Устройство для диагностирования состояния режущего инструмента Советский патент 1992 года по МПК B23B25/06 

Предлагаемое изобретение относится к станкостроению и, главным образом, к диагностике режущей части инструмента.

Известны устройства для диагностирования режущей части инструмента, использующие в качестве носителя информации ультразвуковые колебания акустической эмиссии в процессе резания. При этом преобразователь акустических колебаний в эквивалентные электрические сигналы (например пьезоэлемент) размещен на неподвижной части станка и имеет качественный контакт через плотно сопряженные твердые металлические детали с источником акустической эмиссии, т.е. зоной резания. В этом случае связь с электрорегистрирующи- ми приборами может осуществляться либо

посредством резисторных цепей или, если используется какой-либо частотный диапазон переменных сигналов, могут быть использованы реактивные цепи, содержащие емкость или индуктивность. Описываемый аналог имеет несколько недостатков. Во-первых, если инструмент находится на вращающемся валу станка сверлильно- фрезерно-расточная группа станков, а преобразователь на неподвижной части станка (на столе или на изделии, укреплённом на столе), то плохо фиксируется трещинообра- зование и начало выкрашивания режущей части инструмента. Это связано с тем, что акустические колебания, возникшие в момент трещинообразования и выкрашивания, распространяются в основном в теле

VJ V|

О

ю ю

инструмента, оправки, шпинделя и т.д.. и только незначительная их часть через малую поверхность контакта инструмента с изделием будет распространяться в изделии и по столу, где закреплен преобразователь. Во-вторых, если преобразователь закреплен на валу станка и вращается вместе с валом, что возникают трудности с передачей сигнала на неподвижную деталь станка к месту размещения измерительной электроники. Особую актуальность это приобретает при необходимости передать бесконтактным способом информативные сигналы с держателя инструмента, на котором закреплен преобразователь, выполненного в виде вала, вращающегося вместе с инструментом, на неподвижное основание, где расположены измерительные электронные приборы.

Известно другое устройство. 8 оправке закреплен инструмент и она вставляется в шпиндель. Оправка снабжена сопряженными, но не вращающимися вместе с оправкой механическими деталями, к одной из которых крепится пьезозлемент. Предусмотрена возможность крепить эти детали к базовой части станка и разъем для вывода электрических сигналов. Акустический контакт осуществляется с помощью имерсион- ного слоя (масла), нагнетаемого в зазор между вращающейся оправкой и сопряженной неподвижной деталью, К недостаткам этого устройства следует отнести сложность и соответственно дороговизну конструкции, трудность ее установки на станок. Исключается применение стандартных оправок, в то время как Инструментальный магазин многооперационного станочного модуля при безлюдной технологии должен иметь не менее нескольких десятков инструментов, каждый из которых укреплен в своей оправке. Поэтому упомянутые сложности и трудности многократно тиражируются, а, если учесть и дополнительную потерю времени на механическое и электрическое подключение при каждой смене инструмента, то значительно снижается производительность станка. Кроме того, известная часть сигнала теряется в упомянутых зазорах, что повышает требования к электронике, усложняя ее. Поэтому недостаточна чувствительность, достоверность и стабильность результатов измерений.

В качестве прототипа выбрано устройство, содержащее пластину, закрепленную в торце шпиндельного узла таким образом, что шпиндель проходит через отверстие в пластине. На пластине закреплен преобразователь. Акустические колебания из шпинделя через имерсионный слой проходят в

пластину и достигают преобразователя. К недостаткам прототипа следует отнести малую чувствительность, обусловленную прохождением акустических колебаний через

имерсионный слой между шпинделем и пластиной. Особенно, если толщина пластины мала.

Широко известна также передача информационных сигналов с подвижной час0 ти устройств на неподвижную посредством конденсаторов с раздельными обкладками, имеющими возможность перемещения друг относительно друга, мли с помощью перемещающихся одна в другой катушек

5 трансформаторов. Такие устройства, триммеры, например, можно использовать в станочной практике по своему прямому назначе нию.

Основным недостатком таких систем

0 передач является нестабильность коэффициента передачи, что, в частности, для передачи сигнала с помощью конденсатора, связано с нестабильной величиной зазора между обкладками. Особенно это влияет,

5 если обкладки круговые, вращаются одна внутри другой, а вал, вращающий обкладку, имеет радиальное и осевое биения. Нестабильности зазора и соответственно коэффициента передачи обуславливают

0 недостоверность и нестабильность диагностирования. Аналогичное относится и к трансформаторной передаче.

Таким образом, целью предполагаемого изобретения является повышение досто5 верности диагностирования путем поддержания равномерности зазора между обкладками конденсатора или обмотками трансформаторов, и расширение технологических возможностей.

0 Устройство включает в себя не менее одного преобразователя акустических волн в электрические сигналы, жестко закрепленного на валу держателя инструмента, например, на шпинделе. Для передачи

5 сигналов с вала в устройство введены круговые конденсаторы, соосные валу, число конденсаторов по числу информативных выводов преобразователей. Выводы преобразователей соединены с соответ0 ствующими внутренними обкладками конденсаторов. Эти внутренние обкладки механически жестко скреплены с валом, но электрически изолированы от тела вала посредством кольца из изолирующего матери5 ала между внутренней обкладкой и валом. Внешние обкладки проводниками соединены с электронными приборами. Внешние обкладки имеют зазор относительно внутренних обкладок, скреплены с неподвижной относительно вращения вала деталью

станка, имеющей возможность поступательного перемещения вместе с валом.

Улучшение достоверности и стабильности диагностирования путем поддержания равномерности зазора между обкладками конденсаторов в процессе работы достигается тем, что в устройство введены не менее одного гидродинамического подшипника скольжения. Ширина кольца подшипника превышает 10 мм. Зазор между внутренней поверхностью кольца и поверхностью вала составляет 0,03-0,06 мм в том месте, где кольцо удерживается на валу посредством введенного в устройство жесткого по длине стержня. Другой конец стержня закреплен на упомянутой неподвижной детали, поступательно перемещающейся с валом. В толще подшипника предусмотрен канал для подвода масла и канавки для распределения и заполнения маслом под давлением 3-6 атм всего зазора между подшипником и валом. Внешние обкладки конденсаторов крепятся к торцевой поверхности кольца подшипника и, если их (обкладок) много, то между собой. В этих случаях может быть использовано несколько подшипников, например, симметрично в центре и по краям конструкции. Однако, предусматривается электрическая изоляция посредством прокладок как обкладок конденсаторов между собой, так и от подшипников. Зазор между внешними и внутренними обкладками конденсаторов составляет 0,15-0,25 мм, что в 2,5-8.раз больше зазора между подшипником и валом. Благодаря этому обкладки конденсаторов не замыкаются. Этот зазор может заполняться чистым маслом, что в 2 раза увеличивает величину емкости. При вращении кольцо подшипника вследствие гидродинамического эффекта всплывает и из-за равномерности распределения масла в зазоре между кольцом подшипника и поверхностью вала поддерживается стабильным и зазор между внешней и внутренней обкладками конденсаторов. Стабильность зазора повышается при этом более, чем на порядок. Соответственно повышается и достоверность отсчета.

Расширение возможностей диагностирования достигается, во-первых, простым увеличением количества преобразователей, укрепленных на валу, и соответственным увеличением количества конденсаторов и, при необходимости, подшипников. Во-вторых, на наружных поверхностях колец подшипников предусматриваются плоскости для установки дополнительных преобразователей, возможность их закрепления с упругим прижимом и защитой от воздействия масла, выводы для сигналов.

На фиг. 1 -эскизно показана сборка: на фиг. 2 - сечение предлагаемого устройства.

На валу 1 в специальной нише (в про- 5 стейшем случае фрезерованный поперек вала уступ) закреплен преобразователь 2 ультразвуковых (УЗ) волн в электрические сигналы (пьезоэлемент). Для плотного акустического контакта с валом пьезоэлемент 2

0 поджат пружиной 3 с помощью прижимно го винта 4. Электрически пьезоэлемент 2, особенно его обкладки, должны быть изолированы от вала (не показано). Через специальные каналы обкладки пьезоэлемента2

5 проводниками 5 соединены с внутренними кольцами (обкладками) 6 кругового конденсатора. Контакт осуществляется с помощью лепестка и винта, которые видны на фиг,, но не нумерованы. Этими же винтами внутрен0 ние обкладки 6 крепятся к кольцам 7 из изолирующего материала (текстолит), плотно закрепленного на валу (крепление не показано). Внешние кольца-обкладки 8 кругового.конденсатора крепятся к изолиру5 ющим кольцам 9, которые плотно скреплены (элементы крепления не показаны) с кольцами 10 гидродинамического подшипника. Между кольцами 6 и 8 образован зазор 11 величиной 0.15-0,25 мм. Между

0 валом и кольцом 10 предусмотрен зазор 12 величиной 0,03-0,06 мм. В продольном направлении (вдоль оси вала 1) кольцо 10 подшипника удерживается жестким в этом направлении стержнем 13. Стержней 13 мо5 жет быть несколько. Предпочтительно их симметричное расположение относительно . оси вала 1. Для крепления стержней 13 к подшипнику 10 предусмотрены хомуты 14. Подвод масла через штуцер 15 осуществля0 ется так, что зазор 12 заполнятся под давлением 3-6 атм. Просачиваясь к выходу, масло заполняет и другие зазоры, в том числе и зазоры 11 между обкладками 6 и 8 конденсаторов. Это вдвое повышает емко5 сти конденсаторов, т.к. диэлектрическая постоянная масла равна 2. Для выхода масла предусмотрен штуцер 16. На внешней поверхности подшипника 10 предусматривается изготовление не менее одной пло0 скости 17 для установки дополнительных пьезоэлементов 18. Пьезоэлементы 18 размещены в кожухах 19 (крепление 19 не показано) и прижимаются к плоскости 17 пружиной 20 с помощью винта 21. Фланцы

5 22 служат для удержания фторлоновых уплотнений 23, предохраняющих от излишних потерь масла. Винты 24 крепчт внешние кольца 8 конденсаторов к изоляторам 9, и с их помощью электрические сигналы могут быть отведенч к электронным приборам.

Лепестки для припайки проводов не нумерованы.

Устройство работает следующим образом. При вращении вала 1 и наличии масла в зазоре 12 вследствие гидродинамического эффекта подшипник 10 всплывает, и чем быстрее вращение, тем равномернее поддерживается средняя величина зазора 12. Следовательно, даже если в этом месте имеется радиальное биение вала 1 относительно оси вращения, это не влияет на постоянство средней величины зазора 12. Т.к. подшипник 10 жестко соединен с изолирующей деталью 9 и соответственно с внешней обкладкой 8 конденсатора, то, естественно, равномерной и стабильной поддерживается средняя величина зазора 11 между обкладками б и 8г конденсатора. Поэтому исключено амплитудное искажение сигнала, передаваемого от пьезоэле- мента 2 через конденсаторы во внешние цепи. Иначе говоря, поскольку при вращении слой масла жесток, то можно считать, что внешнее невращающееся кольцо конденсатора жестко связано с валом и колеблется синхронно с внутренним кольцом. Это и обусловливает равномерность зазора.

Это обстоятельство существенно отличает предлагаемое устройство от подобных, где невращающаяся часть конденсатора крепится непосредственно к какой-либо базовой детали, т.к. влияние радиальных биений вала в этом случае не исключается.

Следует учитывать, что вращающийся вал может иметь плохую электрическую связь с базовыми деталями. Дело в том, что при закреплении вала в шарикоподшипниках связь может быть прерывистой из-за перекатывания шариков. Если применяются подшипники скольжения, то связи не будет, т.к. масло, заполняющее подшипник, является изолятором. Именно поэтому для достоверной и стабильной передачи сигнала во внешние цепи для каждой обкладки пьезоэлемента 2 предусмотрен отдельный конденсатор.

Достоинство показанной конструкции и в том, что обкладки б и 8 и крепящие их детали размещены симметрично относительно подшипника 10. Это повышает устойчивость 10 при вращении. В отсутствие как вращения, так и масла в зазоре 12 электрического замыкания обкладок 6 и 8 не произойдет, т.к. зазор 12 в несколько раз меньше зазора 11.

Итак, в торце вала, где закреплен инструмент (не показано), в процессе резания возникают сигналы акустической эмиссии (АЭ), которые распространяются по инструменту, по валу, который служит волноводом

для акустических волн, препятствуя в известной степени вследствие цилиндрической формы рассеянию акустической энергии. Поскольку преобразователь 2 утоплен в тело вала, то на него воздействует большее количество энергии, чем тогда, когда преобразователь размещается ближе к поверхности вала. Поэтому чувствительность в этом случае в 1,2-1.3 раза выше.

0 В случае диагностирования состояния режущей части инструмента с помощью АЭ обычно бывает достаточно одного преобразователя, поскольку генератором АЭ является сама зона резания.

5 Но может оказаться, наиболее выгодно использовать искусственно создаваемый сигнал с априори заданными параметрами, с помощью которого зондируется зона резания, затем воспринимается отраженный

0 сигнал, и по изменению его параметров определяется состояние инструмента. Естественно, что для генерации такого сигнала необходим, по крайней мере, еще один преобразователь, возбуждающий акустические

5 колебания, эквивалентные поданным на него электрическим сигналам. Для этого при наличии места можно тиражировать конденсаторы и гидродинамические подшипники. Однако, если учесть, что мощностью

0 излучения генератора можно по желанию управлять извне, устройство может быть выполнено более просто: достаточно на внешней поверхности кольца 10 подшипника предусмотреть хотя бы одну плоскую повер5 хность 17, к которой в защитном кожухе 19 с помощью винта 21 и пружины 20 прижимается пьезоэлемент 18. Пьезоэлемент 18 возбуждается внешним генератором (не показан) в резонанс с собственной частотой,

0 преобразует электрические сигналы в эквивалентные акустические. Акустические сигналы приходят по телу подшипника 10, через имерсионный слой масла в зазоре 12, распространяются по валу 1 к зоне резания,

5 часть их отражается от режущей части инструмента в обратном направлении и фиксируется преобразователем 2.

Если пьезоэлемент 18 возбуждается импульсом и между возбуждающими импуль0 сами имеется достаточный временной промежуток, то в течение этого промежутка пьезоэлемент 18 с чувствительностью, на 20-30 процентов худшей, чем у преобразователя 2, может быть переключен на прием

5 сигналов в том числе и АЭ.

Таким образом, предлагаемое устройство успешно и очень надежно решает задачи регистрации трещинообразования и начала выкрашивания режущей части инструмента, износа инструмента в процессе резания, реализует разнообразные режимы определения интересующих параметров. Формула изобретения 1. Устройство для диагностирования состояния режущего инструмента, установленного в шпинделе, включающее по крайней мере один преобразователь акустической эмиссии,отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности диагностирования, в устройство введены по крайней мере один установленный на шпинделе гидродинамический подшипник скольжения и по крайней мере один круговой конденсатор с возможностью относитель0

ного вращения обкладок упомянутого конденсатора, причем внешняя обкладка конденсатора прикреплена к внешней поверхности кольца подшипника, а преобразователь акустической эмиссии установлен на шпинделе и соединен с внутренней обкладкой конденсатора. „.

2. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что, с целью расширения технбло- гических возможностей, на наружных поверхностях колец подшипников выполнены плоскости, предназначенные для установки дополнительных преобразователей акустической эмиссии.

Изобретение относится к станкостроению и используется при диагностике режущей части инструмента. Устройство включает в себя не менее одного преобразователя акустической эмиссии, жестко закрепленного на валу держателя инструмента. Для передачи сигналов с вала в устройство введены круговые конденсаторы. Выводы преобразователей соединены с соответствующими внутренними обкладками конденсаторов, жестко скрепленными с валом. Внешние обкладки соединены с приборами. Для поддержания равномерности зазора между обкладками конденсаторов в устройство введены не менее одного гидродинамического подшипника скольжения. На наружных поверхностях колеи подшипников предусматриваются полости для установки дополнительных преобразователей. 2 ил., 1 з.п.ф-лы.

/J

Ю

Фиг Л

П

Ю

15

Фиг. 2