книги / Научно-исследовательская работа магистров по технологии машиностроения

Акустический шум представляет собой случайный процесс, и поэтому при его измерении используют такие же энергетические величины, как при измерении случайной вибрации.

В простейшем случае измеряют полный уровень звукового давления акустического шума. Однако такое измерение не дает представления ни о распределении частот шума, ни о его восприятии человеком. Поэтому в аппаратуру для измерения акустического шума вводят корректирующие фильтры, частотные характеристики которых обозначаются буквами А, В, С и D. Характеристика А в наибольшей степени приближает измерение акустического шума к восприятию звука человеком. Характеристика В более расширена в область низких частот. Характеристика С в незначительной степени зависит от частоты в звуковом диапазоне. Частотная коррекция с помощью характеристики D предназначена для измерений авиационного шума. Наибольшее распространение получили измерительные микрофоны конденсаторной, пьезоэлектрической и электродинамической систем.

Рис. 8. Электретный микрофон с активным усилителем МКУ-1 для записи уровня шума резания

Действие конденсаторного микрофона основано на преобразовании звукового давления, поступающего на его мембрану, в изменение емкости конденсатора, образуемого мембраной, неподвижным электродом и воздушным зазором между ними.

Действие пьезоэлектрического микрофона основано на возникновении переменного электрического потенциала на пьезоэлектрической пластине при воздействии на нее звукового давления. Возникающее на выходных зажимах напряжение поступает на вход усилителя.

151

С помощью микрофонов методом свободного звукового поля измеряют шумы машин, транспорта, частотные характеристики измерительной и вещательной аппаратуры. При этом микрофон располагают в контрольной точке поля или в точках поля, равномерно распределенных на измерительной поверхности. Контроль звукового поля проводят путем измерения зависимости звукового давления от расстояния до акустического центра источника и сравнения измеренной зависимости с теоретической.

Прибор для измерения шума состоит из измерительного микрофона, усилителя, корректирующих цепей, детектора и индикатора, шкала которого проградуирована в децибелах относительно среднеквадратичного уровня звукового давления 2·105 Па.

Датчик стационарного контроля мощности SKM

Для измерения мощности резания применяется датчик стационарного контроля мощности SKM (рис. 9). Подключается к системе главного привода станка и передает сигнал на компьютер.

Рис. 9. Датчик контроля мощности СКМ (а) и токовые клещи-пробники КЭИ-м (б)

Для получения характеристик тока один из фазовых проводов, идущих от автоматического выключателя к магнитному пус-

152

кателю, пропускается через датчик. В датчике провод без разрыва

инарушения изоляции проходит через бесконтактный трансформатор тока.

Для питания датчика и получения характеристик напряжения к датчику подводятся провода с фазы, к которой подключен трансформатор тока, и с общей земли

Для измерения мощности электродвигателя станка применяются токовые клещи-пробники КЭИ-м (см. рис. 9). Сигнал тока идет с токовых клещей, которые предназначены для измерения постоянного, переменного и импульсного токов без разрыва силовой цепи. Представляют собой накидной датчик, работающий с внешним источником питания. Состоят из корпуса, разъемного магнитопровода, в зазоре которого закреплен специальный датчик Холла (основанный на эффекте Холла), печатной платы с электронной схемой обработки сигнала. Конструкция датчиков тока включает в себя магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла

иэлектронную плату обработки сигналов. Магниточувствительный датчик Холла закреплен в зазоре магнитопровода и соединен с входом электронного усилителя (см. рис. 9). При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магнитопроводом, в последнем наводится магнитная индукция. Датчик Холла, реагирующий на возникшее магнитное поле, вырабатывает напряжение, пропорциональное величине наведенной магнитной индукции. Выходной сиг-

нал с датчика усиливается электронным усилителем и подается в компенсационную обмотку. В результате по обмотке течет компенсационный ток, пропорциональный измеряемому току по величине и соответствующий ему по форме. Возникающее при этом магнитное поле компенсационной обмотки компенсирует магнитное поле измеряемого тока, и датчик Холла работает как нуль-орган. При этом полоса частот, пропускаемая таким датчиком тока, составляет от 0 Гц (постоянный ток) до 200 кГц. (Эффект Холла – явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также Холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле).

153

Датчик вибрации ВД03А

Для измерения параметров – скорости, ускорения и амплитуды вибрации при резании применяется датчик вибрации ВД03А (рис. 10). Нижняя рабочая частота 4 Гц. Верхняя рабочая частота 8000 Гц.

Рис. 10. Датчик вибрации ВД03А

Измерительные преобразователи вибрации основаны на различных физических принципах преобразования механических колебаний

вэлектрический сигнал. Измерительные преобразователи механиче-

ских колебаний: генераторные пьезоэлектрические преобразователи абсолютной вибрации преобразуют энергию механических колебаний

вэлектрическую – в электрический сигнал; Для вибродиагностики машин и механизмов используют в основном пьезоэлектрические.

Пьезоэлектрические преобразователи применяют для измере-

ния параметров абсолютных колебаний невращающихся частей механизмов.

Пьезоэлектрические преобразователи обладают высокими метрологическими параметрами, широким амплитудным и частотным диапазоном, простотой конструкций, высокой надежностью и сравнительно низкой стоимостью. Основными недостатками пьезоэлектрических преобразователей являются высокое выходное сопротивление и низкая помехозащищенность.

Простейший пьезоэлектрический преобразователь можно представить в виде пластины, изготовленной из кварца или искусственной пьезокерамики. Для изготовления пьезокерамики применяют цирконат титанат свинца (ЦТС), титанат висмута (ТВ) и др.

154

Лазерный отметчик оборотов «ОЛ-4»

Для записи фактических оборотов шпинделя станка применяется лазерный отметчик оборотов «ОЛ-4» (рис. 11). На шпинделе станка приклеиваются специальные полоски, которые лазерный луч замечает при любых оборотах и передает данные в компьютер.

Рис. 11. Лазерный отметчик оборотов шпинделя «ОЛ-4»

Динамометрыдляизмерения составляющих силы резания

Для измерения составляющих силы резания применяется универсальный динамометр УДМ 500, который позволяет измерять составляющие силы резания Pz, Py и Px по трем координатам в диапазоне сил до 500 кг при точении, фрезеровании, шлифовании, протягивании и других процессах резания. На рис. 12 показан процесс измерения трех составляющих силы резания Pz, Py, Px при точении заготовки на токарно-винторезном станке 16К20.

Для измерения механического воздействия силы резания в качестве датчиков используются: электрические тензометры, механотронные тензометры, тензорезисторы, ёмкостные тензометры, индуктивные тензометры, пьезоэлектрические тензометры, индукционные тензометры. В большинстве случаев при исследовании процесса плоского шлифованияиспользуются электрические тензорезисторы(рис. 13).

Общий вид применяемых для измерения составляющих силы резания тензодатчиков показан на рис. 13. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под действием деформаций.

155

Чувствительные элементы тензорезисторов могут быть выполнены в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки.

Чувствительный элемент обычно прикрепляют к основе из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего (клея, цемента), которые передают деформацию чувствительному элементу (рис. 14).

Рис. 14. Схема наклейки тензодатчиков для измерения силы резания

На объекте исследования основу закрепляют также посредством связующего. Особенность тензорезистора состоит в том, что его чувствительный элемент (решетка), как правило, имеет механическую связь с объектом исследования по всей длине измерительной базы (а не только по концам базы). Чувствительность тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформации к величине относительной деформации

При появлении нагрузки происходит деформация материала датчика и, соответственно, изменение размеров проволочки – утонение или уширение. В результате этого сопротивление датчика меняется и меняется ток, проходящий по измерительной проволочке. Эти изменения тока фиксируются на подключенном и протарированном приборе, который показывает значение соответствующей составляющей силы резания.

157

Термопары для измерения температуры

Один из наиболее точных и в то же время относительно простой способ – измерение температуры резца с помощью искусственной термопары, впервые примененной Я.Г. Усачевым. Как известно, при нагреве места спая проволок из двух разнородных металлов, например железо – константан, медь – константан, платина – иридий и т.д., в нем образуются заряды противоположных знаков. Если свободные концы проволок соединить и нагреть, то в цепи возникает термоток, электродвижущая сила которого пропорциональна разности температур места спая и холодных концов проволок.

Величину электродвижущей силы или напряжения можно измерять с помощью гальванометра или милливольтметра. Для перевода величины электродвижущей силы в градусы термопару необходимо тарировать. На (рис. 15, а) показана искусственная термопара Я.Г. Усачева. Здесь спай двух различных металлических проволок, изолированных слюдой или стеклянной трубкой, вставлен в канал, просверленный в резце снизу. Дно этого канала располагают возможно ближе к передней грани и режущей кромке резца, чтобы измерить температуру возможно ближе к источникам теплоты. Недостатки этого способа: удаленность спая термопары от участка максимальной температуры и необходимость поддерживать постоянным давление между спаем и дном отверстия.

аб

Рис. 15. Искусственная (а) и полуискусственная (б) термопары Я.Г. Усачева

158

Более удачной оказалась другая полуискусственная термопара (рис. 15, б), в которой проволока, например константановая, также изолированная от стенок канала, расклепывается на задней грани резца возможно ближе к режущей кромке. Здесь термопарой являются проволока и материал самого резца. С помощью такой термопары Я.Г. Усачев провел ряд температурных исследований с достаточной точностью.

Ею воспользовался ряд исследователей при определении температурного поля резца. Для этого в головке резца просверливалось вдоль главной и вспомогательной режущих кромок определенное количество отверстий, куда вставлялись термопары. К головке резца сверху прикреплялась тонкая пластина (толщиной примерно 2 мм), служившая передней поверхностью резца.

В данной лабораторной работе исследование температуры резания проводится с помощью так называемой естественной термопары, состоящей из самого изделия и режущего инструмента (рис. 16). В процессе резания в месте контакта разнородных материалов изделия и резца вследствие нагрева возникает электродвижущая сила. Термоток в этом случае направляется по обрабатываемой детали 1 через медное кольцо 2, а затем через ртуть в ванне 3, служащей для контакта вращающегося кольца 2 с проволокой 4. При этом милливольтметр покажет напряжение термотока, по которому можно судить о температуре резания. Обрабатываемое изделие изолировано от патрона и заднего центра, а резец от суппорта – при помощи прокладок.

Рис. 16. Схема естественной термопары

159

На практике этот метод измерения был значительно упрощен тем, что отказались от изолирования обрабатываемого изделия от станка. Контактирование через кольцо и ртуть, как показано на рис 16, а также изолирование заднего центра от изделия были продиктованы желанием освободиться от второй дополнительной термопары, получающейся в месте контакта заднего центра и изделия; казалось бы, при этом дополнительный термоток должен нарушить правильность показаний основной термопары. Но в действительности роль второй термопары оказалась ничтожной вследствие слабого разогревания заднего центра по сравнению с резцом, и поэтому практически стало вполне возможным работать и без изоляции заднего центра (рис. 17). Это значительно упростило все устройство, освободив его от дополнительных приспособлений, так как теперь второй провод присоединялся к любой точке станка.

Рис. 17. Упрощенная схема естественной термопары

К недостатку применения метода естественной термопары относится сложность тарирования подобного устройства, заключающаяся в том, что для каждого обрабатываемого материала и резца необходимо строить свою тарировочную кривую зависимости между температурой и показаниями милливольтметра.

Назначение элементов системы и принцип работы компьютерного центра диагностики процесса резания

Общая схема компьютерного центра диагностики со всеми диагностическими элементами и приборами представлена на рис. 18.

160