Патент на изобретение №2185949
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ШЛИФОВАНИИ
(57) Реферат: (57) Изобретение относится к станкостроительной промышленности и касается способов и устройств оптического контроля вибраций технологической системы станок – приспособление – инструмент – деталь при механической обработке, в частности при шлифовании. Технический результат – повышение стабильности измерения и чувствительности аппаратуры. Способ измерения вибраций технологической системы при шлифовании включает измерение высокочастотных колебаний и заключается в том, что формируют с помощью излучателя в виде лазерного диода лазерный луч, фокусируют его с помощью линзовой фокусирующей системы и направляют на полированную зеркальную поверхность шейки шпинделя. Воспринимают отраженный лазерный луч светочувствительной матрицей, состоящей из фотодиодов, усиливают электрические сигналы с фотодиодов и преобразуют их в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, корректируют полученные сигналы и подают их на прибор регистрации. 3 ил. Изобретение относится к станкостроительной промышленности и касается способов и устройств оптического контроля вибраций технологической системы станок – приспособление – инструмент – деталь при механической обработке, в частности при шлифовании. Известен способ контроля вибраций технологической системы станок – приспособление – инструмент – деталь при механической обработке с помощью электронного индикатора ЭИ-1 с сейсмическим датчиком, входящим в комплект прибора, который устанавливается на неподвижных и невращающихся частях технологической системы, например на шлифовальной бабке станка [1]. Недостатками известного способа являются низкая стабильность измерения вибраций, невозможность измерения вибраций вращающихся и перемещающихся частей технологической системы станка, обязательная юстировка и настройка прибора, требующая больших затрат времени, значительные габаритные размеры и невозможность вывода измеряемых параметров на персональный компьютер. Известен способ измерения вибраций технологической системы с помощью виброаппарата “Br  el Kjaer” (Дания) типа 2511 с датчиком типа 4370 и трехоктавным фильтром типа 1621, который устанавливается на невращающихся и неподвижных частях технологической системы, например на шлифовальной бабке шлифовального станка [2].
Недостатками известного способа и прибора являются обязательный контакт датчика виброаппарата с контролируемым узлом, т.е. невозможность измерения вибраций вращающихся и перемещающихся частей технологической системы, значительные габаритные размеры, невозможность вывода результатов измерения на регистрирующий прибор и персональный компьютер.
Известен способ измерения вибраций на шлифовальном станке [3], включающий измерение высокочастотных колебаний технологической системы при шлифовании [а. с. SU 206346, кл. В 24 В 49/10, 1967].
Недостатками известного способа являются низкая стабильность измерения вибраций, обязательная юстировка и настройка прибора, требующая больших затрат времени, значительные габаритные размеры и невозможность вывода измеряемых параметров на персональный компьютер.
Задачей изобретения является повышение стабильности измерения и чувствительности виброаппаратуры, уменьшение времени юстировки и настройки, возможность бесконтактного измерения вибраций вращающихся и перемещающихся частей технологической системы, малое потребление энергии, компактность и миниатюрность виброаппаратуры, возможность вывода результатов измерения на персональный компьютер.
Поставленная задача решается предлагаемым способом измерения вибраций технологической системы при шлифовании, включающий измерение высокочастотных колебаний, при этом формируют с помощью излучателя в виде лазерного диода лазерный луч, фокусируют его с помощью линзовой фокусирующей системы и направляют на полированную зеркальную поверхность шейки шпинделя, воспринимают отраженный лазерный луч светочувствительной матрицей, состоящей из фотодиодов, усиливают электрические сигналы с фотодиодов и преобразуют их в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, корректируют полученные сигналы и подают их на прибор регистрации.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами применительно к шлифованию периферией круга с аксиально-смещенным режущим слоем.
На фиг. 1 показана конструктивно-компоновочная схема измерения вибраций предлагаемым способом применительно к шлифованию периферией круга с аксиально-смещенным режущим слоем, вид с торца по А на фиг.2; на фиг.2 – вид сбоку; фиг.3 – блок-схема устройства, работающего по предлагаемому способу измерения вибраций технологической системы.
Способ измерения вибраций технологической системы станок – приспособление – инструмент – деталь осуществляется с помощью специального устройства и относится к оптическому измерению состояния узлов машин и деталей. Основой предлагаемой оптической измерительной системы являются полупроводниковый твердотельный лазер 1 (фиг.1), например, ALGaAs с длиной волны от 640 до 780 н , а также высокочувствительные диодные матрицы 2, например, типа ПЗС (приборы с зарядовой связью), выполненные в технике CCD (change coupled devices). Объединенные в общую систему твердотельный лазер 1 и высокочувствительные диодные матрицы 2 представляют собой бесконтактный датчик регистрирующий вибрации с амплитудой от 0,01 мм, гарантируя высокую точность измерения.
Помимо твердотельного лазерного диода 1 и светочувствительной матрицы ПЗС 2 датчик в своем составе имеет линзовую фокусирующую систему 3, которая фокусирует лазерный луч 4 до диаметра 0,1 мм в поперечном сечении. Все эти элементы датчика крепятся в корпусе 5, который позволяет регулировать угол наклона излучаемого и отраженного лазерного луча 4 в зависимости от зазора Z между корпусом датчика и контролируемой поверхностью.
Изготовленный таким образом оптический датчик 5 устанавливается на станке, на массивной не воспринимающей посторонние вибрации его части с помощью кронштейна. Оптический датчик 5 устанавливается на расстоянии Z=3 8 мм от контролируемой поверхности, представляющей собой полированную зеркальную периферийную поверхность шейки 6 (фиг.2) шпинделя 7 шлифовального станка с закрепленным шлифовальным кругом 8, например, с аксиально-смещенным режущим слоем. Энергопитание датчика 5 подводится по кабелю 9 от генератора импульсов 10 (фиг.3).
Выработанный светочувствительной матрицей ПЗС 2 сигнал усиливается, проходя через усилитель 11, преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 12 и регистрируется в модуле 13.
Измерение вибраций шлифовального круга 8 предлагаемым способом осуществляется следующим образом.
Шлифовальный круг при работе изнашивается неравномерно, появляется неуравновешенность, которая приводит к возрастанию напряжений в круге, ухудшению качества шлифованных поверхностей и появлению в них прижогов и др., обусловленные вибрациями. Таким образом, при появлении дисбаланса возникают колебания, пропорциональные величине неуравновешенной массы и шпиндель 7 с шлифовальным кругом 8 шейкой 6 начинает вибрировать.
Выработанный генератором импульсов 10 и диодом лазерного излучения 1 и прошедший линзовую фокусирующую систему 3 лазерный луч 4 направляется на вибрирующую полированную зеркальную цилиндрическую поверхность шейки 6 шпинделя 7.
В такт этим вибрациям, отраженный от зеркальной поверхности 6 луч лазера 4 описывает в пространстве определенную кривую, которая регистрируется фотодиодами светочувствительной матрицы ПЗС 2. Преобразованный фотоэлементами лазерного излучения в электрический аналоговый сигнал поступает на усилитель 11 и далее в аналого-цифровой преобразователь 12.
В преобразователе 12 аналоговый сигнал преобразуется, например, в 16 разрядный цифровой – с частотой дискретизации 44 кГц и благодаря применению системы коррекции ошибок CIRC (перекрестно-перемежающийся код Рида-Соломона) с высокой степенью точности оцениваются вибрации шлифовального круга 8. Применение мощных программных и аппаратных средств регистрации 13 (это может быть персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением или другой прибор регистрации) позволяет получить детальную картину происходящего вибрационного процесса.
Предлагаемый способ измерения вибраций может быть с успехом применен не только при шлифовании, но и для диагностики тяжелых роторов, маховиков и др. вращающихся частей в узлах машин и механизмов.
Пример. Проводилось шлифование валов из закаленной стали 40ХГНМ кругом ПП 300 40127 24А25СМ16К5 на станке мод. 3Б12. Датчик с лазерным диодом и матрицей ПЗС размещался над внешней цилиндрической зеркальной поверхностью наиболее выступающей шейки конца шпинделя шлифовального станка. Высота установки датчика – Z=5 мм. Лазерный диод располагался в корпусе датчика таким образом, что луч проходил под углом 45o к вертикали. Линзовая система фокусировала луч до размера в поперечном сечении диметром 0,1 мм. Отраженный лазерный луч, также проходящий под углом 45o к вертикали, регистрировался высокочувствительной матрицей типа ПЗС, выполненной в технике CCD и состоящей из фотодиодов размерами 1313 нм.
После 60 мин машинного времени работы круга возникали колебания, и шпиндель станка начал вибрировать. В такт этим вибрациям кривая, описываемая отраженным лазерным лучом, отражалась на регистрирующем приборе (персональном компьютере), при этом отраженный луч преобразовывался матрицей ПЗС в электрический аналоговый сигнал, усиливался усилителем и в свою очередь преобразовывался в 16 разрядный цифровой аналоговый сигнал с частотой дискретизации 44 кГц в аналого-цифровом преобразователе, в котором использовалась система коррекции ошибок CIRC (перекрестно-перемежающийся код Рида-Соломона).
При допускаемом износе круга до 50 мм на сторону, т.е. до диаметра 200 мм, средней высоте микронеровностей Ra 1 мкм, температуре, возникающей в зоне шлифования менее 800-820oС (температура, соответствующая началу структурных превращений для стали 40ХГНМ – 840-860oС) потребовалось число повторных балансировок, равное – 2.
Благодаря применению предлагаемого способа измерения вибраций технологической системы и устройства для его реализации удалось выявить, что наибольшие колебания (при шлифовании возникают автоколебания, вызываемые неуравновешенностью шпинделя, электродвигателя, ременной передачи и других частей шлифовального станка) обусловлены неуравновешенностью шлифовального круга, которая приводит к возрастанию напряжений в круге, ухудшению качества шлифованной поверхности и появлению на ней прижогов, повышенному износу круга и увеличению расхода правящих средств, преждевременному выходу из строя шпиндельного и других узлов станка.
Исключительно важное значение имеет контроль вибраций и степени уравновешенности кругов в связи с все более широким внедрением в практику скоростного и сверхскоростного шлифования.
Очевидны преимущества предлагаемого способа и устройства для измерения вибраций на основе оптических приборов, которые в последние годы широко распространяются, это:– миниатюрность и малые габаритные размеры, – малое потребление энергии, – высокая стабильность измерения, – отсутствие юстировки и минимальное время настройки, – возможность выхода через аналого-цифровые преобразователи на регистрирующие приборы с персональным компьютером, – возможность бесконтактного измерения вибраций вращающихся и перемещающихся частей технологической оснастки, – возможность создания устройств активного контроля за состоянием узлов и деталей. Источники информации 1. Паспорт электронного индикатора ЭИ-1 с сейсмическим датчиком. 2. Паспорт виброаппарата “Br el Kjaer” (Дания) типа 2511 с датчиком типа 4370 и трехоктавным фильтром типа 1621.
3. А.с. SU 206346, кл. В 24 В 49/10, 1967 – прототип.
Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 14.11.2002
Номер и год публикации бюллетеня: 18-2004
Извещение опубликовано: 27.06.2004
|
||||||||||||||||||||||||||
