Контрольно-измерительный комплекс для контроля износа режущего инструмента

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к диагностированию износа режущего инструмента, и может быть использовано на станках с ЧПУ для операционного контроля работоспособности режущего инструмента. Технический результат - повышение достоверности контролируемых параметров и повышение точности измерений. Предлагаемый комплекс состоит из последовательно соединенных приемника сигналов акустической эмиссии, предварительного усилителя, блока полосовых фильтров, интегратора, основного усилителя и устройства контроля, которое подключается к устройству ЧПУ станка. В измерительном комплексе между блоком полосовых фильтров и основным усилителем включен интегратор. Устройство контроля выполнено в виде отдельного блока, имеющего два входа. Устройство контроля позволяет вести диагностирование состояния режущего инструмента по двум параметрам - амплитуде и частоте сигналов акустической эмиссии. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к диагностированию износа режущего инструмента и может быть использовано на станках с ЧПУ для операционного контроля работоспособности режущего инструмента.

Известно устройство для контроля выходных параметров процесса резания, содержащее последовательно соединенные приемный электроакустический преобразователь, предварительный усилитель, полосовой фильтр, основной усилитель с детектором, усредняющий фильтр низких частот, регистрирующий блок и три дискриминатора-формирователя с регулируемыми порогами дискриминации, а также одновибратор с регулируемым временем срабатывания и блок регистрации сигнала (а.с. 921689 РФ, МКИ В 23 В 25/06. Устройство для контроля выходных параметров процесса резания. Опубл. в БИ 1982 - N 15).

Недостатком этого решения является наличие фильтра низких частот, что значительно увеличивает время измерений, а частота пропускания фильтра устанавливается для каждого контролируемого процесса на основе экспериментов, что не позволяет применять его в условиях ГПС. Кроме того, в состав устройства входит множество аппаратных блоков, представляющих собой опытно-экспериментальные образцы, в связи с чем может применяться ограниченно.

Также известно устройство для контроля износа режущего инструмента, содержащее блок регистрации и последовательно соединенные приемник сигналов АЭ, предварительный усилитель, блок полосовых фильтров, основной усилитель и дифференциальный дискриминатор с регулируемыми порогами дискриминации, первый двоичный счетчик импульсов с регулируемым числом двоичных разрядов, второй двоичный счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, аналоговый запоминающий блок, к выходу которого подключен блок регистрации, причем вход дифференциального дискриминатора подключен к выходу основного усилителя, а второй вход второго счетчика импульсов подключен к выходу первого дискриминатора (а.с. 1038083 РФ, МКИ В 23 В 25/06. Способ контроля износа режущего инструмента и устройство для его осуществления. Опубл. в БИ 1983 - N 32).

Недостатком данного решения является, то что оно работает на принципе использования явления АЭ в высокочастотном диапазоне, где меньше сказываются частотные составляющие вибрации системы СПИД, однако влияние их не исключает, тем самым снижает надежность диагностирования. Аппаратура, используемая в данном устройстве хотя и обладает широкими возможностями но является специализированной, что также снижает универсальность устройства. Кроме того выход из строя одного из компонентов устройства контроля полностью выводит его из строя, что также снижает надежность и эффективность работы оборудования.

Данное изобретение направлено на решение задачи создания универсального диагностируемого комплекса, обладающего высокой достоверностью контролируемых параметров и повышенной точностью измерений, тем самым повышая надежность и эффективность станочного оборудования.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышенной точности измерений износа инструмента и достоверности контролируемых параметров, универсальности применяемого оборудования.

Технический результат достигается за счет того, что в контрольно-измерительном комплексе для контроля износа режущего инструмента, содержащем последовательно соединенные приемник сигналов акустической эмиссии, предварительный усилитель, блок полосовых фильтров и основной усилитель, между блоком полосовых фильтров и основным усилителем включен интегратор, выполненный с возможностью осуществления двух операций интегрирования за один оборот шпинделя со сдвигом начал интегрирования относительно друг друга на половину периода вращения шпинделя, а выход основного усилителя подключен к входам устройства контроля, выполненного в виде отдельного блока и имеющего два входа, причем через первый вход устройства контроля, используемый для диагностирования режущего инструмента по частоте сигналов акустической эмиссии, последовательно подключены фильтр, аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к первому каналу двухканального запоминающего устройства, а через второй вход устройства контроля, используемый для диагностирования режущего инструмента по амплитуде сигналов акустической эмиссии, последовательно подключены фильтр, блок апериодических фильтров, амплитудный дискриминатор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен ко второму каналу запоминающего устройства, при этом выходы запоминающего устройства параллельно соединены со входами блока сравнения как через микропроцессор, так и непосредственно, при этом выходы блока сравнения предназначены для генерирования сигнала о замене инструмента.

Контрольно-измерительный комплекс показан на фиг. 1.

Комплекс состоит из соединенных последовательно приемника сигналов АЭ 3, предварительного усилителя 4, блока полосовых фильтров 5, интегратора 6, основного усилителя 7 и устройства контроля 8, которое подключается к устройству ЧПУ станка 9.

Структурная схема устройства контроля приведена на фиг. 2.

Контрольно-измерительный комплекс работает следующим образом.

Акустико-эмиссионный сигнал, состоящий из полезного сигнала, соответствующего процессу обработки и периодических сигналов помех, вызванных вибрациями станочной системы, регистрируется приемником сигналов АЭ 3, поступает на вход предварительного усилителя 4, причем важно отметить, что чем ближе будет расположен данный блок к датчику АЭ, тем меньше будут сказываться помехи, вызванные флуктуационными электрическими и магнитными полями. Далее сигнал, пройдя через блок полосовых фильтров 5, поступает на интегратор 6, время интегрирования которого постоянно. Причем за один оборот шпинделя операция интегрирования осуществляется дважды, а моменты ее начала сдвинуты относительно друг друга на половину периода вращения шпинделя. Благодаря этому сигнал помехи накладывается на полезный сигнал (в первом такте в фазе, во втором такте в противофазе) и поэтому при суммировании компенсируется. После операции интегрирования сигнал усиливается основным усилителем 7 и поступает на вход устройства контроля 8 (фиг. 1).

Работа устройства ведется в реальном времени и основана на запоминании и сравнении текущего значения частоты акустико-эмиссионного сигнала с соответствующим критическому износу инструмента (используется первый вход устройства контроля (УК)), аналогичные действия осуществляются с амплитудой сигнала АЭ, для этого используется второй вход УК.

Поступив на второй вход УК (фиг. 2), сигнал через фильтр Ф₂ поступает на амплитудный дискриминатор, выполненный по мостовой схеме, позволяющей детектировать верхнюю и нижнюю границу сигнала за период. Дискриминатор позволяет выделить полезный сигнал от сопутствующих шумов, создаваемых работой измерительной аппаратуры, по амплитудному признаку. В зависимости от уровня полезного сигнала амплитудный дискриминатор генерирует прямоугольный импульс, нормированный по длительности, который затем поступает в запоминающее устройство (ЗУ), где происходит запоминание значения амплитуды сигналов АЭ, соответствующей неизношенному инструменту, следует отметить, что операция запоминания происходит в самом начале обработки, предполагается, что при замене обработанной детали на новую заготовку той же партии, параметры (амплитуда, частота) для пары инструмент-деталь неизменны.

По ряду литературных данных, а также в ходе собственных экспериментов по изучению влияния износа инструмента на амплитуду сигналов АЭ выявлено, что при достижении величины критического износа происходит изменение амплитуды сигнала более чем на 100%. Поэтому в качестве диагностирующего критерия принято изменение амплитуды акустического сигнала в 2 раза или иначе А_кр = 2А_норм.

В блоке сравнения происходит сопоставление текущего значения амплитуды акустико-эмиссионного сигнала с уставочным. При превышении текущего уровня над значением, хранящимся в запоминающем устройстве, более чем в два раза генерируется сигнал, понятный ЧПУ станка, на отключение подачи и замену инструмента.

Первый вход УК, в режиме обучения используется для выявления частоты сигналов АЭ, соответствующей предельному износу инструмента. Значение частоты автоматически фиксируется при определении критического износа первого инструмента и затем считается предельным для однотипных пар инструмент-деталь.

При дальнейшей обработке партии деталей диагностирование состояния инструмента осуществляется сразу по двум признакам, как по уровню колебаний сигналов АЭ, так и по его частоте.

Рассмотрим алгоритм работы устройства контроля, реализующего акустико-эмиссионный метод, в составе контрольно-измерительного комплекса (фиг. 3). Алгоритм предусматривает диагностирование режущего инструмента по двум критериям: амплитуде акустического сигнала и частоте. Блок 2 - резание острым резцом. В блоке 3 происходит запоминание амплитуды сигналов АЭ, соответствующей неизношенному инструменту, причем операция запоминания происходит в самом начале обработки, в дальнейшем при замене обработанной детали на новую заготовку амплитуда считается неизменной для пары инструмент-деталь. В блоке 4 рассчитывается диагностируемый критерий (А_кр = 2А_норм), который заносится в запоминающее устройство. Блок 5 - продолжение резания. В блоке 6 фиксируется текущее значение амплитуды сигналов АЭ, которое затем поступает в блок сравнения 7, где происходит сопоставление текущего значения амплитуды сигналов АЭ со значением, хранящимся в запоминающем устройстве. При превышении текущего значения над значением, соответствующим диагностируемому критерию, генерируется сигнал на отключение подачи (блок 10) и замену инструмента (блок 11). Одновременно в блоке 9 происходит фиксирование значения частоты сигналов АЭ при определении критического износа первого инструмента и затем считается предельным для однотипных пар инструмент-деталь. При дальнейшей обработки партии деталей диагностирование состояния инструмента осуществляется сразу по двум признакам, как по уровню колебаний сигналов АЭ, так и по его частоте. Работа блоков 13, 14, 15 по диагностированию уровня колебаний сигналов АЭ аналогична работе блоков 5, 6, 7 по амплитудному диагностированию. Если же условия обработки для пары инструмент-деталь изменились (блок 12), то работа алгоритма опять осуществляется в режиме обучения.

Изобретение позволяет повысить точность измерения износа режущего инструмента, использовать для диагностирования универсальную аппаратуру, тем самым повысить надежность механообработки в автоматизированном производстве.

Формула изобретения

Контрольно-измерительный комплекс для контроля износа режущего инструмента, содержащий последовательно соединенные приемник сигналов акустической эмиссии, предварительный усилитель, блок полосовых фильтров и основной усилитель, отличающийся тем, что между блоком полосовых фильтров и основным усилителем включен интегратор, выполненный с возможностью осуществления двух операций интегрирования за один оборот шпинделя со сдвигом начала интегрирования относительно друг друга на половину периода вращения шпинделя, а выход основного усилителя подключен к входам устройства контроля, выполненного в виде отдельного блока и имеющего два входа, причем через первый вход устройства контроля, используемый для диагностирования режущего инструмента по частоте сигналов акустической эмиссии, последовательно подключены фильтр, аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к первому каналу двухканального запоминающего устройства, а через второй вход устройства контроля, используемый для диагностирования режущего инструмента по амплитуде сигналов акустической эмиссии, последовательно подключены фильтр, блок апериодических фильтров, амплитудный дискриминатор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен ко второму каналу запоминающего устройства, при этом выходы запоминающего устройства параллельно соединены со входами блока сравнения как через микропроцессор, так и непосредственно, при этом выходы блока сравнения предназначены для генерирования сигнала о замене инструмента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3