13.7. Автоматизация процессов измерения и контроля

Средства автоматизации и механизации контроля

К средствам начального уровня стандартизации, автоматизации и механизации контроля размеров относятся приспособления, в которых операции загрузки и съема осуществляются вручную. Действие автоматизированных приспособлений основано на использовании различного рода измерительных преобразователей. Измерительный первичный преобразователь - это средство измерения, предназначенное для вы­работки сигнала в форме, удобной для передачи, дальнейшего преоб­разования, обработки и хранения. Измерительный преобразователь как составной элемент входит в датчик, который является самостоя­тельным устройством, и, кроме преобразователя, содержит измерительный шток, рычаг с наконечником, передающий механизм, элементы настройки. Наибольшее распространение получили измерительные средства со следующими преобразователями: функциональные узлы к управляющим приборам, индикаторы контакта, электроконтактные, пневмоэлектроконтактные, пневматические, фотоэлектрические, сорти­ровочные, механотронные, индуктивные, электронные реле, лазерные измерители перемещений.

Блоки управления являются отсчетно-командным устройством, вы­дающим в соответствующей цепи соответствующие управляющие ко­манды.

Устройства активного контроля и самонастраиваю­щиеся контрольные системы

Обработка деталей при использовании таких систем проводится методом пробных проходов с управлением по программам, с помощью активных измерительных устройств.

При обычном методе пробных проходов станок останавливается между дву­мя технологическими операциями, деталь измеряется. Из-за протяженности штучного времени t_ш станок работает только в течение ос­новного технологического времени t_о, и отношение t_o/t_ш всегда мень­ше единицы.

Метод управления обработкой деталей по программе характеризу­ется тем, что станок налаживается один раз, а затем в процессе работы подналаживается. Контроль осуществляется выборочным путем или с помощью контрольного автомата, включаемого в технологический процесс после обработки на станке. Отношение t_o/t_ш уменьшается с уменьшением времени наладки, которое зависит от величины допус­ка и износа инструмента. Отношение t_o/t_ш становится еще более благо­приятным при использовании активных измерительных устройств.

С помощью активных измерительных устройств после достижения предписанных размеров вручную или автоматически ста­нок отключается. Время измерения и основное время совпадают, исключается время пуска и остановки, на изделие назначаются более узкие допуски. Повышается производительность обработки без снижения качества, сокращается вспомогательное время на остановку станка для измерения детали и возрастает возможность многостаночного обслуживания. По­вышается качество изделий от автоматического поддержания заданных режимов обработки. Облегчается труд, снижается квалификация и соз­даются безопасные условия работы станочника.

Основная область применения приборов активного контроля - это массовое и серийное производство.

Устройствами активного контроля называются средства, предназначенные для измерения деталей в процессе обработки их на станке, в результате чего получают информацию о необходимости изменения режимов обработки, или об изменении взаимного расположения заготовки и режущего инструмента, или о необходимости прекращения процесса обработки. Название «активные» эти средства измерения по­лучили из-за того, что они непосредственно участвуют в технологиче­ском процессе изготовления продукции, а не пассивно фиксируют ее качество после окончания изготовления.

Устройства активного контроля должны иметь большое передаточ­ное отношение, малую погрешность измерения, должны быть нечувст­вительны к шлифовальной пыли, колебаниям, сотрясениям, средствам охлаждения при обработке, просты и удобны в обслуживании. Управ­ление автоматическими станками, агрегатами и линиями должно быть удобным.

Измерение должно осуществляться или во время обработки, или между подачами, но на вращающихся или перемещающихся изделиях.

Приборы активного контроля по основным видам делятся в зависи­мости от места использования, от вида обрабатывающих станков, по способу выдачи измерительной информации, по воздействию на тех­нологическое оборудование.

В зависимости от места использования приборы активного контро­ля разделяются на приборы, устанавливаемые непосредственно на станке, и приборы, устанавливаемые вне станка. Приборы, устанавли­ваемые на станке, обычно управляют режимами резания и выдают ко­манды на остановку станка при достижении требуемых размеров. При­боры, устанавливаемые вне станка, измеряют деталь после обработки и дают команду на подналадку станка (т.е. необходимо изменить вза­имное положение инструмента и заготовки). Чаще всего приборы, ус­танавливаемые вне станка, называют подналадчиками. По своей прин­ципиальной схеме подналадчики близки к контрольным автоматам.

В зависимости от вида обрабатывающих станков приборы разде­ляются на приборы для круглошлифовальных, плоскошлифовальных станков. Наибольшее применение приборы активного контроля полу­чили на шлифовальных станках, так как на этих станках размер изме­няется медленно и есть возможность непрерывно следить за измене­нием размера и выдавать команды на изменение режима обработки, т. е. на параметр, которым можно управлять.

По способу выдачи измерительной информации приборы активно­го контроля разделяются на показывающие, когда значение размера определяется непосредственно оператором по шкале отсчета устройст­ва, и командные, когда сигнал на подналадку в станок подается без участия оператора. В командных приборах выдается световой сигнал о режиме работы и имеется шкала или цифровой дисплей для отсчета значения текущего раз­мера.

По воздействию на технологическое оборудование различают четы­ре вида устройств активного контроля: управляющие автотолераторы, регулирующие автоподналадчики, защитные устройства и автоблоки­ровщики.

Автотолераторы автоматически изменяют характер процесса при достижении действительным контролируемым параметром предписан­ного значения. Автоподналадчики автоматически осуществляют на­стройку производственной системы, обеспечивая равенство контроли­руемых параметров предписанным значениям. Защитные устройства предотвращают попадание в рабочую зону изделий, параметры кото­рых выходят за предписанные значения. Автоблокировщики прекраща­ют течение процесса при выходе контролируемых параметров изделий за предписанные значения или при возникновении других недопусти­мых критических ситуаций. Самонастраивающиеся системы способны автоматически, самостоятельно изменять свои параметры настройки, обеспечивая предписанные показатели качества при изменяющихся ус­ловиях.

Большинство устройств активного контроля является контактны­ми: одноконтактными, двухконтактными, трехконтактными и с кон­тактом поверхности. На работу одноконтактных приборов влияют: погрешность установки контролирумой детали на станке и ее прогиб; влияние прогиба ослабляют расположением линии измерения перпендикулярно действию силы. Прогиб детали отражается и на результа­тах измерений с помощью двухконтактных приборов, поскольку при настройке прибора по калибру и образцовой детали последние не подвергаются силовым воздействиям. При отжатии детали на величи­ну Δ_у за счет измерения по хорде, смещенной на х относительно пра­вильного положения измерительных наконечников, она очевидно, соста­вит , где r - радиус детали. Трехконтактные приборы базируются на измеряемой детали, и поэтому погрешность уста­новки детали на станке и погрешность за счет прогиба не влияют на их показания. Однако перемещение у измерительного наконечника зависит не только от изменения Δr радиуса детали, но и от централь­ного угла φ между радиусами в точках контакта изделия с опорами, т.е. определяется соотношением

.

Эти погрешно­сти практически не отражаются на точности активного контроля, ес­ли настройку выполняют по калибру и сигнал подается только по до­стижении определенного размера.

На рис.13.3 показана структурная схема командного прибора. Для активного контроля, с помощью которого измеряется размер детали непосредственно во время обработки и с помощью команд, выдаваемых этим прибором на станок, изменяются режимы обработки.

Рис 13.3. Структурная схема прибора для измерения в процессе обработки

На станке располагается измерительный узел 2, который измеряет деталь 1 во время ее обработки. Сигнал с измерительного узла 2, характеризующий размер детали, поступает одновременно в блок отсчетного устройства 3, светофорный блок 4 и командный блок 5. Сигнал после усилителя 6 поступает на станок для изменения режимов обработки в зависимости от размера детали в момент измерения. На блоке 3 по стрелке можно отсчитать отклонение размера от настроенного, а по блоку 4 в зависимости от того, какая лампочка горит, можно определить, на каком режиме работает станок.

Контрольные автоматы. Контрольные автоматы широко применяют в массовом производстве для стопроцентного контроля деталей, имеющих простую форму и небольшую массу (колец, шариков и роликов подшипников качения, поршневых колец, пальцев).

В зависимости от назначения различают автоматы разбраковочные, осуществляющие контроль и разбраковку изделий на годные и по видам брака; сортировочные, выполняющие рассортировку изделий группы по размерам, например для селективной сборки; автоматы для аттестации и комплектовки, например производящие аттестацию и комплектовку колец подшипников качения с заранее рассортированными на группы шариками.

На рис.13.4,а показана схема контрольного автомата с электроконтактным преобразователем измерительного импульса.

Проверяемая деталь 13, поступающая из лотка бункера 15, подается толкателем 14 под измерительный наконечник первичного преобразователя 1 и выдерживается в таком положении некоторое время, достаточное для успокоения детали и измерения. Перед концом измерения прерыватель замыкается, соединяя преобразователь с электронным блоком 3.

Рис. 13.4. Контрольные автоматы:

а - с электроконтактным преобразователем, б - с фотоэлектрическим

преобразователем

Если размер детали находится в пределах допуска, то контактный рычаг первичного преобразователя 1 занимает среднее положение, не касаясь контактов 2. Заслонки 8 и 10 остаются закрытыми. Деталь 13 сталкивается толкателем 14 на лоток 12 и, скатываясь по закрытым за­слонкам, попадает во всегда открытый ящик 4 годной продукции.

Если размер детали выходит за нижнюю границу допуска, то ниж­ний контакт преобразователя остается замкнутым и электромагнит 6 отпускает якорь. При этом пружина 5 поворачивает заслонку 8, откры­вая отверстие ящика 7, куда и попадает бракованная деталь. При уве­личенном размере детали замыкается верхний контакт преобразовате­ля, срабатывает электромагнит 9 и открывается заслонка 10. Бракован­ная деталь попадает в ящик 11.

На рис.13.4,б показан общий вид автомата для многодиапазонной сортировки колец шарикоподшипников по диаметру желоба. В автома­те применен фотоэлектрический преобразователь 7 измерительного импульса, созданный на базе оптикатора. Наибольшее число групп сортировки 50.

Система автоматизированного контроля в гибких производственных системах. Системы автоматизированного контроля (САК) разрабатываются для полной номенклатуры деталей, сборочных единиц и технологических процессов гибких производст­венных систем (ГПС). САК может охватывать процессами автоматизи­рованного контроля полное или неполное множество контролируемых параметров. Функции САК ГПС приведены в табл. 13.1.

Помимо вышеотмеченных функций, САК может обеспечить локаль­ный или общий контроль других подсистем ГПС: оборудования подго­товки инструментального обеспечения и оснастки, автоматизированных транспортно-складских систем, стендов сборки заготовок в пакеты.

Таблица 13.1

Уровень структуры ГПС	Функции САК
Гибкий производственный мо­дуль (ГПМ)	Идентификация поступившей детали. Контроль положения дета­лей перед обработкой. Активный контроль в процессе обработки. Оп­тимизация снимаемого припуска и режимов обработки. Контроль выполнения операции вне станка. Контроль наличия, целостности и износа инструментов. Коррекция положения инструментов и рабо­чих органов. Счет обработанных деталей. Контроль технологических режимов работы оборудования. Регистрация времени функциониро­вания элементов технологической системы. Телеметрирование и контроль функционирования оборудования
ГПС в целом	Автоматизация процесса контроля в безлюдном и малолюдном ре­жиме. Обработка измерительной информации при координатных и других измерениях. Обеспечение статистического управления точно­стью производственного процесса. Оптимизация режимов контроля, обеспечение статистического приемочного контроля. Управление взаимодействием элементов САК и технологического оборудования. Информационное обеспечение производственного и технологическо­го процессов. Оптимизация информационных потоков Определение и анализ аварийных ситуаций. Контроль прохожде­ния и реализации управляющих команд. Выдача информации в АСУ ТП для организации гибкого управления ГПС

Внедрение САК проводится поэтапно с учетом максимальной экономической и технической эффективности, повышения качества продукции и производительности труда в зависимости от точности и ста­бильности технологических процессов ГПС.

На первом этапе реализуется применение гибких измерительных модулей, средств электронного контроля, координатно-измерительных машин; на втором этапе — внедрение структур САК на уровне ГПМ группы или участка станков, отделения приемочного контроля; на третьем этапе - полный САК ГПС с постепенным расширением ее функций.

В состав САК входят следующие технические средства:

пункт приемочного контроля, оборудованный автоматизированны­ми рабочими местами контролеров, измерительными стендами, стола­ми, шкафами и стеллажами для хранения контрольно-измерительных инструментов, приборов, оснастки и др.;

посты технического контроля с пультами ввода измерительной информации;

контрольно-измерительные позиции;

накопители деталей;

устройства транспортирования и подачи деталей на измерительные позиции, в том числе на основе промышленных роботов;

изоляторы брака;

координатно-измерительные машины, измерительные роботы, гиб­кие (переналаживаемые) измерительные модули (ГИМ);

контрольно-измерительные приборы на основе индукционных, фотоэлектрических и других преобразователей, инструменты и приспо­собления для обеспечения технологических процессов технического контроля;

приборы для настройки инструментов к станкам с ЧПУ;

электронные блоки и компараторы для статконтроля;

индикаторы контакта;

контрольно-измерительные наладки на основе электронных прибо­ров;

эталоны и эталонные детали для настройки и поверки средств из­мерения;

аппаратура передачи данных и каналы связи;

средства вычислительной техники;

периферийные устройства ЭВМ, печатающие устройства, графопостроители.

На рис.13.5 приведен контрольный автомат модели 1282, обслуживае­мый промышленным роботом (ПР). С загрузочного лотка 1 механиз­мом поштучной выдачи 2 деталь типа вал подается в зону действия охвата 3. Робот 4 подает деталь 8 для контроля на измерительную стан­цию 5, где она базируется в роликовой паре 6. При вращении детали от привода 7 плавающая скоба 9 перемещается вдоль оси. Проконтролированная по винтовой линии деталь за счет срабатывания магнитоуправляемых упоров 10 направляется в лоток-исполнитель 11.

Рис. 13.5. Роботизированный контроль деталей на автоматах

САК является подсистемой ГПС и полностью с ней интегрирована. Структура и состав САК определяются структурой конкретной ГПС, номенклатурой и типом контролируемых деталей, программой выпус­ка, принятой технологией контроля, требуемой достоверностью контроля. Сведение элементов САК в единую систему выполняется на раз­личной структурной основе.

Оптимальное решение задач автоматизированного контроля воз­можно только на основе системного подхода к построению САК с по­зиции определения ее места в составе ГПС и взаимосвязей с другими автоматизированными системами – САПР (система автоматизации проектирования), АСТПП (автоматизированная система технологической подготовки производства). В контуре ГПС обратная связь САК с внутренними модулями и системами осу­ществляется через систему управления (СУ) на основе результатов контроля. По каналу связи СУ — САК осуществляется управление си­стемой контроля (команды на смену алгоритмов и программ, другие диспетчерские команды).

Принципы организации контроля в ГПС. При разработ­ке принципов организации контроля в ГПС рекомендуется руководст­воваться следующими общими положениями.

1. Необходимо стремиться к сокращению расходов на обеспечение качества изделий за счет более раннего обна­ружения и рационального сокращения потерь из-за дефектности (кривая 2) в достижении оптимального качества (рис. 13.6). С экономи­ческой точки зрения все усилия по повыше­нию технического уровня качества промыш­ленной продукции выражаются в форме за­трат, направленных либо на увеличение дохо­дов от расходов по обеспечению качества по базовым показателям, либо на сокращение из­держек производства для установления соот­ветствия показателей качества продукции техническим условиям. Обычно высокая сте­пень соответствия техническим условиям мо­жет быть достигнута путем использования более дорогостоящих производственных про­цессов, затрат на основные издержки произ­водства и расходов на контроль. Использова­ние дорогостоящих производственных про­цессов снижает потери из-за дефектности и повышает качество продукции. Чем основательнее осуществляется контроль, тем скорее снижаются потери, свя­занные с дефектностью; при этом резко возрастают расходы на конт­роль. Допускается возможность существования оптимума качества, ко­торый соответствует точке минимума в кривой общих затрат. Следова­тельно, точка С_о, отражающая минимальные издержки производства, показывает оптимальное значение Р_о (см. рис.13.6).

2. Организация контроля должна обеспечивать управляемость производственной системы по результатам контроля.

3. Необходимо включать в область рассмотрения решение задач контроля параметров, не имеющих эксплуатационного значения, но определяющих возможность и точность выполнения автоматизирован­ных операций и их элементов.

4. В качестве контролируемых следует рассматривать три группы параметров: изделий, процессов и оборудования.

5. Выбор рационального соотношения уровня расходов на реализа­цию контроля производится на основе определения ущерба (потерь) от недостатка информации по каждому параметру соответствующей груп­пы при максимальной эффективности функционирования.

Рис. 13.6. Оптимальное каче­ство продукции:

1 - расходы на контроль качест­ва; 2 - потери из-за дефектно­сти; 3 - общая

сумма издержек на производство; 4 - основные издержки производства

По аналогии с типовой структурой системы управления ГПС струк­тура САК должна содержать три уровня: верхний, средний, нижний.

Методы контроля в ГПС. Основная задача САК в ГПС - обеспечение возможности предупреждения брака. Это достигается пу­тем оперативного получения информации непосредственно в парамет­рах изготовляемого объекта или с помощью косвенных методов в про­цессе изготовления.

При измерении параметров деталей в САК наиболее широкое распространение получили методы и средства активного прямого контроля.

Основными направлениями развития автоматических средств изме­рения параметров деталей являются как средства измерения парамет­ров деталей, встраиваемых в станки, так и средства выносных позиций контроля: средства измерения, встраиваемые в станки с ЧПУ; встраи­ваемые координатно-измерительные машины; измерительные роботы; лазерные измерительные устройства и др.

Контроль деталей непосредственно на станке в процессе обработки с помощью встраиваемых измерительных систем, основанных на ис­пользовании измерительных щупов, является наиболее оперативным. Станок выполняет функции координатно-измерительной машины.

Для выполнения измерений измерительные инструменты помеща­ются на одной из позиций инструментального магазина и для контроля автоматически устанавливаются в шпиндель станка. Процесс измере­ния осуществляется по определенному циклу, предусмотренному в программе станка. Получаемая информация передается в вычисли­тельное устройство блока коррекции.

Роботизация контрольных операций в САК. Для повы­шения производительности контроля изделий, снижения затрат на кон­троль, сокращения доли монотонного утомительного труда в произ­водственном процессе требуется автоматизировать и вспомогательные операции, к которым относятся операции загрузки, ориентирования, установки, снятия, сортировки по результатам контроля и т. д. С ростом степени автоматизации контрольного оборудования оператору, в основном, ос­тается выполнять именно эти малоквалифицированные операции.

Применение промышленных роботов (ПР) на контрольных опера­циях развивается в двух направлениях: для загрузки и разгрузки пози­ции контроля или в качестве устройства сканирования с установкой на манипуляторе устройств неразрушающего контроля.

Важным и экономически целесообразным направлением роботиза­ции технологического контроля является входной контроль. Это обус­ловлено, с одной стороны, возрастающим объемом входного контроля по мере усложнения элементной базы и самих изделий, повышением требования к их параметрам, а с другой - весьма ощутимой долей за­трат времени на вспомогательные операции, все увеличивающиеся по мере совершенствования измерительных средств, и уменьшением време­ни непосредственно измерений.

Для автоматизации технологического контроля размеров, формы и расположения в условиях мелкосерийного производства ПР применя­ются совместно с цифровыми измерителями линейных перемещений и статистическими анализаторами. В условиях крупносерийного и мас­сового производства используют автоматические стенды и линии конт­роля, сортировки и разбраковки деталей по линейным и диаметраль­ным размерам, включающие в себя специализированные манипулято­ры. Каждый параметр контролируется на отдельной измерительной по­зиции, выполненной в виде унифицированного модуля.

Помимо ПР, в состав ГПС входят устройства контроля и разбраков­ки изделий, а также специализированные устройства связи контроль­ных устройств, робота и объекта контроля.