SU1113217A2

SU1113217A2 - Apparatus for measuring the wear of cutting tool

Info

Publication number: SU1113217A2
Application number: SU833625959A
Authority: SU
Inventors: Георгий Георгиевич Палагнюк; Вальдемар Дмитриевич Савельев; Александр Иванович Накашидзе; Георгий Александрович Козик
Original assignee: Ростовский-На-Дону Ордена Трудового Красного Знамени Институт Сельскохозяйственного Машиностроения
Priority date: 1983-07-22
Filing date: 1983-07-22
Publication date: 1984-09-15

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕ .НИЯ ИЗНОСА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА по авт. св. № 648349, отличающеес тем, что, с целью расширени функциональных возможностей, устройство снабжено дополнительным усилителем и вспомогательным избирательным каналом, содержащим последовательно включенные узкополосный фильтр, детектор с интегратором и схему совпадени , выход которой подключен к пороговому элементу регистратора, а второй вход соединен с выходом высокочастотного канала, при этом вход узкополосного фильтра подключен к выходу предварительного усилител , а датчик вибраций выполнен в виде трансформатора тока, содержащего первичную обмотку, сигнальную обмотку и обмотку обратной св зи, причем сигнальна обмотка, подключена ко входу предварительного и выходу дополнительного усилителей, а обмотка обратной св зи - ко входу дополнительного усилител .DEVICE FOR MEASURING. DIAGRAM WEAR CUTTING TOOL by author. St. No. 648349, characterized in that, in order to expand the functionality, the device is equipped with an additional amplifier and auxiliary selective channel containing a series-connected narrowband filter, a detector with an integrator and a matching circuit whose output is connected to the threshold element of the recorder, and the second input is connected to the output high-frequency channel, while the input of the narrow-band filter is connected to the output of the preamplifier, and the vibration sensor is designed as a current transformer, contains The primary winding, the signal winding and the feedback winding, the signal winding, is connected to the preliminary input and the output of the additional amplifiers, and the feedback winding - to the input of the additional amplifier.

Description

Изобретение относитс к станкостроению , предназначено дл измерени износа режущего инструмента, может быть использовано дл автоматического управлени процессом резани на обрабатывающих станках.The invention relates to a machine tool industry, is intended to measure the wear of a cutting tool, and can be used to automatically control the cutting process on processing machines.

По основному авт. св. № 648349 известно устройство дл измерени износа режущего инструмента, содержащее датчик вибраций , предварительный усилитель с регулируемым коэффициентом усилени , высокочастотный канал, образованный последовательно соединенными фильтром высоких частот и детектором, а также включающее систему автоматической настройки частоты высокочастотного фильтра по амплитуде выходного сигнала, вход которой подключен к выходу детектора, а выход - к настраиваемому фильтру, схему сравнени , св занную с задатчиком износа инструмента и регистратором , кинематически св занным со шпинделем и суппортом станка, блок регистрации режимов обработки, выход которого подключен к регул тору коэффициента усилени предварительного усилител , а задатчик уровн износа св зан с системой автоматической настройки частоты высокочастотного фильтра 1 .According to the main author. St. No. 648349, a device for measuring wear of a cutting tool, comprising a vibration sensor, a preamplifier with an adjustable gain factor, a high-frequency channel formed by successively connected high-pass filter and a detector, and also includes a system for automatically adjusting the frequency of the high-frequency filter by the amplitude of the output signal whose input is connected. to the detector output, and the output to the tunable filter, the comparison circuit associated with the instrument wearer and register With a gear connected kinematically with the spindle and machine support, the processing mode registration unit, the output of which is connected to the preamplifier gain controller, and the wear level adjuster is connected with the automatic frequency tuning system of the high-frequency filter 1.

Известное устройство одновременно с измерением износа инструмента в процессе механической обработки осуществл ет контроль качества обрабатываемой поверхности (шероховатости) и тем самым повышает срок службы инструмента и качество готовых изделий.The known device simultaneously with the measurement of tool wear during the machining process, monitors the quality of the surface being treated (roughness) and thereby increases the tool life and the quality of the finished products.

Однако устройство определ ет износ режущих инструментов (например, на станках типа обрабатывающий центр, а также на тех станках, где в процессе обработки вращаютс как инструмент, так и обрабатываема деталь) в момент касани инструмента и детали, а также не производит регистрацию переменной составл ющей тока термо-ЭДС, используемой дл формировани полезного сигнала с нагруженности режущего клина.However, the device determines the wear of cutting tools (for example, on machines such as a machining center, as well as on those machines where both the tool and the workpiece rotate during processing) when the tool and the part touch, and also does not register the variable component current thermo-EMF used to form the useful signal from the loading of the cutting wedge.

Цель изобретени - расширение функциональных возможностей и области применени устройства дл измерени износа вращающегос режущего инструмента путем определени момента касани инструмента с деталью, определени нагруженности режущего клина, услови пакетировани стружки .The purpose of the invention is to expand the functionality and application area of the device for measuring the wear of a rotating cutting tool by determining the moment of contact of the tool with the part, determining the loading of the cutting wedge, and the conditions for chip piling.

Поставленна цель достигаетс тем, что устройство дл измерени износа режущего инструмента, содержащее датчик вибраций, последовательно включенный предварительный усилитель, высокочастотный канал и регистратор с пороговым элементом, снабжено дополнительным усилителем и вспомогательным избирательным каналом, содержащим последовательно включенные узкополосный фильтр, детектор с интегратором и схему совпадени , выход которой подключен к пороговому элементу регистратора, а второй вход соединен с выходом высокочас5 тотного канала, при этом вход узкополосного фильтра подключен к выходу предварительного усилител , а датчик вибраций выполнен в виде трансформатора тока, содержащего первичную обмотку, сигнальную обмотку и обмотку обратной св зи, причем сигнальна обмотка подключена к входу предварительного и выходу дополнительного усилителей, а обмотка обратной св зи - к входу дополнительного усилител .The goal is achieved by the fact that a device for measuring wear of a cutting tool, comprising a vibration sensor, a series-connected preamplifier, a high-frequency channel and a recorder with a threshold element, is equipped with an additional amplifier and an auxiliary selective channel, containing a series-connected narrowband filter, a detector with an integrator, and a matching circuit the output of which is connected to the threshold element of the recorder, and the second input is connected to the output of the high-frequency channel while the input of the narrowband filter is connected to the output of the preamplifier, and the vibration sensor is made in the form of a current transformer containing the primary winding, the signal winding and the feedback winding, the signal winding being connected to the preliminary input and the output of the additional amplifiers, and the feedback winding - to the input of an additional amplifier.

На чертеже приведена блок-схема пред15 лагаемого устройства дл измерени износа режущего инструмента.The drawing shows a block diagram of a proposed device for measuring wear of a cutting tool.

Устройство содержит датчик 1 вибрации, установленный, например, на суппорте станка, предварительный усилитель 2, высокочастотный канал, образованный после0 довательно соединенными узкополосным перестраиваемым фильтром 3 высоких частот , детектором 4 со встроенным интегратором и системой 5 автоматической настройки частоты фильтра 3, задатчик 6 уровн The device contains a vibration sensor 1, installed, for example, on a machine caliper, a preamplifier 2, a high-frequency channel formed by successively connected narrow high-band tunable filter 3 high frequencies, a detector 4 with a built-in integrator and a system 5 for automatically setting the frequency of the filter 3, level adjuster 6

5 износа, подключенный к выходу системы 5 автоматической настройки частоты фильтра , схему 7 сравнени , один вход которой подключен к выходу детектора 4, а второй - к выходу задатчика б уровн износа , регистратор 8, подключенный к выхо ду схемы 7 сравнени и содержащий пороговый элемент 9 и блок 10 визуального контрол , блок 11 регистрации режимов обработки (скорости вращени детали 12 и положени суппорта 13 относительно обрабатываемой детали 12, включающий тахогенератор 14, кинематически св занный с вращающейс деталью 12, и реохорд 15, движок которого кинематически св зан с суппортом 13, при этом выход блока II регистрации соединен с регулируемым эле0 ментом коэффициента усилени предварительного усилител 2, дополнительный усилитель 16, работающий в режиме самовозбуждающегос генератора низкочастотных электрических колебаний, избирательный канал , содержащий последовательно соединенные узкополосный фильтр 17, настроенный на частоту низкочастотных колебаний самовозбуждающегос генератора 16, детектор 18 со встроенным интегратором и схему 19 совпадени , второй вход которой5 wear connected to the output of the system 5 automatically adjusting the filter frequency, comparison circuit 7, one input of which is connected to the output of detector 4, and the second to the output of the wear level setter b, recorder 8 connected to the output of comparison circuit 7 and containing a threshold element 9 and a visual control unit 10, a processing mode detection unit 11 (rotational speed of the part 12 and the position of the caliper 13 relative to the workpiece 12, including a tachogenerator 14, kinematically connected with the rotating part 12, and a reohord 15, the cat engine This is kinematically associated with a caliper 13, and the output of the recording unit II is connected to an adjustable gain element of the preamplifier 2, an additional amplifier 16 operating in a self-excitation low-frequency electrical oscillator mode, a selective channel containing series-connected narrowband filter 17 tuned to the frequency of the low-frequency oscillations of the self-excited oscillator 16, the detector 18 with the integrated integrator and the coincidence circuit 19, the second input of which

подключен к выходу детектора 4 высокочастотного канала, а ее выход - к входу порогового элемента 9 регистратора 8, а вход узкополосного фильтра 17 подключен к выходу предварительного усилител 2. Датчик 1 вибраций выполнен в виде разрезного ферромагнитного кольцевого сердечника с двум вторичными обмотками: сигнальной 20 Wj и обмоткой Wj обратнойconnected to the output of the detector 4 high-frequency channel, and its output - to the input of the threshold element 9 of the recorder 8, and the input of the narrowband filter 17 is connected to the output of the preamplifier 2. The vibration sensor 1 is designed as a split ferromagnetic ring core with two secondary windings: signal 20 Wj and winding wj reverse

в зи 21, установленного, например, на уппорте 13 и охватывающего режуишй интрумент короткозамкнутого электрического контура, образованного элементами: корпус станка - шпиндель, обрабатываема еталь - режущий инструмент - корпус.21, installed, for example, on upport 13 and enclosing the cutting tool of a short-circuited electric circuit formed by the elements: machine body — spindle, machined — electric — cutting tool — body.

Дл по снени работы блок-схемы короткозамкнутый контур показан на чертеже в виде эквивалентного контура, охвать вающего ферромагнитный сердечник и образованного витком 22 Wj источника 23 Е ермо-ЭДС, и переменного резистора 24 RK моделирующего услови изменени контака инструмент-деталь в процессе обработки .To clarify the operation of the block diagram, a short-circuited circuit is shown in the drawing as an equivalent circuit that includes a ferromagnetic core and a 23 E Ermo-EMF source formed by a coil 22 Wj and a variable resistor 24 RK simulating the change of the tool-part contact during processing.

При этом предварительный усилитель 2 подключен к сигнальной обмотке 20 Wj датчика 1, а усилитель 16 подключен к сигнальной обмотке 20 Wi и обмотке 21 Wj обратной св зи таким образом, что образует самовозбуждающийс генератор низкочастотных колебаний.In this case, the preamplifier 2 is connected to the signal winding 20 Wj of sensor 1, and the amplifier 16 is connected to the signal winding 20 Wi and the feedback winding 21 Wj in such a way that it forms a self-exciting low-frequency oscillator.

Режимы работы устройства и его функциональные возможности определ ютс конструктивными особенност ми и режимами измерени датчика 1, выходной сигнал коорого (снимаемый с сигнальной обмотки 20 Wi несет комплексную информацию о спектре колебательных движений (вибраций ) и о спектре тока переменной состав ющей термо-ЭДС, а также о моменте касани и наличии контакта режущего инструмента с обрабатываемой деталью непосредственно в ходе обработки.The modes of operation of the device and its functionality are determined by the design features and measurement modes of sensor 1, the output signal of the coordinate (removed from the signal winding 20 Wi carries complex information about the spectrum of oscillatory movements (vibrations) and the current spectrum of the variable component thermo-EMF, and also about the moment of contact and the contact of the cutting tool with the workpiece directly during processing.

Комплексный спектр сигнала на выходе обмотки 20 Wj датчика 1 значительно повыщает достоверность информации о состо нии процесса резани в целом, так как спектр переменной составл ющей тока термо-ЭДС отображает силовую нагруженность режущего инструмента, а спектр скорости колебательных движений отображает отклик системы СПИД на единичные возмущающие воздействи режущего инструмена , услови процесса стружкообразовани и услови пакетировани стружки, например , при обработке глубоких отверстий.The complex signal spectrum at the output of the winding 20 Wj of sensor 1 significantly increases the accuracy of information about the state of the cutting process as a whole, since the spectrum of the variable component of the thermo-EMF current reflects the force loading of the cutting tool, and the spectrum of the speed of oscillatory movements reflects the response of the AIDS system to individual perturbing cutting tool conditions, chip formation conditions, and chip palletizing conditions, for example, in deep hole machining.

Реакци датчика 1 на скорость относительных колебательных движений инструмента обусловлена тем, что режущий инструмент намагничиваетс в процессе механической обработки, а его колебательные движени внутри ферромагнитного замкнутого сердечника с измерительной обмоткой модулируют (измен ют) .магнитный поток, замыкающийс в магнитопроводе, а также измен ют напр женность его магнитного пол по отношению к катушке индуктивноти 20 Wi, в результате чего в последней возникает ЭДС. При отсутствии намагниченности инструмента спектр сигнала вибраций также имеет место, так как ЭДС на выходе сигнальной обмотки 20 W, возни кает за счет модул ции магнитного гютока, обусловленной вибраци ми самого ферромагнитного сердечника датчика I и его обмотки (катушки). Ферромагнитный сердечник датчика 1 установлен на корпусе суппорта 13 соосно с режущим инструментом и охватывает последний. В этом случае посто нный магнитный поток в ферромагнитном сердечнике создаетс за счет тока, вызванного посто нной составл ющей термо-ЭДСThe response of sensor 1 to the speed of the relative oscillatory movements of the tool is due to the fact that the cutting tool is magnetized during machining, and its oscillatory movements inside the ferromagnetic closed core with the measuring winding modulate (change) the magnetic flux closing in the magnetic core, as well as change the its magnetic field relative to the inductive coil 20 Wi, as a result of which the emf appears in the latter. In the absence of magnetization of the instrument, the spectrum of the vibration signal also occurs, since the emf at the output of the signal winding 20 W arises due to the modulation of the magnetic field due to the vibrations of the ferromagnetic core of sensor I and its winding (coil). The ferromagnetic core of sensor 1 is mounted on the body of the caliper 13 coaxially with the cutting tool and covers the latter. In this case, the constant magnetic flux in the ferromagnetic core is created by the current caused by the constant component of the thermo-emf

естественной термопары, возникающей в зоне резани между инструментом и обрабатываемой деталью.natural thermocouple arising in the cutting zone between the tool and the workpiece.

Конструктивно (с целью удобства ветра ивани и креплени датчика { в системуStructurally (in order to facilitate the wind of the wind and to mount the sensor {into the system

СПИД, не разбира последней) ферромагнитный сердечник датчика 1 выполн ют из двух половинок (в виде полуколец или П-образных сердечников) и соедин ютмежду собой в процессе сборки механическим креплением.AIDS, not disassembling the latter), the ferromagnetic core of sensor 1 is made of two halves (in the form of half-rings or U-shaped cores) and is connected between itself during the assembly process by mechanical fastening.

Однако наличие шероховатости в зоне сопр жени двух полуколец или П-образных сердечников из ферромагнитного материала приводит к изменению плотности и фактической площади контакта в зоне стыкаHowever, the presence of roughness in the junction zone of two half-rings or U-shaped cores made of ferromagnetic material leads to a change in the density and actual contact area in the junction zone

под действием вибраций, а, следовательно, к модул ции магнитного потока в ферромагнитном сердечнике, что вызывает возникновение переменной составл ющей ЭДС, на выходе сигнальной обмотки 20 Wi. Регистраци переменной составл ющейunder the action of vibrations, and, consequently, to modulation of the magnetic flux in the ferromagnetic core, which causes the emergence of a variable component of the EMF, at the output of the signal winding 20 Wi. Registration of the variable component

тока термо-ЭДС, возникающей в зоне резани при изменении 24 R переходного контактного сопротивлени инструмент-деталь, осуществл етс датчиком I как трансформатором тока, в котором роль первичной обмотки выполн ет короткозамкнутый витокcurrent thermo-EMF arising in the cutting zone when the 24 Rc contact resistance of the tool-part changes, is carried out by sensor I as a current transformer in which the short-circuited coil plays the role of the primary winding

22, образованный элементами: корпус станка - щпиндель - обрабатываема деталь- режущий инструмент - корпус стайка, а роль вторичной - сигнальна обмотка Так как физическа модель преобразовател включает в себ короткозамкнутую естественную термопару инструмент-деталь с мен ющимс переходным сопротивлением зоны резани , то ее эквивалентна схема на чертеже показана в виде замкнутой цепи, охватывающей ферромагнитный сердечник22, formed by the elements: machine body — spindle, workpiece — cutting tool — body is the flock, and the secondary role is signal winding. Since the physical model of the converter includes a short-circuited natural thermocouple tool part with a variable transition resistance of the cutting zone, its equivalent the diagram in the drawing is shown in the form of a closed circuit, covering the ferromagnetic core

и образованной источником 23 термо-ЭДС и переменным сопротивлением Rj. Изменение резистора 24 R, имитирует мен ющеес контактное сопротивление инструмент-деталь в зоне резани .and formed by a source of 23 thermo-EMF and variable resistance Rj. The change in resistor 24 R simulates a varying contact resistance of the tool-part in the cutting zone.

Таким образом, суммарный спектр переменной составл ющей термо-ЭДС и вибраци на вы.ходе сигнальной обмотки 20Wi н.есет полную информацию о нагруженности режущего- инструмента, обрабатываемости материала,услови процесса стружкообраювани , величине износа и скорости его )бразовани , а также об условии протекани технологического процесса в целом.Thus, the total variable spectrum component of thermo-EMF and vibration at the output of the signal winding 20Wi contains complete information about the loading of the cutting tool, the material workability, the condition of the chip process, the amount of wear and the rate of its formation, as well as the condition process flow in general.

Автоматическай настройка устройства на наиболее информатнвные частоты, допустимую величину контролируемого параметра, а также формирование выходных полезных сигналов об износе режущего инструмента, защите его от поломки, изменении качества формообразовани обрабатываемой поверхности осуществл етс высокочастотным каналом , как в известном устройстве.Automatic adjustment of the device to the most informative frequencies, the permissible value of the monitored parameter, as well as the generation of useful output signals about the wear of the cutting tool, protecting it from breakage, and changing the quality of shaping the surface to be machined is carried out by a high-frequency channel, as in a known device.

Фиксаци момента касани инструмента с деталью, а также обнаружение наличи контакта в ходе обработки осуществл етс в устройстве следующим образом.The moment of contact of the tool with the part, as well as the detection of the presence of contact during processing, is recorded in the device as follows.

При отсутствии процесса резани датчик 1 ,с обмотками 20 Wj и 21 Wj , подключенными к дополнительному усилителю 16, образуют самовозбуждающийс генератор низкочастотных колебаний (с {астотой, лежащей в диапазоне 0,5-8 кГц). В этом случае на выходе сигнальной обмотки 20 .Wj по вл етс напр жение с частотой (например, 7 кГц), которое усиливаетс предварительным усилителем 2 и подаетс на вход избирательного канала дл формировани управл ющего сигнала. Причем, избирательный канал образован узкополосным фильтром 17, настроенным на частоту самовозОуждающегос генератора 16 (например на частоту 7 кГц), детектором 18 со встроенным интегратором и схемой 19 совпадени .In the absence of a cutting process, sensor 1, with windings 20 Wj and 21 Wj connected to an additional amplifier 16, forms a self-excited low-frequency oscillator (with {frequency in the range 0.5–8 kHz). In this case, the output of the signal winding 20 .Wj is a voltage with a frequency (for example, 7 kHz), which is amplified by the preamplifier 2 and fed to the input of the selective channel to form a control signal. Moreover, the selective channel is formed by a narrow-band filter 17 tuned to the frequency of a self-generating generator 16 (e.g., 7 kHz), detector 18 with a built-in integrator, and coincidence circuit 19.

Переменное напр жение с частотой самовозбуждающегос генераторах 6 через узкополосный фильтр 17 подаетс на блок 18. Продетектированное напр жение с выхода блока 18 через схему 19 совпадени подаетс на пороговый элемент 9 регистратора 8 дл управлени процессом обработки и на регистратор визуального контрол (не показано).AC voltage with the frequency of self-exciting oscillators 6 through narrowband filter 17 is fed to block 18. The detected voltage from the output of block 18 through matching circuit 19 is fed to threshold element 9 of recorder 8 to control the processing process and to the visual control recorder (not shown).

Управл ющий сигнал на выходе схемы 7 сравнени может по витьс только тогда, когда на втором ее входе по витс напр жение , снимаемое с выхода блока 4 высоko4acTOTHoro сигнала. Это соответствуетThe control signal at the output of the comparison circuit 7 can appear only when at its second input there is a voltage taken from the output of block 4 of a high4acTOTHoro signal. It corresponds

критической ситуации, когда поломка инструмента происходит в процессе обработки, т. е. когда на выходе блока 4 существует напр жение, снимаемое с интегратора (задержанное во времени).a critical situation when a tool breaks down during processing, i.e., when the output of block 4 is voltage removed from the integrator (delayed in time).

В начальный момент времени (в момент касани инструмента с деталью) сигнал на выходе блока еще не по вилс , а образование короткозамкнутого витка срывает электрические колебани генератора), затормаживает самовозбуждающийс генератор. Датчик 1 автоматически переводитс в режим преобразовател регистрации спектра колебательной скорости (вибрации) и переменной составл ющей тока термо-ЭДС дл диагностики состо ни процесса резани и формировани полезного сигнала. Выходной сигнал с блока 18, несущий информацию о моменте касани , может непосредственно подаватьс на систему управлени станком (эта св зь и система управлени станком на схеме не показаны) дл автоматического перевода, например, с режима быстрого подвода инструмента на режим рабочей подачи.At the initial moment of time (when the tool touches the part), the signal at the output of the block is not yet wilted, and the formation of a short-circuited turn disrupts the electrical oscillations of the generator), it decelerates the self-exciting generator. Sensor 1 is automatically transferred to the converter mode of registration of the vibrational speed spectrum (vibration) and the variable component of the thermo-EMF current for diagnosing the state of the cutting process and generating a useful signal. The output signal from block 18, which carries information about the moment of contact, can be directly fed to the machine control system (this connection and the machine control system are not shown in the diagram) for automatic translation, for example, from the fast tool feed mode to the working feed mode.

Предлагаемое устройство обеспечивает наличие комплексной информации на выходе сигнальной обмотки, значительно расшир ет функциональные возможности устройства , повыщает достоверность информации и точность измерени на станках с вращающимс инструментом и вращающейс обрабатываемой деталью, исключает поломку инструмента непосредственно в ходе обработки при возникновении различных критических критических ситуаций, а, следовательно , повыщает коэффициент загрузки , технологическую и эксплуатационную надежность станочного оборудовани в целом.The proposed device provides complex information at the output of the signal winding, greatly expands the functionality of the device, improves the accuracy of information and measurement accuracy on machines with a rotating tool and a rotating workpiece, eliminates tool breakage directly during processing when various critical situations occur, therefore, increases the load factor, the technological and operational reliability of the machine tool IAOD in general.

Бесконтактное условие съема информации расшир ет область применени предлагаемого уст1эойства, а регистраци момента касани инструмента с деталью автоматизирует процесс своевременного перевода при вода с режима ускоренного подвода на режим рабочей подачи.The contactless condition of information retrieval expands the field of application of the proposed device, and the registration of the moment when the tool touches the part automates the process of timely transfer of water from the accelerated approach mode to the working feed mode.

Claims

DEVICE FOR MEASURING THE WEAR OF A CUTTING TOOL by ed. No. 648349, characterized in that, in order to expand the functionality, the device is equipped with an additional amplifier and an auxiliary selective channel containing a narrow-band filter in series, a detector with an integrator and a matching circuit, the output of which is connected to the threshold element of the recorder, and the second input is connected with the output of the high-frequency channel, while the input of the narrow-band filter is connected to the output of the pre-amplifier, and the vibration sensor is made in the form of a current transformer containing the primary winding, the signal winding and the feedback winding, the signal winding connected to the input of the preliminary and the output of the additional amplifiers, and the feedback winding to the input of the additional amplifier.