Интеграция алгоритмов диагностики режущего инструмента в отечественную систему ЧПУ

А.С. Григорьев,
магистр, grigorievanton@mail.ru,

П.А. Никишечкин,

бакалавр, petrnikishechkin@gmail.com,

П.Ю. Сероухов,

бакалавр, tghawk@mail.ru,

С.В. Соколов,

магистр, sokolov@ncsystems.ru

МГТУ «Станкин», г. Москва

Работа выполнена по Госконтракту № П500 от 13.05.2010 на проведение НИР в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России"

на 2009-2013 гг.

Статья описывает подсистему диагностики, возможность ее встраивание в отечественную систему ЧПУ и применение алгоритмов диагностики режущего инструмента. Рассмотрена работа алгоритмов диагностирования, их взаимодействие с системой ЧПУ.

The article describes the subsystem of diagnosis, diagnostic algorithms and their embedding into CNC system. The work of diagnostic algorithms, their interaction with CNC system is considered.

Автоматизация и развитие современной промышленности повышает требования к оборудованию, а также к производимым им изделиям. Для производства деталей, удовлетворяющих современные стандарты качества, требуется осуществлять непрерывный контроль над процессом обработки. В связи с этим именно надежность и контроль процесса механической обработки изделий становится важнейшим аспектом автоматизированного производства.

Для достижения таковых целей на сегодняшний день разрабатываются различные системы диагностики процесса обработки, которые позволяют с определенной точностью фиксировать и определять:

· холостой ход инструмента;

· контакт инструмента с деталью;

· поломку инструмента;

· износ инструмента.

Системы имеют функциональность для визуализации, а также диагностики и оптимизации операций обработки, что означает:

· расширенное предупреждение поломки инструмента благодаря своевременной автоматической смене инструмента;

· повреждения на инструменте или детали минимизируются, последующие повреждения предотвращаются;

· увеличение производительности без привлечения дополнительного персонала.

На данный момент существует очень немногое количество систем, позволяющих производить как диагностику режущего инструмента, так и прогнозирование его остаточной стойкости. Все это приводит к необходимости поиска более совершенных методов диагностики и контроля, а также разработки новых аппаратно-программных комплексов, включающих в себя элементы мониторинга текущего состояния режущего инструмента, а также возможность прогнозирования его остаточной стойкости

На сегодняшний день в МГТУ «СТАНКИН» ведутся разработки универсальной подсистемы диагностики, способной определять износ режущего инструмента, а также осуществлять прогнозирование его остаточной стойкости.

Подсистема представляет собой отдельно подключаемый модуль, взаимодействующий с ядром системы ЧПУ (рис. 1).

Основная работа диагностирования осуществляется в оболочке модуля диагностики, которая обеспечивает взаимодействие всех компонентов, входящих в подсистему.

Модуль ввода (сбора информации) отвечает за сбор поступающей из зоны резания информации, ее первоначальную обработку и преобразования в вид, понятный системе. Входящая информация поступает с различных датчиков, установленных в зоне резания, таких как: тензометрический, вибродатчик, датчик акустической эмиссии и т.д.

Модуль обработки информации включает в себя различные диагностические алгоритмы обработки сигнала, которые позволяют определять степень износа текущего инструмента и прогнозировать его остаточную стойкость.

Модуль вывода отвечает за сбор обработанной информации, а также передачу управляющих команд на систему ЧПУ. Такими командами могут быть: подналадка процесса резания, сигнал остановки, смены инструмента или коррекции режима обработки.

Таким образом, цикл обработки информации выглядит следующим образом: информация с датчиков поступает в модуль ввода, который обеспечивает ее первоначальную обработку. Затем собранные данные передаются в модуль обработки информации, где данные обрабатываются с помощью диагностического алгоритма, а после передаются в модуль вывода, который передает подготовленные данные и управляющие команды на систему ЧПУ. Все взаимодействие модулей происходит в потоке реального времени, что обеспечивает необходимый уровень реакции всей системы.

рис. 1 Обобщенная диагностическая система

Работа подсистемы диагностики начинается с загрузки требуемых компонентов, за что отвечает оболочка модуля диагностики. Описание параметров загрузки хранятся в файле конфигурации, который представлен XML файлом. Считанные параметры загрузки из файла конфигурации передаются в «Component manager», который обращается к библиотекам модулей, указанным в XML файле. Из библиотеки загружается необходимый модуль с требуемыми параметрами. При наличии дополнительных особенностей загрузки они указываются в дополнительном файле конфигурации. После загрузки модулей они помещаются в «Component manager», из которого в ходе работы извлекается нужный модуль.

Основная работа по прогнозированию состояния режущего инструмента происходит в модуле обработки информации, который содержит различные алгоритмы анализа поступающих данных. На первом этапе используемый диагностический алгоритм должен определить основные периоды обработки детали, которыми являются (рис. 2):

1. холостой ход;

2. врезание в заготовку;

3. рабочий период;

4. выход инструмента из заготовки.

рис. 2 Периоды процесса обработки

Под рабочим периодом понимается информация, полученная с датчиков из зоны резания станка, в период полного контакта режущей части инструмента с заготовкой.

В ходе работы алгоритма осуществляется сравнение текущего значения полученных сигналов с эталонными параметрами инструмента, которые получены опытным путем и хранятся в базе данных. Необходимые уровни уставки выбираются исходя из всех параметров обработки, а именно: инструмента, заготовки и режима резания. В случае отсутствия точных параметров происходит выбор наиболее близкого значения. При превышении уровня предельно допустимого значения, записанного в базе данных для текущих параметров обработки, производится команда на смену инструмента. При обработке серии деталей возможно хранение в базе данных параметров обработки эталонной детали, а затем осуществление сравнения текущего значения износа инструмента с эталонными данными. Таким образом, при обработке крупной партии деталей одного типа необходимо осуществить экспериментальную обработку одной такой детали и затем выполнять сравнение с полученными данными, хранящимися в БД.

Встраивание подсистемы диагностики в систему ЧПУ происходит в виде отдельного модуля, работающего в реальном времени. Для корректной работы подсистемы диагностики режущего инструмента должен быть определен протокол обмена информацией между подсистемой диагностики и системой ЧПУ. К основным операциям обмена информацией относятся:

· запрос информации об условиях технологической операции;

· запрос о шифре обрабатываемой детали, имеющей эталон в базе данных;

· запрос информации о новом шифре детали, обрабатываемой впервые;

· коррекция позиции режущего инструмента;

· выдача сигнала на смену режущего инструмента;

· сигнал на аварийную остановку процесса обработки;

· коррекция допусков на диагностические параметры оператором.

Модуль вывода передает информацию для графического вывода в терминальной части и информацию, содержащую команды для подналадки, аварийного останова и другие. Данные, предназначенные для терминальной части передаются с низкой частотой по запросу.

В терминальной части системы ЧПУ имеется дополнительный экран для визуализации процесса диагностирования. Взаимодействие с терминальной частью происходит через ядро системы ЧПУ (рис. 1). Таким образом, все обработанные данные выводятся в терминальной части для повышения удобства работы оператора и визуализации процесса диагностирования (рис. 3).

рис. 3 Терминальная часть режима диагностики инструмента в системе ЧПУ

Визуализация данных позволяет максимально наглядно отображать текущее значение сигналов с датчиков, как в цифровом, так и в графическом видах, а также значение износа инструмента. Это позволяет следить за ходом износа инструмента во время процесса обработки, что значительно облегчает работу оператора.

Разработка и внедрение подсистемы диагностики режущего инструмента в систему ЧПУ позволяет повысить качество обработки изделий, уменьшить процент брака и сократить общее время обработки за счет своевременной подналадки режима обработки или замены рабочего инструмента.