ПРИМЕНЕНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ГИДРОЦИЛИНДРА В ДАТЧИКАХ ТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ МРС

APPLICATION OF THE COMBINED CYLINDER IN SENSOR ACCURATE MEASUREMENT FOR MACHINE TOOLS

Nikolay Lubimyi

graduate student TM BSTU named after. V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Vladimir Duganov

сandidate of Science, dean of the Faculty of distance education BIEI, professor of BSTU named after. V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Irina Teterina

graduate student TM BSTU named after. V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Результаты исследований, изложенные в статье выполнены в рамках гранта: «Проект ПСР № 2011-ПР-146», договор № А-7/14 от 10.04.2014 г.

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается вопрос использования датчиков точных измерений на металлорежущих станках с числовым программным управлением и промышленных роботах. Дается описание преимуществ использования контактных датчиков на станках с ЧПУ. Приводится конструкция контактного датчика точных измерений с использованием комбинированного гидроцилиндра. Сделаны выводы о влиянии контактного датчика точных измерений с комбинированным гидроцилиндром на качество изготовления изделий на металлорежущих станках.

ABSTRACT

The article discusses the use of accurate measurement sensors on machine tools with CNC and industrial robots. A description of the benefits of using contact sensors on CNC machines. Viewed accurate measurement touch sensor construction with using a combined of the hydraulic cylinder. The conclusions about the impact of the contact sensor accurate measurements combined with a hydraulic cylinder on the quality of the manufacture of products on machine tools.

Ключевые слова: Комбинированный гидроцилиндр; датчик точных измерений; контактный датчик; МРС с ЧПУ; измерение.

Keywords: Combination hydraulic cylinder; accurate measurement sensor; a contact sensor; machine tools with CNC; measurement.

В мелкосерийном и серийном производствах, выпускающих 75…80 % [4, с. 341] продукции от общего объема машиностроения, присутствует значительный объём ручного труда. Эти производства, в основном, оснащаются универсальными металлорежущими станками (МРС). Развитие вычислительной техники позволило перейти к созданию МРС с числовым программным управлением. В результате появления систем ЧПУ и промышленных роботов, универсальный МРС, по существу, превратился в автомат. Но этот автомат существенно отличается от станков-автоматов массового производства, возможностью быстрой перенастройки на обработку новой заготовки. МРС, оснащенный системой ЧПУ и ПР, превратился в систему, работающую без непосредственного участия человека.

В станках с ЧПУ кроме датчиков, измеряющих скорость и положение рабочего органа станка, мощности, затрачиваемой на снятие припуска [5, с. 11], широко применяются датчики активного контроля геометрии обрабатываемой детали и геометрии инструмента [3, с. 214]. Контактные датчики предназначены для использования в конструкциях современных металлообрабатывающих станков с ЧПУ (рис. 1). Контактный датчик обеспечивает наладку инструмента, настройку на технологическую операцию и измерение.

Рисунок 1. Контактные датчики для станков с ЧПУ. (Рисунок с сайта http://refoteka.ru/)

Согласно [3, с. 42] использование контактных датчиков в расточно-фрезерных станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах (ОЦ) с ЧПУ позволяет:

• значительно сократить время наладки инструмента и обнаружения неисправного инструмента;
• обеспечить автоматизированное позиционирование заготовок и задание коррекции, в т. ч. на малогабаритных станках для скоростной обработки;
• повысить производительность обработки за счёт снижения количества операций и реализации точных измерений непосредственно на станке.

Исследования показали [3, с. 51]:

• многоцелевые станки с ЧПУ, на которых наладка инструмента, настройка на технологическую операцию и контроль выполняется вручную, обеспечивают следующее распределение времени работы оборудования – обработка металла – 55 %, наладка и измерения – 35 %, прочие операции – 10 %.
• многоцелевые станки с ЧПУ, на которых для аналогичных операций используются измерительные системы, обеспечивает следующее распределение времени работы оборудования – обработка металла – 80 %, наладка и измерения – 15 %, прочие операции – 5 %.

Датчики должны иметь высокую степень сопротивления ударам и вибрации, герметичное исполнение, стойкость по отношению к СОЖ и металлической стружке [6, с. 17; 7, с. 13].

Современные машины и их детали становятся всё более миниатюрными, это обусловлено как удобством эксплуатации, так и экономической эффективностью изготовления и использования этих машин. Точность изготовления деталей машин также требует исполнения прецизионных размеров, которые невозможно обеспечить без точного позиционирования заготовки и инструмента.

Работы, выполненные авторами на кафедре технологии машиностроения БГТУ им. В.Г. Шухова, позволили разработать конструкцию датчика точных измерений линейных размеров, в основе которой лежит использование комбинированного гидроцилиндра.

На рис. 2 представлена общая схема датчика точных измерений линейных размеров. Подробное устройство и работа датчика описаны в [2, с. 2].

Рисунок 2. Датчик точных измерений линейных размеров. 1 – измеряемая поверхность; 2 – изолированный корпус датчика; 3 – комбинированный гидроцилиндр; 4 – крыщка; 5 – уплотнение; 6 – основной поршень; 7 – пружина; 8 – выдвижной шток; 9 – манжета; 10 – контактный наконечник; 11 – дополнительный поршень; 12 – жесткая муфта; 13 – линейный шаговый электродвигатель; 14 – энкодер; 15 – микроконтроллер; 16 – привод ЛШЭД; 17 – блок интерфейса

Наличие комбинированного гидроцилиндра [1, с. 98] позволяет производить передачу кинематики между элементами датчика с минимальными потерями, так как гидравлическая жидкость имеет пренебрежительно малый коэффициент сжатия, а наличие в конструкции датчика комбинированного гидроцилиндра с основным и дополнительным поршнем имеющими соотношение квадратов площадей не менее 20, обеспечивает выполнение условия измерения линейных размеров от 2 мкм и менее. Точность измерения в таком случае будет:

ТИ=Zлшэд/(Smax²/Smin²)

где: Zлшэд – минимальный шаг ЛШЭД равный 0,04 мм согласно техническим характеристикам;

Smax – площадь основного поршня;

Smin –площадь дополнительного поршня.

Выбор площадей поршней не нормируется, может быть принят любым, но удовлетворяющим условию:

(Smax²/Smin²) ≥Zлшэд/ТИ

Для этого определяются с необходимой точностью измерений. Например, ТИ=0,002, тогда получим что соотношение квадратов площадей поршней – 20:

(Smax²/Smin²) = 0,04 мм/0,002 мм = 20

Таким образом большие перемещения штока ЛШЭД преобразуются в малые перемещения штока основного поршня, оснащённого контактным наконечником, причем за счёт отношения квадратов площадей основного и дополнительного поршней, которое должно быть больше или равно отношению шага линейного шагового электродвигателя к точности измерения датчика, то есть (Smax²/Smin²) ≥ Zлшэд/ТИ, обеспечивается измерение линейных размером менее 2 мкм. Регулируя соотношение площадей основного и дополнительного поршня в конструкции датчика можно регулировать его предельную точность измерения.

Применяя датчики измерения линейных размеров на основе комбинированного гидроцилиндра можно добиться значительного увеличения дискретности измерения позиционирования инструмента и заготовки, что в конечном итоге произведёт положительное влияние на качество изготавливаемых изделий на МС.

Список литературы:

1. Марутов В.А. Гидроцилиндры. Конструкции и расчёт. / В.А. Марутов, С.А. Павловский. – М.: Машиностроение, 1966. – 172 с.
2. Пат. 155384. Российская Федерация, МПК G01B13/03. Датчик для точных измерений линейных размеров [Текст] / Н.С. Першин, М.С. Чепчуров, Б.С. Четвериков, – № 2015113237/28, заяв. 09.04.2015, опубл. 10.10.2015, бюл. № 28.
3. Таратынов О.В. Металлорежущие системы машиностроительных производств: учебное пособие для вузов / О.В. Таратынов. – М.: 2006. – С. 488.
4. Тимирязев В.А. Основы технологии машиностроительного производства: учеб. для вузов. / В.А. Тимирязев, В.П. Вороненко, А.Г. Схиртладзе. – СПб.: Лань, 2012. – С. 442.
5. Чепчуpов М.С. Контpоль и pегистpация основных паpаметpов pезания пpи обpаботке кpупногабаpитных деталей // Технология машиностроения. – 2008. – № 3. – С. 11–12.
6. Чепчуров М.С. Модернизация координатно-расточного станка с использованием датчиков линейных перемещений / М.С. Чепчуров, М.Н. Воронкова // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2011. – № 6. – С. 17–19.