Устройство для определения поломки режущего инструмента Советский патент 1992 года по МПК B23B49/00 

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к средствам диагностики состояния режущего инструмента в ГПМ.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей устройства определения поломки режущего инструмента за счет повышения точности и надежности его работы, а также адаптируемости к конкретным условиям резания вус-- ловиях функционирования ГПМ.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - функциональная схема запоминающего устройства; на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства; на фиг. 4 - временные диаграммы формирования зоны

допустимых значений изменения сигнала ОВАК.

Схема устройства (фиг. 1) содержит соединенные последовательно преобразователь 1 вибраций, усилитель 2, фильтр 3 высоких частот (ФВЧ), детектор 4, первый фильтр 5 низких частот (1ФНЧ), а также три канала прохождения сигнала, первый из которых содержит последовательно включенные компаратор 6 с зоной нечувствительности своим входом подключенный к выходу 1 ФНЧ 5, и схему 7 задержки времени, вход которой параллельно подключен к второму входу элемента И-НЕ 8. Второй канал прохождения сигнала состоит из последовательно включенных детектора 9 и второго ФНЧ 10, а также двух

XI

ю о о

параллельных цепей, каждая из которых содержит последовательно включенные запоминающие блоки 11 и 10, схемы сравнения 13 и 14 и двухпороговые компараторы 15 и

16(для первой и второй цепей соответствен- но), другие входы которых подключены к выходам запоминающих блоков 11 и 12, при этом другие входы схем 13 и 14 сравнения подключены к входам запоминающих блоков 11 и 12 соответственно. Вход запоминаю- щего блока 11 первой цепи подключен к выходу 1ФНЧ5,аблока12-квыходу2ФНЧ 10.

Третий канал содержит генератор 17 импульсов, а также последовательно включенный дифференциатор 1.8, своим входом подключенный к выходу 1 ФНЧ 5, компаратор с регулируемым порогом 19, опорный вход которого подключен к выходу запоминающего блока 1.2 второй цепи, элемент 8 И-НЕ, подключенный своим первым входом к выходу компаратора 19, IK-триггер 10, к инверсному выходу которого подключен одним входом первый элемент ИЛИ 21, а к прямому выходу IK-триггера 20 подключен первый элемент И 22, другим входом парал- лельно подключенный к выходу генератора

17импул ьсов и третьему входу трехвходово- го элемента И 23, последовательно включенные счетчик 24 импульсов, своим входом подключенный к выходу первого элемента И 22, дешифратор 25, трехвходовый элемент ИЛИ 26, второй элемент И 27, система

28 управления. Другой вход второго элемента И 27 подключен к выходу второго элемента ИЛИ 29, входы которого подключены к выходам двухпороговых компараторов 15 и 16 обеих цепей второго канала прохождения сигнала, причем первый вход элемента И 23 подключен к инверсному выходу триггера 22, второй подключен к выходу схемы 7 задержки времени, а выход параллельно подключен к входам разрешения записи запоминающих блоков 11 и 12, выход компаратора 19 подключен к другому входу элемента ИЛИ 21, выход которого соединен с входом установки нуля счетчика 24 импульсов. .

Двухпороговые компараторы 15 и 16 в устройстве обеспечивают появление на их выходе сигнала логической IUBxi U0n (где Don - опорное напряжение) и могут быть выполнены по известной схеме. В состав запоминающих блоков 11 и 12 (фиг. 2) входят аналогово- цифровой преобразователь D1, буферный регистр D2 и цифроаналоговый преобразователь D3. Аналогово-цифровой преобразователь D1 управляется импульсами с выхода трехвходового элемента И 23 (фиг. 1). Запись информации в буферный регистр D2 осуществляется по сигналу SE Готовность данных, формируемому в D1 (фиг. 2).

В качестве системы 28 управления станка может быть использована система электроавтоматики либо ЧПУ станка.

Схема 7 задержки времени обеспечивает появление сигнала логической 1 на своем выходе спустя 100-150 мс после появления последнего положительного перепада уровней на ее входе и может быть выполнена по известной схеме на основе одновибратора с повторным перезапуском.

Дифференциатор 18 может быть выполнен, например, на основе дифференцирующего операционного усилителя.

Работа устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 3, 4), на которых обозначены: сигнал ЗОа - на выходе ФНЧ 5, сигнал 306 - уровень срабатывания компаратора с зоной нечувствительности 6, сигнал 31 - на выходе компаратора с зоной нечувствительности 6, сигнал 22 - на выходе схемы 7 задержки времени, сигнал ЗЗа - на выходе дифференциатора 18 (сигнальном входе компаратора с регулируемым порогом 19), сигнал 336 - на опорном входе компаратора 19, сигнал 34 - на выходе второго элемента ИЛИ 29, сигнал 35 - на выходе генератора прямоугольных импульсов, сигнал 36 - на выходе элемента 8 И-НЕ, сигнал 37 - на инверсном выходе триггера 20, сигнал 38 - на выходе первого элемента И 22, сигнал 39 - на выходе трехвходового элемента ИЛИ 26, сигнал 40 - на выходе второго элемента И 27, 41 а - сигнал на выходе второго ФНЧ 10, 416 - на выходе запоминающего блока 12 второй цепи, 42а - на выходе схемы 14 сравнения, 426 и в - соответственно отрицательный и положительный уровни срабатывания двухпорого- вого компаратора 16.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал виброакустических колебаний с выхода преобразователя 1 ви.браций, установленного на резцедержателе или на резце, усиливается усилителем 2 и подается на фильтр 3 высоких частот с частотой среза 1-2 кГц, с помощью которого происходит отстройка сигнала от низкочастотных помех, вызванных работающим приводом станка и суппортом, Далее сигнал подается на первый детектор 4 и первый фильтр низких частот 5, где происходит выделение сигнала ОВАК (сигнал ЗОа, фиг. 3) во всей полосе частот, пропускаемой устройством. С выхода ФНЧ 5 сигнал одновременно поступает в три канала прохождения, в первом из которых определяется факт наличия процесса резания, соответствующий логической 1 на выходе компаратора 6 с зоной нечувствительности, уровень срабатывания которого находится выше уровня шумов, имеющих место на выходе первого ФНЧ 5 при отсутствии процесса резания (сигнал 306, фиг. 3) С выхода компаратора б сигнал подается на схему 7 задержки времени, служащей для нейтрализации действия импульсных помех в отсутствии резания. При этом помеха (момент времени ty, фиг; 3), вызванная случайными ударами по суппорту, импульсными электромагнитными помехами и т.д., на выход схемы 7 задержки не проходит (сигналы 31 и 32, фиг. 3), что не приводит к ложному срабатыванию устрой- ства.

Сигнал о наличии резания с выхода компаратора 6 поступает также на второй вход элемента 8 И-НЕ, на второй вход которого подается сигнал с выхода компаратора с регулируемым порогом 19. В результате на выходе элемента 8 И-НЕ формируется сигнал логического О, который свидетельствует о возникновении в процессе резания крутого фронта перепада уровня сигнала ОВАК, превышающий исходный в 1,5-2 раза и более (сигнал 36, фиг. 3).

С выхода ФНЧ 5 сигнал ОВАК поступает также во второй канал прохождения сигнала, где происходит анализ уровня его изме- нения во времени в двух параллельных цепях, каждая из которой состоит из последовательно соединенных запоминающего блока (11, 12), схемы сравнения (13, 14) и двухпорогового компаратора (15, 16), соот- ветственно. При этом в запоминающих блоках 11 и 12 происходит последовательное дискретное запоминание уровней напряжений на их.сигнальных входах в соответствии с управляющими импульсами, поступающи- ми с выхода трехвходового элемента И 23 (сигнал 336, фиг. 3 и сигнал 416, фиг. 4). В запоминающем блоке 11 первой цепи хранится информация об общем уровне сигнала ОВАК, а в блоке 12 второй цепи - об уровне высокочастотной составляющей, так как сигнал на вход блока 12 поступает с выхода ФНЧ 5 последовательно через дифференциатор 18, второй детектор 9 и второй ФНЧ 10. С выходов запоминающих блоков 11 и 12 обоих цепей второго канала дискретно запоминаемые сигналы поступают на входы устройств сравнения (сигнал 416, фиг. 4, для первой цепи - аналогично), на вторые входы которых поступают текущие значения .напряжений сигналов ОВАК (сигнал 41 а, фиг. 4).

На выходах схем 13 и 14 сравнения образуются разности поступающих на их входы напряжений сигналов (сигнал 42а, фиг

4). Эти разности напряжений поступают на сигнальные входы.соответствующих двух- пороговых компараторов 15 и 16, на опорные входы каждого из которых подается часть выходного напряжения соответствующего ему запоминающего блока, которая составляет 20-40% от амплитуды выходного сигнала последнего. В компараторах 15 и 16 формируются два порога срабатывания -Коп и +Uon (сигналы 426 и в, фиг. 4, соответственно), интервал напряжений между которыми определяет зону допустимых значений изменений сигналов ОВАК за время, равное периоду генератора 17 импульсов (сигнал 35, фиг. 3) при резании в отсутствие поломки инструмента.

Выходы двухпороговых компараторов 15 и 16 подключены к входам второго элемента ИЛИ 29, напряжение логической 1 на выходе которого сигнализирует о выходе сигнала ОВАК либо в первой, либо во второй цепи, либо одновременно в обоих цепях за пределы зоны допустимых значений. Это говорит о значительном перераспределении спектра виброакустических колебаний системы СПИД, которое в общем случае, является следствием изменений условий обработки и при прочих постоянных факторах влияющих на колебания упругой системы станка при резании (стационарность резания, постоянство упругодиссипативных свойств станка и обрабатываемой детали) может свидетельствовать о факте происшедшей поломки режущего инструмента (сигнал 34, фиг. 4).

Третий канал прохождения сигнала предназначен для выделения и регистрации крутого фронта перепада уровня сигнала ОВАК (моменты времени t3, Ш. фиг. 3 и 4), управления работой запоминающих блоков 11 и 12 и формирования, начиная с этих моментов времени двух последовательных интервалов, первый из квторых (интервалы ts -14, ti2 - Хтз, фиг. 3) служит задержкой на время переходного процесса, возникающего при поломке, а во время второго интервала (интервалы t4 - ts, 113 - tn, фиг. 3) осуществляется анализ уровней сигналов ОВАК на их выход из зон допустимых значений, сформированных для каждого из этих сигналов к моментам регистрации крутого фронта (момента времени тз, ti2, фиг. 3 и 4).

Для выделения крутого фронта перепада уровней с выхода ФНЧ 5 сигнал ОВАК через дифференциатор подается на вход компаратора с регулируемым порогом 19, на другой вход которого поступает напряжение, пропорциональное выходному напряжению запоминающего блока 12,

увеличенного по амплитуде в 1,5-2 раза (сигнал 336, фиг. 3).

Сигнал логической 1, соответствующий выделенному крутому фронту сигнала ОВАК с выхода компаратора 19 проходит через первый элемент ИЛИ 21 на вход установки нуля счетчика 24 импульсов и одновременно поступает на вход элемента И-НЕ 8, на другой вход которого уже подано напряжение логической 1 с выхода компаратора 6, соответствующее наличию резания. На выходе элемента И-НЕ 8 появляется сигнал логического О (сигнал 36, моменты времени т,з, ti2, фиг. 3) и подается на S-вход триггера 20, что приводит к появлению на его инверсном выходе сигнала логического О (сигнал 37, моменты времени т,з, Ш, фиг. 3), который запрещает прохождение импульсов с выхода генератора 17 через трех- входовой элемент И 23 (интервалы времени t3 - ts, ti2 - ti4, фиг. 3) на управляющие входы запоминающих блоков 11 и 12, что обусловливает сохранение информации об уровнях сигналов ОВАК с момента регистрации крутого фронта на время 4ТГ At :Ј 5ТГ, где Тг

-период генератора импульсов. Запрещение прохождения импульсов осуществляется также по сигналу логического О с выхода схемы 7 задержки времени (сигнал 32, фиг, 3), чем обеспечивается хранение уровней сигналов ОВАК в промежутках между интервалами резания (интервалы te - tn, tis-tie, фиг. 3),

В моменты времени ts и ti2 (фиг. 3) на прямом выходе триггера 20 появляется сигнал логической 1, который подается на вход первого элемента И 22, на другой вход которого подаются импульсы с генератора 17. Эти импульсы, проходя через элемент И 22 (сигнал 38, фиг. 3), попадают на счетный вход счетчика 24 импульсов, на выходе которого появляется информация в двоичном коде о количестве импульсов, прошедших на его вход. Далее эта информация подается на вход дешифратора 25, на каждом из выводов которого появляется сигнал логической 1 при прохождении на вход счетчика 24 импульса, соответствующего этому выводу.

Сигналы с второго-четвертого выводов дешифратора 25 подаются на вход трехвхо- дового элемента ИЛИ 26, на выходе которого от начала второго импульса до начала пятого, считая с моментов т.з и t2 фиг, 3, формируется временной интервал с уровнем логической 1 (сигнал 39, интервалы t4

-ts, Из - ti4, фиг, 3), который обеспечивает анализ уровней сигналов ОВАК только в заданных промежутках времени (t4 - ts, ti3 -in, фиг. 3), что повышает достоверность иде

тификации поломки режущего инструмента, Результат анализа нахождения сигналов ОВАК в зонах допустимых значений в виде сигнала с выхода второго элемента И 27

(сигнал 40, фиг. 3) поступает в систему 28 управления станка, которая выдает команду на отключение привода главного движения и отвод суппорта.

Первый вывод дешифратора 26 не за0 действован, поэтому интервалы времени (ts - t4, ti2 - ti3, фиг. 3) служат задержкой для исключения влияния переходного процесса, происходящего при поломке, на анализ нахождения сигналов ОВАК в зонах допусти5 мых значений. Время переходного процесса после поломки в упругой системе при обработке определяется ее конкретным динамическим состоянием. Это накладывает определенные условия на выбор частоты

0 генератора 17 импульсов, а именно чем больше время любого переходного процесса в упругой системе, которое можно оценить экспериментальнодем больше должен быть период генератора импульсов, при

5 этом должно выполняться условие Тг Тп, где Тп - время переходного процесса в системе СПИД, определяемое экспериментально для каждого типа станка.

В момент прихода пятого импульса (мо0 мента времени ts, ti4, фиг. 3) на соответствующем ему выходе дешифратора появляется сигнал логической 1 и подается на вход установки О триггера 20 (К-вход), что переводит триггер 20 в исходное (нулевое) состо5 яние. На инверсном выходе триггера 20 появляется сигнал логической 1, который через первый элемент ИЛИ 21 подается на вход установки О счетчика 24, что приводит к появлению на выходах дешифратора

0 25 сигнала логического О (моменты времени ts, ti4, фиг. 3).

Схема возвращается в состояние ожидания следующего перепада уровня сигнала ОВАК.

5В устройстве анализ уровня ОВАК производится одновременно по общему уровню сигнала (в первой цепи второго канала прохождения сигнала) и по уровню ОВАК высокочастотной области спектра (во вто0 рой цепи прохождения сигнала). В известном устройстве анализируется только общий уровень этого сигнала (во всей полосе частот, пропускаемых устройством) и выделяется высокочастотная область спектра

5 путем подачи сигнала ОВАК через дифференциатор на компаратор для определения крутого фронта перепада уровня сигнала, т.е. предполагаемого момента возникновения поломки. В предлагаемое устройство введены дополнительно последовательно

подключенные к выходу дифференциатора второй детектор и второй ФНЧ, позволившие получить сигнал ОВАК высокочастотной области спектра, и в совокупности с известной цепью прохождения сигнала: запоминающий блок - схема сравнения - компаратор, а также введенным дополнительно вторым элементом ИЛИ для объединения в один канал обеих цепей, исходные положительные свойства известного устройства усиливаются. При этом в результате поломки режущего инструмента за счет перераспределения спектра виброакустических колебаний общий уровень сигнала ОВАК может не измениться или измениться незначительно.

Дополнительный анализ высокочастотной области спектра за счет организации второй цепи прохождения сигнала позволяет фиксировать не только глобальные поломки, когда, например, наблюдается потеря контакта инструмента с обрабатываемой деталью, но и мелкие его сколы и выкрашивания. Это повышает точность определения поломки и надежность работы устройства.

В предлагаемом устройстве реализована функция хранения информации о величине уровней сигналов ОВАК в промежутках времени между резанием, (интервал te - tio, фиг. 3), чего нет в известном, что позволяет достоверно фиксировать поломку в момент врезания инструмента в деталь, а также в режимах прерывистого резания, Это обеспечивается введением нового элемента - трехвходового элемента И 23, управляющего записью информации в запоминающие блоки 11 и 12 и подключением одного из его входов к компаратору с зоной б нечувствительности через схему 7 задержки времени (фиг. 1). По окончании очередного участка обработки (моменты времени te, 115, фиг. 3 и 4) на выходе схемы 7 задержки появляется сигнал логического О (сигнал 32, фиг. 3), который обеспечивает прекращение поступления управляющих импульсов через элемент 23 от генератора 17 к запоминающим блокам 11 и 12. Таким образом при прекращении резания информация об уровне ОВАК в предыдущем проходе в устройстве сохраняется до последующего прохода.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Устройство для определения поломки режущего инструмента, содержащее соединенные последовательно преобразователь вибраций, усилитель, фильтр высоких частот, первый детектор, первый фильтр низких частот, а также систему управления и три канала прохождения сигнала, первый из которых содержит последовательно включенные компаратор с зоной нечувствительности, входом подключенный к выходу первого фильтра низких частот, и схему задержки времени, второй канал содержит

5 две параллельные цепи, в каждой из кото- - рых последовательно включены запоминающий блок, схемы сравнения и двухпороговый компаратор, другой вход которого подключен к выходу запоминающего

0 блока, при этом другой вход схемы сравнения подключен к входу запоминающего блока каждой цепи соответственно, а вход запоминающего блока первой цепи подключен к выходу первого фильтра низких частот,

5 третий канал содержит генератор импульсов, дифференциатор, вход которого подключен к выходу первого фильтра низких частот, и последовательно включенные элемент И-НЕ, IK-триггер, к инверсному выходу

0 которого подключен одним входом первый элемент ИЛИ, а к прямому выходу- первый элемент И, последовательно включенные счетчик импульсов, дешифратор и трехвхо- довой элемемент ИЛИ, причем второй вход

5 первого элемента ИЛИ подключен к первому входу элемента И-НЕ, а выход - к входу установки нуля счетчика импульсов, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к другому входу первого элемента И,

0 один из выходов дешифратора подключен к К-входу триггера, а вход счетчика импульсов

-к выходу первого элемента И, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что,.с целью расширения технологических возможностей путем повы5 шения точности и надежности в работе, а также повышения адаптируемости к изменениям условий резания в ГПМ, оно снабжено компаратором с регулируемым порогом, опорный вход которого подключен к выходу

0 запоминающего блока второй цепи, а выход

-к первому входу элемента И-НЕ, последовательно включенными вторым детектором и вторым фильтром низких частот, выход которого подключен к входу запоминающе5 го блока той же цепи, а вход второго детектора параллельно подключен к сигнальному входу компаратора с регулируемым порогом и выходу дифференциатора, вторым элементом ИЛИ, входы которого подключены к

0 выходам двухпороговых компараторов, трехвходовым элементом И, первый вход которого подключен к инверсному выходу триггера, второй - к выходу схемы задержки времени, третий - к выходу генератора пря5 моугольных импульсов, а выход параллельно подключен к управляющим входам запоминающих блоков, вторым элементом И, первый вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, второй вход.- к выходу трехвходового элемента ИЛИ, а выход - к входу-системы управления, причем выходу компаратора с зоной нечувствитель- второй вход элемента И-НЕ подключен к ности.

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к средствам диагностики состояния режущего инструмента в ГПМ, Цель изобретения - расширение технологических возможностей устройства за счет повышения точности и надежности в работе, а также повышения адаптируемости к изменениям условий резания в ГПМ. Анализ уровня акустического сигнала производится одновременно по общему уровню сигнала и уровню в высокочастотной области спектра. В результате поломки режущего инструмента за счет перераспределения спектра виброакустических колебаний общий уровень сигнала может не измениться или измениться незначительно. Дополнительный анализ высокочастотной области спектра при помощи организации второй цепи прохождения сигнала позволяет фиксировать не только глобальные поломки, когда наблюдается потеря контакта инструмента с обрабатываемой деталью, но и мелкие его сколы и выкрашивания. В устройстве реализована функция хранения информации о величине уровней сигналов в промежутках времени между резанием, что позволяет достоверно фиксировать поломку в момент врезания инструмента в деталь, а также в режимах прерывистого резания. 4 ил. (Л С

50

, Фиг. г

- «4j|f V-Av4

52

33

Vi

M

l 1

n

t, ts

I «t

IlllltillllllllllllllH

1

teTl

n

t« Ц

EL

tg Ц tg Ц t-ц Фиг. 4 .

tie tts t