mgr in. Radosaw Gociniak
Instytut Technik Wytwarzania, Politechnika Warszawska e-mail: r-gosciniak@o2.pl
METODA OKRELANIA WSPÓRZDNYCH KOCA OSTRZA
I BEZPOREDNIEGO POMIARU ZUYCIA OSTRZA
NOA TOKARSKIEGO
W artykule ukazano now metod pomiaru zuycia ostrza. Przedstawiono koncepcj nowej sondy bazujcej na mostkach tensometrycznych, która umoliwia podczas jednego cyklu pomiarowego okrelenie wspórzdnych i bezporedni pomiar zuycia ostrza noa tokarskiego na tokarkach NC. Przedstawiono take wstpne wyniki bada.
METHOD FOR ORIENTATION OF TOOL EDGES AND FOR DIRECT
TOOL WEAR MEASUREMENT
The new method of tool wear measurement. The original concept of a tool probe using one full strain gauge bridge for orientation of tool edges and for direct tool wear measurement. The calculation and design of patented tool probe for lathes.
1. WSTP
Ostrze noa tokarskiego jest najszybciej zuywajcym si elementem, który bierze udzia w skrawaniu. W celu zachowania odpowiednio wysokiej jakoci przedmiotu obrabianego, celowe jest dokadne okrelenie pooenia wierzchoka ostrza w ukadzie wspórzdnych obrabiarki oraz dostarczanie ukadowi sterowania obrabiarki informacji o stanie zuycia narzdzia tak, aby mona byo wprowadzi niezbdne korekty w celu zachowania odpowiednich dokadnoci wymiarowych. Podczas toczenia zuycie ostrza przekada si podwójnie na wymiar rednicy przedmiotu obrabianego. Obecnie sondy suce do okrelania pooenia wierzchoka ostrza s ju stosowane praktycznie we wszystkich tokarkach sterowanych numerycznie – NC (Numerical Control). Na wiecie jest kilka firm, które dostarczaj takie urzdzenia, midzy innymi sondy firmy Renishaw. Gorzej jest niestety jeli chodzi o zuycie ostrza. Tutaj mamy do czynienia z dwoma typami utraty waciwoci skrawnych ostrza: zuyciem naturalnym oraz zuyciem katastroficznym, czyli KSO. Ze zuyciem katastroficznym mamy do czynienia wówczas, gdy nastpuje nage przekroczenie granic wytrzymaoci i wykruszenie lub stopienie ostrza. KSO powinno by wykrywane jak najszybciej a sam proces obróbki powinien by natychmiast przerwany. Taki przypadek zuycia jest ju do dobrze wykrywany przez automatyczne systemy diagnostyczne np. firmy Nordmann [1] czy te system opracowany w Zakadzie Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem PW pod kierownictwem prof. dr hab. in. K. Jemielniaka [2]. Systemy te bazuj na pomiarach porednich wielkoci fizycznych towarzyszcych skrawaniu takich jak siy skrawania czy emisja akustyczna (AE). Systemy takie mog by oparte na jednym rodzaju sygnaów np. AE, chocia czciej stosuje si systemy oparte o wiele sygnaów jako bardziej niezawodne i pozwalajce z wiksz pewnoci wykrywa KSO. Zuycie naturalne to proces, który przebiega stopniowo na skutek mechanicznego, chemicznego i termicznego oddziaywania procesu skrawania. W przypadku tego typu zuycia naturalnego wymiana ostrza na nowe powinna nastpi w chwili, gdy zostanie osignity zaoony poziom wskanika zuycia przyjty jako kryterium stpienia. Ten typ zuycia jest trudniejszy do pomiaru ze wzgldu na cigy charakter przebiegu
mostkach tensometrycznych, która umoliwia podczas jednego cyklu pomiarowego na okrelenie wspórzdnych koca i bezporedni pomiar zuycia ostrza noa tokarskiego na tokarkach NC.
2. METODA OKRELANIA WSPÓRZDNYCH KOCA OSTRZA NOA TOKARSKIEGO
Zdecydowana wikszo nowoczesnych tokarek NC uywa kilku narzdzi zamocowanych w obrotowym uchwycie, które nastpnie w razie potrzeby mog by w czasie obróbki midzy sob wymieniane. Aby proces obróbki przebiega prawidowo ukad sterowania musi mie informacje dotyczce pooenia ostrza narzdzia w ukadzie wspórzdnych obrabiarki. Tradycyjne (nieautomatyczne) sposoby okrelania pozycji koca ostrza i nastpnie wprowadzania danych do ukadu sterowania obrabiarki s czasochonne i niekorzystnie wpywaj na ekonomiczne aspekty produkcji. Podczas takich operacji najczciej pracownik i maszyna wyczeni zostaj z procesu produkcyjnego. Nowoczesne obrabiarki maj ukady póautomatycznego lub cakowicie automatycznego okrelania wspórzdnych koca ostrza. Zasada dziaania takiego systemu zaprezentowana zostaa na rys. 1.
Rys. 1. Zasada dziaania sondy narzdziowej dla tokarek NC [4]
Dosuwanie ostrza narzdzia do sondy odbywa si kolejno wzdu osi wspórzdnych X i Z a do zetknicia z prostopad do danej osi paszczyzn pytki sondy. W chwili, gdy wierzchoek ostrza dotknie do pytki sonda wysya jednobitowy sygna do ukadu sterowania NC, który powoduje odczytanie z liniau wartoci wspórzdnej i nastpnie zapamitanie jej w tablicy dotyczcej danego narzdzia oraz oczywicie zatrzymanie ruchu i wycofanie narzdzia z obszaru dziaania sondy. Wykrywanie kontaktu ostrza z pytk sondy odbywa si przez najczciej rozczenie elektrycznych styków wewntrz sondy w chwili dotknicia pytki sondy i odchylenia poczonego z ni trzpienia, który ma 3 waeczki rozmieszczone prostopadle do niego co 120q na jego obwodzie. Poprzez ukad 3 styków z których kady jest zbudowanych z waeczka i dwóch kulek zamykany jest obwód elektryczny wg schematu przedstawionego na rys. 2 na przykadzie sondy RP3 firmy Renishaw.
Rys. 2. Zasada dziaania sondy RP3 [5]
Samo okrelenie wspórzdnych koca ostrza pozwala na osignicie odpowiednich dokadnoci geometrycznych wykonywanych przedmiotów jedynie w pocztkowym etapie obróbki, poniewa ostrze narzdzia ulega zuyciu, co nie jest bez znaczenia, gdy wymagania dotyczce wykonania przedmiotu s rzdu uamków mikrometra.
3. KONCEPCJA BEZPOREDNIEGO POMIARU ZUYCIA
Typowe zastosowanie sondy narzdziowej nie moe by wykorzystane do monitorowania naturalnego zuycia ostrzy noy tokarskich przez pomiar skrócenia ostrza, KE. Jednak takie monitorowanie byoby bardzo korzystne, gdy uywanie do tego celu sond daje szans na praktyczne zastosowanie pomiarów w celu monitorowania zuycia ostrzy noy tokarskich w przemyle. Sondy s ju przystosowane do warunków warsztatowych i instalowane w wikszoci tokarek sterowanych numerycznie. Pracownicy wydziaów obróbkowych s ju przyzwyczajeni do stosowania sond. Nasuno to pomys na tak modyfikacj sondy, aby moga ona w czasie tego samego dosunicia ostrza narzdzia wykonywa dwie funkcje: okrela wspórzdne wierzchoka ostrza w ukadzie NC obrabiarki oraz prawidowo zmierzy skrócenie ostrza, KE [6].
W celu wyeliminowania innych czynników zakócajcych pomiar KE naleao tak zaprojektowa sond, aby pomiar skrócenia ostrza by wykonywany w odniesieniu do staej bazy pooonej jak najbliej w stosunku do wierzchoka ostrza (rozwizania takie opatentowano [7]). Zasad pomiaru ukazuje rys. 3.
Rys. 3. Zasada pomiaru KE
Najlepiej byoby, aby pomiar KE by wykonywany w odniesieniu do bazy umieszczonej na tej samej co wierzchoek pytce skrawajcej. Do pomiaru mona wykorzysta istniejce czujniki obrabiarki stosowane do pomiaru wspórzdnych, lub dodatkowe czujniki wbudowane w sond narzdziow. Oceniono, e zakres pomiarów KE powinien wynosi
DO OKRELANIA WSPÓRZDNYCH KOCA OSTRZA
I BEZPOREDNIEGO POMIARU ZUYCIA OSTRZA NOA TOKARSKIEGO Do budowy wielozadaniowej sondy, która nadaje si do praktycznego zastosowania, wykorzystano oryginalne rozwizanie tensometrycznego czujnika pomiarowego. W sondzie tej gówny element stanowi okrgy trzpie pomiarowy majcy paskie powierzchnie z naklejonym penym mostkiem tensometrycznym. Powierzchne te ustawione s prostopadle w stosunku do osi w których dokonujemy pomiaru. W górnej czci trzpie pomiarowy zakoczony jest prostopadocienn pytk. W celu pomiaru pKE w odniesieniu do bazy znajdujcej si na pytce skrawajcej trzpie z tensometrami umieszczono w rurce zakoczonej pytk prostopadocienn z otworem usytuowan pod pytk trzpienia. Krawdzie tej pytki s równolege do bocznych paszczyzn pytki trzpienia. Rurka ta ma wybrania, w wyniku których powstay 2 paskie elementy lece naprzeciw siebie na obwodzie (ustawione równie prostopadle do osi w pomiaru), na kadym z nich naklejone s tensometry poczone podobnie jak w przypadku trzpienia w ukad penego mostka. Paskie elementy ustawione s równolegle do paskich powierzchni trzpienia. Rurka jest dodatkowo osonita tulejk zabezpieczajc, która na swym obwodzie, w dolnej czci, ma ukad 3 waeczków tworzcych styki elektryczne tak jak w standardowej sondzie. Cao jest od dou dociskana spryn, która nie tylko dociska waeczki do kulek peni take rol zabezpieczenia i w przypadku przekroczenia dopuszczalnych warunków powoduje wychylenie caego zespou czujnika zabezpieczajc go przed nadmiernym ugiciem. Budow sondy przedstawia rys. 4 i 5.
Rys. 5. Budowa sondy tensometrycznej
W skad toru pomiarowego wchodzi dedykowane prototypowe urzdzenie pomiarowe PW02 (rys. 6) wykonane przez Zakad Elektroniki Pomiarowej Wielkoci Nieelektrycznych w Markach. Urzdzenie to pozwala na cigy pomiar ugicia trzpienia i tulei (2 osobne mostki tensometryczne) zerowanie i kalibracj sondy tensometrycznej, dokonuje standaryzacji sygnau z tensometrów do zakresu 0-10 V, przy czym warto 5 V odpowiada nieobcionym tensometrom. PW02 ma równie 2 ukady komparacyjne pozwalajce na wysyanie jednobitowych sygnaów w chwili osignicia zaoonej wartoci ugicia zarówno dla trzpienia jak i tulei.
Rys. 6. Pytka PW02
Sygnay z PW02 s przesyane do karty akwizycji danych Personal DAQ3000 (rys. 7) firmy IOTech, która nastpnie jest poczona z komputerem przez zcze USB. Jednobitowe sygnay z PW02 s równie wysyane do ukadu sterowania obrabiarki na standardowe wejcie przeznaczone dla sond. Na komputerze PC pracuje oprogramowanie napisane
Rys. 7. Karta akwizycji danych Personal DAQ3000
Podczas cyklu pomiarowego ostrze noa tokarskiego najpierw styka si z górn pytk sondy poczon z trzpieniem pomiarowym powodujc jego uginanie. Komparator w obwodzie mostka tensometrycznego trzpienia porównuje narastajcy sygna z tensometrów z zaoonym poziomem sygnau (dla znanego ugicia) i w chwili wyrównania wartoci tych sygnaów wysya sygna jednobitowy na standardowe wejcie ukadu sterowania obrabiarki przeznaczone dla sond. Sygna ten powoduje odczytanie z liniau wartoci wspórzdnej i nastpnie zapamitanie jej w tablicy dotyczcej danego narzdzia tak jak to ma miejsce w przypadku standardowej sondy, nie nastpuje jednak wycofanie ostrza z obszaru dziaania sondy i dalsza cz cyklu odpowiada za pomiar zuycia ostrza. Ostrze noa porusza si dalej powodujc dalsze uginanie trzpienia pomiarowego. Nastpnie styka si ono z doln pytk pomiarow powodujc uginanie poczonej z ni tulei pomiarowej (zasad pomiaru ilustruje rys. 8).
Rys. 8. Zasada pomiaru zuycia sond tensometryczn
W obwodzie mostka tensometrycznego tulei dziaa analogicznie drugi komparator, który w chwili wyrównania wartoci sygnau z tulei z wartoci wzorcow wysya sygna jednobitowy do karty akwizycji danych Personal DAQ3000. Oprogramowanie dziaajce na komputerze PC otrzymuje cigy sygna analogowy z mostków tensometrycznych i w chwili otrzymania jednobitowego sygnau z komparatora tulei dokonuje zapamitania aktualnej wartoci sygnaów z obu mostków tensometrycznych (trzpienia i tulei). Wartoci te po przeprowadzonej uprzednio kalibracji sondy odpowiadaj przesuniciom pytek trzpienia i tulei w Pm. Zuywajca si cz ostrza styka si z pytk trzpienia, natomiast bazowa cz ostrza, która nie ulega zuyciu styka si z pytk tulei. Oprogramowanie oblicza rónic przesunicia pytki tulei i pytki trzpienia. Aby dokona pomiarów zuycia naley najpierw przeprowadzi taki cykl pomiarowy dla nowego ostrza. Otrzymujemy wówczas nastpujcy pomiar:
pKE0=Utul - Utrzp0
gdzie: pKE0 – pKE dla ostrza nowego (pKE = 0, brak zuycia)
Utul – aktualne ugicie tulei dla sygnau z komparatora
Utrzp0 – aktualne ugicie trzpienia dla sygnau z komparatora.
Warto pKE0 jest zapamitywana w programie. Gdy dokonujemy pomiaru ostrza które ju
byo uywane otrzymujemy nastpujcy pomiar: pKE1=Utul - Utrzp1
gdzie:
pKE1 – pKE dla ostrza uywanego
Utul – aktualne ugicie tulei dla sygnau z komparatora (jego warto jest taka sama
dla nowego i uywanego ostrza gdy z tulej styka si bazowa cz ostrza nie podlegajca zuyciu)
Utrzp1 – aktualne ugicie trzpienia dla sygnau z komparatora
Warto pKE1 jest równie zapamitywana w programie. Warto rónicy tych pomiarów dla
ostrza nowego i uywanego jest wartoci zuycia ostrza wg wzoru: pKE= pKE1– pKE0
W sposób opisany powyej dokonujemy jednoczesnego okrelania wspórzdnych i pomiaru zuycia ostrza noa tokarskiego. W oprogramowaniu wybieramy czy mierzymy nó nowy czy uywany, pozostae obliczenia wykonywane s automatycznie a wyniki pomiarów zapisywane s do pliku. Gówny panel programu przedstawiono na rys. 9.
[1] www.nordmann.info
[2] K. Jemielniak, „Automatyczna diagnostyka stanu narzdzia i procesu skrawania”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2002.
[3] G. Byrne, D. Dornfeld, I. Inasaki, G. Ketteler, W. Konig, R. Teti, „Tool Condition Moni-toring – The Status of Research and Industrial Application” CIRP Keynote Papers, STC C , 44/2/1995, p. 541.
[4] R Gociniak, „Strain gauge tool probe for NC lathes” IV International Conference on Machining and Measurement of Sculptured Surfaces” 2006 No A/1/MMSS06.
[5] A. Weckenmann, T. Estler, G. Peggs, D. McMurtry, Probing Systems in Dimensional Metrology CIRP Annals STC P, 53/2/2004, p. 657.
[6] M. Szafarczyk, J. Chrzanowski, „Tool Probe for Measuring Dimensional Wear and X Co-ordinate of Turning Edge”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 23 no 3-4, 2004.
[7] M. Szafarczyk, A. Winiarski, Sonda narzdziowa, Zgoszenie patentowe P.378785 Warszawa, 02.2006.
[8] M. Szafarczyk, J. Chrzanowski, R. Gociniak, „Nowoczesne metody monitorowania zuycia ostrzy narzdzi, Konferencja „Innowacje w budowie i eksploatacji maszyn”, Mach-Tool 2006.
