Активный контроль в машиностроении

Введение
Весьма важно в машиностроительной промышленности использование контроля не как средства разделения уже готовой продукции на годную и брак, а как средства, управляющего автоматически или с помощью оператора металлорежущими станками с целью получения размера в заданном допуске, предупреждения и исключения брака, а также для установления оптимальных режимов обработки, обеспечивающих высокую производительность при высоком качестве обрабатываемой поверхности и отклонениях формы в пределах соответствующего допуска. Такие измерительные средства называют средствами активного контроля.
Применение средств активного контроля увеличивает производительность труда, делает возможным многостаночное обслуживание и комплексную автоматизацию технологических процессов металлообработки, позволяет повысить качество обрабатываемой продукции, что обеспечивает, в свою очередь, повышение точности работы, долговечности и надежности продукции.
Средства активного контроля
Средства активного контроля контролируют размеры деталей в процессе, до или по окончании их обработки и по результатам контроля подают команду на изменение режимов обработки, на выключение станка или на подналадку системы станок — приспособление — инструмент — деталь.
Отличительной особенностью средств активного контроля является наличие обратной связи, позволяющей по результатам контроля управлять точностью технологического процесса и тем предупреждать появление брака.
Средства активного контроля наиболее целесообразно применять на финишных операциях (шлифование, хонингование), где требуется высокая точность обработки. Потери от брака на этих операциях особенно нежелательны, так как в деталь уже вложено много труда. Активный контроль широко используют также в непрерывных производственных процессах, например при прокатке листов, лент, труб.
При активном контроле повышается точность обработки, предупреждается появление брака, и устраняются потери времени на измерение детали, а также на остановку и пуск станков, что сокращает в среднем на 20—25% время обработки деталей.
В контрольных автоматах и средствах активного контроля широко применяют измерительные преобразователи (датчики), предназначенные для образования измерительного сигнала, позволяющего воспринимать значение измеряемой величины.
В последнее время все шире применяют самонастраивающиеся системы активного контроля. Эти системы возникли в связи с тем, что точность средств активного контроля в процессе их работы снижается и уже не удовлетворяет требованиям контроля точных деталей. Снижение точности средств контроля вызывается динамическими силами, температурной деформацией, износом измерительных наконечников и подвижных частей измерительных средств и другими факторами. Самонастраивающиеся измерительные системы самостоятельно восстанавливают точность управления при произвольно изменяющихся внешних и внутренних условиях.
Классификация средств и методов активного контроля
По воздействию на технологический процесс автоматические средства контроля параметров деталей можно разделить на две группы:
1) пассивные, осуществляющие лишь рассортировку деталей по результатам контроля;
2) активные, которые при определенном изменении контролируемой величины автоматически изменяют ход технологического процесса и обеспечивают заданную точность обработки.
Активному контролю могут подвергаться линейные и угловые размеры деталей, формы поверхностей деталей, взаимное расположение линий и поверхностей в пространстве, параметры шероховатости поверхностей и т. п. Активный контроль является одним из наиболее прогрессивных методов контроля.
Наибольшее распространение средства активного контроля получили на станках шлифовальной группы, где необходимо обеспечить высокую точность обработки при относительно низкой размерной стойкости инструмента (шлифовальных кругов). В последние годы активный контроль начинают широко применять на токарных, фрезерных, сверлильно-фрезерно-расточных станках с ЧПУ.
Контролировать можно как положение поверхности изделия (например, расстояние до другой поверхности), так и положение режущего лезвия инструмента или рабочих элементов станка.
Контроль можно осуществлять до начала обработки (например, контроль величины припуска), в процессе обработки или после обработки. Контроль можно выполнять контактными и бесконтактными методами. Передача измерительного импульса от места контроля к измерительной головке или датчику может осуществляться с помощью без рычажной или рычажной системы. 
В зависимости от способа воздействия на исполнительные органы станка известны устройства активного контроля трех типов:
1) автооператоры — устройства, изменяющие или прекращающие процесс обработки в момент выхода действительного размера изделия за поле допуска;
2) автоподналадчики — устройства, которые, воздействуя на механизм наладки станка, изменяют расположение рабочих органов станка относительно обрабатываемой поверхности изделия и не позволяют размерам последующего обрабатываемого изделия выходить за определенные границы;
3) автоблокировщики — защитные устройства, служащие для контроля изделия до и после обработки на данном станке; автоблокировщики либо не допускают попадания на станок изделий, у которых размер, форма или расположение поверхностей отличаются от требуемых, либо останавливают станок в случае поломки режущего инструмента или выхода контролируемого параметра изделия за установленные пределы.
1.2 Методика проведения активного контроля
Активный контроль может осуществляться методом косвенных измерений, когда контролируется положение элементов станка (шлифовального круга, суппорта и т. д.), определяющих размер детали, и чаще методом прямых измерений, когда контролируют непосредственно деталь.
Активный контроль может быть ручным, при котором рабочий управляет режимами и остановкой станка при наблюдении за показаниями прибора, измеряющего детали в процессе обработки, или автоматическим, когда управление станком осуществляется с помощью команд, выдаваемых установленным на станке или вне станка прибором.
Приборы активного контроля разделяют на командные, сигнал которых поступает в систему автоматического управления станком, показывающие, сигнальные и сигнально-показывающие, которые позволяют оператору использовать информацию прибора для ручного управления станком. Командные приборы могут иметь отсчётные или сигнальные устройства.
По способу установки измерительных элементов на станке приборы активного контроля разделяются на приборы с навесной скобой, которые обычно устанавливаются на деталь и снимаются с неё оператором, и с настольной скобой, которые устанавливаются на детали и снимаются с неё автоматически. По принципу действия приборы активного контроля могут быть механические (например, с использованием индикатора часового типа), пневматические, индуктивные и ёмкостные. В Российской Федерации наиболее распространены пневматические приборы. Настройку приборов производят по образцовой детали.
Особую группу приборов активного контроля составляют приборы для сопряжённого шлифования, с помощью которых можно измерять вал в процессе его обработки и выключать станок, когда вал достигнет размера, обеспечивающего требуемый зазор или натяг с заранее обработанным отверстием (например, обработка шпинделя по отверстию в передней бабке станка). Активный контроль осуществляют главным образом в массовом и крупносерийном производстве. Иногда целесообразно применять активный контроль при обработке небольших партий деталей (до 10 штук).
Применение активного контроля позволяет повысить производительность труда, улучшить качество обработки, вести одновременное обслуживание нескольких станков, получать высокую точность деталей, использовать на этих работах операторов относительно невысокой квалификации.
Перспективным является создание приборов активного контроля, работающих без настройки по образцовым деталям, с автоматической подналадкой уровня настройки, устанавливающих оптимальный режим производственного процесса, и расширение области применения активного контроля на всех видах обрабатывающих станков.
Операции и средства поверки
При проведении первичной и периодической поверок приборов активного контроля должны быть выполнены операции и применены средства поверки.
Допускается применять другие средства поверки, имеющие аналогичные метрологические характеристики.
К поверке приборов активного контроля (далее - приборы) допускают лиц, имеющих опыт работы с такими приборами, изучивших нормативные документы на поверяемые приборы и настоящий стандарт.
Требования безопасности
При проведении поверки соблюдают требования правил по охране труда.
При поверке прибора корпус электронного блока должен быть надежно заземлен.
Не допускается поверка прибора со снятым кожухом электронного блока.
Условия проведения поверки и подготовка к ней
При проведении поверки приборов должны быть соблюдены следующие условия:
-температура окружающей среды (20±3) °С;
-относительная влажность воздуха не более 80%;
-атмосферное давление (100±4) кПа;
-напряжение питающей сети (220±22) В;
-частота питающей сети (50+10) Гц.
Помещение (зона), предназначенное для проведения поверки приборов, должно быть в эксплуатируемом состоянии и иметь класс чистоты не более класса 8 ИСО по взвешенным в воздухе частицам с размерами 0,5 и 5 мкм и концентрациями, установленными ГОСТ Р ИСО 14644-1. Периодичность контроля состояния помещения определяют по ГОСТ Р ИСО 14644-2. Эксплуатацию помещения осуществляют по ГОСТ Р ИСО 14644-5.
Перед определением метрологических характеристик и параметров прибора выполняют следующие операции:
-выдерживают прибор в течение 2 ч для достижения температуры нормальных условий применения;
-выдерживают закрепленные в соответствующих зажимных устройствах средства измерений и испытуемый прибор до 1 ч с момента закрепления для стабилизации механических напряжений элементов измерительной цепи;
-удаляют с рабочих поверхностей контактных наконечников прибора загрязнения с помощью бензина;
-проводят предварительную обкатку в течение не менее 100 циклов. При каждом цикле контактные наконечники испытуемой измерительной оснастки должны совершать полный рабочий ход и должны последовательно выдаваться все управляющие команды прибора.
После включения электронного блока (далее - блок) испытания проводят не раньше, чем истечет установленное время готовности блока к работе (как правило, 15 мин).
Проведение поверки
При внешнем осмотре прибора должно быть установлено:
-соответствие комплекта поставки данным, приведенным в эксплуатационном документе;
-отсутствие механических повреждений прибора;
-наличие маркировки прибора, соединительных кабелей и разъемов и их соответствие эксплуатационным документам и ГОСТ 13762;
-плавность перемещения регулировочных элементов;
-надежность затяжки крепежных винтов;
-наличие клеммы "заземление" на блоке.
Автоматизированные устройства активного контроля, применяемые на станках с ЧПУ, обрабатывающих центрах, ГПС
При методе активного контроля, когда размер изготавливаемой детали контролируется непосредственно в процессе обработки, обеспечивается наиболее высокая точность обработки, так как исключается влияние на получаемый размер силовых и тепловых деформаций технологической системы, износа режущего инструмента и уменьшается вредное влияние вибраций.
Схема осуществления активного контроля процесса обработки приведена на рис. 3.31 (приложение 1). На круглошлифовальном станке 4 автоматическое контрольное устройство 2 через преобразователь 3 подает исполнительным органам станка команды об изменении подачи шлифовального круга с черновой на чистовую и прекращении шлифования при достижении требуемого размера детали 1. Одновременно световые сигналы контрольного устройства могут показывать, что деталь намного превышает требуемый размер, близка к нему или достигла окончательного размера.
Примерно по такой же схеме может осуществляться и контроль заготовок перед обработкой. После автоматической установки и закрепления заготовки 1 к ней подводятся измерительное устройство 2 и бабка шлифовального круга 4. Скоба измеряет диаметр заготовки, действительный припуск и в зависимости от величины последнего через систему управления подготовляет включение одной из нескольких возможных черновых подач. Если заготовка слишком велика или мала, цикл прерывается, и заготовка удаляется.
Автоматические устройства для контроля изделий после обработки (рис. 3.32, а) могут выполнять следующие функции:
• выключать станок 3 или производить его подналадку при прохождении сигнала через устройство 1, подающее информацию в преобразователь измерительных импульсов 4, определенного числа деталей 2 с размерами, выходящими за установленные пределы;
• отсортировывать брак в устройстве 5 и сортировать годные детали на группы размеров;
• останавливать станок в случае поломки инструментов.
На рис. 3.32, б (приложение 2) приведена схема одновременного использования устройств для комбинированного контроля изделий в процессе обработки и после нее. Деталь 1 и во время обработки, и после нее контролируется датчиками 2 и 3; первый во время обработки подает сигналы преобразователю измерительных импульсов 8 с сигнальным устройством, который управляет станком 7. После обработки сигналы датчика 3 поступают в преобразователь 4, управляющий сортирующим устройством 5, и одновременно в сигнальное устройство 6. В процессе обработки осуществляется контроль случайных отклонений, а после обработки — изменений, происходящих в работе станка, и при необходимости подается сигнал о его подналадке.
Средства активного контроля можно условно разделить на две группы. Устройства первой группы непрерывно измеряют обрабатываемую заготовку, и по мере достижения требуемых размеров изменяют режимы резания, прекращая обработку.
Устройства второй группы измеряют уже обработанную заготовку и по результатам измерения подают команду на изменение положения (подналадку) режущего инструмента относительно технологических баз в момент окончания обработки. Применение средств этой группы обеспечивает меньшую точность обработки по сравнению со средствами первой группы. Они устраняют влияние на точность обработки только износа режущего инструмента и сравнительно медленных температурных деформаций технологической системы.
В качестве примера использования средств активного контроля первой группы рассмотрим устройство для контроля размеров в процессе обработки на круглошлифовальном станке (рис. 3.33) (приложение 3).
На измерительной позиции А изменяющийся размер заготовки 8 контролируется измерительной головкой 9 с преобразователем 1, расположенной на подвеске 10. Сигнал, снимаемый с преобразователя 1, усиливается в усилителе 2, поступает на показывающий прибор 3 ив триггерно-релейный блок В. После замыкания контактов сигнал через релейный усилитель блока С поступает на исполнительный электромагнит 6, перемещающий золотники гидрораспределителя 7. При смещении золотников включается гидропривод обратного хода исполнительного механизма В, и шлифовальная бабка 4 начинает отходить от детали. Для обеспечения рабочей подачи бабки 4 служит гидропривод прямого хода 5.
Средства активного контроля второй группы рассмотрим на примере устройства для автоматической поднастройки бесцентрово-шлифовального станка (рис. 3.34) (приложение 4). Для достижения требуемой точности диаметральных размеров валиков в момент, когда обработанные детали попадают на призму 1, наконечник измерительного штифта 2 приходит в соприкосновение с измеряемой поверхностью валика и, перемещаясь, поворачивает рычаг 3. Если диаметр обработанного валика увеличивается и достигает контрольной границы, рычаг 3 замыкает контакт 5, включая тем самым реле времени, находящееся в шкафу 6. Реле, срабатывая, включает соленоид 7, который приводит в действие механизм, подающий ведущий шлифовальный круг в направлении рабочего круга, что вызывает уменьшение диаметров обрабатываемых валиков. Механизм приводится в действие от электродвигателя 8. В результате выполненной автоматической поднастройки диаметр валиков начинает постепенно уменьшаться, а измерительный штифт 2 начинает постепенно опускаться. При этом поворачивается рычаг 3, который сначала выключает контакт 5, а затем включает контакт 4, выключая механизм подачи, сообщающий перемещение ведущему кругу. Контрольные границы размеров валиков устанавливаются с помощью контактов 5 и 4, регулируемых винтами.
Недостаток методов подналадки по одной детали — слабая помехозащищенность системы от воздействия грубых ошибок. При подналадке по повторным импульсам измерительное устройство автоподналадчика усложняется, но при этом увеличивается помехоустойчивость подналадочной системы и уменьшается рассеивание размеров обработанных заготовок. Наибольшей помехоустойчивостью отличаются методы подналадки по статистическим оценкам, когда определяется положение центра группирования рассеивания размеров и команда подается при выходе центра группирования за настроечную границу. Такие системы требуют подключения к компьютеру для определения с его помощью среднестатистического размера в выборке.
Устройства для контроля размеров деталей бывают одно-, двух- и трехточечные. Наиболее проста одноточечная схема измерения (рис. 3.35, а) (приложение 5), однако при ее использовании на результат измерения будет влиять взаимное перемещение в направлении линии измерения детали и самого устройства. Измерительное устройство, построенное по двухточечной измерительной схеме (рис. 3.35, б), требует большого свободного пространства, хотя погрешность измерения при этом методе меньше. При двухточечной схеме измерения взаимное положение измерительного устройства и детали в направлении линии измерения определяется только размером детали и не зависит от ее технологической базы, что уменьшает погрешность контроля, но не обеспечивает полного разделения элементов технологической и измерительной размерных цепей. Полное разделение этих цепей достигается в трехточечной схеме измерительного устройства (рис. 3.35, в). В этом случае взаимное положение измерительного устройства и детали как в направлении линии измерения, так и в перпендикулярном (т.е. полностью в плоскости измерения) задается только элементами измерительного устройства. Измерительная скоба 4 с помощью шарнира крепится к корпусу 3 устройства. Последний вводится внутрь отверстия и базируется по его поверхности опорными наконечниками 5. Корпус через рычаг подвески 2 крепится к станку. С корпусом соединен преобразователь 1, измеряющий перемещение рычага относительно корпуса, пропорциональное контролируемому изменению диаметра отверстия.
На рис. 3.36 (приложение 6) представлена схема измерительного устройства внутришлифовального станка, ограничивающего перемещение его исполнительных механизмов с компенсацией износа режущего инструмента. Направляющая 4 этого устройства смонтирована на поперечных салазках, несущих бабку шлифовального круга. Шток 5, проходящий в этой направляющей, может перемещаться во время работы лишь вместе с салазками в направлении, перпендикулярном к оси шпинделя шлифовального круга. Шток связан со стрелкой 7 показывающего устройства, настроенного так, что стрелка устанавливается на нуль по достижении требуемого размера детали. В начале шлифования круг устанавливается в положение, соответствующее назначенному припуску на обработку. При этом стрелка находится в положении, которое изображено штрихпунктирной линией. Во время работы круг вместе с салазками перемещается по направлению подачи, что вызывает перемещение стрелки 7 по часовой стрелке.
Во время чернового шлифования круг изнашивается, поэтому в момент достижения стрелкой нулевого деления шкалы 6 размер детали не будет соответствовать заданному. При достижении стрелкой нулевого деления круг отводится для правки алмазным карандашом 1. Во время правки шток, коснувшись упора 2, сдвигается назад на расстояние, равное толщине слоя а, снимаемого с круга при правке. При этом стрелка перемещается на некоторый угол а.
После правки начинается чистовое шлифование, продолжающееся до тех пор, пока стрелка снова не достигнет нулевого деления, соответствующего теперь уже заданному размеру детали (так как износ круга во время чистового шлифования невелик).
Помимо показывающего устройства в данном устройстве имеется электроконтактное приспособление, действующее параллельно с ним (на чертеже не показано), которое автоматизирует цикл работы.
При большом припуске, мягком шлифовальном круге или при шлифовке шлицевых отверстий износ круга после чернового шлифования настолько велик, что при выходе для правки он не достигает алмазного карандаша 1. Для компенсации износа круга в этом случае устанавливается второй упор 3, который немного длиннее, чем упор 2. Действие его аналогично описанному выше.

Заключение
Активный контроль помимо разделения продукции на годную и дефектную доставляет информацию о причинах появления брака, которая по цепи обратной связи поступает в инженерно-технические службы для анализа и принятия решений о необходимой корректировке тех или иных элементов производственного процесса. 
Активный контроль предусматривает контроль правильности технологических параметров, влияющих на качество соединения. Он включает контроль: длительности технологических этапов секундомерами и реле времени; температуры нагревательных инструментов - электрическими и другими приборами; осевого усилия при оплавлении, осадке и охлаждении прямыми или косвенными измерениями с помощью динамометров, манометров и других приборов. 
Активный контроль предупреждает появление брака. Оператор и наладчик освобождаются от непрерывного наблюдения за ходом технологического процесса, становится возможным многостаночное обслуживание. Повышается производительность труда за счет сокращения вспомогательного времени и точность обработки. 
Активный контроль более эффективен, чем пассивный, так как он не только снижает время подналадки, но и предотвращает брак.
Активный контроль является важнейшей составной частью регулирования качества продукции - комплекса оргтехмероприятий, направленных на достижение высокого качества изделий в самом процессе их получения, включая в этот комплекс и контроль качества.
В широком смысле этого понятия активный контроль представляет собой определенную техническую политику, направленную на использование средств измерения повышения технологической точности.
Современные тенденции в создании средств активного контроля состоят в автоматическом управлении станками, так как в промышленности значительно высок парк автоматических и автоматизированных станков. Все вновь проектируемые станки, в которых предусмотрено использование средств активного контроля, рассчитаны на автоматическую связь с этими средствами и на управление с помощью команд, получаемых от них.
Использование жестких калибров в качестве средств активного контроля ограничивает число команд управления станком, исключает тонкое регулирование уровня настройки, не позволяет получить сигнал о величине измеряемого размера в аналоговой форме, не компенсирует неизбежный износ измерительных поверхностей калибра.
Широкое распространение в последнее время в средствах активного контроля получил электронный принцип измерения. Этому способствует быстродействие, возможность преобразования сигнала в нужную и удобную форму, хорошо развитая элементная база для создания приборов, а также наличие стандартизованных вторичных устройств промежуточных преобразований и получение отсчета, сигнала и команд в требуемой форме.
Электронный принцип измерения позволил расширить область применения средств активного контроля на современные методы обработки и металлорежущие станки. Электронные приборы активного контроля используют на станках для скоростного и силового шлифования, где время обработки составляет несколько секунд, такие приборы позволяют выполнять «следящую» подачу режущего Инструмента, поддерживая величину реальной подачи в заданных пределах на станках, где это ие удается осуществить из-за недостаточной жесткости СПИД или других причин с помощью обычных механизмов подачи.Пневматические приборы, обладая рядом существенных преимуществ (дистанционность измерения, небольшие размеры и простота конструкций измерительной оснастки, возможность бесконтактных измерений, простота получения мощного сигнала измерительной информации, высокая точность), также находят широкое применение в промышленности.

Список использованных источников
1. Активный контроль в машиностроении. Справочник / ред. Е.И. Педь. - М.: Огни, 2014. - 352 c.
2. Петунин, А.Н. Измерение параметров газового потока. Приборы для измерения давления, температуры и скорости / А.Н. Петунин. - М.: РГГУ, 2003. - 260 c.
3. Русинов, М.М. Оптика приборов для записи колебаний / М.М. Русинов. - М.: ИЛ, 2013. - 136 c.
4. Соболевский, К.М. Автоматический контроль и методы электрических измерений (труды III конференции) / ред. К.Б. Карандеев, К.М. Соболевский, М.П. Цапенко. - М.: Новосибирск: АН СССР, 2014. - 251 c.
5. Фетисов, М.М. Новые автоматические компенсационные приборы для измерения неэлектрических величин / М.М. Фетисов. - М.: Огни, 2015. - 113 c.