Устройство управления процессом резания

ОЮЗ СОВЕТСКИХЩИАЛИСТИЧЕСКИХЕСПУБЛИК 1759604 9) Я( 02 53)5 В ТЕНИЯ НИЕ ИЗ ПИ ВИДЕТЕЛ ЬСТВ ВТОРСКО ическому тическим ллообрая компентокарныхуправлеции раэрежущего в услових гибктва. ю изобретекциональныхавления проо возможене только прри одноврем ия является расширевозможностей устройцессом резания за счет контроль износа двух ямых, но и обратных енном сохранении выние фун ства упр того, чт типов, н резцов п СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМИ ГКНТ СССР(71) Киевский политехнический институтим.50-летия Великой Октябрьской социалистической революции(56) Авторское свидетельство СССРМ 1076859, кл, О 02 В 27/00, 1982 г,(54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РЕЗАНИЯ(57) Изобретение относится к оптическомуприборостроению, а именно к вптическимприборам, используемым при металлообработке, и может быть применено для компенсации погрешностей обработки на токарныхстанках с ЧПУ для контроля и компенсацииразмерного износа двух типов режущего инструмента с высокой точностью в условияхгибкого автоматизированного производства. Целью изобретения является расширение функциональных возможностейустройства управления процессом резанияза счет того, что возможен контроль износадвух типов не только прямых, но и обратныхрезцов при одновременном сохранении выИзобретение относится к опт приборостроению, а именно к оп приборам, используемым при мета ботке, и может быть применено дл сации погрешностей обработки на станках с числовым программным нием, для контроля и компенса мерного износа двух типов инструмента с высокой точностью сокои точности и минимизации габаритов устройства, Устройство содержит последовательно расположенные источник когерентного излучения, две линзы - сферическую и цилиндрическую для формирования расходящегося пучка излучения, две опорные полуплоскости и две оборачивающие призмы, симметрично расположенные относительно оптической оси линз, цилиндрический объектив для формирования изображения на линейке приборов с зарядовой связью и электронную систему анализа и управления процессом металлообработки. Принцип работы устройства основан на дифракции когерентного излучения на щели, образованной одной из опорных полуплоскостей и соответствующим типом режущего инструмента, Информационная часть дифракцион ного изображения направляется на линейку приборов с зарядовой связью посредством одной из оборачивающих призм и цилиндрического объектива, Видеосигнал линейки приборов с зарядовой связью ана-а лизируется в электронной системе анализа си управления процессом мегаллообработ-Ц ки, где вырабатываются команды на управление положением суппорта станка. 9 ил. ,р,С) автоматизированного производ-, асокой точности и минимизации габаритов устройства.На фиг, 1 изображена схема оптической системы и ход лучей в сигнальной плоскости в двух проекциях: на фиг. 2 - функциональ ная блок-схема соединения ПЗС-приемника с системой ЧПУ станка; на фиг. 3 - функциональная блок-схема блока формирования видеосигнала ПЗС-приемника; на фиг. 4 - функциональная блок-схема соеди нения устройств ЭВМ; на фиг, 5- функциональная блок-схема подключения процессора системы ЧПУ к приводам станка; на фиг. 6 - блок-схема алгоритма вычисления ширины измерительной щели; на фиг,.7 - 15 структурная схема алгоритма сглаживания видеосигнала ПЗС-приемника; на фиг. 8 - структурная схема алгоритма формирования массива координат минимумов видеосигнала; на фиг, 9 - структурная схема 20 алгоритма вычисления среднего периода ТФУстройство состоит из оптической преобразующей системы для формирования дифракционного изображения и электронной системы его анализа и управления про цессом металлообработки. Оптическая преобразующая система (см.фиг.1) содержит расположенные последовательно на одной оптической оси источник 1 когерентного излучения, сферическую линзу 2, ци линдрическую линзу 3, расположенные для преобразования пучка излучения в тонкую нить, края которой расположены на краях полуплоскостей 4 и 5, которые расположены симметрично. относительно оптической 35 оси, одна из полуплоскостей 4 либо 5 образует измерительную щель 6 с вершиной 7 режущего клина соответствующего типа инструмента, за которым расположены две призмы 8 и 9, например, Дове, симметрич ные относительной той же оси, и цилиндрическая линза 10, на двойном фокусном расстоянии от которой расположены опорные полуплоскости 4 и 5 приемника 11 с зарядовой связью (ПЗС), расположенная 45 симметрично относительно оптической оси, причем края пучка излучения, прошедшие через края полуплоскостей 4 и 5, находятся в плоскости приемника 11 на расстоянии от оптической оси, равном длине приемника 50 11, Выходной сигнал приемника 11 поступает в электронную систему 12 его анализа и управления процессом метллообработки, состоящую иэ блока 13 формирования видеосигнала и ЭВМ 14, 55Выход приемника 11 подключен также к блоку 13 формирования видеосигнала.который соединен, в свою очередь. с процессором ЭВМ 14, см,фиг.2. Блок 13 формирования видеосигнала содержит (см.фиг,3) генератор 15 тактовой частоты развертки видеосигнала во времени. Выход генератора 15 тактовой частоты соединен со входом коммутатора 16, который предназначен для формирования прямоугольных импульсов запуска (сброса) формирователя фазных напряжений 17, вход которого соединен с выходом коммутатора 16. Первый, второй и третий выходы формирователя фазных напряжений 17 соответственно соединены с первым, вторым и третьим фазными входами приемника 11 с зарядовой связью, Кроме того, первый выход формирователя 17 фазных напряжений подключен также и ко входу формирователя 18 опорных напряжений, четыре выхода которого соединены соответственно с четырьмя входами (входы питания, затвора, подложки и корпус приемника 11 с зарядовой связью, сигнальный выход которого соединен с пятым выходом формирователя 18 опорных напряжений и входом операционного усилителя (повторителя) 19 для повышения видеосигнала, Выход повторителя 19 подключен к первому входу блока 20 фильтров, второй вход которого соединен с первым выходом формирователя 17 фаэных напряжений. Выход блока 20 фильтров подключен через усилитель 21 напряжения к сигнальному (аналоговому) входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 22, цифровые выходы которого соединены через интерфейсное устройство 23 с общей шиной Э ВМ 14; Вход запуска АЦП 22 соединен с выходным регистром интерфейсного устройства 23 (см,фиг,4).Канальный сигнал общей шины ЭВМ 14 соединен через счетный триггер 24 с управляющим входом формирователя 17 фазных напряжений, который подключен ко входу "требования прерывания" интерфейсного устройства 23. К общей вине ЭВМ 14 подключен процессор 25, оперативное запоминающее устройство 26. фотосчиты ватель 27 через интерфейсное устройство 28, алфавитно-цифровой дисплей 29 через интерфейсное устройство 30. Кроме того, выход устройства 23 через формирователь 31 фазных напряжений и усилители тока 32 подключен к шаговым двигателям 33 суппорта 34 (см.фиг,5).Устройство работает следующим образом. Перед началом металлообработки инструмент в суппорте станка перемещают в исходную нулевую позицию, Пучок излучения источника 1 формируется цилиндрической линзой 2 в расходящийся пучок, края которого совершают опорные полуплоскоети 4 и 5 и находятся в плоскости анализа на расстоянии, равном длине приемника 111759604 5 10 25 ПЗС от оптической аси. Этот пучок цилиндрической линзой 3 собирается в тонкую .линию на щели 6. Сформированный таким образом пучок излучения источника 1 дифрагирует на щели 6, образованной одной из опорных полуплоскостей 4 либо 5 и вершиной 7 соответствующего инструмента. Дифрагированный световой поток оборачивается соответствующей призмой 8 либо 9 и направляется на цилиндрическую линзу 10, которая фокусирует дифрэкционное изображение щели 6 нэ приемнике 11 ПЗС, выходной сигнал которой поступает в электронную систему 12. которая осуществляет управление суппортом станка. Дифракционное изображение щели 6 состоит из эквидистантна расположенных экстремумов светавога потока, Форма и характер которых зависит от качества соответствующего края щели б,Экстремумы, расположенные под опорной полуплоскостью имеют яркий контраст и расположены на расстоянии обратно пропорциональном ширине щели 6. Экстремумы, расположенные со стороны инструмента не обладают этими качествами. Призмц 8 и 9 оборачивают дифракцианное изображение так, что экстремумц, расположенные под опорными палупласкастями 4 и 5, попадают на линейку ПЗС при контроле любого из типов. режущего инструмента. Дифракцианное иэображение, преобразованное в электрический сигнал ПЗС-приемником 11 анализируется в электронной системе 12, которая осуществляет перемещение суппарта станка. 30 35 40 45 50 55 Выходной видеосигнал ПЗС-приемника 11 формируется блоком 13 и представляет собой периодически чередующиеся через равные тактовые интервалы импульсы огибающей, совпадающей по форме с пространственным распределением интенсивности светового потока в изображении на светочувствительном слое ПЗС-приемника 11. Для формирования видеосигнала в блоке 13 имеется генератор 15 тактовой частоты, формирующий на выходе периодически повторяющиеся прямоугольные импульсы напряжения, поступающие на вход коммутатора 16, Коммутатор 16 имеет шесть параллельных выходов, подключенных ко входам формирователя 17 фазных напряжений. по каждому из которых коммутатором 16 последовательно распределяются входные импульсы. Формирователем 17 формируются фазные напряжения в виде прямоугольных импульсов, поступающих из первого, второго и третьега ега выходов на соответствующие три фазные входа приемника 11 с зарядовой связью. Длительность импульсов каждого из фазных напряжений равна временному интервалу между передними фронтами двух импульсов, поступающих из соответствующего выхода коммутатора 16. Таким образом, формируется бегущая ва времени волна электрического напряжения па светочувствительному слою приемника 11, которая осуществляет перенос накопившегося заряда поддействием падающего на приемник 11 светового потока. Заряд поступает на выходной регистр приемника 11. Для повышения квантовой эффективности выхода электронов из светочувствительного слоя приемника 11 к его подложке и затвору выходного регистра прикладываются соответствующие электрические напряжения, формируемые формирователем 18 опорных напряжений. Выходной видеосигнал приемника 11 поступает через операционный усилитель 19 (для повышения нагрузачнай способности)на вход блока 20 фильтров, В блоке 20 фильтров осуществляется высокочастотная фильтрация видеосигнала из импульсной формы в сглаженную огибающую, которая повторяет па форме распределение интенсивности светового паля на светочувствительном слое приемника 11. Далее выходной видеосигнал блока 20 фильтров усиливается по напряжению усилителем 21 для повышения амплитуды видеосигнала, а также "приведения" ега в диапазон входных напряжений аналогового входа АЦП 22.Запуск АЦП 22 осуществляется программна процессорам 25 ЭВМ 14 через выходной регистр интерфейсного устройства 23 обмена данными, С цифравь 1 х выходов АЦП 22 поступает двоичный цифровой код входного видеосигнала на входные регистры интерфейсного устройства 23, с которого считывается программно процессорам 25 и записывается в виде массива чисел в оперативное запоминающее устройство 26. Далее осуществляется цифровая обраба 1 кэ видеосигнала (т.е. записанного массива чисел, значения которых пропорциональны амплитудам соответствующих отсчетов видеосигнала) в программном режиме па алгоритму, приведенному на фиг, 6. Сущность обработки видеосигнала по такому алгоритму сводится к выполнению ряда процедур, представленных в виде отдельных алгоритмов на последующих фиг. 7 - 9, Нэ первом этапе обработки введенного видеосигнала осуществляется его сглаживание дия подавления случайных флуктцаций, вызванных загрязнением деталей оптической системы, а также попавшей стружкой ат арэЕэтываемой детали в поле зрения оптической системы (см,алгоритм на фиг. 7),Алгоритм сглаживания видеосигнала, представленный на фиг, 7, заключается в том, что значения отсчетов видеосигнала, соответствугощие элементам А О) массива А умножаются на соответствующие весовые коэффициенты Н О) и суммируются. Резуль-. тат суммирования записывается в ячейку А 0), после чего индекс ) увеличивается на единицу и процесс повторяется до достижения конца массива А, В результате сглаживания в ячейках, соответствующих значениям исходного массива, записываются значения сглаженного видеосигнала,т.е. сверки исходного видеосигнала с импульсной характеристикой цифрового фильтра, представленной массивом Н весовых коэффициентов.После этого производится формирование массива координат минимумов (фиг.8).Алгоритм формирования массива координат минимумов заключается а последовательной проверке массива значений видеосигнала, на вьиюинении уелоаия минимума; при обнаружении минимума его координата (т.е. индекс минимального элемента) записывается в массив Ю значений координат, после чего вычисляются значения расстояний между двумя соседними минимумами, которые рааны разности значений двух соседних элементов массива М. Разности К-го и К-го значений массива М записываются в К"е элементы массива периодов, который предназначен для определения среднего периода осцилляций видеосигнала, соответствующего дифракционномуизображениющели.Алгоритмопределения среднего периода представлен на фиг. 9 и заключается в вычисленных суммы всех значений массива Т периодов и делении ее на количество элементов,Далее определяется ширина измерительной щели как отношение произведения длины волны А излучения лазера на эквивалентное расстояние Е от щели до ПЗС-приемника к среднему периоду Т осцилляций амплитуды видеосигнала.Для определения величины размерного износа резца его перемещают суппортом 34 в исходную нулевую позицию, т.е. образуют измерительную щель шириной а 1, величина которой измеряется и запоминается в ЗВМ 13. Выполняют обработку детали на требуемый размер путем задания траектории движения инструмента относительно заготовки детали и возвращают суппорт 3 в исходную нулевую позицию, Измеряют ширину а 2 образованной измерительной щели, определяют размерный износ Ь щ аз-а 1 ин 55 Формула изобретения Устройство управления процессом резания, содержащее расположенные последовательно на оптической оси источник когерентного излучения, опорную полуплоскость, обьектив, линейку приборов с зарядовой связью и электронную систему струмента и корректируют траекторию егодвижения в радиальном направлении на величину износа и, что обеспечивает компенсацию размерного износа инструмента и5 требуемый диаметр детали.Для практической реализации предложенного устройства компенсации погрешностей обработки на металлорежущихстанках наиболее целесообразно испсльзо 10 вать в качестве источника 1 когерентногоизлучения - полупроводниковые лазеры типа ИЛПН-.2-ЗКА, либо ИЯПН-4 - КА. Всеоптические детали иэготавливаютси известными методами оптического приборострое 15 ния с расчетом на конкретные габаритныеразмеры устройства в целом, а также типаметаллорежущего станка, где оно устанавливается. 8 качестве приемника с зарядовой связью могут быть .использованы20 однокоординатные ПЗС-линейки типа1200 ЦЛ 1, ФПЗСЛ, ФПЗСЯлибо А 032,а также другие удовлетворяющие по длинесветочувствительной площадки требуемымгабаритным размером оптической системы,25 Функциональныеустройства.15-21 блока 13 формирования видеосигнала наиболее целесообразно выполнить намикросхемах серии К 561, аналого-цифровойпреобразователь 22 может быть выбран30 марки Ф/2.8 качестве ЗВМ 14 наиболее целесообразно использовать микро-ЭВМ типа "Знектроника", либо ДВК, содержашиеинтерфейсное устройство 23 типа И, про 35 цессор 25 типв М,либо М-З, оперативноезапоминающее устройство типа П, либоП-З, фотосчитыватель 27 типа ФС - 1501, соединенный через интерфейсное устройство28 типа 8-1 с общей шиной ЗВМ 14, дисп 40 лей 29 типа 15 ИЭ 00-13, соединенный черезинтерфейсное устройство 30 типа УПО с общей шиной ЭВМ 14.Таким образом, предложенное устройство по сравнению с известным-расширяет45 функциональные возможности устройствауправления процессом резания при одновременном сохранении высокой точности,минимизации габаритов устройства, т,е, позволяет посредством одного прибора конт 50 ролировать размерный износ двух видоврежущего инструмента. что решает проблему универсальности устройства, 1759604анализа и управления процессом металлообработки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, устройство снабжено сферической и цилиндрической линзами, установленными последовательно между источником ксгерентного излучения и опорной полуплоскостью, второй опорной полу- плоскостью, установленной симметрично первой полуплоскости относительно оси пучка, и двумя призмами, установленными также симметрично между опорными плоскостями и обьективам, выполненным в ви де цилиндрической линзы, установленнымна двойном фокусном расстоянии от опорных плоскостей и линейки приборов с зарядовой связью, установленной относительно оптической оси симметрично.1759604 Составитель В.Жиганов Техред М,Моргентал КоррекШулл каз 3142 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035. Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1