9. Датчики для контроля параметров детали и инструмента

Для контроля размеров детали и параметров разрушения инструмента непосредственно в зоне обработки широкое распространение получили датчики касания (контактные датчики), обладающие универсальностью и позволяющие измерять контролируемые размеры с микронной точностью.

Такие датчики изготавливают как отечественные производители, так и ряд зарубежных фирм, среди которых наибольшее распространение получили разработки фирм ≪Renishaw≫ и ≪Marposs≫.

Датчик состоит из следующих основных узлов. В корпусе 1, закрепляемом на подвижной части станка, размещается узел 2установки (подвески) измерительного наконечника 3. Наконечник может иметь соединенные между собой стержни 4с контактными элементами 5.

Предохранительное устройство 6предотвращает поломку измерительной головки в случае большого смещения наконечника.

042

Кроме того, головка имеет узел создания измерительного усилия и ориентации 7, чувствительные элементы 8и электронную схему питания и обработки сигналов 9.

При отклонении наконечника 3в любом из указанных стрелками направлений опорный диск 2 поворачивается относительно оси, перпендикулярной оси головки, или смещается вдоль ее оси. Вместе с диском смещается связанный с ним якорь индуктивного датчика 8.

Вызванное этим изменение электрического сигнала используют для определения момента касания наконечником головки контролируемой детали.

Для получения сигнала о касании достаточно переместить наконечник на величину до 1 мкм с усилием до 0,2 Н.

Для контроля размера детали измерительную головку устанавливают или в шпинделе станка (например, обрабатывающего центра), вместо режущего инструмента, или в позиции режущего инструмента револьверной головки токарного станка с ЧПУ.

При измерении станок работает в режиме координатно-измерительной машины.

Так, для измерения расстояния между двумя поверхностями следует определить координаты точек на каждой из них и вычислить их разность.

Электрический сигнал, возникающий в момент касания, передается в систему ЧПУ для отсчета и запоминания координаты касания по кабелю, что связано с определенными сложностями.

Широкому распространению координатных измерений на станке способствовало создание датчиков касания, передающих сигналы бескабельным способом.

Применяют индуктивную и оптическую связь между измерительной головкой и приемником сигнала.

Система индуктивной связи состоит из двух модулей. Один — на измерительной головке в подвижном узле станка, например, в шпинделе, второй — устанавливается в сопряженном невращающемся узле.

В положении измерения модули находятся на расстоянии 2 мм друг от друга. Питание к измерительной головке подается через индуктивную связь. Аналогично подается сигнал касания от головки к неподвижному приемнику.

Фирмой ≪Renishaw≫ разработаны датчики с оптической системой передачи сигналов. Инфракрасные лучи обеспечивают обмен общей информацией между оптическим передатчиком датчика и оптическим приемником станка. Схема обмена информацией изображена на рис. 6.56.

Возможна передача сигнала на расстояние да 3 м. При наличии визуального контакта передатчика с приемником масляный туман, охлаждающая жидкость и дым в зоне обработки не являются препятствием для инфракрасного излучения.

Сигналы с оптического приемника через интерфейс поступают в ЧПУ станка.

043

Для определения износа резца путем измерения диаметра обработанной детали наконечник измерительной головки 1 (рис. 6.57) вводится в контакт сначала с обрабатываемой поверхностью детали, и координатах₁фиксируется в запоминающем устройстве ЧПУ.

Затем, после обработки с глубиной резания t, наконечник вводится в контакт с обработанной поверхностью.

Новая координата касания х₂будет равна х₁+ t + , где — погрешность размера, вызванная износом инструмента по задней поверхности.

По предварительно полученной зависимости hз =f ( ) с помощью ЭВМ определяют величину hз.

044

Описанные измерительные головки используют также для прямого контроля размерного износа или определения возможного разрушения инструмента.

Для этого головка 2 (см. рис. 6.57) может быть установлена на передней бабке станка. Отсчет ведется от координаты касания наконечником головки режущей кромки острого резца.

Недостатком этого метода является то, что на точность измерения может оказать влияние наличие на рабочих поверхностях инструмента нароста, образовавшегося или в самом процессе резания, или вследствие переходных процессов при выводе резца из зоны

резания.

Для выявления нароста, а также выкрашиваний режущей кромки инструмент по специальной траектории перемещается относительно наконечника измерительной головки 2, что усложняет процедуру измерения, а износ остается скрытым за наростом (см.рис. 6.57).

Для измерения размерного износа инструмента, а также малых перемещений в деталях и узлах станков, которые приходится контролировать при изучении тепловых, силовых и других повреждений рекомендуется использовать тензометрический преобразователь с упругим элементом в виде плоской пружины, нагружаемой продольной силой.

Датчик, показанный на рис. 6.58, состоит из корпуса 1, плунжера 2и двух плоских пружин 3с наклеенными тензорезисторами.

Колодки 4и 5 фиксируют положение торцов пружин в корпусе и плунжере.

045

Выводы тензорезисторов припаяны к проводам и пропущены в отверстие в корпусе. Перемещение плунжера ограничено кольцом 6 и дном корпуса 1.

В исходном положении между торцом плунжера 2 и колодкой 4обеспечен зазор

0,2 мм.

Герметичность датчика создают резиновые кольца 7 и уплотнение 8.

Для измерений на тензорезисторах спаивается полумост.

Для измерения размера детали применяют электронный датчик размера — механотрон.

Это электровакуумный прибор, в котором управление электрическими токами осуществляется механически путем перемещения электродов.

Датчик преобразует линейное перемещение непосредственно в изменения анодного тока и может работать без усилителя.

046

Принцип работы состоит в следующем. Анод 3 (рис. 6.59) перемещается в направлении к неподвижному накаленному катоду 4с помощью рычага 1, который проходит через эластичную стенку 2.

При измерении контролируемого размера расстояние изменяется, что приводит к изменению анодного тока Ia = f( ), следовательно, Iаотображает контролируемый размер.

Для измерения размеров детали и инструмента применяют методы, в которых вместо механического щупа используется световой поток.

Существуют два принципа измерения:

— световой поток отражается от поверхности измерения и регистрируется приемником;

— световой поток проектирует измеряемую часть объекта на поле приемника.

К бесконтактным методам, обеспечивающим возможность непрерывно в процессе обработки измерять размеры детали, относятся пневматические измерительные устройства, принцип работы которых заключается в следующем (рис. 6.60).

047

К измеряемой детали 1 подводят эжекторное сопло 2с отверстием небольшого диаметра.

Между деталью и торцом сопла устанавливают зазор z.

Из устройства стабилизации давления 3сжатый воздух подается в измерительную камеру 4, который через зазор zвыходит в атмосферу.

Давление в измерительной камере является функцией расхода воздуха из сопла, т. е. функцией зазора z, изменяющегося при изменении диаметра Dдетали.

Таким образом, осуществляется косвенный метод измерения размера детали.

В качестве диагностического признака состояния инструмента могут быть использованы параметры шероховатости обработанной поверхности детали.

Шероховатость постепенно возрастаетпо мере износа инструмента в стадии установившегося изнашивания и резкоповышается с начала катастрофического изнашивания.

В связи с этим диагностирование по шероховатости возможно как при технологическом,

так и при оптимальном критерии затупления.

Для контроля шероховатости рекомендуют применять оптические датчики, с помощью которых оценивают отражательную способность поверхности, зависящую от ее шероховатости.

Датчик состоит из зонда, источника света, фотодиодов и электронного блока обработки сигналов. Зонд имеет световоды, предназначенные для передачи луча от источника к измеряемой поверхности, и световоды, передающие отраженный луч к фотодиодам.

Сигнал фотодиодов, зависящий от интенсивности отраженного луча, поступает в электронный блок, который выдает среднюю на некотором участке измерения величину Ra. Созданы датчики на основе использования лазерного луча.

Отмеченные тенденции иллюстрированы следующими примерами.

Компанией ≪Куосега Industrial Ceramics Согр.≫ разработаны режущие пластинки (рис. 6.61), получившие название Sensor Tool, со встроенным датчиком повреждений пластинки, которые прогнозируют отказы, связанные с появлением износа, трещин и сколов.

048а

Датчик расположен непосредственно у режущей кромки и осуществляет мониторинг по изменению электрического сопротивления.

По мере износа сопротивление увеличивается. При поломке пластинки выдается сигнал, станок немедленно останавливается и инструмент отводится от детали.

Пластинка используется в сочетании со специальной державкой, поставляемой компанией ≪Куосега≫.

Применение разработанной пластины предотвращает брак из-за скалывания или достижения запредельного износа пластинки.

В другом варианте на заднюю поверхность сменной твердосплавной пластинки нанесена титановая пленка, являющаяся электрическим сопротивлением. Пленка расположена параллельно режущим кромкам инструмента, но изолирована от режущей пластинки.

Электрические отводы сделаны с помощью проводов, проходящих через отверстия в теле резца. Износ по задней поверхности пластинки определяют по величине изменения сопротивления пленки, часть которой срезается помере износа пластинки. Разработан специальный метод нанесения титановой пленки на поверхность пластинок.

Вместо пленки на заднюю поверхность на определенном расстоянии друг от друга в направлении развития износа наносят токопроводящие полоски.

Развитие износа hзприводит к последовательному замыканию полосок. По этому судят о величине износа.

Для диагностирования состояния токарного резца создана микросистема, включающая ряд датчиков различного назначения, установленных в непосредственной близости от зоны резания.

Сигналы от датчиков поступают в систему их обработки и анализа. В ходе исследований установлено, что наибольшая достоверность о состоянии инструмента может быть обеспечена лишь при расположении датчиков вблизи зоны стружкообразования.

На основании этого созданы миниатюрные пьезорезисторные и терморезисторные датчики.

048

На рис. 6.62,а и б показан проходной резец с закрытой и открытой стенкой, за которой помещена измерительная система, на рис. 6.62,в — элементы и узлы микроизмерительной системы:

1 — линия закрепления клеммного держателя;

2 — датчик температуры;

3 — датчики усилий, каждый из которых выполнен на пленочныхпьезорезисторах

4 — датчик колебаний;

5 — шина тестирования;

6 — системапредварительной обработки сигналов датчиков;

7 — контакты электрическихсоединений, через которые аналоговые сигналы передаютсядля обработки;

8 — накопитель информации.

Разработка конструкций инструментов-датчиков обоснована тем, что короткие каналы передачи информации из зоны резания повышают ее надежность вследствие сокращения помех, а корпус инструмента часто имеет достаточный объем для размещения в нем датчиков и преобразователей.

Для передачи информации отдатчиков, расположенных на подвижных частях технологического оборудования или инструмента, применяют, как отмечалось ранее, бескабельные, радиотелеметрические и оптические методы.

Наиболее эффективна система передачи информации с помощью инфракрасного излучения (см. рис. 6.56). Основные блоки этой системы видны на упрощенной схеме рис. 6.63.

049

Источником информации может служить какой-либо датчик: датчик касания, силы, температуры колебаний. Потребитель информации — система ЧПУ.

В качестве передающего устройства-излучателя используют светодиоды. Приемник излучения — кремниевый фотодиод.

В случае когда приемник находится вне зоны визуального контакта с датчиком, например отверстие контролируется датчиком касания, оптическая связь невозможна.

В этом случае информация | от датчика передается на радиочастоте.

Так, компания ≪Toshiba Machine≫ устанавливает на многоцелевых станках датчики касания ≪Marposs≫ с миниатюрными радиопередатчиками. Информация передается в реальном масштабе времени.

Таким образом, тенденции развития систем измерения в диагностике инструмента и процесса резания проявляются:

— в стремлении расположить датчики вблизи зоны резания, Щ частях режущего инструмента;

— в использовании в связи с этим миниатюрных первичных преобразователей;

— в применении бескабельных систем передачи информации.

Вслед за первым этапом работ, в котором выявлялись возможные изменения в состоянии инструмента, на втором этапе были изучены возможные диагностические признаки критериев состояния и отказа инструмента, рассмотрены датчики, применяемые для

измерения этих признаков как физических величин.

Однако второй этап не будет завершен, если из возможных признаков (а их у данного повреждения может быть несколько) не будет выявлен наиболее информативный.

Лекция: АЦП (сокращенный вариант)