Беспроводная система измерения механических колебаний вращающихся заготовок

Полезная модель относится к измерительной технике в области машиностроения и может быть использована для измерения и контроля механических колебаний вращающихся заготовок при токарной обработке.
Измерение и контроль механических колебаний в процессе обработки имеет большое знание для повышения эффективности производства. Уровень механических колебаний в зоне резания может служить в качестве дополнительного фактора для оптимизации технологического процесса, методом косвенного контроля состояния режущего инструмента и критерием его отказа и основой создания системы класса MDC/MDA - системы мониторинга работы станочного парка предприятия. Поэтому разработка устройств измерения механических колебаний, возникающих в зоне резания, является актуальной задачей.
Известна система измерения и контроля механических колебаний шпиндельных узлов по патенту РФ №2454647 (опубл. 27.06.2012 БИ №18), содержащая дисковую втулку с замкнутой кольцевой полостью, частично заполненной жидкофазной средой, акселерометр, установленный на кронштейне в зоне расположения дисковой втулки с возможностью съема механических колебаний, возникающих в жидкофазной среде, через узел передачи вибраций, выполненный в виде стержневого волновода с пластиной, расположенной в полости дисковой втулки с возможностью взаимодействия с жидкофазной средой. Акселерометр со стержневым волноводом закреплены в кронштейне через виброизолирующую втулку. Сигнал с акселерометра поступает в систему обработки информации, состоящую из усилителя, фильтра, АЦП блока цифровой обработки, где формируется последовательность управляющих электрических импульсов, подаваемых на исполнительное устройство.
Задачей данного технического решения является измерение и контроль механических колебаний шпиндельных узлов металлорежущих станков под воздействием процесса резания и в результате работы шпиндельных опор.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией устройства является наличие датчика вибрации - акселерометра.
К недостаткам данного известного из уровня техники устройства следует отнести сложность конструкции и низкую информативность снимаемого сигнала, что определяется удаленностью дисковой втулки от зоны резания и наличием промежуточного узла передачи вибраций, который ослабляет передаваемый сигнал и накладывает собственные вибрации, приводящие к искажению параметров измеряемого сигнала.
Известна также беспроводная система измерения температуры опорных и упорных подшипников скольжения по патенту РФ №2516918 (опубл. 20.05.2014 БИ №14), включающая в себя устройство измерения температуры, встроенное в несущий элемент подшипника скольжения, и соединенное с, по меньшей мере, одним устройством передачи измеренных значений, а также устройство приема сигналов и передачи их в систему автоматического управления и источник электропитания перечисленных устройств.
Задачей данного технического решения является повышение надежности работы системы измерения температуры и передачи данных в систему автоматического управления с использованием беспроводной связи.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией устройства является наличие беспроводного устройства передачи измеренных значений и источника электропитания.
Недостаток известной системы заключается в следующем.
Устройство измерения температуры вместе с соответствующим устройством передачи измеренных значений имеют контур питания с катушкой, предназначенной для возбуждения в ней ЭДС излучателем электромагнитных волн, что может создавать помехи передаваемому сигналу беспроводной системы измерения.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому авторами техническому решению является система приводного инструмента по патенту US 2019/0176287 А1, принятая авторами в качестве прототипа. Она содержит приводной инструмент и кольцо, окружающее вращающийся вал или вращающийся режущий инструмент приводного инструмента. Во втулке находится по меньшей мере один датчик, способный контролировать рабочие условия вблизи режущего инструмента во время операции резания, например, температуру и вибрацию. Система также включает в себя беспроводной передатчик, связанный по меньшей мере с одним датчиком для передачи сигнала для использования контроллером обрабатывающего центра.
Задачей данного технического решения является осуществление локального точного мониторинга работы приводных инструментов.
К недостаткам данного известного из уровня техники устройства следует отнести то, что указанное размещение системы не позволяет получить точные измерения механических колебаний из зоны резания в процессе обработки, так как датчики, размещенные на корпусе системы приводного инструмента и дальше, получают искаженные сигналы механических колебаний из зоны резания из-за демпфирования сигналов механических колебаний упругими элементами станка. Также в системе не предусмотрена зарядка встроенной аккумуляторной батареи без извлечения ее из устройства из-за отсутствия в составе системы контроллера заряда.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией устройства является наличие модуля измерения, модуля беспроводной связи, микроконтроллера, аккумуляторной батареи, расположенные в корпусе, и хомута.
В отличие от прототипа предлагаемое авторами устройство, дополнительно снабжено контроллером заряда, сменными крышками с возможностью установки устройства на заготовке и креплением устройства посредством хомута, при этом хомут снабжен фиксирующим механизмом в виде червячной передачи.
В частных случаях, то есть в конкретных формах выполнения полезная модель характеризуется следующими признаками:
модуль измерения механических колебаний, модуль беспроводной связи, микроконтроллер и контроллер заряда выполнены на одной печатной плате;
хомут выполнен в виде двух ленточных элементов по профилю заготовки с возможностью фиксации концов ленточных элементов в сменной крышке посредством потайных винтов;
сменные крышки выбирают внутренним диаметром, соответствующим диаметру обрабатываемой вращающейся заготовки.
Задачи предлагаемого технического решения является регистрация механических колебаний непосредственно на вращающейся заготовке.
Поставленная задача решается посредством того, что в беспроводном устройстве для измерения механических колебаний вращающихся заготовок при токарной обработке, содержащем модуль измерения механических колебаний, модуль беспроводной связи, микроконтроллер, аккумуляторную батарею, расположенные в корпусе, и хомут, в отличие от прототипа устройство дополнительно снабжено контроллером заряда, сменными крышками с возможностью установки устройства на заготовке и креплением устройства посредством хомута, при этом хомут снабжен фиксирующим механизмом в виде червячной передачи.
Новая совокупность признаков, а также наличие связей между ними, позволяет за счет
дополнительного снабжено контроллером заряда - за счет контроля энергопараметров устройства, тем самым обеспечив его надежное функционирование;
сменных крышек с возможностью установки устройства на заготовке- позволяет обеспечить надежное прилегание устройства к поверхности вращающейся заготовки и тем самым обеспечить стабильность измерение сигнала вибрации;
крепления устройства посредством хомута снабженного фиксирующим механизмом в виде червячной передачи - позволяет обеспечить надежную фиксацию устройства на вращающейся заготовки.
В частных случаях, то есть в конкретных формах исполнения позволяет за счет:
выполнения на одной печатной плате модуля измерения механических колебаний, модуля беспроводной связи, микроконтроллера и контроллера заряда - позволит разместить устройство вблизи зоны токарной обработки;
выполнение хомута в виде двух ленточных элементов по профилю заготовки с возможностью фиксации концов ленточных элементов в сменной крышке посредством потайных винтов - позволяет обеспечить возможность использования одного хомута для требуемых типоразмеров сменных крышек, обеспечив надежную фиксацию устройства на вращающейся заготовки;
выбора сменных крышек внутренним диаметром, соответствующим диаметру обрабатываемой заготовки - позволяет обеспечить установку и надежное прилегания устройства на вращающейся заготовки.
Полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - изображена схема установки беспроводного устройства измерения механических колебаний;
на фиг. 2 - общая схема беспроводного устройства измерения механических колебаний вращающихся заготовок;
на фиг. 3 - основные элементы беспроводного устройства измерения механических колебаний вращающихся заготовок.
Беспроводное устройство для измерения механических колебаний вращающихся заготовок (1) содержит модуль измерения механических колебаний (4), микроконтроллер (5), модуль беспроводной связи (6) и контроллер заряда (7) и аккумуляторная батарея (10), располагаемые на кронштейне (8), в корпусе (9). Снизу корпус закрыт сменными крышками (11). За счет того, что сменные крышки (11) выбирают внутренним диаметром, соответствующим диаметру обрабатываемой вращающейся заготовки (3), устройство измерения (1) может устанавливаться на вращающиеся заготовки (3) разных типоразмеров. Сменные крышки (11) крепят к корпусу (9) потайными винтами (12). Хомут, снабженный фиксирующим механизмом в виде червячной передачи (13), обеспечивает фиксацию устройства измерения (1) к вращающейся заготовке (3). Для включения устройства измерения (1) предусмотрена кнопка (14). После включения беспроводного устройства измерения сигналы с модуля измерения механических колебаний (4) подают на микроконтроллер (5) для передачи информации на панель оператора (2) с помощью модуля беспроводной связи (6).
Предлагаемое беспроводное устройство измерения механических колебаний вращающихся заготовок работает следующим образом.
На шпиндель станка устанавливается патрон, в котором закрепляется заготовка (3). При обработке в зоне резания формируются механические колебания заготовки в широком спектре частотного диапазона. Эти механические колебания передают с заготовки (3) на устройство измерения механических колебаний (1) следующим путем: от заготовки (3) механические колебания передают на сменные крышки (11) далее на кронштейн (8), затем на модуль измерения механических колебаний (4). С модуля (4) сигнал подают на микроконтроллер (5), где осуществляют его кодирование для передачи по радиоканалу на панель оператора (2). При увеличении износа инструмента уровень механических колебаний в определенном частотном диапазоне меняется по отношению к допустимому уровню, что визуализируется на панели оператора (2) и принятия решения об прекращении обработки заготовки (3).
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет контролировать механические колебания заготовки во время ее обработки на токарном станке.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверх суммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в машиностроении, в частности в станкостроении и может быть реализован в качестве беспроводного устройства измерения механических колебаний вращающихся заготовок;
для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.