Мониторинг режущих сил в реальном времени повышает точность и эффективность обработки

Рисунок 1. Режущие силы при обработке можно измерять косвенно с высокой точностью, применяя пьезоэлектрические деформатные датчики, такие как 9232A от Kistler. (Изображение: Kistler Group)

Высокая производительность, низкие затраты, высокое качество деталей — ключевые факторы устойчивости, прибыльности и конкурентного преимущества промышленных производителей. Надежный мониторинг станков дает ценные real-time инсайты в текущие процессы; это основа надежного, продуктивного, воспроизводимого производства, помогающая операторам принимать обоснованные решения по краткосрочным и долгосрочным улучшениям. Технология даже захватывает аномалии в высокодинамичных процессах обработки, позволяя мгновенно реагировать для высокой производительности, снижения брака, продления жизни инструмента. Благодаря всем этим преимуществам непрерывный мониторинг станков и процессов на базе подходящей сенсорной технологии — критичный фактор успеха в современном производстве.

Мониторинг станков с пьезоэлектрическими деформатными датчиками

Решения Kistler Group (Winterthur, Switzerland) включают датчики, интегрируемые в механическую и электрическую среду станка. Устанавливаются только необходимые датчики в определенных позициях. Такой подход минимизирует сложность и стоимость системы мониторинга, хотя интеграция в механические/электрические структуры станка все еще может быть сложной.

Тип датчика и позиция — критичные факторы успеха для захвата высокодинамичных процессов с максимальной точностью. Датчик должен быть близко к зоне резания так, чтобы не мешать обработке, но при этом не подвергаться влияниям, кроме собственно режущих сил. Мониторинг режущих сил играет ключевую роль в обеспечении стабильной обработки, необходимой для деталей с жесткими допусками. Пользователи таких систем мониторинга также движутся к автономной обработке и снижению общих затрат на обработку.

Один из способов захвата режущих сил — измерение деформационных сил, действующих на структуру станка. Достигается пьезоэлектрическими поверхностными деформатными датчиками, приклеенными или интегрированными в структуру станка. В недавнем проекте с MINGANTI GLOBAL AB (Lidköping, Sweden) вертикальные токарные станки оснастили интегрированным пьезоэлектрическим поверхностным деформатным датчиком Kistler 9232A, дающим высокую чувствительность для измерения растяжения и сжатия на поверхности благодаря диапазону ±600 микродеформаций (με).

Косвенное измерение режущих сил близко к режущей кромке

Рисунок 2. Стойка станка, где закреплены держатели режущих инструментов. (Изображение: Kistler Group)

Система мониторинга предназначена для детектирования высокого износа инструмента и его поломки, а также остановки станка при авариях. Также, как только силовая регуляция установлена на базе точных измерений, она может использоваться для мониторинга и улучшения профильной точности. Большие радиальные силы при твердой токарной обработке вызывают упругую деформацию стоyki, несущей держатели режущих инструментов. Деформация очень мала, частично компенсируется системой ЧПУ. Но даже так она достаточно велика для захвата датчиком деформации с хорошей точностью, размещенным очень близко к режущей кромке.

Мониторинг также может базироваться на сигналах станка, но в этом применении качество зависит и от типа станка, и от состояния износа. Сигналы станка иногда показывают отклонения, не связанные с процессом резания, поэтому недостаточны для системы управления, таргетящей износ инструмента или качество продукта.

Minganti и Kistler решили установить второй датчик для завершения решения мониторинга. Это дает избыточность и учитывает высокую стоимость деталей. Для этого дополнительно интегрирован в стойку однокоординатный пьезоэлектрический акселерометр 8274A от Kistler. Он дополняет силовые (деформационные) измерения высокочастотными измерениями для детектирования внезапных изменений процесса. Оба входа датчиков обрабатываются цифровым зарядовым усилителем, подключенным к ЧПУ через PROFINET. Одно из главных преимуществ усилителя — автоматическое выполнение низко- и высокочастотной фильтрации, легко фокусируясь на высокодинамичной части сигнала.

Достижение высокой профильной точности поверхности — без дополнительных усилий

Расширенная система мониторинга используется для контроля износа инструмента, детектирования поломки инструмента и аварий станка. Она автоматически обучается регулярным уровням сигналов и затем мониторит изменения для детектирования отклонений. Это позволяет операторам инициировать необходимые действия: смену инструмента, остановку станка и др. Отказы инструмента (поломки, сколы режущей кромки и др.) могут быть вызваны разными причинами: неверные режущие режимы в ЧПУ, низкое качество режущей кромки, неверное давление СОЖ, слишком овальные кольца, вызывающие крупные изменения глубины резания за оборот. При таких отказах эффект четко виден в сигналах силы и вибрации.

Один из важнейших параметров качества для подшипниковых компонентов — профильная точность («прямолинейность») поверхностей. Этот параметр влияет на трение между катящимися телами и кольцами в подшипнике. Поддержка жестких допусков (3–6 мкм) на крупном кольце (1–2 м диаметром) — сложный аспект твердой токарной обработки, поэтому многие производители подшипников выполняют шлифовку или хонинг как дополнительный шаг. Система мониторинга Kistler косвенно измеряет деформацию (прогиб) инструмента, поэтому профильная точность (формальное отклонение) четко видна на сигнале деформации (косвенной силы). Входной сигнал силы может использоваться непосредственно во время токарной операции для изменения режущих режимов через замкнутый контур управления, компенсируя прогибы.

Значение точного мониторинга станка для точной обработки

Хотя мониторинг сигналов станка может давать информацию об условиях работы, он может указывать на проблемы, не связанные напрямую с точностью самой обработки. Как описано в статье, Kistler имеет методы, такие как тензометры и акселерометры, напрямую мониторящие процесс резания. Мониторинг режущих сил играет ключевую роль в обеспечении стабильных операций обработки, необходимых для деталей с жесткими допусками. Точное измерение режущих сил — важный шаг в поддержании профильной точности, говорит Маркус Кальдана, президент Minganti Global AB.

Статью написал Бюлен Тасделен, Business Development Manager at Kistler. Для подробностей — перейдите по ссылке.