УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЕРЛЕНИЮ
DEVICE TO MEASURE RESISTANCE TO DRILLING

Изобретение относится к устройствам для исследования или анализа свойств материалов путем определения величины сопротивления их просверливанию (плотности) и может быть использовано для определения физико-механических характеристик древесины растущих деревьев, пиломатериалов, деревянных строительных конструкций различного назначения и т.п.
Известно устройство для измерения сопротивления сверлению, включающее два раздельных привода на подачу и вращение бурового сверла, телескопический механизм ограничения смещения, бурового сверла, находящихся в корпусе. Устройство комплектуется отдельным блоком для электропитания приводов, записи и распечатки результатов измерений [1].
Недостатком устройства является то, что раздельный привод подачи и вращения бурового сверла не осуществляет изменения скорости подачи при увеличении сопротивления сверлению и нагрузки на электрический привод вращения бурового сверла. Возможно смещение траектории поступательного движения бурового сверла, например, при просверливании более плотных материалов или их участков, например, таких как сучки в древесине. При этом повышается износ режущей части бурового сверла и увеличивается нагрузка на электрический двигатель его вращения, что снижает точность измерений и надежность устройства.
Известно устройство для измерения сопротивления сверлению, включающее электрический ручной инструмент, осуществляющий привод на подачу и вращение бурового сверла, планетарный механизм самописца для записи величин исследуемого параметра на бумажный носитель, продольные направляющие перемещения бурового сверла [2].
Эта конструкция устройства для измерения сопротивления сверлению взята нами за прототип.
Недостатком прототипа является то, что единый привод от электрического ручного инструмента не обеспечивает необходимого диапазона варьирования скорости подачи в зависимости от изменения сопротивления сверлению под действием нагрузки. При этом существующее изменение скорости подачи при повышении нагрузки на буровом сверле не учитывается, что снижает точность измерений. Сложность конструкции устройства снижает его надежность.
Техническим результатом является повышение точности измерений сопротивления просверливанию (плотности) исследуемых материалов сверлением, снижение износа режущей части бурового сверла и повышение надежности привода, узлов и конструкции устройства в целом.
Технический результат достигается тем, что регулирование скорости подачи бурового сверла осуществляется автоматически, путем замера-величины тока,  и/или напряжения питания, и/или частоты вращения вала - электрического двигателя привода вращения бурового сверла, анализа и преобразования замеренных данных, например, с помощью электронной вычислительной машины, создания управляющего сигнала и изменения частоты вращения вала электрического двигателя привода подачи, например, с помощью тиристорного ключа при импульсном регулировании напряжения питания электрического двигателя привода подачи. Возможно осуществление подачи бурового сверла от мотор-редуктора, например, постоянного тока. Замер величины тока и/или частоты вращения винтовой передачи может осуществляется с помощью датчика тока, например, на эффекте Холла. Преобразование данных и создание управляющего сигнала может осуществляется с помощью аналого-цифрового - цифро-аналогового преобразователя.
На фиг.1 представлена кинематическая схема устройства для измерения сопротивления сверлению; на фиг.2 - конструкция устройства для измерения сопротивления сверлению без кожуха, вид слева.
Устройство для измерения сопротивления сверлению состоит из: электрического двигателя 1 привода вращения бурового сверла, например, постоянного тока, закрепленного на каретке 2 и осуществляющего вращение бурового сверла 3; рамы устройства 4 с закрепленным на ней неподвижно электрическим мотор-редуктором 5 привода подачи, например, постоянного тока, соединенного с винтовой передачей 6; ограничителей смещения бурового сверла 7, осуществляющих движение по направляющим 8, которые соединены последовательно друг с другом, передней крышкой 9 и кареткой 2 гибкими связующими элементами, например, тросами 11; датчиков частоты вращения 12 винтовой передачи 6, частоты вращения 13 бурового сверла 3 и тока 14, потребляемого электрическим двигателем 1 привода вращения бурового сверла 3, например, на эффекте Холла; опоры 15.
Устройство работает следующим образом:
Первоначально буровое сверло 3 не подвижно и находится внутри корпуса устройства для измерения сопротивления сверлению. Устройство подводится к исследуемому материалу, например к древесине, и незначительно углубляется в него опорой 15, которая смонтирована на передней крышке устройства и выполнена в форме конусной трубки, служащей для сбора стружки. После позиционирования устройства относительно исследуемого материала оператор включает электрический двигатель 1 привода вращения бурового сверла 3, который питается, например, от аккумулятора. Крутящий момент от электрического двигателя 1 передается через муфту буровому сверлу 3.
Подача каретки 2 и, соответственно, бурового сверла 3 осуществляется посредством винтовой передачи 6, приводимой в движение электрическим мотор-редуктором 5.
При просверливании более плотных материалов или их участков без изменения скорости подачи, например, таких как сучки в древесине, пропорционально изменению свойств исследуемого материала происходит резкое увеличение потребляемого тока электрическим двигателем 1 и снижение частоты вращения бурового сверла 3, незначительно снижается величина напряжения питания электрического двигателя привода вращения бурового сверла 3, при этом повышается износ его режущей части и увеличивается нагрузка на привод резания, что снижает точность измерений и надежность устройства. Возможно смещение траектории поступательного движения бурового сверла.
Автоматическое варьирование скорости подачи и определение величины сопротивления материала просверливанию (плотности) осуществляется с помощью датчика тока 14, и/или датчика напряжения питания, и/или датчика частоты вращения 13 бурового сверла 3, например, на эффекте Холла. При возрастании сопротивления сверлению (изменении свойств исследуемого материала) происходит снижение величины напряжения, увеличение величины тока, потребляемого электрическим двигателем 1 и снижение частоты вращения бурового сверла 3. Сигналы с датчика тока 14, и/или датчика напряжения питания, и/или датчика частоты вращения 13 поступают на устройство сбора данных, например аналого-цифровой - цифроаналоговый преобразователь. Далее сигналы поступают на электронную вычислительную машину, где производится их обработка, преобразование, отображение и хранение, а также создание соответствующего управляющего сигнала, позволяющего, например, через аналого-цифровой - цифроаналоговый преобразователь изменять частоту вращения вала электрического мотор-редуктора 5 привода подачи, например, с помощью тиристорного ключа при импульсном регулировании напряжения питания электрического двигателя привода подачи. Тем самым при снижении частоты вращения вала электрического двигателя 1, и/или снижении величины напряжения питания электрического двигателя 1, и/или увеличении величины тока (мощности) его питания в условиях процесса сверления (определения свойств исследуемого материала) снижается частота вращения выходного вала мотор-редуктора 5 и скорость подачи каретки 2 с буровым сверлом 3. Осуществляется процесс автоматического изменения скорости подачи.
При увеличении частоты вращения вала электрического двигателя 1 до частоты холостого хода, и/или увеличения величины напряжения его питания до номинального значения, и/или уменьшения потребляемого тока (мощности) до величины тока (мощности) холостого хода происходит обратный процесс - увеличение скорости подачи бурового сверла 3 до максимального значения.
Изменение направления перемещения катерки 2 и бурового сверла 3 осуществляется, например, реверсом электрического мотор-редуктора 5 привода подачи, например, путем изменения полярности напряжения на якоре или в обмотке возбуждения в случае использования двигателей постоянного тока.
Фактические значения сопротивления материала просверливанию (плотности) определяются на основании предварительных экспериментальных исследований взаимодействия величины скорости подачи бурового сверла и величины тока (мощности) и/или величины напряжения и/или частоты вращения вала электрического двигателя 1 в процессе сверления. Например, с помощью электронной вычислительной машины осуществляется математическое преобразование величины мощности, затрачиваемой на сверление с целью определения реального значения свойств (плотности) исследуемого материала.
Использование предлагаемого изобретения позволит добиться повышения точности измерений величины сопротивления просверливанию (плотности) исследуемых материалов, снижения износа режущей части бурового сверла и повышения надежности привода, узлов и конструкции устройства в целом.
Используемые аналоги и прототипы
1. Vorrichtung zur Materialprüfung, insbesondere Holzprüfung durch Bohr-bzw. Eindringwiderstandsmessung: 4122494 A1. Deutsches patentamp: G01N 3/40 Rinn Frank; anmeldetag 06, 07, 91; offenlegungstag 05, 03, 92.
2. Bore resistance measuring apparatus including a drive unit and an attachment for a drill and or driving mechanism: 6290437 B1. United States patent: B23B 41/00 Claus M. Leimersheim, Erich H. Wiesloch; appl. no. 421904; filed Oct, 20, 1999; patented Sep.18, 2001.