НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ”

Шкіль Вячеслав Миколайович

УДК 621.002.56

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТОЧНОСТІ І ТЕХНОЛОГІЧНОЇ НАДІЙНОСТІ АВТОМАТИЗОВАНОГО КОНТРОЛЮ РОЗМІРІВ ОБРОБЛЯЄМИХ

ДЕТАЛЕЙ НА ТОКАРНИХ ВЕРСТАТАХ З ЧПУ

Спеціальність: 05.02.08-"Технологія машинобудування"

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті на кафедрі “Технологія машинобудування”

Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

проректор з навчальної роботи

Дніпродзержинського державного

технічного університету

Коробочка Олександр Миколайович.

Офіційні опоненти: 1. Доктор технічних наук, професор,

Внуков Юрій Миколайович,

Запорізький державний технічний університет,

завідувач кафедри металорізальних верстатів і інструменту.

2. Кандидат технічних наук, доцент кафедри

технології машинобудування

Пасічник Віталій Анатолійович,

Національний технічний університет України “КПІ”.

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”,

Міністерство науки і освіти України. м. Харків.

Захист дисертації відбудеться "_21_"__травня__2001 р. о _15.00__годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 при Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою Київ – 56, проспект Перемоги 37, корп. № _1_ , ауд. _214_

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ “КПІ”

Автореферат розісланий "_18_"__квітня_2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.В.Семенов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення високої якості продукції і збільшення продуктивності устаткування гнучких автоматизованих виробництв, які обладнані металорізальними верстатами з числовим програмним управлінням (ЧПУ) - одна з найбільш важливих завдань автоматизованих машинобудівних комплексів. Накопичений досвід автоматизації металорізальних верстатів і поява обладнання, яке легко перенаголоджується, дає можливість автоматизувати виготовлення деталей не тільки в умовах масового виробництва, а й в умовах серійного виробництва.

Якість продукції значною мірою залежить від точності розмірів деталей. Деталі, які мають значні відхилення розмірів, зменшують довговічність як рухомих, так і нерухомих з'єднань. Вплив різноманітних факторів зменшує точність обробки деталей на металорізальних верстатах з ЧПУ. Задача забезпечення необхідної якості може бути вирішена на основі контролю точності розмірів деталей, що обробляються. Особливого значення це набуває в умовах серійного виробництва. Додаткова обробка бракованих деталей зменшує продуктивність металорізальних верстатів. Прогресивним способом досягнення необхідної якості деталей, які обробляються на токарних верстатах з ЧПУ, є спосіб, за яким розміри деталей контролюються безпосередньо в робочій зоні.

Існуючі металорізальні верстати з ЧПУ дозволяють забезпечити точність металообробки у межах від 0,0610-3 м до 0,0110-3 м. Причому, допуски позиціювання при односторонньому переміщенні робочих органів металорізального верстата знаходиться у межах від 0,00410-3 м. до 0,01010-3 м.

Сучасні засоби автоматизованого контролю розмірів деталей, що обробляються на металорізальних верстатах з ЧПУ, забезпечують точність вимірювання від 0,00110-3 м до 0,00510-3 м. Незважаючи на високу точність вимірювальних пристроїв, вони мають малу величину вільного ходу вимірювального накінцівника. Вільний хід вимірювального накінцівника знаходиться у межах від 110-3 м до 1,510-3 м, що зменшує надійність роботи головок дотику і зменшує сферу їх застосування на верстатах з ЧПУ. Для збільшення надійності деякі вимірювальні головки дотику обладнують додатковими відкидними захисними пристроями. Але ці пристрої зменшують точність вимірювальних головок.

Тому перед машинобудівною промисловістю стоїть завдання в забезпеченні контролю необхідних допусків на розміри деталей, дотримуванні їх із значним запасом і в забезпеченні потрібної величини переміщення вимірювальних механізмів приладу.

У зв'язку з цим актуальним науковим завданням є теоретичне обгрунтування створення адаптованих засобів автоматизованого контролю розмірів деталей, що обробляються на металорізальних верстатах з ЧПУ, які забезпечують необхідну точність і надійність автоматизованого контролю в зоні різання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертаційної роботи покладені дослідження, які виконувались Дніпродзержинським державним технічним університетом за госпдоговором "Дослідження й удосконалення методів прогнозування технологічної надійності верстатів із ЧПУ (токарної і фрезерної групи) з метою підвищення ефективності використання устаткування", який був укладений з Південним машинобудівним заводом міста Дніпропетровська.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є теоретичне обгрунтування створення адаптованих засобів для автоматизованого управління точністю розмірів деталей, що обробляються на токарних верстатах з ЧПУ, які дозволяють збільшити точність та надійність вимірювання, збільшити продуктивність процесу контролю і гнучкість автоматизованих машинобудівних комплексів.

Для досягнення поставленої в дисертації мети були сформульовані такі завдання досліджень:

1. Запропонувати ефективну схему вимірювальної головки, яка б забезпечила необхідний вільний хід вимірювального накінцівника при високій точності.

2. Розробити математичну модель для описання механізму появлення і визначення похибок вимірювання, які залежать від точності виготовлення окремих деталей головки дотику.

3. Створити конструкції трьохкоординатних головок дотику.

4. Виконати експериментальні дослідження по визначенню похибки механічної обробки деталей на верстатах із ЧПУ з застосуванням нових вимірювальних головок дотику.

Ідея роботи полягає в єдиному методологічному підході до створення засобів автоматизованого контролю розмірів деталей, що обробляються на металорізальних верстатах з ЧПУ, і визначенні характеристик точності контролюючих пристроїв шляхом теоретичних досліджень похибок вимірювання, які залежать від точності виготовлення деталей вимірювальних пристроїв.

Основні наукові положення, які захищаються автором:

1. Теоретично обгрунтовано вплив похибки виготовлення шариків і співвісних з ними циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана головки дотику за допомогою спеціальних функцій шляхом їх розвинення у нескінченні ряди Маклорена, що дозволяє забезпечити точність вимірювання головкою дотику з похибкою менше 0,00110-3 м.

2. Розроблені математичні залежності для визначення похибки головки дотику від впливу відхилень розмірів, форми і розташування тіл кочення і співвісних з ними циліндричних отворів, які забезпечують конструктивну можливість контролю розмірів деталей у зоні різання і дозволяють використовувати стандартні тіла кочення із ступенями точності від 3 до 10 при створенні вимірювальних головок дотику.

Наукова новизна одержаних результатів полягає:

1. Встановлено і теоретично обгрунтовано взаємозв’язок і взаємний вплив похибок виготовлення окремих деталей головки дотику на точність процесу вимірювання розмірів деталей, що обробляються на металорізальних верстатах з ЧПУ.

2. Розроблена і теоретично обгрунтована методика математичного моделювання похибок головки дотику, які виникають від відхилень розмірів, форми і розташування шариків і співвісних з ними циліндричних отворів деталей головки дотику.

3. Встановлені математичні залежності для визначення похибки вимірювання розмірів деталей, що обробляються, які виникають внаслідок відхилень номінальних розмірів, форми і розташування шариків і співвісних з ними циліндричних отворів деталей вимірювальної головки дотику.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:

1. Розроблено нові вимірювальні головки дотику для контролю розмірів деталей, що обробляються безпосередньо у робочій зоні металорізального верстата з ЧПУ (а. с. №№ 1404792. 1441157, 1499091).

2. Математичні залежності, які розроблені для визначення похибок вимірювання, забезпечують конструктивну можливість контролю розмірів деталей в зоні різання і дозволяють використовувати стандартні тіла кочення з ступенями точності від 3 до 10 при створенні вимірювальних головок дотику.

3. Автоматизований режим контролю розмірів деталей і введення корекцій дозволяє вести металообробку деталей на верстатах з ЧПУ з точністю 2 дискрети переміщення супорта на сторону деталі, що дає можливість отримати розмір з точністю 0,0210-3 м.

4. Вимірювальний пристрій і схема автоматизованого контролю розмірів деталей, які обробляються на верстатах з ЧПУ, з вводом коректуючих поправок впроваджені на Південному машинобудівному заводі міста Дніпропетровська.

5.Установка і налагодження системи автоматичного вводу коректуючих поправок дозволили збільшити точність і технологічну надійність контролю розмірів деталей і зменшити затрати на оснащення і вимірювальний інструмент.

Особистий внесок автора в розробку наукових результатів, які виносяться на захист, полягає у формулюванні наукових положень і задач досліджень, теоретичному обгрунтуванні конструктивних рішень для створення вимірювальних головок дотику, розробці математичних залежностей для визначення похибок головок дотику, у створені схеми автоматизованого контролю розмірів деталей, які обробляються на токарних верстатах з ЧПУ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації оприлюднювались і отримали схвалення на технічній раді Південного машинобудівного заводу, на засіданні об’єднаного наукового семінару кафедри “Технологія машинобудування” Дніпродзержинського державного технічного університету (1997 р.), на науковому семінарі кафедри “Автомобільне господарство” Дніпродзержинського державного технічного університету (1998 р.), на розширеному засіданні кафедри “Технологія машинобудування” Запорізького державного технічного університету (1999 р.)

Публікації. Наукові результати, які одержані в дисертаційній роботі, опубліковані в 6 статтях і 3 авторських свідоцтвах, 1 тезах доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складаеться зі вступу, загальної характеристики роботи, 5 розділів, висновку, 1 додатку, 110 найменувань використаних літературних джерел, 177 сторінок, 49 рисунків, 15 таблиць. Додатки містять документи, які підтверджують використання і впровадження результатів роботи.

Автор висловлює подяку науковому керівникові д.т.н. Коробочці О.М.,д.ф-м.н. Стеблянко П.О. і к.т.н. Чорному В.І. за надані консультації в процесі виконання роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обгрунтовано важливість і актуальність дисертації, викладено мету роботи та сформулювати основні наукові положення, які виносяться на захист, їх практичне значення та новизну.

Розділ 1. Аналіз існуючих методів і способів контролю розмірів деталей.

Аналіз існуючого значного світового і вітчизняного досвіду показав, що є три напрямки досліджень, які орієнтовані на збільшення точності виготовлення деталей на металорізальних верстатах з ЧПУ: збільшення жорсткості технологічної системи "верстат-пристрій-інструмент-деталь" і збільшення точності виготовлення вузлів і деталей металорізального верстата; вибір технологічних режимів і умов протікання процесів металообробки, які забезпечують задану точність; застосування систем автоматизованого управління точністю металообробки.

Перспективним напрямком є розробка систем автоматизованого управління точністю механічної обробки деталей.

Пріоритет створення систем автоматизованого контролю розмірів деталей, які обробляються на металорізальних верстатах з ЧПУ, належить Науково-виробничому об`єднанню ЄНІМС, Всесоюзному науково-дослідному інституту вимірювання, Науково-виробничому об`єднанню "Оргстанкінпром", Рязанському верстатобудівному виробничому об`єднанню; зарубіжним фірмам "Gildemeister" (Німеччина), "Ikegai" (Японія), "Hitachi Seiki" (Японія), "Marposs" (Італія), "Rеnishow Electrical" (Англія) та іншим.

Встановлено, що автоматизована обробка деталей з допусками розміру, які знаходяться у межах між 0,03103 м до 0,0510-3 м потребує розробки спеціальних вимірювальних пристроїв для автоматичної корекції похибок технологічної системи "верстат-пристрій-інструмент-деталь". При виготовленні деталей з меньшим допуском суттєво збільшується вплив складових похибки механічної обробки, які обумовлені похибками геометрії різальної кромки інструмента, похибками налагодження ріжучого інструмента і верстата на розмір, похибками установки, базування і закріплення різального інструмента та іншими факторами. Зменшити вплив перелічених факторів можна автоматичним коректуванням різальної кромки інструмента. Корекцію можна проводити за результатами вимірювання розмірів деталей у зоні різання.

Для автоматизованого контролю розмірів деталей застосовують вимірювальні пристрої, які забезпечують точність вимірювання: 0,00110-3 м - трьохкоординатний датчик дотику фірми "Renishow Electrical" (Англія), 0,00210-3 м - двокоординатна головка дотику фірм "Marposs" (Італія) і "Gildemeister" (Німеччина), 0,00510-3 м - вимірювальний пристрій фірми "LK Tool Compani Limited" (Англія). Незважаючи на високу точність перелічені вимірювальні пристрої мають малу величину вільного ходу вимірювального накінцівника, що зменшує надійність їх роботи. А застосування захисних пристроїв зменшує точність вимірювання.

Тому створення високоточних вимірювальних пристроїв, які мають величину вільного ходу вимірювального накінцівника у межах від 0 до 2010-3 м, які дозволяють здійснювати контроль розмірів у зоні різання і які забезпечують корекцію розмірів деталей в автоматичному режимі, є актуальною науковою задачею.

На основі аналізу і відповідно до цілі в роботі сформульовані актуальність, суть наукової задачі, мета і задачі досліджень.

Розділ 2. Створення нових вимірювальних пристроїв для контролю розмірів деталей, що обробляються на металорізальних верстатах з ЧПУ.

Вимірювальні головки дотику, які оснащені вимірювальними перетворювачами є основними пристроями системи автоматизованого контролю розмірів деталей, що обробляються на металорізальних верстатах з ЧПУ.

Для забезпечення високої точності контролю розмірів деталей (до 0,00110-3 м) у зоні різання при розробці вимірювальних головок дотику до їх конструкцій були пред`явлені слідуючи вимоги:

-

-

-

-

-

На рис. 1.а представлена трьохкоординатна вимірювальна головка (а.с. №1447792). Відмітною особливістю вимірювальної головки дотику є те, що фланець циліндра 1 встановлено на трьох шарових опорах 2. Шарові опорі розташовані в конічних отворах фланця циліндра і сепаратора 3. Для точної установки у вихідне "нульове" положення вимірювального накінцівника головка обладнана віброперетворювачем 4.

На рис. 1.б представлена трьохкоординатна вимірювальна головка (а.с. №1441157). Відмітною особливістю, вимірювальної головки дотику є те, що крізь опори пропущені струни 1, а шарики 2 розташовані в співвісних циліндричних отворах стяжного кільця 3 і кришки 4.

На рис. 1.в представлена вимірювальна головка дотику (а.с. №1499091). Відмітною особливістю даної головки є те, що шарові опори 1, крізь які пропущені струни 2, розташовані в співвісних циліндричних отворах фланця стакана 3 і опорного кільця 4.

Нові конструкції вимірювальних головок дотику дозволяють здійснити контроль розмірів деталей, що обробляються, в зоні різання, але необхідно теоретично і експериментально визначити похибки вимірювання цими головками дотику.

Розділ 3. Теоретичні дослідження похибок вимірювання головкою дотику.

Похибки вимірювання залежать від багатьох факторів, які в різній мірі впливають на сумарну величину похибки вимірювання розмірів деталей. Марков Н.Н., Кайнер Г.Б., Сацердотов П.А., Волосов С.С., Педь Е.І. вважають, що похибка вимірювального засобу входить до складу сумарної похибки вимірювання і складає 4...10 %, а при контролі в процесі металообробки - приблизно 15...30 %.

Сумарна величина похибки головки дотику, яка залежить від установки сферичного накінцівника у вихідне "нульове" положення після закінчення процесу вимірювання, дорівнює

, (1)

де - величина похибки, яка залежить від відхилень номінальних розмірів шариків і співвісних з ними циліндричних отворів; - величина похибки, яка залежить від відхилень геометричної форми шариків і циліндричних отворів; -величина похибки, яка залежить від розташування осей циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана (див. рис. 1в).

Складова величина похибки головки дотику дорівнює

, (2)

де S R - величина похибки, яка залежить від відхилень номінальних розмірів шариків; S d - величина похибки, яка залежить від відхилень номінальних розмірів співвісних циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана головки дотику.

Теоретичними дослідженнями встановлено, що максимальна величина похибки S R max дорівнює

, (3)

де l н - довжина вимірювального накінцівника; R ш - радіус шарика; l - відстань між центрами співвісних циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана; d0 - діаметр циліндричних отворів; TR - відхилення номінального розміру шарика.

Максимальна величина похибки S d max дорівнює

, (4)

де Td - відхилення номінальних розмірів циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана головки дотику.

Максимальна сумарна величина похибки головки дотику, яка залежить від відхилень номінальних розмірів шариків і співвісних з ними циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана, визначиться виразом

. (5)

Складова похибка S ф головки дотику дорівнює

S ф = S+ S , (6)

де S - величина похибки, яка виникає в результаті обертання шариків навколо струн; S - величина похибки, яка виникає в результаті відхилень розташування отворів у шариках.

Теоретичними дослідженнями встановлено, що максимальна величина похибки S max головки дотику дорівнює

, (7)

де R-величина відхилень геометричної форми шариків.

Максимальна величина похибки Smax головки дотику дорівнює

. (8)

Максимальна сумарна величина складової похибки головки дотику визначається виразом

. (9)

Складова величина похибки головки дотику, яка залежить від розташування осей циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана

, (10)

де - величина похибки, яка утворюється в результаті неспіввісності циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана; - величина похибки, яка залежить від відхилень розташування осей циліндричних отворів.

Теоретичними дослідженнями встановлено, що максимальна величина похибки дорівнює

, (11)

де с - відхилення від співвісності циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана головки дотику.

Максимальна величина похибки

, (12)

де l - величина відхилень розташування осей циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана головки дотику.

Максимальна сумарна величина S p max похибки головки дотику визначається виразом

. (13)

Для визначення оптимальних значень величин діаметрів шариків і співвісних з ними циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана розглянуто величину похибки вимірювальної головки дотику як функцію, що залежить від двох змінних Rш и do. Методом градієнтного пошуку встановлено, що при lн=7010-3м і l=2610-3м оптимальними розмірами є: діаметри шариків Дш=510-3м, діаметри співвісних з ними циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана do=310-3м.

Теоретичними дослідженнями доведено, що сумарна величина похибки головки дотику складається із сталої і змінної складової

(14)

Вважаючи, що похибки вимірювання розмірів деталей підпорядковані закону Гауса, то щільність розподілу ймовірності трьох ненезалежних випадкових величин і визначається виразом

, (15)

де ,,с – середні квадратичні відхилення випадкових

величин і ;

m, m, mс – математичні сподівання випадкових

величин і .

Якщо циліндричні отвори опорного кільця і фланця стакана обробляти сумісно, то ймовірність попадання змінної величини похибки головки дотику у межу від –0,510-6м до 0,510-6м дорівнює

,(16)

де =-0,510-6м; =0,510-6м; –

функція Лапласа.

Аналіз результатів розрахунків похибки головки дотику від температурних деформацій показав, що коли металорізальний верстат находиться в термоконстантному приміщенні, де температура підтримується у межах 200,5о С, величина похибки дорівнює St=1,3210-6 м.

Розділ 4. Визначення величин похибок головки дотику.

На рис. 2,а, б, в, г, д, є представлені залежності складових похибки головки дотику, яка утворюється від відхилень розмірів, форми і розташування шариків і співвісних з ними циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана.

Аналіз результатів розрахунків, які виконані на основі одержаних математичних залежностей, показав :

1.

2.

3.

Розділ 5. Експериментальні дослідження похибки вимірювання головками дотику.

Експериментальними дослідженнями, які були проведені в лабораторних умовах, встановлено, що максимальна величина похибки головки дотику від установки сферичного накінцівника у вихідне "нульове" положення не перевищує 0,00110-3 м. На рис. 3,а представлено графік залежності середньоарифметичної величини похибки Sо головки дотику при відхиленні вимірювального накінцівника у межах від 0о до 360о з інтервалом 15о1о. Теоретичними дослідженнями встановлено, що величина похибки Sо підпорядковується закону нормального розподілу. Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що ймовірність нападання випадкової величини Sо в інтервал від 0о до 110-6 м на 1,1 % відрізняється від ймовірності, яка одержана в результаті теоретичних досліджень.

На рис. 3, б представлена діаграма вимірювального зусилля. Якщо модуль пружності матеріалів сферичного накінцівника і деталі, що обробляється, дорівнює Ен = Ед = 2,110-3 н/м2, то величина похибки вимірювання, яка залежить від контактних деформацій у випадку "шар - площина", дорівнює 0,2410-6 м. Величина похибки вимірювання, яка залежить від пружних деформацій вимірювального накінцівника, дорівнює 0,2810-6 м.

Для контролю розміру деталі Ад в зоні різання в технологічний процес обробки конкретної поверхні деталі вводилися два чистових проходи, які виконувалися при незмінному закріпленні деталі і на ідентичних режимах різання. Обидва чистових проходи виконувалися з однаковою глибиною різання t1 = t2. Після першого чистового проходу з настройкою Ад + t2, розмір деталі буде дорівнювати Ад+ t2 + i, де i - сумарна величина систематичних і випадкових похибок механічної обробки деталі. Розмір Ад + t2 необхідно зафіксувати в програмі управління металорізального верстата з ЧПУ. Вимірявши розмір Ад + t2 + i, можна визначити сумарну похибку механічної обробки деталі

i =(Ад + t2 + i ) - (Ад + t2) . (14)

Визначивши вимірювальним пристроєм i, величина i вводилася в програму управління, як корекція. При цьому другий чистовий прохід виконувався не за розміром Ад - i, а за розміром Ад :

(Ад - i) + i = Ад . (15)

Таким чином, незалежно від величини i , точність розмірів деталі буде одержана у межах точності вимірювання і можливостей позиціювання робочих органів металорізального верстата. Як один із елементів вимірювального пристрою використовувався супорт металорізального верстата.

Автоматичний режим вимірювання і введення корекції дозволяє вести механічну обробку з точністю 2 дискрети переміщення супорта, що на діаметр складає 4 дискрети. На верстаті типу СТП – 320ПР це дає можливість стабільно одержувати розмір з точністю 0,0210-3 м.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі сформульовані і обгрунтовані положення, сукупність яких представляє теоретичне вирішення актуального наукового завдання створення і застосування вимірювальних головок дотику для автоматизованого контролю розмірів деталей, що обробляються, яка має важливе народно-господарське значення в галузі металообробки деталей на металорізальних верстатах з ЧПУ, що дозволило збільшити якість продукції, забезпечити необхідну точність і надійність автоматизованого контролю, гнучкість автоматизованих металобудівних комплексів.

Стан питання. Якість деталей, які виготовляються в гнучких автоматизованих виробництвах, значною мірою залежить від точності їх розмірів. Існуючі прилади для вимірювання розмірів деталей мають малу величину вільного ходу вимірювального накінцівника, що зменшує надійність роботи металорізальних верстатів з ЧПУ. Тому створення високоточних і надійних пристроїв для контролю розмірів деталей є важливим народно-господарським і науковим завданням.

Методи вирішення наукового завдання включає в себе системний аналіз способів вимірювання розмірів деталей, що обробляються на металорізальних верстатах з ЧПУ, узагальнення передових досягнень науки і практики, наукову кваліфікацію, лабораторний і промисловий експерименти.

Обгрунтованість і достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій підтверджується аналітичними дослідженнями з використанням нескінченних рядів Маклорена і основ аналітичної геометрії, порівнянністю результатів теоретичних досліджень з натуральними вимірюваннями похибки головки дотику в лабораторних і промислових умовах.

Основні результати, висновки і рекомендації полягають у тому, що :

1.

2. Встановлені математичні залежності для визначення похибок вимірювання розмірів деталей, які виникають від відхилень розмірів, форми і розташування шариків і співвісних з ними циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана головки дотику.

3. Розроблена і теоретично обгрунтована методика математичного моделювання похибки головки дотику.

4. Створено ряд вимірювальних головок дотику для контролю розмірів деталей, що обробляються в робочій зоні металорізального верстата з ЧПУ, які дозволяють з точністю до 0,00110-3 м визначити розміри деталі.

5. Розроблена схема автоматичного виміру розмірів деталей з автоматичним вводом коректуючих поправок в процесі металообробки.

6. Розроблена і впроваджена установка автоматичного вимірювання деталей з автоматичним вводом коректуючих поправок похибок металообробки на токарному верстаті з ЧПУ на Південному машинобудівному заводі, що дозволило зменшити допоміжний час на здійснення процесу вимірювання розмірів деталей на 40%, зменшити матеріальні витрати на оснащення, вимірювальний інструмент. Економічний ефект склав 10 тис. гривень.

Наукові результати і положення дисертації опубліковано в 10 друкованих роботах:

1.

2.

3.

4.

5. Шкиль В.Н., Коробочка А.Н. Определение оптимальных значений величин диаметров шариков и цилиндрических отверстий измерительной головки касания // Системні технології: Регіональний міжвузівський зб. наук. пр. – Дніпропетровськ: ДНВП Міносвіти та науки України “Системні технології”, 1999. - № 8. – С. 104 –106.

6. Шкиль В.Н. Погрешности измерительной головки касания //Системні технології. Регіональний міжвузівський зб. наук. пр. – Дніпропетровськ: ДНВП Міносвіти та науки України “Системні технології”, 2000. - № 1 (9). – С. 140 –143.

7. Трехкоординатная измерительная головка : А.с. 1404792. СССР, кл. G 01 В 5/20 / Черный В.И., Беляев С.В., Тонконог А.Н., Строчиков В.В., Бродский Ю.Р., Белый Е.П., Шкиль В.Н.-№ 4161477; Заявлено 15.12.86; Опубл. 23.06.88, Бюл. № 23. –2 с.

8. Трехкоординатная измерительная головка : А.с. 1441157. СССР, кл. G 01 В 5/20 / Черный В.И., Беляев С.В., Шкиль В.Н., Тонконог А.Н., Строчиков В.В., Атаманчук Ю.А. - № 4188486; Заявлено 02.02.87; Опубл. 30.11.88, Бюл. № 44. –2 с.

9. Измерительная головка касания: А.с. 1499091. СССР, кл. G 01 В 5/20 / Черный В.И., Беляев С.В., Строчиков В.В., Тонконог А.Н., Шкиль В.Н., Белый Е.П., Бродский Ю.Р.- № 4253053; Заявлено 01.06.87; Опубл. 7.08.89, Бюл. № 29. –3 с.

10. Шкиль В.Н. Суммарная величина погрешности головки касания //Тези доповідей “Першої міжнародної конференції “Наука і освіта 98” . м. Дніпродзержинськ (27 – 30 квітня 1998 р.). – Дніпропетровськ: “Наука і освіта”,1998. – С.14-15.

АНОТАЦІЯ

Шкіль В.М. Забезпечення точності і технологічної надійності автоматизованого контролю розмірів деталей, що обробляються на токарних верстатах з ЧПУ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - Технологія машинобудування. – Національний технічний університет України, “КПІ”, 2001.

Дисертація присвячена питанням проектування автоматизованих пристроїв для контролю розмірів деталей в зоні різання металорізального верстата з ЧПУ. Розроблені математичні залежності для визначення похибки вимірювання, які залежать від впливу відхилень розмірів, форми і розташування шариків і співвісних з ними циліндричних отворів опорного кільця і фланця стакана головки дотику. Встановлено, що похибка вимірювальної головки не більше 0,00110-3м. Застосування вимірювальної головки дотику надає можливість збільшити точність і надійність контролю розмірів деталей, збільшити продуктивність обладнання і зменшити матеріальні витрати на оснащення і вимірювальний інструмент. Основні результати праці знайшли промислове впровадження на металорізальному верстаті з ЧПУ.

Ключові слова: головка дотику, контроль, похибка, розмір, верстат з ЧПУ, деталь.

АННОТАЦИЯ

Шкиль В.Н. Обеспечение точности и технологической надежности автоматизированного контроля размеров обрабатываемых деталей на токарных станках с ЧПУ. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – технология машиностроения. – Национальный технический университет Украины “КПИ”. – Киев, 2001.

Диссертация посвящена вопроам проектирования автоматизированных устройств контроля размеров обрабатываемых деталей в зоне резания металлорежущего станка с числовым программным управлением. В работе проведен анализ погрешностей размеров деталей, возникающих от неточности и погрешности металлорежущих станков, отклонения позиционирования рабочих органов станка, отклонения геометрической формы режущего инструмента и его износа, неточности установки, базирования и закрепления заготовки на станке, от недостаточной жесткости технологической системы “станок – приспособление – инструмент – деталь”, от тепловых деформаций и деформаций, возникающих из-за внутренних напряжений в материале детали, от неточности настройки режущего инструмента и металлорежущего станка на размер и др.

Проанализированы существующие методы измерения и конструкции измерительных устройств для автоматизированного контроля размеров обрабатываемых деталей на токарных станках с числовым программным управлением. Установлено, что с точки зрения гибкости автоматизированных машиностроительных комплексов, точности измерения размеров обрабатываемых деталей, встраиваемости в металлорежущий станок с числовым программным управлением, восприимчивости к внешним воздействиям, стоимости измерительного устройства контроль размеров головками касания обеспечивает хорошее сочетание характеризующих признаков.

Теоретически обоснована методика математического моделирования погрешности головки касания. Установлены математичесике зависимости для определения величины погрешности измерительной головки касания, возникающей от отклонений номинальных размеров, формы и расположения шариков и соосных с ними цилиндрических отверстий опорного кольца и фланца стакана. Установлено, что при использовании в конструкции стандартных тел качения 3, 5 и 10 степени точности величина погрешности головки касания от установки измерительного наконечника в исходное “нулевое” положение после окончания процесса измерения размеров деталей не привышает 0,00110-3 м. Методом градиетного поиска установлены оптимальные значения величин диаметров шариков и соосных с ними цилиндрических отверстий опорного кольца и фланца стакана измерительной головки касания. Теоретическими исследованиями установлено, что величина погрешности измерительной головки касания состоит из постоянной и переменной составляющих. Установлено, что вероятность возвращения сферического наконечника измерительной головки касания в исходное “нулевое” положение после окончания процесса измерения равна 99,8 %. Определены величины погрешностей головки касания, зависящих от контактных, упругих и тепловых деформаций.

Предложена новая схема измерительной головки касания. Создан ряд измерительных головок касания для контроля размеров обрабатываемых деталей в зоне резания металлорежущего станка с числовым программным управлением. Разработана схема автоматизированного измерения размеров обрабатываемых деталей на металлорежущих станках с числовым программным управлением с автоматическим вводом корректирующих поправок в процессе металлообработки. Разработана и внедрена установка автоматизированного измерения размеров обрабатываемых деталей с автоматическим вводом корректирующих поправок погрешности металлообработки на токарном станке с ЧПУ.

Основные результаты работы нашли промышленное применение на токарном станке с числовым программным управлением, что позволило увеличить точность металлообработки деталей, надежность процесса измерения и уменьшить затраты на оснастку и измерительный инструмент.

Ключевые слова: измерительная головка касания, контроль, порешность, размер, станок с ЧПУ, деталь.

ANNOTATION

Schkil V.N. Accuracy and Technological Reliability Providing of Automatic Control of Part’s Dimensions at Lather with Digital Programmed Control.

Thesis for a candidate scientific degree on speciality 05.02.08 – Machine-building Technology. – National Technical University of Ukraine (KPA), Kiev, 2001.

Thesis deals with problems on design of automatic devices for size control of details in cutting zone of metal-cutting machine with numerical program control. Mathematical dependence’s have been developed to determine error of measurement, depending on deviation influence of nominal size, shape, balls location an coaxial cylindrical hole of supporting ring and cup flange of contact head.

At has been determined that the error of measuring head doesn’t exceed 0,00110-3 m. The use of the measuring contact head gives an opportunity for accuracy increasing and control reliability of detail size and diminishing of financial expenditures of equipment and measuring instruments. The main results of the work have been used in industry at metal-cutting machine with numerical program control.

Key words: Contact head, control, error, size, machine with numerical program control, detail (part).

Підписано до друку 2.04.2001 р. Формат 60х84/16. Папір типографський. Друк офсетний.

Умов. Друк.арк. 1,63. Тираж 100 примір. Замовлення № 360.

Видавництво – Дніпродзержинський державний технічний університет.

51918, м.Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2

Рис. 1. Вимірювальні головки дотику

Рис. 2. Залежності складових похибки головки дотику внаслідок відхилень розмірів,форми і розташування шариків і циліндричних отворів для Rш=2,510-3м

1 - d0=210-3м; 2 - d0=310-3м; 3 - d0=410-3м

Рис. 3. Залежності середньоарифметичної величини похибки вимірювальної головки дотику від напрямку переміщення сферичного накінцівника (а) і вимірювального зусилля (б)