УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ИЗНОСА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОЙ СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ СИСТЕМЫ ЧПУ СТАНКА
DEVICE TO MONITOR WEAR AND TO FORECAST RESIDUAL RESISTANCE OF CUTTING TOOL FOR MACHINE CNC SYSTEM

Изобретение относится к машиностроению, в частности к области обработки металлов резанием, к контролю износа и остаточной стойкости режущего инструмента, и может применяться в системах ЧПУ станка.
Повышение требований к качеству металлообработки ставит задачу оценки и прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента для предотвращения его поломки.
Период стойкости режущего инструмента - это время "Т", в течение которого инструмент сохраняет работоспособными свои контактные поверхности и лезвия. «Т» зависит от рода, механических и теплофизических свойств обрабатываемого и инструментального материалов, геометрических параметров инструмента, параметров режима резания и применяемой смазочно-охлаждающей жидкости и равен максимальному времени работы инструмента между двумя его заточками.
Остаточная стойкость режущего инструмента определяется для каждой пары «инструмент-деталь» и зависит от многочисленных факторов, т.е. является случайной величиной, которую можно прогнозировать с помощью статистических методов с известной долей вероятности.
В изобретении предлагается устройство, в котором остаточная стойкость режущего инструмента определяется для каждой пары «инструмент-деталь» в реальном времени в процессе обработки. Перенос данных об обработке других таких же деталей или с помощью другого такого же инструмента позволяет лишь приблизительно прогнозировать момент наступления предельного критического износа режущего инструмента.
Из уровня техники известно устройство для контроля износа режущих кромок инструмента в процессе резания. Устройство содержит электрическую цепь и резец, в гнезде головки корпуса которого на опорной токопроводящей пластине размещена режущая пластина, электрически изолированная от опорной пластины, корпуса резца и элементов крепления. Для повышения технического уровня системы контроля, жесткости технологической системы и стойкости инструмента оно снабжено электронным сигнальным блоком для фиксации момента достижения режущей пластиной допустимого износа, включенным в электрическую цепь, которая размещена между шпинделем и корпусом станка, при этом корпус инструмента не изолирован от массы станка. Электронный сигнальный блок для фиксации момента достижения режущей пластиной допустимого износа содержит последовательно соединенные интегратор, пороговый элемент, коммутатор, индикатор и цепь заряда интегратора (Александров В.И., Глинкин Е.И., Егоров А.В. Руденко Д.А. Устройство для контроля износа режущих кромок инструмента в процессе резания, RU, патент № 2205093, 2003).
Согласно описанию изобретения в момент достижения предельного износа режущая пластина замыкает электрическую цепь, подключенную к сигнальному блоку. В силу неравномерности износа контактная поверхность режущей пластины может не обеспечить устойчивое замыкание электрической цепи. Соответственно сигнальный блок будет работать неустойчиво. Это устройство не позволяет прогнозировать износ режущего инструмента в реальном времени.
Известен также способ определения относительной стойкости лезвийного режущего инструмента, в котором описано устройство для реализации способа. Способ заключается в том, что заготовки из разных конструкционных материалов обрабатывают каждую отдельным лезвийным инструментом из исследуемых режущих материалов при одном выбранном из оптимальных для обработки этого материала значении переменного параметра, например скорости резания, и неизменных значениях всех остальных параметров и факторов в течение одинакового для всех заготовок времени, а оценку относительной стойкости лезвийных инструментов из исследуемых режущих материалов осуществляют отдельно для каждого конструкционного материала по результатам такой обработки. Для повышения надежности время обработки выбирают в пределах 30-60 с и фиксируют степень износа каждого лезвийного инструмента после обработки измерением ширины видимого контакта сходящей стружки с передней гранью инструмента. Относительную стойкость инструментов из исследуемых режущих материалов в порядке ее увеличения оценивают по уменьшению измеренной ширины контакта стружки с передней гранью (Терехов В.М., Клауч Д.Н., Даниленко В.Г., Белоусов В.П., Редин А.П. Способ определения относительной стойкости лезвийного режущего инструмента, RU, патент № 2237548, 2002).
Описанный в изобретении способ не позволяет построить точный график зависимости «износ-время обработки» для конкретной пары «деталь-режущий инструмент». В данном способе не учитывается неравномерность износа режущего инструмента и неоднородность материала заготовки. Время обработки заготовки определяется с большой погрешностью.
Из уровня техники по решаемой технической задаче наиболее близким является контрольно-измерительный комплекс для контроля износа режущего инструмента (прототип), содержащий последовательно соединенные приемник сигналов акустической эмиссии (АЭ), предварительный усилитель, блок полосовых фильтров и основной усилитель. Между блоком полосовых фильтров и основным усилителем включен интегратор. Выход основного усилителя подключен к входам устройства контроля, выполненного в виде отдельного блока и имеющего два входа. Через первый вход подключен первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к первому входу запоминающего устройства, а выход второго аналого-цифрового преобразователя, подключенного через второй вход устройства контроля, подключен ко второму входу запоминающего устройства, при этом первый выход запоминающего устройства имеет связь с блоком сравнения через микропроцессор. Второй выход запоминающего устройства имеет непосредственную связь с блоком сравнения, при этом выход последнего подключен к системе ЧПУ станка (Сарилов М.Ю., Максимов А.Ю. Контрольно-измерительный комплекс для контроля износа режущего инструмента. RU, патент № 2169641, 2001, прототип).
К основным недостаткам прототипа следует отнести то, что для контроля износа используются сигналы акустической эмиссии (АЭ) и оценки параметров этих сигналов (амплитуды и частоты).
Источником сигналов акустической эмиссии из зоны резания являются процессы трения и деформирования. АЭ представляет собой упругую энергию, мгновенно высвобождающуюся в материале при разрушении. Эти процессы генерируют упругие волны, распространяющиеся по инструменту, обрабатываемой детали и деталям станка. Изменение в характере протекания процессов резания вызывают изменение параметров сигналов АЭ. Причиной этого может быть нарушение образования и схода стружки, а также увеличение контактных площадок на рабочих поверхностях инструмента в связи с его изнашиванием.
Высокочастотные колебания АЭ позволяют регистрировать в инструментальном материале процесс трещинообразования, который является предвестником разрушения режущей части инструмента.
Недостатками комплекса при контроле износа режущего инструмента с помощью сигналов АЭ является существенное ослабление сигнала при его прохождении стыков упругой системы станка. Поэтому сигнал должен сниматься непосредственно с инструмента, а установить датчик вблизи зоны резания не всегда предоставляется возможным (например, на станках с автоматической сменой инструмента).
Колебания АЭ изменяются в широком диапазоне частот и несут обобщенную информацию о процессе резания. Из сигналов АЭ необходимо извлечь ту информацию, которая отображает процессы износа режущей части инструмента. Для того, чтобы выделить полезный сигнал, необходимы специальные технические средства, обеспечивающие первоначальную настройку и последующую адаптацию фильтра к приему сигналов в широком диапазоне частот АЭ. Кроме того, датчики колебаний АЭ обычно удалены от зоны резания, что приводит к потерям полезной информации в передаточных звеньях технологической системы.
В прототипе отсутствуют сигналы и блоки, задающие диапазоны допустимых значений сигналов АЭ и начальную настройку при включении устройства на амплитуду и частоту полезного сигнала АЭ. Сигналы АЭ принимаются на фоне интенсивных вибропомех от электромотора станка. Для выделения полезных сигналов из смеси (сигнал + помеха) необходимо использовать методы адаптивной фильтрации, т.к. частота и амплитуда контролируемого полезного сигнала может изменяться в широком диапазоне, а помехи также могут менять частоту при изменении режима резания.
В связи с вышеизложенным предпочтительнее использовать для диагностирования инструмента сигналы тех физических эффектов, которые непосредственно сопровождают контактные процессы резания. К ним относятся сигналы от тензометрических датчиков, которые измеряют составляющие силы резания.
Задачи, на решение которых направлено изобретение, заключаются в обеспечении возможности управления процессом металлообработки с учетом износа режущего инструмента в реальном времени. Динамика износа режущего инструмента имеет сложную нелинейную характеристику. Для выбора оптимальных параметров и режимов металлообработки требуется непрерывно контролировать и оценивать износ режущего инструмента, прогнозировать момент наступления предельного износа, исключить поломку режущего инструмента, снизить уровень брака, что особо актуально для обработки сложных изделий, включающей в себя сотни и тысячи технологических переходов. В конечном итоге это изобретение позволит сделать процесс металлообработки более экономичным за счет снижения затрат на изготовление инструмента и его переточку.
Технический результат изобретения состоит в повышении качества металлообработки за счет прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента в процессе обработки изделия.
Данный технический результат достигается посредством того, что в устройстве контроля износа и прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента для системы ЧПУ станка, включающем приемники входных сигналов и вычислитель со средствами входа и выхода, в которых приемники входных сигналов подсоединены к средствам входа, а один из выходов подключается к программируемому логическому контроллеру системы ЧПУ станка, приемники входных сигналов выполнены в форме трех тензометрических датчиков, которые подсоединены к соответствующим входам вычислителя и функционально обеспечивают измерение составляющих сил резания по осям Рх, Ру, Pz, причем средства входа и выхода вычислителя выполнены в виде трех входов и двух выходов, где первый выход вычислителя функционально обеспечивает формирование команд для управления системой ЧПУ станка, а второй выход вычислителя функционально обеспечивает визуализацию информации, причем вычислитель организован с модулем сопряжения с тензометрическими датчиками с тремя входами и одним выходом; модулем обработки информации с одним входом и одним выходом, модулем прогнозирования с одним входом и одним выходом, модулем формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка с одним входом и одним выходом, модулем графического интерфейса пользователя с двумя входами и одним выходом, в котором первый, второй и третий входы вычислителя образованы соответствующими входами модуля сопряжения с тензометрическими датчиками, а первый выход вычислителя образован выходом модуля формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка, при этом модуль сопряжения с тензометрическими датчиками, модуль обработки информации, модуль прогнозирования и модуль формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка соединены последовательно, а в модуле графического интерфейса пользователя первый и второй входы подсоединены соответственно к выходам модуля обработки информации и модуля прогнозирования, причем выход модуля графического интерфейса пользователя образует второй выход вычислителя.
Изобретение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 приведено устройство контроля износа и прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента для системы ЧПУ станка,
- на фиг.2 показан график для оценки износа по данным от тензометрических датчиков,
- на фиг.3 приведена зависимость износ-время в стадии установившегося износа,
- на фиг.4 показан пример прогноза остаточной стойкости режущего инструмента
- на фиг.5 приведена схема вычислителя.
В графических материалах конструктивные элементы обозначены следующими позициями (см. фиг.1, фиг.5):
1 - тензометрические датчики,
2 - вычислитель,
3 - программируемый логический контроллер,
4 - система ЧПУ станка,
5 - режущий инструмент,
6 - заготовка,
7 - станок,
8 - модуль сопряжения с тензометрическими датчиками,
9 - модуль обработки информации,
10 - модуль графического интерфейса пользователя,
11 - модуль прогнозирования,
12 - модуль формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка.
Тензометрические датчики подсоединены к входам вычислителя с функциональной возможностью измерения составляющих силы резания по осям х, y, z (в прототипе - на входы устройства контроля поступают амплитуда и частота сигнала АЭ).
В заявленном устройстве выполняется оценка текущего износа и строится прогноз остаточной стойкости режущего инструмента для следующего технологического перехода. В прототипе отсутствуют блоки и элементы, которые могли бы реализовать функции прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента в реальном времени.
В заявленном устройстве на выходе вычислителя формируются команды управления ЧПУ станка (в прототипе - на выходе блока контроля формируется сигнал индикации, который показывает, что износ инструмента достиг предельного значения).
В вычислителе дополнительно сформирован второй выход с возможностью отображения информации в графическом виде, фиг.2-4.
В вычислитель входят дополнительные модули (модуль сопряжения с тензометрическими датчиками, модуль обработки информации, модуль графического интерфейса пользователя, модуль прогнозирования, модуль формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка), функционально обеспечивающие прогнозирование износа режущего инструмента и остаточной стойкости в реальном времени.
Устройство контроля износа и прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента для системы ЧПУ станка содержит три тензометрических датчика 1 для измерения составляющих сил резания по осям Px(t), Py(t), Pz(t) и вычислитель 2. Первый, второй и третий входы вычислителя 2 подключаются к тензометрическим датчикам 1, а один из выходов - к программируемому логическому контроллеру 3, входящему в систему ЧПУ станка 4. На первом выходе вычислителя 2 формируются команды управления для системы ЧПУ станка. Второй выход вычислителя 2 функционально обеспечивает отображение в графическом виде сигналов износа режущего инструмента и сигналов прогноза остаточной стойкости для следующего технологического перехода, фиг.2-4.
Вычислитель 2 имеет три входа и два выхода, см. фиг.5. К входам вычислителя 2 подсоединены тензометрические датчики 1, к первому выходу подсоединен программируемый логический контроллер 3 системы ЧПУ станка, второй выход выполнен с функциональной возможностью отображения информации в графическом виде, фиг.2-4.
В вычислитель 2 входят модули, функционально обеспечивающие оценку износа и прогноз остаточной стойкости режущего инструмента, фиг.5:
- модуль сопряжения с тензометрическими датчиками 8,
- модуль обработки информации 9,
- модуль графического интерфейса пользователя 10,
- модуль прогнозирования 11,
- модуль формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка 12.
Первый, второй и третий входы вычислителя 2 образованы одноименными входами модуля сопряжения с тензометрическими датчиками 8, причем первым выходом является выход модуля формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка 12, вторым выходом является выход модуля графического интерфейса пользователя 10.
Модуль сопряжения с тензометрическими датчиками 8, модуль обработки информации от датчиков 9, модуль прогнозирования 11 и модуль формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка 12 соединены последовательно.
Выходы модуля обработки информации от датчиков 9 и модуля прогнозирования 11 подсоединены к первому и второму входам модуля графического интерфейса пользователя 10.
Сигналы составляющих силы резания по осям поступают с тензометрических датчиков 1. Эти сигналы через модуль сопряжения с тензометрическими датчиками 8 поступают в модуль обработки информации от датчиков 9. В модуле обработки информации от датчиков 9 сигналы преобразуются из аналоговой формы представления в цифровую, значения сигналов заносятся в память. В модуле обработки информации от датчиков 9 на основании эмпирических таблиц формируются сигналы текущего износа режущего инструмента. Из модуля обработки информации от датчиков 9 сигналы текущего износа режущего инструмента поступают в модуль прогнозирования 11 и на вход графического интерфейса пользователя 10.
В модуле прогнозирования 11 вычисляется коэффициент наклона для прямой линии, аппроксимирующей график текущего износа, фиг.2-4. В модуле прогнозирования 11 прямая линия текущего износа экстраполируется на время следующего технологического перехода. На выходе модуля прогнозирования 11 формируется сигнал прогноза остаточной стойкости для следующего технологического перехода, фиг.2.
В модуле графического интерфейса пользователя 10 строятся графики сигналов текущего износа инструмента и сигналов прогноза остаточной стойкости, см. фиг.2-4.
В том случае, когда текущий или прогнозируемый износ режущего инструмента приближается к критическому значению, модуль прогнозирования 11 передает сигнал прогноза на вход модуля формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка 12. Модуль формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка 12 подсоединен к входу программируемого логического контроллера 3 системы ЧПУ станка 4. На выходе модуля 12 формируются управляющие команды для системы ЧПУ станка.
Устройство контроля износа и прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента для системы ЧПУ станка работает следующим образом.
Тензометрические датчики 1 расположены на режущем инструменте. Тензометрические датчики 1 выполняют измерение составляющих сил резания по трем осям Px(t), Py(t), Pz(t). Три тензометрических датчика подключаются к соответствующим входам вычислителя 2.
Первый выход вычислителя 2 подключен к входам программируемого логического контроллера 3, входящему в систему ЧПУ станка 4. Система ЧПУ станка 4 управляет режущим инструментом 5 при обработке заготовки 6 на станке 7. На первом выходе вычислителя 2 формируются команды управления для системы ЧПУ станка 4.
Начальная инициализация заявленного устройства подразумевает ввод в вычислитель 2 исходных данных, к которым относятся:
З
h - максимальный допускаемый износ инструмента;
ЗД
Т - задержка опроса датчиков, определяющая частоту получения информации от тензометрических датчиков;
S - количество импульсов сигналов от тензометрических датчиков.
Тензометрические датчики 1 измеряют составляющие силы резания по трем осям (х, y, z) - Px(t), Py(t), Pz(t) в дискретные моменты времени t. Результаты измерения составляющих силы резания по трем осям Px(t), Py(t), Pz(t) поступают на соответствующие входы вычислителя 2. В модуле обработки информации от датчиков 9 определяют износ режущего инструмента по эмпирическим таблицам. Эмпирические таблицы описывают зависимости силы резания от износа режущего инструмента. Изменение силы резания Р является показателем изменения величины износа.
Вычислитель 2 принимает решение на основе данных о текущем состоянии износа режущего инструмента и прогнозе износа для следующего технологического перехода. Первый выход вычислителя 2 подключается к программируемому логическому контроллеру 3 системы ЧПУ станка 4.
Система ЧПУ станка работает в своем стандартном цикле (см. описание системы ЧПУ станка в Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Системы числового программного управления. Учебное пособие. - М.: Логос, 2005 - 296 с., Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Программирование систем числового программного управления. Учебное пособие. - М.: Логос, 2008 - 344 с.). Система ЧПУ станка вызывает специальную программу обработки входных сигналов от программируемого логического контроллера 3 и расшифровывает управляющую команду.
В модуле прогнозирования 11 строят временной ряд из мгновенных значений износа режущего инструмента в последовательные моменты времени, см. фиг.2. Контроль износа режущего инструмента описан в литературе (Григорьев С.И. Синопальников В.А. Надежность и диагностика технологических систем. М.: Высшая школа, 2005 - 331 с.).
Мгновенные значения износа режущего инструмента аппроксимируют линейной функцией
прир
где h - оценка износа, К - коэффициент наклона линейной функции аппроксимации, h - смещение линейной функции аппроксимации, t - время.
Оценка коэффициента наклона прямой линии К получена на основании временного ряда по известной формуле для линейной функции аппроксимации (см. Сборник задач по курсу высшей математики. Под ред. Кручковича. - М.: Высш. КК., 1973).
i
ЗД
Значение коэффициента наклона K на каждом временном отрезке Т определяется по формуле:
i
где α - угол наклона прямой линии.
i
ЗД
ср
По значениям K на каждом отрезке Т определяют среднее значение К:
ср
Значение К с ростом числа отрезков n приближается к средней скорости износа работающего инструмента, которая определяется коэффициентом наклона К для прямой (1).
ост.
i
ср
При прогнозировании остаточной стойкости режущего инструмента определяют время до наступления критического износа режущего инструмента Т по значениям K и К для всего периода стойкости инструмента (по формулам 2-3).
ср
МАШ
Данные об износе инструмента, полученные в процессе обработки предыдущих деталей, используются при прогнозировании остаточной стойкости инструмента. Коэффициент К наклона прямой (1) определяется по данным износа инструмента, полученным при обработке последней детали, а среднее значение коэффициента наклона (3) определяется по результатам обработки предыдущих деталей. Прямая износа с коэффициентом наклона К экстраполируется на отрезок времени, соответствующий времени следующего технологического перехода Т (фиг.4).
МАШ
3
Если отрезок полученной прямой прогноза для Т пересекает максимально допустимый уровень [h] (фиг.4), то модуль прогнозирования 11 формирует и передает сигнал на вход модуля формирования управляющих команд для системы ЧПУ станка 12. На первом выходе вычислителя 2 формируется команда для системы ЧПУ станка на прекращение процесса обработки и отвод режущего инструмента.
В заявленном устройстве вычислитель 2 формирует и передает в программируемый логический контроллер системы ЧПУ станка следующие команды:
- если прогнозируемая остаточная стойкость режущего инструмента меньше или равна заданному критическому значению - команду «приостановить выполнение следующего технологического перехода и произвести смену режущего инструмента»,
- если прогнозируемая остаточная стойкость режущего инструмента близка к заданному критическому значению - команду «оптимизировать технологические параметры процесса резания» (величину подачи, скорость резания, обороты шпинделя и т.п.) с целью успешного завершения текущего технологического перехода,
- если мгновенное изменение величины износа режущего инструмента превышает допустимую (заданную) величину изменения и абсолютная величина износа режущего инструмента близка к заданному критическому значению - ситуация распознается как поломка инструмента, выдается команда «произвести экстренный останов процесса резания и замену инструмента».
Заявленное устройство позволяет:
- заблаговременно определить, что износ инструмента приблизился к предельно допустимому значению;
- предотвратить поломку режущего инструмента в процессе обработки заготовки,
- своевременно дать команду системе ЧПУ станка произвести замену режущего инструмента,
- дать системе ЧПУ станка команду оптимизировать параметры резания для предотвращения поломки режущего инструмента в процессе обработки заготовки для успешного завершения текущего технологического перехода.
Заявленное устройство представляет собой независимое, подключаемое практически к любой системе ЧПУ станка устройство, которое выполняет функции контроля износа и прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента в реальном режиме времени (в процессе обработки заготовки) и формирует управляющие команды для системы ЧПУ станка. Схема заявленного устройства является универсальной и не зависит ни от типа системы ЧПУ станка, ни от станка, ни от реализации вычислителя. Устройство подключается параллельно с системой ЧПУ станка и формирует команды управления для системы ЧПУ станка.
Вычислитель может быть выполнен на базе персонального компьютера в промышленном исполнении, с подсоединенной дополнительной платой для сопряжения с тензометрическими датчиками.
Модули, входящие в вычислитель, могут быть реализованы программно и выполняться под управлением операционной системы реального времени.
Модуль сопряжения с тензометрическими датчиками 8 может быть реализован на базе платы National Instruments DAQ 6024E.
В качестве среды разработки программной части модулей вычислителя используется среда разработки Microsoft Visual Studio 2005 и API функции, поставляемые с платой National Instruments DAQ 6024E.
Указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном комплексе отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Однако следует отметить, что заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает в соединении синергетический (сверхсуммарный результат).
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в машиностроении и может быть реализован в системах ЧПУ станка;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
На основании изложенного заявленный объект соответствуют требованию условия патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.