Контрольно-Измерительные Машины

В результате повышения производительности механической обработки на станках с ЧПУ возникла проблема проверки деталей. Традиционные методы, при которых контролеры используют концевые меры длины, высотомеры, микрометры и т. д., не могут обеспечить необходимую скорость проверки и тормозят технологический процесс. Для решения этой проблемы предлагаются различные методы: измерение детали на станке с ЧПУ, использование координатно-измерительных машин с участием оператора и применение автоматических контрольно-измерительных машин с ЧПУ, работающих по программе.

Одна из первых измерительных машин, показанная на рис. 1, выпущена фирмой Lucas, работающая на управляющих лентах. На машине установлена система «Sperry UMAC-5» с управлением по четырем координатам. Машина предназначена для проверки правильности геометрических параметров обработанных деталей, а также для кодирования в цифровом виде конфигурации любого ощупываемого тела (например, для создания управляющей ленты по модели). Наибольшее продольное перемещение 2740 мм, поперечное 1830 м, вертикальное 857 мм. Диаметр управляемого по программе поворотного стола 1220 мм. Перемещения по осям X и Y осуществляется со скоростью 5080 мм/мин, по оси Z 1524 мм/мин, скорость поворота стола 2 об/мин. Точность измерений между любыми двумя точками в пределах 305 мм равна ±0,013 мм, повторяемость ±0,0025 мм. Машина может работать по командам оператора или от управляющей ленты. Координаты проверяемых точек и отклонения от заданных размеров печатались на бумажной ленте.

Использование измерительных машин при проверке деталей со сложным профилем в тех случаях, когда предъявляются высокие требования к точности и когда контролируются крупные детали, позволило повысить производительность контрольных операций в 10-25 раз по сравнению с обычными методами.

Рис. 1. Четырехкоординатная контрольно-измерительная машина с ЧПУ

По мере того, как происходило развитие ЧПУ станков и создание непрерывных систем ЧПУ стало ясно, что проверка обычными методами некоторых изделий, обрабатываемых за несколько минут, потребует нескольких часов. В результате родился план разработки измерительной машины с перемещающимися исполнительными узлами, снабженной электронной измерительной системой с цифровым отсчетом. Такая машина должна была обеспечить проверку обработанных деталей и радикально изменить экономический аспект контрольных операций. Первая координатно-измерительная машина «Ferranti» имела перемещения: по оси X - 24in (610 мм), по оси Y - 15in (381 мм) и по оси Z - 10in (254 мм).

Машина предназначена для продукционного контроля и обеспечивает точность измерений ±0,001 in (25,4 мкм) при разрешающей способности ±0,0005 in (±12,7 мкм). Сменные конусные щупы вставляют в вертикальный выдвижной консольный узел, обеспечивающий удобный доступ. В машине имеются зажимные устройства и механизмы тонкой регулировки по осям X и Y, позволяющие производить измерения с помощью проекционного устройства с микроскопом, а также контролировать нежесткие или хрупкие детали. Наличие зажимных устройств, кроме того, позволяет производить на машине разметочные работы. На рис. 2 показано отделение технического контроля завода, в котором установлено несколько измерительных машин.

Рис. 2. Координатно-измерительные машины средних габаритов компании Ferranti

В США машина «Ferranti» нашла широкий сбыт, и на ее основе был разработан ряд подобных машин с большими пределами измерений, лучшей точностью и разрешающей способностью. В этих моделях измерение по оси Z производится либо независимо от остальных осей, либо с помощью той же электроники и показывающего табло, по принципу «разделения времени».

Измерительные машины с ЧПУ в настоящее время широко применяют в различных отраслях промышленности. Ранее большое число их оборудовалось дополнительными электронными устройствами, например цифропечатающими устройствами, с помощью которых получаются записи результатов измерений, позволяющие ОТК рационализировать технологию контроля.

В комплекты машин входили также и мини-ЭВМ (рис. 3). Результаты измерений могли быть использованы для статистического анализа качества деталей в партиях. Такой анализ позволял подробно исследовать принятый технологический процесс и обнаружить причины отклонений от нормальной работы или узкие места, которые могли быть из-за неудовлетворительных настройки, инструментальной оснастки или какой-либо другой производственной причины.

Рис. 3. Координатно-измерительная машина «CORDAX 3000» с мини-ЭВМ PDP8S

Для непосредственного сравнения измеренных размеров с номинальными в комплект машин включали телетайпы с вводом информации от перфоленты, позволяющие дополнительно, строчка за строчкой, рядом с результатами измерений печатать номинальные размеры проверяемых деталей.

При контроле деталей ставится задача выявить отклонения, вызванные ошибками производства, в результате которых размеры не укладываются в заданные допуски. Современная техника основана на использовании взаимозаменяемых деталей и поэтому задача технического контроля состоит в проверке эксплуатационных характеристик изготовленных деталей. Короче говоря, требуется прежде всего определить, пригодна деталь или нет, и затем провести анализ технологических причин ее выхода за пределы допусков.

Если вместо простого телетайпа в схему включить мини-ЭВМ, то можно в соответствии с программой, определяющей последовательность контрольных операций, провести автоматическое сравнение номинальных и фактических размеров с автоматической печатью отклонений. При этом можно выводить на печать только отклонения, выходящие за зону допуска. Применение этой техники позволяет упростить процедуру контроля, улучшить работу оборудования и повысить его производительность. Побочным результатом использования ЭВМ является получение статистических данных о качестве партий деталей.

Наличие соответствующих программ позволяет получить дополнительные возможности при использовании контрольно-измерительных машин. Детали, проверяемые в прямоугольных координатах, перед измерением должны быть точно выставлены на машине вдоль соответствующих осей. Однако специальная программа преобразования позволяет производить измерения без предварительного выставления детали, причем на печать будут поступать истинные значения в прямоугольных координатах (разность фактических и номинальных значений), а также будут выделены отклонения, выходящие за поле допуска.

В настоящее время основные принципы контроля претерпевают радикальные изменения. Развитие систем контроля привело к созданию весьма сложных «измерительных центров» с программным управлением и автоматическим определением годности деталей на основе статистической оценки контроля качества. Одновременно происходит дальнейшее совершенствование и развитие методов и средств активного контроля, при котором измерения проводят на возможно более ранних этапах обработки. Простая логика подсказывает: чем лучше организован контроль в процессе производства, тем меньше брак. Многие современные автоматические линии оборудуют системами активного контроля и измерительными устройствами. Применение ЧПУ для этих целей позволяет сделать такие системы универсальными и использовать их для контроля деталей, отличающихся размерами и конфигурацией, а также обеспечивает высокий уровень контроля качества изделий серийного производства, достижимый в настоящее время только в массовом производстве. Основные критерии при этом - максимальное увеличение производительности при обеспечении соответствующего срока службы режущих инструментов, качества поверхности и точности.

Результаты измерений, показываемые отсчетными системами с программным управлением, могут быть выведены на печать, а при добавлении клавиатуры к печатающему устройству систему можно использовать для подготовки перфолент для станков с ЧПУ. На этом принципе основан координатометр, представляющий собой специальную чертежную доску с ползуном. Перемещения ползуна по осям X и Y измеряют специальной системой. Результаты измерений показываются в цифровом виде на табло, а также фиксируются на перфоленте.

Координатометр ADE (рис. 4) является частью системы записи и контроля программ, разработанной компанией Ferranti. Установка содержит чертежную доску, измерительные шкалы с дифракционными решетками, расположенные по осям X и Y, движок-съемник с дифракционной решеткой, а также подвижный пульт управления. В комплект системы входит блок с электронными логическими элементами и цифровыми табло, показывающими перемещения съемника по осям X и Y и порядковый номер измерения. Рядом с блоком размещается телетайп.

Рис. 4. Координатометр модели ADE

Координатометр позволяет производить обмеры сборочных или деталировочных чертежей, выполненных в масштабах от 10 : 1 до 1 : 10. Центр движка-съемника совмещают с различными геометрическими элементами чертежа, такими, например, как точки, линии или дуги окружности. При нажатии соответствующего переключателя на подвижном пульте управления производится печатание информации в буквенно-цифровом коде и одновременное перфорирование восьмидорожечной ленты для последующего ввода ее в ЭВМ. Можно задавать в цифровом виде математически неопределяемые кривые и линии, соединяющие последовательные элементы профиля. Дополнительными переключателями задают глубину, а также радиальные и угловые размеры.

Координатометр с помощью ЭВМ общего назначения позволяет определить отдельные элементы в геометрической и цифровой форме. Геометрическая информация используется ЭВМ в программе выбора последовательности операций резания для определения требуемого контура. Информация о контуре профиля затем поступает в программу, определяющую траекторию перемещения режущего инструмента в системе «Ferranti Profile Data» или 2C, L. Программа рассчитывает траекторию центра инструмента, и затем эта информация поступает в постпроцессор, где подготавливается управляющая перфолента для станка. Математическое обеспечение системы ADE содержит программы для позиционной и контурной обработки, а также постпроцессоры для целого ряда станков с ЧПУ.

Преимущества применения координатометра весьма многочисленны: передача информации со сборочного чертежа на перфоленту за одну операцию, вместо обычного способа, при котором выполняются чертежи отдельных деталей; программируется каждая деталь и вручную производится ввод информации с помощью телетайпа; приводит к значительной экономии времени работников КБ и к сокращению продолжительности подготовки производства. Одноступенчатая передача данных повышает точность информации и сводит до минимума появление ошибок. Имеется возможность вводить информацию и с большей точностью, чем при непосредственном копировании чертежа. Съемник машины перемещают вдоль чертежа и устанавливают примерно в требуемом положении. Затем, не обращая внимания на чертеж, аккуратно продолжают перемещать съемник, пока на табло не будут показаны значения координат x и y, соответствующие требуемому положению съемника (для облегчения этой процедуры положение может быть задано с точностью до 0,0001 in). Кроме этого, размеры можно непосредственно вводить на перфоленту с помощью клавиатуры телетайпа. Математическое обеспечение машины исключает необходимость проведения сложных геометрических подсчетов и уменьшает возможность появления ошибок.

Комплект системы записи и контроля программ, кроме координатометра, содержит также автоматический координатограф для вычерчивания чертежей отдельных деталей по сборочному чертежу. При этом в качестве промежуточной информации используются перфолента, получаемая на выходе координатометра, и дополнительные программы, входящие в математическое обеспечение системы.

Последние достижения в области разработки чертежей в КБ и изготовлении деталей на оборудовании с ЧПУ могут иметь большое значение в повышении экономичности производства, и будут в дальнейшем оказывать возрастающее влияние на организацию производства в обрабатывающей промышленности.

Рассматриваемый координатометр используют для преобразования графической информации в кодированную форму записи ее на перфоленте для непосредственного управления сверлильными станками с позиционной системой ЧПУ или фрезерными станками с прямоугольной системой ЧПУ либо при использовании ЭВМ для управления станками с позиционными или непрерывными системами. Пример иллюстрирует последний случай.

Прецизионный координатометр самостоятельно вырабатывает геометрическую информацию, и оператор должен только анализировать чертеж и с помощью ряда кнопок сообщать дополнительные сведения. При обработке на ЭВМ эта входная информация поступает в специальную программу, с помощью которой определяются данные для различных машин с ЧПУ, в том числе и для координатографа.

На чертеже, показанном на рис. 5, можно выделить участок, для обработки которого требуется позиционная система управления, и участок с непрерывной траекторией. Обработка информации об этих участках может производиться раздельно. Профиль детали определяется с помощью так называемой программы «Упрощенной последовательности обработки», которая описана ниже.

Рис. 5. Пример использования координатометра для подготовки программы

С помощью координатометра можно определить координаты и положение линий и дуг, задать изменение глубины по оси Z, а также указать последовательность обработки. При нажатии кнопки записи одновременно производятся печать в буквенно-цифровом виде и кодирование на перфоленте порядкового номера записи и кода, указывающего на тип элемента профиля. Например: 0001P (где Р обозначает точку). После того как тип элемента профиля установлен, можно задать точные параметры, определяющие данный элемент. Это задание может осуществляться различными способами в зависимости от типа элемента.

• Для задания точки 0014P достаточно указать ее координаты
  x - 000,977; y + 003,325
• Линия 0006L определяется координатами двух точек, лежащих на ней, и указанием направления перемещения движка-съемника координатометра
  x + 003,038; y + 004,944; x + 004,956; y + 003,022.
  После того как движок-съемник совмещается с каждой точкой, нажимают на кнопку записи.
• Для задания глубин, углов и радиусов используют переключатели, расположенные на подвижном пульте управления, с помощью которых вводят требуемые величины (см. рис. 4). При нажатии на кнопку на перфоленте кодируется число, перед которым указывается буква, определяющая его, как величину радиуса, угла или глубину (по оси Z). Например, 0004CR + 005,000 обозначает радиус закругления величиной 005,000 единиц измерения.
• Касательная, соединяющая отрезки, также определяется нажатием кнопки. При этом автоматически перфорируется буква Т.

Описанными выше способами оператор может записать на перфоленте ряд команд, которые вместе определяют форму и размеры детали, а также последовательность операций ее обработки.

• Направление линии задается ее наклоном (или на основании предыдущих указаний). Так, на рис. 5 линия 0008L имеет
  x + 005,001; y + 000,500; A + 225,000
  и расположена под углом 225° к положительной оси Х, а
  0,003 + V; x000,000; y + 001,699
  означает, что линия направлена вверх от нулевого значения х (в положительном направлении). Значение у в программе ЭВМ учтено не будет.
• Направление окружности или дуги по часовой стрелке или против нее определяется добавлением соответствующей буквы.
  Так, 0004CR + 000,500
  обозначает окружность 0010А с направлением по часовой стрелке, и
  x + 000,000; y - 000,000; R + 002,500
  обозначает окружность с направлением против часовой стрелки, определенную ее центром и радиусом.

Перемещение вдоль каждого элемента профиля будет происходить до встречи со следующим элементом. Точки пересечения (опорные точки) подсчитываются с помощью программы ЭВМ.

Оператор может в соответствующих местах на перфоленте ввести любую дополнительную технологическую информацию. Пример информации, необходимой для обработки детали, показан на чертеже:

• начальное (базовое) положение станка
  000D x - 000,000; y + 000,000;
• подача RAT 30;
• размер инструмента DIA 0,5;
• коррекция на размер инструмента указывает на расположение центра инструмента слева, справа или непосредственно на расчитываемой траектории. Например, TCL означает, что центр инструмента расположен слева от траектории.

Оператор может повторно вызывать отдельные строчки или группы строк программы. Так, 0011 + V 3 обозначает вертикальную линию с такими же параметрами, как и вертикальная линия, определенная при записи N0003. Ряд других возможностей системы, не иллюстрируемых данным примером, включает использование интерполяции для определения параметров кривых, обработку площадей на разную глубину, повторные циклы и т. д.

Программа ЭВМ, воспринимающая информацию в формате «Упрощенной последовательности обработки», производит все необходимые вычисления, используя геометрические определения, записанные на перфоленте. Результаты обработки по программе поступают в постпроцессор. Окончательные управляющие инструкции записываются на перфоленте, по которой работает система управления соответствующего станка. Информация с выхода «Упрощенная последовательность обработки» может быть пропущена через программу графопостроения, на выходе которой будет получена перфолента, которая, в свою очередь, после считывания в микрофильмирующем аппарате позволит перенести на микрофильм изображение чертежа. Этот микрофильм можно использовать для проверки информации.

Запись в буквенно-цифровом виде, которая может быть получена на выходе программы «Упрощенной последовательности обработки», используют для регистрации ошибок, внесенных оператором при описании детали, а также для того, чтобы показать подсчитанные опорные точки отрезков прямых линий и элементов окружностей.

Описание порядка ввода информации об участке, для обработки которого требуется позиционная система управления, иллюстрируется тем же рис. 5. Основные виды инструкций:

• сопроводительная информация, перед которой имеется символ & (программой игнорируется);
• команды, которые содержат информацию для основной программы;
• команды для постпроцессора.

Располагаемая в самом начале сопроводительная информация содержит указания о требуемом постпроцессоре (например, NEB - означает координатно-расточной станок «Newall» с управлением по трем осям), а также о материале детали (MATL), за которыми следует кодовое число, взятое из таблицы и определяющее скорости шпинделя и подачи, соответствующие данному материалу. В сопроводительной информации должен быть также список отверстий с указанием для каждого случая точности их диаметров и расположения. Для полной характеристики отверстия в этом списке должны указываться четыре параметра:

• кодовая буква отверстия (например А);
• диаметр отверстия после обработки (например 0,5 in);
• допуск, выбираемый либо из стандартной таблицы, при этом указывается Т, либо задаваемый в числовой форме (например, +0,001 - 0,000 in);
• симметричный допуск на расположение отверстия, выраженный в тысячных долях дюйма (например, 1 = 0,001 in).

За сопроводительной информацией следуют координаты начального (базового) положения станка (0000D Х - 000,000; Y + 000,000) и расстояние по оси Z (0001P Z + 000,200), определяющее глубину отверстия, отсчитанную от поверхности материала. Далее может следовать информация, характеризующая отверстия. В зависимости от требуемого взаимного расположения их, эти данные могут быть весьма разными, и оператор должен задать последовательность обработки отверстий в группе (PCDC) относительно другой группы отверстий (AG). Вначале задается последовательность обработки основной группы отверстий (AG). Выражение AG3A1.5-45 обозначает группу из трех отверстий с одинаковым диаметром, расположенных по одной линии на равном расстоянии друг от друга (код отверстия А). Расстояние между отверстиями равно 1,5 in, их ориентация относительно оси X - 45°. Затем задается вторая группа отверстий, располагаемых вокруг каждого отверстия основной группы. Так, PCDC 3 А В 1 6 0 означает: три отверстия, расположенные на некоторой окружности на равном расстоянии друг от друга. Центр окружности совпадает с центром отверстия другого диаметра. В данном случае центр совпадает с центром отверстия А. Отверстия второй группы обозначены буквой В. Диаметр окружности, на которой расположены отверстия, равен 1,0 in, угловая координата равноудаленных отверстий равна 60°.

После того как задана последовательность отверстий, оператор наводит движок-съемник на исходную точку 0002P (начало обхода), например с координатами x + 001,750; y + 003,750. Затем специальная программа ЭВМ выполняет все геометрические расчеты и дает на выходе информацию в виде, пригодном для любого позиционного процессора. Управляющие перфоленты, получаемые на выходе постпроцессора и содержащие добавочную стандартную информацию, подходят к конкретному станку, на котором будет обрабатываться деталь.

Выше содержится далеко не полное описание координатометра системы ADE, а дается лишь некоторое представление о возможностях подготовки программ обработки деталей с позиционным или непрерывным управлением.