CC BY
15УДК 621.990.1
ВИБРОГЕНЕРАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СТАНОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ДЛЯ АВТОПОДНАЛАДЧИКОВ
Тромпет Герман Михайлович, кандидат технических наук, доцент, Уральский государственный аграрный университет (620075, г.Екатеринбург, ул. К.Либкнехта, д.42, тел.: +7(343)221-41-40, e-mail: german.trompet@gmail.com)
Александров Виктор Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, Уральский государственный аграрный университет (620075, г.Екатеринбург, ул. К.Либкнехта, д.42, тел.: +7(343)221-41-44, e-mail: alexandrov vikt@mail.ru)
Рецензент: Л. А. Новопашин кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: novopashi n-leoni d@ya. ru)
Ключевые слова: виброгенераторый преобразователь, активный контроль, автоподналадчик, станочное оборудование, колебательная система.
Аннотация. В работе представлены результаты разработки конструктивных элементов виброгенераторного преобразователя станочного оборудования активного контроля, устанавливаемого, в частности, на бесцентрово-шлифовальных станках, и экспериментальной проверки теоретических выводов при сопоставлении с работой реальной системы активного контроля.
VIBRATORY GENERATOR CONVERTERS OF THE MACHINE TOOL EQUIPMENT OF
THE ACTIVE CONTROL FOR AUTO-ADJUSTERS Trompet G.M., candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University (620075, Yekaterinburg, K.Libknecht str., 42 tel.: +7(343)221-41-40, e-mail: german.trompet@gmail.com)
Aleksandrov V.A., candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University (620075, Yekaterinburg, K.Libknecht str., 42 tel.: +7(343)221-41-44, e-mail: alexandrov vikt@mail.ru)
Reviewer: L.A Novopashin candidate of technical Sciences, associate Professor, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Ekaterinburg, Karl Liebknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33 - 63, E-mail: novopashin-leonid@ya.ru)
Key words: vibrogenerator converter, active control, auto-adjuster, machine equipment, vibrating system.
Abstract. The paper presents the results of development of structural elements of the vibro generator transducer of the machine tool equipment of active control, installed, in particular, on centerless grinding machines, and experimental verification of theoretical conclusions when compared with the work of the real system of active control.
Постановка задачи. Разработка приборов для активного контроля деталей непосредственно после их обработки на различных станках представляет сложную техническую задачу. Это объясняется малым промежутком времени цикла обработки, затрудненным доступом к контролируемой поверхности детали, сложным движением детали при обработке [1], поэтому работа над конструктивными элементами систем управляющего контроля виброконтактного принципа измерения, устанавливаемых непосредственно после обработки деталей, вызывает необходимость создания теоретических основ их расчёта, и прежде всего первичного измерительного элемента, состоящего из двух взаимосвязанных узлов [2,3]:
• вибратор (раскачивающий электромагнит - колебательная система);
• виброгенератор (колебательная система - постоянный магнит - катушка индуктивности).
Вопросом теории электромагнитных вибраторов посвящено большое количество работ [4].
Вместе с тем, виброконтакный преобразователь имеет ряд особенностей [5]:
• работа в резонансном режиме;
• влияние постоянных магнитов вибратора на колебательную систему;
• влияние катушки индуктивности генератора на колебательную систему.
При выборе конструктивных элементов необходимо учитывать комплексное влияние вибратора на колебательную систему и на виброгенератор и наоборот - влияние виброгенератора на колебательную систему и на вибратор в режиме резонансных колебаний при особенностях бесцентрового шлифования:
• высокой динамичности процесса перемещения контролируемых деталей;
• удары кромок контролируемых деталей об измерительный наконечник;
• прерывистости измеряемых поверхностей в процессе технологического перемещения деталей;
• необходимость малого измерительного усилия;
• создание малогабаритных преобразователей, встраиваемых в измерительную оснастку
[8].
В процессе проектирования конструкций преобразователей виброконтактного принципа измерения возникает необходимость формализованного описания процесса, в построении
математической модели, где бы можно было определить все особенности формирования выходного управляющего сигнала, конкретно влияющего на метрологические и технологические возможности преобразователей различных конструкций [6,7].
Формирование сигнала в виброгенераторных преобразователях для автоподналадчиков.
Целью данной работы является получение математической связи между всеми конструктивными элементами электромеханического вибропреобразователя и экспериментальная проверка её при сопоставлении с работой реального прибора.
Проведённый анализ [9] результатов применения различных по принципу действия первичных преобразователей в системах управляющего контроля - автоподналадчиков [8,10,11], исследования условий использования приборов управляющего контроля при влиянии охлаждающей жидкости, содержащей абразив и стружку показали целесообразность применения виброконтактных преобразователей с подведённой системой (измерительного наконечника), работающей в режиме возвратно-поступательных колебаний.
Рассмотрим конструкцию преобразователя, широко используемую в системах управляющего контроля [3]. Малогабаритный электромагнитный вибропреобразователь типа ВГП [2] разработан с учётом использования в различных контрольных системах и, прежде всего, для приборов активного контроля на бесцентрово-шлифовальных станках. Принцип действия такого преобразователя заключается в следующем (рис.1).
а - схема прибора; б - общий вид Рисунок1 - Электромагнитный преобразователь типа ВГП: При подаче питающего напряжения на электромагнит 1 измерительный шток 2, жёстко связанный с якорем 3 электромагнита и подвешенный на пластинчатых пружинах 4 и 5, приводится в колебательное возвратно-поступательное движение. Колебания жёстко связанного
со штоком якоря 6 виброгенератора перераспределяют магнитный поток постоянного магнита 7, вследствие чего в катушке 8 виброгенератора наводится ЭДС. Измерительный шток снабжён наконечником 9, который контактирует с обрабатываемой и измеряемой поверхностью. Сигнал, снимаемый с катушки 8, регистрируется в отсчётно-командном блоке. Электромагнитный вибропреобразователь устанавливается в таком положении, чтобы колебания измерительного наконечника ограничивались поверхностью контролируемой детали. С изменением положения измеряемой поверхности будет изменяться амплитуда колебаний штока, вследствие чего изменится величина перераспределения магнитного потока, пропорционально изменится и выходная ЭДС. Совершая 100 колебаний в секунду, наконечник производит такое же количество измерений в разных точках движущейся детали. Сигнал, полученный в результате каждого измерения, будет преобразован в соответствующую амплитудную величину переменного тока, поступающего с датчика в отсчётно-командное устройство. Колебания наконечника позволяют легко преодолевать уступы на поверхности деталей и неровности при высокой скорости движения деталей, имеющих разрывы и малую площадь контролируемой поверхности. Упругая подвеска вибрирующего штока демпфирует случайные механические удары и предохраняет датчик от преждевременного выхода из строя.
Процесс измерения в общем случае является стохастическим. Для его исследования необходимо рассмотреть формирования сигнала в преобразователе и описать его математически. Виброконтактный преобразователь можно представить как совокупность двух связанных между собой узлов. В первый из них (вибратор) входят раскачивающий электромагнит, состоящий из катушки 1 и якоря 3 и измерительный наконечник 2 (колебательная система) с якорями 2 и 6; во второй (виброгенератор) - колебательная система (измерительный шток и два якоря), постоянный магнит 7, катушка индуктивности 8 и якорь 6.
Используя второй закон Кирхгофа, можно после соответствующих преобразований записать уравнение цепи электромагнита
isr = FoSinct -WsЩ1, (1)
dt
где i - ток в обмотке электромагнита; r - активное электрическое сопротивление обмотки; Fo sin Ct - питающее напряжение с амплитудой F0 и частотой c ; Ws - число витков
« ^ - - dOs
обмотки; O - магнитный поток в данной цепи;--скорость его изменения.
Э dt
Дифференциальное уравнение движения колебательной системы с одной степенью свободы представим в виде [12]
d x dx j . , ч
m ~rr~+ h-j-+kx = P sin cot, (2)
dt dt
где x - величина перемещения измерительного штока; m - масса измерительного штока с якорями; h - коэффициент демпфирования; k - коэффициент упругости (жёсткости); р -возмущающая сила электромагнита; c " частота возмущающей силы; t - текущее время. Выразим возмущающую силу P через магнитный поток Фэ и уравнение (2) примет вид
d x , dx , фЭ m-тг-+ h-j- + kx = ~—sin cot dt dt 2mo S э
где л - магнитная проницаемость воздуха; $ - площадь кольца магнитопровода катушки электромагнита.
По опыту проектирования преобразователей виброконтактного принципа измерения [6] возмущающие силы от постоянного магнита и действия внешних сил на два порядка меньше силы притяжения якоря электромагнита, поэтому уравнение движения измерительного штока совместно с якорями электромагнита и виброгенератора будет выглядеть при максимальном значении силы притяжения якоря электромагнита
т2
d x i dx r 1-^2 m—~r + h-тт+kx = ~—^гФэ ■ (3)
dt dt 2 mo S э
Уравнение виброгенератора представим в следующем виде
Е =-ЖгЖфм = Ь^т + ¡ггх. (4)
где Е - Э.Д.С.; ^^г - число витков обмотки генератора; фм - магнитный поток постоянного магнита; Ь - индуктивность обмотки генератора; ¡г - ток в обмотке генератора; ^ - суммарное электрическое сопротивление обмотки генератора, проводов и нагрузки. Индуктивность обмотки можно определить по формуле Ь = Шо$г^г/(0—х) , где О - воздушный
зазор между якорем и магнитопроводом виброгенератора; х - величина перемещения якоря генератора. Подставив в выражение (4) получим уравнение виброгенератора
ттг ЖФм Шо $ гЖ Г Ж Г , • ^ч
— = —^--~тг + 1ггх • (5)
& о— х т
Полученные уравнения (1), (3), (5) описывают работу электромагнитного вибропреобразователя типа ВГП (рис.2) и формирование сигнала поступающего на отсчётное
устройство и по величине которого выдаются управляющие команды на получение необходимого размера изготовляемых деталей. По полученной системе уравнений рассчитываем выходные параметры по заданным входным условиям (в частности, рассеивание размеров после выхода деталей из-под шлифовальных кругов бесцентрового шлифования), исследуем зоны устойчивой работы резонансного виброконтактного механизма преобразователя, влияние стохастического процесса измерения размеров обрабатываемых и контролируемых деталей на метрологические показатели всей измерительно-управляющей системы.
1
Рисунок 2 - Формирование сигнала при входной величине (1) и выходном сигнале (2) Эксплуатация приведённых виброконтактных преобразователей привела к созданию датчика с двухсторонним действием силы притяжения якоря электромагнита [3] (рис.3).
а б
а - схема прибора; б - общий вид Рисунок 3 - Виброконтактное измерительное устройство:
Принцип действия такого преобразователя заключается в следующем. При подключении обмотки электромагнита 5 к источнику питания переменного тока I возникают противофазные
колебания рамок 2 и 3, подвешенных на пружинах 4 в корпусе 1. Амплитуда колебаний этих рамок устанавливается такой, чтобы измерительный наконечник (щуп) 12, жёстко соединённый с
рамкой 2, приводился в соприкосновение с поверхностью контролируемой детали 13. Обе рамки 2 и3 приводятся в движение от одного электромагнита 5, возбуждающая сила F которого равна
7-2
F = m0SW j2
F / с* \2 I вх 5
(о- X)
где m0 - коэффициент магнитной проницаемости; S - поперечное сечение провода катушки; W - число витков в катушке электромагнита; О - статический зазор; x - величина перемещения рамок; J - ток в обмотке электромагнита.
Исходя из уравнения движения колеблющейся массы с одной степенью свободы
d x dx m—т + h-гг + kx = F , (6)
dt dt
где m - масса колеблющегося тела; h - коэффициент сопротивления; k - коэффициент жёсткости; x - величина перемещения рамок; F - возмущающая сила.
Величина перемещения рамок будет одинаковой x= X. Отсюда и на выходе
измерительного устройства будут одинаковые по величине сигналы VL* = VLx' которые
вырабатываются виброгенераторами, состоящими из постоянных магнитов 8, 10 и катушек 7, 9, уравнение которых имеет вид по аналогии с (4)
7-1 ТТГ d Фм т dJ вых | т in\
Е = = L—г—+J вых Тт. . (7)
dt dt
При отклонении контролируемой поверхности, в процессе измерения будет изменяться амплитуда колебаний рамки 2, так как движение щупа 12 этой рамки будет ограничено поверхностью контролируемой детали 13. Возмущающая сила постоянна F =const, то вторая
рамка 3 будет совершать колебания с первоначальной амплитудой и, следовательно, сигнал V ||
будет постоянным V || =const, который является опорным сигналом, а сигнал V | будет
изменяться пропорционально амплитуде колебаний рамки 2, соединённой со щупом 12. Эти оба
сигнала VL*>Vпоступают в компаратор 11, вырабатывающий сигнал рассогласования, по
которому судят о результате контроля.
Электромагнитный поток фэ, создаваемый электромагнитом 5 и представленный
выражением
rJо = Uosincot -Ws, (8)
dt
будет замыкаться в основном на элементах А
5
О
Рисунок 4. Распределение электромагнитных потоков в вибраторе
В каждый полупериод тяговое усилие р (возмущающая сила [18]) будет притягивать
элемент А вниз, а элемент Б вверх, отсюда - движение рамок в противоположные стороны. При такой конструктивной схеме электромагнитный поток фэ, создаваемый электромагнитом 5,
будет направлен параллельно рамкам. Стойки 6 являются направляющими электромагнитного потока.
Уравнения (6), (7), (8) описывают работу виброконтактного преобразователя с двухсторонним действием электромагнита и формирование сигнала двух виброгенераторов У^х и У^х, притом
V' =соп81 а V меняется в зависимости от изменения положения поверхности 13 (см. рис.3).
' вых ' вых 1 \ I /
На последних системах управляющего контроля для бесцентрово-шлифовальных станков (рис.5) установлены магнитодинамические преобразователи виброконтактного принципа измерения.
Рис.5. Процесс измерения деталей при использовании магнитодинамического преобразователя
Высокая динамичность процесса при технологическом движении контролируемых деталей вызвало создание механизма более жёсткой конструкции колебательной системы (измерительного наконечника). Для достижения этой цели наконечник, якорь электромагнита возбуждения
вибратора и сердечник катушки индуктивности блока измерения амплитуды виброколебаний жёстко соединены между собой, образуя измерительный шток, прикреплённый к корпусу посредством упругих подвесок [3].
Измерительный шток, объединяя в единое целое составляющие колебательной системы, увеличивает её жёсткость, обеспечивая высокую чувствительность устройства при прикреплении измерительного штока к корпусу посредством упругих подвесок. При такой жёсткой колебательной системе не возникают поперечные колебания её элементов, что повышает точность измерений. Отсутствие этих колебаний и демпфирование измерительного штока упругими подвесками и массой самого штока способствуют повышению точности измерения при ударах наконечника о кромки деталей в процессе их технологического движения.
Виброконтактное измерительное устройство содержит корпус, расположенный в нём вибратор в виде электромагнита возбуждения, включающего катушку и якорь, блок измерения виброколебаний с сердечником и катушкой индуктивности, связанный кабелем с регистратором, наконечник и две упругие подвески (рис.6).
Рисунок 6 - Магнитодинамический преобразователь Каждая упругая подвеска выполнена в виде горизонтально расположенной мембраны с двумя радиальными вырезами, противоположно расположенными относительно измерительного штока. Мембрана прикреплена к корпусу между наконечником и электромагнитом возбуждения вибратора, охватывая стержень измерительного штока, соединяющий наконечник и якорь. Мембрана прикреплена к корпусу между сердечником и торцом корпуса, охватывая соответствующий участок измерительного штока. Стержень измерительного штока, соединяющий наконечник и якорь, расположен в центральном отверстии магнитопровода электромагнита возбуждения вибратора. Катушки индуктивности имеет две, расположенные друг
над другом обмотки с противоположными намотками, а сердечник расположен вдоль этих обмоток.
Электродинамический вибропреобразователь работает так. При подаче питающего напряжения на катушку электромагнита возбуждения вибратора приводятся в колебательное возвратно-поступательное движение стержень с наконечником и якорь с сердечником. В катушке индуктивности блока измерения виброколебаний индуцируется ЭДС, пропорциональная изменению скорости магнитного потока, создаваемого сердечником.
В процессе измерений размеров обрабатываемых деталей наконечник измерительного штока контактирует с контролируемой поверхностью. При этом в зависимости от измерения размеров деталей изменяется амплитуда колебаний штока, в том числе сердечника. Изменение амплитуды колебаний сердечника приводит к изменению ЭДС, что по кабелю передаётся регистратору сигналов с последующей выдачей показаний измерений в удобочитаемой форме.
Для рассмотрения формирования этих сигналов последовательно опишем работу всех узлов вибропреобразователя, начиная с электромагнита
isr - Vosin ct -Ws^фэ (9)
dt
Дифференциальное уравнение движения колебательной системы, состоящей из штока с наконечником, якоря и сердечника, представим по аналогии с (3) в виде
d x -. dx r 1 _2
m—rr + h-rr+kx =—^т Фэ • (10)
dt dt mo S s
Движение колебательной системы, с которой жёстко связан сердечник виброгенератора, приводит к появлению ЭДС
Е =-Жг ^ - + 1г,. (11)
где Е - ЭДС; - число витков обмотки генератора; фэ - магнитный поток постоянного
магнита; Е - индуктивность обмотки генератора; ¿г - ток в обмотке генератора; - суммарное
электрическое сопротивление обмотки генератора, проводов и нагрузки.
Полученные уравнения (9), (10), (11) описывают работу магнитодинамического вибропреобразователя и формирование сигнала [13] (рис.7), поступающего на отсчетно -командное устройство которое выдаёт команды на управление работой бесцентрово-шлифовальным станком.
Рис.7. Графическое решение системы уравнений, где Фэ - электромагнитный поток;
Х - величина перемещения измерительного штока (колебательной системы);
dx/dt - скорость перемещения измерительного штока; ir - выходной ток генератора (измерительной системы)
Полученные зависимости используются для расчёта выходных параметров по заданным входным условиям, использования зоны устойчивой работы виброконтактной системы измерения и влияния стохастического процесса контроля размеров обрабатываемых деталей [14].
Практическая реализация станочного оборудование активного контроля с виброгенераторными преобразователями
В настоящее время (2019 год) станочное оборудование активного контроля, разработанное на кафедре «Технология металлов и ремонт машин» УрГАУ, устанавливается для производственного использования в цеховых условиях на экспериментальном производственном комбинате Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина.
Список использованных источников
1. Приборы для автоматического контроля в машиностроении/С.С. Волосов, Е.И. Педь. М.: Издательство стандартов.1990.310 с.
2. Пат.№66514 РФ G01B7/12 Виброконтактное измерительное устройство/Тромпет Г.М., Колка И.А., Тромпет Л.В.; опубл. 10.09.2007 Бюл.№25.
3. Пат.№59236 РФ G01B7/12 Виброконтактное измерительное устройство/Тромпет Г.М., Колка И.А.; опубл. 10.09.2006. Бюл.№34.
4. Агаронянц Р.А. Динамика, синтез и расчет электромагнитов. М.: Наука. 1987. 308 с.
5. Тромпет Г.М., Александров В.А. Разработка систем управляющего контроля с использованием виброконтактных приборов // Вестник РГАЗУ.2007.№2(7). С.71-73.
6. TrompetG.M., ButakovS.V., KazantsevaN.K., AleksandrovV.A., BubkinA.Dynamic characteristics of an active vibrocontact monitoring system for multipurpose machine tools //Russian Engineering Research. 2018. Т. 38. № 11. P. 876-878.
7. Aleksandrov V.A., Vilkov A.N., Vilkova Yu.V., Trompet G.M.Active monitoring systems in the machining of discontinuous surfaces //Russian Engineering Research. 2016. Т. 36. № 11. P. 926-929.
8. Приборы автоматического управления обработкой на металлорежущих станках/ А.В. Высоцкий, И.Б. Карпович, М.П. Соболев, М.И Этингоф. М.: Машиностроение. 1995. 328 с.
9. Соболев М.П., Этингоф М.И. Автоматический размерный контроль на металлорежущих станках. Смоленск: «Ойкумена». 2014. 300 с.
10. Активный контроль в машиностроении: справочное пособие; под ред. Е.И Педя. М.: Машиностроение. 1971. 360 с.
11. Высоцкий А.В., Соболев М.П., Этингоф М.И. Активный контроль в металлообработке. М.: Издательство стандартов. 1979. 175 с.
12. Бабенков И.М. Теория колебаний. М.: Наука.1986.256 с.
13. Тромпет Г.М Формирование сигнала в виброконтактных системах управляющего контроля // Технология производства машин: межвузовский сборник научных трудов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ УПИ. 2003. Вып. 1. С. 43-48.
14. Тромпет Г.М., Красильников А.Я. Оценка динамических характеристик виброконтактной системы управляющего контроля //Машиностроитель. -2006.-№8.-С.21-23.
15. Некрасов Ю.Н., Садов А.А., Каратаев А.А., Новопашин Л.А.Методы ремонта машин: пути и решенияМолодежь и наука. 2017. № 3. С. 123.
List of sources used
1. Devices for automatic control in mechanical engineering / S.S. Volosov, E.I. Ped. Moscow: Publishing standards.1990.310 p.
2. Pat.№66514 RU G01B7/12 Vibrocontact measuring device/Trompet G.M., Kolka I.A., Trompet L.V.; 10.09.2007 Bull. №25.
3. Pat.№59236 RU G01B7/12 Vibrocontact measuring device/Trompet G.M., Kolka I.A.; 10.09.2006. Bull. №34.
4. Agaronyanets R.A. Dynamics, synthesis and calculation of electromagnets. M.: Science. 1987. 308 p.
5. Trompet, G.M.; Aleksandrov, V.A. Development of the control control systems with the use of the vibration-contact devices // Vestnik RGAZU.2007.№2(7). P.71-73.
6. Trompet G.M., Butakov S.V., Kazantseva N.K., Aleksandrov V.A., Bubkin A.Dynamic characteristics of an active vibrocontact monitoring system for multipurpose machine tools //Russian Engineering Research. 2018. Т. 38. № 11. P. 876-878.
7. Aleksandrov V.A., Vilkov A.N., Vilkova Yu.V., Trompet G.M.Active monitoring systems in the machining of discontinuous surfaces //Russian Engineering Research. 2016. Т. 36. № 11. P. 926-929.
8. Devices for the automatic control of the machining on the metal-cutting machine tools / A.V. Vysotsky, I.B. Karpovich, M.P. Sobolev, M.I. Etingof. Moscow: Engineering. 1995. 328 p.
9. Sobolev, M.P.; Ethingof, M.I. Automatic dimensional control on the metal-cutting machines. Smolensk: "Oikumena". 2014. 300 p.
10. Active Control in Mechanical Engineering: Reference Manual; edited by E.I. Pedya. Moscow: Engineering. 1971. 360 p.
11. Vysotsky A.V., Sobolev M.P., Etingof M.I. Active control in metalworking. Moscow: Publishing standards. 1979. 175 p.
12. Babenkov, I.M. Oscillation theory. Moscow: Nauka.1986.256 p.
13. Trompet, G.M. Signal formation in the vibrocontact control systems // Machine manufacturing technology: interuniversity collection of scientific papers. Yekaterinburg: State Educational Institution of Higher Professional Education of UPI. 2003. Issue. 1. pp. 43-48.
14. Trompet, G.M.; Krasilnikov, A.Ya. Evaluation of the dynamic characteristics of the vibration-contact control system // Machine Builder. -2006.-№8.-pp.21-23.
15. Nekrasov Y.N., Sadov A.A., Karataev A.A., Novopashin L.A.Methods of repairing machines: ways and solutions Youth and science. 2017. No. 3.P. 123.
