2.5. Диагностирование состояния режущего инструмента в автоматизированном производстве

Повышение эффективности автоматических обрабатывающих комплексов тесно связано с проблемой автоматизации контроля и диагностирования состояния режущего инструмента, на долю которого приходится 23...60 % отказов на станках с ЧПУ. Созда­ние надежных систем адаптивного управления и активного конт­роля состояния инструмента должно базироваться на правильном выборе методов и средств обработки оперативной информации о процессах, происходящих при резании. Как известно, в резуль­тате взаимодействия обрабатываемого материала и инструмента возникают упругая и пластическая деформации срезаемого слоя (с превращением его в стружку) и обработанной поверхности, а также изнашивание (затупление) режущих кромок. Внешнее проявление изнашивания рабочих поверхностей инструмента опи­сывается в любой момент времени комплексом параметров, к кото­рым можно отнести: значение и интенсивность износа, шерохо­ватость обработанной поверхности, значение температуры и ха­рактер контакта, силовые характеристики, колебания инстру­мента и др. Оперативную информацию о действительном значении того или иного параметра получают с помощью различных датчи­ков (оптических, пневматических, механических, электрических, акустических, индуктивных и др.).

В настоящее время разработано большое число методов и уст­ройств автоматического определения работоспособности режущего инструмента, которые можно разделить на две группы: прямого или косвенного способа получения информации. С помощью способов прямого измерения получают информацию о значении износа передней и задней поверхности инструмента, смещении режущей кромки, шероховатости и размерах обработанной поверх­ности. Недостатком методов операционного контроля инструмента с использованием измерительных щупов тактильных и оптических датчиков является необходимость прерывания процесса обработки и вывода инструмента из рабочей зоны на измерительную позицию. Операционный контроль не позволяет оперативно обнаружить поломку инструмента, что может привести станок к выходу из строя.

Непосредственно при резании прямое измерение износа можно применить для операций, в которых инструмент не находится по­стоянно в контакте с заготовкой (например, при фрезеровании).

В этом случае используются пневматические и ультразвуковые датчики, оптико-электронные устройства, имеющие высокую раз­решающую способность (чувствительность датчика достигает 2,5 мкм). К недостаткам методов непосредственного измерения износа относятся снижение точности контроля вследствие нароста, образующегося на режущей кромке, жесткие условия работы датчиков ввиду наличия стружки и СОЖ в зоне контроля и опре­деление лишь интегрального значения износа, что недостаточно для оценки состояния режущего инструмента.

Способы косвенной оценки состояния инструмента включают контроль изменения усилий резания в процессе изнашивания (в том числе спектральный анализ переменной составляющей силы реза­ния и мощности, потребляемой приводным двигателем станка); измерение виброакустического сигнала, значения температуры контакта и ЭДС резания. Относительная простота контроля сило­вых параметров позволяет использовать их в системах адаптивного управления процессом резания. Однако зависимости значения износа от составляющих силы резания и условий обработки не являются универсальными, так как изменение режимов резания, геометрии инструмента и обрабатывающего материала требуют коррекции коэффициентов в уравнениях и вызывают большое рас­сеяние результатов.

Случайные изменения прочности и твердости обрабатываемого материала, нестабильность контактных процессов и циклический характер стружкообразования обусловливают возникновение в резце и заготовке колебаний различной частоты и амплитуды. Считается, что колебания инструмента в диапазоне звуковых частот отражают макроскопические механические свойства станка и процесса резания. Микроскопические явления, обусловленные внутренними механизмами пластической деформации и разруше­ния, микротвердостью, остротой режущей кромки и шероховато­стью обработанной поверхности, неразрывно связаны с динамиче­ским перераспределением полей, механических напряжений и возникновением высокочастотных сигналов А.

В настоящее время наибольшую надежность имеют лишь си­стемы диагностики поломки режущего инструмента на основе анализа средней амплитуды виброакустического сигнала. Анализ амплитуды и формы высокочастотного акустического сигнала мо­жет быть использован для идентификации характера разрушения инструмента (возникновение внутренних трещин, выкрашивание и полное разрушение). Построение надежных систем диагности­рования состояния инструмента в процессе его эксплуатации, основанных только на использовании сигналов акустической эмис­сии, затрудняется зависимостью уровня сигнала от места распо­ложения датчика, влиянием на показания датчика шумов от тре­ния стружки и зависимостью от многих параметров обработки.

В этой связи определенный интерес представляет метод, ос­нованный на измерении ЭДС, генерируемой в зоне скользящего контакта инструмента с заготовкой. Исследования показывают, что износ инструмента оказывает наибольшее влияние на перемен­ную составляющую ЭДС резания, которая в отличие от постоян­ной составляющей практически инвариантна к изменению других факторов (в частности, подачи и глубины резания).

Результирующая ЭДС резания включает постоянную состав­ляющую, определяемую усредненными значениями температуры контакта инструмент — заготовка и переменную (сигнал Е), обусловленную колебаниями мгновенных значений ЭДС относи­тельно своего среднего уровня. Будучи различными по физиче­ской сущности, сигналы А и Е представляют собой два самостоя­тельных источника информации о протекании процесса резания. Так как изменение сигналов А и Е носит случайный характер, при их обработке используются статистические методы.

Для спектрального анализа сигналов А и Е может быть приме­нен гибридный метод расчета их спектральной плотности. Согласно этому методу дискретные значения сигналов после ряда преобразо­ваний возводятся в квадрат и усредняются. Спектральный состав локальных сигналов А и Е существенно различается в пределах одного оборота заготовки, а увеличение износа инструмента (и повышение режима резания) вызывает возрастание энергии коле­баний сигналов. Установлено, что износ инструмента меняет форму локального спектра сигнала Е, не влияя на форму сигнала А. Если мощность спектра сигнала А с увеличением износа равно­мерно возрастает во всем диапазоне частот, то в спектре сигнала Е происходит перераспределение энергии, которое выражается в уве­личении мощности низкочастотных колебаний. Это явление может быть положено в основу алгоритма и системы диагностирования затупления инструмента.

Для построения алгоритма используется метод эталонов. В на­чальный период резания острым инструментом его состояние харак­теризуется некоторым вектором R₀ (рис. 2.5, а), который служит эталонным образцом и его значение запоминается на весь период стойкости данного инструмента. В каждый момент времени реза­ния определяется вектор R_i, характеризующий изменения отно­сительно R₀. Текущее состояние инструмента оценивается с по­мощью функционала изменения формы результирующего вектора R_r, который выражает среднее квадрэтическое значение отклоне­ния R_i от R₀. Факт затупления инструмента и необходимость его замены автоматически фиксируются в момент, когда вектор R_i (по модулю или положению) превысит заданное значение, опре­деляемое технологическим критерием затупления (область F). Положение векторов R₀ и R_i определяется углами α₀ , α_i и значе­ниями заданных частот f₀ , f_i спектра сигнала Е.

Рис. 2.5. Диагностирование затупления инструмента

при резании:

а – показатель износа; б - схема алгоритма;

в – схема системы диагностирования

Алгоритм (рис. 2.5, б) включает режимы обучения и контроля (блок «Вход»). В начале резания острым инструментом (блок РОИ) фиксируется эталонный вектор R₀ (блок 1) и продолжается про­цесс резания (блок ППР). В блоках 2 и 3 непрерывно определяются параметры текущего вектора R_i и рассчитывается значение функ­ционала R_r. В блоке РО разделяются режимы обучения и конт­роля. В режиме обучения (блок КЗД) для пробного инструмента определяется момент, когда заданный технологический критерий затупления достигнут. Соответствующее этому состоянию значе­ние R_r запоминается и принимается в качестве уставки С (блок 4) для острых инструментов с этим критерием затупления. В блоке РК заканчивается обучение и устанавливается режим контроля. При смене технологического критерия затупления режим обуче­ния повторяется. В режиме контроля (блок 5) осуществляется непрерывное сравнение R_r с уставкой С, и при R_r ≥ С блок ПРе вырабатывает сигнал о прекращении резания и замене инстру­мента (блок ЗИ).

Структурная схема системы диагностирования затупления инструмента на основе анализа спектра сигнала Е представлена на рис. 2.5, в. Значение ЭДС снимается с резца 1 и заготовки 3, а привязка к определенному месту на поверхности заготовки осуществляется с помощью датчика 2 угла поворота, который вы­дает синхронизирующий импульс СИ, обеспечивая запуск системы регистрации. Сигнал Е в измеряемом диапазоне частот 0,2...160 кГц в зависимости от материала и режима резания имеет значение от единиц до сотен микровольт, причем в диапазоне 0,2...20 кГц он максимальный, а на частотах свыше 20 кГц не превышает 1...15 мкВ. С учетом значительной неравномерности в ампли­тудно-частотной характеристике спектра ЭДС в систему включены два параллельно работающих усилителя Ус1 и Ус2 с коэффициен­тами усиления соответственно 10⁴ и 10⁵. Первый из них (низко­частотный) усиливает сигнал Е в диапазоне частот до 20 кГц, а второй (высокочастотный) — в диапазоне 20...200 кГц.

Так как система должна быть универсальной, необходимо при­нять диапазон частот, охватывающий все известные сочетания ма­териалов инструмент — заготовка и режимов резания. В качестве рабочих частот могут быть выбраны шесть: 0,2; 0,8; 3,2; 12,8; 50 и 200 кГц, что в логарифмической шкале обеспечивает равно­мерность разбивки всего частотного диапазона. Выделение сигнала Е на выбранных частотах выполняется методом фильтрации с по­мощью шести узкополосных третьоктавных фильтров f₁… f₆ причем f₁… f₃ подключены к выходу Ус1, а f₄… f₆ — к выходу Ус2. На выходе каждого из фильтров установлены детектор и интегра­тор, обеспечивающие соответственно выпрямление и сглаживание сигнала. Напряжения с шести интеграторов заводятся через коммутатор аналоговых сигналов КАС и АЦП в ЭВМ и служат исходными данными для построения показателя затупления ин­струмента, индексируемого с помощью сигнализатора затупле­ния СЗ.