Сила резания - это результирующая сил сопротивления перемещению, действующих на инструмент. Силы резания являются важными параметрами процесса резания. От их величины зависит мощность, необходимая для осуществления резания. Сила резания оказывает влияние на износ инструмента и вибрации, а значит, и на качество обработанной поверхности.
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.
