Автоматизированный контроль прогиба державки режущего инструмента при токарной обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.941.08

Автоматизированный контроль прогиба державки режущего инструмента при токарной обработке

М.С. Чепчуров, А.В. Хуртасенко, И.В. Маслова

Аннотация

Описан метод контроля прогиба державки резца при токарной обработке с использованием подсистемы автоматизированного контроля вибраций и удара. Приведены теоретические основы метода контроля и описано оборудование для его реализации.

Ключевые слова: резец, прогиб, контроль, вибрация, акселерометр, КПК, автоматизированная подсистема.

Контроль прогиба державки резца при токарной обработке (при проведении экспериментальной обработки деталей, а также промышленной обработки крупногабаритных деталей) позволяет не только получить данные по усилиям резания, но и избежать аварийных ситуаций. А наличие надежного способа контроля прогиба позволяет ввести в автоматизированную систему контроля и управления станочным оборудованием специальный модуль ограничения режимов обработки по допустимому прогибу державки резца [4; 5].

В специальной литературе в качестве экспериментального способа приводится контроль величины прогиба державки резца с использованием микрометра. Но подобный способ контроля пригоден для применения только в условиях лаборатории. Достаточно проблематично преобразовать сигнал механического микрометра в электрический сигнал, пригодный для использования в системах управления. Современные датчики контроля микроперемещений очень громоздки и имеют большую стоимость, а применение некоторых высокоточных, но габаритных приборов вообще не представляется возможным.

Для определения пути поиска прибора для контроля прогиба режущего инструмента составим схему измерений (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема прогиба державки резца

Согласно схеме прогиба державки резца, одним из изменяющихся параметров является угол , определяющий отношение величины прогиба к величине вылета резца.

Возможно измерение угла прогиба и пересчет через него величины прогиба с последующей оценкой величины усилия резания.

Для идентификации угла прогиба резца возможно использование акселерометра, применяемого в подсистеме идентификации вибраций. Согласно описанию акселерометра, возможно измерение виброускорения по двум осям (в некоторых моделях - по трем). При этом по каждой оси значения ускорения изменяются от -g до +g (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При идеальной установке акселерометра на державке резца ось Y располагается строго в соответствии с направлением ускорения свободного падения. Показания на выходе прибора соответствуют +g, при этом показания по оси X равны 0. При повороте акселерометра на угол 90є показания по оси Y становятся равными 0, а по оси X - -g.

Реально установленный прибор имеет определенное смещение углов по каждой оси, равное . Если в процессе работы происходит прогиб державки резца, то угол изменяется на величину . Это отклонение (в градусах) можно определить согласно выражениям:

;

,

где U - величина текущего напряжения на выходе датчика для соответствующей оси, В; Uоп - величина опорного напряжения датчика, В; - максимальная величина измеряемого датчиком ускорения, g; g - ускорение свободного падения, м/с2.

При выполнении измерений виброускорения его величина может изменяться в широких пределах, в том числе и превышать величину g, что не будет отражать угол прогиба резца. Если рассмотреть колебания виброускорения как несущую угловую частоту изменения прогиба резца, то в этом случае изменение средней величины размаха колебаний будет показывать угол прогиба державки режущего инструмента (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменение проекции силы тяжести от 0 до 1 означает изменение угла поворота оси х прибора на величину от 0 до 90є. Использование акселерометра с диапазоном измерений 1g позволяет получить прибор для измерения угла отклонения оси прибора от нормали при закреплении его на державке резца.

Уровень выходного сигнала акселерометра составляет 5 В, ноль прибора - 2,5 В, следовательно, углу поворота оси -90є соответствует 0 В, а углу 90є - 5 В. Для определения возможности использования прибора следует провести расчеты, подтверждающие возможность достижения определенной точности измерений.

Определим максимальный угол прогиба резца (рис. 1) при максимально возможном смещении вершины резца , полученном экспериментально при обработке базовых деталей вращающихся печей (бандажи, ролики) нестационарными станочными модулями:

.

Принимаем сто шагов измерения, тогда один шаг равен 0,0109°, т.е. 90°/0,0109°=8257 шагов. Учитывая, что полученные данные обрабатываются АЦП, стоит определить его разрядность. 14-разрядный АЦП имеет 16 384 шага дискретизации, что с учетом компенсации погрешностей вполне приемлемо для выполнения измерений.

Не следует забывать о том, что обработка ведется с вибрацией, значение виброускорения при этом изменяется. Так как происходит поворот оси x в сторону - g, среднее значение виброускорения может изменяться на эту величину. Таким образом, уменьшение средней величины виброускорения на определённую величину в течение времени, превышающего максимальную длительность периода колебаний, позволяет сделать вывод о появлении прогиба державки резца.

Реализация подсистемы контроля вибраций, удара и прогиба державки резца должна осуществляться с учетом следующих условий: масса датчика должна быть несоизмеримо мала по сравнению с массой конструкции, на которую он устанавливается (по ГОСТ ИСО 2954); крепление датчика должно быть максимально жестким; также исключается наличие пыли и грязи между датчиком и прилегающей поверхностью объекта. Выполнение указанных условий особо актуально при измерениях, проводимых на металлорежущем оборудовании. Согласно ГОСТу, исключаются болтающиеся кабели для пьезоэлектрического акселерометра. Только соблюдение основных условий может гарантировать достоверность выполненных измерений.

В распоряжении авторов были два вида акселерометров различных производителей: Analog Devices и Motorola. Диапазон измерений этих приборов в зависимости от типа составляет до 2, 10 и 100g. При выполнении экспериментов по определению прогиба резца наиболее приемлемым оказался прибор с границей измерения до 2g. Для измерения удара наиболее подходящим оказался прибор с диапазоном до 100g. В любом случае датчик необходимо монтировать на конструкции оборудования, и здесь требуется соблюдение условий ГОСТа [2; 3].

Сами датчики, имеющие небольшие габариты, выполнены в пластмассовых корпусах с металлическими выводами или специальными контактными площадками диаметром не более 0,6 мм. Это создает определенные трудности при выполнении измерений, так как невозможно применение свободного кабеля или гибких проводов в качестве поводков. Но, согласно рекомендациям производителя, для передачи данных в устройство обработки сигнала кроме самого датчика требуется наличие рядом с ним пассивных элементов коррекции и присоединения. В связи с этим было принято решение поместить датчик на отдельной плате вместе с цепями коррекции и элементами присоединения. Схема подобного размещения акселерометра представлена на рис. 4.

В соответствии со схемой включения акселерометра был разработан прибор для регистрации вибраций и определения прогиба, структурная схема которого приведена на рис. 5 а. Особенностью этого прибора является использование в качестве вычислительного и регистрирующего элемента карманного персонального компьютера, что позволяет значительно уменьшить габариты контрольно-регистрирующего комплекса и затраты на его практическую реализацию.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 5 б изображен акселерометр, предназначенный для установки на измеряемом объекте.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При проведении экспериментальных замеров вибраций в ходе механической обработки были использованы разработанный прибор и специальное программное обеспечение, а сам датчик и АЦП [1] размещались в соответствии с рекомендациями ГОСТ 5348-2002.

Разработанный прибор и программное обеспечение позволяют выполнить активный контроль вибраций в технологической системе с одновременным отслеживанием величины прогиба державки резца, образуя, таким образом, специализированный модуль в подсистеме идентификации технологических параметров процесса механической обработки.

Измерение вибрации режущего инструмента реализуется тем же датчиком, что и измерение величины прогиба державки резца. Это совмещение функций датчика, ставшее возможным благодаря разработанному авторами алгоритму обработки сигнала акселерометра, снижает вероятность погрешности измерений и упрощает реализацию модуля подсистемы идентификации.

прогиб державка резец токарный

Список литературы

1. ADC0801/ADC0802/ADC0803/ADC0804/ADC0805 8-Bit мP Compatible A/D Converters / National Semiconductor Corporation. -1995.

2. ГОСТ ИСО 5347-2-97. Вибрация. Калибровка датчиков вибрации и удара. Ч. 2. Первичная калибровка акселерометров ударом с использованием баллистического метода измерений. - Введ. 1999. - 07-01. - М.: Госстандарт России : Изд-во стандартов, 1998. - 7 с.

3. ГОСТ ИСО 5348-2002. Вибрация и удар. Механическое крепление акселерометров. - Введ. 2008. - 04-01. - М.: Госстандарт России : Изд-во стандартов, 2007. - 16 с.

4. Чапка, А.М. Расчётно-проектировочные работы на программируемых микрокалькуляторах: учеб. пособие для вузов / А.М. Чапка. - М.: Машиностроение, 1988. -144 с.

5. Чепчуров, М.С. Технология ремонта крупногабаритных корпусных деталей металлургического оборудования / М.С.Чепчуров, А.А. Погонин, С.В. Старостин, А.Г. Схиртладзе // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2005. - №2. - С.20 - 22.

Размещено на Allbest.ru