Файл: Адаптивное управление металлорежущими станками..pdf

или другого материала, на которой с «помощью эпитексивльной технологии выполнены полупроводниковые тензорезисторы, соеди­ ненные по требуемой схеме (мост, полумост). На элементе имеется также разводка с металлическими контактными площадками для соединения с электрической схемой с помощью пайки. Применение таких элементов устраняет необходимость приклейки и позволяет получить мощный выходной сигнал без специальных усилителей. В настоящее время такие элементы находятся в стадий эксперимен­ тальной проверки.

Индуктивные преобразователи [42] представляют собой дрос­ сель с изменяющимся зазором, который зависит от величины де­ формации чувствительного элемента под действием измеряемой нагрузки. Преобразователи этого типа имеют высокую чувстви­ тельность и могут регистрировать перемещения, равные долям микрона. Известны контактные и бесконтактные исполнения датчи­ ков. Они могут обеспечивать высокое быстродействие, которое оп­ ределяется в основном частотой питающего напряжения. Недостат­ ками их являются сравнительно большие габариты, высокая чувст­ вительность к изменению внешних условий, а также необходимость установки в ряде случаев специальной усилительной аппаратуры.

Магнитоупругие преобразователи используют эффект изменения магнитной проницаемости в ферромагнитных материалах под воз­ действием механических усилий и напряжений. Этот тип преобра­ зователей известен сравнительно давно, однако из-за малой изу­ ченности они имеют ограниченное применение. Магнитоупругие преобразователи используются для измерения сил и моментов и имеют контактное и бесконтактное исполнение. При бесконтактном исполнении они имеют значительное преимущество при измерении крутящего момента. По имеющимся данным [44], магнитоупругие преобразователи обладают высокой чувствительностью, величина которой близка к аналогичному показателю для полупроводнико­ вых тензорезисторов. Другим достоинством этих преобразователей является возможность получения мощного выхода сигнала—5—6 в и более на нагрузку 20 ком.

Быстродействие магнитоупругих преобразователей определяется частотой питающего напряжения, которое должно в 5—10 раз пре­ вышать частоту исследуемого процесса. Повышение частоты пита­ ния позволяет повысить чувствительность датчика, но оно ограни­ чено магнитным насыщением материала чувствительного элемента. В качестве материала чувствительного элемента могут применять­ ся обычные конструкционные стали, используемые в станкострое­ нии (например, сталь 20Х, 40Х, Э8ХМЮА, 3X13), но со специаль­ ной термообработкой.

При использовании названных материалов частота питания ог­ раничена величиной 2—3 кгц. Применение специальных материа­ лов, например пермаллоя или спецсплавов, позволяет повысить частоту до 10—20 кгц. От режима питания в значительной степени зависят линейность и гистерезис датчика, что особенно существен­

но при измерении малых механических напряжений в узлах и механизмах станков. Последние проектируются, как известно, ис­ ходя из условия обеспечения высокой жесткости, что определяет низкий уровень механических напряжений—примерно 1 кгс/мм2. В случае измерения крутящего момента на шпинделях станков при таких напряжениях мощность источника питания для датчика должна составлять примерно 50—150 вт в зависимости от диамет­ ра вала. Это создает некоторые трудности при использовании маг­ нитоупругих преобразователей. В связи со сравнительно неболь­ шим опытом применения этих преобразователей необходима разработка методов компенсации погрешностей, вызванных измене­ нием температуры, скоростью вращения вала при измерении момента, анизотропией чувстви­ тельного элемента и др.

Методы измерения составля­

ющих СИЛЫ резания. В зависи- Рис. 47. Схема резцедержки для изМОСТИ от принятого алгоритма мерения составляющих силы резания

адаптивной системы и вида об­ работки требуется определение либо всех, либо некоторых состав­

ляющих силы резания. В связи с трудностями, возникающими при измерениях (особенно при размещении измерительного устройства), в большинстве случаев ограничиваются измерением одной — макси­ мум двух составляющих. Наиболее высокая точность измерений может быть достигнута при измерениях в непосредственной близо­ сти от зоны резания, т. е. ів узлах крепления инструмента или де­ тали.

В станках токарной группы измерение обычно осуществляется на резцедержке, так как в случае измерения на шпиндельном узле необходима дополнительная информация о плече, на котором про­ изводится обработка. Во фрезерных станках, где инструмент, за­ крепленный в шпинделе, имеет постоянный или очень мало изме­ няющийся вылет, измерение может производиться как на шпинде­ ле, так и в 'приспособлении для крепления детали.

Устройство для измерения составляющих силы резания на рез­ цедержке токарного* станка и приспособлении для крепления дета­ ли на фрезерном станке имеют одинаковую конструкцию (рис. 47). Устройство состоит из люльки, в которой крепится инструмент или деталь, и корпуса, закрепленного на суппорте или столе станка. Люлька установлена в корпусе на упругих чувствительных элемен­ тах с измерительными преобразователями, количество и распо­ ложение которых зависят от числа измеряемых составляющих и способа силового замыкания. Независимо, от количества измеряе­ мых составляющих и места установки динамометра общими для таких конструкций являются следующие требования [51]:

жесткость упругой системы измерительного устройства не дол­ жна вносить заметного изменения в баланс упругих перемещений системы СПИД, т. е. она должна быть не менее чем на порядок выше жесткости наиболее податливых элементов этой системы;

величина осциллирующей массы измерительного устройства должна быть по возможности минимальной, что при высокой жест­ кости обеспечивает высокую собственную частоту устройства и, соответственно, расширяет рабочий диапазон измеряемых частот; конструктивное исполнение устройства должно обеспечивать минимальное влияние составляющих сил резания на результаты

измерения каждой из них; конструкция должна обеспечивать возможность использования

устройства для всех видов работ, производимых на станке, т. е. обеспечивать минимальное влияние координаты приложения силы резания, типа инструмента и пр.

Выполнение этих условий обеспечивает сохранение точности, производительности, а также некоторых других характеристик (на­ пример, универсальности) станка, оснащаемого адаптивной систе­ мой управления.

Назначение высоких требований по жесткости измерительных устройств в значительной степени связано с тем, что разработка адаптивных систем ведется при сохранении традиционной компо­ новки металлорежущих станков.

Сложность выполнения указанных требований при измерении всех составляющих силы резания привела к тому, что известные конструкции (например, резцедержка УДМ, разработанная во ВНИИ (45]) могут применяться только для лабораторных исследо­ ваний, хотя принципиально при более чувствительных преобразо­ вателях их можно'использовать и для систем адаптивного управ­ ления.

Для фрезерного станка с адаптивным управлением в ЭНИМСе разработан [60] накладной динамометрический столик для крепле­ ния обрабатываемой детали, который используется для измерения двух составляющих силы резания. В качестве преобразователей в этом столике использованы индуктивные датчики БВ-844 контакт­ ного типа. Столик обеспечивает измерение сил в направлениях осей X и У (в плоскости стола) и может быть использован при обработке изделий инструментом сравнительно малой жесткости, например, пальцевой фрезой малого диаметра. В этом случае срав­ нительно невысокая жесткость столика в направлении сил резания, равная ~ 16,6 кгс/мкм, при собственной частоте 250 гц не оказы­ вает заметного влияния на процесс резания. В связи с отсутствием данных по применению столика при более интенсивных режимах резания сложно оценить перспективы его применения. Можно, од­ нако, отметить, что применение подобного столика при фрезерной обработке ограничивает номенклатуру и размеры обрабатываемых деталей и, следовательно, снижает универсальность станка. Поэто­

му при фрезерной обработке более перспективным является изме­ рение составляющих силы резания на шпинделе станка.

В токарных станках с адаптивным управлением измерение тан­ генциальной составляющей силы резания получило, широкое рас­ пространение. Некоторые трудности при этом методе измерения возникают при размещении измерительных преобразователей в станках с использованием револьверных головок на несколько ин­ струментов. Один из путей конструктивного решения этой задачи (рис. 48) предложен в ГДР [54]. Концентрично с валом 6 поворот­ ной револьверной головки 2 расположен диск 3 с отверстием, в ко­ тором находится измерительный стержень 5. Измеряемая сила Pz на инструменте 1 деформирует стержень и передает усилие на мессдозу измерительного преобразователя 4, работающего на основе

Рис. 48. Схема револьверной головки с одним или несколькими инструментами с устройством для измерения силы Pz

магнитоупругого эффекта. В данной конструкции один измеритель­ ный стержень обслуживает все инструменты, которые могут быть расположены в головке. В этой же работе описана схема револь­ верной головки, в которой каждому инструменту соответствует свой стержень. Стержни поочередно входят в контакт с мессдозой измерительного преобразователя. Применительно^ к таким конст­ рукциям разработана гамма магнитоупругих преобразователей [58]. Конструкция датчика показана на рис. 49. Чувствительный эле­ м ент-корпус 1 — выполнен из магнитоулругого материала, же­ лезо-алюминиевого сплава с модулем упругости 2 • 10® кгс/см2. В канавку корпуса заложена обмотка 2. Сверху датчик через шайбу из бронзы 3 закрыт крышкой 4, к которой прикладывается изме­ ряемое усилие Р. В этой конструкции сопротивление измеритель­ ной катушки изменяется при изменении магнитной проницаемости во внутренней и наружной части корпуса, что увеличивает чувст­ вительность. Бронзовая шайба в верхней части датчика действует как воздушный зазор, устраняя значительную часть эффектов,

приводящих к нелинейности. Выпускается гамма датчиков на на­ грузки 160—6300 кгс. Высота датчиков всех типоразмеров равна 8 мм. Диаметр датчика зависит от величины нагрузки и выбирает­ ся так, чтобы при максимальной измеряемой нагрузке напряжение в чувствительном элементе не превышало 8 кгс/мм2. Диаметры датчиков d в зависимости от номинальной нагрузки Рном приведе­ ны ниже.

Рис. 49. Датчик силы с магннтоупругим преобразователем

Для датчиков указанных размеров деформация при номиналь­ ной нагрузке независимо от ее абсолютной величины не превыша­ ет 4 мкм, что позволяет обеспечить жесткость от 40 до 1600 кгс/мкм (меньшие значения относятся к меньшим номинальным нагрузкам) без учета жесткости стыков, которые неизбежны при встройке дат­ чика. Описываемые магнитоупругие датчики имеют коэффициент чувствительности~400, нелинейность составляет 5%, гистерезис меньше 1%. Разрешающая способность датчика равна ±1% при измерении на уровне Рпом; ±2,5% при измерении на уровне 5% Рном и ±5% на уровне 0,5% Рном- (Питание датчика осуществляет­ ся переменным током с частотой 20 кгц. Выходной сигнал после усилителя равен 1,5 в при максимальной нагрузке.

Простое по конструкции устройство разработано фирмой Ben­ dix. Четыре болта крепят основание револьверной головки к суп­ порту станка. Каждый болт оснащен тензорезиеторами (тип тензорезистора не указан), которые измеряют осевое усилие, действу­ ющее на него. Датчики соединены по мостовой схеме, питание ко­ торой осуществляется переменным током с частотой 3 кгц. Сигнал от датчиков усиливается и преобразуется, обеспечивая на выходе напряжение постоянного тока, пропорциональное тангенциальной составляющей силы резания; измеряемой силе, равной 2260 кгс, соответствует выходное напряжение 10 в. Погрешность измерения, учитывающая нелинейность и случайные отклонения, составляет 0,1% максимальной нагрузки. Выходной сигнал датчика ко­