УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения деформации кручения вращающихся деталей, преимущественно цилиндрической формы.
Из уровня техники известно устройство для измерения деформации кручения вала (BY1370U, МПК G01B 7/16, F02D / 41/00, опубл. 30.06.2004), содержащее четыре тензодатчика, образующих измерительный мост, при этом тензодатчики соединены с операционным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, цифровым микрорадиопередатчиком и миниатюрным источником питания. Упомянутый микрорадиопередатчик передает радиосигнал на приемник, выполненный в виде цифрового радиоприемника, цифроаналогового преобразователя, аналогового измерительного прибора, интерфейса ввода и персонального компьютера, причем схема передатчика крепится непосредственно на испытуемую деталь.
Недостатком устройства является низкая точность измерений вследствие недостаточной степени помехоустойчивости при передаче измеряемого сигнала через микрорадиопередатчик, угловых ошибок ориентации тензорезисторов при их закреплении на валах и возможности измерения деформации только в одном сечении исследуемой детали.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является устройство для диагностирования валов роторных машин, передающих крутильные нагрузки (RU 2239803, МПК G01L 1/22, G01H 9/00, опубл. 10.11.2004). Устройство содержит два одинаковых зубчатых кольца-индуктора, жестко закрепляемых по периметру исследуемого вала, два импульсных датчика углового положения вала, фиксирующих крутильные колебания вала и закрепляемых на неподвижном основании вблизи зубчатых колец-индукторов. Выходы упомянутых датчиков подключены к усилителям сигналов, выходы которых являются входами блоков формирования стандартных импульсов по усиленным сигналам. Блоки формирования импульсов в свою очередь подключены к блокам оценки значений временных интервалов, выполняющих передачу вычисленных значений в блок оценки крутящего момента и его колебаний, подключенный вычислителю характеристик колебательной составляющей крутящего момента.
Недостатком известного технического решения является низкая точность определения деформации детали, вследствие применения косвенного способа измерений - метода электромагнитной индукции. По этой причине датчики должны находиться на неподвижном основании вблизи зубчатых колес-индукторов, устанавливаемых в двух сечениях.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение точности измерения деформации кручения исследуемой детали.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для измерения деформации кручения содержит два элемента механической передачи, закрепленные на детали и связанные с датчиками угла поворота. При этом элементы механической передачи установлены на некотором расстоянии друг от друга, выходы датчиков угла поворота подключены к блоку измерения перемещений, выход которого подключен к адаптеру ввода-вывода, сопряженного с одноплатным компьютером, выход которого подключен модулю человеко-машинного интерфейса, обеспечивающего возможность взаимодействия оператора с устройством. Кроме перечисленных конструктивных элементов, устройство содержит также блок питания, выходы которого подключены к входам блока измерения перемещений, адаптера ввода-вывода и одноплатного компьютера.
Упомянутые выше элементы механической передачи могут быть выполнены на основе различных известных из уровня техники устройств. Например, в случае применения зубчатой передачи, они могут представлять собой зубчатые колеса. Кроме этого, упомянутые элементы могут быть связаны с датчиками угла поворота с помощью ременной или цепной передачи.
Модуль человеко-машинного интерфейса, как известно, охватывает широкое понятие, характеризующее инженерные решения, обеспечивающие взаимодействие человека-оператора с управляемыми им машинами. В предлагаемом устройстве данный модуль может быть выполнен в виде монитора и клавиатуры или сенсорного дисплея.
Положительный технический результат, обеспечиваемый указанной совокупностью признаков, достигается путем применения в устройстве датчиков, регистрирующих углы поворота сечений исследуемой детали, а также блока измерения перемещений, адаптера ввода-вывода и одноплатного компьютера, обеспечивающих регистрацию и преобразование сигналов, поступающих от датчиков, а также их обработку.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - вариант применения данного устройства для измерения деформации кручения детали через зубчатое зацепление; на фиг. 3 - структурная схема экспериментального исследования деформации кручения детали, установленной в трехкулачковом патроне токарно-винторезного станка; на фиг. 4 - графическая зависимость угла поворота первого сечения испытуемой детали от времени; на фиг. 5 - графическая зависимость угла поворота второго сечения испытуемой детали от времени; на фиг. 6 - графическая зависимость деформации кручения испытуемой детали от времени.
Устройство для измерения деформации кручения содержит два элемента механической передачи 1, закрепленные на детали 2 и связанные с датчиками угла поворота 3, выполненными, например, в виде фотоэлектрических преобразователей угловых перемещений. Выходы датчиков угла поворота подключены к блоку измерения перемещений 4, выход которого подключен к адаптеру ввода-вывода 5, сопряженного с одноплатным компьютером 6, выход которого подключен к модулю человеко-машинного интерфейса 7, обеспечивающего возможность взаимодействия оператора с устройством. Устройство содержит также блок, питания 8, выходы которого подключены к входам блока измерения перемещений, адаптера ввода-вывода и одноплатного компьютера. На фиг. 1, 2 показан вариант модуля человеко-машинного интерфейса состоящего из монитора 9 и клавиатуры 10.
Перед проведением эксперимента по измерению деформации кручения детали, в случае применения зубчатой передачи для осуществления связи элементов механической передачи 1 и датчиков угла поворота 3, выполняют следующие подготовительные действия.
На испытуемой детали 2 на некотором расстоянии друг от друга устанавливают шестерни 11 и 12, входящие в зацепление с зубчатыми колесами 13 и 14, установленными на валах датчиков угла поворота 3. Для оценки деформации кручения деталь 1 устанавливают в трехкулачковый патрон 15 токарно-винторезного станка. На конце детали 1 закрепляют тормоз 16, который выполнен в виде стержня квадратного сечения, упирающегося в станину 17 токарно-винторезного станка.
После начала эксперимента при вращении детали 2 происходит регистрация углов ее поворота в двух сечениях датчиками угла поворота 3. Электрические импульсы, полученные на выходе датчиков, поступают в блок измерения перемещений 4, где они преобразуются в цифровой последовательный код, поступающий на вход адаптера ввода-вывода 5.
1
2
1
2
i
ВД
2
1
ВД
1
2
ВД
i
Адаптер ввода-вывода преобразует последовательный код в шестнадцатиразрядный параллельный и передает его в одноплатный компьютер 6 для дальнейшей обработки. Результаты обработки измерений отображаются оператору с помощью модуля человеко-машинного интерфейса. Показанный на фиг. 1 и 2 вариант реализации модуля предусматривают для этого монитор 9. Клавиатура 10 используется оператором для управления устройством для измерения деформации. Сигналы, полученные от датчиков, отображаются на мониторе 9 в виде временной зависимости разности углов поворота двух сечений φ и φ, что и является искомой величиной деформации кручения Δφ исследуемой детали. В устройстве учитывается влияние передаточного числа зубчатой передачи на результаты измерений. Например, если число зубьев шестерен 11 и 11, установленных на детали 2, равно z, а число зубьев колес 13 и 14, установленных на валах датчиков угла поворота 3, равно z, то устройством регистрируется угол поворота сечения испытуемой детали φ=φ·z/z, где φ - угол поворота вала датчика. Если z=52, z=13, φ=360°, то устройством регистрируется угол поворота сечения детали, равный φ=90°.
Рассмотрим работу устройства на примере.
1
2
1
2
max
Измерялась деформация кручения детали, выполненной в виде трубы из малоуглеродистой стали круглого профиля наружным диаметром 50 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 600 мм. Указанная деталь была установлена в трехкулачковом патроне 15 токарно-винторезного станка, а шестерни 11 и 12 установлены на детали в двух сечениях на расстоянии 500 мм друг от друга. Производились измерения угла поворота первого сечения φ, угла поворота второго сечения φ, а также их разность, представляющая собой деформацию кручения Δφ=φ-φ. В результате измерений была выявлена максимальная деформация кручения, составившая Δφ=1,761° (фиг. 3, 4, 5, 6).