Станочные измерительные системы (СИС) для станков с ЧПУ: устройство, циклы и применение

Современное металлообрабатывающее производство ставит высочайшие требования к точности и повторяемости изготавливаемых деталей. С появлением станков с числовым программным управлением (ЧПУ) скорость обработки выросла в разы, однако это обнажило и новые технологические вызовы. Одним из ключевых барьеров на пути к максимальной эффективности стала проблема контроля размеров непосредственно в процессе изготовления, особенно при работе с нежесткими или тонкостенными деталями. Решением этой задачи стало внедрение станочных измерительных систем (СИС), которые интегрируют функции контроля и измерения напрямую в технологический цикл станка.

Проблема деформации и погрешностей: почему традиционные методы неэффективны?

Для целого ряда отраслей, от аэрокосмической до приборостроительной, характерна обработка деталей со сложной геометрией и низкой жесткостью. Ключевая проблема таких изделий заключается в том, что после снятия сил закрепления (например, при разжатии тисков или патрона) происходит их упругая деформация. Это явление, вызванное перераспределением внутренних напряжений, накопленных в процессе резания, наглядно показано на рисунке 1. В результате геометрические параметры детали в свободном состоянии могут существенно отличаться от тех, что были измерены в зажатом.

Рис. 1. Схематичное изображение деформации нежесткой детали после ее раскрепленияПри использовании универсального оборудования этот вопрос решался просто, но неэффективно: станочник вызывал контролера ОТК, который проводил замеры непосредственно на станке, фиксировал их в технологическом паспорте, и лишь затем деталь снималась. В условиях современного производства на станках с ЧПУ, где стоимость машинного часа крайне высока, такой подход неприемлем. Программирование технологических остановов для ручных измерений оператором с помощью универсального инструмента (штангенциркуля, микрометра) не только прерывает автоматический цикл, но и вносит человеческий фактор, что в корне нивелирует преимущества автоматизации.

Однако проблема контроля актуальна не только для нежестких деталей. Существует ряд других факторов, вносящих погрешность и требующих постоянной коррекции:

• Погрешность базирования инструмента: Инструментальные оправки с конусами, такими как 7:24 (известные как NC, BT, SK), несмотря на свою распространенность, имеют собственную погрешность базирования. Согласно ГОСТ 25827-2014 «Хвостовики инструментов с конусом 7:24 для ручной и автоматической смены инструмента.», суммарная погрешность установки инструмента в шпиндель может достигать 0,02-0,04 мм и более, что часто превышает допуск на выполняемый размер. Это вынуждает оператора производить «пристрелку» и ручную коррекцию вылета инструмента по оси Z после каждой его смены.
• Износ и смена режущих пластин: На станках токарной группы каждая смена или даже поворот неперетачиваемой твердосплавной пластины требует внесения новой коррекции. Допуски на изготовление самих пластин, даже прецизионных, могут быть сопоставимы с полем допуска на обрабатываемую поверхность, что регламентируется стандартами, например, ГОСТ 25346-2013 «Основные нормы взаимозаменяемости. ЕСДП».

Именно совокупность этих факторов и послужила мощным стимулом для разработки и массового внедрения автоматизированных станочных измерительных систем.

Архитектура и компоненты станочной измерительной системы

Современная станочная измерительная система представляет собой комплекс аппаратных и программных средств, глубоко интегрированных в систему управления станка. Типовая структурная схема такой системы показана на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема типовой станочной измерительной системыКлючевыми элементами системы являются:

1. Контактный измерительный датчик (щуп): Устройство для определения координат поверхностей заготовки и готовой детали.
2. Датчик привязки инструмента (нулевого отсчета): Предназначен для точного измерения геометрии режущего инструмента (длины и диаметра).
3. Интерфейс и приемник сигналов: Обеспечивают связь между датчиками и системой ЧПУ станка.
4. Программно-математическое обеспечение (ПМО): Набор измерительных циклов и алгоритмов, которые управляют процессом измерений и обработки данных. ПМО может быть как стандартной частью СЧПУ, так и поставляться производителем измерительных систем (например, Renishaw, Heidenhain, Blum-Novotest).

Такими системами сегодня могут оснащаться практически все виды современного металлорежущего оборудования:

• Многоцелевые фрезерные и расточные станки;
• Шлифовальные и заточные станки;
• Зубообрабатывающие центры;
• Многоцелевые токарные и токарно-фрезерные станки.

Виды и функции измерительных датчиков

Датчики привязки инструмента (нулевого отсчета)

Эти устройства являются «точкой отсчета» для всего режущего инструмента в станке. Они могут быть как контактными, так и бесконтактными (лазерными), и выполняют ряд критически важных функций:

• Автоматическое измерение длины и диаметра инструмента: Исключает ошибки ручного ввода и сокращает время наладки.
• Расчет и ввод коррекции на инструмент: Система ЧПУ автоматически получает точные данные и записывает их в таблицу корректоров.
• Обнаружение поломки инструмента в процессе обработки: Лазерные системы позволяют на высокой скорости проверить целостность инструмента между операциями, предотвращая брак.
• Измерение биения режущих кромок и динамического износа: Позволяет оценить состояние инструмента в динамике, на рабочих оборотах.
• Проверка качества балансировки инструментальной оправки: Функция, доступная в наиболее продвинутых лазерных системах.

Курсивом в списке выделены уникальные возможности, присущие в основном бесконтактным лазерным датчикам. Примеры различных датчиков привязки инструмента показаны на рисунках 3-5.

На станках, оснащенных контактными датчиками привязки, для контроля поломки инструмента могут дополнительно применяться специализированные лазерные барьеры (рис. 6). Инструмент периодически перемещается через лазерный луч, и если луч не прерывается, система фиксирует поломку и останавливает обработку.

Рис. 6. Лазерный датчик для обнаружения поломки инструмента

Контактные измерительные датчики (щупы)

Эти датчики являются основным инструментом для работы с заготовкой. Они применяются для решения следующих задач:

• Привязка системы координат заготовки (WCS): Автоматическое определение положения детали на рабочем столе, что исключает длительное ручное выравнивание с помощью индикаторов и позволяет использовать более простые крепежные приспособления.
• Измерения в процессе обработки: Контроль размеров после черновых или получистовых проходов и автоматическое внесение коррекций в управляющую программу для достижения максимальной точности на чистовом проходе.
• Контроль первой детали из партии: Быстрая проверка соответствия детали чертежу перед запуском серийного производства.
• Финальный контроль нежестких деталей: Проведение всех ответственных измерений непосредственно на станке, до снятия зажимных усилий.

Конструкция типичного контактного датчика (рис. 7) включает измерительный щуп (стилус) и высокоточный механизм, регистрирующий его отклонение при касании поверхности. В процессе измерения датчик перемещается со скоростью подачи до 480 мм/мин. Для защиты от повреждений при случайных столкновениях предусмотрена угловая и осевая подвижность щупа, а при грубых ударах механизм защищает специальный срезной штифт.

Рис. 7. Конструкция контактного измерительного датчикаПередача информации от датчиков к системе ЧПУ может осуществляться различными способами, выбор которого зависит от модели станка и условий эксплуатации:

• По проводной линии связи: Самый надежный, но ограничивает перемещение и автоматическую смену датчика.
• Модулированным оптическим (инфракрасным) лучом: Популярный метод, требующий прямой видимости между датчиком и приемником.
• По радиоканалу: Наиболее гибкий способ, не требующий прямой видимости и подходящий для крупных станков со сложной рабочей зоной.
• Индуктивным методом: Применяется в основном на токарных станках для датчиков, установленных в револьверной головке.

Программное обеспечение и типовые циклы измерений

Эффективность аппаратной части системы напрямую зависит от ее программного обеспечения. ПМО современных СЧПУ включает в себя обширную библиотеку стандартных измерительных циклов (например, по стандартам G400–G415), которые могут вызываться как в ручном режиме (MDI), так и непосредственно из управляющей программы.

Схема выполнения одного из таких циклов показана на рисунке 8.

Рис. 8. Пример работы измерительного циклаВ режиме ручного управления оператору доступны циклы для быстрой наладки и калибровки:

• Калибровка измерительного щупа: Определение точного эффективного радиуса и длины щупа для компенсации его геометрии при измерениях (рис. 9, 10).
• Определение угла поворота системы координат: Выравнивание осей программы по фактическому положению заготовки на столе (рис. 11, 16).
• Назначение опорной точки (нуля программы): Определение центра отверстия, пересечения плоскостей, оси симметрии в качестве начала системы координат (рис. 12, 13, 14, 15, 17, 18).

Эти циклы позволяют полностью автоматизировать процесс «привязки» заготовки, даже если она установлена с произвольным смещением и поворотом относительно осей станка.

Заключение: Стратегические преимущества и взгляд в будущее

Внедрение станочных измерительных систем — это не просто модернизация, а качественный скачок в культуре производства. Быстрые и надежные контактные измерения с автоматическим обновлением коррекций станка позволяют добиться целого ряда стратегических преимуществ:

• Повышение точности и стабильности: Активное управление процессом обработки за счет постоянной обратной связи минимизирует влияние износа инструмента, температурных деформаций и погрешностей базирования.
• Сокращение брака и времени наладки: Автоматизация привязки заготовки и инструмента исключает до 90% ошибок, связанных с человеческим фактором, и значительно ускоряет подготовку станка к работе.
• Отказ от дорогостоящей оснастки: Отпадает необходимость в сложных и дорогих приспособлениях с точным механическим базированием, так как система сама находит положение детали в пространстве.
• Переход к безлюдному производству (Lights-Out Manufacturing): Возможность автоматического контроля и коррекции является ключевым элементом для организации работы в полностью автоматическом режиме.

В контексте Индустрии 4.0 станочные измерительные системы становятся неотъемлемой частью «умного производства». Данные, получаемые от датчиков, могут использоваться для создания цифровых двойников, предиктивного анализа состояния инструмента и адаптивного управления обработкой, когда станок в реальном времени корректирует режимы резания и траекторию на основе полученных измерений. Таким образом, СИС превращают станок с ЧПУ из простого исполнителя управляющих программ в интеллектуальную производственную единицу, способную самостоятельно обеспечивать высочайшее качество продукции.