Автоматизация активного контроля геометрических параметров деталей на примере шпинделя станка

В своем дипломном проекте я разрабатывала процесс автоматизации контроля геометрических параметров деталей на предприятии ООО «Стпнгидромаш». Данное предприятие занимается производством и модернизацией металлорежущих станков, в частности токарно-винторезных серии 16Б16П. Часть запчастей для этих станков закупается на сторонних предприятиях, а часть изготавливается силами предприятия ООО «Стангидромаш», наиболее ответственной деталью считается шпиндель станка. Данное изделие и было выбрано в качестве объекта измерений в проекте автоматизации контроля геометрических деталей [СамГТУ 200501.033.ХХХ.03]. Мной была проведена классификация геометрических параметров деталей [СамГТУ 200501.033.ХХХ.04]. Выявлены конкретные требования к точности изготовления поверхностей шпинделя станка 16Б16П, к диапазонам отклонений допусков взаимного расположения поверхностей. Итоговая точность контроля геометрических параметров детали «шток» установлена не более ±5 мкм.
На предприятии __________ для контроля выходных параметров изделий применяется множество современных средств измерений, которые при своей точности, однако, не обеспечивают оперативности контрольно-измерительных операций. В современных системах станков все чаще применяется метод активного контроля, позволяющий без отрыва от процесса металлообработки контролировать полученные размеры, и соответственно корректировать технологический процесс обработки. Таким образом, обеспечивается высокая степень автоматизации процесса контроля.
Активный контроль на токарных станках может быть прямым, когда измеряется деталь, и косвенным, когда измеряется перемещение формообразующих узлов станка. При прямом методе измерения могут быть измерения перед обработкой, в процессе обработки и после обработки. Метод активного контроля с измерениями перед обработкой реализуется за счет использования приспособлений для установки инструмента на заданный размер.
Мной была рассмотрена классификация методов активного контроля деталей [СамГТУ 200501.033.ХХХ.05]. Согласно представленной классификации для контроля наружных поверхностей деталей и их отклонений формы и взаимного расположения логично использовать метод активного контроля с измерениями в процессе обработки. При этом измеряется размер детали (в данном случае диаметры шпинделя) во время обработки в сечении, находящемся как можно ближе к токарному резцу. Отклонения от заданного значения, происходящие вследствие непараллельности направляющих станка и оси вращения, прогиба длинной обрабатываемой детали и износа токарного резца, регулируются путем автоматической подналадки, корректировки по датчикам системы.
Для контроля внутренних поверхностей целесообразно использовать косвенный метод активного контроля, заключающийся в фиксации перемещений формообразующих узлов станка таких как суппорт и резцедержатель.
В системах активного контроля измерительные комплексы интегрированы в систему станка, для контроля используются высокоточные датчики перемещений. Мной была проведена классификация наиболее широко применяемых датчиков для контроля геометрии и перемещений [СамГТУ 200501.033.ХХХ.06]. Далее я более подробно рассмотрела основные виды аналоговых и цифровых датчиков перемещений, схему метода контроля, их основные достоинства и недостатки [СамГТУ 200501.033.ХХХ.08].
Непосредственный контроль обработанной поверхности должен вестись на расстоянии от поверхности, поскольку деталь движется с очень высокой скоростью в шпинделе обрабатывающего станка, следовательно контактные методы в данном случае не применимы. Подведение к детали контактного щупа подразумевало бы остановку процесса обработки, а в разрабатываемой системе это неприемлемо. Таким образом, необходим датчик для непосредственного контроля детали, при этом датчик должен располагаться на расстоянии от детали. В качестве такого датчика будет использоваться триангуляционный датчик перемещений.
Для отслеживания положений суппорта станка и резцедержателя выбраны цифровые датчики, в частности инкрементальные датчики перемещений – оптические инкрементальные линейки.
Датчик положения на основе лазерной триангуляции является, по сути, дальномером, который определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол отражения, что даёт возможность определить расстояние до объекта или его перемещение. Датчиком фиксируется и анализируется перемещение пятная проекции отраженного лазерного луча на фоточувствительный элемент [СамГТУ 200501.033.ХХХ.07].
В лазерных датчиках перемещения в качестве фотоэлементов применяются полупроводниковые сегментные детекторы PSD (Position Sensing Detector), матрицы и линейки КМОП и ПЗС. Оптическая система, обеспечивающая малые размеры пятна проекции, наряду с высокой разрешающей способностью фотоэлемента, позволяет производить измерения линейных перемещений и расстояний с точностью от 0,02 мкм. В зависимости от базового расстояния и предела измерений датчика.
Мной был проведен патентный поиск в области разработки по базам данных ФИПС. Выделены 4 наиболее интересных патента с разработкой систем активного контроля геометрии деталей [СамГТУ 200501.033.ХХХ.09]. Согласно современного уровня измерительной техники наиболее перспективным является метод лазерной триангуляции, бесконтактный метод контроля.
Процесс автоматизации и внедрения активного контроля производился на базе станка с числовым программным управлением (ЧПУ) CAK50135di–SMTCL, используемого для производства деталей токарно-винторезных станков повышенной точности (на примере детали шпинделя к станку токарно-винторезному 16Б16П), на предприятии ____
На основании выбранных методов контроля и типов датчиков была построена структурная схема системы автоматизации процесса контроля геометрических параметров деталей [СамГТУ 200501.033.ХХХ.10].
Триангуляционный датчик системы следит за поверхностью детали, другие датчики следят за перемещением резца, чтобы точно определить координаты его перемещений. По этим перемещениям можно построить математическую модель поверхности обработки, которую программно сравнивают с имеющейся CAD-моделью, заложенную в программное обеспечение автоматизированной системы контроля.
Для обеспечения такой точности перемещений в систему введены высокоточные серводвигатели и драйверы к ним. Для контроля координат перемещений применены оптические линейки, построенные по методу инкрементальных датчиков. В данной системе три инкрементальные линейки: ИЛ-1 контролирует координатные перемещения суппорта станка; ИЛ-2 – резцедержателя; ИЛ-3 – триангуляционного датчика перемещений.
Для контроля износа режущей кромки резца и его координат в систему введен второй триангуляционный датчик, построенный по методу лазерного микрометра. Данный датчик вынесен за пределы зоны обработки и расположен на задней бабке станка.
Для питание цепей управления автоматизированной системы необходим источник питания +24 VDC (постоянное напряжение).
Серводвигатели системы управляются драйверами, которые подключены к программируемому контроллеру через интерфейс RS-232. Предотвращение электромагнитных помех питающей сети, вызываемых драйверами, осуществляется с помощью сетевых дросселей.
Выбор конкретных типов инкрементальных линеек проводился исходя из технических характеристик станка с ЧПУ CAK50135di–SMTCL.
Так в качестве инкрементальных линеек системы были выбраны высокоточные линейки фирмы Heidenhain (Германия)
Для позиционирования резцедержателя и каретки триангуляционного датчика контроля детали были выбраны модели линеек LIP 481 с диапазоном измерений до 420 мм и дискретностью ± 1 мкм, а для позиционирования суппорта станка была выбрана линейка LIF 481 с диапазоном измерений до 1020 мм и дискретностью также ± 1 мкм.
Триангуляционные датчики системы представлены [СамГТУ 200501.033.ХХХ.11].
В качестве триангуляционного датчика для контроля размеров и поверхности обрабатываемых деталей был выбран датчик LK-H150 производства компании Keyence (Япония). Базовое расстояние датчика составляет 110 мм, что обеспечивает безопасность работы датчика от воздействия стружки. Диапазон датчика составляет ±40 мм. И точность 0,01%.
В качестве датчика для контроля профиля режущей кромки резца был выбран лазерный сканирующий микрометр на базе триангуляционных датчиков фирмы Takikawa Engineering (Япония), модель LDM-303H-XY. Диапазон датчика составляет (0,3 – 30) мм. И точность ±2 мкм.
Перед началом измерений необходимо провести калибровку координатных осей системы, настроить соосность оси триангуляционного датчика контроля детали с осью резцедержателя. Общая схема настройки системы автоматизированного контроля параметров деталей при их обработке на станке приведена в [СамГТУ 200501.033.ХХХ.12].
Настройка производится с применением контрольных валов, с аттестованными размерами: диаметры и длины ступеней вала, с точностью 0,1 мкм. Один контрольный вал закрепляется в шпинделе станка, а второй в резцедержателе вместо резца.
Во время измерений положение датчика LK-H150 настраивается точно по оси резца так, чтобы непосредственно во время резания проводить активный контроль внешней обрабатываемой поверхности детали.
Внутренние размеры и их отклонения контролируются по координатным перемещениям суппорта и резцедержателя системы с учетов стабильности положения резца и износа его режущей кромки. Данные параметры проверяются до и после обработки внутренних поверхностей по показаниям лазерного микрометра LDM-303H-XY.
Мной также рассмотрены вопросы подключения датчиков системы к средствам обработки информации, выбран программируемый логический контроллер системы, рассмотрена схема подключения по каналу связи RS-232.
В дипломном проекте освещены вопросы метрологического обеспечения. Мной была определена методика выполнения контроля, рассмотрена государственная схема поверки для средств измерений длины в части, применимой для разработанной системы контроля геометрических параметров [СамГТУ 200501.033.ХХХ.13]. Рассмотрена методика калибровки триангуляционных датчиков на базе представленной поверочной схемы и с применением концевых мер длины 4-ого разряда [СамГТУ 200501.033.ХХХ.14]. Рассчитана точность системы контроля по всем каналам.
В работе рассмотрены вопросы стандартизации и менеджмента качества на предприятии _____
Подробно освещены вопросы обеспечения безопасности жизнедеятельности. Проведен расчет экономической эффективности, рассчитан срок окупаемости, который составил 1 год 9 месяцев.
Рассмотрены вопросы экологии на предприятии.

содержание
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………...
8
1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ………………………………………………….…
9
1.1. Производство и контроль деталей на предприятии ООО «Стангидромаш».............
9
1.2. Постановка задачи дипломного проектирования………………….…………………
12
1.2.1. Описание контролируемых параметров шпинделей металлообрабатываю-щих станков……………………………………………………………………………………
13
1.2.2. Системы активного контроля…………………………………………..………..
14
1.3. Анализ методов контроля геометрических параметров деталей……………………
15
1.3.1. Контактные методы контроля…...........................................................................
16
1.3.2. Недостатки контактных методов контроля геометрических параметров де-талей……………………………………………………………………………………………
24
1.3.3. Оптические методы измерений………………………………………………….
25
1.3.4. Цифровые датчики перемещений……………………………...………………..
27
1.4. Патентный поиск в области проектирования………………………………………...
31
2. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ...……………………………………….
39
2.1. Обоснование структурной схемы автоматизированной системы контроля геомет-рических параметров деталей…………………………………………………..…………….
39
2.2. Анализ и описание функциональных элементов автоматизированной системы контроля геометрических параметров деталей……………………………………...………
40
2.2.1. Описание работы серводвигателей и драйверов к ним………………………...
41
2.2.2. Описание работы сетевых дросселей …………………………………………...
42
2.2.3. Инкрементальные линейки автоматизированной системы контроля геомет-рических параметров деталей ………………………………………………………………..
43
2.2.4. Триангуляционные датчики для контроля перемещений и размеров ………..
44
2.3. Обоснование выбора элементов автоматизированной системы контроля гео-метрических параметров деталей …………………………………………………………...
46
2.4. Описание процесса контроля геометрических параметров деталей с примене-нием автоматизированной системы ……………………………………………...………….
52
3. РАЗРАБОТКА И ВЫБОР ЭЛЕ