Контрол на качеството в металообработването – прецизни измервания

• Много фактори в геометрията на машината, системата за управление и износването могат да доведат до отклонение в параметрите на обработката
  
  
• Машините за измерване на координати са устройства за автоматизирано измерване на геометрията на обработените детайли чрез засичане на дискретни точки на повърхността
  
  
• Прецизното определяне на усилието при рязане е най-ефективният метод за следене на работата на металорежещите инструменти и процесите на обработка

CNC обработката често е последната стъпка, а понякога и единствен процес на обработка, в производството на изделия от метал. В сравнение с други техники за обработване на метали, центрите с цифрово програмно управление са в състояние да отговорят на най-строгите допуски и да произведат най-високоточните и прецизни обемно-профилни повърхнини с висока степен на повторяемост. Автоматизираните машини с цифрово програмно управление работят с минимален брой ръчно управлявани операции и контрол, което ги прави много производителни и гъвкави.

При обработката със CNC центри през целия производствен процес стриктно се прилагат принципите на метрологията, за да се гарантира, че всеки обработван детайл ще бъде с правилния размер и форма в съответствие със зададените допуски за отклонение. Когато преследваната прецизност е толкова висока, трябва да сме въоръжени със сложни измервателни средства и инструменти за контрол на качеството на обработката и уменията да ги използваме. Инструменталният магазин на всеки отделен тип металообработваща машина използва различен набор от измервателни инструменти в зависимост от вида, количеството и качеството на операциите, за които е предназначена.

Компенсиране на неточност от системата на CNC машината

Отклоненията в точността на CNC машините се дължат предимно на геометрични грешки, кинематични грешки, топлинни деформации, силови деформации, вибрации и др. Систематичните грешки могат да бъдат дефинирани и компенсирани, за разлика от тях обаче случайните грешки е трудно да бъдат моделирани и коригирани.
Точността във взаимното разположение на работните оси на машината определя и взаимното разположение на инструмента и детайла, който се обработва. По тази причина, точността на обработката пряко зависи от това колко точно машината проследява праволинейните и ъглови премествания спрямо координатната система на инструмента. Понякога геометричните отклонения в машината изменят и реалните кинематични условия на обработка спрямо заложения в нея модел.

От основополагащо значение за прецизността на цялостния процес е правилното настройване на основната машинна координатна система (ОМКС) и задаването на началото на координатната ос. Това определя точността на извършваните върху машината обработки след това. Тези стойности се записват като параметри в системата за цифрово програмно управление.

При колизии или ремонтни дейности е възможно да се появят хлабини и началните параметри за позицията да се променят в малки стойности, поради което е важно те да се следят и при промяна да се въведат актуалните такива.

В много случаи обаче тези настройки не са достатъчни. Понякога грешката в изработката и компановката на металообработващата машина не може да бъде компенсирана. Такива грешки може да се реализират като отклонения в успоредността, перпендикулярността и съосността в осите на завъртане на машините. В такива случаи трябва грешките в машината първо да бъдат измерени и след това коригирани. За целта на обработка се подлага тестов детайл, който след това се измерва със специализиран софтуер, който сравнява стойностите от физическия модел с CAD модела и установява какви са отклоненията. За да бъдат компенсирани те, един от методите е да се генерира NC програма с координатна система, изместена и завъртяна спрямо машинната координатна система, и тя да служи като работна система. Също така изчислените грешки могат да се въведат като параметри в самата CNC машина.

Координатно-измервателни машини

Координатно-измервателните машини (coordinate measuring machines – CMM) са устройства за автоматизирано измерване на геометрията на обработените детайли чрез засичане на дискретни точки на повърхността на обекта със сонда. Конструкцията на мостовата координатна машина има П-образен профил, поддържана от колони, които се движат от двете страни на работната маса. Сондата може да се движи между двете колони на конструкцията, както и в посока надолу и нагоре.

Координатно-измервателните машини обикновено определят позицията на сондата по отношение на нейното изместване от референтна позиция в триизмерна декартова координатна система т.е. по осите X,Y и Z. За измервания на сложни обемно-профилни повърхнини много машини също позволяват да се контролира и ъгълът на сондата. За всяка ос отделен сензор следи позицията на сондата спрямо нея с микрометрична точност.

Когато сондата открие определено място върху обекта, машината регистрира данни от трите сензора за положение, като по този начин измерва местоположението на една точка на повърхността на обекта, както и триизмерния вектор на направеното измерване. Този процес се повтаря при необходимост, като всеки път сондата се движи, за да се получи “облак от точки”, който описва повърхностите. Измервателните сонди могат да бъдат от различен тип – механични, оптични, лазерни и др.

Първоначално сондите са били механични и са регистрирали координатите чрез директен контакт с повърхността. Оптичните сонди, разработени по-късно, сканират изображения при определени координати, регистрирайки промени в контраста в изображението, за да определят точните стойности.
Съвременните сонди използват или лазерни сензори, или такива с бяла светлина за сканиране на обекти, генерирайки облаци от точки. Тази технология дава възможност за интегриране с CAD софтуер и създаване на виртуални 3D модели на части с висока степен на точност. Те се анализират чрез алгоритми за регресия за изграждане на характеристики.

CMM машините, предназначени за измервания в електрониката, автомобилната, космическата и други високотехнологични индустрии, отговарят на свръхпрецизни метрологични изисквания. Те регистрират данни от триизмерни измервания на високоточно машинно обработени компоненти като цилиндри на автомобилни двигатели, лопатки на авиационни двигатели, като част от процеса на контрол на качеството. Един начин да се постигне метрологична точност на такова ниво е чрез интегриране на оптични или лазерни енкодерни системи. Използват се линейни енкодери за положение съвместно с контактни сонди и системи за машинно зрение за измерване на дискретни точки от детайла. След това тези данни се използват, за да се гарантира, че детайлите са обработени в границите на проектно заложените допуски.

В новите поколения CMM машини от този тип се вграждат суперкомпактни, безконтактни инкрементални енкодерни системи със скорост до 10 m/s и резолюции до 1 nm както за линейни, така и за ротационни приложения. Производителите обръщат голямо внимание на улесненото и бързо калибриране с едно натискане на бутон. Динамичната обработка на сигнала на енкодера дава подобрена стабилност с ултраниска грешка от < ±30 nm, за да се постигне безупречна точност на движението.
Друга авангардна технология са интерферометричните лазерни енкодери, специално проектирани за приложение в CMM машини за определяне на позиция. Тази система се състои от компактно фиброоптично лазерно устройство с интерферометрично измерване на отместването и една или две детекторни глави, проектирани според изискванията на конкретното приложение.

Тестване и анализ на грешки в траектории по дъга

На теория, ако за траекторията на една металообработваща машина е програмирана дъга с определен радиус и позиционирането на машината е перфектно, тогава действително описаната дъга ще съвпада точно с програмираната. На практика обаче много фактори в геометрията на машината, системата за управление и износването могат да доведат до отклонение на радиуса на една тестова окръжност и нейната форма от заложената в програмата.

В практиката се прилага метод, който включва измерване на действителния контур и неговата съпоставка и анализ с програмирания. По този начин се дефинират отправните мерки за корекция на точността на машината. За тази цел се използва специален телескопичен уред със сферични сензори (testing ballbar).

Това е най-бързият, лесен и ефективен начин за анализ на състоянието на инструмента. В основата на системата е самият детектор, който се характеризира с много висока точност и се състои от телескопичен линеен сензор, като в двата му края са разположени сензорни сфери. Сферите са кинематично разположени между високопрецизни магнитни чашки, едната е прикрепена към работната маса, а другата към шпиндела на машината или корпуса на шпиндела. Това разположение позволява на уреда да измерва дори и най-малките отклонения в радиуса, тъй като машината следва програмираната кръгова траектория.

Събраните данни от измерванията се използват за изчисляване на точността на позициониране (сферичност, кръгово отклонение) в съответствие с международните стандарти като ISO 230-4 и ASME B5.54. Данните се визуализират графично, както и в цифров формат и впоследствие се използват при диагностиката.

Процесът на тестване се състои от три етапа. Свързването и настройката на параметрите на системата е първият и се извършва бързо. Необходимо е да се избере съответстващата на детайла програма в машината. Центриращата шарнирна стойка се позиционира върху масата на машината, шпинделът се премества върху референтна точка и се задава нулата на тестовата координатна система.

Стандартната процедура на тестване изисква инструментът да изпълни две последователни окръжности – едната по посока на часовниковата стрелка, другата обратно на часовниковата стрелка. На практика се добавя още една допълнителна дъга преди и след тестовата окръжност, за да може машината да ускори и след това да забави ход.

Използват се удължителни пръти, за да се постигне такъв тестови радиус, който да отразява размера на машината и чувствителността към определени проблеми. Например по-големият радиус е по-подходящ за подчертаване на грешки в геометрията на машината, по-малкият радиус е по-чувствителен към проблеми в сервоуправлението.

С възможностите на специализиран софтуер за анализ регистрираните данни могат да се визуализират в реално време. Тестванията могат да се изпълняват в три ортогонални равнини. Също така машината може да обхожда освен дъги от 360° и ограничени такива от 220° в две от равнините, което дава възможности за по-подробна тестова картина за анализ.

След това софтуерът анализира измерените данни, като генерира резултати спрямо съответствието с различни международни стандарти, например ISO 230-4, ASME B5.54. Изчерпателен отчет от диагностиката дава цялостна оценка на точността, а допълнително се представя разбивка с резултати за конкретни грешки при позициониране на машината. Всяка грешка се класира според нейната значимост за цялостната производителност на машината заедно със стойността на грешката. Отчетите могат да бъдат персонализирани и да предоставят задълбочена диагностика на определени грешки, без това да изисква повторно провеждане на тествания.

Контрол на точността чрез сензори

Тъй като прецизното определяне на усилието при рязане е най-ефективният метод за следене на работата на металорежещите инструменти и процесите на обработка, този метод е и незаменим в много области на изследване и приложения за мониторинг на условията на работа на металорежещите инструменти, анализ на методите на обработка, оценка на износването на инструмента в реално време, проектиране на подходящи машинни инструменти, характеризиране и оптимизиране на производствения процес и параметрите на рязане и т.н. Следователно сензорните системи за измерване на усилието и момента при металообработка се радват на голямо внимание от производителите на оборудване и други свързани индустрии.

Усилието при рязане по време на процеса на обработка зависи от много параметри като дълбочина на рязане, конфигурация на режещия инструмент, скорост на подаване, материал на детайла и инструмента и някои неизвестни фактори като метод на охлаждане.

Системите за измерване на усилие при рязане могат да бъдат разделени условно на две групи – индиректни и директни методи на измерване. Директно измерване се отнася до определяне на силата на рязане чрез използване на динамометрични способи. Това може да се извърши чрез механично-магнитни, механично-електрически и механично-оптични преобразувания, докато индиректното измерване се отнася до изчисляване на динамични параметри, свързани със силата на рязане, като ускорение, акустични вълни, вибрации и сила на тока на мотора на шпиндела. Най-често срещаните индиректни подходи за измерване или наблюдение на силата на рязане се основават на измерване на тока и мощността на мотора.

Директните способи са широко използвани, тъй като те могат да осигурят по-точно измерване на силата на рязане. Въпреки че при тях има редица недостатъци, като високата им цена например, ограничения при разположението, уязвимост на претоварване и т.н., развойната дейност в технологиите за директно измерване дава интересни резултати с обещаващи перспективи. Разработен е интегриран метод за измерване на силата на рязане за проверка на геометрията, комбиниран с пиезоелектричен сензор за усилие с висока разделителна способност (0,44 mN) и висока чувствителност (7 mV/gm), който е възприет в някои индустрии за измерване на силата на подаване с удар при процес на рязане с диамантно острие. Нов цилиндричен капацитивен сензор за изместване с магнитен преобразувател за наблюдение на процеса на фрезоване представлява друг обещаващ способ.

Сензорите за усилие полагат нов път към възможностите за интелигентни решения за автоматизация. Това е така, защото тези сензори предоставят на роботите почти подобно на човешкото възприятие за допир, което им позволява да установят усилие и въртящ момент, приложени към крайния обект, при 6 степени на свобода. С такива характеристики роботът може да упражни натиск с постоянна прецизно регулирана сила, да напасва лицеви повърхности и да поставя елементи при приложения за сглобяване. Роботи, оборудвани с тази технология, могат да изпълняват задачи по сглобяване, контурна обработка и измерване в редица индустрии с прецизност, близка до тази при ръчна работа.

Лазерно сканиране на детайли

Лазерното сканиране освен използвано като самостоятелна технология разширява и възможностите на традиционните CMM методи за измерване на геометрията на детайла безконтактно и напълно автоматизирано, предоставяйки ценна информация за производствения процес.

Координатно-измервателните машини, снабдени с лазерна сонда, са чудесен избор за сканиране на малки до средни по размер детайли с висока точност. Рамото на скенера е монтирано на неподвижна основа и има шест или седем съчленения, оборудвани с енкодери, които следят точното разположение. Лазерната сонда генерира лъч, който се проектира върху повърхността на обекта. Сензорът на камерата на лазерната сонда събира данните, на база на които се изгражда 3D модел чрез облак от точки, без да се осъществява контакт с обекта. Когато се сканира, е изключително важно частите да останат напълно неподвижни. Всяко движение по време на сканиране ще доведе до неточности като раздвояване на изображението или шум.

С лазерни скенери може да се постигне голяма точност при изключително висока резолюция. При лазери от висок клас разделителната способност може да достигне 15 mm, което се равнява на 2000 точки на лазерната линия. Оптималната точност се запазва дори при сканиране на гладки отразяващи повърхности благодарение на прецизния лазерен лъч. За да се запази постоянна точност, са предвидени мерки за температурна компенсация на 3D скенера, които решават проблемите, свързани със загряване.

Една от най-новите разработки в сферата на лазерната метрология дава възможност за измервания на успоредност от точка до точка. С тази нова функционалност потребителите могат да извършват прецизни настройки за успоредност до степен, която преди бе непостижима с традиционните техники за измерване.

Лазерната система за подравняване е бърз, прецизен и ефективен инструмент за измерване на праволинейност, правоъгълност, успоредност и нивелиране, както и за оценка на посоката на шпиндела и коаксиалността на въртящи се машинни елементи. Това е мощен инструмент за диагностициране на източници на грешки след цялостен или рутинен частичен ремонт на инструмента.