Фельдштейн Е.Э. Обработка деталей на станках с ЧПУ (2008). Диагностика металлорежущих станков и технологической оснастки
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
показана принципиальная схема пьезоэлектрического датчика для 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 237 Рис. 7.20. Тензометрический датчик фирмы «Sandvik Coromant» для измерения осевой силы: а — принципиальная схема; б — расположение на ходовом винте токарного станка с ЧПУ; 1 — зона соединения колец; 2 —- внутреннее упругое кольцо; 3 — наружное упругое кольцо; 4 — тензометрические датчики; 5 — области измерения силы Рис. 7.21. Схема, измерения сил резания с помощью тензометрических датчиков, установленных под револьверной головкой [2]: 1 — салазки; 2 — основание револьверной головки; 3 — резец; 4 — винт; 5 — разрезное кольцо с наклеенными тензометрическими датчиками измерения сил резания. Датчик крепится к корпусной детали, рез цедержателю или другому элементу станка, в которых под действием сил резания возникают упругие деформации. Очевидно, что в месте размещения таких датчиков не должны действовать дополнительные возмущающие силы, а возникающие деформации должны непосред ственно зависеть от силы резания, которую необходимо изменить. 238 7. Иалзор и диагностика в гибких производственных системах Рис. 7.22. Схема пьезоэлектрического датчика для измерения сил резания [8]: 1 — базовая точка; 2 — пьезоэлектрический элемент Датчик крепится к деформируемой поверхности винтом с силой F0 и измеряет силу F02 в месте контакта поверхности с пьезоэлектриче ским элементом. Сила F01 приложена в базовой точке датчика. Рас стояние между точками равно L. Наряду с одиночными пьезоэлектрическими датчиками исполь зуются также плиты (рис. 7.23), в которые может быть встроено от одного до четырех датчиков. Наиболее часто такие устройства уста навливаются между основанием револьверной головки и поперечным 1 Рис. 7.23. Измерительная плита фирмы «Prometec» на основе комплекта пьезоэлектрических элементов: а — продольный разрез; б — схема установки; 1 — соединительный кабель; 2 — каналы для кабеля; 3 — пьезоэлектрические элементы; 4 — отверстия под крепежные винты; 5 — поперечный суппорт; 6 — измерительная плита; 7 — основание револьверной головки 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 239 суппортом станка. Некоторые характеристики пьезоэлектрических плит приведены в табл. 7.5 и 7.6. Таблица 7.5 Размеры пьезоэлектрических плит FS-4000 фирмы «Sandvik Coromant» для использования в токарных станках Тип датчика Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Число единичных элементов в плите FS-4001 185 130 12 4 FS-4002 210 138 15 4 FS-4003 250 150 18 , 4 FS-4004 310 190 24 4 FS-4005 390 220 30 4 FS-4006 470 285 36 4 Таблица 7.6 Размеры пьезоэлектрических плит типа FS-4100 фирмы «Sandvik Coromant» для использования в сверлильных станках Тип датчика Площадь, см2, не более Толщина, мм Число единичных элементов в плите FS-4101 200 15 1 FS-4102 300 - 15 1 FS-4103 400 18 1 FS-4104 600 18 1 FS-4105 900 18 1 FS-4106 1300 24 1 Пьезоэлектрические датчики могут располагаться не только сна ружи, но и между деталями, имея форму колец (рис. 7.24). Техниче ские характеристики таких датчиков приведены в табл. 7.7. Рис. 7.24. Схема установки кольцевого пьезоэлектрического датчика [7] 240 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах Таблица 7.7 Характеристики пьезоэлектрических датчиков типа 9000 (кольцо) фирмы «Kistler» Тип датчика Максимальное измеряемое усилие, кН Жесткость, кН/мкм Размеры, мм Внутренний диаметр Наружный диаметр Высота 9001 7,5 1 4,1 10 6 ,5 9 011А 15 1 ,8 6 ,5 14,5 8 9 021А 35 3 ,5 10,5 2 2 ,5 10 9 0 3 1 А 60 6 13 2 8 ,5 11 9041А 90 7,5 17 3 4 ,5 12 9051А 120 9 21 4 0 ,5 13 90 6 1 А 200 14 2 6 ,5 5 2 ,5 15 9071А 400 26 4 0 ,5 7 5 ,5 17 90 8 1 А 650 30 4 0 ,5 100 22 90 9 1 А 1200 65 66 145 27 Пьезоэлектрические датчики типа штифта могут использоваться для контроля сил резания и деформаций путем установки как снару жи, так и внутри контролируемых деталей (рис. 7.25). Такие датчики Рис. 7.25. Принципиальные схемы пьезоэлектрического датчика фирмы «Prometec» типа штифта и его установки: 1 — измерительный наконечник; 2 — пьезоэлектрический преобразователь; 3 — устройство для закрепления - 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 241 имеют весьма малые габариты (диаметр 9... 10 мм) и достаточно высо кую чувствительность (минимальное поперечное сечение стружки до 0,3 мм2). В большинстве случаев устройства для контроля сил резания и крутящих моментов сориентированы на выявление момента ката строфического износа. В зависимости от уровня электронной под держ ки можно контролировать как статическую составляющую силы (рис. 7.26), так и совместно статическую и динамическую, воз никающие в результате колебательных процессов в зоне резания (рис. 7.27). Рис. 7.26, Выявление катастрофического износа [2]: • изменение уровня сил по мере изнашивания режущего лезвия; б — изменение уровня сил после скола режущего лезвия Рис. 7.27. Выявление катастрофического износа с учетом динамической составляющей силы резания [2]: а — принципиальная схема; б — случай превышения верхней границы (малое дополнительное время на срабатывание); в — случай резкого уменьшения силы (большое дополнительное время на срабатывание) Новейшие тенденции в развитии устройств контроля сил реза ния — появление так называемых «интеллигентных» датчиков, передача первичных сигналов без проводов, использование новых методов измерения, создание датчиков для регистрации наряду с си лой резания других характеристик процесса резания. 242 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах На рис. 7.28 показан пример конструкции «интеллигентного» датчика, встроенного в инструментальную оправку для крепления сверл и метчиков. Она включает комплект тензометрических датчи ков, первичный усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразова тель и микропроцессор, которые размещены в корпусе оправки. В ком плект входят также радиопередатчик и приемник сигналов. Такое устройство может контролировать крутящий момент или осевую силу. а б Рис. 7.28. Схемы датчика, вмонтированного в инструментальную оправку (а) фирмы «Sandvik Coromant» и «интеллигентного датчика» (б): 1,4 — устройство для передачи первичных сигналов без проводов; 2 — устройство с аналого-цифровым преобразователем для первичной обработки сигнала; 3 — тензометрический элемент; 5 — оправка; 6 — режущий инструмент На рис. 7.29 показан датчик для контроля крутящего момента при сверлении, принцип действия которого основан на использова ния вихревых токов. Датчик расположен вне инструментальной оп равки и не снижает ее жесткости. Магнитострикционный датчик для измерения крутящего момента (рис. 7.30) также не изменяет жесткости исследуемой конструкции. Длинные и тонкие металлические пленки, обладающие хорошими ферромагнитными свойствами, располагаются слоями в противопо ложных направлениях на периферии цилиндрической поверхности инструментальной оправки под углом 45°. Наружные индукцион ные катушки наводят в пленках магнитное поле. Деформации оп равки под действием крутящего момента приводят к изменениям магнитной проницаемости пленок, что, в свою очередь, изменяет силу тока индуктивности в катушках. Такие датчики могут исполь зоваться во вращающихся инструментах типа торцовых фрез, а так ж е встраиваться в шпиндельные узлы станков. 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 243 Рис. 7.29. Схема датчика крутящего момента для диагностики сверл [9]: а — расположение катушек; б — функциональная блок-схема; 1 — датчик; 2 — усилитель; 3 — генератор первичных сигналов; 4 — задатчик фазового смещения; 5 — блок сравнения фазовых смещений; 6 — блок управления; 7 — воздушный зазор Рис. 7.30. Принципиальная схема магнитострикционного датчика для измерения крутящего момента [10]: 1 — хвостовик инструмента; 2,3 — катушки; 4 — режущее лезвие Комбинированные датчики имеют более широкие технологические возможности и характеризуются надежностью работы. Так, датчик, показанный на рис. 7.31, позволяет одновременно контролировать уровень сил резания и акустическую эмиссию. 244 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах Рис. 7.31. Схема датчика для одновременного измерения силы резания и акустической эмиссии [11]: 1 — пьезоэлемент для измерения сил; 2 — пьезоэлемент для измерения акустической эмиссии; 3 — мембрана Устройства, основанные на контроле уровня колебаний. Извест но, что в процессе резания генерируются колебания различных час тот и амплитуд (рис. 7.32), которые в значительной степени зависят от состояния режущ их лезвий. Рис. 7.32. Распространение звуковых волн в ходе обработки детали [1]: 1 — режущее лезвие инструмента; 2 — корпус инструмента; 3 — револьверная головка; 4 — система передачи сигнала от датчика; 5 — сигнал датчика Колебания в диапазоне звуковых и околозвуковых частот регист рируются с помощью датчиков ускорения (как правило, пьезоэлек трических). Пример конструктивного исполнения такого датчика 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 245 показан на рис. 7.33. Исследования показывают, что по мере затуп ления инструмента возрастает энергия (амплитуда) высокочастот ных колебаний (рис. 7.34). Объектом контроля в этом случае служит соотношение энергий высоко- и низкочастотных колебаний, опреде ляемое путем измерения интенсивности колебаний или звукового давления в определенном диапазоне частот. Рис. 7.33. Схема пьезоэлектрического датчика для контроля колебаний [11]: 1 — корпус; 2 — кольцо из пьезокерамики; 3 — гравитационная масса; 4 — плоская пружина; б — пластиковая защитная оболочка; 6 — отверстие для крепления; 7 — кабель Рис. 7.34. Характер колебаний при точении острым (внизу) и затупленным (вверху) резцом [2] При принятии решения об использовании колебаний для контроля работоспособности инструмента следует учитывать, что в ряде случаев на изменения спектра звуковых и прочих видов колебаний существен ное влияние оказывают непосредственно изменения режимов резания. 246 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах В этом случае необходимо сначала выделить составляющую ампли туды, генерируемую в результате изменения режима резания, а за тем идентифицировать оставшуюся часть сигнала. Практика показывает, что более достоверную информацию обес печивает измерение не непосредственно амплитуд колебаний, а соот ношений амплитуд в том или ином направлении действия сил по мере изнашивания инструмента. Установлено, что такие соотноше ния в значительной степени зависят от направления действия сил ре зания (рис. 7.35). Рис. 7.35. Соотношения абсолютных (а, б) и относительных (в, г) значений амплитуды колебаний в различных направлениях в зависимости от износа резца [7]: а, б — v « 90 м/мин; в, г — о = 120 м/мин; /« 7 2 0 0 Гц Устройства, основанные на измерении акустической эмиссии. Под акуст ической эмиссией понимают процесс расхождения волн, возникающих в результате освобождения энергии упругости мате риала при его деформации, разрушении или структурно-фазовых превращениях. На рис. 7.36 схематично показаны источники аку стической эмиссии, действующие в процессе резания. К ним следует добавить зоны износа инструмента, образования выкрашиваний и сколов, а также все прочие зоны, в которых возможно выделение механической (коробки скоростей подач, ходовые винты) и^и элек тромагнитной (реле, контакторы) энергии. 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 247 Рис. 7.36. Источники возникновения акустической эмиссии в процессе резания [12]: 1 — микротрещины в обрабатываемом материале; 2 ,3 ,6 — трение; 3,4 — пласти ческие деформации и разрушение; 5 ,6 — ломание стружки и ее контактирование с другими поверхностями Акустическая эмиссия расходится в материале аналогично ульт развуковым волнам, подвергаясь отражениям и всевозможным из менениям. Поэтому для использования такого сигнала необходима тщательная электронная поддержка, фильтрация и т.д. Встречают ся два основных типа сигналов: 1 ) постоянный с малой амплитудой, генерированный в результате пластических деформаций материала и трения на контактных площадках; 2 ) импульсный значительной амплитуды, связанный с образованием микротрещин в инструмен те, стружке и поверхностном слое детали. Сигналы первого типа ха рактерны для обработки материалов, дающих сливную стружку; их амплитуда возрастает при возрастании износа задней поверхности инструмента и скорости резания. Сигналы второго типа характерны для обработки хрупких материалов; в этом случае импульс, возник ший в результате скола элемента стружки, накладывается на сигнал первого типа, генерируемый в результате процессов трения и изна шивания. Для регистрации сигналов могут использоваться пьезоэлектри ческие датчики (см. рис. 7.31), пленочные датчики (рис. 7.37) и др. 248 7. Налзор и диагностика в гибких производственных системах Рис. 7.37. Схема пленочного датчика для контроля акустической эмиссии [13]: 1 — режущая пластина; 2 — оправка; 3 — изоляция; 4 — пленочный датчик; 5 — опорная пластина Устройства, основанные на измерении температуры и термоЭДС. В качестве контролируемых параметров можно использовать: □ температуру сходящей стружки, измеряемую с помощью опти ко-электронного устройства, которое сфокусировано на зону струж- кообразования; а смещение верхней границы скоростей наростообразования; в данном случае используется явление резкого изменения полной ЭДС резания при исчезновении нароста (рис. 7.38); □ термоЭДС, которая регистрируется с помощью естественной термопары; □ изменение электрического сопротивления цепи, в которую вхо дит режущий инструмент. * Рис. 7.38. Зависимость термоЭДС от Рис. 7,39. Схема контроля износа по скорости резания (он — верхняя гра- изменению сопротивления электри- ница зоны наростообразования) ческой цепи |