Реализация функций контроля и диагностирования наиболее эффективна при адаптивном управлении технологическими процессами механической обработки за счет использования информации о протекании процессов непосредственно в зоне резания. Для процесса механической обработки основными возмущающими воздействиями являются износ режущего инструмента, неравномерность припуска на обработку, колебание твердости материала заготовок, погрешность установки заготовок на станке, изменение жесткости технологической системы при перемещении инструмента и заготовки, изменение технического состояния станка.
Основным фактором, влияющим на надежность и эффективность процесса резания, является отклонение фактического периода стойкости режущего инструмента от расчетного. Необходимость контроля фактического периода стойкости инструмента обусловлена тем, что сложность технологической системы и наличие многих внешних воздействий на процесс резания снижают достоверность расчетных значений периода стойкости. Предельный износ, определяющий необходимость автоматической замены инструмента на новый, зависит от ряда факторов, таких как характер выполняемой механической обработки, режимы резания, качество инструментального и обрабатываемого материалов, техническое состояние узлов станка, которые в совокупности представляют собой сложный стохастический процесс. Таким образом, диагностирование состояния режущего инструмента представляет собой актуальную задачу, которая во многих действующих системах диагностирования решается в течение всего времени обработки.
На станках с ЧПУ предпочитают проводить контроль состояния инструмента именно в ходе обработки заготовок как наиболее оперативный, достоверный и не увеличивающий общего производственного цикла введением дополнительных контрольных операций. Нарушение работоспособности инструмента при таком контроле поддается прогнозированию, а случайная поломка может быть своевременно обнаружена.
Выбор методов и средств контроля и диагностирования режущего инструмента связан с изучением причин возникновения отказов и возможных последствий. Практика машиностроительных заводов показала, что у большинства металлорежущих инструментов нарушения работоспособности распределяются следующим образом: 10 % - скол, 12 % - отделение режущей части, 21 % - поломки, 22 % - выкрашивание, 35 % - износ. При этом затраты времени на обнаружение и замену вышедших из строя инструментов составляют до 10 % времени работы станков.
Для эффективного диагностирования состояния режущего инструмента в меняющихся условиях механической обработки на станках с ЧПУ необходимо применение различных методов контроля с использованием специальных датчиков и многофакторных алгоритмов обработки собираемой информации. К основным требованиям при этом относятся:
1) обеспечение функций диагностирования на всех технологических операциях, выполняемых на станке;
2) получение информации, как о постепенном износе, так и о факте разрушения инструмента;
3) малые размеры и простота встраивания датчиков;
4) инвариантность датчиков к воздействию внешних факторов (стружки, технологической среды, вибраций, температур);
5) возможность регулировки параметров датчиков при эксплуатации.
На основе оперативной информации о текущем состоянии режущего инструмента система ЧПУ формирует команды на прекращение и возобновление цикла обработки, вывод инструмента в позицию замены и автоматическую замену вышедшего из строя инструмента из инструментального магазина.
Существующие методы активного контроля состояния режущего инструмента можно разделить на прямые и косвенные.
При реализации прямых методов измерения износа режущей кромки используют вспомогательные движения инструмента или величину выхода инструмента или отдельных его частей из процесса резания. При этом контролируется ширина ленты износа по передней и задней поверхности, глубина лунки износа, расстояние от режущей кромки до центра лунки, уменьшение объема или массы инструмента. Однако большинство методов прямого контроля износа режущей кромки достаточно сложны в конструктивном исполнении и определение ими режущей способности инструмента в любой момент времени без прекращения процесса резания вызывает затруднения.
Интенсивность и скорость износа режущих кромок имеют корреляционные связи с рядом характеристик механической обработки и влияют на поведение всех элементов технологической системы. В связи с этим косвенные методы измерения контактным и бесконтактным способами созданы в качестве альтернативы сложным методами непосредственного контроля износа. Принципы и техника измерений косвенными методами сравнительно просты и находят все более широкое применение. При этом используют многие принципы измерений (механические, оптические, пневматические, акустические, электронные), которые позволяют получать в процессе обработки непрерывную и периодическую информацию о состоянии инструмента от датчиков, расположенных на определенных участках инструмента, оправок, заготовок и узлов станка. Они пригодны также для оценки процесса изнашивания инструмента в течение коротких интервалов стабильного резания и для регистрации резких изменений износа при разрушении.
К косвенным методам относят измерения текущих параметров электроприводов, сил резания, температуры резания, электрических характеристик зоны контакта режущего инструмента с заготовкой, размеров заготовки, расстояния от суппорта станка до обрабатываемой поверхности, шероховатости получаемой поверхности и уровня вибраций.
Перспективными являются методы контроля состояния режущего инструмента по свойствам сходящей при резании стружки, по величине акустического сигнала, генерируемого инструментом в процессе механической обработки, по значению термоЭДС естественной термопары инструмент – деталь.
Все большее распространение находят оптико-электронные методы контроля с применением световодов и лазерной техники. Они, в частности, позволяют получать и анализировать коды изображений зоны износа режущей кромки инструмента, а также измерять геометрические размеры и шероховатость поверхностей деталей, что является важнейшими критериями качества механической обработки.