СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N3/56 G01N3/58 

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

Известен цифровой вольтметр интегрирующего двухтактного преобразования, позволяющий измерять входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала - напряжения постоянного тока и напряжения переменного тока от помехи промышленной сети [1]. Способ подавление помехи, используемый в данном случае, основан на том, что длительность первого такта интегрирования принимают равной или кратной периоду частоты промышленной сети. Поэтому в момент окончания первого такта интегрирования интеграл от напряжения помехи равен нулю. Это приводит к подавлению сетевой помехи и к усилению полезного сигнала постоянного тока. В течение второго такта производится преобразование полезного сигнала постоянного тока в пропорциональный ему интервал времени. Это происходит за счет разряда интегратора напряжением обратной полярности с выхода источника опорного напряжения до момента равенства выходного напряжения на выходе интегратора нулю. Заполнением полученного интервала времени импульсами образцовой частоты получается цифровой эквивалент полезного сигнала постоянного тока.

Цифровой вольтметр двухтактного преобразования 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 отчета, источник опорного напряжения и устройство управления.

Известен способ двухтактного весового интегрирования и соответствующие ему цифровые вольтметры двухтактного весового интегрирования [2], которые имеют больший коэффициент подавления сетевой помехи, чем вольтметры двухтактного интегрирования.

Недостатком данных устройств является подавление напряжения только одной частоты - частоты промышленной сети и ее гармоник.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и реализующему его устройству является способ трехтактного интегрирования и реализующее его устройство контроля затупления режущего инструмента [3]. Способ трехтактного интегрирования (фиг.1) основан на том, что весь процесс измерения состоит из 3 последовательных тактов, причем первые два такта имеют одну и ту же длительность, которая кратна периоду частоты промышленной сети. В течение третьего такта интегрируется напряжение обратной полярности от источника опорного напряжения и происходит измерение полезного сигнала напряжения постоянного тока.

Реализующее его устройство представлено на фиг.1. Оно 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, четыре схемы собирания на два входа - 11, 19, 20, 27, инвертор - 12, счетчик импульсов - 13, блок цифрового отсчета - 14, устройство управления - 15, генератор образцовой частоты - 16, две схемы совпадения на два входа - 17 и 18, источник опорного напряжения - 21, дешифратор - 22, два аналоговых ключа - 23, 24, интегратор - 25, устройство сравнения - 26.

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 счетному 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 инверсному и прямому 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 - 21 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 17 и одному из входов четвертой схемы собирания на два входа 27, а выход четвертой схемы собирания на два входа 27 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 18, к второму входу четвертой схемы собирания на два входа 27.

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 непостоянны и будут изменяться в зависимости от нагрузки в диапазоне до 30% от синхронной скорости поля.

Использование метода трехтактного интегрирования позволяет подавить помехи двух некратных частот и их гармоник, например, частоты сети и частоты вращения шпинделя станка. Однако первые два такта выполняются последовательно, что в два раза снижает быстродействие контроля износа инструмента.

Изобретение направлено на решение задачи повышения быстродействия измерений при сохранении подавления напряжений помех двух некратных частот - помехи промышленной частоты - ω₁ и помехи от частоты вращения шпинделя станка - ω₂ их гармоник.

Схема устройства приведена на фиг.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, 10, три схемы собирания на два входа 11, 19, 20, две схемы совпадения на два входа 17, 18, инвертор 12, два счетчика импульсов 13 и 28, блок цифрового отсчета 14 и устройство управления 15, генератор образцовой частоты 16, источник опорного напряжения 21, дешифраторы - 22 и 29, аналоговые ключи - 23, 24, 27, интегратор - 25, - устройство сравнения - 26.

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 счетному входу первого триггера 7. Прямой и инверсный выходы первого триггера подсоединены к первым входам двух схем совпадения на три входа 9 и 10. Второй вход схемы 9 присоединен к инверсному выходу второго триггера 8, второй вход схемы совпадения на три входа 10 подключен к первому выходу устройства управления 15, а третьи входы схем совпадения на три входа 9 и 10 соединены параллельно и подключены к выходу инвертора 12. Выход генератора образцовой частоты 16 подсоединен к первым двум входам двух схем совпадения на два входа 17 и 18, второй вход второй схемы совпадения на два входа 18 подключен ко второму выходу устройства управления 15. Выход первой схемы совпадения на два входа 17 подключен к счетному входу счетчика импульсов 13, выход которого подсоединен к входу блока цифрового отсчета 14 и к входу дешифратора 22. Выход схемы совпадения на два входа 18 подключен к входу второго счетчика импульсов 28, а его выход подсоединен через второй дешифратор 29 к первому входу второй схемы собирания на два входа 19, выход которой соединен параллельно со сбросовым входом второго счетчика импульсов 28 и подключен к шине третьего входа устройства управления 15; выход дешифратора 22 подключен к первому входу третьей схемы собирания на два входа 20, а ее выход соединен параллельно со сбросовым входом первого счетчика импульсов 13 и подключен к шине третьего входа устройства управления 15. Выходы детектора 6 через соответствующие аналоговые ключи 23 и 27, и источника опорного напряжения 21 через аналоговый ключ 24 связаны с входом интегратора 25, выход которого подсоединен к одному из входов устройства сравнения 26, второй вход которого связан шиной «земля». Выход устройства сравнения 26 соединен со всей шиной третьего входа устройства управления 15. Управляющий вход аналогового ключа 24 подключен к третьему выходу устройства управления 15. Выход схемы совпадения на три входа 9 соединен с первым входом устройства управления 15. Первый выход устройства управления 15 подсоединен непосредственно к управляющему входу аналогового ключа 23, а также к первому входу схемы собирания на два входа 11 и ко второму входу схемы совпадения на три входа 10. Выход схемы собирания на два входа 11 связан со вторым входом схемы совпадения 17, а выход схемы совпадения на три входа 10 подключен к второму входу устройства управления 15. Второй выход устройства управления 15 соединяется с управляющим входом третьего аналогового ключа 27. Третий выход устройства управления 15 подключен к входу инвертора 12 и ко второму входу первой схемы собирания на два входа 11.

В предлагаемом устройстве используется метод весового двухтактного интегрирующего преобразования с синхронизацией начала второго интервала первого такта интегрирования. Интегрирование входного сигнала, содержащего помехи двух некратных частот, производится параллельно за два равных первых параллельных интервалов времени первого такта, длительность которых кратна периоду помехи с частотой ω₁, а начало их сдвинуто относительно друга на половину периода напряжения помехи второй частоты ω₂. Поэтому напряжение с частотой ω₁ - сетевой помехи и будет полностью подавлено к моменту окончания первого такта интегрирования. Будет подавлено и напряжение помехи этой частоты. В течение второго такта интегратор разряжается от напряжения опорного источника, что реализует преобразование напряжение - время. Заполняя этот интервал времени импульсами образцовой частоты, получим цифровой эквивалент N_x измеряемого напряжения. Для получения интервала времени сдвига первых двух тактов интегрирования, равным половине периода второй частоты ω₂ помехи, в качестве датчика числа полуоборотов шпинделя станка используются 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_x и помехи от вращения шпинделя станка U_п sinω₂t за первых 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 двух интервалов интегрирования 2T₁. Разряжая интегратор в течение второго такта интегрирования от источника напряжения - U₀, получим

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

Работает устройство следующим образом. При включении напряжения питания устройством управления 15 производится общий сброс триггеров 7, 8, счетчиков импульсов 13, 28 и триггеров устройства управления 15 в нулевое состояние. Наличие двух разрешающих сигналов с выходов триггера 8 и инвертора 12 на входах схемы совпадения на три входа 9, подготавливает ее к работе. Устройство управления 15 содержит три RS-триггера, причем первые два имеют независимые внешние входы. В то время как вход третьего RS-триггера связан с выходом второго триггера.

Первый импульс с выхода датчика числа полуоборотов шпинделя станка 1 через усилитель-ограничитель 2 поступает на счетный вход триггера 7 и переводит его в состояние «1». Сигнал с его выхода подается через схему совпадения на три входа 9 на первый вход устройства управления 15.

Сигнал первого такта интегрирования φ₁ с выхода устройства управления 15 подается одновременно на один из входов схемы собирания на два входа 11, на управляющий вход первого аналогового ключа 23 и на второй вход схемы совпадения на три входа 10. Сигнал с выхода схемы собирания на два входа 11 подается на первый вход схемы совпадения на два входа 17, разрешая прохождение импульсов с выхода генератора образцовой частоты 16 на вход счетчика 13 в течение всего первого такта интегрирования.

Одновременно с этим замыкается первый аналоговый ключ 23, и напряжение U_вх с выхода виброакустического датчика 3 через усилитель 4, фильтр 5 и детектор 6 подается на вход интегратора 25 и интегрируется. Кроме того, сигнал φ₁ с выхода устройства управления 15 подается на второй вход схемы совпадения на три входа 10, подготавливая ее к работе. При появлении на выходе 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 поступает на второй вход устройства управления 15.

Таким образом, с задержкой на половину периода частоты помехи ω₂ вращения шпинделя станка появится сигнал начала весового интегрирования φ₂ на втором выходе устройства управления 15.

Он подается параллельно на управляющий вход аналогового ключа 27, который подключает выход детектора 6 к входу интегратора 25, увеличивая за счет этого в два раза коэффициент передачи интегратора, и открывает схему совпадения на два входа 18. Разрешая тем самым прохождение импульсов с выхода генератора образцовой частоты 16 на вход счетчика 28. Счетчики 13 и 28 работают параллельно.

При накоплении в счетчике импульсов 13 кода, соответствующего коду дешифратора 22, последний срабатывает. Сигнал с его выхода проходит через схему собирания на два входа 20 и переводит в состояние «0» счетчик импульсов 13 и первый триггер устройства управления 15. Из-за отсутствия сигнала φ₁ аналоговый ключ 23 разрывается, уменьшая тем самым в два раза коэффициент передачи интегратора.

При накоплении в счетчике импульсов 28 кода, соответствующего коду дешифратора 29, последний срабатывает. Сигнал с его выхода проходит через схему собирания на два входа 19 и переводит в состояние «0» счетчик импульсов 28 и на второй триггер устройства управления 15. Из-за отсутствия сигнала φ₂ аналоговый ключ 27 разрывается, интегратор 25 отключается от источника входного сигнала с детектора 6. Происходит окончание первого такта весового интегрирования.

Выдается сигнал φ₃ - начало второго такта весового интегрирования. Сигнал управления φ₃ подключит источник опорного напряжения 21 через аналоговый ключ 24 к входу интегратора 25, и напряжение - U₀ начнет разряжать интегратор 25. Одновременно с этим сигналом управления φ₃ с третьего выхода устройства управления 15 через схему собирания на два входа 11 откроется схема совпадения на два входа 17, а сигналом «0» с выхода инвертора 12 закрываются схемы совпадения на три входа 9 и 10 на длительность такта интегрирования φ₃. 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 второго такта весового 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 измерений при сохранении помехоподавления двух некратных частот и их гармоник - 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.

3. Белолапотков Д.А., Добровинский И.Р., Медведик Ю.Т., Чувыкин Б.В. Устройство для измерения износа режущего инструмента. / Патент РФ №2263300, БИ №30, 2004.

Предложенная группа изобретений относится к электроизмерительной технике и может быть использована для контроля износа режущего инструмента. Данные изобретения направлены на повышение быстродействия измерений при сохранении подавления напряжений помех двух некратных частот - помехи промышленной частоты и помехи от частоты вращения шпинделя станка и их гармоник. Способ измерения износа режущего инструмента заключается в том, что формируют сигнал, соответствующий числу полуоборотов шпинделя станка, и контролируемый виброакустический сигнал, при этом указанный сигнал обрабатывают с применением метода двухтактного интегрирования, когда в течение первого такта интегрируется постоянное напряжение полезного сигнала вместе с напряжениями данных помех, а в течение второго такта интегрирования интегрируется опорное напряжение обратной по отношению к полезному сигналу полярности, при этом первый такт интегрирования состоит из двух равных параллельных полутактов, длительность которых кратна периоду первой помехи, а длительность сдвига начала второго полутакта относительно первого равна половине длительности периода основной гармоники второй помехи, на основании указанной обработки сигнала регистрируют код, соответствующий износу режущего инструмента. Устройство для измерения износа режущего инструмента содержит датчик числа полуоборотов шпинделя станка, усилитель-ограничитель, датчик вибраций, усилитель, фильтр, детектор, два триггера, две схемы совпадения на три входа, три схемы собирания на два входа и две схемы совпадения на два входа, инвертор, два счетчика импульсов, блок цифрового отсчета и устройство управления, генератор образцовой частоты, источник опорного напряжения, два дешифратора, три аналоговых ключа, интегратор и устройство сравнения, соответствующим образом соединенные между собой. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения износа режущего инструмента, заключающийся в том, что формируют сигнал, соответствующий числу полуоборотов шпинделя станка, и контролируемый виброакустический сигнал, отличающийся тем, что указанный сигнал обрабатывают с применением метода двухтактного интегрирования, когда в течение первого такта интегрируется постоянное напряжение полезного сигнала вместе с напряжениями данных помех, а в течение второго такта интегрирования интегрируется опорное напряжение обратной по отношению к полезному сигналу полярности, при этом первый такт интегрирования состоит из двух равных параллельных полутактов, длительность которых кратна периоду первой помехи, а длительность сдвига начала второго полутакта относительно первого равна половине длительности периода основной гармоники второй помехи, на основании указанной обработки сигнала регистрируют код, соответствующий износу режущего инструмента.

2. Устройство для измерения износа режущего инструмента содержит датчик числа полуоборотов шпинделя станка, усилитель-ограничитель, датчик вибраций, усилитель, фильтр, детектор, два триггера, две схемы совпадения на три входа, три схемы собирания на два входа и две схемы совпадения на два входа, инвертор, счетчик импульсов, блок цифрового отсчета и устройство управления, генератор образцовой частоты, источник опорного напряжения, дешифратор, два аналоговых ключа, интегратор, устройство сравнения, 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, второй вход первой схемы совпадения на три входа присоединен к инверсному выходу второго триггера, а третьи их входы соединены параллельно и подключены к выходу инвертора; выход генератора образцовой частоты подсоединен к первым двум входам двух схем совпадения на два входа, а выход первой схемы совпадения на два входа подключен к счетному входу счетчика импульсов, выход которого подсоединен к входу блока цифрового отсчета и к входу дешифратора, а выходы детектора и источника опорного напряжения через соответствующие аналоговые ключи связаны с входом интегратора, выход которого подсоединен к одному из входов устройства сравнения, второй вход которого связан шиной «земля», а выход устройства сравнения соединен со всей шиной третьего входа устройства управления и управляющий вход второго аналогового ключа подключен к третьему выходу устройства управления, отличающееся тем, что в устройство введены третий аналоговый ключ, второй счетчик импульсов и второй дешифратор, причем выход второй схемы совпадения на два входа подключен к входу второго счетчика импульсов, а его выход подсоединен через второй дешифратор к первому входу второй схемы собирания на два входа, выход которой соединен параллельно со сбросовым входом второго счетчика импульсов и подключен к шине третьего входа устройства управления; выход первого дешифратора подключен к первому входу третьей схемы собирания на два входа, а ее выход соединен параллельно со сбросовым входом первого счетчика импульсов и подключен к шине третьего входа устройства управления, выход первой схемы совпадения на три входа соединен с первым входом устройства управления, первый выход устройства управления подсоединен непосредственно к управляющему входу первого аналогового ключа, а также к первому входу первой схемы собирания на два входа и ко второму входу второй схемы совпадения на три входа; выход первой схемы собирания на два входа связан со вторым входом первой схемы совпадения на два входа, а выход второй схемы совпадения на три входа подключен к второму входу устройства управления; второй вход второй схемы совпадения на два входа подключен ко второму выходу устройства управления и соединен с управляющим входом третьего аналогового ключа, вход которого связан с выходом детектора, а выход третьего ключа подключен к входу интегратора; третий выход устройства управления подключен к входу инвертора и ко второму входу первой схемы собирания на два входа, при этом устройство управления, первый и второй триггеры, а также первый и второй счетчики импульсов включены в схему устройства для измерения износа режущего инструмента с возможностью их перевода в нулевое состояние при включении напряжения питания.