Тензометрические подшипники

Тензометрические подшипники применяются рядом станкостроительных фирм в качестве передней опоры шпинделя токарных, фрезерных и многоцелевых станков для измерения двух или трех составляющих силы резания. Такое измерительное устройство фирмы «Promess» или аналогичное, изготовленное в НПО «Измеритель», состоит из первичного преобразователя (датчика) и электронного модуля для обработки сигнала.

Принцип измерения сил состоит в следующем. При нагружении подшипника качения силой резания в шариках и кольцах возникают деформации пропорциональные нагрузке. Величина деформации может быть определена с помощью тензометров, которые наклеиваются на поверхность специально проточенной канавки наружного кольца подшипника (рис. 5.20). В тензометры подается постоянный ток от блока питания.

В позиции А, когда шарик оказывается против тензометра, последний находится в зоне деформации; в позиции В – он располагается между двумя зонами деформаций. Изменение электрического сопротивления тензометрических датчиков электрически преобразуется в изменение напряжений.

Рис. 5.20. Изменение сигнала в тензометрическом подшипнике

Для измерения составляющих силы резания и при токарной обработке (или осевой силы при сверлении) устанавливают в комплекте два радиально-упорных подшипника, на наружные кольца каждого из которых наклеивают по четыре тензорезистора, составляющих измерительный мост.

Рис. 5.21. Передняя опора шпинделя станка с тензометрическими

Подшипниками

При измерении, например, составляющей , ее воздействие в направлении, указанном на рис. 5.22, приводит к приросту величины деформаций обоих подшипников, а вместе с этим к изменению электрических сопротивлений тензорезисторов. В результате изменяется напряжение в измерительных точках мостов.

Рис. 5.22. Точки измерения в тензометрических подшипниках

Для определения значения сил по электрическим сигналам система должна быть протарирована.

Существенный недостаток тензометрических подшипников - сложность их монтажа в шпиндельном узле станка, связанная с высокими требованиями к точности их базирования. Незначительные деформации наружного кольца при монтаже вызывают появление вредного сигнала датчиков и нарушают точность измерения силы резания.

Преимущество метода - близкое к зоне резания расположение тензометрических подшипников и непосредственная передача сил резания на измерительные элементы.

Разрешающая способность тензометрических подшипников (до нескольких Н) позволяет контролировать состояние мелкоразмерного инструмента, например, сверл диаметром до 3 мм.

Тензометрические втулки

Опоры ходовых винтов станков могут быть информативными силовыми узлами.

Ряд фирм, в частности Sandvik Сoromant Engineer, НПО «Измеритель» и другие, рекомендуют для определения изменений сил резания тензометрические втулки в качестве чувствительного элемента, встраиваемого в узлы станков. Втулки различных конструктивных вариантов устанавливаются обычно в опорах механизмов продольной и поперечной подач.

Рис. 5.23. Опора ходового винта с тензометрическими втулками:

1, 2 – тензометрические втулки, 3 – регулируемый фланец, 4 – гайка

Рис. 5.24. Тензометрическая втулка с наклеенными тензорезисторами

На рис. 5.23 показан чертеж установки тензометрических втулок в опоре винта поперечной подачи токарного станка мод. 16К20Т1, а на рис.5.24 – чертеж втулки, на поверхность которой наклеиваются тензорезисторы. Для возможности регистрации силы , направленной как по стрелке, так и в противоположном направлении, в узел опоры с предварительным натягом с помощью фланца 3 и гайки 4 устанавливаются две втулки 1 и 2. За счет мостового включения тензорезисторов обеих втулок в электрический контур, удается повысить чувствительность измерительной системы. При действии силы в направлении, отмеченном стрелкой, втулка 1 испытывает сжимающее усилие, а втулка 2 растягивающее. Вместе с втулками деформируются соответствующие тензорезисторы, изменяется их электрическое сопротивление. При противоположном направлении действия силы втулка 2 сжимается, а втулка 1 растягивается. Такая же конструкция опор используется для измерения тягового усилия продольной подачи.

Измеряемые в опорах силы и будут существенно отличаться от составляющих силы резания и . Измеряемая в опоре ходового винта F_x помимо составляющей зависит не только от постоянных, но и от изменяющихся в процессе резания параметров. Например, коэффициент трения на направляющих скольжения f может изменяться в несколько раз в зависимости от скорости подачи. На долю силы приходится до 60% от силы на винте. Поэтому не следует ожидать высокой информативности диагностического сигнала, поступающего с тензометрической опоры винта продольной подачи.

Можно ожидать большую информативность диагностического сигнала, поступающего с тензометрической опоры винта поперечной подачи. Очевидно, чем ближе установлены силовые датчики к зоне резания, тем выше должна быть их информативность.

Рис. 5.26. Зависимости от износа при точении ст. 45 резцами Т15К6:

1 – м/мин, мм/об, мм; 2 – м/мин, мм/об,

мм; 3 – м/мин, мм/об, мм

Подобные устройства могут устанавливаться в заднем центре станков

Тензометрический винт резцедержателя

В процессе резания под действием вертикальной составляющей силы резания деформируется державка токарного резца. Ее деформация передается на подвижный цилиндрический толкатель 1 тензометрического винта, показанного на рис. 5.28. Перемещение толкателя воспринимается чувствительным элементом 2, размещенным в головке винта. На внутренней поверхности элемента 2, в зоне его наибольшей деформации размещены тензорезисторы 3. Регулировочный винт 4 обеспечивает предварительный натяг узла при жестком соединении крышки 5 с корпусом винта. Гайка 6 фиксирует корпус тензометрического винта на резцедержателе станка.

Рис. 5.28. Тензометрический винт резцедержателя:

1 – толкатель; 2 – пружинный (чувствительный) элемент; 3 – тензорезисторы; 4 – регулировочный винт; 5 – крышка; 6 – гайка.

Тензометрическая проставка для револьверной головки

Тензометрическая проставка установлена между суппортом и корпусом револьверной головки токарного станка с ЧПУ (рис. 5.29).

В компенсаторной проставке 1 профрезерованы ступенчатые пазы. В пазах закрепляются упругие пластины 2 с наконечниками 3. На пластинах размещаются тензорезисторы 4. В результате получаются консольно-расположенные упругие чувствительные элементы, которые воспринимают деформации проставки под действием силы резания.

Рис.5.29. Тензометрическая проставка: 1 – проставка; 2 – упругая пластина; 3 - наконечник; 4 – тензодатчик.