СТАНКЕ
Техническое решение относится к устройствам для механической обработки деталей, а именно к устройствам для автоматического управления приводами металлорежущего станка и может быть использовано в автоматизированном производстве, например, в качестве подсистемы модуля гибкой производственной системы.
6
Из уровня техники известна конструкция устройства, необходимого для осуществления способа управления обработкой резанием в зависимости от вида стружки, регистрируемому видеокамерой (RU 2088379 C1, МПК В23В 1/00, опубл. 27.08.1997), содержащее последовательно соединенные видеокамеру, установленную с возможностью съемки зоны обработки детали, блок анализатора сигнала изображения, вычислительное блока, осуществляющее сравнение полученного изображения стружки с набором эталонов и выполняющее расчет управляющих воздействий для поддержания оптимального режима обработки детали [1].
Недостатком известного устройства является его низкая технологичность, вследствие сложности программируемого вычислительного блока, что обусловлено большой ресурсоемкостью и низкой надежностью известных алгоритмов распознавания образов, необходимых для его работы.
Более рациональным способом управления режимами резания, является анализ не формы стружки, а ее цвета, так как известно, что по цвету стружки можно судить о ее температуре. Так, например, светло-желтый цвет она принимает при температуре 200°C, темно-синий - при 300°C, светло-серый - при 400° [2]. Устройство, реализующее такой способ регулирования, по определению, будет более технологичным и быстродействующим, вследствие того, что для функционирования вычислительного блока потребуются управляющие программы, выполняющие не распознавание элементов стружки, а сравнение цвета изображений, тем самым косвенно измеряя температуру в зоне обработки. В условиях макросъемки подобная задача сводится к сравнению изображения, полученного от камеры с набором заранее подготовленных эталонов - эталонных изображений, полученных от камеры при схожих условиях обработки.
Алгоритмы, позволяющие производить быстрое сравнение изображений, известны и включают, как правило, следующие основные этапы [3]:
1. Приведение изображений к одному размеру.
2. Совмещение цветовых каналов изображения.
3. Нахождение среднеквадратической разности для каждой пары уменьшенных изображений.
4. Сравнение полученной среднеквадратической разности с некоторым порогом, в случае если порог не превышен, изображения считают идентичными.
7
В связи с этим, наиболее близким к заявленному техническому решению, признана конструкция устройства, описанная в способе управления обработкой резанием (RU 2243860, МПК В23В 1/00, опубл. 10.01.2005), включающая металлорежущий станок, обрабатываемую деталь, тепловизионную камеру, адаптер ввода тепловизионного сигнала, персональную электронную вычислительную машину, устройство числового программного управления станком. Способ управления обработкой резанием по геометрическим параметрам изображения сходящей с резца стружки, включает определение оптимальной величины информационного признака, компьютерный анализ текущего изображения стружки, регистрируемого над передней поверхностью инструмента в процессе резания и регулирование режимов обработки, параметры стружки определяют по тепловизионному изображению сходящей с резца стружки, а регулирование режимов обработки осуществляют в зависимости от величины изменения геометрических параметров зоны тепловизионного изображения стружки в процессе обработки с постоянными режимами [4].
Недостатком конструкции является высокая стоимость узлов, устанавливаемых на металлорежущем станке, что существенно снижает технологичность конструкции устройства и существенно увеличивает себестоимость деталей, изготавливаемых на оснащенном таким устройством станке.
Технической задачей на решение которой направлена заявленная полезная модель является сокращение технологических и производственных затрат, за счет увеличения стойкости инструментов и применения оптимальных режимов обработки, путем измерения цвета стружки и корректировки режимов резания.
Указанная задача решена за счет того, что устройство содержит камеру, выполненную с возможностью закрепления на суппорте металлорежущего станка и выполнения макросъемки зоны обработки деталей, блок анализатора сигнала камеры, подключенный к ее выходу, компаратор, выполненный с возможностью сравнения полученного изображения с набором эталонов и выполнения расчета режимов резания, подключенный к выходу упомянутого блока анализатора, и блок управления, при этом выход компаратора соединен со входом блока управления, который выполнен с возможностью подключения к силовым приводам металлорежущего станка. Устройство дополнительно снабжено блоком индикации, подключенным к блоку управления и выполненным с возможностью визуализации работы устройства. Блок анализатора сигнала, упомянутый выше, выполнен с возможностью цифровой фильтрации растровых изображений, поступающих от камеры, а компаратор выполнен с возможностью распознавания по полученным изображениям цвета стружки, его сравнения с эталонными цветами и выполнения расчета режимов резания на основании результатов этого сравнения.
Положительный технический результат, обеспечиваемый раскрытой выше совокупностью конструктивных признаков, состоит в увеличении технологичности устройства, за счет применения в его конструкции узлов, отличающихся низкой себестоимостью - большинство из них может быть выполнено на основе широко распространенных микропроцессорных систем, например, персональных компьютеров или микроконтроллеров. В результате оснащение металлорежущего оборудования раскрытым выше устройством не приведет к значительному увеличению себестоимости деталей, изготавливаемых на нем, вместе с этим, за счет поддержания оптимальных режимов резания деталей, устройство позволит получить экономический эффект, вследствие более экономного расходования инструмента.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство управления механической обработкой и схема его работы; на фиг. 2 - камера; на фиг. 3 - внешний вид блока индикации работы устройства.
Устройство для управления режимами резания при механической обработке деталей содержит металлорежущий станок 1 с установленной в нем обрабатываемой деталью 2, при этом устройство дополнительно содержит камеру 3, закрепленную на суппорте станка и выполняющую макросъемку зоны обработки. Камера устанавливается на гибком штативе, что позволяет свободно ориентировать ее объектив, выбирая точку съемки. Выход камеры подключен к блоку анализатора сигнала 4, выполняющего цифровую фильтрацию растровых изображений поступающих от камеры, выход упомянутого блока подключен к компаратору 5, сравнивающему отфильтрованное изображение с набором эталонов и выполняющему расчет режимов резания. Выход компаратора подключен к блоку управления 6, выход которого подключен к силовым приводам 7 металлорежущего станка. Кроме описанных выше конструктивных элементов устройство также содержит блок индикации 8, необходимый для визуализации работы, подключенный к блоку управления. Упомянутый блок может быть реализован, например, с помощью стандартного монитора персонального компьютера и необходим для обеспечения возможности оператора станка контролировать работу устройства.
Устройство управления механической обработкой работает следующим образом. Над передней поверхностью резца 9 устанавливают камеру 3 на гибком штативе. При обработке детали с помощью камеры непрерывно регистрируют изображение зоны обработки, регистрируя цвет стружки. Полученные изображения передаются в блок анализатора сигнала 4. Указанный блок выполняет цифровую фильтрацию изображений и передает их в компаратор 5, где происходит автоматическое сравнение изображения снятого камерой с имеющимися эталонами, для которых известны значения параметров режима резания.
Анализ цвета стружки выполняется блоком анализатора сигнала 4 и включает в себя приведение изображения, полученного от камеры к размеру 32×32 точки, что позволяет в дальнейшем сократить количество итераций алгоритма сравнения изображений, совмещение цветовых каналов изображения. Полученное в результате фильтрации изображение передается в компаратор 5.
Компаратор является многофункциональным программируемым устройством, включающим в себя вычислительный блок и блок хранения данных подготовленных заранее эталонах: эталонных изображениях зоны обработки и соответствующих им режимах резания. Подобные многофункциональные компараторы известны, например, в криминалистике. В качестве примера упомянутого компаратора можно привести устройство «CRIMOPTIC PRO», являющееся инструментом для оснащения криминалистической лаборатории, банка, таможенной службы, службы контроля авторских прав, контроля печати, отделов контроля качества. Устройство представляет собой универсальный аналитический прибор с интегрированными источниками освещения, включающий инструменты для микроскопической диагностики и рабочую станцию с профессиональным программным обеспечением для анализа [5].
Компаратор 5 в составе заявленного устройства выполняет функцию нахождения среднеквадратической разности для каждой пары уменьшенного изображения и i-го эталона по формуле:
i
i
где s - среднеквадратическая разность; n - количество пикселов сравниваемых изображений (для размерности 32×32 пикселей это значение составит 3072); x, y - значения яркости пикселей изображения, полученного от камеры и пикселей эталона.
Далее выполняется сравнение полученной среднеквадратической разности с 5% порогом, в случае если этот порог не превышен, считают изображения идентичными. Затем компаратор 5 сравнивает режим резания эталона с режимом резания, установленным оператором станка. В случае несовпадения режимов компаратор выполняет вычисление ошибки управления, производит расчет режимов резания и передает полученные данные в блок управления. Последний формирует необходимые управляющие сигналы и подает их на силовые приводы станка, регулируя подачу и глубину резания, необходимую для осуществления оптимальных условий обработки.
Набор упомянутых выше эталонов формируют предварительно, используя описанное выше устройство следующим образом. Устанавливают устройство управления режимами резания на металлорежущий станок, снабженный системой контроля положения рабочих органов, например индуктивной линейкой, закрепляют заготовку и, установив требуемый режим резания, выполняют обработку, одновременно контролируя точность режима резания посредством системы контроля. Вместе с обработкой заготовки проводят макросъемку зоны обработки, производя фильтрацию полученного изображения с помощью блока анализатора сигнала 4 способом рассмотренным выше. Далее повторяют рассмотренную процедуру для каждого режима резания из требуемого диапазона. Полученный набор эталонов передают в компаратор 5.
Список использованных источников
1. Пат. 2088379 Российская Федерация, МПК В23В 1/00. Способ управления обработкой резанием / Романов В.В., Михайлов СВ., заявитель и патентообладатель Костромской государственный технологический университет (RU). - №95103137/02. заявл. 06.03.1995, опубл. 27.08.1997.
2. Тепловые явления при резании металлов // Токарные работы URL: http://turning-deal.ru/instrukcia75.html (дата обращения: 16.09.2015).
3. Алгоритм быстрого нахождения похожих изображений // Хабрахабр URL: http://habrahabr.ru/post/122372/ (дата обращения: 16.09.2015).
7
4. Пат. 2243860 Российская Федерация, МПК В23В 1/00. Способ управления обработкой резанием / Михайлов С.В. (RU), Романов В.В. (RU), заявитель и патентообладатель Костромской государственный технологический университет (КГТУ) (RU). - №2003115676/02. заявл. 26.05.2003, опубл. 10.01.2005, бюл. №1, 5 с.
5. Многофункциональный компаратор CRIMOPTIC PRO // БИОМЕД. Оптические приборы URL: http://biomed.ru/info/item/187/ (дата обращения: 16.09.2015).