Измерительная головка

 

Использование: станкостроении, в системах автоматического управления точностью обработки на многоинструме нтальных станках с ЧПУ, например токарных. Сущность: используемый в измерительной головке механизм эталонного перемещения в совокупности с микропроцессорной системой обеспечивает высокое быстродействие и автоматический контроль точности и работоспособности измерительной головки. 1 ил,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 23 В 25/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ 4

ОО

0 О

ЬЗ

О, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4875281/08 (22) 19.10.90 (46) 15.12.92. Бюл. N. 46 (71) Московский институт электронного машиностроения, (72) Р;А,Мирахмедов, Ю,В.Скачко, К,А.Неусыпин, К,Ç,Чистов и Ю,В.Строкова (56) Авторское свидетельство СССР

N 1442370, кл. В 23 0 15/00, 1987. ° (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА. Изобретение относится к станкострое нию и может быть использовано в системах автоматического управления точностью обработки на многоинструментальных станках с IllY, например токарных.

Известна измерительная головка, содержащая установленный в корпусе дифференциальный датчик со щупом.

Недостатком известного устройства является ограниченная точность измерения из-за влияния как долгопериодных систематических погрешностей возникающих под действием изменения окружающей температуры, старения элементов и др., так и изза влияния случайной составляющей погрешности, вызванной трением в зоне контакта измерительного наконечника и объекта контроля, случайными помехами др. Отсутствие автоматической поверки датчика, без его демонтажа со станка не позво ляет осуществить автоматическую ,коррекцию погрешности измерений, Целью изобретения является повышение точности измерений.

Нэ чертеже приведена функциональная схема устройства.

„„5U„„1780929 А1 л

2 (57) Использование: станкостроенйи, в системах" автоматического"управленйя точностью обработки на многоинструментальных станках с ЧПУ; например токарйых, Сущность; используемый в измерительной головке механизм эталонного перемещения в совокупности с микропроцессорной системой обеспечивает высокое быстродействие и автоматическии контроль точности и работоспособности измерительной головки. 1 ил, Устройство содер>кит измерительную головку 1; в корпусе 2 которой установлен дифференциальный датчик 3 перемещений струнного типа и механизм образцового перемещения мер 4.

Дифференциальный датчик 3 перемещений состоит из двух струн 5, 6, размещенных в поле постоянных магнитов 7 возбуждения колебаний струн 5, 6. Неподвижные концы струн 5, 6 закреплены на корпусе 8 датчика 3 и электрически подключаются ко входам автогенераторов 9, 10 колебаний струн. Подвижные концы струн 5, 6 закреплены на корпусе 8 датчика 3 и электрически подключаются ко входам автогенераторов 9, 10 колебаний струн. Подвижные концы струн 5, 6 закреплены на рычаге 11, установленном на упругом шарнире 12, На рычаге 11 закреплен сферический измерительный наконечник 13.

Механизм 4 эталонного перемещения выполнен в виде полого цилиндра 14, штока

15, закрепленного на двух мембранах 16, 17.

Между мембранами 16; 17 установлены обмотка электромагнита 18, сердечник 19 и упор 20 с пружиной 21, поджатой к тарелке

22. Сердечник 19 электромагнита 18 закреп1780929 лен на штоке 15, снабженном с одной стороны прямоугольным наконечником 23, с другой стороны полярованной пятой 24, постоянно контактирующей со сферическим наконечником 13 датчика 2. Мембраны 16, 17 укреплены в цилиндрическом корпусе 14 с помощью стаканов 25. Для ограничения движения штока 15 в строго определенных пределах, например 0,3 мм, в корпусе 14 установлены втулки 26. Выходы автогенератора 9; 10 соединены с первым и вторым входами аналого-цифрового преобразователя 27 (АЦП), предназначенйого для получения цифрового .сигнала, пропорционального отношению частот колебаний струн 5, 6. Выход АЦП 27 соединен с первым входом логического блока 28. Система ЧПУ 34 состоит из последовательно соединенных блока 33 коррекции и интерполятора 32, выход которого соединен со вторым входом логического блока 28, а пер: вый выход логического блока 28 соединен с третьим входом АЦП 27, Логический блок 28 содержит последовательйо соединенные блок 29 вычисления среднего значения, блок 30 вычисления корней системы линейных уравнений и блок 31 вычисления измерительной величины по градуировочной характеристике, Второй выход логического блока 28 соединен с обмоткой электромаг-, :нита 18, третий выход — с исполнительным . механизмом 35 привода резцедержателя

36, в котором закреплен режущий инструмент 37. Резцедержатель установлен в суп. порте (не показан). Блок 29 вычисления среднего значения, блок 30 вычисления корней систем линейных уравнений в блок 31 вычисления измеряемой величины по градуировочной характеристике выполнены на базе связанных между собой центрального процессора оперативного запоминающего устройства {03Y) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ОЗУ и ПЗУ могут быть выполнены, например, на базе цифровых микросхем серии К 745. Центральный процессор содержит. последовательно соединенные арифметико-логические устройства; регистр аккумулятора и регистр общего назначения, образующих сверхоперативйую память (СОП). В СОП,входит также последовательно соединенные регистр состояния, регистр кода операции и регистр-счетчик команд, соединенный с ад-. ресным стеком, Алгоритм выполнения вычислительных операций в блоках 29, 30, 31 соответствуют формулам (1), (2), (3), (4) и (5) вычисления среднего значения, вычисления корней систем линейных уравнений и вычисления величины по градуировочной характеристике.

Устройство работает следующим образом по следующйм режимам;

Первый режим — автоматическая поверка дифференциального датчика перемещений.

Для поверки датчика 3 логический блок

28 выдает сигнал перемещения в исходное положение штока 15 с сердечником 19 электромагнита 18. В корпусе 2 датчик 3 уста10 новлен таким образом, чтобы его наконечник 13 касался с пятой 24 штока 15 в положении, соответствующем нижнему йределу измерений (исходное положение штока 15).

15 АЦП 27 выдает сигнал У1, соответстВующий нижнему пределу изменения выходного сигнала датчика 3. Сигнал Yj поступает в блок 29 вычисления среднего значения. Логический блок 28 снова выдает сигнал пере20 мещенйя штока 15 в исходное положение, обеспечивая поступление от АЦП 27 ряд последовэтельных значений У1 и получение посредством блока 29 вычисления среднего

1 и

Y2 =-, Y2i, .: . (2) и 1=1 где У21 — значение выходного сигнала при

40 каждом крайнем левом положении штока

15.

45 Сигналы У1 и У2 поступают в блок 30 вычисления корней No u S системы линейных уравнений;

No1 — S-X1 Y1 i ., (3)

No2: $Х2= Y2 i

Гдв Nof — НаЧаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ ВЫХОДНОГО

50 сигнала АЦП 27 при крайнем правом положении штока 15; $ — чувствительность устройства; X1 - координаты исходного положения штока 15; Х2 — координаты штока

15 в крайнем левом положении.

Если принять исходное положение штока, соответствующее нулевому отклонению, 55 т.е. X1 = О, то Х2 = О, где D — диапазон перемещения штока 15 между упорами 26., значения

25 1 и

У1 =.— X Yfi .: ..: (1) п1=1 где n — число усредняемых значений Y11(i =

=l,...,п) выходного сигнала АЦП 27.

30 Затем от логического блока 28 поступает и раз сигнал в обмотку электромагнита

18, обеспечивающий перемещение штока

15 с сердечником 19 влево до упора с левой упором 26(фиг.l), Это положение соответствует второй поверяемой точке характеристики датчика 3, Блок 29 вычиСлейия среднего значейия выдает сигнал 1780929

Блок30 вычисления корней системы ли- поперечной подачи от номинального полонейныхуравнений выдаетзначения N<1и S. жения вершины инструмента до измерисоответствующие различным условиям ра- тельной плоскости наконечника 23, боты устройства при воздействии вибра- Перед началом выполнения программции, изменение температуры окружающей 5 ного цикла измерения размерного износа среды и времени. На этом режим поверки резца 37, логический блок 28 подает сигнал заканчивается и начинается цикл измере- . на обмотку электромагнита 18, чтобы шток. ния. В режиме измерения от АЦП 27 ц логи- 15 находился в свободном (исходном) полоческий блок 28 " поступает ряд жении. последовательных значений выходного сиг- 10 На первый вход АЦП 27 поступает сиг нала Yi, l=.1,п. Блок29 вычисления среднего . нал с частотой, равной частоте колебаний значения выдает сигнал: ..: - . струны 5, а на второй вход АЦП 27 поступает

n .: ..: . :::: - сигнал с частотой равной частоте колебаний

Y = — „ % . (4). струны 6. На выходе АЦП 27 получает циф15 рьвой сигнал, пропорциональный. отношеСигнал Y поступает в блок 31 вычисле» нию чаС,от колебаний струн. Логический

ИЯ измеРЯемой величины х согласно РаДУ» б Ок 28 периодически, с интерваЛом менее ..—. ировочной характеристике устройства: 1 С, включает АЦП 27 и фиксирует начальное

x = — — " .. (5) " значение N выходного сигнала АЦП 27. В

20 течение времени одного измерения в АЦП

В слу ае РасхожДен нулЯ N01 и чувст-: 27 накапливается число импульсов: вительности Я и действительной характеристики с. нулем и чувствительностью:. .,Nuo=ng < .. (7) номинальной характеристики логический где и — коэффициент деления частоты колеg блок 28 осуществляет автоматическую кбр 25 баний струн 5, 6, устанавливаемый в АЦП 27;

РекЦиюсистематическойсоставлЯюЩейпо-:: 11; 1 — частоты колебаний струн 5, .6 соответственно, зависящие от положения

ДлЯ УменьшениЯ слУчайной составлЯю-, наконечника 13 относительно корпуса 8датщей погРешности в и Раз иэмеРениЯ паРа-:: чика 3 метРОВ N01 и $ пРИ повеРке ОСУЩествлЯют и 30 После завершения цикла Обработки дераз, принймая за результат среднее из и тали резец 34 повторно перемещается по значеНий. СРеднее из и значений вычислЯ- .. командам системы ЦПУ.. в положение иэмеют посРедством логического блока 28. ения изб» а X рения износа ц.

В РеэУльтате пЯтидесЯтикРатнбго . управляющие импульсы пос пают из пеРемещениЯ штока 15. как показали 35 интерполятора32черезлогический блок28 экспериментальные исследования; сред- на исполнительный мехайиэм 35 привода неквадратические значение погРешности перемещения по координате Х, При касании . пеРемещениЯ не превышаю 0,05 мкм. :. резцом 37 наконечника 23 перемещае ся

ОТСУ ствие бокового смещениЯ штока шток 15 налево, и приводйт к перемещению

15приего продольномсмещенииисключа- 40 наконечника 13 датчика 3 увеличивается ет износ контактиРУющих повеРхностей; натяжение струйы 6 и уменьшается натяжеиспользУемйевизме 1ительнойголовкесо- . нйе струны 5, что приводит к изменению . леноиДный и электРомагнитнйй пРйвоДы в" .отношения чаСтот f1 f2 пропорционального . совокупности с: микропроцессорной техни- ему выходного сигнала АЦП 27. Логический кой вхОДЯЩих в состав логического блока 45 блок 28 фиксирует изменение выходного обеспечивают высокое быстроДействие, ав- сигнала N„1 после ОСтановки перемещения томатический контроль работоспособности суппорта в точке измерения Хц. датчика, встроенного в устройстве..,.... Ра ме ный иэно

Второй режим — контроль размерйого

H3Hoca pexyulего viHcTpyMeHTa. - . 50 „. - ()

Для определения величины размерного износа резца 37 в программу работы станка, включают программный цикл измерения"изйо- . Последовательные цйклы обРаботки выса резца37 вовремя которого резцедержатель полнЯютсЯ До тех поР, пока износ РеэЦа 3 полняются до тех пор, пока износ резца 34

36 с резцом 37 по flpol paMM8 перемещается на меньше запрогр™мированно о, как только размер Х из исходной точки к наконечнику 23 55 «о величина достигае™ Максимального значения логический блок 28 выдает сигнал о

Х «Х +05 С, .. fy .. необходимости смены резца 34.

ll ll0 ° р где X o — номинальное перемещение, cooT- .. Для Уменьшения случайной погрешноветствующее расстоянию в направлении . сти от вариации измерения износа режуще1780929

Устройство может быть применено в токар-. ных Станках с ЧПУ для измерения размеров детали...>

Составитель IO.Скачко

Редактор M.Âàt:èëüåâà Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор O.Густи

Заказ 4237 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская араб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 го инструмента 34 осуществляют подачи на электромагнит 18 сигнала управления путем обеспечивающего подход измерительного наконечника 23 к поверхности резца со стороны больших значений выходного сигнала АЦП 27.

По результатам экСпериментальных исследований погрешности измерительной головки вместе с АЦП не превышает 1 мкм в дйапазоне 300 мкм.

Таким образом, предлагаемое устройство для управления точностью обработки в токарных станках с ЧПУ обладает следующими преимуществами . возможность автоматического контроля работоспособности датчйка без снятия его с рабочей позиции, автоматизация измерительных операций, необходимых при безлюдной технологии, повышение точности обработки-путем прогнозирования размерного износа и коррекции положения режущего инструмента.

5 Формула изобретения

Измерительная головка, содержащая установленный в корпусе дифференциальный датчик с щупом, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности изме10 рений, головка снабжена расположенным в корпусе головки эталонным механизмом.. выполненным в виде полого цилиндра, штока, установленного на двух мембранах внутри цилиндра, электромагнита, 15 расположенного между мембранами, сердечнйк которого размещен на штоке, измерителыного наконечнйка, установленного на одном конце штока, и пяты, расположенной на другом конце штока с возможностью вза20 имодействия-с щупом дифференциального датчика.