Устройство для определения разрушения режущего инструмента

союз сОВЕтскихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 798042 А 1 5 г)5 В 23 В 25/ ггпу)цтг БРЕТ ОРСКОМУ СВ К ЕЛЬСТВ ГОсудАРстВенг.юе пАтентнОеВЕДОМСТВО СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 973245. кл, В 23 В 25/06, 1982.Авторское свидетельство СССРМ 1268298, кл, В 23 В 25/06, 1986,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗРУШЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА(57) Использование: область машиностроения, в частности станкостроение, для защиты металлорежущего оборудования приобработке детали при аварийных ситуациях,связанных с разрушением режущего инструмента. Сущность: устройство содержитпоследовательно соединенные датчик 1вибраций, 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 - 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 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,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 ВАЭ, путем замены периодической операции выборки-хранения сигнала с выхода фильтра низких частот на однократную и путем исключения необходимости в корректировке в йроцессе резания значения уставки для фоомирования команды на сравнение среднего значения сигнала ВАЭ 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 сигнала ВАЭ 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 ВАЭ 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 ВАЭ, связанного либо с разрушением режущего инструмента, либо со случайными возмущениями в системе СПИД, В этом случае значительно упрощается управление устройством выборки-хранения.Уменьшение времени аппаратурногоанализа устройства (времени реакции) обес 5 печивается за счет устранения подзарядаемкости фильтра низких частот при импульсных возрастаниях (всплесках) сигналаВАЭ. Для этого между выходом детектора ивходом фильтра низких частот введен уп 10 равляемый ключ, Управление ключом 4 осуществляется с помощью одновибратора.При появлении всплеска сигнала ВАЭ сра. батывает компаратор и запускает одновибратор, который на время действия всплеска15 размыкает ключ, и емкость фильтра низкихчастот при этом оказывается отключеннойот выхода детектора,Если всплеск сигнала ВАЭ был вызванразрушением режущего инструмента и сиг 20 нал ВАЭ ввиду этого уменьшился, то припоследующем проведении анализа измене ния напряжения на емкости фильтра низкихчастот нет необходимости учитывать время,за которое должна была бы разрядиться ем 25 кость фильтра низких частот от напряжения,обусловленного всплеском сигнала ВАЭ, донапряжения, предшествующему всплеску.Длительность времени нахождения ключа вразомкнутом состоянии выбирается в пре-.З 0 делах 5 - 10 мс и зависит от демпфирующихсвойств конкретной упругой системы станок- приспособление - инструмент - детальСПИД) и определяется временем переходного процесса, возникающего в системеЗБ. СПИД при появлении импульсного возмущения.Адаптация устройства к типу обрабатываемого материала достигается за счет введения плавающей уставки вместо ее40 фиксированного значения в прототипе, Это .позволяет избавиться от необходимостикорректировать значение уставки в процессе обработки одной детали, так как даже вэтом случае возможны изменения сигнала45 по величине впределах 20 дБ и более.Необходимость корректировки значения уставки вызывается возможностьюуменьшения сигнала ВАЭ до такой величины; что даже при значительных импульсных50 увеличениях сигнала его пиковые значенияне смогут превысить значение уставки и врезультате возможен пропуск фиксации момента разрушения режущего инструмента.С другой стороны, возможно такое увеличе 55 ние сигнала ВАЭ, что его пиковые значениядаже в ходе нормального протекания процесса обработки могут превышать величинууставки, что будет являться источником ложных срабатываний.Вышеизложенное объясняет необходи- паратор оно поступает непосредственно смость корректировки значения уставки для выхода.вычитающего устройства 7, а на друкаждого технологического перехода, гой компаратор - через инвертирующийИспользование же в качестве уставки усилитель с единичным коэффициентом усиусредненного значения сигнала ВАЭ избав ления.ляет от необходимости корректировки зна- Одновибраторы 17 и 18 выполнены почения уставки в течение обработки одной схеме, приведенной на фиг. 4. Их запускдетали. Корректировка значения уставки бу- осуществляется импульсом положительнойдет необходима только при изменениитипа . полярности с длительностью переднего. обрабатываемого материала, 10 фронта не менее 25100 нс, Фильтр 5На фиг, 1 приведена функциональная низких частот выполнен по стандартнойсхема заявляемого устройства; на фиг; 2 - схеме, представленной на фиг, 5.функциональная схема устройства выбор- Элемент временной задержки 16 можетки-хранения; на фиг. 3 - функциональная быть выполнен по схеме, приведенной насхема двухполярного компаратора; на фиг. 15 фиг. 6, Его работа происходит следующим4 - электрическая схема одновибраторов; образом: в исходном состоянии на выходена фиг. 5 - электрическая схема фильтра операцйонного усилителя присутствует отнизких частот; на фиг. 6 - электрическая рицательный потенциал, т.е. на его инвертисхема элемента временной задержки; на рующий вход подается положительноефиг, 7 - форма сигналов с выходов усилите напряжение, задаваемое делителем Я 4, Я 5,ля и фильтра низких частот; на фиг. 8 - . а на неинвертирующем входе при отсутстформа напряжения на конденсаторе фиды- вии сигнала присутствует нулевой потенциранизкихчастотпривсплескесигнала ВАЭ; ал, При .срабатывании компараторана фиг. 9 - временные диаграммы работы наличия резания 15(см. фиг. 1) на Я 1 подаустройства,25 ется положительный потенциал, равныйУстройство содержит последовательно 12-13 В, емкость С 1 начинает заряжаться исоединенные датчик 1 вибраций, усилитель через время, определяемое постоянной вре 2 , детектор 3, ключ 4, фильтр 5 низких час- мени т= Я 1 С 1, напряжение на ней сравнятот, устройство выборки-хранения 6, вычи- ется, а затем и превысит потенциал,тающее устройство 7, вычитающий вход 30 задаваемый делителем Я 4, Я 5, При этом.которого подключен к выходу фильтра 5 происходит срабатывание операционногонизких частот, а выход подключен. к перво- усилителя ДА и на его выходе появляетсяму входудвухполярного компаратора 8, вто- положительный потенциал. При исчезноверой вход которого соединен с масштабным нии сигнала на входе элемента временнойпреобразователем 9, второй двухвходовый 35 задержки сигнал на выходе ДА 1 изменяетэлемент И 10 и блок управления 11. знак через время, определяемое постоянУсилитель 12 с регулируемым коэффи- ной времени цепи разряда тр = Яз. С 1, гдециентом подключен к выходудатчика 1 виб- Яз, = Я 1+ Я 2+ ЯЗ.раций, а его вход соединен с одним из Устройство вырабатывает сигнал, свивходов компаратора 13, второй вход которо детельствующий о разрушении режущегого подключен к выходу фильтра 5 низких инструмента при одновременном наличиичастот, а выход - к входу первого двухвхо- двух следующих условий,дового элемента И. 14, второй вход которого .Первое условие - это превышение устачерез элемент временной задержки 16 сое- новки, снимаемой с выхода фильтра 5 низдинен с выходом компаратора 15 наличия 45 ких частот., мгновенным значением сигналарезания, сигнальный вход которого подклю- ВАЭ, усиленного с помощью усилителя 12 счен к выходу фильтра 5 низких частот, а на регулируемыми коэффициентом усиления.опорный вход подается напряжение устав- Второе условие - это относительное изменение усредненного значения сигнала ВАЭУстройство выборки-хранения 6 содер на величину не менее (2535 ф. Тжит п) . акоеу равляемыи ключ 19, запоминающий . значение было получено после зализа изконденсатор 20 и операционный усилитель менения усредненного сигнала ВАЭ свя 1за нного с разрушением режущегоДвухполярный компаратор 8 может инструмента,быть выполнен по структурной схеме. при Устройство р бстройство ра отает следующим обраведенной на фиг. 3, Он состоит и двух обыч- зом.ных компараторов, на инвертирующие Сигнал ВАЭ иэ зоны резания воспринивходы которых подается опорное напряже- мается датчиком вибрации 1, усиливается сние, а на неинвертйрующие входы подается помощью усилителя 2, а также подается нэвходное напряжение, причем на один комусилитель 12 с регулируемым коэффициен- Для нормальной работы устройства котом усиления. Соотношение между коэффи- эффициент усиления усилителя 12 с регули. циентами усиления этих усилителей руемым коэффициентом усиления выбирается, исходя иэ следующих сообра- выбирают таким, чтобы максимальные жений. При нормальном ходе процесса об мгновенные значения сигнала на его вйходе работки сигнал ВАЭ, преобразованный в достигали значения "плавающей" ,уставки электрический сигнал с помощью датчика 1 только при критическом износе режущего вибраций и усиленный с помощью усилите- инструмента. Кроме того, с выхода фильтра ля 2, имеет вид, представленный на фиг. 7 а, 5 низких частот сигнал также поступает на После его прохождения через детектор 3, 10 один вхОдкомпаратора 15 наличия резания.ключ 4 и фильтр 5 низких частот происходит На второй его вход подается опорное напряформирование среднего значения сигнала, жение Оо, Компаратор 15 наличия резания приведенного на фиг. 76. Следует отметить, служит для разрешения работы устройства что постоянная времени детектора 3 опре- при появлений сигнала резания. Величина деляется полосой пропускания информаци опорного напряжения О выбирается такой, онного канала системы СПИД и выбирается чтобы с некоторым запасом превосходить в пределах (0,1-2) мс. Постоянная. времени сигналы помех, т.е сигналы, не связанные с фильтра низких частот 5 связана со сте- процессомреэания,которыевозникаютпри пенью нестационарности сигнала ВАЭивы- быстрых перемещениях суппорта; при врабирается в пределах 20-50 мс. 20 щении инструментальной револьверной гоСреднее значение сигнала ВАЭ исполь- ловки и т.п.зуется в качестве уставки для формирова- Элемент временной задержки 16 осуния с помощью компаратора 13 команды ществляет задержку как на появление сигдля проведения оценки изменения значе-. нала, так и на его исчезновению, Задержка ния сигнала с выхода фильтра 5 низких час на появление сигнала необходима для того, тот после всплеска ВАЭ, Как видно из фиг, чтобы избежать ложного срабатывания при 7, соотношение между величинами средне- врезании режущего инструмента в деталь, го значения сигнала и максимальными мгно- Это связано с опережающим появлением на венными значениями составляет 5-6 раз, а компараторе 13 быстроменяющегося сигнапри обработке труднообрабатываемых ма ла с выхода усилителя 12 с регулируемым териалов это соотношение может быть 20- коэффициентом усиления по отношению к 25 раз, и следовательно, для формирования усредненному сигналу с выхода фильтра 5 значения уставки, превышающего макси- . низких частот. Величина задержки выбирамальные мгновенные значения сигнала ется равной 5-10 мс, т.к; за это время сиг- ВАЭ, коэффициентусиленияусилителя 12 с 35 нал на выходе фильтра 5 низких частот регулируемым коэффициентом усиленияуспевает принять установившееся эначедолжен изменяться от 5 до 25 раз в зависи- ние. Задержка на исчезновение сигнала не- мости от марки обрабатываемого материа- обходима для того, чтобы в случае ла. Таким образом, уставка для прерывистого резания при отсутствии конформирования команды на сравнение явля такта режущего инструмента с деталью на ется "плавающей". т.е. меняется самостоя- этот период времени не происходило изме- тельно в зависимости от режимов нение режима работыустройства. Величина обработки, Принудительно изменять соот- задержки выбирается равной 0,5-1 с.ношение между величиной среднего значе- Необходимость введения ключа 4 зания сигнала и максимальными 45 ключается в предотвращении заряда конмгновенными значениями сигнала необхо- денсатора. фильтра 5 низких частот при димо только один раз при смене марки об- всплеске сигнала ВАЭ. Это позволяет вырабатываемого материала. Для этого полнять сравнение среднего значения сигизменяют коэффициент усиления усилителя нала до всплеска и после всплеска через 12 с регулируемым коэффициентом усиле интервал времени, определяемый только ния. Команда на проведение анализа изме- длительностью переходного процесса в упнения сигнала формируется при ругой системе СПИД и значением постоянпревышении мгновенным значением сигна- ной времени фильтра 5 низких частотла ВАЭ, усиленного с помощью усилителя Иллюстрация изменения напряжения 12 с регулируемым коэффициентом усиле на конденсаторе при отсутствии и наличии ния, значения "плавающей" уставки, апре- ключа приведена на фиг. 8, После всплеска деляемого величиной напряжения, сигнала возникает переходный процесс в снимаемого с выхода фильтра 5 низких час- упругой системе станка длительностью 5-10 тот и соответствующего текущему среднему мс, в течение которого при отсутствии ключа значению сигнала ВАЭ. напряжение на конденсаторе фильтра 5тивление 40 45 50 низких частот возрастает до некоторой величины, связанной с амплитудой всплеска, как показано на фиг, 8 б. 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, 8 в, уменьшение напряжения 02 на конденсаторе фильтра 5 низких частот после всплеска при отсутствии ключа до первоначального. значения 01, происходит за время тз и, следовательно, до истечения этого времени нельзя давать команду на проведение анализа изменения величины напряжения на конденсаторе после всплеска,Таким образом, пои наличии ключа 4 отпадает необходимость в учете интервала времени тз и, следовательно, на эту величину сокращается общее время аппаратурного анализа устройства, Для управления работой ключа 4 используется одновибратор.17, размыкающий ключ при срабатывании 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 6 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 ВАЭ 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 7 разность напряжений с выхода фильтра 5 низких частот, хранящегося в устройстве выборки-хранения 6 до появле. ния 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 5 10 15 20 25 30 35 устройства выборки-хранения 6, так и на второй двухвходовый элемент "И" 10, кото. рый 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 положение смены инструмента.При появлении на выходе усилителя 12 с регулируемым коэффициентом усиления всплеска сигнала ВАЭ, мгновенное значение котооого достигает величины напряжения на выходе фильтра 5 низких частот, компаратор 13 генерирует импульс напряжения, запускающий своим передним фронтом одновибраторы 17 и 18. Одновибратор 17, управляющий ключам 4, вырабатывает импульс длительностью 11, который размыкает ключ 4 и тем самым предотвращает подзаряд емкости фильтра 5 низких частот от всплеска сигнала ВАЭ. Одновибратор 18, служащий для управления ключом 19 устройства выборки-хранения 6, вырабатывает импульс длительностью т 2, который одновременно размыкает ключ 19 устройства выборки-хранения 6, переводя его тем самым в режим хранения, а также подается на один из входов двухвходового элемента И 10. На время длительности импульса 12 с выхода одновибратора 18 напряжение на запоминающем конденсаторе 20 не изменяется, т.к, его нагрузкой является операционный усилитель 21, включенный в режиме повторителя и имеющий большое входное сопроВеличина напряжения на выходе устройства выборки-хранения 6 в течение интервала времени т 2 равна значению напряжения, которое было на выходе фильтра 5 низких частот до возникновения всплеска сигнала ВАЭ. На выходе вычитаю- щего устройства 6 в течение интервала времени 11 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 масштабного преобразователя 9, величина которого равна И 36, где к - коэффициент пропорциональности, равный 0,25-0,35, и значение которого будет постоянно в течение интервала времени равного длительности импульса 12, вырабатываемого одновибратором 18, на втором входе двухполярного компаратора 8 в течение интервала времени т 1 будет присутствовать снимаемое с выхода вычитающего устройства 7 напряжение, равное нулю.тое) положение на выходе вычитающего ус 45 50 По истечению интервала времени 11 ключ 4 возвращается в первоначальное (замкнутое) положение и напряжение на выходе фильтра 5 низких частот начинает изменяться пропорционально изменению входного сигнала ВАЭ. 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 т 2 действия импульса на выходе одновибратора 18 (т.е. при разомкнутом ключе 19) напряжение От, вырабатываемое вычитающим устройством 7, не превысит порогового напряжения двухполярного компаратора 8, задаваемого с помощью масштабного преобразователя 9, то на выходе двухполярного компаратора 8 сохранится напряжение, равное нулю, и после возвращения ключа 19 в исходное (замкнутройства 7 будет действовать нулевой сигнал, Если же напряжение От 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 металлорежущего 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 ВАЭ, и в фильтре 5 низких частот для установления на его выходе нового значения напряжения. При использовании предлагаемого устройства обеспечивается: 5 10 15 20 повышение достоверности определения момента разрушения режущего инструмента;упрощение настройки и эксплуатацииустройства, что позволяет расширить сферуего применения, включая многостаночноеобслуживание и "безлюдную" технологию;более быстрое прекращение процессаобработки при разрушении режущего инструмента, и, как следствие, снижение тяжести последствий, возникающих приразрушении инструмента и продолжающемся движении суппорта,Формула изобретенияУстройство для определения разрушения режущего инструмента, содержащеепоследовательно соединенные датчик вибраций, усилитель и детектор, а также фильтрнизких частот, блок выборки-хранения, вы.читающий блок, первый компаратор, блокуправления и последовательно соединенные второй компаратор, схему временнойзадержки и первый элемент И, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышениядостоверности определения момента разрушения режущего инструмента, в устройствовведены ключ, включенный между выходомдетектора и входомфильтра низких частот,выходом соединенного с первым входом .второго компаратора, на второй вход которого подается опорное напряжение, и с блоком. выборки-хранения, выход которогоподключен на вход вычитающего блока и квходу масштабного преобразователя, выходкоторого подключен к опорному входу первото компаратора, второй вход которого соединен с выходом вычитающего блока, входкоторого подключен к выходу фильтра низких частот, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, подключенный квыходу датчика, третий компаратор, первыйвход которого подключен к выходу фильтранизких частот, второй вход - к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, а выход - к второму входу первогоэлемента И, первый и второй одновибраторы, входы которых подключены к выходупервого элемента И, причем выход первогокомпаратора предназначен для управленияключом, а выход второго одновибратора -блоком выборки-хранения, кроме того, выход второго одновибратора подключен к одному из входов второго элемента И, второйвход которого соединен с выходом первогокомпаратора, а выход связан с блоком управления.Заказ 736 Тираж, ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыти113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 НТ ССС твенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 из