АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПРЕДИКТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА СТАНКА С НЕПРЕРЫВНЫМ ЦИКЛОМ РАБОТЫ Российский патент 2024 года по МПК B23B25/06 B23Q17/09 G01N3/58 

Заявляемое изобретение относится к устройствам контроля состояния режущего инструмента станков механической обработки материалов и может быть использовано для диагностики состояния (например, процента износа) режущего инструмента (например, дисковых ножей), применяемого в станках с непрерывным циклом работы (например, в станках продольной резки листового материала), с целью предиктивной (предсказательной) оценки остаточного ресурса режущего инструмента, непосредственно в процессе его эксплуатации.

Известен способ контроля износа режущего инструмента [Патент RU 2024006 С1, МПК G01N 3/58 (1990.01), опубл. 30.11.1994] заключающийся в том, что зона резания активно зондируется акустическими сигналами частотой 1-10 МГц от пьезопреобразователя, установленного в режущем инструменте; эти акустические сигналы, прошедшие через зону резания, регистрируются ультразвуковым измерителем; производится оценка амплитуд регистрируемых сигналов; по амплитудам регистрируемых сигналов определяют степень износа инструмента.

Недостатком данного способа является ограничение сферы его применения только станками, в которых осуществимо активное зондирование акустическими сигналами режущего инструмента, то есть преимущественно станками с неподвижным режущим инструментом (например, токарными). В станках, использующих подвижный режущий инструмент, например, вращающиеся дисковые ножи, данный способ неприменим.

Кроме того, использование указанного способа ограничено станками, в которых материал заготовки обрабатывается только одним режущим инструментом, при сохранении монолитности изготавливаемого изделия (например, токарные, сверлильные и фрезерные станки). Способ непригоден для одновременного контроля нескольких режущих инструментов, формирующих сразу несколько изделий из исходной заготовки (например, в станках продольной резки листового материала на отдельные полосы), поскольку множество активно излучающих пьезопреобразователей, установленных каждый в своем режущем инструменте, при условии разделения исходного материала на отдельные фрагменты, сформируют картину акустического сигнала, сложную для обработки и анализа, что также является недостатком способа.

Указанные недостатки обусловлены тем, что реализация данного способа предполагает акустическое зондирование зоны резания пьезопреобразователем, установленным в режущем инструменте, что исключает применение способа для режущего инструмента и станков, конструкция которых не позволяет произвести установку пьезопреобразователя в режущий инструмент и/или произвести акустическое зондирование зоны резания.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному устройству контроля и сигнализации акустической эмиссии [Патент CN 208862845 U, МПК G08B 24/10; Н04В 11/00, опубл. 14.05.2019], состоящему из:

- датчиков акустической эмиссии, расположенных на контролируемом объекте, предназначенных для приема сигналов акустической эмиссии, излучаемых контролируемым объектом;

- модуля сигнализации, расположенного на контролируемом объекте и соединенного с датчиками акустической эмиссии, предназначенного для сигнализации о работоспособности или аварийном состоянии контролируемого объекта, в соответствии с принимаемыми сигналами акустической эмиссии.

При этом модуль сигнализации содержит:

- блок предварительной обработки сигнала акустической эмиссии, предназначенный для улучшения качества сигнала акустической эмиссии за счет его усиления и/или фильтрации;

- блок аналого-цифрового преобразования, предназначенный для перевода аналогового сигнала акустической эмиссии, выводимого схемой предварительной обработки сигнала, в цифровой формат;

- блок анализа, предназначенный для сравнительного анализа сигналов акустической эмиссии и выдачи сигнала о работоспособности или аварийном состоянии контролируемого объекта, в зависимости от состояния последнего, в соответствии с принятым сигналом акустической эмиссии;

- блок вывода, предназначенный для вывода сигнала о работоспособности или аварийном состоянии контролируемого объекта.

Датчики акустической эмиссии принимают сигналы акустической эмиссии от контролируемого объекта и направляют их в аналоговом виде в модуль сигнализации, в котором сигналы последовательно: усиливаются и/или очищаются от посторонних шумов в блоке предварительной обработки; преобразуются в цифровой вид в блоке аналого-цифрового преобразования; сравниваются в блоке анализа с эталонными сигналами. В случае совпадения принятого сигнала акустической эмиссии с эталонными сигналами акустической эмиссии, соответствующими работоспособному состоянию контролируемого объекта, блоком анализа выдается сигнал о работоспособности объекта; в случае совпадения принятого сигнала акустической эмиссии с эталонными сигналами акустической эмиссии, соответствующими аварийному состоянию контролируемого объекта, блоком анализа выдается сигнал об аварийном состоянии объекта. Сигналы о состоянии контролируемого объекта поступают в блок вывода, который обеспечивает их вывод в виде, воспринимаемом обслуживающим персоналом контролируемого объекта, средствами световой, цветовой или звуковой сигнализации (окрашенные сигнальные лампы, световые табло, звонки, сирены и т.д.), или в цифровом виде, пригодном для передачи по компьютерным сетям связи на контрольные станции, серверы и т.д.

Применение описанного выше устройства будет эффективно лишь в случае контроля объектов, не требующих предиктивной (предсказательной) диагностики. Сигнал об аварийном состоянии подается только тогда, когда авария уже произошла, и требуется немедленное вмешательство обслуживающего персонала для устранения ее последствий.

Для контроля износа режущего инструмента, применяемого в станках с непрерывным циклом работы (например, дисковых ножей в станках продольной резки листового материала), информация об износе инструмента, близком к критическому, актуальна до возникновения аварийного состояния (например, поломки или заклинивания дискового ножа или утраты сохранности узла крепления дискового ножа, например выхода из строя антифрикционных прокладок, подшипников и т.п.), поскольку своевременная замена режущего инструмента требует гораздо меньше ресурсов, чем восстановление станка из аварийного состояния (связанного, как правило, с остановкой непрерывного производства: конвейера, поточной линии и т.п.). В таком случае применение данной устройства - неэффективно, что является его недостатком.

Отмеченный недостаток обусловлен отсутствием возможности контроля степени износа режущего инструмента, как автоматически, так и обслуживающим персоналом: известное устройство не содержит элементов, способных определять этот показатель и сигнализировать о нем.

Технической проблемой, для решения которой предлагается заявляемое изобретение, является возникновение аварийных ситуаций при эксплуатации станков с непрерывным циклом работы (например, станков продольной резки листового материала), связанных с износом режущего инструмента (например: заклинивание, разрушение дисковых ножей, утрата сохранности узла крепления инструмента).

Техническим результатом настоящего изобретения является своевременное (до наступления аварийной ситуации) получение обслуживающим персоналом информации о динамике состояния режущего инструмента, о приближении степени износа инструмента к критическому значению.

Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет того, что в аппаратно-программном комплексе предиктивной диагностики состояния режущего инструмента станка с непрерывным циклом работы, содержащим датчики акустической эмиссии и модуль сигнализации, содержащим блок предварительной обработки сигналов акустической эмиссии, блок аналого-цифрового преобразования сигналов акустической эмиссии, блок анализа сигналов акустической эмиссии и блок вывода, согласно заявляемому изобретению, блок анализа сигналов акустической эмиссии содержит элемент, определяющий процент износа режущего инструмента по уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего в процессе работы режущего инструмента, и передающего эту информацию в блок вывода.

В частном случае, связанном с необходимостью задания минимального (начального) процента износа режущего инструмента, минимальный процент износа задается, как соответствующий уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего в начале работы станка с новым режущим инструментом, не бывшим в эксплуатации.

В другом частном случае, связанном с необходимостью задания максимального (предельного) процента износа режущего инструмента, максимальный процент износа режущего инструмента задается, как соответствующий уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего при эксплуатации станка с режущим инструментом, степень износа которого максимально допустима для безаварийной работы станка.

В другом частном случае, обусловленном необходимостью постоянного или периодического контроля состояния режущего инструмента станка, в устройстве применяется блок вывода, способный отображать процесс износа режущего инструмента непрерывно, во время работы станка, путем демонстрации числовых значений процента износа режущего инструмента, в соответствии с сигналами акустической эмиссии, возникающими в процессе работы режущего инструмента.

В другом частном случае, связанном с необходимостью улучшения восприятия информации о состоянии режущего инструмента обслуживающим персоналом станка, в блоке вывода подача информационного материала, отображающего процесс износа режущего инструмента во время работы станка, усилена демонстрацией диаграмм, соответствующих значениям процента износа режущего инструмента.

В другом частном случае, обусловленном необходимостью привлечения внимания обслуживающего персонала к показателям износа режущего инструмента, в блоке вывода подача информационного материала, отображающего процесс износа режущего инструмента во время работы станка, усилена цветовой маркировкой информационного материала, соответствующей значениям процента износа режущего инструмента.

В другом частном случае, связанном с необходимостью оперативного монтажа/демонтажа датчиков акустической эмиссии на металлические конструкции станка, датчики акустической эмиссии снабжены магнитными элементами для установки на режущий инструмент или узлы его крепления.

Сущность заявляемого изобретения поясняется эскизом.

На фиг. 1 схематично показан аппаратно-программный комплекс для диагностики станка с непрерывным циклом работы, например, станка продольной резки листового материала, в котором на узлы крепления режущего инструмента (1) на магнитных элементах (2) установлены датчики акустической эмиссии (3), соединенные с модулем сигнализации (4), в состав которого входят: блоки предварительной обработки сигналов акустической эмиссии (5), блоки аналого-цифрового преобразования сигналов акустической эмиссии (6), блок анализа сигналов акустической эмиссии (7), блок вывода (8).

Ниже приводятся примеры использования заявляемого изобретения.

Пример 1. Устройство - аппаратно-программный комплекс (см. фиг. 1), содержащее датчики акустической эмиссии (3), например, пьезоэлектрические датчики и модуль сигнализации (4), содержащий блоки предварительной обработки сигналов акустической эмиссии (5), например, усилители сигналов акустической эмиссии, блоки аналого-цифрового преобразования сигналов акустической эмиссии (6), например, аналого-цифровые преобразователи последовательного прямого преобразования, блок анализа сигналов акустической эмиссии (7), например, программируемый контроллер для анализа сигналов или персональный компьютер, и блок вывода (8), например, монитор, применяется на станке с непрерывным циклом работы, например, на станке продольной резки листового материала, для предиктивной диагностики состояния режущего инструмента, например, дисковых ножей, на узлы крепления (1) которых установлены датчики акустической эмиссии (3). При этом могут существовать один или множество (два и более) измерительных каналов, соответствующих числу точек диагностики на станке. Каждый из каналов состоит из датчика акустической эмиссии (3), блока предварительной обработки сигнала акустической эмиссии (5) и блока аналого-цифрового преобразования (6), соединенных линиями передачи электрических сигналов. При этом возможно применение блоков предварительной обработки (5) и блоков аналого-цифрового преобразования (6) по мультиканальной схеме, например: сигналы от нескольких датчиков акустической эмиссии поступают на один блок предварительной обработки (5), и/или один блок аналого-цифрового преобразования (6) обслуживает несколько блоков предварительной обработки сигналов (5).

Датчики акустической эмиссии (3) принимают сигналы акустической эмиссии от узлов крепления дисковых ножей (1) и направляют их в аналоговом виде в модуль сигнализации (4), в котором сигналы последовательно: усиливаются в блоке предварительной обработки (5), преобразуются в цифровой вид в блоке аналого-цифрового преобразования (6), передаются по линии передачи электрических сигналов в блок анализа (7), где производится сопоставление значения амплитуды сигнала акустической эмиссии со шкалой амплитуд, характеризующих процент износа дисковых ножей станка. Определенные в результате такого сопоставления значения процента износа каждого из ножей передаются по линии передачи данных в блок вывода (8) и могут быть использованы обслуживающим персоналом станка для оперативной оценки состояния дисковых ножей и предиктивной (предсказательной) диагностики их остаточного ресурса.

Пример 2. В устройстве из примера 1 производится установка начального значения шкалы амплитуд, характеризующих процент износа дисковых ножей станка: минимальный процент износа режущего инструмента задается, как соответствующий уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего в начале работы станка с новым режущим инструментом, не бывшим в эксплуатации.

Пример 3. В устройстве из примера 1 производится установка конечного значения шкалы амплитуд, характеризующих процесс износа дисковых ножей станка: максимальный процент износа режущего инструмента задается, как соответствующий уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего при эксплуатации станка с режущим инструментом, степень износа которого максимально допустима для безаварийной работы станка.

Пример 4. В устройстве из примера 1 блок вывода - монитор (8) способен отображать процесс износа режущего инструмента непрерывно, во время работы станка. Для этого на экране монитора демонстрируются числовые значения процента износа каждого из дисковых ножей, в соответствии с сигналами акустической эмиссии, возникающими в процессе их работы.

Пример 5. В устройстве из примера 1 в блоке вывода - мониторе (8) подача информационного материала, отображающего процесс износа дисковых ножей во время работы станка, усилена демонстрацией диаграмм, соответствующих значениям процента износа дисковых ножей.

Пример 6. В устройстве из примера 1 блоке вывода - мониторе (8) подача информационного материала, отображающего процесс износа дисковых ножей во время работы станка, усилена цветовой маркировкой информационного материала, соответствующей значениям процента износа дисковых ножей, например, столбцы диаграмм из Примера 5 могут быть окрашены: в зеленый цвет, соответствующий 0%-40% износа инструмента; в желтый цвет, соответствующий 41%-80% износа и в красный цвет соответствующий 81%-100% износа.

Пример 7. В устройстве из примера 1 датчики акустической эмиссии (3) снабжены магнитными элементами (2), например, кольцевыми неодимовыми магнитами для установки на режущий инструмент или узлы его крепления (1), при этом магнитные элементы (2) прикреплены к датчикам (3), например, при помощи эпоксидного клея.

При работе (или использовании) устройства технический результат изобретения обеспечивается за счет того, что в блоке анализа сигналов акустической эмиссии (7) содержится элемент (например, программный код), определяющий процент износа режущего инструмента по уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего в процессе работы режущего инструмента, путем сопоставления значения амплитуды сигнала акустической эмиссии со шкалой амплитуд, характеризующих процент износа дисковых ножей станка, и передающего эту информацию в блок вывода (8), где она отображается в виде, доступном для восприятия обслуживающим персоналом станка, что гарантирует своевременное (до наступления аварийной ситуации) получение обслуживающим персоналом информации о динамике состояния режущего инструмента, о приближении степени износа инструмента к критическому значению.

Использование заявляемого изобретения, в сравнении с известными устройствами, обеспечивает более эффективное и своевременное предотвращение аварийных ситуаций при работе станков с непрерывным циклом резки материала, связанных с износом режущего инструмента (например: заклиниванием, разрушением дисковых ножей, утратой сохранности узла крепления инструмента), что было подтверждено применением экспериментального образца аппаратно-программного комплекса на станке продольной резки листового металлопроката для автоматизированного мониторинга текущего состояния и определения остаточного ресурса антифрикционных колец режущих элементов (1).

Экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса представлял собой систему, состоящую из: сорока четырех датчиков акустической эмиссии (3), и модуля сигнализации (4), состоящего из двух блоков предварительной обработки (5), фильтрующих и усиливающих сигнал акустической эмиссии; блока аналого-цифрового преобразования (6); блока анализа (7) в виде ПЭВМ со специализированным программным обеспечением и монитора в качестве блока вывода (8).

Датчики акустической эмиссии (3) располагались вблизи режущих пар ножей (1) в два ряда, по двадцать два датчика в каждом ряду. Установка датчиков на узлы крепления ножей производилось при помощи магнитов (2).

В процессе эксплуатации станка на основе сигналов акустической эмиссии от каждого из ножей (1) производилось визуальное оповещение оператора станка на экране монитора (8) о проценте износа (остаточном ресурсе) режущего инструмента, также была предусмотрена возможность выдачи аварийного сигнала о превышении значением процента износа установленного аварийного уровня.

Испытания экспериментального образца аппаратно-программного комплекса прошли успешно, режущий инструмент заменялся своевременно, станок работал без аварийных остановок.

Изобретение относится к устройствам контроля состояния режущего инструмента оборудования механической обработки. Комплекс содержит датчики акустической эмиссии и модуль сигнализации, содержащий блок предварительной обработки сигналов акустической эмиссии, блок аналого-цифрового преобразования сигналов акустической эмиссии, блок анализа сигналов акустической эмиссии и блок вывода. Блок анализа сигналов акустической эмиссии содержит элемент, определяющий процент износа режущего инструмента по уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего в процессе работы режущего инструмента, и передающий эту информацию в блок вывода. Технический результат: возможность своевременного получения информации о динамике состояния режущего инструмента и о приближении степени износа инструмента к критическому значению. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Аппаратно-программный комплекс предиктивной диагностики состояния режущего инструмента станка с непрерывным циклом работы, содержащий датчики акустической эмиссии и модуль сигнализации, содержащий блок предварительной обработки сигналов акустической эмиссии, блок аналого-цифрового преобразования сигналов акустической эмиссии, блок анализа сигналов акустической эмиссии и блок вывода, отличающийся тем, что блок анализа сигналов акустической эмиссии содержит элемент, определяющий процент износа режущего инструмента по уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего в процессе работы режущего инструмента, и передающий эту информацию в блок вывода.

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что минимальный процент износа режущего инструмента задан как соответствующий уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего в начале работы станка с новым режущим инструментом, не бывшим в эксплуатации.

3. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что максимальный процент износа режущего инструмента задан как соответствующий уровню амплитуды сигнала акустической эмиссии, возникающего при эксплуатации станка с режущим инструментом, степень износа которого максимально допустима для безаварийной работы станка.

4. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что блок вывода способен отображать процесс износа режущего инструмента непрерывно, во время работы станка, путем демонстрации числовых значений процента износа режущего инструмента, в соответствии с сигналами акустической эмиссии, возникающими в процессе работы режущего инструмента.

5. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в блоке вывода подача информационного материала, отображающего процесс износа режущего инструмента во время работы станка, усилена демонстрацией диаграмм, соответствующих значениям процента износа режущего инструмента.

6. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в блоке вывода подача информационного материала, отображающего процесс износа режущего инструмента во время работы станка, усилена цветовой маркировкой информационного материала, соответствующей значениям процента износа режущего инструмента.

7. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что датчики акустической эмиссии снабжены магнитными элементами для установки на режущий инструмент или узлы его крепления.