1

Diagnostyka narzędzia i procesu skrawania

              Dążenie do automatyzacji procesów wytwarzania spowodowane rosnącymi kosztami siły roboczej oraz wymaganiami jakościowymi sprawia, że monitowanie tych procesów staje się nieuniknione. Mimo iż na rynku dostępnych jest dużo układów diagnostyki narzędzia i procesu skrawania, a wiele z nich zainstalowano w przemyśle, użytkownicy w dalszym ciągu odnoszą się do nich sceptycznie uznając, że są zawodne i nieopłacalne. Jednym z istotniejszych czynników organizacyjnych dalszy rozwój bezobsługowych elastycznych obrabiarek jest monitorowanie narzędzi TCM i procesu skrawania PCM.

Głównymi obszarami systemów TCM/PCM są:

a)      diagnozowanie stanu narzędzi skrawających, w tym

¨      monitorowanie zużycia ostrza (wykrywanie końca okresu trwałości)

¨      wykrywanie tzw. katastroficznego stępienia ostrza (KSO)

b)     diagnostyka postaci wióra,

c)      wykrywanie drgań,

d)     wykrywanie narostu na ostrzu, kształtowanie ostrych krawędzi i wykrywanie kolizji.

Do celów monitorowania wykorzystuje się wiele różnych zjawisk fizycznych i typów czujników dostępnych na rynku. Przede wszystkim rozwijane są zagadnienia monitorowania zużycia ostrza oraz wykrywania wykruszeń i wyłamań. Wielkościami najczęściej wykorzystywanymi do monitorowania tych zjawisk są: emisja akustyczna (EA), składowe siły skrawania lub wielkości związane (moment,  prąd silnika napędowego, odkształcanie narzędzia). Również drgania mechaniczne i hałas są wykorzystywane zarówno w pracach badawczych jak i zastosowaniach przemysłowych. Monitorowanie jest nie tylko przedmiotem prac badawczych, ale od wielu lat oferowane są w postaci dostępnych handlowo układów nadzorujących. Jednak obecnie uważa się, że układy te jeszcze nie spełniają wymagań stawianych przez użytkowników, gdyż mają zbyt wiele wad. Słabe punkty systemów  monitorowania narzędzi i procesu skrawania można podsumować następująco:

¨      brak pojedynczego czujnika, który spełniłby wymagania wszystkich lub głównych obszarów zastosowań systemów nadzorujących,

¨      wiele czujników stosowanych w pracach badawczych nie nadaje się do wykorzystania w warunkach przemysłowych,

¨      wykrywanie końca okresu trwałości ostrza jest trudne, a praktycznie możliwe tylko metodą dotykową po zakończeniu skrawania danym narzędziem,

¨      ciągle brak jest układów, które umożliwiałyby równoczesną realizację procesu obróbki i np. monitorowania narzędzia

¨      brak jest układów monitorujących powiązanych z powszechnie stosowanymi sterowaniami CNC tzn. brak jest powszechnie akceptowanych interfejsów, specyfikacji wymiany informacji, standaryzacji sprzętowej i programowej.

Siły skrawania i wielkości pochodne są najczęściej wykorzystywane w przemysłowo stosowanych układach TCM/PCM. Z tego powodu na rynku dostępnych jest wiele czujników tych wielkości. Zarówno producenci jak  i użytkownicy stoją przed wyborem pomiędzy dwoma przeciwstawnymi wymaganiami. Z jednej strony niezbędna jest wysoka dokładność pomiarów, zarówno statyczna, jak i dynamiczna co pociąga za sobą konieczność umieszczenia czujnika jak najbliżej strefy skrawania. Z drugiej strony czujnik powinien łatwy do zainstalowania, bez wyraźnego zmniejszenia sztywności statycznej i dynamicznej. Najnowsze trendy w rozwoju czujników można przedstawić następująco:

¨      „czujniki inteligent”,

¨      bezprzewodowa transmisja sygnału pomiarowego,

¨      nowe koncepcje pomiaru siły,

¨      czujniki zintegrowane i wieloskładowe.

Pomimo, iż dostępnych jest wiele czujników emisji akustycznej, tylko niektóre mogą być sterowane w warunkach przemysłowych. Większość tych czujników była projektowana z myślą o nieniszczących badaniach laboratoryjnych co oznacza, że nie wytrzymują wysokich temperatur, dużej ilości płynów chłodzących i uderzających lub trących wiórów. W wielu wypadkach ich czułość jest zbyt duża w stosunku do mocy sygnałów generowanych przez proces skrawania. Elektryczny sygnał analogowy z czujnika jest na ogół przekształcany do postaci cyfrowej. Uzyskane w taki sposób szeregi czasowe są w dalszym ciągu przetwarzane w celu ekstrakcji z sygnału tych cech, które są najbardziej wrażliwe na parametry interesujące z punktu widzenia monitorowanego procesu. Wykorzystuje się wiele znanych metod przetwarzania, jak dalsza filtracja, obliczania wartości skutecznej RMS, analiza spektakularna w wybranych paśmie i wiele innych.

Wykrywaniu katastroficznego stępienia ostrza towarzyszy charakterystyczny przebieg sił skrawania, jego najważniejsze cechy można przedstawić następująco:

¨      wykruszaniu krawędzi skrawającej towarzyszą skokowe przyrosty składowej posuwowej Ff i składowej odporowej Fp, wywołane pogarszaniem się geometrii krawędzi skrawającej,

¨      znacznemu wyłamaniu ostrza towarzyszy nagły wzrost, a następnie spadek siły skrawania,

¨      zużyciu naturalnemu ostrza towarzyszy szereg zjawisk. Wiele istniejących układów monitorujących wykorzystuje wzrost sił skrawania i wielkości pochodnych, sygnału emisji akustycznej, drgań lub innych wielkości.

Stąd najprostsze strategie diagnozowania naturalnego zużycia wykorzystują sztywne wartości graniczne, których przekraczanie uznawane jest za oznakę stępienia ostrza. Pomimo wielu niedostatków istniejących układów TCM/PCM potrzeba automatycznego nadzoru wymusza intensywne prace badawcze nad podniesieniem ich efektywności. Szczególny nacisk kładzie się współcześnie na następujące zagadnienia:

¨      poprawa niezawodności czujników odpornych na wilgoć, gorące wióry, ciecze chłodząco – smarujące,

¨      rozwój lepszych metod przetwarzania informacji w celu ekstrakcji cech sygnałów,

¨      poszukiwanie lepszych, bardziej niezawodnych strategii monitorowania,

¨      zastosowanie układów wieloczujnikowych wspomaganych najnowszymi technikami podejmowania decyzji.

Można przypuszczać, że już w niedalekiej przyszłości układy TCM/PCM staną się znacznie bardziej niezawodne.