Быстрое увеличение объемов и темпов производства предъявляет высокие требования к средствам контроля процесса обработки, локализации и устранения неисправностей, а как следствие – повышение качества.

Потеря режущей способности инструмента, то есть его износ, является основной причиной брака продукции и в большинстве случаев – отказ основных узлов станка. Работа чрезмерно изношенным режущим инструментом может привести к потере дорогого инструментального материала. Поэтому своевременный контроль состояния инструмента, а также коррекция производственного процесса в режиме реального времени просто необходимы.[1]

В настоящее время существует достаточно много методов контроля режущего инструмента. Некоторые из них являются устаревшими, некоторые – трудно реализовать, а некоторые требуют совершенствования с целью повышения их скорости и надежности.

Если проанализировать все существующие методы контроля, можно прийти к выводу, что для достижения более точной работы, система диагностики режущего инструмента должна базироваться на измерении и анализе двух и более параметров процесса резания, а именно мощности резания и переменной составляющей ЭДС резанья.

В результате изменения крутящего момента на валу двигателя в результате изменения состояния режущего инструмента меняется его потребляемая мощность. Поэтому регистрация колебания из сети потребляемой мощности приводными электродвигателями может служить параметром, по которому можно оценить износ режущего инструмента.

Такой метод является одним из самых простых для контроля состояния режущего инструмента при резаньи. К преимуществам такого способа контроля можно отнести его простоту, невысокую стоимость, доступность информативного параметра, отсутствие существенной модернизации оборудования.

Рассматриваемый метод может беспрепятственно использоваться в условиях автоматизированного производства, но по сравнению с выше рассмотренными методами имеет низкую достоверность данных о состоянии режущего инструмента на основе которых трудно точно оценить величину износа.

В процессе обработки станок выполняет определенную работу. В зависимости от его мощности, выполняемая работа может быть выполнена за разное время. Мощность станка характеризуется работой, которую он выполняет за одну секунду.

Мощность в общем случае равна мощности технологического процесса, для выполнения которого и создается повод. Потребляемая мощность электродвигателя определяется по формуле:

 (1.1)или, (1.2)

где P – механическая полезная мощность на валу (указана на электродвигателе);

η - коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя;

f - угол между активной и полной мощности (Рис. 1.1);

U – напряжение источника питания, В;

I – сила тока, А;

Pa – активная мощность, кВт;

Q – реактивная мощность, ВА.

Рисунок 1.1 – Векторное представление мощностей электродвигателя

Активную мощность электродвигателя можно рассчитать по формуле:

 (1.3)или (1.4)

В то время реактивная мощность рассчитывается по формуле:

 (1.5), [2]

При проведении обработки происходит изменение нагрузки на привод станка может быть вызвано изменением режимов резания, износом режущего инструмента, поломкой станок, и тому подобное. Изменение нагрузки можно легко отслеживать по изменению активной мощности электродвигателя измеряя приложенное напряжение (U) и силу тока (I), проходящего через двигатель в определенный момент обработки.

Данный метод позволяет получить информацию из зоны резания о состоянии режущего инструмента непосредственно путем измерения ЭДС резания что генерируется в зоне скользящего контакта инструмента с обрабатываемой деталью.

Данный метод является наиболее распространенным в производстве и наиболее теоретически обоснованным.

Метод контроля состояния режущего инструмента на основе измерении ЭДС резанья позволяет очень точно оценивать состояние инструмента и может быть использован в условиях автоматизированного производства. Но несмотря на это все у данного метода есть один весомый недостаток, а именно невозможность использования при обработке неметаллических материалов.

ЭДС резания можно выразить формулой, полученной на основе экспериментов (1.6)

 (1.6)

где U – контактная разность потенциалов, B,

d – средний диаметр пятна контакта инструмента с деталью, мм,

to - постоянная стружкообразования, c.

Наиболее мощный источник электричества локализовано на задней поверхности инструмента, так как Электрическая проводимость на задней поверхности выше по сравнению с проводимостью на передней поверхности. Поэтому, электрическое напряжение, что фиксируется измерительным прибором, представляет собой в основном электрическое напряжение, возникающее на задней поверхности режущего инструмента при резке.

Исследования Зорева Н. Н. и Полетики М.Ф. показывают, что на задней поверхности инструмента присутствует упруго-пластический контакт, возникает в результате волны упругого восстановления. Принимая форму контакта инструмента с деталью в виде сферы, получим c1 = 3. Подставляя величину Sr с в, а также учитывая, что

 (1.7)

где f – частота контакта микровыступов инструмента с деталью, можно выразить величину износа режущего инструмента по задней поверхности в следующем виде (1.8)

_, (1.8), [3]

Система контроля износа режущего инструмента (рис.1.2) состоит из датчика измерения ЭДС 1, сигнал от которого через усилитель 2 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 5. На этот же АЦП через усилитель 4 поступает сигнал от датчика мощности 3. Далее сигнал поступает на блок сравнения 6. Этот блок, с учетом корректирующих параметров, что содержаться в базе данных 9 передает информацию об отклонениях от нормы на блок принятия решений 7. Данный блок передает сигнал корректировки на исполнительный механизм, который меняет значения скорости вращения шпинделя и подачи в процентном соотношении. В случае невозможности дальнейшей корректировки, исполнительный механизм включает аварийный останов, что повлечет за собой вызов оператора и смену инструмента.

Рис 1.2 – Структурная схема системы контроля износа режущего инструмента