3.5. Типовые модули встроенных средств технически

диагностики

На основе анализа конструкций ВСТД на базе револь­верной головки (см. рис. 2.5) и вращающегося центра (см. рис. 3.4) токарного станка, на базе продольного стола (см. рис. ЗЛО) фрезерного станка выделена конструктивно и функцио­нально сформулированная составная единицы — ПНП в виде шайбы различных конфигураций (торовой, лепестковой и др.). В конструкциях данных шайб имеются характерные зоны деформации (табл. 3.5), в которых размещают первичные электрические преобразователи — тензорезисторы. Унифицированной является и посадочная поверхность шайб. Все это дает основание охарактеризовать данную составную единицу ВСТД как типовой модуль.

Общие требования к шайбам как первичным неэлектрическим преобразователям, их конструктивное подобие позволяют выделить и общие операции в технологическом процессе изготовления, сборки и отладки, что значительно сокращает время и трудоемкость реализации ВСТД в целом для различных узлов станков других технологических групп. Функциональная законченность и обработанность выделенного модуля характеристиками типового модуля обладает узел в целом. К достоинствам модуля можно отнести простоту монтажа и идентичность габаритных размеров ВСТД первоначальным размерам штатного узла станка.

Основные схемы и расчетные формулы для выделенного типового модуля (упругих шайб) приведены в табл. 3.5.

3.6. Инструментальные усилители встроенных средств

технической диагностики

Преобразование выделенного первичными электрическими преобразователями (тензорезисторами) сигнала в удобный для восприятия и использования вид осуществляется вторичными электрическими преобразователями (ВЭП) — инструментальными усилителями (для электротензометрического метода преобразования — тензоусилителями).

Функционирование встроенного в станочное оборудова­ние средства технической диагностики происходит на фоне значительных помех, при этом величина электрического сигнала на выходе тензорезисторы очень мала.

Активный (размещенный в зоне деформаций ПКП) и компенсационный (размещенный в зоне отсутствия деформаций) тензорезисторы включают в электрическую цепь измерительного моста, действие которого основано на сравнении измеряемой величины с эталоном (сравнение плеч моста). О величине возникающих упругих деформаций судят по показаниям индикационного устройства инструментального усилителя, фиксирующего разбаланс моста.

Для повышения точности преобразования на входе инструментального усилителя должен присутствовать дифференциальный сигнал, представляющий собой выходное напряжение, снимаемое с мостовой схемы, а сам тензоусилитель должен иметь минимальное смещение нулевого начального уровня, большие значения коэффициента усиления (КУ) и коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС).

При выполнении инструментального усилителя на базе

M₇

S =

операционного усилителя (ОУ), имеющего большой КОСС, тщательным подбором резисторов обратной связи, а также входных резисторов добиваются усиления дифференциального сигнала и подавления синфазного. Но даже при самом тщательном подборе резисторов имеет место разброс номинальных значений их сопротивлений. Например, разброс в 0,01 % делает КОСС меньшим требуемого значения 80 дБ, а снижение номинальных сопротивлений входных резисторов приводит к шунтированию моста (увеличение же к смещению нулевого уровня).

Основные схемы и расчетные формулы для типового первичного неэлектрического преобразователя - упругих шайб Таблица 3.5.

Таблица 3.5.

ВСТД, в котором применяется преобразователь	Расчетная схема	Расчетная формула
На базе револьверной головки токарного станка (см. рис. 2.5)
На базе вращающегося центра токарного станка (см. рис. 3.4)
На базе продольного стола фрезерного станка, вариант 1(торговая шайба, см. рис. 3.10)
То же, вариант II (торговая шайба, см. рис. 3.10)
То же, вариант III (лепестковая шайба, см. рис. 3.10)

Примечание. Принятые обозначения: М - изгибающий момент в сечении ПНП; - прогиб в произвольной точке ПНП; Р- текущий угол; - радиус кривизны; Р - приложенная сила; Е - модуль упругости; J - момент инерции; С₁, С₂ - постоянные интегрирования; М₁ М₁₁ - изгибающие моменты в сечениях ПНП на участках I и II; у - прогиб в точке приложения силы; - полное перемещение точки приложения силы; а - текущий угол; - фиксированный угол; z - текущее расстояние.

Инструментальный усилитель, принципиальная схема которого показана на рис. 3.13, а, представляет собой дифференциальный усилитель постоянного тока, обладающий высоким входным сопротивлением, обеспечиваемым входным каскадом усилителя, собранным на сдвоенном ОУ DA1. Необходимость в большом входном сопротивлении возникает при подключении усилителя к низкоомному генератору ЭДС — тензорезисторы. Усилитель обладает также большими КУ и КОСС. Применение во входном каскаде сдвоенного ОУ обеспечивает частичную компенсацию смещения уровня напряжения, вызванного нестабильностью температурного режима месте размещения тензорезисторов. Его дифференциальный вход представляет собой сигнал с единственно уменьшенной синфазной составляющей и используется для возбуждения схемы обычного дифференциального усилителя с КУ=1. Таким образом, решается задача получения однополюсного выходного сигнала и подавляется остаточный синфазный сигнал. При применении такой схемы инструментального усилителя отпадает также необходимость в обеспечении большого КОСС у выходного ОУ. Не требуется также прецизионный подбор резисторов R9—R12.

Рис. 3.13. Инструментальные усилители встроенных средств технической диагностики (цифры на рис. 3.13, а — входы операционных усилителей)

Для сравнения: при КУ>>1 для получения большого значения КОСС необходим тщательный подбор резисторов (с погрешностью менее 0,01 %)

В качестве активного R2 и компенсационного R3 тензо-резисторов использованы малобазные полупроводниковые тензометры типов КТД 2А, КТЭ 2Б. Для балансировки моста служит потенциометр R5.

Большие значения КУ и КОСС, простота схемы, малые монтажные размеры и другие достоинства инструментального усилителя предполагают широкое его применение в электротензометрических приборах.

Однако в процессе эксплуатации температурная нестабильность полупроводниковых тензометров, крайне чувствительных к изменениям температуры окружающей среды, приводит к погрешности преобразования измерительного сигнала.

Инструментальный усилитель, принципиальная схема которого дана на рис. 3.13, б, применим для измерения деформаций деталей в условиях значительного изменения температуры окружающей среды. Измерительная диагональ тензомоста 1 с активным 3 и компенсационным 2 тензорезисторами подсоединена к усилителю 8 сигналов рассогласования тензомоста. Тензорезисторы 6 и 7, дополняющие схему до полного тензомоста, размещены на плате усилителя 8. В качестве тер­мочувствительного элемента использованы чувствительные к изменению температуры и соединенные последовательно два полупроводниковых тензорезистора 4. Тензорезисторы 3 и 2 размещены на наружной и внутренней поверхностях детали 14 (рис. 3.13, в) в зонах действия упругих деформаций, а тензорезисторы 4 — на тех же поверхностях, но в зонах отсутствия деформаций (поперек изгибаемых волокон детали на незначительном расстоянии). Над тензорезисторами 3 и 2 и тензорезисторами 4 термочувствительного элемента расположены проволочные тензорезисторы 5, выполняющие роль подогревателя. Выход усилителя сигналов связан с блоком индикации 9. В состав тензопреобразователя входят также терморезисторный мост 10, выход которого через усилитель 11 связан с подогревателем 5. Питание всех элементов тензопреобразователя осуществляется от блока питания 13 через стабилизатор тока 12.

В процессе наладки при помощи регулятора тока устанавливается рабочий ток, протекающий через нагревательные элементы 5, причем сила этого тока устанавливается большей паспортного значения, в результате чего происходит разогрев зоны размещения тензорезисторов 3, 2 и 4. При деформировании детали 14, происходящем под действием внешней нагружающей силы, изменяется сопротивление тензорезисторов 3 и 2, происходит разбаланс моста 1 и на выходе усилителя появляется сигнал рассогласования, регистрируемый блоком индикаций.

Изменение температуры окружающей среды в месте размещения тензорезисторов 3 и 2 приводит к изменению их сопротивлений Одновременно изменяется и сопротивление полупроводниковых тензорезисторов 4, в результате чего на выходе терморезисторною моста 10 появляется сигнал рассогласования, преобразуемый усилителем 11 и приводящий к изменению силы тока, протекающего через подогреватель 5: при повышении температуры в месте размещения тензорезисторов 3 и 2 сила тока через подогреватель 5 уменьшается, и происходит его остывание; при понижении температуры сила тока через подогреватель увеличивается и происходит его нагрев. Таким образом, достигается стабилизации температурного режима, независимо от уровня измеряемого сигнала, а за счет размещения термочувствительного элемента и подогревателя в непосредственной близости от места расположении рабочих тензорезисторов обеспечивается высокая плотность монтажа. Применение в тензоусилителе полупроводниковых тензорезисторов, включенных в мостовую схему, обеспечивает высокую чувствительность, а проволочных тензорезисторов в качестве подогревателя — высокое быстродействие при термокомпенсации, что также повышает точность тензопреобразователя.

3.7. Диагностические признаки и принимаемые решения

Для заполнения библиотеки установок (см. рис. 2.7) ее содержимым значениями эталонных сигналов, соответствующих различным состояниям функционируемых узлов станка (например, работоспособному с нахождением значений выходных параметров в допустимых техническими требованиями пределах, предельно допустимому работоспособному, предаварийному и катастрофическому) на этапе обучения системы диагностики необходимо выделить типовые зависимости изменения диагностируемого параметра во времени при различных дефектах - эталонные осциллограммы. Для регистрации изменения внешней нагружающей силы (силы резания) применялись универсальный динамометр типа УДМ и комплект тензометрической аппаратуры ТА-5, а для записи сигнала -светолучевые осциллографы моделей HI 15, HI 17. Перед записью эталонных осциллограмм тщательно выверены исходные условия: измерены геометрические параметры инструмента (предполагается работа неизношенным сборным резцом сменными неперетачиваемыми режущими пластинами) и геометрические размеры и формы заготовок; точно установлены выбранные режимы резания; проверены взаимное положение режущих кромок инструмента и детали, а также положение их относительно баз станка.

Кривая изменения результирующей силы резания и ее составляющих во времени имеет три характерные зоны (см. рис. 2.4, а). Оперируя закономерным изменением диагностируемого параметра внутри каждой из зон, можно (применительно к станку токарной группы) выделить при различных видах дефектов следующие эталонные осциллограммы.

Перед началом процесса резания может произойти непредвиденное наезжание подвижного узла станка, например каретки суппорта или любой из размещенных на ней деталей, на препятствия (заднюю бабку, заготовку, патрон станка). Резко возрастающая при этом сила резания за короткое время (5-12 мс) превышает максимальный, предельно допустимый уро­вень изменения диагностируемого параметра - поз. 1 на рис. 3.14, а.

В противоположность этому, при отсутствии в зоне резания одного из компонентов (инструмента или заготовки) значения выходного сигнала находятся ниже минимально допустимого уровня - поз. 6 на рис. 3.14, а. При этом средняя величина регистрируемого сигнала соответствует уровню начального деформированного состояния первичного неэлектрического преобразователя ВСТД.

В зоне приработки (зона 1 на рис. 2.4) погрешность установки инструмента в горизонтальной плоскости отражается на главном угле в плане и также приводит к изменению диагностируемого параметра. Так, при неизменных значениях режимов резания увеличение приводит к уменьшению отклонения b/а (b и а- ширина и толщина срезаемого слоя) и соответственно к уменьшению результирующей силы резания и всех ее составляющих -поз. 5 на рис. 3.14, а. Наоборот, уменьшение приводит к увеличению силы резания -поз. 2 на рис. 3.14, а. Погрешность углового позиционирования поворотной инструментальной планшайбы револьверной головки приводит к изменению положения вершины резца в вертикальной плоскости, что отражается на его переднем угле . Уменьшение по сравнению с исходным настроечным значением приводит к увеличению коэффициента усадки стружки и соответственно к увеличению работы стружкообразования, в результате чего сила резания возрастает - поз. 3 на рис. 3.14, а. Увеличение приводит к. обратному влиянию на силу резания -поз. 4 на рис. 3.14, а.

Отклонения выбранных по технологическому процессу значений режимов резания - глубины t и подачи S - также вызывают пропорциональные изменения силы резания. На скорость этого изменения большое влияние оказывают знаки приращения t и S, а также глубина резания.

В зоне II (см. рис. 2.4), характеризуемой незначительным приращением силы резания, можно идентифицировать характер развития износа режущих кромок инструмента во времени. Так, при преимущественном изнашивании инструмента только по его задней грани наблюдается непрерывное, значительное по скорости возрастание хилы резания — поз. 9, рис. 3.14, б. При одновременном, примерно одинаковой интенсивности изнашивании по передней и задней граням инструмента на протяжении длительного интервала времени составляющие силы резания неизменны (возможен даже незначительный их спад), после чего заметен прирост силы резания, но с меньшей, чем в предыдущем случае, скоростью нарастания - поз. 10,

Характерна закономерность изменения диагностируемого параметра при микровыкрашивании режущих кромок резца

Рис. 3.14. Эталонные осциллограммы изменения силы резания при различных дефектах'

(поз. 8), а также при поломке резца (поз. 7). И если при поломке инструмента сколовшаяся часть - продукт разрушения инструментального материала - под действием давления сходящей стружки и сил резания заклинивается между инструментом и деталью, то при микровыкрашивании мелкие частицы уносятся вместе со сходящей стружкой. В результате происходит скачкообразное изменение силы резания с кратковременным превышением максимально допустимого уровня, после чего наблюдается резкое падение силы резания до нуля за время 1,5ч-3,0 мс (поломка) или мгновенный прирост АР силы резания на небольшую величину в допустимых пределах изменения диагностируемого параметра за время =0,5-4-2,0 мс (микровыкрашивание).