Оптоэлектронное устройство для измерения крутящего момента, осевой силы и скорости вращения инструмента Российский патент 2024 года по МПК G01L3/08 

Изобретение относится к измерительному оборудованию и может быть использовано для получения совмещенной картины силовых и скоростных зависимостей, в частности крутящего момента, осевой силы резания и частоты вращения сверла при сверлении мягких не металических материалов сверлами малого диаметра.

Известно бесконтактное устройство для измерения крутящего момента на валу (см. патент RU 198360, МПК G01L 3/10, опубл 02.07.2020, Бюл. №19), содержащее соединенные упругим элементом, установленные аксиально ведомый и ведущий валы, на которых закреплены отражающие элементы, расположенные относительно друг друга на одной оси вдоль валов, оптический датчик, излучатель светового потока, блок управления, корпус, в котором в подшипниках установлены ведущий и ведомый валы, снабженные соединительными муфтами, напротив отражающего элемента ведущего вала в корпусе неподвижно установлен оптический датчик, соединенный с блоком управления, к которому подключен излучатель светового потока, выполненный в виде стробоскопа, установленный в корпусе неподвижно напротив отражающего элемента ведомого вала, выполненного в форме стрелки, обращенной к шкале угломера, выполненной в виде диска, неподвижно установленного в корпусе.

В указанном устройстве для измерения крутящего момента применяется метод, при котором нет возможности получать данные в электронном виде, т.к. для получения данных необходим оператор, кроме того это устройство может быть использовано только для измерения больших значений крутящего момента.

Известно устройство для измерения крутящего момента (см. патент 2658142, МПК G01L 3/00, опубл. 19.06.2018, Бюл. №17) которое содержит вал со сменной торсионной частью, по разные стороны которой на валу закреплены зубчатые диски, между зубчатыми дисками размещен источник света, а с внешней стороны - два фотоприемника, зубчатые диски снабжены диаметрально расположенными встречными выступами, при этом выступы первого зубчатого диска с радиальным зазором входят в пазы выступов второго зубчатого диска, причем съемная торсионная часть вала выполнена в виде плоской пружины.

К недостаткам данного устройства можно отнести его высокую сложность и не возможность его применения в станках для сверления деталей т.к. данное устройство должно устанавливаться в разрыв кинематической цепи двигатель-тормоз, которая в сверлильных станках отсутствует.

Известно устройство для измерения крутящего момента при сверлении (патент RU 95123, МПК G01L 3/00, опубл. 10.06.2010, Бюл. 16), содержащее средство нагружения, зафиксированное на неподвижной поворотной платформе, с возможностью поворота относительно своей продольной оси, по крайней мере, одно средство стопорения, расположенное на наружной поверхности средства нагружения и функционально препятствующее его повороту, организованное выступом, выполненным в виде металлической упругой пластины, и опорным элементом, установленным на станине с возможностью взаимодействия с последней, и, по крайней мере, одно средство измерения, выполненное в виде бесконтактного датчика перемещения, установленного в зоне возникновения упругой деформации пластины и функционально обеспечивающего сбор и передачу информации.

К недостаткам можно отнести не возможность использования данного устройства для осуществления двустороннего сверления деталей, кроме того, система не предусматривает смену средства нагружения без разборки устройства, т.е. его нельзя применять в автоматическом режиме. Данное устройство может измерять только крутящий момент.

Известно устройство для измерения усилий резания при сверлении (патент RU 2750736, МПК В23В 51/00, G01L 5/16, опубл. 01.07.2021, Бюл. №19). Изобретение может быть использовано для измерения сил и моментов резания при сверлении. Устройство содержит подвижной стол, измерительную площадку с тремя опорными стойками с соосно расположенными в них подшипниками качения, два соосных вала, установленных в этих подшипниках с общей средней опорой, тензометрическую муфту кручения с тензодатчиками на ее поверхности, весовое устройство и датчик силы сжатия. Первый из этих двух валов со сверлом в торце расположен в боковой и средней опорах. Этот вал заканчивается фланцем, находящимся за средней опорой, в которой размещен радиально-упорный подшипник, служащий опорой для второго вала. Второй конец этого вала опирается на вторую боковую опору. К фланцу первого вала присоединена тензометрическая муфта. На торце тензомуфты закреплен горизонтально расположенный рычаг, своим свободным концом опирающийся на весовое устройство.

К недостаткам данного устройства можно отнести то, что в нем вращается деталь, а не сверло, как принято в большинстве сверлильных станков, следовательно, такое измерительное устройство нельзя использовать в сверлильном станке общепринятой конструкции. Так же к недостаткам можно отнести сложность конструкции и ее большие габариты.

Известно устройство для измерения крутящего момента, скорости вращения вала и мощности на валу (см. патент RU2585482, МПК G01L 3/00, опубл. 27.05.2016, Бюл. №15), состоящее из приводного участка, содержащего ведущий вал, и ведомого участка, содержащего ведомый вал, приводной участок содержит ведущий фланец со ступицей и зажимом, а ведомый участок содержит ведомый фланец со ступицей и зажимом; на ступицы надета центрирующая втулка, а на нее надет подвижный фланец со ступицей, соединенный с ведущим фланцем установленными на нем штифтами с возможностью перемещения подвижного фланца по штифтам и по центрирующей втулке; между ведомым фланцем и подвижным фланцем установлена динамометрическая пружина, надетая верхними витками на ступицу подвижного фланца, а нижними витками надета на центрирующую втулку с зазором между динамометрической пружиной и центрирующей втулкой; при этом один крайний виток динамометрической пружины неподвижно прикреплен к подвижному фланцу, а другой крайний виток динамометрической пружины неподвижно прикреплен к ведомому фланцу; на ведомом фланце неподвижно к нему прикреплен торцовой поверхностью стакан, выполненный из диэлектрического материала, а на цилиндрической поверхности стакана установлены три токосъемных кольца, в одном из которых имеется токонепроводящий участок; к токосъемным кольцам прилегают токосъемные контакты, установленные через изоляцию в стойке, укрепленной на неподвижной опорной плите, к которой также прикреплен шестеренчатый насос, входящий своим валом в ступицу ведомого фланца и закрепленный в ней зажимом, имеющимся на ведомом фланце; входное отверстие шестеренчатого насоса соединено трубопроводом с баком для масла, а выходное отверстие шестеренчатого насоса соединено трубопроводом с регулирующим вентилем и через него трубопроводом также соединено с баком для масла; в ступицу ведущего фланца входит ведущий вал испытуемого двигателя и зажимается в нем зажимом, имеющимся на ведущем фланце; на другом торце стакана установлен кольцевой реохорд, к которому прилегает электрический токосъемник, установленный на ведущем фланце и электрически изолированный от него; кольцевой реохорд, электрический токосъемник, токосъемные кольца, токосъемные контакты объединены в одну электрическую схему, в которую входят стабилизированный источник питания, измеритель мощности, электрически согласованные между собой, а их показания оттарированы в соответствующих единицах.

К недостаткам изобретения можно отнести то, что оно относится к силоизмерительной технике для стендовых испытаний двигателей, а также для контроля за их работой при эксплуатации, оно сложное, рассчитано на низкую частоту вращения при высокой мощности и не применимо в станках для сверления.

Известно устройство для комплексного исследования силовых скоростных зависимостей при сверлении сквозных отверстий, содержащее динамометры для измерения крутящего момента осевой силы и датчики регистрации линейных перемещений (см. патент SU 1502226, МПК В23В 49/00, опубл. 23.08.1998, Бюл. №31). В данном устройстве имеются динамометры для измерения крутящего момента осевой силы и датчики регистрации линейных перемещений, динамометр снабжен двуплечим рычагом и реостатным датчиком, а в корпусе динамометра выполнен радиальный паз, в котором установлен этот двуплечий рычаг, одно плечо которого связано с ползуном реостатного датчика, установленного на торце динамометра, а другое плечо установлено с возможностью взаимодействия с исследуемым образцом.

К недостаткам данного устройства можно отнести высокую сложность, не возможность использовать в станках, где применяется двустороннее сверление деталей, кроме того, система не предусматривает смену средства нагружения без разборки устройства, т.е. его нельзя применять в автоматическом режиме.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является фотоэлектрический торсиометр, принцип действия которого основан на измерении интенсивности светового потока, идущего от источника к фотоэлементу (см. Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента. М.: «Энергия», 1967. - 122 с. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://techlib.org/books/frolov-izmerenie-krutyashhego-momenta/). На валу, который подвергается скручиванию укрепляются две цилиндрические втулки с растровыми дисками. Каждый диск имеет по периферии 160 радиальных прорезей. С одной стороны дисков расположены источники света, с другой стороны дисков расположены фотоэлементы, образующие сплошное кольцо. Источники света и фотоэлементы расположены внутри неподвижного кожуха. Интенсивность пучка света, попадающего на приемник, зависит от угла скручивания вала и крутящего момента.

Недостатком подобных фотоэлектрических торсиометров, применяемых для определения крутящего момента вала, является влияние на результаты измерения светового потока теней, полутеней, подсвета, которые изменяются при увеличении скорости вращения вала, сложность устройства и его большие габариты, не высокая точность, работа устройства при низких частотах вращения вала.

Изобретение решает задачу создания более компактного устройства с расширенными технологическими возможностями в частности, для получения совмещенной картины силовых и скоростных зависимостей, а именно, не только крутящего момента, но и осевой силы резания и частоты вращения сверла с повышением точности измерения при сверлении мягких не металлических материалов сверлами малого диаметра с возможностью установки данного устройства в станки для одностороннего и двустороннего сверления в том числе автоматизированные, за счет конструктивных изменений устройства, в котором использованы световоды для подвода и отвода светового потока, светоизолирующие элементы, приспособление для определения осевого перемещения вала.

Для получения необходимого технического результата в оптоэлектронном устройстве для измерения крутящего момента, осевой силы и скорости вращения инструмента, содержащем вал, установленный с возможностью скручивания, на котором закреплены две цилиндрические втулки с растровыми дисками, источник света и фотоприемник, расположенные в отдельном кожухе, предлагается один конец вала смонтировать с возможностью вращательного движения, а второй конец вала - с возможностью вращательного движения и осевого перемещения, цилиндрические втулки закрепить на валу таким образом, чтобы отверстия на растровых дисках были расположены оппозитно, внешний контур каждого растрового диска предлагается снабдить светоизолирующей цилиндрической частью, к отверстию на одном растровом диске от источника света подвести излучающий световод, а к оппозитному отверстию на другом растровом диске - принимающий световод, связанный с фотоприемником.

На валу предлагается дополнительно установить упругий элемент с закрепленным на нем отражающим элементом, выполненным в виде тонкого диска со светоизолирующей цилиндрической частью, закрепленной на внешнем контуре диска. Напротив отражающего элемента в зоне деформации упругого элемента предлагается неподвижно установить бесконтактный датчик перемещения, кроме этого, устройство предлагается снабдить средством обработки информации, которое связать с источником света, фотоприемником и бесконтактным датчиком перемещения и расположить вместе с источником света и фотоприемником в отдельном кожухе за пределами устройства.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом, прилагаемым к описанию, где изображена схема предлагаемого оптоэлектронного устройства измерения крутящего момента, осевой силы и скорости вращения инструмента.

На схеме приняты следующие обозначения: 1 - вал; 2, 3 - втулка цилиндрическая; 4 - источник света; 5 - фотоприемник; 6 - кожух неподвижный; 7 - опора с возможностью вращательного движения вала; 8 - опора с возможностью вращательного и осевого движения вала; 9 - световод излучающий; 10 - световод принимающий; 11, 12, 13 - часть цилиндрическая светоизолирующая; 14 - элемент упругий; 15 - элемент отражающий; 16 - датчик перемещения бесконтактный; 17 -корпус; 18 - средство обработки информации; 19, 20 - диск растровый.

В корпусе 17 устройства монтируется вал 1 в опорах 7 и 8. В устройстве применяется одна опора 7 с возможностью вращательного движения вала с одной стороны вала без возможности перемещения вала вдоль своей оси и опора 8 с возможностью вращательного и осевого перемещения вала. На валу 1 соосно закреплены две цилиндрические втулки 2, 3 с растровыми дисками, соответственно 19, 20 таким образом, чтобы отверстия в растровых дисках были расположены оппозитно. Каждый растровый диск 2, 3 выполнен со светоизолирующей цилиндрической частью, соответственно 11, 12, закрепленной на внешнем контуре соответствующего диска.

От источника 4 света к отверстию на растровом диске 20 подведен излучающий световод 9, а к отверстию на противоположном растровом диске 19 подведен принимающий световод 10, связанный с фотоприемником 5. Источник света 4 и фотоприемник 5 расположены в кожухе 6 неподвижном, где также расположено средство обработки информации 18, при этом кожух 6 расположен за пределами устройства.

На валу 1 также установлен упругий элемент 14, на котором закреплен выполненный в виде тонкого диска отражающий элемент 15, который снабжен светоизолирующей цилиндрической частью 13. Бесконтактный датчик 16 перемещения установлен неподвижно напротив отражающего элемента 15. Бесконтактный датчик 16 перемещения устанавливают на заданном расстоянии от отражающего элемента 15 в зоне деформации упругого элемента 14. В неподвижном кожухе 6 также расположено средство обработки информации 18, которое связано с бесконтактным датчиком 16 перемещения.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений предлагаемое устройство монтируется между сверлом и приводом вращения сверла. Включается привод вращения сверла.

Когда устройство работает на холостом ходу, без приложения нагрузки, отверстия растровых дисков находятся прямо друг напротив друга так, что, когда они во время очередного поворота попадают в позицию напротив световодов, свет от световода 9 излучающего свободно проходит через отверстия растровых дисков и попадает в полном объеме в световод 10 принимающий, при этом элемент 15 отражающий находится в нулевом положении, напротив бесконтактного датчика перемещения 16.

В момент вращения инструмента при сверлении, возникающий крутящий момент стремится провернуть противоположные концы вала 1 относительно друг друга при этом растровые диски немного проворачиваются относительно друг друга и, следовательно, отверстия в растровых дисках смещаются относительно друг друга. Это приводит к уменьшению светового потока, который попадает из световода 9 излучающего в световод 10 принимающий, когда отверстия растровых дисков проходят мимо световодов. Интенсивность пучка света, попадающего на фотоприемник 5 через световод 10 принимающий зависит от угла скручивания вала 1 и крутящего момента. Чем больше крутящий момент, тем больше угол скручивания вала 1, тем меньше световой пучок, проходящий через отверстия в растровых дисках. Т.к. световой пучек формируется периодически, то по количеству сигналов в единицу времени можно судить о частоте вращения вала 1.

Также при сверлении возникает сила, направленная вдоль оси сверления противоположно заготовке. Это усилие воздействует на упругий элемент 14, который под воздействием данной силы упруго деформируется и перемещается в направлении от бесконтактного датчика 16 перемещения, при этом зазор между бесконтактным датчиком 16 перемещения и элементом 14 упругим увеличивается и происходит изменение величины сигнала бесконтактного датчика 16, который подается на средство обработки информации 18. Влияние на результаты измерения светового потока теней, полутеней, подсвета, которые изменяются при изменении скорости вращения вала снижаются за счет использования светоизолирующих цилиндрических частей 11, 12 на растровых дисках 19, 20 и светоизолирующей цилиндрической части 13 на отражающем элементе 15. Данные от фотоприемника 5 и от бесконтактного датчика 16 перемещения попадают на средство 18 обработки информации.

Таким образом, по сравнению с ближайшим аналогом предлагаемое изобретение решает задачу создания простого устройства для исследования параметров конкретного материала с расширенными технологическими возможностями для получения совмещенной картины силовых и скоростных зависимостей, в частности крутящего момента, осевой силы резания и частоты вращения сверла при сверлении мягких не металлических материалов сверлами малого диаметра 1,8 мм и менее с возможностью установки данного устройства в станки для одностороннего и двустороннего сверления, в том числе автоматизированные для ограничения силы подачи, крутящего момента на сверле и предотвращения поломок сверл и брака материала.

Пример использования устройства для измерения крутящего момента, осевой силы и скорости вращения инструмента при сверлении заготовки из полимерного материала сверлом диаметром 1 мм.

Перед началом измерений предлагаемое устройство монтируют между двигателем с частотой вращения 12000 об/мин и цанговым патроном, в который установлено спиральное сверло диаметром 1 мм. Заготовку, в виде пластины толщиной 4 мм из полимерного материала, монтируют в узел зажима заготовки.

Включают двигатель, при этом вал 1, элемент 14 упругий и втулки цилиндрические с растровыми дисками начинают вращаться. Поскольку в данный момент предлагаемое устройство работает на холостом ходу и нагрузка к устройству не прикладывается, то отверстия растровых дисков находятся оппозитно, когда они во время очередного поворота попадают в позицию напротив световодов, свет от световода 9 излучающего свободно проходит через отверстия растровых дисков и попадает в полном объеме в световод 10 принимающий, при этом элемент 15 отражающий находится в нулевом положении, напротив бесконтактного датчика 16 перемещения.

Далее производят процесс сверления заготовки. В момент врезания инструмента в заготовку крутящий момент, возникающий при сверлении стремится провернуть противоположные концы вала 1 относительно друг друга при этом растровые диски немного проворачиваются относительно друг друга и, следовательно, отверстия в растровых дисках смещаются относительно друг друга. Это приводит к уменьшению светового потока, который попадает из световода 9 излучающего в световод 10 принимающий, когда отверстия растровых дисков проходят мимо световодов.

Количество отверстий растровых дисков выбирают, например - 4 шт в каждом диске, таким образом за каждый оборот растровых дисков 19 и 20 относительно световодов 9 и 10 происходит передача 4х сигналов о величине крутящего момента. При этом, при частоте вращения вала 12000 об/мин происходит передача 48000 сигналов в минуту.

При частоте вращения инструмента 12000 об/мин и подаче 0,1 мм/оборот будет происходить сверление 20 мм в секунду. Т.е. пластина толщиной 4 мм будет просверлена за 0,2 сек (без учета врезания и выхода инструмента из заготовки) и при этом произойдет передача 160 сигналов за цикл обработки, что вполне достаточно для построения графика зависимости крутящего момента от времени и графика зависимости частоты вращения инструмента от времени. При более высокой скорости вращения инструмента выбирают растровые диски с большим количеством отверстий.

Также при сверлении возникает сила, направленная вдоль оси сверления противоположно заготовке, что приводит к изменению зазора между бесконтактным датчиком 16 перемещения и элементом 14 упругим и происходит изменение величины сигнала датчика 16, который подается на средство 18 обработки информации в постоянном режиме.

Таким образом, предлагаемое изобретение предлагает конструкцию более простого устройства с расширенными технологическими возможностями по сравнению с ближайшим аналогом для получения совмещенной картины силовых и скоростных зависимостей, в частности крутящего момента, осевой силы резания и частоты вращения сверла при сверлении мягких не металлических материалов сверлами малого диаметра 1,8 мм и менее, с возможностью установки данного устройства в станки для одностороннего и двустороннего сверления, в том числе автоматизированные. В отличие от ближайшего аналога устройство имеет малые габариты и может быть использовано для автоматического регулирования работы оборудования, при этом отличается высокой точностью измерений малых величин при вращении вала с относительно большой скоростью.

Изобретение относится к измерительному оборудованию и может быть использовано для получения совмещенной картины силовых и скоростных зависимостей, в частности крутящего момента, осевой силы резания и частоты вращения сверла при сверлении мягких не металических материалов сверлами малого диаметра. Устройство содержит вал, один конец которого смонтирован с возможностью вращательного движения, а второй конец вала - с возможностью вращательного движения и осевого перемещения. На валу закреплены две цилиндрические втулки с растровыми дисками таким образом, что отверстия на растровых дисках расположены оппозитно, внешний контур каждого растрового диска снабжен светоизолирующей цилиндрической частью. К отверстию на одном растровом диске от источника света подведен излучающий световод, а к оппозитному отверстию на другом растровом диске - принимающий световод, связанный с фотоприемником. На валу дополнительно установлен упругий элемент с закрепленным на нем отражающим элементом, выполненным в виде тонкого диска со светоизолирующей цилиндрической частью, закрепленной на внешнем контуре диска. Напротив отражающего элемента в зоне деформации упругого элемента неподвижно установлен бесконтактный датчик перемещения. Устройство снабжено средством обработки информации, которое связано с источником света, фотоприемником и бесконтактным датчиком перемещения и расположено вместе с источником света и фотоприемником в отдельном кожухе за пределами устройства. Технический результат заключается в упрощении конструкции и расширении технологических возможностей. 1 ил.

Оптоэлектронное устройство для измерения крутящего момента, осевой силы и скорости вращения инструмента, содержащее вал, установленный с возможностью скручивания, на котором закреплены две цилиндрические втулки с растровыми дисками, источник света и фотоприемник, расположенные в отдельном кожухе, отличающееся тем, что один конец вала смонтирован с возможностью вращательного движения, а второй конец вала - с возможностью вращательного движения и осевого перемещения, цилиндрические втулки закреплены на валу таким образом, что отверстия на растровых дисках расположены оппозитно, внешний контур каждого растрового диска снабжен светоизолирующей цилиндрической частью, к отверстию на одном растровом диске от источника света подведен излучающий световод, а к оппозитному отверстию на другом растровом диске - принимающий световод, связанный с фотоприемником, на валу дополнительно установлен упругий элемент с закрепленным на нем отражающим элементом, выполненным в виде тонкого диска со светоизолирующей цилиндрической частью, закрепленной на внешнем контуре диска, напротив отражающего элемента в зоне деформации упругого элемента неподвижно установлен бесконтактный датчик перемещения, кроме этого, устройство снабжено средством обработки информации, которое связано с источником света, фотоприемником и бесконтактным датчиком перемещения и расположено вместе с источником света и фотоприемником в отдельном кожухе за пределами устройства.