Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Буровое долото и его использование в промышленности строительных материалов 12
1.2 Лапа бурового долота и требования, предъявляемые к дорожке качения 16
1.3 Анализ производственной системы получения буровых долот с системой контроля отклонения поверхностей 19
1.4 Методы и приборы для определения отклонения формы поверхностей дорожек качения 22
1.5 Средства бесконтактного проекционного контроля, их преимущества перед средствами контактного контроля 26
1.6 Системы управления в машиностроении на основе результатов автоматизированного контроля 30
1.7 Обоснование цели исследования 33
Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. Построение автоматизированной системы проекционного контроля размера и формы дорожки качения лапы бурового долота 37
2.1 Оценка погрешности при определении отклонения оси прибора для проекционного контроля круглости дорожки качения бурового долота 37
2.2 Управление отклонением оси измерительного прибора при использовании проекционного метода контроля 48
2.3 Метод автоматизированного проекционного контроля геометрических параметров дорожки качения лапы бурового долота 54
2.4 Алгоритм реализации процедуры автоматизированного проекционного контроля радиуса профиля дорожки качения и отклонения от круглости 61
Выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3. Эксперимент по использованию автоматизированного проекционного контроля дорожки качения лапы бурового долота 70
3.1 Оборудование, образцы, инструмент 70
3.2 План проведения эксперимента 73
3.3 Статистическая обработка результатов эксперимента 81
3.4 Проведение эксперимента по определению допустимого количества позиций при проекционном контроле отклонения от круглости для управления контрольным прибором 90
3.5 Определение частоты вращения измеряемого объекта для обеспечения достоверности полученных значений контролируемого параметра 93
Выводы по главе 3 97
ГЛАВА 4. Оборудование и методика реализации метода автоматизированного проекционного контроля профиля дорожки качения лапы бурового долота 98
4.1 Устройство для определения отклонения от круглости и размеров дорожки качения на базе ПЗС-матрицы 98
4.2 Реализация алгоритма и интерфейс специального программного обеспечения для определения отклонения от круглости дорожки качения на базе ПЗС-матрицы 100
4.3 Разработка алгоритма управления технологическим процессом изготовления лапы бурового долота 106
4.4 Совершенствование методов контроля отклонения от формы с определением круглости дорожки качения ответной детали подшипниковой опоры бурового долота 110
4.5 Экономический анализ принятых решений 119
4.6 Автоматизация операций контроля и модернизация поточной линии по производству лап буровых долот с управлением селективной сборкой 120
Выводы по главе 4 134
Заключение 136
Список литературы
- Анализ производственной системы получения буровых долот с системой контроля отклонения поверхностей
- Управление отклонением оси измерительного прибора при использовании проекционного метода контроля
- Статистическая обработка результатов эксперимента
- Реализация алгоритма и интерфейс специального программного обеспечения для определения отклонения от круглости дорожки качения на базе ПЗС-матрицы
Анализ производственной системы получения буровых долот с системой контроля отклонения поверхностей
Согласно [84]: производственный и технологический процесс характеризуются целенаправленными предметными потоками, например, потоками исходных материалов, заготовок, деталей, сборочных единиц, режущих инструментов, оснастки и др. В производственном процессе все вышеперечисленные потоки перемещаются по конкретным маршрутам через технологическое и транспортное оборудование, склады и накопители, производственные участки и отделения. Для того чтобы, организовать предметный поток необходимо владеть информацией о наличии либо отсутствии материалов и заготовок, начале и окончании этапов обработки заготовки на каждом станке, а также достигаемом на каждой операции качестве поверхностей, необходимой последовательности технологического процесса и режимов обработки, времени стойкости режущего инструмента до переточки либо замены, траектории его движения, наличии соответственной оснастки для конкретных операций, в том числе и контрольных и многих других факторов, которые влияют на производственный процесс [21]. Стоит отметить, что большую роль при этом имеет степень автоматизации процесса, так как чем она выше, тем производственная система совершенней [40, 85].
Существует типовая структура производственной системы, которая предложена Ю.М. Соломенцевым, применяемая на ряде предприятий, занимающихся механической обработкой деталей. Аналогично она реализована (рисунок 1.6) на АО «Гормаш», занимающимся крупносерийным производством буровых долот.
Из схемы видно, что исходные параметры – материал и информация в виде разработанного чертежа детали с техническими требованиями, проходит несколько этапов, чтобы в конечном итоге стать буровым долотом. Причем такая последовательность этапов наблюдается практически у всех деталей, входящих в сборочную единицу готового изделия. Сначала осуществляется получение и входной контроль привезенных заготовок, так как анализируемое производство не располагает цехом заготовок и необходимым оборудованием для их получения. Гораздо меньшие экономические затраты предприятие несет при заказе поковок со стороны. Далее заготовки отправляются по рольгангу, либо на тележке вместе с чертежами деталей на рабочее место, оборудованное станком для соответствующей операции. Производится установка заготовки в приспособление, настройка режимов резания, настройка станка на размер и т.д., а затем получение геометрии согласно разработанному чертежу. Стоит отметить, что процесс установки заготовки не автоматизирован вовсе, все его этапы осуществляются вручную. Далее заготовка с полученной геометрией отправляется на участок контроля, где проводится контроль е геометрии, то есть проверяется полученный размер, отклонения поверхностей и в ряде случаев качество шероховатости поверхности. Затем проконтролированное изделие отправляется либо на сборочный участок согласно маршруту технологического процесса, либо считается бракованным и принимаются меры по устранению дефектов механической обработки.
Подробнее стоит остановиться на этапе контрольных операций. Процесс этот также не является автоматизированным и занимает большое количество времени, так как осуществляется вручную и очень часто на разработанных на предприятии контрольной оснастке и инструменте. Причем за счет снижения времени на контрольные операции выполняются лишь у 10-15% деталей всей партии, в связи с чем вероятность брака достаточно велика. И хотя в технических требованиях ряда чертежей, например, лапы, указывается, что геометрия радиусной дорожки качения достигается формой режущей части инструмента, но так как инструмент изнашивается и приходится проводить его переточку с целью уменьшения материальных затрат на режущий материал, то реально наблюдается отклонение от необходимой формы дорожки. Таким образом, требуется разработка более прогрессивных методов и приборов контроля отклонений от профиля дорожки с целью автоматизировать контрольную операцию. 1.4 Методы и приборы для определения отклонения формы поверхностей дорожек качения
В настоящее время задача определения отклонений размеров и формы поверхностей является актуальной задачей, как в области машиностроения, так и в области автоматизации технологических процессов. Существуют разного рода способы и средства контроля отклонений размеров и формы, основанные как на контактных, так и бесконтактных методах измерений.
В соответствии с РМГ 29-99: метод измерений – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. При этом метод измерений обычно обусловлен устройством самих средств измерений.
В основе контактных методов лежат принципы физических и механических измерений, то есть такого рода контроль осуществляется при непосредственном контакте чувствительного элемента прибора с поверхностью измеряемого объекта. Точность измерений, особенно для наиболее ответственных элементов деталей, таких средств контроля часто является недостаточной, поэтому и возможность реализовать алгоритмы для управления технологическим процессом отсутствует.
При бесконтактных методах, которые основаны, как правило, на теории волновой физики, а, в частности, геометрической оптики, контакт с измеряемой поверхностью отсутствует, что позволяет говорить о достаточно высокой степени применимости таких средств контроля в автоматических и поточных линиях по производству деталей машиностроительной отрасли.
Управление отклонением оси измерительного прибора при использовании проекционного метода контроля
Чистовая обработка профилей дорожек качения шариков подшипников в узлах конструкций различных элементов оборудования, в отличие от получения подобных дорожек в подшипниках качения, является ответственной операцией. Если при производстве подшипников всегда существует возможность выполнить сортировку элементов подшипника на специальных автоматах, и тем самым подобрать соответствующие сопрягаемые пары, то производитель бурового инструмента не имеет в наличии подобного оборудования и подбор сопрягаемых деталей приходится выполнять вручную, что связано с большими временными затратами, и, следовательно, увеличением себестоимости изделия, что, в свою очередь, снижает конкурентоспособность продукции. Создание специального контрольно-сортировочного оборудования при крупносерийном производстве также экономически не оправдано, поэтому автор видит решение этой задачи в осуществлении автоматизированного контроля при выполнении чистовой обработки профиля дорожки. Рассмотрим реализацию этого предложения на примере лапы трехшарошечного бурового долота, профиль дорожки которого изображен на рисунке 2.1.
Чистовую обработку поверхности дорожки выполняют на оборудовании с ЧПУ, инструментом с режущей частью, выполненной из эльбора. Такой процесс механической обработки называется высокоскоростной обработкой, выполняемой после термической обработки деталей [32].
Профиль дорожки лапы трехшарошечного бурового долота Используемое в настоящее время оборудование для ручного контроля профиля дорожек требует определенных временных затрат на выполнение операции контроля, превышающих время выполнения операции механической обработки, что требует использования нескольких измерительных приборов для контроля 100% количества изделий [83]. Его результаты не позволяют автоматически управлять процессом получения дорожки, а только лишь вручную производить коррекцию режимов резания в стойке станка с ЧПУ. Если производитель не увеличивает такт выпуска, то, как правило, используется выборочный контроль по определенным условиям, связанным с различными производственными факторами. Для сортировки изделий наиболее применяемой в
Схема сортировки изделий машиностроении является схема, представленная на рисунке 2.2. Полученные на токарной операции дорожки качения изделия проходят контроль в контрольном устройстве, и, в зависимости от его результатов, сортировочное устройство отправляет изделие в соответствующий поток. Контрольное устройство, в соответствии с условием Тк Тто и Т Тсорт, должно обеспечивать производительность поточной или автоматической линии. Предложенная на рисунке 2.2 схема наиболее удобна при реализации массового производства изделий, хотя и требует капитальных вложений, имеющих большой срок окупаемости, что объясняется высокой стоимостью автоматического или автоматизированного комплекта контрольно-сортировочного оборудования. Его стоимость перекладывается на себестоимость выпускаемого изделия С тд [91]: СЕизд=ССизд+ССк+Ак+ССС+АС (2.1) где ССизд- себестоимость изделия, руб.; ССК, Ак - себестоимость операции контроля и величина е амортизации, руб.; ССС, Ас- себестоимость сортировки и величина е амортизации, руб. Следовательно, согласно выражению (2.1) использование схемы, представленной на рисунке 2.2, оправдано только в том случае, если убытки от полученного брака превышают затраты на использование контрольно-сортировочного оборудования, тогда для исключения прохождения брака достаточно организации одного или двух дополнительных контрольных мест в производственной линии.
Но, по мнению автора, существует еще одно решение - оснащение специальным контрольным устройством оборудования, на котором получают дорожку качения. Таким образом, производится совмещение операций механической обработки и контроля. В этом случае возможны затраты только на оборудование, стоимость которого и затраты на его обслуживание и ремонт перекладываются на конечный продукт.
Контроль формы дорожки качения предлагается осуществить с помощью специального измерительного комплекса, включающего в себя зажимное приспособление, предназначенное для зажима лапы в центрах и предусматривающее поворот лапы вокруг оси, образующейся от вспомогательных технологических баз, выполненных в виде центровых отверстий в лапе. Соответственно, эта ось вращения совпадает с осью зажимного приспособления. Базируется зажимное приспособление относительно базовой горизонтальной поверхности, которая представляет собой стальную плиту. Также на базовой горизонтальной поверхности закреплен измерительный прибор, содержащий вертикальную пластину с установленной в ней камерой. В корпусе камеры находится ПЗС-матрица.
Важным аспектом при контроле точности формы дорожки является выбор оси измерений [100]. Так как изображение, захваченное матрицей и полученное на ней, состоит из строк и столбцов, то за ось измерений предлагается выбрать крайнюю верхнюю строку этого изображения. Таким образом, физически этой осью можно считать верхнюю границу ПЗС-матрицы. При этом следует понимать, что реальная ось дорожки лапы расположена относительно оси измерений с некоторой погрешностью из-за присутствующих во всем измерительном комплексе погрешностей механической обработки деталей комплекса, погрешностей закрепления, базирования и т.п.
Для того, чтобы теоретически оценить погрешность расположения осей, необходимо установить размерные связи между элементами всего измерительного комплекса [35]. Для этого составим размерную цепь, показывающую связи элементов (рисунок 2.3). За погрешность каждого звена, влияющую на погрешность расположения осей, будем считать допуск на размер каждого из звеньев, зависящий, в свою очередь, от ряда конкретных факторов [104]. Звено А0 является замыкающим, и есть ничто иное как расстояние между виртуальной осью измерений (ось ПЗС-матрицы) и реальной осью дорожки, подсвеченной с обратной стороны источником монохромного излучения (лазером). При этом под теоретической точностью измерений прибора понимается погрешность совмещения этих двух осей. Возникает эта погрешность вследствие присутствующих во всем измерительном комплексе погрешностей механической обработки, погрешностей закрепления, базирования, вибраций в цеху и т.д.
Статистическая обработка результатов эксперимента
В п. 2.3 данной главы был определен один из основных критерий качества бурового инструмента, необходимый для установления критерия управления технологическим процессом его получения: радиус профиля дорожки, а также отклонение от круглости. И если первый параметр критерия качества является элементарным, то второй требует более подробного рассмотрения.
Дадим определение величине, называемой отклонением от круглости. Отклонение от круглости – это геометрическая величина, которая численно равна наибольшему расстоянию от точек реального профиля до прилегающей окружности [23]. Прилегающей окружностью при этом называется окружность, описанная вокруг реального профиля, или окружность, вписанная в реальный профиль. Для определения отклонения от круглости в ГОСТ 24642-81 существует обозначение EFK (рисунок 2.17). При определении отклонения от круглости выбирается максимальное значение EFK. Осуществляется это путем сравнения профиля с заранее определенными профилограммами, аналогичная методика определения отклонения предлагается и автором, однако процесс контроля автоматизирован и, следовательно, выполняется гораздо быстрее, чем путем ручного сравнения с шаблоном.
Осуществлять контроль отклонения от круглости предлагается следующим образом. В любом модуле CAD создатся контур профиля дорожки для дальнейшего его использования в виде маски. Иными словами, создатся библиотека масок для разных типоразмеров лап буровых шарошечных долот для того, чтобы при необходимости осуществлять контроль по всему диапазону размеров буровых долот предприятия.
Получив изображение профиля дорожки и конвертируя его в монохромное, накладываем маску профиля с радиусом Rм, созданную согласно чертежу лапы. Совмещая опорные точки A и B контура маски с крайними засвеченными пикселями профиля в изображении A1 и B1 (рисунок 2.18), добиваемся точного совпадения этих точек, так как условие их совмещения, равно как и совмещения измерительной и реальной осей, оказывает непосредственное влияние на достоверность контроля. Координата по оси yточки А1, будет равно нулю, так как в п.2.1 мы условились, что верхняя граница дорожки качения лежит на границе ПЗС-матрицы. Добившись совпадения опорных точек и получив координату центра образующей профиля дорожки - Ок, определяем значение минимального и максимального радиусов в данном сечении. Рисунок качения
Определение максимального и минимального значений радиуса R в точках контура дорожки качения необходимо для получения значения отклонения от формы, которое предлагается определить как их разность.
Также особое внимание стоит уделить выбору базы, от которой будет производиться отсчет пикселей в каждом столбце для определения соответствующей его координаты. За базу можно взять ось вращения дорожки качения и проводить контроль от не, однако тем самым мы получим дополнительную погрешность базирования в силу того, что реальная ось дорожки и ось вращения совпадать очевидно не будут.
Поэтому согласно принципу единства баз, совмещаем базу отсчета пикселей с выбранной и установленной заранее реальной осью дорожки. Таким образом, совмещая ось измерений, реальную ось и ось отсчета, мы сведем к минимуму погрешность базирования б = 0. И хотя существует также погрешность совмещения реальной и измерительной осей, вызванная различными факторами, описанными в п. 2.1 данной главы, теоретически рассчитанное значение которой достаточно велико – 0,078 мм, в дальнейшем производим е корректировку программными средствами. При этом один из основополагающих принципов теории базирования будет соблюден.
Более подробно следует остановиться на описании алгоритма процедуры контроля отклонения от круглости, которая является основной при определении формы профиля дорожки качения. Для автоматизированного контроля отклонения от круглости разработана следующая процедура, алгоритм которой изображена на рисунке 2.19. Состоит алгоритм из трех основных циклов и подпрограмм: 1) цикл вычисления минимального и максимального значений радиуса дорожки качения Rmin и Rmax в отдельно взятых сечениях дорожки качения за период измерений; 2) подпрограмма определения величины максимального отклонения от круглости – delta; 3) подпрограмма проверки годности/брака лапы качения по конкретному параметру, то есть величины допустимого значения отклонения от круглости. В алгоритме, представленном на рисунке 2.19: N – количество измерений; i – номер текущего измерения; Ri – радиус соответствующего номера измерения, мм; Rmax – максимальный радиус за период измерений, мм; Rmin – минимальный радиус за период измерений, мм; delta – отклонение радиуса, мм; delta_d – допустимое отклонение радиуса, мм. Алгоритм является аналогичным описанному в [79]. В начале после запуска процедуры и обязательно тогда, когда ось прибора выставлена (подробно описано в п. 2.2 данной главы), вводится количество ходов измерений, определяемое количеством продольных сечений лапы по плоскости, проходящей через ось вращения дорожки качения, в которых необходимо осуществить контроль отклонения от круглости. Определяется оно заранее, и при выборе исходим из того, что время выполнения измерений будет соответственно больше и прямо пропорционально количеству ходов проверки.q
Реализация алгоритма и интерфейс специального программного обеспечения для определения отклонения от круглости дорожки качения на базе ПЗС-матрицы
Для практической реализации метода контроля отклонения от круглости автором разработан специальный измерительный комплекс, позволяющий определить отклонение от круглости дорожки качения, а также е геометрические параметры. В основу работы устройства положен метод проекционного контроля формы на базе ПЗС-матриц, то есть с «захватом» изображения контролируемого объекта, в нашем случае – это дорожка качения. По анализу конвертированного изображения определяются отклонения соответствующих пикселей от маски профиля, заранее загруженной в ПК и сформированной в виде библиотек для различных размеров лап буровых долот.
Измерительный комплекс (рисунок 4.1) можно разделить на следующие основные узлы: измерительный прибор, зажимное приспособление и гидростатический уровень для контроля отклонения измерительной оси прибора от необходимого положения. Измерительный прибор соединен через USB-порт с ПК, в который предварительно загружено специальное программное обеспечение.
Зажимное приспособление состоит из основания (горизонтальная плита), на котором закреплены две вертикальные пластины. Вертикальные пластины предназначены для установки в их отверстия специальных осей, которые служат деталями для зажима лапы. Осуществляется это закрепление аналогично тому, которое производится при зажиме заготовки в центрах на токарном станке. То есть с одного торца поджимаем лапу, а с другого подводим зажим и затягиваем с обратной стороны плиты винтами.
Между пластинами в отверстия, выполненные в них, установлены специальные оси, которые служат для придания дополнительной жесткости конструкции зажимного приспособления, так как хотя лапа и является негабаритной деталью, однако вес е составляет порядка 6 кг. Таким образом, зажимное приспособление должно быть устойчивым еще и потому, что, вращая лапу в процессе контроля дорожки качения, помимо технологических вибраций в цеху возникает и дополнительная вибрация.
Измерительный прибор состоит из цифровой камеры, в корпусе которой находится ПЗС-матрица. Камера установлена на кронштейне посредством резьбового соединения, стандартного для большинства фотокамер, и базируется на своей нижней поверхности, плотно прилегающей к поверхности кронштейна через пластмассовую шайбу. Кронштейн крепления камеры в свою очередь установлен на еще одном кронштейне Г-образной формы, который установлен на одной из пластин зажимного приспособления с возможностью регулировки его расположения по вертикали с помощью сквозного паза, выполненного на одной из сторон кронштейна и отверстий в пластине зажимного приспособления. На кронштейне крепления камеры с помощью винтов установлен акселерометр, позволяющий установить кронштейн с закрепленной на нем камерой строго по горизонту. Таким образом, акселерометр используется здесь в качестве датчика уровня, с помощью которого мы можем выставить измерительную ось прибора. Также на кронштейне крепления камеры есть регулировочный винт, необходимый для придания наклона камере и служащий для закрепления е на Г-образном кронштейне.
Гидростатический уровень состоит из штатива, на вертикальной стойке которого закреплена лапка с лазерным излучателем, проекцией лазерного луча которого является линия. Вращая регулировочный винт штатива и перемещая по вертикали лапку с лазером, добиваемся засветки оси радиусной дорожки качения лапы для последующего совмещения е с измерительной осью прибора.
Реализация алгоритма и интерфейс специального программного обеспечения для определения отклонения от круглости дорожки качения на базе ПЗС-матрицы
Приведенные на рисунках 2.9 и 2.19 в виде блок-схем алгоритмы для определения отклонения измерительной оси прибора и контроля отклонения от круглости можно реализовать только при наличии аппарата идентификации профиля поверхности [102], описанного в главе 2. Автор имеет опыт в реализации подобного рода алгоритмов и программных средств [72]. И хотя данное исследование не преследует цели описать программу реализации алгоритмов, но для доказательства возможности осуществления контроля отклонения от круглости дорожки качения вс же необходимо привести вид интерфейса программы. Так как программа реализуется на объектно-ориентированном языке Visual Basic [19, 45, 82], то из данного описания станет понятно – реализовал ли автор результаты теоретических и экспериментальных исследований в соответствии с задачами, поставленными в работе.
Поэтому приведем полное описание интерфейса программы со всеми е элементами управления, необходимыми для определения отклонения измерительной оси прибора, а также непосредственно идентификации профиля дорожки качения. На рисунке 4.2 показано главное окно программы. Окно программы можно подразделить на два основных блока: 1) блок работы с изображением; 2) блок установки оси измерительного устройства. Блок работы с изображением содержит следующие элементы, каждый из которых выполняет определенные функции: 1) параметр «уровень яркости» - позволяет управлять пороговым значением уровня яркости в процессе конвертации цветного изображения, захваченного ПЗС-матрицей камеры, в монохромное, предназначенное для анализа отклонения от круглости; 2) функция «выбор устройства» - позволяет выбрать устройство ввода информации, то есть внешнюю или встроенную камеру; 3) «включить видео» и «выключить видео» - позволяет управлять спуском цифрового видеоустройства – камеры для ввода изображения; 4) функция «копировать картинку» - дат возможность записать захваченное изображение в виде файла графического формата .bmp на жесткий диск ПК; 5) «конвертация» - преобразует цветное изображение в монохромное; 6) «определить отклонение» - выводит в окно программы результат контроля отклонения от круглости;