Главная»Статьи»Система контроля детали и инструмента для обрабатывающих центров с ЧПУ

Контроль точности обработки на станках с ЧПУ: методы, оборудование и современные системы

Содержание:

Появление станков с ЧПУ серьезно изменило подход к вопросу контроля инструмента, заготовки и детали при подготовке и в процессе обработки. Сами этапы выполнения работ остались неизменными. Вот они:

измерение и установка заготовки с заданным ориентированием ее относительно осей станка (привязка заготовки)
измерение и установка инструмента в рабочий орган станка, а также его привязка
предварительная обработка детали
промежуточный контроль состояния и размеров инструмента
промежуточный контроль размеров детали
ввод корректив по результатам промежуточного контроля
окончательная обработка с учетом корректив
измерение размеров готовой детали с выводом о ее соответствии требованиям чертежа

Что изменилось?

Во-первых, для станков с ЧПУ привязка инструмента производится не к детали (по первой стружке), а к системе координат станка. К ней же привязывается заготовка. Это позволяет разделить две процедуры привязки и сделать их независимыми.

Во-вторых, для станков с ЧПУ доля времени на вспомогательные операции (измерение, привязка, контроль) при «ручном» их исполнении становится непомерно большой в общем цикле изготовления детали. Это связано с высоким уровнем автоматизации и большей производительностью непосредственного процесса обработки.

В-третьих весь процесс обработки происходит, что называется за «закрытыми дверьми». Для промежуточного контроля станок необходимо останавливать. Кроме того, поломка инструмента остается незамеченной, и станок как ни в чем не бывало продолжает обработку огрызком резца или фрезы.

Все это привело к появлению автоматизированных систем привязки и контроля инструмента и детали, которые интегрированы, как правило, с системой ЧПУ станка. Сердцем такой системы является комплект датчиков и щупов, которые обеспечивают измерения, а также комплект программного обеспечения, который обеспечивает интеграцию с системой ЧПУ и предлагает ряд разнообразных возможностей.

Что такое контроль точности обработки на станках с ЧПУ?

Контроль точности обработки на станках с ЧПУ — это комплекс программно-аппаратных методов и процедур, направленных на автоматическое измерение геометрических параметров заготовки, режущего инструмента и готовой детали на различных этапах производственного цикла. Главной целью контроля является обеспечение стабильности качества выпускаемой продукции, исключение влияния «человеческого фактора» на процесс измерения, компенсация естественного износа или поломки инструмента и минимизация процента брака при обработке сложных изделий.

Основные задачи контроля

В рамках современного высокоточного производства контроль решает следующие критически важные задачи:

Контроль геометрии изделия: измерение линейных размеров, допусков формы и взаимного расположения поверхностей непосредственно на станке.
Привязка систем координат станка и заготовки: точное определение положения базирующих элементов заготовки относительно осей перемещения рабочих органов станка.
Обнаружение технологических ошибок: своевременное выявление смещения заготовки в тисках или патроне, а также предотвращение запуска обработки при неправильной загрузке.
Контроль состояния и износа режущего инструмента: своевременное измерение вылета и радиуса режущих кромок, компенсация тепловой деформации фрез/резцов и оперативный останов оборудования при их критическом повреждении.

Методы и способы контроля точности ЧПУ

Контроль геометрии и точности станка

Для того чтобы обрабатывающий центр с ЧПУ мог стабильно выдерживать жесткие допуски, проводится регулярная проверка его геометрических параметров. Она включает в себя:

Проверку прямолинейности, плоскостности и взаимной перпендикулярности направляющих осей с помощью прецизионных линеек, уровней и угольников.
Измерение радиального и осевого биения шпинделя с использованием высокоточных стрелочных индикаторов.
Оценку точности и повторяемости позиционирования осей с использованием лазерных интерферометров, регистрирующих отклонения по всей длине хода осей с точностью до нанометра.

Динамический контроль (метод шариковой балки — Ballbar)

Динамический контроль точности станка в движении осуществляется методом шариковой балки (Ballbar). В процессе теста шпиндель описывает круговую траекторию вокруг центрального датчика, закрепленного на рабочем столе. Специальный датчик непрерывно считывает микроотклонения фактического радиуса от эталонного. Этот метод позволяет оперативно диагностировать динамические погрешности следования по контуру, несогласованность скоростей приводов по осям

 $X, Y, Z$

, наличие люфтов в шарико-винтовых парах (ШВП) и износ направляющих без разборки станка.

Контроль детали непосредственно в процессе обработки (In-Process)

Контактные методы (щупы)

В основе классической системы автоматизированного контроля находятся два элемента:

Датчик для измерения и контроля инструмента.
Датчик (щуп) для контроля детали.

Между датчиками и системой ЧПУ станка, на котором используются эти датчики, должна быть установлена связь. Сигнал срабатывания датчика должен попадать в систему ЧПУ станка, чтобы зарегистрировать момент касания заготовки или инструмента щупом датчика. Кроме того, между системой ЧПУ и датчиком должна существовать обратная связь, чтобы УЧПУ станка могло управлять работой датчиком. Эта связь может быть оптической, индуктивной, радиочастотной или проводной.

Щупы для контроля детали находятся в инструментальном магазине станка и устанавливаются в шпиндель сменщиком инструмента. Датчики контроля инструмента устанавливаются, как правило, на рабочем столе станка и соединены с ЧПУ проводной связью.

Изменение подходов в ЧПУ-обработке:

Привязка к системе координат станка: Для станков с ЧПУ привязка инструмента производится не к детали (по первой стружке), а к системе координат станка. К ней же привязывается заготовка. Это позволяет разделить две процедуры привязки и сделать их независимыми.
Сокращение вспомогательного времени: Для станков с ЧПУ доля времени на вспомогательные операции (измерение, привязка, контроль) при «ручном» их исполнении становится непомерно большой в общем цикле изготовления детали. Это связано с высоким уровнем автоматизации и большей производительностью непосредственного процесса обработки.
Контроль за «закрытыми дверьми»: Весь процесс обработки происходит, что называется, за «закрытыми дверьми». Для промежуточного контроля станок необходимо останавливать. Кроме того, поломка инструмента остается незамеченной, и станок как ни в чем не бывало продолжает обработку огрызком резца или фрезы.

Рассмотрим возможности подобных систем на примере продукции известнейшей в этой области компании Renishaw. Большинство клиентов Renishaw применяет датчики для привязки заготовки к системе координат станка и для осуществления перехода в рабочую систему координат в системе ЧПУ станка. Все измерения выполняются в автоматическом режиме, включая обновление коррекции в системе ЧПУ станка, что позволяет исключить влияние человеческого фактора и необходимость в постоянном присутствии оператора. Другое широко распространенное применение датчиков Renishaw — распределение припусков перед началом финишной обработки. По окончании черновой обработки выполняются измерения, результаты которых загружаются в систему ЧПУ. Затем на основании результатов измерений происходит автоматическая корректировка программы финишной обработки станка.

Привязка к системе координат станка: Датчик позволяет определить положение заготовки, обновляя автоматически значения рабочих смещений и обеспечивая правильность обработки детали с первого раза.
Идентификация заготовок при использовании гибких производственных систем.
Определение положения заготовки, а также обнаружение ее неправильной загрузки с целью исключения брака.
Распределение припусков на обработку с тем, чтобы быстро и безопасно подвести режущий инструмент к заготовке.
Контроль первой детали: При изготовлении партии одинаковых изделий контроль первой детали непосредственно на станке позволяет снизить время простоя станка, связанное с ожиданием результатов проверки на дополнительном устройстве вне станка, и производить автоматическую коррекцию любых ошибок.
Контроль внутри технологического процесса: Измерение параметров деталей после предварительной обработки позволяет обеспечить необходимую точность финишной обработки и выявить ошибки, прежде чем они приведут к появлению бракованного изделия. Периодичность измерений определяется стоимостью изготавливаемой детали и степенью уверенности в неизменности характеристик станка на протяжении всего процесса обработки. Проверять основные параметры изделия в процессе автоматической обработки обычно приходится при изготовлении дорогостоящих деталей.
Окончательный контроль: Контроль детали на соответствие заданным допускам по окончании обработки позволяет убедиться в том, что изготовленное изделие соответствует заданным техническим требованиям, и получать размеры обработанных изделий для статистического мониторинга процесса обработки.

При наладке инструмента неподвижный или вращающийся инструмент подводится к щупу датчика и касается его наконечника:

Наладка по длине неподвижного инструмента (метчики, сверла и т.п.).
Наладка по длине вращающихся торцевых фрез и другого крупногабаритного режущего инструмента.
Наладка вращающегося инструмента (шпоночные фрезы, расточные оправки и т.п.) по диаметру.

Контроль инструмента включает в себя проверку длины и диаметра режущего инструмента перед началом обработки, для того чтобы исключить ошибки при выборе инструмента. Определение поломки инструмента обеспечивает быструю автоматическую проверку режущего инструмента на предмет поломки (изменения длины) после окончания обработки.

Бесконтактные методы

Наряду с контактными щупами на современных высокопроизводительных станках применяются бесконтактные лазерные и оптические датчики. Они используют направленный лазерный луч для контроля инструмента непосредственно в процессе его вращения на рабочих скоростях (до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту). Бесконтактные системы мгновенно выявляют сколы отдельных зубьев фрезы, биение инструмента, износ режущей кромки и тепловое расширение шпинделя без остановки вращения и без риска механического повреждения микроинструмента (например, сверл диаметром менее 0.1 мм).

АО КоСПАС — высокоточная металлообработка в Москве с 1991 года
На собственном механообрабатывающем производстве АО КоСПАС мы активно применяем как контактные измерительные головки, так и бесконтактные лазерные датчики контроля на токарных и фрезерных обрабатывающих центрах с ЧПУ. Благодаря этому мы гарантируем нашим клиентам безупречную точность изготовления деталей на заказ, полное отсутствие брака в серийных партиях и 100% выходной контроль геометрических параметров.

Современные системы контроля точности обработки с ЧПУ

Для автоматизации измерительных циклов и интеграции датчиков контроля в управляющие программы используются специализированные программные комплексы. Постпроцессоры Renishaw обеспечивают полную совместимость программного обеспечения семейства Productivity+™ с большинством современных систем ЧПУ.

Productivity+™ ActiveEditorPro
- Краткое описание: Автономное программное обеспечение для автоматизированного создания измерительных циклов на основе трехмерных компьютерных моделей (CAD).
- Возможности: Позволяет импортировать объемные модели в формате Parasolid®, программировать контактные измерения простым выбором поверхностей мышью в диалоговом интерфейсе, считывать существующие G-коды и добавлять в них циклы калибровки без ручного редактирования. Программа включает встроенную функцию обнаружения столкновений датчика с элементами заготовки и оснастки.
- Где и для чего применяется: Применяется в авиационной, приборостроительной и инструментальной промышленности для высокоточного контроля сложных корпусных деталей, лопаток турбин, пресс-форм и штампов, позволяя готовить измерительные программы на ПК без вывода станков из производственного процесса.
Productivity+™ ActiveEditor
- Краткое описание: Диалоговое программное решение для создания управляющих программ со встроенными измерительными циклами в условиях отсутствия исходных 3D-моделей.
- Возможности: Интегрирует измерительные циклы для привязки заготовки, наладки инструмента и поиска его поломки в существующие управляющие программы с помощью интерактивного графического интерфейса пользователя (GUI) со встроенным справочником. Исключает ручной ввод кодов в систему ЧПУ станка.
- Где и для чего применяется: Используется на многопрофильных металлообрабатывающих предприятиях при мелкосерийном производстве деталей средней сложности (валы, втулки, фланцы, плиты) по классическим плоским чертежам.
Productivity+ GibbsCAM®
- Краткое описание: Интегрированная в CAM-среду утилита для моделирования и создания измерительных операций непосредственно в процессе разработки траектории обработки в GibbsCAM®.
- Возможности: Поддерживает полную совместимость с GibbsCAM® (версий 6, 7 или 8). Позволяет визуализировать работу измерительного щупа на экране ПК, рассматривая датчик как стандартный инструмент из магазина станка. Программа автоматически рассчитывает измерительные циклы для привязки заготовок, контроля износа инструмента и проверки готового изделия до постпроцессирования и вывода управляющей программы на станок, предотвращая коллизии.
- Где и для чего применяется: Применяется в серийном и массовом машиностроении, автомобилестроении и высокоточном приборостроении для сквозного программирования обработки и контроля сложных деталей на многоосевых фрезерных и токарно-фрезерных центрах.

Нормативная база (ГОСТы)

Контроль геометрической и динамической точности металлорежущего оборудования с ЧПУ на производстве регламентируется актуальными государственными и международными стандартами:

ГОСТ Р ИСО 13041-1-2021 — Условия испытаний токарных станков с числовым программным управлением и токарных обрабатывающих центров. Часть 1. Геометрические испытания станков с горизонтальной осью вращения инструментального шпинделя.
ГОСТ ISO 230-2-2016 — Испытания станков. Часть 2. Определение точности и повторяемости позиционирования осей с числовым программным управлением.

Соблюдение данных нормативных актов гарантирует точность заводских измерений, единство метрологических подходов и позволяет сертифицировать станочный парк под строгие требования b2b-заказчиков.

Выводы и рекомендации

Контроль точности обработки на станках с ЧПУ — это обязательный технологический процесс, обеспечивающий соответствие готовых деталей требованиям чертежа. Он решает три основные задачи: контроль геометрии изделия, привязку систем координат станка и заготовки и оперативное обнаружение ошибок, таких как износ инструмента или смещение детали. В условиях серийного и массового производства эффективный контроль позволяет минимизировать брак и обеспечивать стабильно высокое качество, часто достигая допусков уровня IT7 и выше. Для сертификации станка — нужны методы из ГОСТов, для оперативного контроля — щупы, для 100% контроля сложных деталей в потоке — лазерные системы.

Рекомендации завода АО КоСПАС:
Для оптимизации производственных затрат мы рекомендуем использовать комплексный подход к контролю. Внедрение автоматических измерительных систем Renishaw или аналогичных лазерных комплексов позволяет минимизировать время на вспомогательные операции привязки (вручную этот процесс занимает до 30-40% общего цикла). Программирование измерительных циклов на этапе CAM-проектирования (с помощью ПО класса Productivity+) защищает дорогостоящее оборудование от аварий, продлевает ресурс режущего инструмента и гарантирует безупречную повторяемость прецизионных деталей.

Автор статьи: ведущий технолог АО «КоСПАС» М.В. Ягупов

Обратная связь