Устройство для определения разрушения режущего инструмента Советский патент 1993 года по МПК B23B25/06 

vj ю

00

о

1ЧЭ

Использование: область машиностроения, в частности станкостроение, для защиты металлорежущего оборудования при обработке детали при аварийных ситуациях, связанных с разрушением режущего инструмента. Сущность: устройство содержит последовательно соединенные датчик 1 вибраций, усилитель 2. детектор 3, ключ 4, фильтр 5 низких частот, устройство выборки-хранения б, вычитающее устройство 7, вычитающий вход которого подключен к выходу фильтра 5 низких частот, а выход - к первому входу двухполярного компаратора 8, второй вход которого соединен с масштабным преобразователем 9, второй двух- входовый элемент И 10 и блок управления 11. Усилитель 12 с регулируемым коэффициентом подключен к выходу датчика 1 вибраций, а его вход соединен с одним из входов компаратора 13, второй вход которого подключен к выходу фильтра 5 низких частот, а выход - к входу первого двухвходового элемента И 14, второй вход которого через элемент временной задержки 16 соединен с выходом компаратора 15 наличия резания, сигнальный вход которого подключен к выходу фильтра 5 низких частот, а на опорный вход подается напряжение уставки. 9 ил. ел С

(ptf.1

Изобретение относится к машиностроению, в частности к станкостроению, предназначено для защиты металлорежущего оборудования обрабатываемой детали при аварийных ситуациях, связанных с разрушением режущего инструмента в процессе механической обработки, и может быть использовано для диагностики процесса резания. . / - .:

Целью изобретения является повышение достоверности определения момента разрушения режущего инструмента путем исключения дополнительного подзаряда; емкости фильтра низких частот при всплесках сигнала ВАЗ, путем замены периодической операции выборки-хранения сигнала с выхода фильтра низких частот на однократную и путем исключения необходимости в корректировке в процессе резания значения уставки для формирования команды на сравнение среднего значения сигнала ВАЗ до и после всплеска .входного сигнала. .. ;/ , ,. : . .;

Низкая достоверность определения момента разрушения режущего инструмента в прототипе обусловлена тем/что при произвольном, расположении во времени моментов выборки напряжения с выхода фильтра низких частот и начала анализа изменения его величины, выполняемого каждый раз после превышения пиковым значением сигна-. ла ВАЗ величины уставки, возможно совпадение этих моментов, что приводит к запоминанию в устройстве выборки-хранения величины сигнала, действующего в период переходного процесса, которое существенным образом отличается от величины сигнала, соответствующего нормальному ходу процесса резания и предшествующего появлению импульсного изменения сигнала. В результате в процессе дальнейшей обработки сигнала будет получен ошибочный результат.

Устранение описанного недостатка достигается путем замены ранее существовавшей в прототипе непрерывной операции выборки-хранения однократной, осуществляемой только один раз при наличии резкого по уровню возрастания сигнала ВАЗ и достижения им. значения уставки. При этом обеспечивается соответствие запоминаемого в устройстве выборки-хранения сигнала сигналу с выхода фильтра низких частот, соответствующему нормальному ходу процесса резания и предшествующему возникновению всплеска сигнала ВАЗ,связанного либо с разрушением режущего инструмента., либо со случайными возмущениями в системе СПИД. В этом случае значительно

упрощается управление устройством выборки-хранения.

Уменьшение времени аппаратурного анализа устройства (времени реакции) обеспечивается за счет устранения подзаряда емкости фильтра низких частот при импульсных возрастаниях (всплесках) сигнала ВАЗ. Для этого между выходом детектора и входом фильтра низких частот введен управляемый ключ. Управление ключом 4 осуществляется с помощью одновибратора. При появлении всплеска сигнала ВАЗ сра- . батывает компаратор и запускает одновиб- ратор, который на время действия всплеска

размыкает ключ, и емкость фильтра низких частот при этом оказывается отключенной от выхода детектора.

Если всплеск сигнала ВАЗ был вызван разрушением режущего инструмента и сигнал ВАЗ ввиду этого уменьшился, то при

последующем проведении, анализа измене ния напряжения на емкости фильтра низких

частот нет необходимости учитывать время,

.за которое должна была бы разрядиться емкость фильтра низких частот от напряжения, обусловленного всплеском сигнала ВАЗ, до напряжения, предшествующему всплеску. Длительность времени нахождения ключа в разомкнутом состоянии выбирается в пределах 5-10 мс и зависит от демпфирующих свойств конкретной упругой системы станок - приспособление - инструмент - деталь. (СПИД) и определяется временем переход-

ного процесса, возникающего в системе

СПИД при появлении импульсного возмущения. . ....-,...

Адаптация устройства к типу обрабатываемого материала достигается за счет введения плавающей уставки вместо ее

фиксированного значения в прототипе. Это позволяет избавиться от необходимости корректировать значение уставки в процессе обработки одной детали, так как даже в этом случае возможны изменения сигнала

по величине в пределах 20 дБ и более.

Необходимость корректировки значения уставки вызывается возможностью уменьшения сигнала ВАЗ до такой величины, что даже при значительных импульсных

увеличениях сигнала его пиковые значения не смогут превысить значение уставки и в результате возможен пропуск фиксации момента разрушения режущего инструмента. С другой стороны, возможно такое увеличекие сигнала ВАЗ, что его пиковые значения даже в ходе нормального протекания процесса обработки могут превышать величину уставки, что будет являться источником ложных срабатываний.

Вышеизложенное объясняет необходимость корректировки значения уставки для каждого технологического перехода.

Использование же в качестве уставки усредненного значения сигнала ВАЗ избавляет от необходимости корректировки значения уставки в течение обработки одной детали. Корректировка значения уставки будет необходима только при изменении типа обрабатываемого материала.

На фиг, 1 приведена функциональная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 - функциональная схема устройства выборки-хранения; на фиг. 3 - функциональная схема двухполярного компаратора; на фиг. 4 - электрическая схема одновибраторов; на фиг. 5 - электрическая схема фильтра низких частот; на фиг. 6 -электрическая схема элемента временной задержки; на фиг, 7 - форма сигналов с выходов усилителя и фильтра низких частот; на фиг. 8 - форма напряжения на конденсаторе фильтра низких частот при всплеске сигнала ВАЗ; на фиг. 9 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные датчик 1 вибраций, усилитель 2, детектор 3, ключ 4, фильтр 5 низких частот, устройство выборки-хранения 6, вычитающее устройство 7, вычитающий вход которого подключен к выходу фильтра 5 низких частот, а выход подключен к первому входу двухполярного компаратора 8, второй вход которого соединен с масштабным преобразователем 9, второй двухвходовый элемент И 10 и блок управления 11.

Усилитель 12 с регулируемым коэффи- циентом подключен к выходу датчика 1 вибраций, а его вход соединен с одним из входов компаратора 13, второй вход которого подключен к выходу фильтра 5 низких частот, а выход - к входу первого двухвхо- дового элемента И 14, второй вход которого через элемент временной задержки 16 соединен с выходом компаратора 15 наличия резания, сигнальный вход которого подключен к выходу фильтра 5 низких частот, а на опорный вход подается напряжение уставки. ... . - . .. .-. .-./.

Устройство выборки-хранения 6 содержит управляемый ключ 19, запоминающий конденсатор 20 и операционный усилитель

Двухполярный компаратор 8 может быть выполнен по структурной схеме, приведенной на фиг. 3. Он состоит и двух обычных компараторов, на инвертирующие входы которых подается опорное напряжение, а на неинвертирующйе входы подается входное напряжение, причем на один компаратор оно поступает непосредственно с выхода вычитающего устройства 7, а на другой компаратор - через инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления.

Одновибраторы 17 и 18 выполнены по схеме, приведенной на фиг. 4. Их запуск осуществляется импульсом положительной полярности с длительностью переднего

фронта не менее 25 ... 100 не. Фильтр 5 низких частот выполнен по стандартной схеме, представленной на фиг. 5.

Элемент временной задержки 16 может быть выполнен по схеме, приведенной на

фиг. 6. Его работа происходит следующим образом: в исходном состоянии на выходе операционного усилителя присутствует отрицательный потенциал, т.е. на его инвертирующий вход подается положительное

напряжение, задаваемое делителем R4, R5, а на неинвертирующем входе при отсутствии сигнала присутствует нулевой потенциал. При срабатывании компаратора наличия резания 15 (см. фиг. 1) на R1 подается положительный потенциал, равный 12-13 В, емкость С1 начинает заряжаться и через время, определяемое постоянной вре- . мени , напряжение на ней сравняется, а затем и превысит потенциал,

задаваемый делителем R4, R5. При этом происходит срабатывание операционного усилителя ДА и на его выходе появляется положительный потенциал. При исчезновении сигнала на входе элемента временной

задержки сигнал на выходе ДА( изменяет знак через время, определяемое постоянной времени цепи разряда rp RSKB. CI, где Рэкв. R1 + R2 + R3.

Устройство вырабатывает сигнал, свидетельствующий о разрушении режущего инструмента при одновременном наличии двух следующих условий.

Первое условие - это превышение установки, снимаемой с выхода фильтра 5 низких частот, мгновенным значением сигнала ВАЗ, усиленного с помощью усилителя 12 с регулируемыми коэффициентом усиления. Второе условие - это относительное изменение усредненного значения сигнала ВАЗ

на величину не менее (25 ... 35)%. Такое значение было получено после v-йализа изменения усредненного сигнала ВАЗ, связанного с разрушением режущего инструмента.

Устройство работает следующим образом..

Сигнал ВАЗ из зоны резания воспринимается датчиком вибрации 1, усиливается с помощью усилителя 2, а также подается на

усилитель 12 с регулируемым коэффициентом усиления. Соотношение между коэффициентами усиления этих усилителей выбирается, исходя из следующих соображений. При нормальном ходе процесса обработки сигнал ВАЗ, преобразованный в электрический сигнал с помощью датчика 1 вибраций и усиленный с помощью усилителя 2, имеет вид, представленный на фиг. 7а. После его прохождения через детектор 3, ключ 4 и фильтр 5 низких частот происходит формирование среднего значения сигнала, приведенного на фиг. 76. Следует отметить, что постоянная времени детектора 3 определяется полосой пропускания информационного канала системы СПИД и выбирается в пределах (0,1-2) мс. Постоянная времени фильтра низких частот 5 связана со степенью нестационарности сигнала ВАЗ и выбирается в пределах 20-50 мс.

Среднее значение сигнала ВАЗ используется в качестве уставки для формирования с помощью компаратора 13 команды для проведения оценки изменения значе ния сигнала с выхода фильтра 5 низких частот после всплеска ВАЗ. Как видно, из фиг. 7, соотношение между величинами среднего значения сигнала и максимальными мгновенными значениями составляет 5-6 раз, а при обработке труднообрабатываемых материалов это соотношение может быть 20- 25 раз, и следовательно, для формирования значения уставки, превышающего максимальные мгновенные значения сигнала ВАЗ. коэффициент усиления усилителя 12 с регулируемым коэффициентом усиления должен изменяться от 5 до 25 раз в зависимости от марки обрабатываемого материа- ла. Таким образом, уставка для формирования команды на сравнение является плавающей, т.е. м еняется самостоятельно в зависимости от режимов обработки. Принудительно изменять соотношение между величиной среднего значения сигнала и максимальными мгновенными значениями сигнала необходимо только один раз при смене марки обрабатываемого материала. Для этого изменяют коэффициент усиления усилителя 12 с регулируемым коэффициентом усиления. Команда на проведение анализа изменения сигнала формируется при превышении мгновенным значением сигнала ВАЗ, усиленного с помощью усилителя 12 с регулируемым коэффициентом усиления, значения плавающей уставки, определяемого величиной напряжения, снимаемого с выхода фильтра 5 низких частот и соответствующего текущему среднему значению сигнала ВАЗ.

Для нормальной работы устройства коэффициент усиления усилителя 12 с регулируемым коэффициентом усиления выбирают таким, чтобы максимальные

мгновенные значения сигнала на его выходе достигали значения плавающей1.1 уставки только при критическом износе режущего инструмента. Кроме того, с выхода фильтра 5 низких частот сигнал также поступает на

0 один вхбдкомпаратора 15 наличия резания. На второй его вход подается опорное напряжение Uo. Компаратор 15 наличия резания служит для разрешения работы устройства при появлении сигнала резания. Величина

5 опорного напряжения U0 выбирается такой, чтобы с некоторым запасом превосходить сигналы помех, т.е.. сигналы, не связанные с процессом резания, которые возникают при быстрых перемещениях суппорта, при вра0 щении инструментальной револьверной головки и т.п.

Элемент временной задержки 16 осуществляет задержку как на появление сигнала, так и на его исчезновению. Задержка

5 на появление сигнала необходима для того, чтобы избежать ложного срабатывания при врезании режущего инструмента в деталь. Это связано с опережающим появлением на компараторе, 13 быстроменяющегося сигна0 ла с выхода усилителя 12 с регулируемым коэффициентом усиления по отношению к усредненному сигналу с выхода фильтра 5 низких частот. Величина задержки выбира-. ется равной 5-10 мс, т.к. за это время сиг5 нал на выходе фильтра 5 низких частот успевает принять установившееся значение. Задержка на исчезновение сигнала необходима для того, чтобы в случае прерывистого резания при отсутствии кон0 такта режущего инструмента с деталью на этот период времени Не происходило изменение режима работы устройства. Величина задержки выбирается равной 0,5-1 с.

Необходимость введения ключа 4 за5 ключается в предотвращении заряда конденсатора, фильтра 5 низких частот при всплеске сигнала ВАЗ. Это позволяет выполнять сравнение среднего значения сигнала до всплеска и после всплеска через

0 интервал времени, определяемый только длительностью переходного процесса в упругой системе СПИД и значением постоянной времени фильтра 5 низких частот. Иллюстрация изменения напряжения

5 на конденсаторе при отсутствии и наличии ключа приведена на фиг. 8. После всплеска сигнала возникает переходный процесс в упругой системе станка длитедьностью 5-10 мс, в течение которого при отсутствии ключа напряжение на конденсаторе фильтра 5

низких частот возрастает до некоторой величины, связанной с амплитудой всплеска, как показано на фиг. 86. Затем, если сигнал принимает меньшее, чем до всплеска значение, происходит уменьшение напряжения за время, определяемое постоянной времени фильтра 5 низких частот. При наличии ключа и его размыкании в момент появления всплеска на время, равное максимальной длительности переходного процесса, увеличения напряжения на конденсаторе не происходит, а после замыкания ключа происходит уменьшение напряжения до нового значения за время, определяемое постоянной времени фильтра 5 низких частот. Как видно из фиг 8в, уменьшение напряжения U2 на конденсаторе фильтра 5 низких частот после всплеска при отсутствии ключа до первоначального, значения Ui, происходит за время t3 и, следовательно, до истечения этого времени нельзя давать команду на проведение анализа изменения величины напряжения на конденсаторе после всплеска.

Таким образом, при наличии ключа А отпадает необходимость в учете интервала времени тз и, следовательно, на эту величину сокращается общее время аппаратурного анализа устройства. Для управления работой ключа А используется одновибра- тор. 17, размыкающий ключ при срабатыва- нии компаратора 13.

Одновибратор 18 служит для управления работой ключа 19 устройства выборки- хранения 6. При появлении сигнала на выходе одновибратора 18 ключ 19 устройства выборки-хранения б размыкается и устройство переходит в режим хранения на время, в течение которого осуществляется контроль за изменением напряжения на конденсаторе фильтра 5 низких частот после всплеска сигнала ВАЗ относительно напряжения на этом же конденсаторе до появления всплеска. Этот контроль осуществляется с помощью двухполярного компаратора 8, на один вход которого поступает уставка с масштабного преобразователя 9, а на другой - вырабатываемая вычитающим устройством разность напряжений с выхода фильтра 5 низких частот, хранящегося в устройстве выборки-хранения 6 до появления всплеска и текущего после всплеска. При величине разности этих напряжений большей, чем уставка, происходит срабатывание двухполярного компаратора 8. Время, выделяемое на проведение указанного контроля, определяется длительностью сигнала с выхода одновибратора 18, запускаемого компаратором 13. Сигнал с выхода одновибратора 18 подается как на ключ 19

устройства выборки-хранения 6, так и на второй двухвходовый элемент И 10, который при одновременном наличии на его входах сигналов с выхода двухполярного

компаратора 8 и одновибратора 18, вырабатывает импульс, подающийся на блок управления 11, который формирует команду для системы управления станком на прекращение процесса обработки и отвод суппорта в

0 положение смены инструмента.

При появлении на выходе усилителя 12 с регулируемым коэффициентом усиления всплеска сигнала ВАЗ, мгновенное значение которого достигает величины напряже5 ния на выходе фильтра 5 низких частот, компаратор 13 генерирует импульс напряжения, запускающий своим передним фронтом одновибраторы 17 и 18. Одновибратор 17, управляющий ключам А, вырабатывает

0 импульс длительностью ti, который размыкает ключ 4 и тем самым предотвращает подзаряд емкости фильтра 5 низких частот от всплеска сигнала ВАЗ. Одновибратор 18. служащий для управления ключом 19 уст5 ройства выборки-хранения 6, вырабатывает импульс длительностью t2. который одновременно размыкает ключ 19 устройства выборки-хранения 6, переводя его тем самым в режим хранения., а также подается на один

0 из входов двухвходового элемента И 10. На время длительности импульса t2 с выхода одновибратора 18 напряжение на запоминающем конденсаторе 20 не изменяется, т.к. его нагрузкой является операционный

5 усилитель 21, включенный в режиме повторителя и имеющий большое входное сопро- тивление.

Величина напряжения на выходе устройства выборки-хранения 6 в течение ин0 тервала времени t2 равна значению напряжения, которое было на выходе фильтра 5 низких частот до возникновения всплеска сигнала ВАЗ. На выходе вычитающего устройства 6 в течение интервала вре5 мени ti напряжение равно нулю, т.к. на обоих его входах присутствуют равные по величине напряжения. В этом случае на опорный вход двухполярного компаратора 8 будет подаваться напряжение с масшта.бно0 го преобразователя 9, величина которого равна Ше, где k - коэффициент пропорциональности, равный 0,25-0,35, и значение которого будет постоянно в течение интервала времени равного длительности им5 пульсаt2, вырабатываемого одновибратором 18, на втором входе двухполярного компаратора 8 в течение интервала времени ti будет присутствовать снимаемое с выхода вычитающего устройства 7 напряжение, равное нулю.

По истечению интервала времени ti ключ 4 возвращается в первоначальное (замкнутое) положение и напряжение на выходе фильтра 5 низких частот начинает изменяться пропорционально изменению входного сигнала ВАЗ. При этом на один вход вычитающего устройства 7 подается постоянное по уровню запомненное напряжение, а на второй вход подается изменяющееся с выхода фильтра 5 низких частот. В случае уменьшение напряжения с выхода фильтра 5 низких частот на выходе вычитающего устройства 7 появляется положительное напряжение, а в случае его увеличения - отрицательное, причем в обоих случаях характер изменения напряжения на выходе вычитающего устройства 7 будет соответствовать характеру изменения напряжения на выходе фильтра 5 низких частот. Если за время t2 действия импульса на выходе одновибратора 18 (т.е. при разо- . мкнутом ключе 19) напряжение U, вырабатываемое вычитающим устройством 7, не превысит порогового напряжения двухполярного компаратора 8, задаваемого с помощью масштабного преобразователя 9, то на выходе двухполярного компаратора 8сохранится напряжение, равное нулю, и после возвращения ключа 19 в исходное (замкнутое) положение на выходе вычитающего устройства 7 будет действовать нулевой сигнал. Если же напряжение U превысит порог двухполярного -компаратора 8, последний сработает и подаст логическую единицу на первый вход логического элемента И 10; а т.к. на втором его входе в это время уже присутствует логическая единица с. выхода одновибратора 18, то на блок управления 11 будет подано напряжение, необходимое для выработки этим блоком сигнала, направляемого в систему ЧПУ м.е- таллорежущего оборудования для прекращения движения подачи,

Время реакции предлагаемого устройства определяется длительностью импульса одновибратора 18, которая выбирается равной сумме длительностей переходных процессов .в упругой системе станка после импульсного возмущения, вызывающего всплеск сигнала ВАЗ, и в фильтре 5 низких частот для установления на его выходе нового значения напряжения.

При использовании предлагаемого устройства обеспечивается:

повышение достоверности определения момента разрушения режущего инструмента;

упрощение настройки и эксплуатации

устройства, что позволяет расширить сферу

его применения, включая многостаночное

обслуживание и безлюдную технологию;

более быстрое прекращение процесса

обработки при разрушении режущего инструмента, и, как следствие, снижение тяжести последствий, возникающих при разрушении инструмента и продолжающемся движении суппорта.

Формула изобретения

Устройство для определения разрушения режущего инструмента, содержащее последовательно соединенные датчик вибраций, усилитель и детектор, а также фильтр низких частот, блок выборки-хранения, вычитающий блок, первый компаратор, блок управления и последовательно соединенные второй компаратор, схему временной задержки и первый элемент И, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что, с целью повышения

достоверности определения момента разрушения режущего инструмента, в устройство введены ключ, включенный между выходом детектора и входом фильтра низких частот, выходом соединенного с первым входом

второго компаратора, на второй вход которого подается опорное напряжение, и с блоком, выборки-хранения, выход которого подключен на вход вычитающего блока и к входу масштабного преобразователя, выход

которого подключен к опорному входу первого компаратора, второй вход которого соединен с выходом вычитающего блока, вход .которого подключен к выходу фильтра низких частот, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, подключенный к выходу датчика, третий компаратор, первый вход которого подключен к выходу фильтра низких частот, второй вход - к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, а выход - к второму входу первого элемента И, первый и второй одновибрато- ры, входы которых подключены к выходу первого элемента И, причем выход первого компаратора предназначен для управления

ключом, а выход второго одновибратора - блоком выборки-хранения, кроме того, выход второго одновибратора подключен к одному из входов второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого

компаратора, а выход связан с блоком управления.

Uon

Ugx .

U&K

R

Фиг, 2

Фиг. -5 hUon

ивых

i.

Фиг. 4

i

Ug

ЫХ

С