Определить силу резания - важная задача, так как в зависимости от радиуса обрабатываемой детали мы можем вычислить величину, показывающую, насколько при данных условиях работы нагружен токарный станок и не опасна ли эта нагрузка для наиболее слабых звеньев станка. При умножении силы резания на скорость резания можно определить мощность, необходимую на резание детали. Сопоставляя эту мощность с действительной мощностью станка, можно судить о том, насколько рационально используется токарный станок.
Сила резания – результирующая сил сопротивления перемещению, действующих на инструмент.
Величина силы резания, необходимая для преодоления сопротивления материалов при снятии стружки, зависит от ряда факторов: обрабатываемого материала, глубины резания, подачи, углов заточки резца, скорости резания и др.
Цель статьи - разработка устройства для получения возможности точно определить силу резания при автоматическом управлении режимами работы токарного станка. Устройство представляет собой динамометрический датчик со встроенным усилителем и индикацией показывающим в динамическом режиме силу резания. Показан принцип работы системы в целом, приведена принципиальная, структурная схема его технические характеристики и общий вид устройства.
Автоматизация технологического процесса является важной частью научно-технического прогресса в повышении качества обработки металлов резанием. Поэтому разработка систем автоматического управления режимами работ металлорежущего оборудования является актуальной задачей. Эффективная и надежная работа систем автоматического управления может быть обеспечена только с применением современных средств автоматизации, в ряду которых первыми стоят датчики контроля текущего состояния технологического процесса в том числе и для определения силы резания на токарном станке.
На кафедре «Автоматизация и Робототехника» КГТУ им. И.Раззакова разработана конструкция силометрического датчика для токарного станка, измеряющего силу резания по трем ее составляющим. Конструкция включает в себя: усилитель с выходом для управления преобразователя частоты тока и индикатор, информирующий о величине силы резания в процессе точения. Определение силы резания с помощью устройства основывается на работе тензорезисторного моста (рис.1), преобразующего механическое усилие в электрический сигнал, поступающий в электромеханический преобразователь - (ЭМП).
Рис. 1 Принципиальная схема динамометрического устройства
Преобразование и последующая обработка сигнала производится по двум независимым, идентичным каналам для питания ЭМП используется генератор стабилизированного тока, выполненного на сегменте операционного усилителя LM324 U1:A первом канале и U2:A втором канале, а также транзисторах Q1 и Q2 соответственно.
Далее сигнал с ЭМП поступает на дифференциальный усилитель, состоящий из сегментов операционного усилителя LM324 U1:B, U1:C и U2:B, U2:C соответственно. Сегменты U1:D, U2:D дополнительно повышают коэффициент усиления для дальнейшего преобразования в аналоговый цифровой преобразователь - (АЦП). АЦП выполнен на микроконтроллере фирмы «MICROCHIP» - PIC16F873A. В АЦП микроконтроллера поступает усиленный и отфильтрованный электрический сигнал. Полученный результат аналого-цифрового преобразования проходит цифровую обработку в зависимости от установок пользователя с последующим выводом на цифровой индикатор и в цифровой аналоговый преобразователь (ЦАП) для получения зависимого от механического усилия изменения величины сопротивления. Затем сигнал ЦАП подается на частотный преобразователь, который в зависимости от входящих сигналов регулирует работу двигателя. Для лучшей помехоустойчивости выводы управляемого эквивалента резистора имеют гальваническую развязку с цепями схемы прибора.
Информация на индикатор выводится в трёх переключающихся режимах:
- 1. информация, суммированная по двум каналам с учетом коэффициентов их пересчета;
- 2. информация на индикаторе слева по первому каналу с учётом коэффициента пересчета по первому каналу, справа число, полученное после преобразования в АЦП;
- 3. информация по второму каналу аналогично первому каналу.
Переключение режимов индикации производится с помощью кнопок «+» и « - », дополнительно в каждом из ,которых реализован переход во второй уровень меню, где можно изменять коэффициенты пересчета результата преобразования АЦП как по двум каналам раздельно, так и для суммированной величины по обоим каналам для вывода в ЦАП.
Переход во второй уровень меню производится нажатием кнопки режим в любом из режимов индикации и вход в меню для изменения коэффициентов соответствует каждому каналу:
- 1. при нажатии кнопки режим производится вход во второй уровень меню для изменения коэффициента используемого для вывода в ЦАП;
- 2. при нажатии кнопки режим производится вход во второй уровень меню для изменения коэффициента пересчета по первому каналу;
- 3. аналогично пункту два.
Все коэффициенты пересчета сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера и при следующем включении прибора вводить коэффициенты заново не требуется. Выход прибора управляемый аналог сопротивления величина сопротивления линейно зависит от механического усилия приложенного к ЭМП. Динамическая характеристика прибора зависит от введенных коэффициентов пересчета. Питание прибора 7^12 вольт постоянного тока. Ток потребления прибора 100 ma. Прибор выполнен в двух корпусах - ЭМП в металлическом корпусе а генераторы тока, усилители АЦП, микроконтроллерное устройство с миниклавиатурой, индикатором и ЦАП в корпусе из фольгированного стеклотекстолита. ЭМП соединен с электронным блоком с помощью экранированных кабелей РК-50 и соединительных разъемов DB 25.
Выход регулируемого аналога сопротивления находится на боковой стенке электронного блока и соединен с трехпроводной схемой с помощью разъема DIN-5. Блок питания прибора - 220v AC - 8v DC 200ma. На рис.2 изображена структурная схема силометрического датчика, на рис.3 общий вид системы управления .
Рис. 2 Структурная схема динамометрического устройства
Рис. 3 Общий вид датчика
Технические характеристики прибора
- Напряжение питания: +5 В
- Потребляемый ток от источника постоянного напряжения: + 5В.... 0.3 А
- Диапазон измеряемых усилий: 0 ^ 25 кг
- Погрешность измерения: 1%
- Диапазон выходных сопротивлений ЦАП: 0.2 ^ 4.5 кОм
Выводы:
- 1. Разработана и реализована конструкция силометрического датчика для токарного станка, позволяющая определить силу резания токарного станка по трём её составляющим одновременно.
- 2. Устройство является универсальным и может устанавливаться на любой токарный станок, при этом погрешность измерения силы резания не превышает 1%.
- 3. В конструкцию датчика входят такие вспомогательные устройства обработки сигнала как усилитель, фильтры, АЦП и ЦАП, благодаря которым выходной сигнал датчика является более стабильным и чётким, а также имеет прямой выход для подключения к компьютеру и преобразователю частоты тока.
