Автор: С.Б. Демин
Источник: http://vestnik.osu.ru/2002_5/45.pdf
Рассмотрены классификация и принципы построения магнитострикционных наклономеров на про-дольных и крутильных упругих ультразвуковых волнах (УЗВ) для автоматизированного гексаподного технологического оборудования.
С развитием гексаподного обрабатывающего оборудования возникает необходимость в регистрации углов наклона рабочих узлов с высокой точностью, повы¬шая, тем самым, уровень технической безопасности системы. Высокоточная идентификация углов наклона (3 технологического объекта управления (ТОУ) возможна с использованием метода магнитострикционного измерительного преобразования и создания нового вида устройств - магнитострикционных наклономеров [1]. Основой их построения служат первичные магнитострикционные преобразователи перемещений с разными кинематическими цепями, что отражается на их общей классификационной схеме (рис.1) и функциональных возможностях.
Рисунок 1 - Классификация магнитострикционных наклономеров
Магнитострикционные наклономеры, выполненные по схеме рис.2, позволяют регистрировать наклоны ТОУ до β<45° в двухкоординатной системе, используя амплитудный метод идентификации [2]. По токовому сигналу усилителя записи УЗ в зоне магнитомеханического преобразования магнитострикционного чувствительного элемента МЧЭ, образованной обмоткой входного сигнального распределенного магнитострикционного преобразователя РМП и кольцевого магнита МК (поляризатора), с частотой fonp=1/Тonp генератора опроса ГО возбуждаются упругие УЗВ:
представляющие собой сумму деформационных напряжений σx.ij(t) в i-сечениях волновода по j=2,3,4,8-перепадам видеоимпульса записи.
Рисунок 2 - Схема маятникового двухкоординатного магнитострикционного наклономера на продольных УЗВ:
АД - акустический демпфер, Ин - индикаторный элемент, Т - триггер, АП - аналоговая память, Рг - регистр.
Зондирующие УЗВ проходят по МЧЭ длиной Lx с фазовой скоростью Vnp в сторону выходного сигнального электроакустического преобразователя ЭАП:
и им считываются в зоне магнитоупругого преобразования через время Tx=Lx/Vnp, испытывая при этом затухание, определяемое декрементом δ затухания волны. На выводах ЭАП формируются информационные сигналы, усиливаемые усилителем УС до напряжения:
где Ку - коэффициент линейного усиления УС, Wэ - эффективное число витков индуктивного ЭАП, Воб - индукция магнитоупругого преобразования, Si - площадь поперечного сечения МЧЭ, сравниваются баланным компаратором БК с опорным напряжением Un(t):
ΔUx(t) = sign[Un(t)-Ux(t)]
и преобразуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифровой n-разрядный код Nx с последующим вычислением m-разрядного кода Nзн знака наклона ТОУ.
Амплитудный метод преобразования углов наклона ограничивает точность приборов до величины основной погрешности γ =2%. Пороговая чувствительность определяется величиной младшего кванта АЦП блока кодирования и вычислений БКВ.
Смещение L поляризатора МК вдоль корпуса К наклономера в пределах сигнального РМП дает возможность регулировать чувствительность при разных углах отклонения от вертикали (вектора гравитации) его маятникового акустического тракта AT. Однако использо¬вание продольных информационных УЗВ в тракте нуждается в организации проводной связи сигнальных РМП и ЭАП с усилителями записи УЗ и считывания УС, что снижает параметрическую чувствительность на малых углах β наклона ТОУ и надежность в целом.
Выполнение МЧЭ наклономеров на кольцевых структурах с электромагнитно-акустическим методом возбуждения упругих УЗВ кручения [3, 4] освобождает их от отмеченных недостатков (рис. 3). Информационной величиной здесь выступают время-импульсные сигналы Тх=2 Lx/Vкр образованные в результате трансляции через AT с отражающей нагрузкой ОН крутильных УЗВ нулевого порядка, не имеющих дисперсию скорости Vкр.
Протяженность AT наклономеров с время-импульсным выходным сигналом первичного магнитострикционного преобразователя перемещений [1] является одним из основных показателей разрешающей способности в процессе кодирования углов наклона ТОУ:
где R-радиус изгиба МЧЭ, с установленной частотой f дискретизации измерительного генератора БКВ. Этот параметр наиболее высокий в магнитострикционных наклономерах одностороннего преобразования, выполняемых по схеме рис. За, позволяя работать в диапазоне не менее β=(350-355) угловых градусов с погрешностью γ =(0.5-1.0)% нормальных условиях.
Балансная схема (рис. 3б) магнитострикционных наклономеров при той же разрешающей способности и точности результирующего кода БКВ:
где T1, T2 - временные интервалы угла наклона ТОУ, L1, L2- длина дифференциальных акустических трактов, обладает вдвое меньшим диапазоном угловых преобразований, но дает возможность при необходимости проводить температурную коррекцию выходного информационного сигнала на основе логометрического вычисления, расширяя область технического применения приборов данной группы.
Рисунок 3 - Структурные схемы одностороннего (а) и балансного (б) маятниковых
однокоординатных магнитострикционных наклономеров на УЗВ кручения:
Р - сила тяжести, М - подвижный поляризатор
Следовательно, обладая высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками [1-4], рассмотренная группа приборов может быть использована в составе информационных магнитострикционных систем специализированного технологического обордования.
1. Демин СБ. Информационно-измерительные системы металлорежущего оборудования. Уч. пособие. - Пенза: Изд-во ПензГУ, 2000.
2. Патент РФ №2075728. Ультразвуковой преобразователь углов наклона // СБ. Демин.
3. Патент РФ №1811265. Ультразвуковой наклономер // СБ. Демин.
3. Патент РФ №2035693. Наклономер // СБ. Демин.