ISBN 966-7851-19-2 Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. №14 2003.
УДК 621.9.014
Донченко Е.И., Сердюк А.А., Гузенко В.С.
ДГМА, г.Краматорск, Украина
ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИБРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ С АВТОНАСТРОЙКОЙ ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СТАНКОВ
The question of development and research of the contactless device for research of dynamics of milling machine tools is considered.
Введение
Качество обработки при фрезеровании на станках фрезернорасточной группы определяется динамическими характеристиками станочной системы при работе под нагрузкой. Однако находящиеся в эксплуатации станки в подавляющем большинстве изношены, характеризуются низкой точностью и виброустойчивостью.
Возникающие в связи с этим проблемы требуют проведения тщательных исследований работы механизмов станка, степени износа подвижных соединений, характера возмущающих воздействий, построения полной картины состояния станка.
С целью повышения эффективности эксплуатации станочного оборудования необходима оценка динамического состояния станочной системы, которая производится путем анализа вибраций и упругих смещений различных узлов и элементов. Для решения поставленной задачи требуется мобильный, легко настраиваемый измерительный преобразователь, позволяющий регистрировать вибрации и упругие смещения элементов эксплуатируемого станочного оборудования с амплитудой 0,005-1 мм в диапазоне частот от 0 до 10 кГц.
Анализ известных измерительных средств, применяемых для этих целей, позволил отдать предпочтение бесконтактным вихретоковым преобразователям (ВТП), которые в наибольшей степени удовлетворяют поставленной задаче.
Вихретоковый преобразователь представляет собой плоскую индуктивную катушку небольшого диаметра (3-10мм), с помощью которой бесконтактно с зазором до 4 мм в контролируемой поверхности возбуждаются вихревые токи. Интенсивность вихревых токов зависит от расстояния между катушкой и объектом, от состояния поверхностного слоя объекта (наличие трещин, стыков, края объекте), от электропроводности и магнитной проницаемости поверхностного слоя (глубина проникновения вихревых токов не более 1 мм). Интенсивность вихревых токов контролируется по силе их обратного воздействия на катушку, которое проявляется в изменении амплитуды и фазы напряжения, действующего на катушке.
68
ISBN 966-7851-19-2 Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. №14 2003.
Преимущества вихретокового преобразователя заключаются в том, что он является практически безинерционным, так как скорость распространения электромагнитных полей равна скорости получения информации; он одинаково воспринимает статические и динамические процессы, например, смещения и вибрации, что упрощает градуировку; позволяет одновременно регистрировать статические и вибрационные перемещения путем измерения постоянной и переменной составляющей выходного сигнала преобразователя; наконец, он позволяет контролировать нарушения целостности поверхностного слоя (образование микротрещин, раскрытие стыков между элементами режущего инструмента при нагружении и др.)
Разработка вихретокового преобразователя с автонастройкой по амплитуде и частоте
Одним из известных способов питания катушки ВТП является подача на нее высокочастотного напряжения по ключевой схеме [1,2]. Достоинство способа – отсутствие необходимости предварительной настройки, однако низкая чувствительность не позволяет рекомендовать его для измерения вибраций в узлах станочного оборудования.
Другим способом является использование измерительной катушки ВТП в составе колебательного контура, что при соответствующей настройке позволяет обеспечить высокую чувствительность измерений [3]. Однако известные схемотехнические решения не позволяют эффективно осуществлять автоматическую настройку контура на металл.
В связи с этим, был создан ВТП, имеющий не только высокую чувствительность, но и обладающий возможностью автонастройки.
Структурная схема автонастраиваемого вихретокового преобразователя виброперемещений приведена на рисунке 1. Для формирования напряжения возбуждения контура 1 ВТП используется пара ключей 2,3 управляемых от делителя частоты 4. На вход делителя частоты подается импульсное напряжение с генератора 5 управляемого напряжением. С контура 1 ВТП высокочастотное напряжение синусоидальной формы подается на входы синхронного детектора 6 и двухполупериодного амплитудного детектора 7. С выхода синхронного детектора через интегратор 8 на вход генератора управляемого напряжением (ГУН) 5 замыкается цепь отрицательной обратной связи по частоте. С выхода двухполупериодного амплитудного детектора 7 через пороговый интегратор 9 замыкается цепь обратной связи по амплитуде, для чего напряжение с выхода порогового интегратора подается на аналоговые вход ключа 2. Изменив знак на инверторе 10 это напряжение поступает и на ключ 3. Выходное напряжение
69
ISBN 966-7851-19-2 Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. №14 2003.
снимается с интеграторов через выходные усилители-формирователи
11,12.
Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения питания начинает работать ГУН 5. За счет наличия порогового напряжения на входе порогового интегратора 9 с его выхода на ключи поступает возрастающее напряжение. Амплитуда колебаний в катушке ВТП начинает возрастать. Выпрямленное при помощи двухполупериодного амплитудного детектора 7 постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде колебаний в катушке ВТП поступает на вход порогового интегратора 9. В зависимости от результата сравнения с пороговым напряжением сигнал управления на выходе интегратора начинает возрастать или уменьшаться, обеспечивая стабилизацию амплитуды колебаний в катушке ВТП. Наибольшая чувствительность ВТП достигается при незначительном рассогласовании частоты генератора и резонансной частоты колебательного контура. Для обеспечения настройки частоты коммутации ключей 2,3 на частоту, близкую к резонансной частоте контура 1 ВТП высокочастотный сигнал с контура 1 ВТП подается на вход синхронного детектора, управляемого с делителя частоты 4 таким образом, что среднее напряжение на выходе синхронного детектора 6 равно нулю при незначительном рассогласовании настройки контура и частоты коммутации ключей. Напряжение рассогласования накапливается на интеграторе 8, откуда подается на вход ГУН 5, обеспечивая точную подстройку частоты коммутации при изменении параметров колебательного контура 1 ВТП. Напряжения с выходов интегратора 8 и порогового интегратора 9 поступает на выходные усилители 11, 12, откуда поступает на выходные разъемы прибора.
Рисунок 1 – Структурная схема автонастраиваемого ВТП
70
ISBN 966-7851-19-2 Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. №14 2003.
В зависимости от цели применения прибора разработано две конструкции измерительных преобразователей (катушек) ВТП. Первая предназначена для нахождения областей раскрытия стыков и представляет собой плоскую катушку, помещенную в защитный экран и перемещаемый над измеряемой поверхностью при помощи штанги или непосредственно рукой оператора.
Вторая конструкция, предназначенная для оперативного замера вибрационных параметров на произвольной поверхности станка, представлена на рисунке 2. Для крепления датчика используется кольцевой магнит 1, устанавливаемый на металл станка 2. Магнитопровод 3 защищает измерительную катушку 4 от магнитного поля магнита 1. Пористый материал 5 демпфирует передачу колебаний от поверхности 2 к измерительной катушке 4.
Благодаря такой конструкции датчика вопрос тарировки показания ВТП упрощается.
5
3
1
4 |
2 |
Рисунок 2 – Конструкция накладной катушки для замера уровня вибраций
Испытания прибора проводились в статическом и динамическом режимах. При статических испытаниях призматический объект устанавливался на столике измерительного микроскопа, а датчик жестко закреплялся относительно основания. Начальный зазор между датчиком и объектом устанавливался 0,5 мм. Для компенсации влияния системы автонастройки постоянные времени интеграторов каналов фазы и напряжения увеличивались в 10 раз.
График зависимости выходного напряжения прибора от величины перемещения приведен на рис. 3. Измерения выходного напряжения производились цифровым вольтметром.
Частотный диапазон ВТП определен при помощи динамической головки с закрепленной на диффузоре металлической пластиной. Дина-
71