X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроение – это отрасль промышленности, производящая всевозможные машины, орудия, приборы, а также предметы потребления и продукцию оборонного назначения [1].

Машиностроение обладает высоким потенциалом развития. К его направлениям развития можно отнести: преодоление импортозависимости машиностроительной продукции; создание новых предприятий, оснащенных современным оборудованием; создание нового оборудования; разработка новых производственных технологий [2].

Для осуществления процесса развития машиностроения необходимо придерживаться определенных требований, среди которых: внедрение в производство самого современного оборудования, реструктуризация машиностроительных предприятий и модернизация эксплуатируемого оборудования. Развитие машиностроения позволяет повысить качество выпускаемых изделий и, как следствие, конкурентоспособность предприятий. В свою очередь, к качеству изделий машиностроения предъявляют ряд требований, таких как: высокая точность формы, размеров и взаимного расположения поверхностей, низкая шероховатость, повышенная твердость, прочность и т. д. Контроль в машиностроении осуществляется средствами измерений, позволяющие контролировать линейные размеры, и специальными средствами контроля, которые дают возможность осуществлять контроль шероховатости поверхности, формы объекта, а также взаимного расположения поверхностей. Контроль изделий машиностроения позволяет выявить изделия, несоответствующие поставленным требованиям, т. е. брак. Таким образом эксплуатационные свойства производимых машин и механизмов будут на высоком уровне. Контроль изделий производится преимущественно после обработки заготовок, однако современные средства контроля дают возможность проверять качество деталей в процессе их обработки. Современные средства контроля представляют собой сложно устроенные приборы и машины, которые отличаются высокой точностью и производительностью проводимых контрольных операций.

Актуальность поставленной темы заключается в том, что в машиностроительном производстве до 15% трудовых ресурсов используется на выполнение линейных и угловых измерений, которые обеспечивают качества, надежность и взаимозаменяемость изделий [3 с. 5]. Снижение трудовых ресурсов на измерительные работы позволяет повысить производительность труда на контрольных операциях, что очень важно в условиях серийного и массового производства. Решить данную задачу, призваны современные средства контроля.

Развитие техники предъявляет со временем более высокие требования к качеству, как отдельных деталей машин, так и к продукции в целом, поэтому вместе с тем параллельно должны совершенствоваться средства контроля.

Использование современных средств контроля изделий позволяет минимизировать участие человека в процессе оценки качества изделий или полностью его устранить. В этом случае минимизируются погрешности измерений, связанные с человеческим фактором. Погрешности, вызываемые износом инструмента, тепловыми и силовыми деформациями, можно исключить используя системы автоматизированного контроля. Таким образом, использование современных средств контроля в машиностроении повышает эффективность производства. Однако применение высокотехнологичных средств контроля повышает стоимость контрольных операций, поэтому актуальна проблема оптимального выбора средств контроля.

Цель исследования – проанализировать и выявить наиболее эффективные средства контроля изделий машиностроительного производства.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

Проанализировать особенности современных средств контроля;

Составить и сравнить классификацию средств контроля;

Определить принцип работы активных средств контроля;

Проанализировать преимущества и недостатки современных средств контроля изделий;

Определить области применения средств контроля.

Объект исследования – современные средства контроля, используемые в машиностроительном производстве, для оценки качества изделий.

Классификация средств контроля и предъявляемые к ним требования

В настоящее время активно развиваются и совершенствуются приборы автоматического контроля, т. е. измерения проводятся в отсутствие человека или с его минимальным участием. К этим средствам предъявляются следующие требования:

1) низкая погрешность

2) высокая точность измерений

3) большой диапазон измерений

4) устойчивость к факторам воздействия внешней среды

5) надежность и долговечность

6) простота и безопасность в эксплуатации

Классификация современных средств контроля представлена ниже (Табл. 1) [4; 5; 6].

Таблица 1 - Классификация современных средств контроля

Классификационный признак	Тип прибора	Характеристика
1. по назначению	Универсальные	Предназначены для контроля длин и углов в определенном диапазоне вне зависимости от конфигурации контролируемого объекта
	Специальные	Предназначены для контроля специфичных элементов у деталей определенной геометрической формы или определенного параметра деталей вне зависимости от их геометрической формы
2. по методу контроля	Прямого действия	Позволяют контролировать непосредственно проверяемые величины
	Косвенного действия	Позволяют контролировать параметры, связанные с проверяемой величиной (точность обработки детали оценивается по положению режущего инструмента)
3. по характеру влияния на технологический процесс	Пассивные	Устройства производят контроль объектов, т. е. без вмешательства в технологический процесс
	Активные	Устройства производят контроль деталей непосредственно в процессе обработки. Позволяют управлять автоматически или вручную технологическим процессом
4. по степени автоматизации	Ручные	Операции контроля полностью осуществляется человеком
	Полуавтоматические	Автоматизированы одна или несколько операций контроля, необходимо участие человека в процесс оценки качества
	Автоматические	Операции контроля полностью автоматизированы и не требуют участия человека
5. по характеру взаимодействия контролируемого изделия и измерительного прибора	Контактные	В процессе контроля деталь и устройство находятся в контакте друг с другом
	Бесконтактные	Контроль параметров объектов производится дистанционно, прибор и деталь не контактируют
6. по массовости контроля	Сплошного контроля	Контроль осуществляется для каждой детали
	Выборочного контроля	Контроль осуществляется для нескольких деталей
7. по конструкции	Измерительные приборы	Предназначены для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне
	Измерительные установки	Совокупность нескольких приборов для измерений одной или нескольких физических величин
	Измерительные системы	Совокупность технических средств для измерения одной или нескольких величин и выработки измерительных сигналов
	Измерительно- вычислительные комплексы	Функционально объединенная совокупность средств измерений, ПК и вспомогательных устройств для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи

Сравнительный анализ достоинств и недостатков

Каждому типу средств контроля присущи свои преимущества и недостатки. Выделим их и сравним для каждой группы.

К универсальным приборам относятся такие устройства, как: измерительные головки, оптические длинномеры, проекционные приборы и т. д. В группу специальных приборов входят: средства измерения и контроля резьбовых соединений, углов и конусов, формы и расположения поверхностей и т. д. Выбор универсальных и специальных средств контроля зависит от вида контролируемых параметров. Значит, эффективность производства не связана с назначением устройств контроля.

Принцип работы устройства прямого действия проще, чем устройства косвенного действия. В первых приборах, искомая величина определяется на основе прямых измерений, а в приборах второго типа контролируемая величина находится из функциональной зависимости другой величины, связанной с искомой. Причем связанная величина находится методом прямого действия. Широкое распространение получили приборы, основанные на косвенном методе контроля, так как далеко не всегда контролируемые параметры можно получить прямым методом. Однако устройства косвенного действия могут давать дополнительную погрешность измерений в процессе их преобразований. Поэтому, по возможности, следует отдавать предпочтение приборам прямого действия.

Средства пассивного контроля используются для проверки готовых деталей с целью выявления бракованных изделий и сбора информации о причинах брака. Средства активного контроля позволяют проводить измерения непосредственно на станке в процессе обработки. Это дает возможность:

корректировать технологический процесс;

избежать большое количество брака;

сократить время производства на подготовительных операциях.

Преимущества средств активного контроля над средствами пассивного контроля очевидны.

Одними из некоторых преимуществ ручных средств контроля по сравнению с остальными в группе «по степени автоматизации» являются: простота конструкцией; простота в эксплуатации; надежность; низкая стоимость. Также средствам ручного контроля присущи недостатки, а именно: низкая точностью; большая продолжительность контрольных операций; высокая погрешность, вызванная человеческим фактором; снижение точности в процессе эксплуатации устройств. Современные средства ручного контроля оснащаются электронными табло, его наличие повышает точность измерений и снятия показаний, поэтому снижается погрешность контроля параметров объекта, вызванная человеческим фактором.

Полуавтоматические средства контроля предполагают участие человека в процессе установки качества деталей. Роль человека в данном случае невелика. Операциями, к которым человек может быть причастен, являются следующие: осуществление подготовительных операций, настройка прибора и снятие показаний с него. По сравнению с ручными средствами контроля изделий машиностроения – полуавтоматические имеют низкую погрешность, высокую точность и производительность. Однако столь ценные преимущества обуславливаются: высокой стоимостью устройств, сложностью их конструкции и увеличенными размерами устройств.

Автоматические устройства являются самыми точными, сложными и дорогими. Но позволяют осуществлять контроль за один установ, что существенно снижает затраты времени в процессе контроля. Автоматические средства контроля работают без участия человека, за счет этого качество и точность измерений находятся на высоком уровне.

Следовательно, средства ручного контроля в силу своих преимуществ и недостатков имеют ограниченное применение в машиностроении.

Контактные средства контроля широко распространены на машиностроительных предприятиях, они имеют простую конструкцию и неприхотливы в эксплуатации. Однако соприкосновение контролирующего устройства и контролируемого объекта может повлиять на точность поверхности последнего, что является существенным недостатком. К минусам также можно отнести погрешности снятия показаний с устройства человеком и погрешности, вызванные неправильной установкой прибора.

Бесконтактные средства контроля отличаются более сложной конструкцией и настройкой устройств. Тем не менее, они характеризуются более высокой стабильностью характеристик и меньшей погрешностью, чем контактные.

Рассмотренные достоинства и недостатки позволяют сделать вывод о том, что наиболее перспективными средствами контроля в развитии и применении являются средства активного, неразрушающего и автоматического контроля.

Принцип работы средств активного контроля

Примером для рассмотрения принципа работы бесконтактных средств активного контроля может служить – лазерная система для контроля диаметра деталей на токарных станках. Схема устройства представлена ниже (Рис. 1):

Рисунок 1 – Схема работы лазерной системы для контроля диаметров

Принцип работы следующий – лазерный луч (1) преодолевает систему зеркал и призм ABCD, проходит по касательной к обрабатываемой детали (2). Часть светового потока, прошедшая по касательной к поверхности контролируемой детали, отражается под углом к основному потоку (3) и направляется оптическими системами (4) на фотоприемники (5). Выходной сигнал фотоприемников (6) соответствует размерному отклонению диаметра детали (d). При достижении нужного размера детали, система, настроенная на номинальный диаметр, вырабатывает управляющий сигнал. Установка номинального значения размера осуществляется дифференциальным винтом (7) с помощью микродвигателя (8) [5].

Некоторые конструкции современных средств контроля

Наиболее технологичными и сложноустроенными средствами контроля изделий в машиностроении являются координатно-измерительная машина, которая представляет собой высокоточную мультисенсорную видеосистему промышленного класса для измерения трехмерных деталей. Предназначена для бесконтактного или контактного измерения линейно-угловых размеров и контроля формы (Рис. 2) [7].

Рисунок 2 - Трехкоординатная мультисенсорная координатно-измерительная машина

К особенностям данной машины относятся: управление ЧПУ, наличие функции сканирования двух и трехмерных деталей контактным и бесконтактным методом, компьютерного моделирования процесса измерения с использованием графического изображения движения измерительного щупа для отладки программы измерения позволяет избежать грубы ошибок оператора, наличие возможности формирования CAD модели измеряемой детали и т. д.

Измерительная видеосистема – следующая конструкция средства контроля в машиностроении. Она предназначена для комплексного контроля линейны размеров и формы поверхностей валов сложной формы (кулачковых, распределительных, коленвалов и т. д.), а также симметричных и несимметричных тел вращения. Особенности данной системы: абсолютный метод измерения не требует настроечного эталона, наличие системы температурной компенсации и управления с ЧПУ и т. д. [7].

Рисунок 3 - Вертикальная измерительная сканирующая видеосистема

Контрольно-измерительная машина может быть компактной и представлять собой «руку» (Рис. 3).

Рисунок 4 - Измерительная рука

Данная конструкция оснащена лазерным сканером и обладает высокой точностью и скоростью работы. Между лазерным сканером и портативной измерительной рукой не используется дополнительный кабель, это обеспечивает неограниченное перемещение измерителя относительно основной оси перемещения. Система предназначена для контроля линейно-угловых параметров и качества поверхностей. Управление установкой осуществляется оператором [8].

Контрольно-измерительные машины портативного класса представляют собой лазерные трекеры (Рис. 5).

Рисунок 5 - Лазерный трекер

Отличительными особенностями данной системы являются: малые габариты, что позволяет использовать их в трудно доступных местах; работа от аккумулятора; очень высокая производительность; наличие Wi-Fi модуля для связи с ПК беспроводным способом; для обеспечения высокой точности система снабжается метеорологическим устройством, таким образом компенсируется влияние внешних факторов на измерения [8].

В качестве средства контроля деталей на станках применяют датчики (Рис. 6).

Рисунок 6 - Инфракрасный измерительный датчик

Инфракрасный измерительный датчик представляет собой коммутационную контактную систему. При касании поверхности детали измерительный щуп отклоняется, и с помощью инфракрасного луча сигнал передается на приемник в зоне станка. Бесперебойная передача данных между датчиком и приемником является главным критерием надежности измерения в станке [8].

Область применения

Одними из главных показателей применяемости средств контроля в машиностроении являются: стоимость и точность средств контроля, и временные затраты на контрольные операции. Согласно этим критериям в единичном производстве целесообразно применять сплошного контроля, пассивные, ручные, универсальные средства контроля (штангенприборы, микрометрические приборы, мерительные головки, индикаторы и т. д.) [4 с. 15].

В серийном производстве к применению рекомендуются как универсальные, так и специальные, а также полуавтоматические и автоматические, пассивные и активные средства контроля (штангенприборы, микрометрические приборы, мерительные головки, индикаторы, датчики, микрометрические приборы, измерительные установки, координатно-вычислительные машины и т. д.). В данном случае выбор средств контроля напрямую зависит от подтипа производства, так как мелкосерийное производство мало отличается от единичного, а массовое граничит с крупносерийным.

В массовом производстве, где время на контрольные операции играет одну из самых важных ролей, нужно использовать специальные, автоматические, активные средства контроля (Измерительные установки, измерительные системы, координатно-вычислительные машины и комплексы и т. д.).

Перспективы развития средств контроля изделий машиностроения

Самым перспективным направлением развития средств контроля изделий машиностроения является применение и развитие новых технологий. С использованием 3D сканирования в приборостроении позволит создать новые измерительные приборы. В совокупности с ПК подобные средства могут предложить 3D модель контролируемого объекта и сравнить ее с номинальной. Результаты контроля выводятся на экране, система указывает на несоответствия контролируемых параметров и дается заключение о применимости изделия. Результаты могут быть также сохранены для дальнейшего анализа. Приборы, оснащенные технологией 3D сканирования, могут быть как стационарными, так и ручными, что расширяет их область применения.

Следующее направление развития – совмещение средств контроля с искусственным интеллектом. Искусственный интеллект поможет снять с человека некоторые рабочие функции или вовсе его заменить, так как эта развивающаяся технология будет способна предсказать причины брака, прогнозировать время работы и смены режущих инструментов, вносить корректировки в технологический процесс и изменения в работу оборудования основываясь на результатах обработки информации, полученной в ходе процесса измерения. Первой ступенью в развитии искусственного интеллекта в области средств измерения является применение технологии самообучения. Появление систем самообучения ознаменовало новое поколение автоматизированных систем. Технология самообучения начинает внедряться в средства контроля, она позволяет создавать программу измерения (программирование по первому циклу), сокращая участие человека в эксплуатации оборудования [9].

Прогресс также не обходит стороной ручные средства контроля. Принципы работы современных высокопроизводительных средств контроля переносятся на средства ручного контроля, в результате повышается их точность, надежность, эффективность и другие важные качества, необходимые для них.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные средства контроля изделий в машиностроении являются высокотехнологичными устройствами и машинами, которые позволяют решать любые задачи с высокой скоростью и точностью. Область их применения очень широка, это обуславливается большим многообразием конструкций и принципов действия устройств. Рассмотренные системы контроля характеризуются высокой точностью, надежностью, долговечностью и низкой погрешностью измерений, т. е. современным средства контроля соответствуют необходимым требованиям. Анализ достоинств и недостатков позволяет выделить наиболее успешные в применении средства контроля, а таковыми являются средства активного контроля, средства неразрушающего контроля, а также средства автоматического и полуавтоматического контроля. По сравнению с выделенными устройствами, остальные отличаются более низкой точностью и более высокой погрешностью, поэтому они имеют ограниченное применение. Принцип работ активного прибора контроля деталей типа вал достаточно прост и основан на принципе прохождения лазерного луча через линзы и поверхность обрабатываемой детали, это подтверждает предположение о том, что современные системы контроля обладают отличными свойствами. Обозначенные некоторые конструкции современных средств контроля дают представление о самых совершенных измерительных машинах. На основании анализа преимуществ и недостатков современных средств контроля выделены области их применения в соответствии с представленной классификацией. Необходимо отметить следующее – с повышением уровня производства машиностроительных предприятий и требований к качеству изделий в эксплуатации требуется вводить более совершенные средства контроля. Таким образом цель, поставленная в данной работе, была достигнута.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Словарь «Академик» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/22442 (дата обращения 20.11.17).

Федеральный портал «PROTOWN.RU» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.protown.ru/information/hide/4486.html (дата обращения 20.11.17).

Секацкий В. Ф. Методы и средства измерений и контроля [Текст]: учебное пособие / В. С. Секацкий, Н. В. Мерзликина. – Красноярск: ИПЦ СФУ, 2007. – 286 с.

Л. И. Анисимова метрологические характеристики средств измерений и технического контроля геометрических величин [Текст]: справочник / Л. И. Анисимова, А. С. Кривоногова. – Екатеринбург: Изд-во Рос. Гос. Проф.-пед. Ун-та, 2010. – 260 с.

Легаев В. П. Приборы автоматического контроля и управления в машиностроении [Текст]: учебное пособие / В. П. Легаев. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2009. – 123 с.

Макаров В. В. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. Общие сведения об измерениях, испытаниях и контроле [Текст]: учебное пособие / В. В. Макаров. – Орел: ОрелГТУ, 2008. – 40 с.

Средства измерения. Выпуск №2: каталог компании «Интра Тул».

Каталог оборудования «ГФК» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gfk-leica.ru/katalog (дата обращения 23.11.17).

Применение достижений в области искусственного интеллекта в средствах измерений и управления [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://plasma.karelia.ru/~ekostq/site/index.php?id=primenenie-dostizhenij-v-oblasti-iskusstvennogo-intellekta-v-sredstvah-izmerenij-i-upravleniya (дата обращения 23.11.17).

Код для цитирования: Скопировать