Мониторинг силы резания в реальном времени повышает точность и эффективность

Рисунок 1. Силы резания при механической обработке можно измерить косвенно с высокой точностью, используя пьезоэлектрические датчики деформации, такие как 9232A от Kistler. (Изображение:Группа Кистлер)

Высокая производительность, низкие производственные затраты и высокое качество деталей:это ключевые факторы, обеспечивающие устойчивость, прибыльность и конкурентное преимущество для промышленных производителей. Надежный мониторинг оборудования дает ценную информацию о текущих процессах в режиме реального времени; это основа надежного, продуктивного и воспроизводимого производства, а также помогает операторам станков принимать обоснованные решения как по краткосрочным, так и по долгосрочным улучшениям. Эта технология может даже обнаруживать аномалии в высокодинамичных процессах обработки, поэтому пользователи могут мгновенно реагировать, обеспечивая высокую производительность, снижая процент брака и продлевая срок службы инструментов. Благодаря всем этим преимуществам непрерывный мониторинг машин и процессов на основе подходящей сенсорной технологии является решающим фактором успеха в современной обрабатывающей промышленности.

Мониторинг машины с помощью тензодатчиков ПЭ

Решения для мониторинга машин от Kistler Group, Винтертур, Швейцария, оснащены датчиками, которые можно интегрировать в механическую и электрическую среду машины. Однако в определенных местах машины будут установлены только те датчики, которые действительно необходимы. Такой подход сводит к минимуму сложность и стоимость системы мониторинга машины, хотя интеграция датчиков в механические и электрические конструкции машины все еще может быть сложной задачей.

Тип и положение датчика являются решающими факторами успеха в регистрации высокодинамичных процессов с максимальной точностью. Датчик необходимо располагать близко к месту резания таким образом, чтобы он не мешал процессу обработки, но в то же время не подвергался никаким воздействиям, кроме самого резания. Мониторинг сил резания играет ключевую роль в обеспечении стабильных операций обработки, необходимых для производства компонентов с жесткими допусками. Пользователи, которые выбирают подобные решения для мониторинга станков, также могут перейти к автономной обработке и при этом сократить общие затраты на обработку.

Одним из способов определения сил резания является измерение сил деформации, действующих на конструкцию станка. Этого можно достичь с помощью пьезоэлектрических датчиков поверхностной деформации, прикрепленных к конструкции машины или встроенных в нее. В рамках недавнего проекта MINGANTI GLOBAL AB, Лидчёпинг, Швеция, вертикальные токарные станки были оснащены встроенным датчиком поверхностной деформации Kistler PE 9232A, который обеспечивает высокую чувствительность, необходимую для измерения как растягивающих, так и сжимающих деформаций на поверхности, благодаря диапазону измерения ±600 микродеформаций (мкε).

Непрямое измерение силы резания вблизи режущей кромки

Рисунок 2. Подъемник станка, в котором закреплены держатели режущего инструмента. (Изображение:Группа Кистлер)

Эта система мониторинга машины предназначена для обнаружения сильного износа и поломки инструмента, а также для остановки машины в случае аварии. Кроме того, как только управление усилием будет установлено на основе точных данных измерений, его можно будет использовать для мониторинга и повышения точности профиля. Большие радиальные силы, возникающие при жестком точении, вызывают упругую деформацию плунжера, на котором закреплены держатели режущего инструмента. Деформация очень мала, и ее можно частично компенсировать блоком управления станком. Но даже в этом случае он все еще достаточно велик, чтобы его можно было с хорошей точностью зафиксировать тензодатчиком, расположенным очень близко к режущей кромке.

Мониторинг машины также может быть основан на сигналах машины, но в этом случае качество зависит как от типа машины, так и от степени износа. Сигналы станка иногда показывают отклонения, не связанные с процессом резки, поэтому их недостаточно для системы управления станком, отслеживающей износ инструмента или качество продукции.

Минганти и Кистлер решили установить второй датчик, чтобы завершить решение по мониторингу машины. Это обеспечивает определенную избыточность, а также учитывает высокую стоимость деталей. Для этого в плунжер дополнительно был интегрирован одноосный пьезоэлектрический акселерометр 8274А фирмы Kistler. Он дополняет измерения силы (деформации), обеспечивая высокочастотные измерения, что позволяет обнаруживать внезапные изменения в процессе. Оба входа датчика обрабатываются цифровым усилителем заряда, который подключается к системе управления станком через PROFINET. Одним из основных преимуществ этого усилителя заряда является то, что его пользователи могут автоматически выполнять фильтрацию нижних и верхних частот, что позволяет легко сосредоточиться на высокодинамической части сигнала.

Достижение высокой точности профиля поверхности без дополнительных усилий

Рисунок 3. Диаграмма показывает хорошую корреляцию между сигналом силы (деформации) от тензодатчика Кистлера (верхний график) и измерением профиля поверхности после резки (нижний график). (Изображение:Группа Кистлер)

Расширенная система мониторинга оборудования используется для контроля износа инструмента, обнаружения его поломки, а также для обнаружения и контроля сбоев оборудования. Он автоматически изучает регулярные уровни сигнала, а затем отслеживает изменения, чтобы обнаружить отклонения. Это позволяет операторам инициировать необходимые действия, такие как смена инструмента, остановка машины и другие. Неисправности инструмента (поломки, сколы кромок и т. д.) могут быть вызваны различными причинами, включая неправильные данные резания, загруженные в ЧПУ, низкое качество режущей кромки, неправильное давление СОЖ или слишком овальные кольца, что приводит к значительным изменениям глубины резания при каждом обороте. Когда происходят такие сбои, их влияние ясно видно как по силовым, так и по вибрационным сигналам.

Одним из наиболее важных параметров качества компонентов подшипников является точность профиля («прямолинейность») поверхностей. Этот параметр влияет на трение между телами качения и кольцами подшипника. Соблюдение жестких допусков (3–6 мкм) на кольцах большого размера (диаметром от 1 до 2 метров) является сложным аспектом процесса твердого точения, поэтому многие производители подшипников выполняют шлифовку или хонингование в качестве дополнительного этапа. Система мониторинга станка Kistler может косвенно измерять деформацию (отклонение) инструмента, поэтому точность профиля (отклонение формы) четко видна по сигналу деформации (косвенной силы). Входной сигнал силы можно использовать непосредственно во время операции токарной обработки для изменения условий резания с помощью регулирования с обратной связью, что позволяет компенсировать отклонения.

Важность точного мониторинга станка для точной обработки

Хотя мониторинг сигналов станка может предоставить информацию о рабочих условиях, он может указывать на проблемы, которые не связаны напрямую с точностью фактической обработки. Однако, как мы описали в этой статье, у Кистлера есть такие методы, как тензодатчики и акселерометры, которые напрямую контролируют процесс резки. Мониторинг сил резания играет ключевую роль в обеспечении стабильных операций обработки, необходимых для производства компонентов с жесткими допусками. «Точное измерение сил резания — важный шаг в обеспечении точности профиля», — сказал Маркус Калдана, президент Minganti Global AB.

Эта статья написана Бюлентом Тасделеном, менеджером по развитию бизнеса компании Kistler. Для получения дополнительной информации перейдите сюда  .