УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2005 года по МПК G01N3/58 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для контроля износа режущего инструмента.

Известен цифровой вольтметр интегрирующего двухтактного преобразования, позволяющий измерять полезный сигнал - напряжение постоянного тока в присутствии помех промышленной сети [1]. Он содержит интегратор с двумя аналоговыми ключами, устройство сравнения, генератор образцовой частоты, схему совпадения на два входа, счетчик импульсов, дешифратор, схему собирания на два входа, блок цифрового отсчета, источник опорного напряжения и устройство управления. Подавление помехи в данном устройстве производится за счет того, что длительность первого такта интегрирования принимают равным или кратным периоду частоты промышленной сети. Поэтому в момент окончания первого такта интегрирования интеграл от напряжения помехи равен нулю. Это приводит к подавлению сетевой помехи. Недостатком данного устройства является подавление напряжения только одной частоты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство [2] для контроля затупления режущего инструмента (см. фиг.1), содержащее датчик числа полуоборотов шпинделя станка - 1, усилитель-ограничитель - 2, датчик вибраций - 3, усилитель - 4, фильтр - 5, детектор - 6, два триггера - 7 и 8, две схемы совпадения на три входа - 9, 10, одну схему собирания на два входа - 11, инвертор - 12, счетчик импульсов - 13, блок цифрового отсчета - 14, устройство управления - 15, одновибратор - 16, преобразователь напряжение - частота - 17, одну схему совпадения на два входа - 18. Выход датчика числа полуоборотов шпинделя станка 1 через усилитель-ограничитель 2 подключен к входу первого триггера 7, прямой и инверсный выходы первого триггера 7 подсоединены к первым входам схем совпадения на три входа 9, 10, вторые входы которых присоединены соответственно к прямому и инверсному выходам второго триггера 8, а третьи их входы соединены параллельно и подключены к выходу инвертора 12. Выходы схем совпадения на три входа 9 и 10 подсоединены через схему собирания на два входа 11 к входу одновибратора 16. Выход одновибратора 16 параллельно подключен к второму входу схемы совпадения на два входа 18, к входам второго триггера 8 и инвертора 12, к входу устройства управления 15. Выход устройства управления 15 связан с входами установки нуля двух триггеров 7, 8 и счетчика импульсов 13. Выход датчика вибраций 3 соединен через усилитель 4, фильтр 5, детектор, 6, преобразователь напряжение - частота 17, схему совпадения на два входа 18 и счетчик импульсов 13 к входу блока цифрового отсчета 14.

Использование виброакустического метода активного контроля размеров деталей в машиностроении по затуплению режущего инструмента при анализе вибросигнала усложняется тем, что датчик вибрации кроме полезного сигнала резца, воспринимает помехи от вибрации станка и, в первую очередь, от вращения его шпинделя. В этом случае необходимо учитывать, что влияние помехи от вращения шпинделя станка значительно сложнее, чем сетевая помеха. Универсальный станок имеет несколько десятков скоростей вращения, а из-за применения асинхронного привода эти скорости не постоянны и будут изменяться в зависимости от нагрузки в диапазоне до 30% от синхронной скорости поля.

Подавление этой помехи рассматривается в данном устройстве. Работает устройство следующим образом. Сигнал с датчика вибрации 3, закрепленного на инструменте, состоящий из полезного сигнала, пропорционального амплитуде вибрации резца, и сигнала помехи, вызванного вращением заготовки, подается на усилитель 4. Сигнал с выхода усилителя через фильтр 5, который выделяет спектр частот несущих информацию об износе инструмента, промодулированный частотой вращения заготовки, преобразуется в постоянное напряжение детектором 6 и поступает на вход преобразователя напряжение - частота 17. Оба интервала времени подсчета импульсов с выхода 17 одинаковы, так как вырабатываются одним и тем же одновибратором 16, но начинаются они то с положительной, то с отрицательной полуволн напряжения вибраций, вызванных вращением заготовки.

В зависимости от амплитуды напряжения помехи частота импульсов с выхода преобразователя напряжение - частота 17 изменяется. Однако суммарное количество импульсов, прошедших на счетчик 13 за время 2T₁, где T₁ - длительность импульса одновибратора 16, не зависит от помехи. Для запуска одновибратора импульсом положительной либо отрицательной полуволны напряжения помехи от вращения заготовки в устройстве используются две схемы совпадения на три входа 9 и 10, схема собирания на два входа 11, два триггера 7 и 8, датчик числа полуоборотов вращения заготовки 1. Импульсы полуоборотов вращения заготовки через усилитель-ограничитель 2 подаются на вход триггера 7. Его прямой и инверсный выходы связаны соответственно с входами схем совпадения 9 и 10. При появлении первого (нечетного) импульса датчик числа полуоборотов вращения заготовки 1 взводит триггер 7 и через открытую схему совпадения 9 и схему собирания на два входа 11 запускается одновибратор 16. За время длительности импульса на его выходе происходит интегрирование напряжения с выхода детектора 6. Во время работы одновибратора 16 обе схемы совпадения 9 и 10 будут закрыты сигналом с выхода инвертора 12. По окончании импульса с выхода одновибратора 16 триггер 8 изменяет свое состояние, и сигнал с его выхода открывает схему совпадения 10, разрешая прохождение первого четного импульса датчика числа полуоборотов вращения заготовки 1 с инверсного выхода триггера 7 для второго запуска одновибратора 16 и преобразования напряжения детектора 6 в частоту импульсов. По окончании второго такта работы преобразователя напряжение - частота 17 в счетчике импульсов 13 будет отсутствовать напряжение помехи, соответствующее вращению заготовки, и цифровой эквивалент информации в счетчике будет пропорционален только износу режущего инструмента для любой скорости станка.

Недостатком данных устройств является невозможность подавления двух некратных частот помех и их гармоник, например, частоты сети и частоты вращения шпинделя станка для контроля размеров деталей виброакустическим методом в машиностроении. Оба данных устройства реализуют метод двухтактного интегрирования. Кроме того, использование во втором устройстве преобразования напряжения в частоту приводит к его низкому быстродействию (один импульс преобразователя напряжения в частоту соответствует длительности целого такта интегрирования в предлагаемом устройстве).

Изобретение направлено на решение задачи подавления напряжений помех двух некратных частот - помехи промышленной частоты - ω₁ и помехи от частоты вращения шпинделя станка - ω₂ их гармоник. Это реализуется за счет использования метода трехтактного интегрирующего преобразования и достигается тем, что в устройство, содержащее датчик числа полуоборотов шпинделя станка, усилитель-ограничитель, датчик вибраций, усилитель, фильтр, детектор, два триггера, две схемы совпадения на три входа и одну схему совпадения на два входа, одну схему собирания на два входа, инвертор, счетчик импульсов, блок цифрового отсчета и устройство управления, причем выход датчика вибраций соединен через усилитель и фильтр с входом детектора, выход датчика числа полуоборотов шпинделя станка через усилитель-ограничитель подключен к входу первого триггера, а прямой и инверсный выходы первого триггера подсоединены к первым входам двух схем совпадения на три входа, вторые входы которых присоединены соответственно к прямому и инверсному выходам второго триггера, а третьи их входы соединены параллельно и подключены к выходу инвертора, а выход счетчика импульсов подключен к входу блока цифрового отсчета, введены генератор образцовой частоты, две дополнительные схемы совпадения на два входа, три дополнительные схемы собирания на два входа, дешифратор, два аналоговых ключа, интегратор, устройство сравнения, источник опорного напряжения и выход генератора образцовой частоты подсоединен к первым двум входам обоих схем совпадения на два входа, второй вход первой схемы совпадения на два входа связан с выходом третьей схемы собирания на два входа, а второй вход дополнительной схемы совпадения на два входа связан с третьим выходом устройства управления, а выходы двух дополнительных схем совпадения на два входа соединены через схему собирания на два входа и счетчик импульсов с входом дешифратора, выход которого параллельно подключен к счетному входу второго триггера, к сбросовому входу счетчика импульсов и к второму входу устройства управления, имеющего три входа и три выхода по числу тактов измерения; выходы детектора и источника опорного напряжения подключены через соответствующие им аналоговые ключи к входу интегратора, выход интегратора связан с одним из входов устройства сравнения, второй вход которого подключен к шине «земля», а выход устройства сравнения подсоединен к третьему входу устройства управления, к первому входу устройства управления подключен выход первой схемы собирания на два входа, а первый и второй выходы устройства управления связаны с соответствующими входами третьей схемы собирания на два входа, выход которой подключен параллельно к управляющему входу первого аналогового ключа, к второму входу схемы совпадения на два входа и одному из входов четвертой схемы собирания на два входа и выход четвертой схемы собирания на два входа связан с входом инвертора, а третий выход устройства управления подсоединен параллельно к управляющему входу второго аналогового ключа, к второму входу дополнительной схемы совпадения на два входа, к второму входу четвертой схемы собирания на два входа.

Схема устройства приведена на фигуре 2. Она содержит: датчик числа полуоборотов шпинделя станка - 1, усилитель-ограничитель - 2, датчик вибраций - 3, усилитель - 4, фильтр - 5, детектор - 6, два триггера - 7 и 8, две схемы совпадения на три входа - 9 и 10, схему собирания на два входа - 11, инвертор - 12, счетчик импульсов - 13, блок цифрового отсчета - 14, устройство управления - 15, генератор образцовой частоты - 16, дополнительную схему совпадения на два входа - 17, схему совпадения на два входа - 18,, три дополнительные схемы собирания на два входа - 19, 20, 21, дешифратор - 22, два аналоговых ключа - 23, 24, интегратор - 25, устройство сравнения - 26, источник опорного напряжения - 27.

Выход датчика вибраций 3 соединен через усилитель 4 и фильтр 5 с входом детектора 6. Выход датчика числа полуоборотов шпинделя станка 1 через усилитель-ограничитель 2 подключен к входу первого триггера 7, а прямой и инверсный выходы первого триггера подсоединены к первым входам двух схем совпадения на три входа 9 и 10, вторые входы которых присоединены соответственно к прямому и инверсному выходам второго триггера 8, а третьи их входы соединены параллельно и подключены к выходу инвертора 12. Выход счетчика импульсов 13 подключен к входу блока цифрового отсчета 14. Выход генератора образцовой частоты 16 подсоединен к первым двум входам двух схем совпадения на два входа 17, 18, выходы которых соединены через схему собирания на два входа 19 и счетчик импульсов 13 с входом дешифратора 22, выход которого подключен параллельно к сбросовому входу счетчика импульсов 13, к счетному входу второго триггера 8 и к второму входу устройства управления 15, имеющего три входа и три выхода по числу тактов измерения. Выходы детектора 6 и источника опорного напряжения 27 подключены через соответствующие им аналоговые ключи 23, 24 к входу интегратора 25. Выход интегратора 25 связан с одним из входов устройства сравнения 26, второй вход которого подключен к шине «земля», а выход устройства сравнения 26 подсоединен к третьему входу устройства управления 15. К первому входу устройства управления 15 подключен выход первой схемы собирания на два входа 11, а первый и второй выходы устройства управления 15 связаны с соответствующими входами третьей схемы собирания на два входа 20, выход которой подключен параллельно к управляющему входу первого аналогового ключа 23, к второму входу схемы совпадения на два входа 18 и одному из входов четвертой схемы собирания на два входа 21 и выход четвертой схемы собирания на два входа 21 связан с входом инвертора 12. Третий выход устройства управления 15 подсоединен параллельно к управляющему входу второго аналогового ключа 24, к второму входу дополнительной схемы совпадения на два входа 17, к второму входу четвертой схемы собирания на два входа 21.

В предлагаемом устройстве используется метод трехтактного интегрирующего преобразования. Интегрирование входного сигнала, содержащего помехи двух частот, производится за два первых последовательных равных такта, длительность которых кратна периоду помехи с частотой ω₁. Поэтому напряжение с частотой ω₁ первой помехи будет полностью подавлено. При длительности интервала времени сдвига этих двух тактов, равном половине периода напряжения второй помехи частотой ω₂, к моменту окончания второго такта интегрирования будет подавлено и напряжение помехи этой частоты. В течение третьего такта интегратор разряжается от напряжения опорного источника, что реализует преобразование напряжение - время. Заполняя этот интервал времени импульсами образцовой частоты, получим цифровой эквивалент N_Х измеряемого напряжения. Для получения интервала времени сдвига первых двух тактов интегрирования, равного половине периода второй частоты ω₂ помехи, в качестве датчика числа полуоборотов шпинделя станка используется оптический датчик. Оптический датчик содержит закрепленные на неподвижной скобе светодиод и фотодиод, а между ними находится диск с двумя диаметрально расположенными прорезями, закрепленный в торце шпинделя станка. Синхронизация работы устройства контроля производится импульсами с выхода оптического датчика при вращении шпинделя станка.

Действительно, результат интегрирования напряжения полезного сигнала от процесса резания резца U_Х и помехи от вращения шпинделя станка U_пsinω₂t за первые два такта равен

где τ - постоянная времени входной цепи интегратора.

После подстановки пределов интегрирования сумма вторых слагаемых обращается в нуль и тогда

Из выражения (2) видно, что напряжение на выходе интегратора пропорционально измеряемому напряжению U_x и длительности суммы первых тактов интегрирования 2T₁. Разряжая интегратор в течение третьего такта интегрирования от источника напряжения U₀, получим

Откуда значение интервала времени третьего такта будет равно: T_x=2T₁U_x(U₀)^-1. Заполняя его частотой генератора образцовой частоты То, получим цифровой эквивалент измеряемого напряжения:

Работает устройство следующим образом. При включении напряжения питания устройством управления 15 производится сброс триггеров 7, 8 и счетчика импульсов 13 в нулевое состояние. Наличие двух разрешающих сигналов с выходов триггера 8, инвертора 12, на входе схемы совпадения на три входа 9 подготавливает ее к работе. При появлении первого импульса на выходе датчика числа полуоборотов шпинделя станка 1 через усилитель-ограничитель 2 взводится первый триггер 7, и сигнал с его выхода через схему совпадения на три входа 9 и схему собирания на два входа 11 синхронизирует работа устройства управления 15. Чтобы импульсы с выхода датчика числа полуоборотов вращения шпинделя станка 1 не влияли на работу устройства управления 15, сигнал первого такта интегрирования ϕ₁ с выхода устройства управления 15 через схемы собирания на два входа 20 и 21 подается на вход инвертора 12, который закрывает схемы совпадения на три входа 9 и 10 на длительность тактов интегрирования ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃. Тем же сигналом ϕ₁ через схему собирания на два входа 20 открывается схема совпадения на два входа 18. Импульсы с выхода генератора образцовой частоты 16 через схему совпадения на два входа 18 и схему собирания на два входа 19 начнут проходить на вход счетчика 13 в течение всего первого такта.

Одновременно с этим замыкается первый аналоговый ключ 23, и напряжение U_BX с выхода виброакустического датчика 3 через усилитель 4, фильтр 5 и детектор 6 подается на вход интегратора 25 и интегрируется.

По окончании длительности первого такта ϕ₁ срабатывает дешифратор 22, который сбрасывает счетчик 13 в состояние «0», а триггер 8 в состояние «1». Одновременно сигнал дешифратора 22 подается на второй вход устройства управления 15, регистрируя окончание первого такта интегрирования. Поэтому сигналы состояния «1» с выходов инвертора 12 и триггера 8 подготовят к работе схему совпадения на три входа 10. При появлении с выхода датчика числа полуоборотов шпинделя станка 1 первого четного импульса триггер 7 перейдет в состояние «0», и сигнал с его инверсного выхода через открытую схему совпадения на три входа 10 и схему собирания на два входа 11 синхронизирует начало второго такта интегрирования работы ϕ₂ устройства управления 15. Со сдвигом в полпериода частоты вращения шпинделя станка относительно начала первого такта интегрирования аналогично происходит интегрирование входного сигнала во втором такте ϕ₂.

После его окончания при повторном срабатывании дешифратора 22 сигналом с его выхода произойдет повторный сброс счетчика импульсов 13 и подается сигнал на устройство управления 15 об окончании второго такта интегрирования ϕ₂ и выдается сигнал ϕ₃ - начало третьего такта интегрирования. Аналоговый ключ 24 размыкается, а интегратор 25 отключается от источника входного сигнала. Сигнал управления ϕ₃ подключит источник опорного напряжения 27 через аналоговый ключ 24 к входу интегратора 25, и напряжение U₀ начнет разряжать интегратор 25. Одновременно с этим откроется дополнительная схема совпадения на два входа 17, и импульсы генератора образцовой частоты 16 начнут проходить на вход счетчика 13 до тех пор, пока интегратор 25 не разрядится до нуля. Сигнал с выхода устройства сравнения 26 об окончании третьего такта интегрирования подается на третий вход устройства управления 15. На этом измерение заканчивается. Код в счетчике импульсов 13 соответствует износу режущего инструмента и регистрируется блоком цифрового отсчета 14.

Применение данного устройства позволяет повысить быстродействие и точность контроля износа режущего инструмента за счет исключения влияния помех напряжений частоты сети и изменяющейся частоты вращения шпинделя станка при любой его скорости.

Источники информации

1. И.Р.Добровинский, Е.А.Ломтев. Проектирование ИИС для измерения параметров электрических цепей. - М.: Энергоатомиздат, 1997.

2. Добровинский И.Р., Бондаренко Л.Н., Дмитриев М.С., Медведик Ю.Т. Устройство для контроля затупления режущего инструмента / А.с. СССР №1153268, БИ №16, 1985.

Изобретение относится к технике измерения, а именно к средствам контроля состояния режущего инструмента. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата в устройство введены генератор образцовой частоты, дополнительная схема совпадения на два входа, три дополнительные схемы собирания на два входа, дешифратор, два аналоговых ключа, интегратор, устройство сравнения. При этом источник опорного напряжения и выход генератора образцовой частоты подсоединены к первым двум входам двух схем совпадения на два входа. Выходы двух схем совпадения на два входа соединены через схему собирания на два входа и счетчик импульсов с входом дешифратора. Выход дешифратора подключен к счетному входу второго триггера, к сбросовому входу счетчика импульсов и ко второму входу устройства управления. 2 ил.

Устройство для измерения износа режущего инструмента, содержащее датчик вибраций, усилитель, фильтр, детектор, датчик числа полуоборотов шпинделя станка, усилитель-ограничитель, два триггера, две схемы совпадения на три входа и одна схема совпадения на два входа, инвертор, счетчик импульсов, блок цифрового отсчета и устройство управления, причем выход датчика вибраций соединен через усилитель и фильтр с входом детектора, выход датчика числа полуоборотов шпинделя станка через усилитель-ограничитель подключен к входу первого триггера, а прямой и инверсный выходы первого триггера подсоединен к первым входам двух схем совпадения на три входа, вторые входы которых присоединены соответственно к прямому и инверсному выходам второго триггера, а третьи их входы соединены параллельно и подключены к выходу инвертора, а выход счетчика импульсов подключен к входу блока цифрового отсчета, отличающееся тем, что в устройство введены генератор образцовой частоты, дополнительная схема совпадения на два входа, три дополнительные схемы собирания на два входа, дешифратор, два аналоговых ключа, интегратор, устройство сравнения, источник опорного напряжения и выход генератора образцовой частоты подсоединен к первым двум входам двух схем совпадения на два входа, а выходы двух схем совпадения на два входа соединены через схему собирания на два входа и счетчик импульсов с входом дешифратора, выход которого параллельно подключен к счетному входу второго триггера, к сбросовому входу счетчика импульсов и ко второму входу устройства управления, имеющего три входа и три выхода по числу тактов измерения; выходы детектора и источника опорного напряжения подключены через соответствующие им первый и второй аналоговые ключи к входу интегратора, выход интегратора связан с одним из входов устройства сравнения, второй вход которого подключен к шине «земля», а выход устройства сравнения подсоединен к третьему входу устройства управления; к первому входу устройства управления подключен выход первой схемы собирания на два входа, а первый и второй выходы устройства управления связаны с соответствующими входами третьей схемы собирания на два входа, выход которой подключен параллельно к управляющему входу первого аналогового ключа, ко второму входу схемы совпадения на два входа и к первому входу четвертой схемы собирания на два входа, и выход четвертой схемы собирания на два входа связан с входом инвертора, а третий выход устройства управления подсоединен параллельно к управляющему входу второго аналогового ключа, ко второму входу дополнительной схемы совпадения на два входа, ко второму входу четвертой схемы собирания на два входа.