Шлифование остаётся наиболее сложной и наукоёмкой операцией механической обработки из-за стохастической природы абразивного инструмента и термомеханических взаимодействий. 
Его развитие связано с цифровизацией, искусственным интеллектом и новыми материалами. В статье показано содержание первых этапов эволюционного развития этого процесса.

 

 В.К. Ермолаев, к.т.н., технический эксперт  ООО «Шлифовальные станки»

 

 

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ И ЭВОЛЮЦИЯ СТАДИЙ «ШЛИФОВАНИЯ Х.0»

 

Советский экономист Н.Д. Кондратьев в 20–30‑х годах XX века сформулировал идею циклов, описывающих развитие промышленности и общества в рамках рыночной экономики. Циклы могут быть короткими, среднесрочными и длинными. Причина их возникновения кроется в динамике накопления научно-­технических достижений, концентрации и последующего распределения капитала, достаточного для создания новых инфраструктурных элементов.
За рубежом переломные технологические моменты, ведущие к смене основ развития, именуют «промышленными революциями». Впервые о концепции четвёртой промышленной революции (Индустрия 4.0) начали говорить в 2016 году, после того как основатель Всемирного экономического форума Клаус Шваб описал её принципы в одноимённой книге [1]. На рис. 1 схематично показана эволюция промышленных революций с учётом развития и совершенствования основных принципиальных ключевых элементов [2].

 

Рис. 1. Эволюция промышленных революций

 

По аналогии с указанным выше «Шлифование 4.0» — это инновационный подход к процессу шлифования в рамках концепции Индустрии 4.0, не просто маркетинговый термин или тренд, это этап развития отрасли, обусловленный глубинными, принципиальными изменениями в мировой промышленности и обществе. Важно в первую очередь понимать особенности и содержание концепции «Шлифования 4.0», чтобы осуществить потенциальный переход от производства, в котором доминируют станки, к цифровому производству.
Предполагается, что в «Шлифовании 4.0» роботы будут играть более важную роль в производстве, а в производственном процессе будут доминировать имплантируемые технологии, взаимодействующие и координирующие друг друга станки, системы, принимающие решения самостоятельно, автономные структуры решения проблем, обучающиеся машины, 3D-печать и т. д.

 

В таблице 1 приведена разбивка по этапам с временными рамками, ключевыми характеристиками и особенностями каждой версии производственных преобразований «Шлифования Х.0». Границы между этапами условны и размыты. Технологии предыдущих этапов продолжают использоваться там, где они экономически оправданны (например, простые операции «Шлифования 2.0»). «Шлифование 4.0» — это не замена «Шлифования 3.0», а его эволюция за счет интеграции цифровых интеллектуальных технологий. Длительность каждого нового этапа уменьшается: если 1.0 длился больше столетия, то следующие стадии становились короче, а 4.0 развивается на наших глазах.

 

 

Следует перечислить ключевые болевые точки современного производства, которые делает тему «Шлифования 4.0» актуальной:
• Конкуренция заставляет снижать себестоимость без потери качества — тут «Шлифование 4.0» с его оптимизацией ресурсов незаменимо.
• Кадровый кризис в промышленности: молодые инженеры не идут на заводы с устаревшими станками, а автономные системы 4.0 решают эту проблему.
• Экологические требования ужесточаются — интеллектуальное управление СОЖ и энергопотреблением в 4.0 критично для соответствия нормам.

 

Для России тема вдвой­не актуальна из-за: необходимости импортозамещения в станкостроении после санкций; проблемы «цифрового разрыва» между передовыми заводами и устаревшими производствами.

 

 

ПРИЗНАКИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ 4‑го ПОКОЛЕНИЯ

 

В контексте процесса шлифования и станка Индустрия 4.0 проявляется по меньшей мере в виде принципиальных критериев. Их иерархия и взаимосвязь, показанные на рис. 2 (критерии подчёркнуты), напоминают структуру, где каждый уровень обеспечивает возможность для реализации следующего.

 

Рис. 2. Схема иерархии и взаимосвязей признаков «Шлифования 4.0»

 

Сетевые технологии и IoT представляют собой базовый инфраструктурный слой, большие данные и аналитика — промежуточный слой обработки, цифровые двой­ники и интеллектуальные системы — уровень моделирования и решений, автоматизация и гибкость — исполнительный уровень, а устойчивость — сквозной результат.
Важно подчеркнуть двусторонние связи (например, данные от IoT питают аналитику, а команды от интеллектуальных систем возвращаются к автоматизации). Также стоит упомянуть, что устойчивость — не отдельный блок, а проистекающее свой­ство всей системы.
Взаимосвязи критериев (признаков) шлифовальных станков 4‑го поколения представлены в таблице 2.

 

Таким образом, они не просто иерархичны, а образуют цифровую экосистему. Данные направляются снизу вверх, а управляющие команды и оптимизированные процессы распространяются сверху вниз. Убрав или недооценив один из элементов верхних уровней, мы подрываем эффективность всей системы.

 

 

ОТЛИЧИЯ ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ 4‑го ПОКОЛЕНИЯ

 

Производственникам всегда хочется осязать материальные особенности станков, в частности, оборудования Индустрии 4.0. Материальные объекты шлифовальных станков 4‑го поколения, которые отличают их от станков 3‑го поколения, это датчики, сенсоры, IIoT-шлюзы, объединённые компьютерные сети, ПО. Кроме того, непрерывная цепочка блоков с огромным массивом информации, метки и считыватели RFID (Radio Frequency Identification — радио-частотная идентификация) — технологии автоматической идентификации объектов с помощью радиоволн, а также встроенные системы предиктивной аналитики или облачная интеграция.
Важно подчеркнуть, что главное отличие — не просто наличие отдельных компонентов, а их интеграция в единую киберфизическую систему (Cyber-­Physical System, CPS) [3, 4, 5, 6].
В таблице 3 приведено структурированное представление о том, какие материальные объекты составляют шлифовальный станок в контексте «Шлифования 4.0». Таблица раскрывает не только «что», но и зачем» и как эти элементы работают в станке.

 

 

Таким образом:
• Шлифовальный станок 3.0 — это данные - ЧПУ - действие.

• Шлифовальный станок 4.0 — это данные с датчиков - облако/аналитика - ИИ-решение - обратная связь на исполняющие механизмы - новое действие.
На рис. 3 показана схема многоуровневой киберфизической системы шлифовального станка 4‑го поколения, где: физический уровень собирает данные и исполняет команды, сетевой уровень обеспечивает безопасный обмен, киберуровень анализирует, оптимизирует и управляет процессами, а MES/ERP и цифровой двой­ник (Digital Twin) интегрированы как внешние управляющие контуры.

 

Рис. 3. Многоуровневая схема киберфизической системы шлифовального станка 4‑го поколения
 

 

Пояснения к схеме на рис. 3:

 

1. Уровень 1 — физический (исполнение и сбор данных). На этом уровне физический мир (станок, деталь, инструмент) взаимодействует с цифровым миром через сенсоры и исполнительные механизмы. Датчики и RFID непрерывно собирают сырые данные о состоянии станка, инструмента и заготовки. Сервоприводы (исполнительные механизмы) получают команды от ЧПУ и физически перемещают узлы по осям. Измерительные системы проверяют результат и передают данные о качестве. Модули автономной работы (роботы) выполняют команды на загрузку/выгрузку. Это «периферийная нервная система» и «мышцы» CPS.

 

2. Уровень 2 — сетевой (агрегация и передача). Данные с физического уровня агрегируются, подготавливаются и безопасно передаются на уровень 3. Команды с уровня 3 безопасно доставляются на уровни 2 и 1. IIoT-шлюзы преобразуют разные протоколы данных с датчиков в единый стандарт (например, OPC UA). Аппаратные средства кибербезопасности обеспечивают сквозное шифрование и защиту от несанкционированного доступа на всех этапах. Это «спинной мозг» и «система иммунитета» CPS. Обеспечивает связность и безопасность.

 

3. Уровень 3 — кибер (аналитика и принятие решений). Это мозг системы. Здесь данные анализируются, принимаются решения и формируются команды для физического уровня. Аппаратные модули аналитики (вычислительные кластеры) обрабатывают большие данные с помощью алгоритмов ML/AI, выявляя аномалии и прогнозируя износ. ПО (ЧПУ, MES) на основе этих прогнозов принимает решения: скорректировать режим резания, запланировать ТО, остановить станок. Компьютерные сети связывают все элементы предприятия в единое целое. Роль: принятие интеллектуальных решений.

 

4. Цифровой двой­ник и внешние системы. Цифровой двой­ник существует на киберуровне и постоянно синхронизируется с данными других уровней. Он используется для: тестирования и оптимизации программ перед отправкой на физический станок и визуализации текущего состояния всего процесса. Внешние системы (MES/ERP) передают производственные планы и получают отчетность о выполнении, замыкая контур управления предприятием.

 

Ключевой принцип: замкнутый цикл управления. Все эти уровни работают не линейно, а в непрерывном замкнутом цикле: сбор данных - агрегация - анализ - принятие решения - исполнение - сбор данных. Это и есть суть киберфизической системы (CPS): постоянная самооптимизация на основе данных в реальном времени, где физические и кибернетические компоненты неразделимы. Шлифовальный станок 4‑го поколения — это станок с адаптивным управлением и интеграцией в IIoT — или киберфизическая система (CPS) или «умный станок» — понятный маркетинговый слоган.

 

 

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ СИСТЕМЫ

 

Несомненный интерес представляют собой элементы физического уровня киберфизической системы шлифовального станка 4‑го поколения, в частности, средства измерения (СИ) показателей состояния станка и его систем [13]. Полагаем, что в станках 4‑го уровня имеются следующие системы и подсистемы (рис. 4):
1. Система станка, которая включает: подсистему мониторинга состояния станка, подсистему управления движением, подсистему мониторинга процесса шлифования, подсистему контроля заготовки и подсистему вспомогательных комплексов.
2. Система абразивного инструмента.
3. Система правки круга.
4. Система подачи и очистки СОЖ.

 

В совокупности систем и подсистем действует следующая логика взаимодействия: подсистема управления движением управляет перемещениями по осям станка, включая подвод инструмента к заготовке, а также движениями при правке. Подсистема мониторинга состояния станка отслеживает состояние компонентов станка (шпиндель, направляющие и т. д.) и может влиять на управление движением и процессом. Подсистема мониторинга процесса шлифования получает данные от системы абразивного инструмента (например, датчики на круге) и от системы подачи СОЖ (например, температура, давление) и взаимодействует с подсистемой управления движением для коррекции режимов. Подсистема контроля заготовки может взаимодействовать с подсистемой управления движением для коррекции положения и с подсистемой мониторинга процесса для учета состояния заготовки. Подсистема вспомогательных комплексов включает, например, зажим заготовки, автоматическую смену инструмента и т. д., она связана с управлением движением и мониторингом состояния.
Система абразивного инструмента предоставляет данные о состоянии круга (износ, температура, сила) в подсистему мониторинга процесса, а также получает команды на активацию датчиков через телеметрию.
Система правки круга управляется подсистемой управления движением (например, позиционирование правящего инструмента) и получает команды от подсистемы мониторинга процесса (когда круг требует правки).
Наконец, система подачи и очистки СОЖ взаимодействует с подсистемой мониторинга процесса (например, регулировка подачи СОЖ в зависимости от температуры) и с подсистемой вспомогательных систем (например, фильтрации).
Схема на рис. 4 демонстрирует, что шлифовальный станок 4‑го поколения представляет собой не набор разрозненных систем, а единый киберфизический комплекс, где каждая подсистема активно взаимодействует с другими через центральную систему управления, создавая адаптивную, самонастраивающуюся производственную ячейку.

 

Рис. 4. Системы и подсистемы шлифовального станка 4‑го поколения

 

 

Датчики, модель/алгоритм и база данных являются составляющими самооптимизирующегося шлифовального станка 4‑го уровня развития. При этом могут использоваться как прямые, так и косвенные методы контроля. Прямые методы контроля предполагают использование СИ, которые оценивают состояние объекта в результате непосредственного, прямого наблюдения с помощью оптических, лазерных, электромеханических, ультразвуковых или пневматических методов [7]. При непрямых методах контроля используются датчики, которые определяют состояние объекта, отслеживая такие параметры, как сила, вибрация, акустическая эмиссия (АЭ), сила тока, мощность и визуализация в процессе обработки [8]. На рис. 5 показана наиболее популярная интеграция датчиков и сенсорных систем при круглом и плоском шлифовании [6]. В таблице 4 приведена условная спецификация СИ, установка которых показана на рис. 5.

 

Рис. 5. Примеры установки на шлифовальных станках СИ

Приведенный в таблице 5 список датчиков и сенсоров является формализацией и классификацией СИ, применение которых возможно в шлифовальных станках 4‑го поколения для получения общей информации о состоянии элементов зоны резания и несущей системы станка.

 

 

Полезно провести группировку СИ и показать их связь с системой управления (СУ) и с исполнительными механизмами следующим образом:
• Группа 1 — подсистема мониторинга состояния станка, датчики размещены в различных узлах: вибрации, температура, давление, скорость вращения (общие) - СУ - диагностика, предупреждение оператора, остановка.
• Группа 2 — подсистема управления движением: энкодеры, датчики положения, тахометры - СУ - приводы движений по осям и вращения шпинделя.
• Группа 3 — подсистема мониторинга процесса шлифования: датчик силы резания, датчик мощности, акселерометр, термопара (в зоне контакта), тепловизор, ультразвуковой датчик, датчик EMI - СУ - коррекция параметров шлифования (подача, скорость и т. д.).
• Группа 4 — подсистема вспомогательных систем: пневматический датчик давления, датчики влажности - СУ - пневматические системы, системы вентиляции.
• Группа 5 — подсистема контроля заготовки: проводные и беспроводные щупы - СУ - коррекция положения заготовки, коррекция режимов обработки.
Также СУ может быть связана с внешними системами (MES, ERP) и оператором.

 

Данные таблицы указывают конкретный тип датчика или сенсора, физическое явление, на котором работает СИ, местоположение в станке и назначение СИ в контексте «Шлифования 4.0» — мониторинг, контроль, оптимизация, диагностика или безопасность. Таблица наглядно демонстрирует комплексный подход к мониторингу и контролю в современных шлифовальных станках, позволяющий реализовать принципы «Шлифования 4.0».

 

На рис. 6 изображена блок-схема взаимодействия датчиков с системой управления и с исполнительными механизмами шлифовального станка 4‑го поколения. Некоторые пояснения по уровням взаимодействия: верхний уровень — внешние объекты и системы, которые влияют на процесс или являются его частью (заготовка, оператор). Уровень датчиков — средства измерения, которые собирают данные о состоянии станка, процесса и окружающей среды. Центральный уровень — СУ станком (мозг центра), которая обрабатывает данные, принимает решения и отправляет команды. Уровень исполнительных механизмов — узлы станка, которые непосредственно выполняют операции (приводы, шпиндель). Нижний уровень — технологическая среда, где непосредственно происходит процесс шлифования.
Ключевые информационные потоки: восходящие потоки (датчики - СУ) — данные о параметрах процесса (сила, температура, вибрация), положении (энкодеры), состоянии станка (датчики общего состояния) и внешней среде.
Нисходящие потоки (СУ - исполнительные механизмы): управляющие команды на коррекцию режимов (скорость, подача), активацию систем (правка круга, подача СОЖ), остановку или предупреждение. Горизонтальные связи: обмен данными с внешними системами (например, MES-система предприятия), оператором через HMI (Human-­Machine Interface). Обратная связь и адаптивность: схема иллюстрирует замкнутый контур управления. Например, датчик силы резания - СУ - привод оси подачи - коррекция усилия шлифования. Термопара на шпинделе - СУ - привод шпинделя - коррекция скорости для снижения температуры.

 

Рис. 6. Блок-схема взаимодействия СИ с СУ и исполнительными механизмами шлифовального станка 4‑го поколения

 

Разные типы элементов блок-схемы выделены разными цветами, что позволяет модифицировать схему и генерировать качественное графическое представление: голубой цвет — датчики и сенсоры, фиолетовый — СУ и интерфейсы, зеленый — исполнительные механизмы, оранжевый — технологический процесс, красный — внешние объекты.

 

Назначение потоков данных в контексте «Шлифования 4.0»:

• Мониторинг: постоянный сбор данных со всех датчиков.
• Контроль: сравнение текущих параметров с заданными и автоматическая коррекция.
• Оптимизация: анализ данных для выбора наилучших режимов обработки.
• Диагностика: выявление признаков износа компонентов станка (подшипников шпинделя, направляющих).
• Безопасность: остановка процесса при критических отклонениях (перегрузка, перегрев).
Эта блок-схема наглядно демонстрирует, как шлифовальный станок 4‑го поколения превращается в киберфизическую систему, где физический процесс неразрывно связан с цифровым управлением и анализом данных.

 

Наиболее сложным с точки зрения достоверности и надёжности является получение информации о технологических параметрах (усилия, температуры) из зоны контакта вращающегося шлифовального круга с обрабатываемым изделием. Однако круги с датчиками могут стать основой для новых шлифовальных систем, обладающих потенциалом значительного повышения производительности и качества [9, 10]. Обзор известных подходов к сбору данных измерений со стороны инструмента представлен на рис. 7.

 

Рис. 7. Варианты возможной интеграции датчиков и сенсоров в шлифовальный круг [9, 10]

 

Для выполнения измерительной задачи сенсорная технология должна стать частью работающего и соответственно изнашиваемого абразивного инструмента.
Круг — это активный инструмент, а изделие пассивно. Измерения со стороны круга ближе к зоне резания, значит, данные точнее и менее искажены, а в подходе «Шлифование 4.0» данные должны быть в реальном времени. Выбор шлифовального круга в качестве основного источника информации о процессе резания в станках 4‑го поколения является стратегическим и обусловлен фундаментальными физическими и технологическими причинами. Представим обоснование, почему это предпочтительно и целесообразно:

 

1. Близость к источнику явлений (физическое превосходство).
Шлифовальный круг — это активный инструмент, в котором непосредственно происходят все ключевые физические явления:
• Тепловыделение: до 80% и более энергии резания преобразуется в тепло непосредственно в зоне контакта абразивных зерен с материалом. Встроенная в круг термопара измеряет температуру в самой зоне генерации тепла, а не её следствие на удалённой заготовке, где показания искажаются теплоотводом, СОЖ и инерционностью.
• Силовое воздействие: силы резания (нормальная и тангенциальная) приложены непосредственно к связке шлифовального круга. Датчик силы, встроенный в корпус круга, воспринимает их напрямую, без потерь и демпфирования, которые неизбежны при измерении через систему зажима заготовки или стола станка.
• Динамические процессы: вибрации, акустическая эмиссия (АЭ) генерируются при разрушении материала зёрнами, микросколе зёрен и взаимодействии в зоне реза. Датчики на круге слышат эти высокочастотные сигналы в месте их возникновения, в то время как при передаче через заготовку и конструкцию станка они сильно ослабевают и искажаются.
Аналогия: чтобы понять, что происходит в сердце, ЭКГ снимают непосредственно с грудной клетки, а не измеряют пульс на ступне, где сигнал запаздывает и ослаблен.

 

2. Универсальность и независимость от заготовки.
• Любая деталь: измерения через круг остаются неизменными и точными независимо от геометрии, массы, материала и способа крепления заготовки. Система, завязанная на датчики заготовки, требует перенастройки или становится неэффективной для каждой новой детали, особенно мелкой или сложной формы.
• Неизменная точка измерения: круг является постоянным элементом технологической системы. Это позволяет построить стабильную, калиброванную и надёжную измерительную платформу.

 

3. Высокое быстродействие и минимальное запаздывание.
Процессы при шлифовании происходят с огромными скоростями (десятки м/с). Для реализации адаптивного управления в реальном времени (например, предотвращение прижога или поломки) реакция системы должна быть практически мгновенной.
• Сигнал с датчиков круга поступает в систему управления с минимальной задержкой, что позволяет своевременно реагировать.
• Сигнал с заготовки проходит более длинный и инерционный путь (деталь, патрон, шпиндель, станина), что вносит неприемлемую для прецизионного управления задержку.
 

 

4. Возможность прогнозирования и диагностики состояния инструмента.

Одна из ключевых задач «Шлифования 4.0» — это не только контроль процесса, но и прогноз состояния самого инструмента.
• Прямой мониторинг износа: сигналы АЭ и силы с датчиков круга напрямую коррелируют с затуплением абразивных зёрен, микросколами и вырывом зёрен из связки. Это позволяет точно прогнозировать момент необходимой правки круга.
• Контроль целостности: ультразвуковые и EMI-датчики, встроенные в круг, могут отслеживать появление микротрещин в связке, предотвращая катастрофический разрыв круга.
Измеряя через заготовку, получить такую прямую диагностическую информацию о состоянии круга практически невозможно.

 

5. Реализация истинно замкнутого контура управления:
шлифовальный круг с датчиками превращается в «интеллектуальный исполнительный механизм».
• Прямая обратная связь: система управления получает информацию непосредственно от инструмента, который выполняет работу. Это позволяет замыкать контур управления на самом критическом объекте — зоне резания. Пример: датчик температуры в круге зафиксировал приближение к порогу прижога - ЧПУ мгновенно снизило подачу. Датчик силы зафиксировал касание с деталью - ЧПУ начала отсчет точного размера.

 

 

В таблице 6 собраны сравнительные сведения по разным критериям при измерении технологических параметров через круг или заготовку.
В таблице 7 приведена классификация средств измерения, встраиваемых в систему абразивного инструмента или расположенных в его зоне. Конкретное место установки (в круге, на шпинделе, в системе крепления заготовки) может варьироваться в зависимости от задачи и конфигурации станка.

 

Многие современные системы используют мультисенсорный подход, комбинируя данные с нескольких датчиков (например, сила + вибрация + АЭ) для повышения точности и надежности мониторинга с помощью алгоритмов ИИ. Основная проблема и особенность — интеграция в вращающийся шлифовальный круг (его сегменты или корпус) или в непосредственной близости от него (телеметрическое кольцо на шпинделе).
Назначение часто пересекается, так как один параметр (например, сила резания) может указывать на несколько состояний (износ, вибрация, качество поверхности). 
Из физических принципов наиболее распространены термоэлектрический (температура), пьезоэлектрический/тензометрический (сила) и электромагнитный (телеметрия).
Основные цели — мониторинг двух критически важных параметров процесса — температуры и силы резания непосредственно в зоне контакта, а также обеспечение работы всей измерительной системы (телеметрия).
Таким образом, шлифовальный круг 4‑го поколения — это не просто инструмент, а сложная измерительно-­управляющая система, интегрированная в замкнутый контур управления станком.

 

 

На рис. 8 представлены варианты расположения СИ в шлифовальном круге при измерении различных технологических параметров, например, силы резания датчиком силы, размещённым под одним абразивным сегментом для прямого измерения силы. Датчик в этом случае был миниатюризирован до тонкоплёночной матрицы и установлен в зазоре между абразивным сегментом и корпусом (рис. 8а). Антенна и катушка помещены на стороне корпуса. Исследования [9, 10] показали, что датчик силы, расположенный под абразивным сегментом, позволяет измерять нормальные, осевые и тангенциальные силы шлифования в процессе обработки. Рис. 8б демонстрирует возможность измерения температуры в различных точках профиля зуба во время зубошлифования. Использование современных микроконтроллеров и сенсоров непосредственно в круге позволяет полностью интегрировать методы сбора и обработки данных в измерительном комплексе абразивного инструмента с частотой дискретизации до 5 МГц [11], как показано на рис. 8в и рис. 8г.

 

а) Интеграция пьезоэлектрических датчиков в шлифовальный круг для измерения силы [9].

б) Модификация датчика для определения температуры при профильном зубошлифовании [10].

в) Шлифовальный круг со встроенной электроникой [11].

г) Использование ИК-излучения в шлифовальном круге [12].

Рис. 8. Варианты размещения датчиков в шлифовальном круге

 

Умные шлифовальные круги могут не только измерять усилия и температуру в процессе обработки, но и обмениваться соответствующими данными, такими как характеристики или размеры. Обмен данными может осуществляться с помощью QR-кодов или RFID-чипов (радиочастотной идентификации) [11]. QR-код — это информационный маркер, ведущий к цифровому контенту или отслеживающей системе. RFID-чип — часть технологии, которая используется для отслеживания объектов.

 

Преимущество RFID-чипов заключается в том, что содержащуюся в них информацию можно перезаписывать снова и снова. Пример RFID-чипов, используемых в алмазном правящем ролике (АПР), технологической оправке, показан на рис. 9а и 9б. Количество потенциально оставшихся циклов правки сохраняется в инструменте для правки и может быть считано и учтено станком. Это позволяет конечным пользователям получить представление о потенциальном сроке службы инструмента для правки, управлять запасами и определять, когда следует заказывать новый инструмент. Кроме того, RFID-чип хранит все геометрические данные инструмента для правки, которые считываются станком напрямую. На практике шлифовальные круги с металлическим корпусом преимущественно снабжаются QR-кодами или RFID-чипами. В отношении шлифовальных кругов на керамической связке поступают иным образом: круги компании Reishauer AG после прессования снабжаются маркировкой, нанесенной лазером, как показано на рис. 9в. С помощью этой маркировки можно проследить цепочку изготовления каждого инструмента и тем самым обеспечить контроль качества.

 

 

а) RFID-кольцо на АПР      б) RFID-чип в оправке

в) Лазерная маркировка

Рис. 9. Варианты использования RFID-чипов и маркировки в технологической оснастке

Таким образом, шлифовальные круги с датчиками и сенсорами наилучшим образом подходят для получения данных измерений благодаря близости СИ к точке измерения и представляют собой этап разработки интеллектуального шлифовального инструмента.
Система правки шлифовального круга фактически представляет собой станок внутри шлифовального станка 4‑го поколения со своим обрабатываемым изделием — шлифовальным кругом и инструментом — алмазным правящим роликом.    

 

В таблице 8 представлена номенклатура СИ, встраиваемых в систему правки абразивного инструмента.

 

На рис. 10 показана схема системы правки современного многоцелевого станка для глубинного шлифования ёлочного замка лопатки [14]. Использование высокоточных датчиков позволяет контролировать и управлять процессом правки. Будь это температура, частота вращения или определение момента контакта правящего инструмента с шлифовальным кругом — блочная система датчиков позволяет удовлетворить многие требования, предъявляемые к контролю процесса правки. Определение момента касания шлифовального круга и правящего ролика особенно важно при правке эльборового инструмента. Тем самым удается избежать избыточной нагрузки на правящий инструмент и холостой правки. Сенсоры регистрируют температуру электродвигателя и опорных подшипников и передают на пульт управления информацию об избыточных нагрузках. Датчики скорости контролируют состояние шпинделя и передают на пульт управления станка сигналы о достижении заданной частоты вращения или остановки шпинделя. Для высокоточной правки (например, эльборовых кругов) требуется точное регулирование частоты вращения шпинделя. Для этих целей в электрошпиндель встраивается датчик обратной связи. Альтернативно возможное оснащение шпинделя индуктивным датчиком частоты вращения позволяет регулировать скорость вращения с точностью до 10 об/мин. С помощью этой системы также может осуществляться контроль полной остановки шпинделя.

 

Рис. 10. Схема системы правки современного многоцелевого шлифовального станка

Система подачи и очистки СОЖ в шлифовальных станках 4‑го поколения представляет собой комбинацию датчиков, IoT, ИИ, адаптивного управления и экологичных решений. В таблице 9 приведена классификация средств измерения, встраиваемых в систему СОЖ современных станков.

Функции датчиков и мониторинга в реальном времени: контроль параметров СОЖ (расход, давление, температура, чистота), мониторинг состояния шлифовального круга и заготовки. Примеры: датчики расхода и давления для точной подачи СОЖ, сенсоры для анализа загрязнения СОЖ абразивными частицами и металлической стружкой.
Внедрение СИ в системы шлифовальных станков 4‑го поколения, в том числе и в систему СОЖ, в совокупности обеспечивает повышение точности и качества обработки, снижение затрат на энергию и обслуживание, устойчивость за счет минимизации отходов, гибкость и адаптивность к различным задачам и материалам, удобство удаленного управления и мониторинга [15].

 

Переход от шлифовальных станков 3‑го поколения (с ЧПУ, базовой автоматизацией) к станкам «Шлифования 4.0» — это поэтапная трансформация, затрагивающая как аппаратную часть, так и программно-­аналитическую инфраструктуру. Фактически это эволюция через цифровизацию узлов и интеграцию в единую data-экосистему. Первыми меняются системы управления и датчики, затем — механические компоненты и роботизация. Ключевой критерий успеха — связность данных и способность станка к самооптимизации. При этом они обеспечивают высокую точность, эффективность и устойчивость, а также поддерживают удаленный мониторинг и управление, что делает их ключевыми элементами умных производственных систем.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Lazo M. A. A. Schwab, Klaus. The Fourth Industrial Revolution. Ginebra: World Economic Forum. 2016. 172 pp // Economía.  2018.  Т. 41.  № 81.  С. 194–197.
2.  Oztemel E., Gursev S. Literature review of Industry 4.0 and related technologies // Journal of intelligent manufacturing.  2020.  Т. 31.  № 1. С. 127–182.
3. Современные технологии. Киберфизические системы: учебное пособие / Авт.-сост. Е.И. Громаков, А.А. Сидорова. Томский политехнический университет. Томск: изд-во Томского политехнического университета, 2021. 166 с.
4. Кармишин А.А., Макаров В.М., Лукина С.В. Киберфизические производственные системы // Ритм машиностроения. 2022. № 9. С. 32–36.
5. Ермолаев В.К. Перспективы развития зубошлифования // РИТМ машиностроения. 2023. № 6.  С. 38–44.
6. Ермолаев В.К. Шлифование и искусственный интеллект // РИТМ машиностроения. 2022. № 8. С. 27–34.
7. Byrne G. et al. Tool condition monitoring (TCM)—the status of research and industrial application //CIRP annals.  1995.  Т. 44.  № 2.  С. 541–567.
8. Iliyas Ahmad M. et al. Machine monitoring system: a decade in review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2020. Т. 108.  № 11.  С. 3645–3659.
9. Brinksmeier E., Böhm C. The Concept of a Sensor Equipped Grinding Wheel and its Prospects // Proceedings of 2nd International Seminar on Improving Machine Tool Performance.  2000.  С. 1–14.
10. Böhm C. Entwicklung und erprobung sensorintegrierter schleifwerkzeuge.  — Universitaet Bremen (Germany), 2001.
11. Beaucamp A., Kirsch B., Zhu W. Advances in grinding tools and abrasives // CIRP Annals.  2022.  Т. 71.  № 2.  С. 623‑646.
12. Степанов Ю.С., Афонасьев Б. И., Тиняков А. И., Жилин Г. П., Судьенко А. В. Устройство для измерения температуры абразивной обработки. RU2151686C1. 1999.
13. Рimenov D. Y. et al. Review of advanced sensor system applications in grinding operations // Journal of Advanced Research.  2025.
14. Ермолаев В.К. Триада глубинного шлифования // РИТМ машиностроения. 2022. № 3.  С. 34–42.
15. Ермолаев В.К. СОЖ при шлифовании: современные подходы и технологии // РИТМ машиностроения. 2025. № 4. С. 34–45.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 6-2025