Optický snímač nepriameho merania opotrebenia rezného nástroja

Vedľa induktívnych a kapacitných senzorov sa k bezdotykovému zisťovaniu objektov automatizačnej techniky používajú vo veľkej miere optoelektronické senzory. Jedným z dôvodov sú stále sa zmenšujúce rozmery a stále stúpajúce výkonové schopnosti. Používajú sa predovšetkým tam, kde je potrebný väčší dosah. Vzdialenosť medzi senzorom a snímaným objektom môže u veľkých induktívnych a kapacitných senzorov dosahovať najviac dĺžku 100 mm. Oproti tomu môžu byť pomocou zisťované objekty, ktoré sú vzdialené niekoľko metrov, a pritom rozmery týchto senzorov sú oveľa menšie ako rozmery induktívnych a kapacitných senzorov.

Avšak v súčasnosti optoelektronické senzory nachádzajú širšie uplatnenie aj vo výrobných technológiách. So zvyšovaním kvality jednotlivých technických prvkov v štruktúre riadiacich systémov sa logicky zvyšujú aj nároky pri meraní procesných veličín. Súčasné meracie zariadenia preto musia byt' schopné pracovať s adekvátnymi metrologickými a prevádzkovými vlastnosťami, čo sa spravidla dosahuje uplatnením mikropočítača v štruktúre meracieho kanála.

Na základe doteraz známych veľmi dobrých vlastnosti optických snímačov bolo rozpracované meranie rozmerového opotrebovania nástroja pomocou optického snímača. Z nameraných hodnôt vyplýva, že optické snímače pracujúce so zmenou dopadajúceho svetelného výkonu majú charakteristiku závislosti medzi dopadajúcim svetelným výkonom F a elektrickým odporom na určitom vyhovujúcom intervale lineárnu. Snímač pozostáva z vysielača infračerveného svetelného lúča a prijímača tvoreného fotocitlivým prvkom. Svetelný lúč je vysielaný smerom k svetelnému prijímaču, pričom v určitom mieste svojej dráhy je z časti tienený obrábanou plochou obrobku. Z tohto dôvodu k prijímaču prichádza iba časť svetelného lúča, ktorej veľkosť závisí od veľkosti tieniacej plochy obrobku, čiže od veľkosti priemeru obrobku. Pri postupnom opotrebovaní nástroja sa tento priemer zväčšuje. Na obr. 1 je možné vidieť konštrukčné usporiadanie jednotlivých častí senzora [7].

Výhodnou vlastnosťou optických senzorov je možnosť mechanického nastavenia citlivosti zmenou priečnych rozmerov lúča. Z tohto dôvodu bolo zvolené nastavenie citlivosti na strane prijímača zmenou šírky vstupnej časti otvoru pomocou clony. Clona je tvorená kovovou doskou umiestnenou na vstupe prijímača. V nej je vopred vytvorený otvor s rozmermi omnoho väčšími ako sú potrebné pre snímanie, pretože tento otvor je prekrývaný clonkou s nastaviteľnou polohou podľa potreby. Princíp dosiahnutia dostatočnej citlivosti spočíva v rozmeroch clonky x, y.

Koeficient citlivosti K_š pre túto štrbinu je možné vyjadriť pomerom

Jedným z parametrov, ktorý charakterizuje otupenie nástroja, je jeho rozmerové opotrebovanie. Dovolené opotrebovanie sa pohybuje v rozmedzí 0,06 až maximálne 0,15 mm. Táto hodnota je pre nás smerodajná a z nej sa vychádza pri overovaní správnosti funkcie snímača. Ako modelové zariadenie bola použitá špeciálne upravená a uchytená mikrometrická skrutka, s ktorou bolo možné dosiahnuť posuv sledovaného bodu 1 mm.

Snímač sa pevne upevnil na stôl. Ako náhrada obrobku s meniacim sa priemerom zapríčineným opotrebovaním nástroja poslúžila mikrometrická skrutka upevnená posuvne smerom kolmo na lúč senzora. Pomocou pohybovej skrutky sa prisunie pohyblivý hrot nahradzujúci obrobok k lúču tak, aby ho do určitej miery tienil. Tento bod sa nastaví ako východzí bod a odčíta sa hodnota z mikrometrickej skrutky a súčasne z ručičkového mikroampérmetra. Potom sa pohyblivý tieniaci hrot posunie o prvú meranú  hodnotu DR a odčíta sa hodnota z mikrometrickej skrutky a z ručičkového mikroampérmetra. Grafické závislosti jednotlivých charakteristických hodnôt a ich vzájomné porovnanie sú uvedené v grafe na obr. 2.

Z nameraných hodnôt je vidieť, že závislosť meraného prúdu na polohe tieniaceho hrotu je v určitom meranom rozsahu takmer lineárna. Grafická závislosť (obr. 2) aritmetického priemeru výchylky ručičky mikroampérmetra na polohe tieniaceho hrotu pri šírkach štrbiny tieniacej clony 0,5 mm, 1,5 mm a 3 mm preukázala linearitu na určitej oblasti merania, čo je možné výhodne využiť pri meraní.

Pre danú problematiku merania opotrebovania nástrojov bolo potrebné spomedzi všetkých možných riešení nájsť to najvhodnejšie. Najviac prichádzali do úvahy kapacitný snímač, tenzometrický snímač, indukčný snímač, vibračný snímač a optický snímač. Počas riešenia tejto problematiky bola overená funkčnosť všetkých uvedených typov snímačov (počnúc od návrhu zapojenia, voľby typu a parametrov súčiastok, voľby obvodových a stabilizačných parametrov, praktickú konštrukciu plošného spoja a osadenie súčiastok, nastavenie a oživenie obvodu, overenie funkčnosti obvodu v aktívnom stave), čo zabralo zhruba 80 % všetkého času vynaloženého na riešenia tejto problematiky. Pri overovaní snímačov sa najviac osvedčil optický snímač z dôvodu svojej vysokej citlivosti a odolnosti voči rušivým vplyvom. Skúšky merania rozmerového opotrebenia rezného nástroja a merania drsnosti obrobeného povrchu vykonané v modelových podmienkach aj v samotnom procese obrábania sa ukázali veľmi užitočné a sľubujú v praxi značný ekonomický prínos. Veľkou výhodou snímača je jeho konštrukčná jednoduchosť, odolnosť voči väčšine rušivých vplyvov, jednoduchá údržba a nízke náklady na výrobu. Jednou z ďalších možností uplatnenia snímača je použiť ho pri kontrole rozmerov súčiastok, čo by malo určité výhody, pretože ide o bezkontaktný spôsob merania. Ďalej by sa dal tento snímač aplikovať v procese obrábania pri automatickom riadení ako aktívny prvok pre dodržanie presnosti rozmeru súčiastky.

Tento článok bol písaný v rámci projektu Vývoj metód a technických systémov pre zvyšovanie spoľahlivosti a bezpečnosti prevádzky výrobných systémov č. 1/2209/05 na FVT.

Ing. Radoslav Kreheľ, Ing. Jozef Dobránsky

Katedra prevádzky technologických systémov, FVT TU Košice so sídlom v Prešove

• [1] Békés, J.: Automatizované výrobné systémy apriemyselné roboty, Strojárska ročenka, Bratislava, 1987, 3020511, s.239 - 252.
• [2] Bokučava, G., Vasilko, K.: Technológia automatizovanej výroby, FVT TU vKošiciach, Prešov, 2003, ISBN 80-7099-980-2.
• [3] Fabian, S., Straka, Ľ.: Kvantifikace funkčních závislostí parametrů kvality na technologických parametrech při elektroerozivním řezaní kovů. In: Strojírenská technologie - Časopis pro vědu, výzkum avýrobu, roč. 11, č. 2 (2006), s. 21 - 24.
• [4] Fabian, S., Straka, Ľ.: Závislosť kvality povrchu rezu na rýchlosti posuvu v procese EDM delenia. In: Strojárstvo, roč. 10, č. 2 (2006), s. 68.
• [5] Gröber, H.: Grundgesetze der Wärmeübertragung, Berlin, 1963.
• [6] Martinek, R.: Senzory v priemyselnej praxi, BEN, Praha, 2004, ISBN 80-7300-114-4.
• [7] Poppeová, V.: Monitorovanie opotrebovania rezných nástrojov, EDIS, Žilina, 2001, ISBN 80-7100-700-5.
• [8] Šturcel, J., Mišeje, M., Kamensky, M.: Spracovanie údajov vsenzorových systémoch, AT&P Journal, č. 8, 2002, s. 52.
• [9] Vasilko, K., Bokučava, G.: Technológia zmeny rozmerov. FVT TU vKošiciach, 2005, ISBN 80-8073-300-7.

Ing. Radoslav Kreheľ

 Ing. Jozef Dobránsky

Katedra prevádzky technologických systémov

FVT TU Košice so sídlom v Prešove

www.tuke.sk/fvtpo/

krehel.radoslav@fvt.skd

dobransky.jozef@fvt.sk