В статье рассмотрено использование ЭДС и виброакустической составляющей процесса резания для анализа и контроля.

Abstract

This article examines the use of EMF and vibro-acoustic component of the cutting process for analysis and control.

Отсутствие информации о действительном состоянии технологических воздействий или параметров процесса резания приводит к возможности незапланированных или аварийных ситуаций. В этом случае нельзя вовремя устранить источники погрешностей, вовремя заменить инструмент если он затупился , изменять и управлять режимами резания. Поэтому, повышение эффективности обработки деталей приборов связано с применением новых средств диагностики, создание которых должно базироваться на более глубоком понимании  физической сущности процесса резания, исследовании взаимосвязи явлений которые естественно возникают при резке и тд.

Процесс резания является сложным комплексом физико-химических явлений,возникающих в результате взаимодействия режущего инструмента с деталью. Диагностика процесса обработки должна быть основана на измерении естественно возникающих при резке сигналов. К таким сигналам относятся электрические и виброакустические сигналы.

Как известно, методы контроля процесса резания делятся на : прямые и непрямые (рис 1.1).Непрямые методы обладают рядом преимуществ, основное из которых – отсутствие непосредственного вмешательства в процесс обработки, что дает возможность получить качественную картину происходящего.

Рис.1.1

  Предложенная система  использует наиболее информативные методы диагностики : ЭДС и виброакустический сигналы, причем информация подающаяся отдельно двумя сигналами  суммируется и обрабатывается с помощью процессора общей системы.  Система диагностики процесса обработки деталей приборов состоит из устройства для измерения ЭДС  резания и устройства для измерения виброакустических сигналов, которые подключены к датчикам касания, поломки и износ инструмента.

Рассмотрим данные устройства по порядку :

1. Система фиксирования сигнала виброакустической эмиссии ,которая содержит датчик виброаккустических сигналов 2 и датчик оборотов шпинделя 3, который соеденен с блоком формирования временных интервалов 4 , выход которого подключен к одному входу блока частотного выбора 5 , к другому входу которого подключено выход датчика виброакустических сигналов 2 и блок частотного выбора, который последовательно соеденен с блоком амплитудных детекторов 6 , блоком пороговых устройств 7 и блоком триггеров 8, при этом один выход блока триггеров подключен ко входу блока памяти 9 , а второй – ко входу блока сравнения 10, выход которого подключено к блоку анализа 11 Другой выход датчика виброакустических сигналов 2 подключен к входу блока выделения огибающей 12, последовательно подключенного с пороговым устройством Выход порогового устройства 13 подключен к входу блока анализа 11.(рис 1.2)

Рис 1.2

1. Система фиксирования ЭДС сигналов, которая содержит устройство 1 измерения ЭДС резания, параллельно подключено, через усилитель 2 электрических сигналов, к датчику 4 касания инструмента с обрабатываемой деталью и Датчик освещенности 3 износа режущего инструмента. Первый выход датчика 4 касания и Датчик освещенности 3 износа режущего инструмента присоединенного к блоку 5 управления приводом подачи металлорежущего станка. Второй выход датчика 5 касания подключен к входу блока 6 «конец ввода» устройства числового программного управления.(рис 1.3)

Рис 1.3

 Исследования показали, что для изношенного инструмента интегральный уровень сигнала ЭДС резания увеличивается в 1,8 раза по сравнению с интегральным уровнем сигнала, соответствующего не изношенном инструмента. А уровень сигнала, пропорциональный виброакустическим сигналам из зоны резания возрастает в 1,7 раза при увеличении износа от 0,05 до 0,3 мм. Апробация системы диагностики процесса обработки деталей приборов на основе ЭДС резания и виброакустических сигналов показала высокую эксплуатационную надежность и точность, что позволяет эффективно использовать ее в устройствах управления процессом обработки на станках с ЧПУ.

Во время процесса резки, как известно, возникают факторы которые могут повлиять на получение точности исходной модели. Многопараметрический контроль резки позволяет отслеживать одновременно несколько параметров, что позволяет наиболее точно и качественно получать информацию о состоянии процесса.

Виброакустическая и ЭДС составляющие процесса резки позволяют получать качественную картину процесса происходящего, а устройства процесса резания на основе виброакустической и ЭДС сигнала дают целый ряд преимуществ по сравнению с другими устройствами, которые могут использоваться. Устройство многопараметрического контроля процесса резки имеет возможность учитывать несколько составляющих процесса и давать достоверную картину происходящего.

Стремительное развитие производства приборов ставит сложные задачи, что требует повышения эффективность обработки материалов, обеспечения высокого качества, точности, надежности изготовления деталей. Для достижения поставленных задач необходимо постоянно контролировать состояние технологического оборудования, которое используется при изготовлении деталей приборов. Необходимость интенсификации процесса металлообработки приводит к расширению применения станков с числовым программным управлением (ЧПУ), а также к применению многофункциональных станков типа “обрабатывающий центр”, на основе которых создаются автоматизированные участки, управляемые от ЭВМ. В силу этого возникает необходимость в устройствах контроля процесса резания, которые не зависят от вида инструмента, который применяется. Как правило, количество видов инструмента находится в пределах от 10 до 30 наименований. Поэтому, использование предлагаемого устройства контроля процесса резания обеспечивает, по сравнению с другими устройствами, следующие преимущества:

- Повышение точности контроля процесса резания

- Возможность построения адаптивных систем управления технологическим процессом     изготовления деталей;

- Повышение производительности процесса.

Повышение точности контроля процесса резания обусловлено тем, что исключена возможность получения недостоверной информации о состоянии процесса, в следствии это приводит к повышению производительности процесса металлообработки резанием и позволяет контролировать возникновение дефектов, а также позволяет исключить возможность образования брака в процессе изготовления деталей. Контроль процесса резания с использованием ЭДС и виброакустического сигнала открывает возможность выхода процесса металлообработки на совершенно новый уровень.

Повышение эффективности обработки материалов резанием непрерывно связано с созданием новых и совершенствованием существующих методов и средств контроля процесса обработки деталей, что должно базироваться на более глубоком представлении о физической сущности процесса резания и исследовании взаимосвязи, естественно возникающих при резании, явлений с износом режущего инструмента.

Постановка задачи

Процесс резания является сложным комплексом физико-химических явлений, таких как механических, тепловых, электрических, диффузионных, адгезионных и др., которые возникают в результате взаимодействия инструмента с деталью.

Исследования

На поверхности контакта инструмента с деталью происходят изменения состояния внутреннего движения атомов и молекул, что и определяет электромагнитные явления [2]. В результате этого на контактных поверхностях совершаются сложные реакции перемещений, разложений и соединений микрочастиц. Любая материальная система всегда стремится к состоянию, которое характеризируется минимумом энергии. Так как процесс резания это прежде всего процесс разрушения, сопровождающийся переходом элементарных частиц из состояния с большим значением энергии в состояние с меньшим значением энергии, то выделяется на первом этапе взаимодействия часть избыточной энергии в виде упругих и электромагнитных волн, а также в виде электрической энергии.

В результате пластической деформации при резании атомы, находящиеся в момент перескока в ядре дислокации, совершают колебания, что сопровождается излучением электромагнитных волн. С другой стороны колебания атомов приводят к появлении так называемых «активных центров» с пониженной работой выхода электронов в окрестностях дефектов структуры. При этом некоторые электроны выходят на границу раздела «инструмент-деталь», появляется разность электрических потенциалов  между контактными поверхностями, что сопровождается генерированием электрических сигналов.

На основании рассмотрения процесса резания на микроструктурном уровне можно сделать вывод о том, что процесс стружкообразования  сопровождается генерированием электрических сигналов и электромагнитным излучением.  В связи с этим электрические сигналы и электромагнитное излучение из зоны резания должны нести информацию о процессах, происходящих на контактных поверхностях режущего инструмента с обрабатываемой деталью. Поэтому, измерение в процессе резания электрических сигналов и потока электромагнитного излучения из зоны резания, например, в инфракрасной области спектра, позволит создать систему контроля работоспособности режущего инструмента.

Измерения ЭДС резания является сложным и до конца еще не решенным заданием. Как правило, измеряют переменную составляющую ЭДС, используя токосъемное устройство [1]. Изолируя режущий инструмент и деталь от массы станка, которые снижают универсальность оборудования, все это приводит к техническим трудностям реализации и, главное, до промышленного внедрения систем контроля изнашивания инструмента на основе ЭДС резания.

Поэтому, было разработанное устройство для измерения ЭДС резания [3] без применения токоснимателя, изоляции инструмента и детали, от массы станка, который даст возможность  широко использовать его в производственных условиях.

Разработанное устройство состоит из магнитного торроидального ферритового сердечника, установленного непосредственно в резцедержателе, что охватывает державку режущего инструмента. Катушка обмотки установлена на другом конце магнитного сердечника, возникающая в процессе резания ЭДС, вызывает протекание в системе переменного тока, при этом саму систему можно представить в виде одного витка первичной обмотки. Переменный ток, который протекает по режущему инструменту, наводит переменный магнитный поток в сердечнике. При измерении используют режим холостого хода трансформатора тока. В этом режиме магнитный поток увеличивается в результате отсутствия тока размагничивания, которое в свою очередь резко увеличивает ЭДС во вторичной обмотке. Электродвижущая сила, которая возникает во вторичной обмотке, зависит от конструктивных параметров сердечника, числа витков вторичной обмотки, силы тока, который протекает по резцу и частоты изменения магнитного потока. Величина частоты изменения магнитного потока пропорциональна частоте изменения тока и соответственно ЭДС резания.

В качестве второго параметра системы контроля используют инфракрасное излучение из зоны контакта резец-заготовка. ИК спектры выпускают возбужденные атомы или ионы при переходах между близко расположенными электронными уровнями энергии, что в нашем случае и происходит в результате адгезии . Для контроля ИК излучения рабочей зоны используют приемники ИК излучения, например , TSOP 4038, TSOP 58038, TSOP 5038, у которых есть цифровой выход и постоянный коэффициент усиления, который обеспечивает стабильность порога срабатывания датчика и его рабочей дальности действия. Сигнал из приемника ИК излучения поступает в цифровой блок обработки информации для сохранения и последующей обработки. Путем сравнения допустимых значений специализированной базы данных со значениями в соответствующих местах измерения рабочей зоны определяется критическим уровнем износа.

Система контроля режущего инструмента [4] состоит из устройства 1 (рис.1) измерения ЭДС резания и устройства 2 измерения потока инфракрасного излучения из зоны резания, которые параллельно подключены через усилители 3 и 4 электрических сигналов к датчику качания 5 и датчику 6 износа режущего инструмента. Первый выход датчика 5 касания и датчика 6 износа инструмента подключены к блоку 7 управления приводом подачи металлорежущего станка. Второй выход датчика 5 касания подключен к входу блока 8 «конец введения» устройства числового программного управления.

Рис.1 Блок-схема системы контроля процесса обработки деталей в условиях автоматизированного производства

            На выходе датчика износа формируються сигналы при условии достижения режущим инструментом величины критического износа. В датчике износа происходит сравнение интегрального уровня сигнала ,заданного на цифро-аналоговом преобразователе и соответствующей величине критического износа режущего инструмента.

Выводы:

На основании рассмотрения процесса обработки деталей приборов в условии автоматизированного производства, можно сделать выводы о том , что с увеличением износа инструмента по задней поверхности увеличивается фактическая  площадь контакта инструмента с деталью, где происходит взаимодействие инструментального и обрабатываемого материалов. В результате этого взаимодействия на поверхности контакта  происходит процесс обмена электронами, что сопровождается возникновением импульса сигнала. Поэтому с увеличением износа инструмента увеличивается фактическая  площадь контакта, растет частота возникновения всплеска сигнала, а также его общий уровень.

Промышленная апробация систем контроля процесса обработки деталей приборов в условии автоматизированного производства на основе ЭДС резания и ИК излучения показала высокую эксплуатационную надежность и точность, что позволяет эффективно использовать их в устройствах автоматического управления процессом обработки материалов на станках с ЧПУ , в условиях «безлюдной технологии».