CC BY
63
Selivanov Nikolai Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, State Agricultural University,
Kaiser Yury Filippovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Lysyannikov Alexey Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
УДК 536.531
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ДИСКРЕТНОЙ РЕГИСТРАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЧАСТЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
А. А. Маликов, А.В. Сидоркин
Рассмотрены практические аспекты построения измерительной системы, предназначенной для дискретной регистрации температуры вращающихся частей технологических систем. Уделено существенное внимание вопросам определения качества передачи слаботочного электрического сигнала от одиночного датчика - термометра сопротивления через кольцевой переходник и шпиндельный узел станка.
Ключевые слова: измерение, сигнал, температура, технологическая система, вращающейся объект, датчик.
Для целого ряда процессов, протекающих в природе и технике (в частности, технологических процессов), является характерной достаточно медленная динамика изменения температур как систем в целом (в которых протекают эти процессы), так и отдельных частей и элементов, а следовательно и их поверхностей. Одной из основной причин, оказывающих существенное влияние на динамику протекания процессов перераспределения тепла в технологических системах, является существенная тепловая инерционность их составных элементов, являющихся, как правило, металлоемкими и массивными объектами.
В ряде случаев при измерении температуры вращающихся частей технологических систем, осуществляющемся при помощи термометров сопротивления, доминирующими показателями качества проведения эксперимента становятся точность и стабильность получаемых результатов, а
78
не скоростные параметры и возможность их регистрации. Для обеспечения этого условия в процессе измерения температуры могут быть использованы высокоточные цифровые вольтметры (например, отечественные, типа В7-34(/1, А), В7-40, В7-46(/1) и ряд других) и мультиметры зарубежного производства (включенные в режимах измерения сопротивления), в том числе оснащенные функцией программного или аппаратного преобразования значения измеряемого сопротивления чувствительного элемента термометра в значение температуры, которое, в свою очередь, может быть отображено на цифровое табло прибора или выведено (в виде цифровых кодов) на его интерфейсный разъем.
Дискретная регистрация измеряемых значений может выполняться непосредственно оператором с занесением результатов измерений, через определенные, заранее регламентированные, равные или неравные промежутки времени, либо в начале, по завершении или во время выполнения четко обозначенных стадий протекания определенного технологического процесса, в специальный протокол. Если во время проведения эксперимента требуемая скорость регистрации данных либо продолжительность проведения эксперимента оказывается достаточно велика, то может быть рекомендована видеосъемка табло измерительного прибора (или комплекса) с целью последующего просмотра видеозаписи, ее расшифровки и составления «бумажного» или электронного (в цифровой форме) протокола измерения. Авторами может быть рекомендовано использование для этой цели WEB-камеры совместно с ПЭВМ (например, имеющий форм-фактор «ноутбук»). Самой прогрессивной методикой дискретной регистрации получаемых в ходе проведения эксперимента данных является непосредственная их регистрация с помощью ПЭВМ. Она осуществляется при выводе цифровых кодов данных (в параллельном или последовательном виде) на интерфейсный разъем измерительного прибора, аппаратном согласование их с одним из наиболее распространенных интерфейсов современных ПЭВМ (например, USB-интерфейс), приводимым с помощью специального устройства, программной обработке и регистрации, осуществляемой с помощью специального драйвера и пакета прикладных программ обработки и регистрации данных. При всех неоспоримых достоинствах этой методики она имеет существенный недостаток - достаточно высокую сложность практической реализации. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, не все модели цифровых вольтметров и мультиметров (особенно выпущенные до 2000-х годов) оснащены интерфейсами, совместимых с ПЭВМ. Готовые модели устройств аппаратного согласования интерфейсов малораспространены и достаточно дороги, при этом представлены в основном интерфейсными преобразователями типа «КОП» («GPIB») - USB. В частности, в сети «Интернет» опубликован ряд вариантов конструкций подобных преобразователей, но их самостоятельное изготовление, налаживание, настройка требуют высокого уровня подготовки в области элек-
троники. Во-вторых, разработка программного обеспечения микроконтроллера - основного элемента многих конструкций интерфейсных преобразователей, драйвера и пакета прикладных программ обработки и регистрации данных - требует высокого уровня подготовки в области программирования.
Общий принцип построения измерительной установки для определения температуры вращающихся частей технологических систем, осуществляемых при помощи цифрового вольтметра, удобно рассмотреть на конкретном примере. В качестве такового можно воспользоваться экспериментальным исследованием температуры режущих зубьев комбинированного инструмента в процессе шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес, осуществляющимся на базе универсального токар-но-винторезного станка [1, 2]. Схема установки представлена на рис. 1, ее общий вид - на рис.2, а общий вид технологической системы - на рис. 3.
2
3
4
5
/ 6
7
8 9
10
11
Рис. 1. Схема экспериментально-измерительной установки
Рис. 2. Общий вид экспериментально-измерительной установки
80
Рис. 3. Общий вид технологической системы
На рис. 1 и 3 обозначены: 1 - станок мод. 16К20; 2 - инструментальная оправка; 3 - объект исследования - компонент технологической системы (в рассматриваемом примере - инструмент шевер-прикатник); 4 -приспособление для установки обрабатываемого колеса; 5 - резцедержатель; 6 - термометр сопротивления модели ТЭП 018-05; 7 - адаптер с то-косъемным кольцом; 8 - токосъемник; 9 - сверлильный патрон; 10 - экранированные измерительный кабели с разъемами; 11 - цифровой вольтметр мод. В7-46 (показан на фото, см. рис. 2).
Тепловыделение, происходящее преимущественно в области контакта режущих кромок зубьев инструмента и обрабатываемой заготовки, воспринимается малоинерционным пленочным чувствительным элементом 6, контактирующим с торцовой поверхностью и зубьями шевера-прикатника. При этом контакт пленочного чувствительного элемента происходит не только с зубьями инструмента, но и в меньшей степени с его торцевой поверхностью. Для уменьшения теплового сопротивления в зоне контакта поверхностей датчика и инструмента нанесен тонкий слой тепло-проводящей пасты КТП-8. Чувствительный элемент, представляющий собой термометр сопротивления, подключен по двухпроводной схеме [3] к цифровому вольтметру В7-46, оснащенному микропроцессорным управлением. Поскольку датчик установлен на вращающемся объекте - инструменте, то предусмотрена возможность передачи сигнала по двум линиям: через кольцевой переходник и шпиндельный узел станка.
Сигнал с датчика посредством программной обработки, реализуемой внутренними средствами вольтметра, преобразуется в действительное значение температуры (в оС), воспроизводимое цифровым табло (рис. 4), благодаря чему становится возможным осуществление оперативного контроля температурных параметров процесса механической обработки. Это
81
также является максимально удобным для восприятия оператором и фиксации показаний в протоколе измерения. Такой способ регистрации может быть использован и при фиксации температуры с нескольких датчиков (не более 2 - 5) с помощью ряда цифровых вольт- или омметров при условии, что интервал времени между соседними циклами измерений существенно превышает время, затрачиваемое оператором на восприятие информации с табло измерительных приборов и фиксацию ее в протоколе измерений. При несоблюдении этого условия, а также наличии большого числа точек измерения и длительного времени проведения эксперимента вероятность внесения оператором ошибок в протокол измерения резко повышается. Для предотвращения возможности проявления этого негативного эффекта необходимо использовать способы видеорегистрации данных либо непосредственной регистрации с помощью ПЭВМ.
Рис. 4. Действительное значение температуры, воспроизводимое на табло цифрового вольтметра В7-46
Оцифрованные протокольные результаты измерений сопротивления чувствительного элемента, прямо пропорциональные измеряемой температуре, либо непосредственные значения измеряемой температуры, полученные при аппаратно-программной обработке с помощью цифрового вольтметра с микропроцессорным управлением, могут быть достаточно оперативно занесены в память ПЭВМ.
Эти результаты могут быть математически и статистически обработаны, визуализированы и переданы другими приложениями для дальнейшего их использования.
Как уже отмечалось выше, в ряде случаев открывается возможность задействования механизмов (подшипников качения, зубчатых передач), сосредоточенных в шпиндельном узле технологического оборудования в качестве второго «переходника» при передаче электрического сигнала датчика, включенного по двухпроводной схеме, установленного на вращаю-
щемся элементе технологической системы. При этом подразумевается, что один из проводов измерительной цепи может или должен быть заземлен (рис. 5).
Рис. 5. Фотография зоны кольцевого переходника при проверке прохождения слаботочного сигнала через шпиндельный узел станка
В ходе экспериментальных исследований, проводимых на установке, конструкция и принцип работы которой описаны в статье [4], для дискретного ряда частот вращения кольцевого переходника были сняты осциллограммы, показывающие характер изменения величины переходного сопротивления AR в шпиндельном узле станка во времени. Как правило, мгновенные значения переходного сопротивления скользящего контакта составляют кривую, имеющую во времени пиковый характер, демонстрирующую иногда полные разрывы электрической цепи. В условиях работы скользящих контактов в измерительных цепях, когда токи малы, переходное сопротивление обусловливается процессами, происходящими на начальной, линейной части вольт-амперной характеристики. Однако именно здесь вступают в силу различные факторы, чувствительные к внешним условиям среды, к химическим процессам на контактных поверхностях и к режиму скольжения, чем осложняется общая картина изменения переходного сопротивления.
После расшифровки результатов измерений проводился анализ осциллограмм. Причем наиболее характерные их фрагменты представлены на рис. 6, а - в. Как видно из рисунков, рассматриваемая схема передачи сигнала при своей простоте имеет существенный недостаток, выражающейся в том, что даже при малых частотах вращения шпинделя токарного станка (12,5 мин-1 - минимально допустимая частота вращения для станка модели 16К20) наблюдается существенное нарушение контакта в зоне шпиндельного узла, сопровождаемое сильными помехами в измерительной цепи. При частоте вращения 16 мин-1 наблюдается еще большее нарушение контакта, а при 100 мин-1 - полное его отсутствие.
а
б
в
Рис. 6. Характер изменения величины АЯ при прохождении
слаботочного сигнала через шпиндельный узел станка: а - при п=12,5 мин1; б - при п=16 мин1; в - при п=100 мин1
Такое явление находит, по мнению авторов, следующее объяснение. Зона контактирования в рассматриваемой цепи состоит из множества точек механического, а следовательно, и электрического контакта вращающегося шпинделя и корпуса станка, сосредоточенных, в частности, в зубчатых передачах и, в конечном итоге, замыкающихся на подшипники качения. Все эти конструктивные элементы и детали станка для их эффективной и безотказной работы получают принудительную смазку разбрызгиванием. При этом на их рабочих поверхностях создается практически сплошной слой тонкой масляной пленки, которая обладает диэлектрическими свойствами и является хорошей изоляцией, препятствующей прохождению слаботочного электрического сигнала. Поэтому такое построение измерительной цепи дает удовлетворительный результат лишь при статическом и квазистатическим (медленновращающимся) положениях шпинделя. Это допустимо, например, при дискретной регистрации результатов измерений по завершению каждого цикла обработки и остановки шпинделя. Неоспоримым достоинством рассматриваемой схемы является то, что один из контактов измерительной цепи оказывается заземленным, что в совокупности с экранированным измерительным кабелем практически исключает помехи, наводки и сбои в ее высокочувствительной части.
Список литературы
1. Маликов А.А., Сидорикн А.В., Ямников А.С. Динамические характеристики шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями // Технология машиностроения. №2, 2012. С. 19 - 23.
2. Маликов А. А., Сидорикн А.В., Ямников А.С. Резание и пластическое деформирование при шевинговании-прикатывании цилиндрических колес с круговыми зубьями. // СТИН. 2012. №11. С. 17 - 21.
3. Зедгинидзе Г.П. Измерение температуры вращающихся деталей машин. М.: МАШГИЗ, 1962. 272 с.
4. Сидоркин А.В. Экспресс-метод и технические средства для определения качества передачи слаботочного электрического сигнала через кольцевые переходники // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 6. Ч. 2. С. 115 - 126.
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, andrej-malikov@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сидоркин Андрей Викторович, канд. техн. наук, инженер-исследователь УНИР, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
SOME FEA TURES OF PRACTICAL REALIZA TION OF PROCESS OF DISCRETE REGISTRATION OF TEMPERATURE OF GYRATING PARTS OF TECHNOLOGICAL SYSTEMS
A.A Malikov, A.V. Sidorkin 85
Practical aspects of construction of the measuring system intendedfor discrete registration of temperature of gyrating parts of technological systems are considered. The essential attention is paid to questions of definition of quality of transmission of a low-current electrical signal from the individual transmitter - the resistance temperature indicator through a ring reducing coupling and a machine tool head slide.
Key words: gauging, a signal, temperature, the technological system, gyrating a plant, the transmitter.
Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, andrej-malikov@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of tehnical sciences, research engineer, alan-a@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 531.7
КОНТРОЛЬ РАСПОЛОЖЕНИЯ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СБОРНОЙ ЧЕРВЯЧНОЙ ФРЕЗЫ
Н.Д. Феофилов, Е.С. Янов
Рассмотрены вопросы, связанные с измерением элементов сборной червячной фрезы. Разработан и апробирован новый способ контроля базового торца зубчатой фрезы, также приведены результаты измерений. Рассмотрено применение контрольно-измерительной машины для контроля геометрических параметров корпуса экспериментальной фрезы.
Ключевые слова: эксперимент, сборная червячная фреза, зубчатая рейка, корпус фрезы, контрольно измерительная машина.
Обработка профиля зубчатых реек осуществляется в технологическом положении, но при перестановке реек в рабочее положение теряется достигнутая точность. Это ужесточает нормы точности при изготовлении элементов конструкции фрезы (рис. 1) и, прежде всего, базовых поверхностей корпусов и реек [1, 2].
Зубчатые рейки характеризуются высокой точностью геометрических размеров и уникальностью каждого комплекта в зависимости от исходных размеров сборной червячной фрезы для которой они предназначены. Базирование реек в корпусе фрезы, осуществляется по базовым торцам и пазам, биение не должно превышать 8 мкм, поэтому их контроль необ-
