УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ УДАРА

Техническое решение относится к измерительной технике и может применяться, например, для измерения силы периодических высокочастотных ударов ультразвукового виброударного инструмента.
Известно устройство для измерения усилий на кривошипных прессах, содержащее воспринимающий усилие датчик, связанный с регистрирующим устройством, которое состоит из формирователя импульсов, счетчика, дешифратора и устройства индикации (Авторское свидетельство СССР №198736, кл. G01L 1/02, 16.07.64) [1].
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения и регистрации силы удара на радиально ковочных машинах, содержащее гидравлический преобразователь усилия, датчик давления, блок двойного дифференцирования, сумматор, блок определения амплитуды сигнала и регистратор, причем вход датчика давления связан с гидравлическим преобразователем, а выход подключен к первому входу сумматора и блоку двойного дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход сумматора подключен к входу блока определения амплитуды, а его выход - к регистратору (Авторское свидетельство СССР №853438, бюллетень №29, кл. G01L 5/00, 7.08.81 (прототип)) [2].
Однако, данное устройство не позволяет осуществлять измерение силы периодических высокочастотных ударов (с частотой ударов 15-22 кГц), например, ультразвукового виброударного инструмента, вследствие инерционности системы «гидравлический преобразователь усилия - датчик давления».
Решаемая техническая задача заключается в обеспечении возможности измерения силы периодических высокочастотных ударов.
Решение технической задачи в устройстве для измерения силы удара, содержащем последовательно соединенные блок определения амплитуды сигнала и регистратор, достигается тем, что введены последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь, усилитель тока импульсов, амплитудный детектор и конденсатор, причем выход конденсатора подключен к входу блока определения амплитуды сигнала.
На Фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения силы удара.
На Фиг.2 представлена осциллограмма электрического сигнала на выходе пьезоэлектрического преобразователя во время удара.
На Фиг.3 представлено устройство для измерения силы удара с размещением пьезоэлектрического преобразователя на поверхности обрабатываемого изделия в процессе измерения силы периодических высокочастотных ударов ультразвукового виброударного инструмента.
Устройство для измерения силы удара, приведенное на Фиг.1 содержит последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь 1, усилитель тока импульсов 2, амплитудный детектор 3, конденсатор 4, блок определения амплитуды сигнала 5 и регистратор 6.
Все приведенные на Фиг.1 блоки могут быть выполнены по известным, опубликованным в литературе схемам.
Электрическое питание блоков осуществляется от сети постоянного тока напряжением 27 В. Блок питания на Фиг.1 не показан.
На осциллограмме электрического сигнала, приведенной на Фиг.2 показаны время удара - τ, амплитуда напряжения электрического сигнала ударного импульса - А.
На Фиг.3 показаны пьезоэлектрический преобразователь 1, усилитель тока импульсов 2, амплитудный детектор 3, конденсатор 4, блок определения амплитуды сигнала 5 и регистратор 6, ультразвуковой виброударный инструмент 7, обрабатываемое изделие 8.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства для измерения силы удара. В качестве примера практической реализации предлагаемого технического решения приведен процесс измерения силы периодических высокочастотных ударов ультразвукового виброударного инструмента 7 (Патент РФ, №2259912, Бюл. №25, 2005) [3], наносимых с частотой 22 кГц по поверхности обрабатываемого изделия 8, изготовленного из конструкционной стали. Для измерения силы периодических высокочастотных ударов ультразвукового виброударного инструмента 7 на поверхности обрабатываемого изделия 8 располагают пьезоэлектрический преобразователь 1 устройства для измерения силы удара. Устройство для измерения силы удара подключают к источнику питания постоянного тока напряжением 27 В. В процессе обработки ультразвуковым виброударным инструментом 7 механические напряжения, возникающие в обрабатываемом изделии 8 при каждом единичном ударе наносимом по его поверхности с частотой 22 кГц, вызывают механические деформации пьезоэлектрического преобразователя 1. В результате прямого пьезоэлектрического эффекта на выходе преобразователя 1 формируется электрический сигнал (см. Фиг.2), представляющий собой сложение напряжения ударного импульса, действующего в течение промежутка времени τ, соответствующего времени контакта ультразвукового виброударного инструмента 7 с поверхностью обрабатываемого изделия 8, с упругими напряжениями, обусловленными собственными колебаниями обрабатываемого изделия 8.
Для обеспечения возможности выявления и преобразования высокочастотного ударного импульса пьезоэлектрический преобразователь 1 должен подбираться таким образом, чтобы его частота превышала частоту возмущающего виброударного воздействия. Например, для измерения силы периодических высокочастотных ударов ультразвукового виброударного инструмента 7, наносимых с частотой 22 кГц по поверхности обрабатываемого изделия 8, изготовленного из конструкционной стали, частота пьезоэлектрического преобразователя 1 составляет 1,25 МГц.
Амплитуда напряжения электрического сигнала ударного импульса А (см. Фиг.2) на выходе пьезоэлектрического преобразователя 1 во время удара, пропорциональна скорости ультразвукового виброударного инструмента 7 в момент удара. Действительно, в соответствии с теоремой импульсов, выражение для закона изменения силы удара F ультразвукового виброударного инструмента 7 по поверхности обрабатываемого изделия 8 можно записать в виде:
где m - масса инструмента 7, V - скорость инструмента 7 в момент удара, R - коэффициент восстановления скорости при ударе (определяется экспериментальным путем); τ - время удара (определяется экспериментальным путем). Например, измеренный экспериментально коэффициент восстановления скорости ультразвукового виброударного инструмента 7 при ударе по поверхности обрабатываемого изделия 8, изготовленного из конструкционной стали составляет R=0,7, а средняя продолжительность ударного импульса составляет τ=100-150 мкс.
Учитывая линейность пьезоэлектрического преобразователя 1, и рассматривая удар ультразвукового виброударного инструмента 7 как внезапно приложенный к обрабатываемому изделию 8 в момент времени t=0, ударный импульс, имеющий форму полуволны синусоиды и действующий в течение промежутка времени τ (см. Фиг.2), взаимосвязь величины силы удара с величиной электрического напряжения сигнала на выходе пьезоэлектрического преобразователя 1 выражается в виде:
где А - амплитуда напряжения электрического сигнала ударного импульса на выходе пьезоэлектрического преобразователя 1 во время удара; k - масштабный коэффициент силы, связывающий механическую силу удара с электрическим напряжением сигнала на выходе пьезоэлектрического преобразователя 1, имеющий размерность H/В:
Тарировку пьезоэлектрического преобразователя 1, с определением масштабного коэффициента силы k осуществляют по методу свободного падения стального шарика на поверхность обрабатываемого изделия. Например, в результате тарировки пьезоэлектрического преобразователя 1 для измерения силы периодических высокочастотных ударов ультразвукового виброударного инструмента, наносимых с частотой 22 кГц по поверхности обрабатываемого изделия 8, изготовленного из конструкционной стали, установлено, что напряжению электрического сигнала на выходе пьезоэлектрического преобразователя 1 величиной 1 В соответствует сила удара величиной 34,6 Н, т.е. k=34,6 Н/В
Электрический сигнал ударного импульса, сформированный на выходе пьезоэлектрического преобразователя 1 подается на усилитель тока импульсов 2. Усиленный по току электрический сигнал поступает на амплитудный детектор 3. После детектирования электрический сигнал заряжает накопительную емкость конденсатора 4. Максимальная величина амплитуды напряжения электрического сигнала ударного импульса А, пропорциональная величине напряжения на накопительной емкости конденсатора 4 определяется в блоке определения амплитуды сигнала 5. Далее сигнал поступает на регистратор 6, на выходе которого получают информацию о силе удара, воздействующего на обрабатываемую деталь 8.
Применение предлагаемого устройства для измерения силы удара позволяет осуществлять измерение силы периодических высокочастотных ударов (с частотой ударов 15-22 кГц), так как собственная частота пьезоэлектрического преобразователя, входящего в состав устройства, превышает частоту возмущающего виброударного воздействия, что обеспечивает возможность выделения и преобразования высокочастотных механических ударных напряжений в сигналы электрического напряжения с последующим измерением их амплитуды.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №198736, кл. G01L 1/02, 16.07.64.
2. Авторское свидетельство СССР №853438, бюллетень №. 29, кл. G01L 5/00, 7.08.81 (прототип).
3. Патент РФ, №2259912, Бюл. №25, 2005.