PL223013B1 - Urządzenie do pomiaru dynamicznych składowych sił skrawania - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru dynamicznych składowych sił skrawania, przeznaczone do stosowania w procesie toczenia lub frezowania.

Wszelkie prace związane ze stabilnością obróbki skrawaniem wymagają określenia dynamicznej charakterystyki sił skrawania, to jest zależności zmiennych składowych sił od zmian chwilowych warunków skrawania, takich jak przekrój warstwy skrawanej i prędkość skrawania, wynikających z drgań narzędzia względem przedmiotu obrabianego. Charakterystyka ta może być wyznaczana doświadczalnie lub obliczana na podstawie jakiegoś modelu. W tym drugim przypadku konieczna jest doświadczalna weryfikacja poprawności modelu, czyli pomiar zmiennych składowych sił skrawania spowodowanych drganiami.

W literaturze opisywane są różne konfiguracje stanowisk badawczych, wykorzystywanych po dczas rejestrowania sił skrawania i wykrywania drgań w procesie skrawania, od prostych czujników tokarskich, po rozbudowane i uniwersalne stanowiska wielozadaniowe. Pomiar dynamicznych składowych sił skrawania jest realizowany najczęściej poprzez pomiar odkształceń sprężystych jako sku tku działania trzech składowych sił skrawania, za pomocą czujników tensometrycznych, piezoelektrycznych lub bezdotykowych czujników przemieszczeń, połączonych z komputerowym systemem akwizycji i analizy uzyskanych danych.

Z opisu patentowego PL 159281 znany jest tokarski czujnik siły skrawania, w którym czujniki tensometryczne siły ściskającej są umieszczone pomiędzy imakiem narzędziowym a saniami obrabiarki i dociskane są do imaka i do sań obrabiarki śrubami mocującymi. W rozwiązaniu tym miarą wielkości mierzonej jest suma sygnałów wyjściowych z wszystkich czterech czujników siły ściskającej.

Z opisu patentowego PL 57307 znany jest tensometryczny siłomierz stołowy do pomiaru siły skrawania podczas obróbki płaszczyzn lub powierzchni kształtowych o tworzącej prostoliniowej, wykonany z jednej bryły metalu, który ma odpowiednio usytuowane kanały wyodrębniające stolik, elementy odkształcalne oraz korpus, przy czym na bocznych ściankach elementów odkształcalnych są naklejone tensometry do pomiaru trzech składowych siły skrawania. W rozwiązaniu tym charakterystyka drgań zależy od wymiarów kanałów i jest stała dla danego siłomierza.

Z opisu patentowego US7536924 znany jest dynamometr do pomiaru drgań i określania sił skrawania w narzędziu, podparty na dwóch elementach podatnych uformowanych trwale pomiędzy płytą pomiarową a podstawą, wyposażony w co najmniej jeden akcelerometr, na przykład pojemnościowy lub laserowy. Urządzenie może działać w zadanym zakresie wysokiej częstotliwości podczas pomiaru siły skrawania mniejszej niż około 1 N. Rozwiązanie to umożliwia selektywny pomiar siły w jednym lub kilku kierunkach przy ograniczeniu wpływu składowych sił działających w innych ki erunkach.

Wadą opisanych konstrukcji jest zasadniczo stała charakterystyka drgań urządzenia, zależna od masy części mechanicznej urządzenia łącznie z uchwytem do mocowania narzędzia lub obrabianego materiału oraz od kształtu i rodzaju materiału elementów podatnych. Ogranicza to zakres stosowania urządzenia, gdy jego charakterystyka drgań odbiega od pożądanego pasma częstotliwości.

Urządzenie do pomiaru dynamicznych składowych sił skrawania, złożone z dynamometru zamocowanego pomiędzy płytą podstawy a uchwytem do mocowania narzędzia lub przedmiotu obrabianego, oraz komputerowego systemu akwizycji i analizy danych, do którego jest przyłączony czujnik przemieszczeń narzędzia lub przedmiotu obrabianego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dynamometr jest podparty na płycie podstawy za pośrednictwem dwóch równoległych sprężyn płaskich usytuowanych pionowo po obu stronach dynamometru, zaś do komputerowego systemu akwizycji i analizy danych jest przyłączony akcelerator do pomiaru przyśpieszeń dynamometru.

Korzystnym jest, jeżeli akcelerator jest przymocowany do korpusu dynamometru. Korzystnym jest także, jeżeli akcelerator stanowi oddzielny czujnik przyśpieszenia, zwłaszcza pojemnościowy lub laserowy.

W korzystnym wykonaniu urządzenia dynamometr jest podparty na sprężynach płaskich za p ośrednictwem płyty pośredniej usytuowanej w odstępie od płyty podstawy, przy czym końce sprężyn płaskich są zamocowane rozłącznie do przeciwległych boków płyty pośredniej i płyty podstawy. Ponadto urządzenie jest wyposażone w wymienne sprężyny płaskie o różnej grubości i wysokości.

Układ równoległych sprężyn umożliwia ograniczenie drgań narzędzia lub przedmiotu obrabianego do jednego wybranego kierunku oraz umieszczenie czujnika siły blisko strefy skrawania. Dynamometr połączony jest z przedwzmacniaczem i kartą akwizycji danych, obsługiwaną przez program do

PL 223 013 B1 rejestracji i analizy danych. Przemieszczenia są rejestrowane przez bezdotykowe czujniki przemieś zczeń, co umożliwia dokładne określenie położenia narzędzia względem przedmiotu obrabianego w czasie drgań, a więc określenie chwilowych warunków skrawania. Przyśpieszenie dynamometru i masy jest mierzone przez akcelerometr, co umożliwia eliminację wpływu sił bezwładności dynam ometru i masy na przetworniki sił. Zestaw płaskich sprężyn o kilku grubościach i wysokościach, umożl iwia zmianę charakterystyki urządzenia. Ograniczona do minimum liczba elementów oraz prosta konstrukcja ułatwia montaż urządzenia na różnego typu obrabiarkach do toczenia lub frezowania bez ingerencji w istniejącą strukturę maszyny. Ponadto prosta wymiana elementów podatnych lub ich przemieszczenie na inny kierunek umożliwia właściwy dobór charakterystyki urządzenia do rodzaju procesu obróbkowego, materiału i narzędzia oraz zmianę kierunku podatności.

Wynalazek jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogólny schemat blokowy urządzenia, fig. 2 przedstawia układ mechaniczny urządzenia z elementami podatnymi dla jednego kierunku w zastosowaniu tokarskim, fig. 3 przedstawia układ mechaniczny urządzenia z elementami podatnymi dla drugiego kierunku w zastosowaniu tokarskim, a fig. 4 przedstawia układ mechaniczny urządzenia w zastosowaniu frezarskim, w perspektywie.

Jak przedstawiono na fig. 1, urządzenie jest wyposażone w dynamometr 1 stanowiący trójosiowy czujnik siły, do którego jest mocowany uchwyt 6 do mocowania narzędzia lub bezpośrednio przedmiotu obrabianego. Dynamometr 1 jest podparty na płycie podstawy 4 za pośrednictwem dwóch równoległych sprężyn płaskich 3 usytuowanych pionowo po obu stronach dynamometru 1, oraz płyty pośredniej 2 usytuowanej w odstępie od płyty podstawy 4. Sprężyny płaskie 3 są wykonane z blachy sprężystej, taśm lub płaskowników z otworami montażowymi w ich przeciwległych końcach. Końce sprężyn płaskich 3 są zamocowane rozłącznie do przeciwległych boków płyty pośredniej 2 i płyty podstawy 4. W skład urządzenia wchodzi komputerowy system akwizycji i analizy danych z komputerem PC lub laptopem 9. Do komputerowego systemu akwizycji i analizy danych jest przyłączony czujnik przemieszczeń 10 do pomiaru drgań narzędzia lub przedmiotu obrabianego, oraz akcelerator 11 do pomiaru przyśpieszeń dynamometru 1. Akcelerator 11 może być przymocowany do korpusu dynam ometru 1 lub stanowić oddzielny czujnik przyśpieszenia, na przykład pojemnościowy lub laserowy, umożliwiający pomiar w kierunku poprzecznym do sprężyn płaskich 3. Podstawa 4, do której są przymocowane końce sprężyn, jest przykręcana do rowków teowych stołu 5 obrabiarki, zwłaszcza suportu tokarki w przypadku tokarek konwencjonalnych, adaptera na głowicy rewolwerowej w przypadku tokarek CNC, lub stolika frezarki. Urządzenie jest wyposażone w zestaw wymiennych sprężyn płaskich 3, o różnej grubości i wysokości.

Podczas pomiaru sygnał z czujnika przemieszczeń 10 dynamometru 1 trafia do przedwzmacniacza 7 a następnie, łącznie z sygnałami z akcelerometru 11, do karty akwizycji danych 8. Oprogramowanie do zbierania, zapisu i obróbki danych jest zainstalowane na komputerze PC lub laptopie 9.

Jak przedstawiono na fig. 2 i 3, część mechaniczna urządzenia przygotowanego do pracy na tokarce ma uchwyt 6 przykręcony za pomocą śrub 12, w którym jest umieszczany nóż tokarski 20 ustalany za pomocą śrub 13. Dynamometr 1 jest przykręcony za pomocą śrub 16 do płyty pośredniej 2, do której są również przykręcane za pomocą śrub 15 sprężyny płaskie 3. Jednoznaczną pozycję sprężyn płaskich 3 względem płyty pośredniej 2 określają kołki ustalające 17. Dolne końce sprężyn płaskich 3 są mocowane do płyty podstawy 4 za pomocą śrub 15. Podstawa 4 jest mocowana do stołu 5 obrabiarki, za pomocą śrub 18 i kamieni 19. Fig. 3 przedstawia część mechaniczną urządzenia w konfiguracji ze sprężynami płaskimi 3 umieszczonymi na kierunku prostopadłym do kierunku ich umieszczenie przedstawionego na fig. 2.

Jak przedstawiono na fig. 4, część mechaniczna urządzenia przygotowanego do pracy na frezarce różni się tym od konstrukcji z fig. 2 i fig. 3, że w uchwycie narzędziowym 6 na dynamometrze 1 jest umieszczony obrabiany element kształtowy 21, którego powierzchnia jest kształtowana za pomocą narzędzia frezarskiego 22.

Urządzenie jest przeznaczone głównie do pomiaru sił skrawania w procesie toczenia i frezowania oraz wykrywania drgań samowzbudnych. Przemieszczenia narzędzia względem przedmiotu obrabianego wywołane drganiami są mierzone czujnikiem przemieszczeń 10, zaś przyśpieszenia dynamometru 1, wpływające na pomiar sił, są mierzone akcelerometrem 11. Różna grubość i wysokość wymiennych sprężyn płaskich 3 umożliwia regulację odstępu między płytą podstawy 4 i płytą pośrednią 2 oraz dobranie odpowiedniej charakterystyki częstotliwościowej urządzenia, co zwiększa zakres jego stosowania w różnych rodzajach obróbki skrawaniem.

Claims (5)

1. Urządzenie do pomiaru dynamicznych składowych sił skrawania, złożone z dynamometru zamocowanego pomiędzy płytą podstawy a uchwytem do mocowania narzędzia lub przedmiotu obrabianego, oraz komputerowego systemu akwizycji i analizy danych, do którego jest przyłączony czujnik przemieszczeń narzędzia lub przedmiotu obrabianego, znamienne tym, że dynamometr (1) jest podparty na płycie podstawy (4) za pośrednictwem dwóch równoległych sprężyn płaskich (3) usytuowanych pionowo po obu stronach dynamometru (1), zaś do komputerowego systemu akwizycji i analizy danych jest przyłączony akcelerator (11) do pomiaru przyśpieszeń dynamometru (1).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że akcelerator (11) jest przymocowany do korpusu dynamometru (1).

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że akcelerator (11) stanowi oddzielny czujnik przyśpieszenia, korzystnie pojemnościowy lub laserowy.

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dynamometr (1) jest podparty na sprężynach płaskich (3) za pośrednictwem płyty pośredniej (2) usytuowanej w odstępie od płyty podstawy (4), przy czym końce sprężyn płaskich (3) są zamocowane rozłącznie do przeciwległych boków płyty pośredniej (2) i płyty podstawy (4).

5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że jest wyposażone w wymienne sprężyny płaskie (3), o różnej grubości i wysokości.