Файл: Адаптивное управление металлорежущими станками..pdf

наблюдается большое разнообразие конструкций, что в основном связано с необходимостью встройки датчиков в уже существующие конструкции шпиндельных узлов. Как уже отмечалось, индуктив­ ный принцип измерения позволяет регистрировать перемещения, равные долям микрона, однако при измерении столь малых вели­ чин необходимо соблюдать специальные условия, предотвращаю­ щие влияние температурных деформаций, попадание загрязнения и пр. В обычных условиях работы шпиндельного узла измерение до­ лей микрона сопряжено (? большими трудностями и надежность измерений невысока. Вследствие этого при проектировании индук­ тивных датчиков момента конструкторы стремятся увеличить изме­ ряемые перемещения, что достигается за счет введения элемента с пониженной жесткостью, увеличения осевой базы датчиков, увели­ чения диаметра измерительных полюсов. Это приводит к снижению жесткости шпинделя и увеличению габаритов, что ограничивает область применения индуктивных преобразователей. Они приме­ няются, например, в сверлильных станках, где, по данным ряда авторов, снижение крутильной жесткости положительно влияет на процесс резания.

Индуктивный датчик момента для сверлильного станка, разра­ ботанный в ЭНИМСе [59], с бесконтактным трансформаторным токосъемом показан на рис. 55.

Между шпинделем 1 и цангой 2 инструмента 3 установлен чув­ ствительный элемент 4 в виде торсиона, который передает полный крутящий момент через втулку 5 и штифт 6 . Магнитопроводы 11 жестко соединены со шпинделем 1, а магнитопровод 7 с втулкой цанги 2. Обмотки 8 , 10, выполняющие роль трансформаторного токосъема, установлены в неподвижном корпусе головки. Магнит­ ный поток, создаваемый катушкой 8 , замыкается через магнито­ проводы 7, 9, а поток от катушки 10—через магнитопроводы 7, 11. При закручивании торсиона изменяются воздушные зазоры между полюсами магнитопроводов 7, 9 я 7, И, в результате чего изме­ няется магнитное сопротивление в цепях обмоток 8 и 1 0 , включен­ ных по дифференциальной схеме. Это приводит к появлению вы­ ходного сигнала, пропорционального крутящему моменту. Датчик имеет высокую чувствительность и надежен в работе. Режим пита­ ния может быть различным в зависимости от требований к быстро­ действию и уровню выходного сигнала.

Отмеченные выше преимущества магнитоупругих датчиков про­ являются наиболее полно в конструкциях датчиков момента, где отпадает необходимость использования специальных токосъемных устройств.

Все конструкции бесконтактных магнитоупругих датчиков кру­ тящего момента имеют две системы электромагнитных катушек: систему возбуждения, наводящую переменное магнитное поле в материале чувствительного элемента— вала, и измерительную си­ стему, регистрирующую изменение магнитного поля под действием

механических напряжений. Обе группы катушек располагают с зазором 0,2—0,5 мм относительно вала.

На рис. 56 схематично показано расположение катушек возбуж­ дения (КВ) и измерительных катушек (КН), оси магнитного по­ тока которых находятся в двух взаимно перпендикулярных плоско­ стях. Такое расположение катушек соответствует конструкции дат­ чика, разработанной в СКВ МГиОН [44]. Вектор магнитного по­ тока Фв направлен по поверхности вала в плоскости, перпендику­ лярной его оси, когда отсутствуют механические напряжения, ос­ таточные напряжения и магнитная анизотропия. При строго пер­ пендикулярном расположении измерительных катушек потокосцелление с вектором Фв отсутствует и э.д.с. на выходе будет равна 0.

Рис. 56. Схема изменения магнитных потоков, регистрируемых магнитоупругими датчиками момента, до приложения нагрузки (а) и после приложения нагруз­ ки (б)

При приложении крутящего момента за счет деформации кри­ сталлической решетки в большинстве ферромагнитных материалов увеличивается магнитная проводимость в направлении растягива­ ющих напряжений и уменьшается в направлении сжимающих. Это приводит к повороту вектора Фв на некоторый угол и появлению составляющей магнитного потока Фи, параллельной оси измери­ тельных катушек. Появляющаяся при этом выходная э.д.с. будет соответствовать приложенной механической нагрузке. Основными недостатками такой схемы измерения, обусловленными наличием в реальной конструкции остаточных механических напряжений и магнитной анизотропии, являются наличие начального. сигнала и нелинейность в области малых механических напряжений. Хотя эти недостатки и могут быть устранены введением специальной

схемы компенсации, однако это создает значительные неудобства при эксплуатации и выдвигает повышенные требования к источни­ ку питания, который должен обеспечивать строго синусоидальное напряжение. Последние требования могут быть упрощены, если компенсацию начального сигнала вести на постоянном токе, одна­ ко для этого требуется дополнительный источник стабильного по­ стоянного напряжения.

Более перспективной представляется схема датчика, разрабо­ танная в Челябинском политехническом институте [63], которая, со­ держит удвоенное число измерительных полюсов, ориентированных вдоль направлений главных касательных напряжений. На основе этой схемы в ЭНИМСе разработана конструкция датчика, пока­ занная на. рис. 57. Датчик содержит четыре полюса возбуждения, каждый из которых имеет по 250 витков (провод диаметром 0,47 мм); катушки возбуждения могут быть соединены последова­ тельно или параллельно, обеспечивая чередование полюсов. Меж­ ду каждой парой полюсов возбуждения расположено по четыре измерительных полюса, имеющих по 900 витков (провод диамет­ ром 0,17 мм). Измерительные катушки соединены между собой таким образом, что обеспечивается, раздельное суммирование э.д.с. в направлении сжимающих и растягивающих напряжений. Схема обеспечивает выпрямление выходных сигналов и их алгебраическое суммирование на постоянном токе. Сопротивление R используется для начальной установки нуля. При испытаниях датчика выходной сигнал снимался с сопротивления /?н=20 ком.

мального момента, соответствующего главным касательным напря­ жениям в чувствительном элементе 1 кгс/мм2. Из графиков видно, что интенсификация режима .питания' (увеличение тока) приводит к увеличению выходного сигнала, улучшению линейности и сни­ жению гистерезиса. При токе / в> 0,7 а наступает режим насыще­ ния, и дальнейшее повышение тока не приводит к заметному изме­ нению выходных характеристик. Очевидно режим питания, соответ­ ствующий выходу на* насыщение, является наиболее приемлемым для датчика, поскольку в этом случае резко уменьшается влияние колебаний напряжения питания на точность измерений. Потреб­ ляемая на этом режиме мощность сравнительно высока (~50— 80 вт), и создание для блока питания малогабаритного генератора синусоидального напряжения вызывает некоторые трудности. В связи с этим было предложено осуществлять питание датчика на­ пряжением прямоугольной формы (см. рис. 60). Хотя при этом по­ требляемая мощность несколько возрастает, ухудшения характери­ стик датчика не отмечено, а габариты блока питания значительно уменьшаются.

При увеличении частоты питающего напряжения, что обуслов­ лено необходимостью снижения постоянной времени, также наблю-

дается улучшение метрологических характеристик датчика и воз­ растание выходного сигнала. Однако .при частоте выше 1000— 1500 гц (см. рис. 62) этот процесс замедляется, что связано с уве­ личением потерь в железе. Названная частота является, очевидно, предельной при использовании чувствительного элемента из кон­ струкционных сталей. При необходимости повышения частоты для изготовления чувствительного элемента следует использовать спе­ циальные материалы, например пермаллой.

Были испытаны сталь 40Х, наиболее, часто используемая для изготовления шпинделей, и сталь 3X13, обладающая более высо­ кой магнитоупругой чувствительностью. Хотя сталь 40Х имеет чув­ ствительность примерно в три раза ниже, ее использование позво­ ляет производить непосредственные измерения на шпинделе. Вследствие высокой чувствительности сталь 3X13 рекомендуется для изготовления специальных чувствительных элементов. По име­ ющимся данным [44], могут быть использованы также сталь 38ХМЮА, сталь 20Х и др.

Некоторые трудности при использовании магнитоупругих датчи­ ков связаны с анизотропией материала вала (чувствительного эле­ мента), вызывающей пульсацию выходного напряжения датчика. В описываемых испытаниях амплитуда пульсаций составляла 1 — 2% от величины максимального сигнала, а частота соответствовала учетверенной (по числу полюсов возбуждения датчика) скорости вращения. Основным методом борьбы с пульсациями является со­ вершенствование термообработки и технологии механической обра­ ботки чувствительного элемента. Пульсации уменьшаются также при увеличении числа полюсов датчика.

Проведенные испытания показали, что разработанная конструк­ ция датчика момента может быть использована для измерения мо­ мента в шпиндельных узлах металлорежущих станков при точнос­ ти измерений 2—3%, с постоянной времени 0,02 сек при скоростях вращения до 1500 об/мин (для частоты питания 1000 гц).

На рис. 63 показана схема встройки датчика крутящего момен­ та в шпиндельный узел токарного станка модели 1Б732ФЗ. В кон­ струкции используются два датчика крутящего момента (в соот­ ветствии с числом приводных шестерен на шпинделе). Датчики расположены в корпусе, установленном на подшипниках качения. Это обеспечивает точное базирование датчиков относительно шпин­ деля и позволяет снизить погрешности измерений, связанные с биением последнего. Крутящий момент от приводных шестерен на шпиндель передается через чувствительный элемент из стали 3X13. Чувствительный элемент имеет различную толщину стенок со сто­ роны шестерен, передающих больший (2=74) и меньший (г = 50) крутящие моменты. Это позволяет повысить точность измерений в зоне малых крутящих моментов за счет разбиения диапазона из­ мерения на два поддиапазона. Чувствительный элемент базирует­ ся на шпинделе на подшипниках качения, что позволяет в значи­ тельной степени разгрузить его от действия изгибающих напряже-