СИСТЕМА ФИКСАЦИИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Система фиксации деталей на основе электрореологического эффекта
47
УДК 621:658.011.56
Г. Ю. АКУЛЬШИН, М. В. БОБЫРЬ, Т. А. ШИРАБАКИНА
СИСТЕМА ФИКСАЦИИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Модернизация оборудования с ЧПУ возможна за счет усовершенствования средств управления станком путем внедрения оптико-электронных систем контроля производственного процесса. Рассмотрены существующие системы и предложена оптико-электронная система управления электрореологическим эффектом, приведен алгоритм ее работы.
Ключевые слова: оптико-электронные системы, электрореологический эффект, оборудование с ЧПУ, зажимные устройства.
Введение. Современные станки позволяют осуществлять высокоскоростную обработку (ВСО) деталей, тем самым сокращая время обработки и повышая качество выпускаемой продукции. Однако при ВСО в режиме реального времени на оборудовании с ЧПУ снижается точность обработки поверхностей деталей, что, в свою очередь, приводит к браку, который, согласно статистике, достигает 25 % [1].
Внедрение оптико-электронных систем позволяет осуществлять бесконтактный и оперативный контроль положения деталей и состояния обрабатываемых поверхностей.
Анализ существующих методов контроля точности. К основным причинам появления брака (бочкообразности или конусности) при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ относятся: пространственные отклонения шпинделя или бабки станка от заданного положения; деформация поверхностей детали, возникающая под действием сил резания; нагрев обрабатываемой поверхности детали или режущего инструмента; погрешности установки заготовки в устройстве крепления и ее деформация при зажиме [2].
На современном этапе развития приборо- и машиностроительных предприятий для закрепления деталей при ВСО на прецизионном оборудовании с ЧПУ используются гидравлические, пневматические и прочие зажимные устройства. Однако существенным недостатком всех способов крепления является контактный метод фиксации заготовки, что приводит к деформации поверхностей детали при ее зажиме. При этом контроль позиционирования закрепленных деталей осуществляется с помощью оптико-электронных видеосистем, имеющих разрешающую способность порядка 50 мкм.
С целью повышения точности фиксации и позиционирования деталей авторы предлагают использовать оптико-электронные лазерные системы, имеющие разрешающую способность порядка 16,7 мкм. Другими важными преимуществами лазерных систем являются простота программирования и невосприимчивость к помехам, которые искажают информацию (например, к пыли или стружке), появляющимся в процессе обработки деталей. В условиях реального производства эти характеристики играют значительную роль. Для повышения надежности электронного оборудования рекомендуется в системах с числовым программным управлением использовать схемы с автокоррекцией дрейфа нуля [3]. На рис. 1 приведена схема управления электрореологическим эффектом, здесь 1 — PIC-микроконтроллер, 2 — корпус устройства зажима, 3 — деталь сложной формы, 4 — электровязкая суспензия, 5 — электроды, 6 — оптико-электронная система (ОЭС), 7 — центрирующее реле, 8 — электродвигатель.
Работа оптико-электронной лазерной системы описывается следующим образом: излучатель лазерного пучка ОЭС 6 сканирует поверхность детали 3. Приемник отраженного
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
48 Г. Ю. Акульшин, М. В. Бобырь, Т. А. Ширабакина сигнала ОЭС обрабатывает сигнал, отраженный от поверхности детали, и передает его на вход двухкоординатного измерительного устройства [4].
1
6
3 24
85
7
Рис. 1
Расстояние от преобразователя информации до координаты на контролируемом объекте в точке А (xa, ya, za) (рис. 2) определяется c помощью следующих уравнений:
( )xa
=
x fa D + y1tg (Va −Wa x fa + Ftg (Va −Wa )
)
,
(1)
где xfa — размер, зависящий от фокусного расстояния F приемника отраженного сигнала по оси Х; D — расстояние от начала координат О до местоположения О1 излучателя лазерного пучка по оси Х; y1 — расстояние от местоположения двухкоординатного измерительного источника до начала координат О по оси Y; Va — угол направления лазерного пучка относительно оси Y; Wa — отрицательный угол лазерного пучка относительно оси Y;
( )ya
=
x fa
DF − y1x fa
+ Ftg (Va −Wa
).
(2)
Координата точки zа отражения пучка вычисляется как
( )za = xa
z fa x fa
= z fa
D + y1tg (Va −Wa ) x fa + Ftg (Va −Wa )
,
(3)
где zfa — расстояние, зависящее от фокусного расстояния F приемника отраженного сигнала по оси Z.
Координаты в точке В на поверхности контролируемой детали описываются соотноше-
ниями, аналогичными (1)—(3). После расчета координат xb и yb находится размер контролируемой детали по формуле
l = ( xb − xa )2 + ( yb − ya )2 .
(4)
Определенный по формуле (4) текущий размер обрабатываемой поверхности детали c лазерного излучателя поступает на вход PIC-микроконтроллера 1, где сравнивается с требуемым.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
Система фиксации деталей на основе электрореологического эффекта
49
Если размер совпадает, то обработка продолжается. Если не совпадает, то необходимо определить разность между заданным размером и размером, полученным от лазерного излучателя ОЭС.
Y
B A
Ya Wa Va
Y1 O xa
O2 F
D
O1 X
xfa
Рис. 2
Авторы предлагают принципиально новый способ фиксации деталей, основанный на использовании электрореологического эффекта. Его особенность заключается в том, что при воздействии электрического тока с помощью электродов 5 на электровязкую суспензию 4 (состав: трансформаторное масло — 45,8 %, диатомит — 50 %, олеиновая кислота — 4,2 %) суспензия переходит из жидкого состояния в твердое. Это свойство позволяет надежно фиксировать детали при ВСО. Другими отличительными особенностями разработки являются возможность зажима детали без ее деформации и возможность фиксации заготовок сложной формы изнутри, так как жидкая суспензия затекает в свободные полости.
Принцип работы оптико-электронной системы. Деталь для ВСО устанавливается в корпус устройства зажима, при этом оптико-электронная лазерная система в реальном времени отслеживает точность установки и центрирования детали относительно устройства и передает данные в PIC-микроконтроллер, где они обрабатываются.
Если деталь установлена с погрешностями, то производится вычисление новых координат установки, которые затем подаются с выхода RB1 PIC-микроконтроллера на электродвигатель, приводящий в действие центрирующее реле, перемещающее деталь в необходимое положение. Если деталь установлена без погрешностей, то с выхода RB2 PIC-микроконтроллера подается сигнал для включения электродов, после этого под действием электрического тока электровязкая суспензия переходит из жидкого состояния в твердое и фиксирует деталь для дальнейшей ВСО. В случае, когда координаты не совпадают с заранее заданными, производится их перерасчет и с PIC-микроконтроллера подается сигнал на электродвигатель.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
50 Г. Ю. Акульшин, М. В. Бобырь, Т. А. Ширабакина
Заключение. Таким образом, предлагаемая оптико-электронная система управления электрореологическим эффектом позволяет модернизировать процесс установки деталей и тем самым обеспечить заданный режим ВСО. Положительный эффект достигается за счет использования оптико-электронной лазерной системы с высокой разрешающей способностью, которая позволяет распознавать компоненты детали и помогает точнее ее позиционировать, а использование электрореологического эффекта при зажиме детали исключает возможность появления деформаций обрабатываемых поверхностей.
Работа выполнена в Юго-Западном государственном университете в рамках федеральной целевой программы „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России“ на 2009—2013 гг., государственный контракт № 14.740.11.1003.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бобырь М. В., Титов В. С. Интеллектуальная система управления температурными деформациями при резании // Автоматизация и современные технологии. 2011. № 5. С. 3—7.
2. Бобырь М. В., Емельянов С .Г., Титов В. С. Теоретические основы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами на основе нечеткой логики. Старый Оскол: Тонкие наукоемкие технологии, 2009. 232 с.
3. Бобырь М. В., Титов В. С., Милостная Н. А., Беломестная А. Л. Метод коррекции дрейфа нуля операционных усилителей // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 9. С. 72—75.
4. Патент № 2288809 РФ. Устройство управления точностью обработки деталей / М. В. Бобырь, В. С. Титов, Н. А. Милостная. 2006.
Григорий Юрьевич Акульшин Максим Владимирович Бобырь
Тамара Александровна Ширабакина
Сведения об авторах — аспирант; Юго-Западный государственный университет, кафедра
вычислительной техники, Курск; E-mail: ak.grigoriy@gmail.com — канд. техн. наук, доцент; Юго-Западный государственный универ-
ситет, кафедра вычислительной техники, Курск; E-mail: fregat_mn@rambler.ru — канд. техн. наук, профессор; Юго-Западный государственный университет, кафедра КиТ ЭВС, Курск; E-mail: tas_06@mail.ru
Рекомендована Юго-Западным государственным университетом
Поступила в редакцию 24.10.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
47
УДК 621:658.011.56
Г. Ю. АКУЛЬШИН, М. В. БОБЫРЬ, Т. А. ШИРАБАКИНА
СИСТЕМА ФИКСАЦИИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Модернизация оборудования с ЧПУ возможна за счет усовершенствования средств управления станком путем внедрения оптико-электронных систем контроля производственного процесса. Рассмотрены существующие системы и предложена оптико-электронная система управления электрореологическим эффектом, приведен алгоритм ее работы.
Ключевые слова: оптико-электронные системы, электрореологический эффект, оборудование с ЧПУ, зажимные устройства.
Введение. Современные станки позволяют осуществлять высокоскоростную обработку (ВСО) деталей, тем самым сокращая время обработки и повышая качество выпускаемой продукции. Однако при ВСО в режиме реального времени на оборудовании с ЧПУ снижается точность обработки поверхностей деталей, что, в свою очередь, приводит к браку, который, согласно статистике, достигает 25 % [1].
Внедрение оптико-электронных систем позволяет осуществлять бесконтактный и оперативный контроль положения деталей и состояния обрабатываемых поверхностей.
Анализ существующих методов контроля точности. К основным причинам появления брака (бочкообразности или конусности) при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ относятся: пространственные отклонения шпинделя или бабки станка от заданного положения; деформация поверхностей детали, возникающая под действием сил резания; нагрев обрабатываемой поверхности детали или режущего инструмента; погрешности установки заготовки в устройстве крепления и ее деформация при зажиме [2].
На современном этапе развития приборо- и машиностроительных предприятий для закрепления деталей при ВСО на прецизионном оборудовании с ЧПУ используются гидравлические, пневматические и прочие зажимные устройства. Однако существенным недостатком всех способов крепления является контактный метод фиксации заготовки, что приводит к деформации поверхностей детали при ее зажиме. При этом контроль позиционирования закрепленных деталей осуществляется с помощью оптико-электронных видеосистем, имеющих разрешающую способность порядка 50 мкм.
С целью повышения точности фиксации и позиционирования деталей авторы предлагают использовать оптико-электронные лазерные системы, имеющие разрешающую способность порядка 16,7 мкм. Другими важными преимуществами лазерных систем являются простота программирования и невосприимчивость к помехам, которые искажают информацию (например, к пыли или стружке), появляющимся в процессе обработки деталей. В условиях реального производства эти характеристики играют значительную роль. Для повышения надежности электронного оборудования рекомендуется в системах с числовым программным управлением использовать схемы с автокоррекцией дрейфа нуля [3]. На рис. 1 приведена схема управления электрореологическим эффектом, здесь 1 — PIC-микроконтроллер, 2 — корпус устройства зажима, 3 — деталь сложной формы, 4 — электровязкая суспензия, 5 — электроды, 6 — оптико-электронная система (ОЭС), 7 — центрирующее реле, 8 — электродвигатель.
Работа оптико-электронной лазерной системы описывается следующим образом: излучатель лазерного пучка ОЭС 6 сканирует поверхность детали 3. Приемник отраженного
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
48 Г. Ю. Акульшин, М. В. Бобырь, Т. А. Ширабакина сигнала ОЭС обрабатывает сигнал, отраженный от поверхности детали, и передает его на вход двухкоординатного измерительного устройства [4].
1
6
3 24
85
7
Рис. 1
Расстояние от преобразователя информации до координаты на контролируемом объекте в точке А (xa, ya, za) (рис. 2) определяется c помощью следующих уравнений:
( )xa
=
x fa D + y1tg (Va −Wa x fa + Ftg (Va −Wa )
)
,
(1)
где xfa — размер, зависящий от фокусного расстояния F приемника отраженного сигнала по оси Х; D — расстояние от начала координат О до местоположения О1 излучателя лазерного пучка по оси Х; y1 — расстояние от местоположения двухкоординатного измерительного источника до начала координат О по оси Y; Va — угол направления лазерного пучка относительно оси Y; Wa — отрицательный угол лазерного пучка относительно оси Y;
( )ya
=
x fa
DF − y1x fa
+ Ftg (Va −Wa
).
(2)
Координата точки zа отражения пучка вычисляется как
( )za = xa
z fa x fa
= z fa
D + y1tg (Va −Wa ) x fa + Ftg (Va −Wa )
,
(3)
где zfa — расстояние, зависящее от фокусного расстояния F приемника отраженного сигнала по оси Z.
Координаты в точке В на поверхности контролируемой детали описываются соотноше-
ниями, аналогичными (1)—(3). После расчета координат xb и yb находится размер контролируемой детали по формуле
l = ( xb − xa )2 + ( yb − ya )2 .
(4)
Определенный по формуле (4) текущий размер обрабатываемой поверхности детали c лазерного излучателя поступает на вход PIC-микроконтроллера 1, где сравнивается с требуемым.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
Система фиксации деталей на основе электрореологического эффекта
49
Если размер совпадает, то обработка продолжается. Если не совпадает, то необходимо определить разность между заданным размером и размером, полученным от лазерного излучателя ОЭС.
Y
B A
Ya Wa Va
Y1 O xa
O2 F
D
O1 X
xfa
Рис. 2
Авторы предлагают принципиально новый способ фиксации деталей, основанный на использовании электрореологического эффекта. Его особенность заключается в том, что при воздействии электрического тока с помощью электродов 5 на электровязкую суспензию 4 (состав: трансформаторное масло — 45,8 %, диатомит — 50 %, олеиновая кислота — 4,2 %) суспензия переходит из жидкого состояния в твердое. Это свойство позволяет надежно фиксировать детали при ВСО. Другими отличительными особенностями разработки являются возможность зажима детали без ее деформации и возможность фиксации заготовок сложной формы изнутри, так как жидкая суспензия затекает в свободные полости.
Принцип работы оптико-электронной системы. Деталь для ВСО устанавливается в корпус устройства зажима, при этом оптико-электронная лазерная система в реальном времени отслеживает точность установки и центрирования детали относительно устройства и передает данные в PIC-микроконтроллер, где они обрабатываются.
Если деталь установлена с погрешностями, то производится вычисление новых координат установки, которые затем подаются с выхода RB1 PIC-микроконтроллера на электродвигатель, приводящий в действие центрирующее реле, перемещающее деталь в необходимое положение. Если деталь установлена без погрешностей, то с выхода RB2 PIC-микроконтроллера подается сигнал для включения электродов, после этого под действием электрического тока электровязкая суспензия переходит из жидкого состояния в твердое и фиксирует деталь для дальнейшей ВСО. В случае, когда координаты не совпадают с заранее заданными, производится их перерасчет и с PIC-микроконтроллера подается сигнал на электродвигатель.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
50 Г. Ю. Акульшин, М. В. Бобырь, Т. А. Ширабакина
Заключение. Таким образом, предлагаемая оптико-электронная система управления электрореологическим эффектом позволяет модернизировать процесс установки деталей и тем самым обеспечить заданный режим ВСО. Положительный эффект достигается за счет использования оптико-электронной лазерной системы с высокой разрешающей способностью, которая позволяет распознавать компоненты детали и помогает точнее ее позиционировать, а использование электрореологического эффекта при зажиме детали исключает возможность появления деформаций обрабатываемых поверхностей.
Работа выполнена в Юго-Западном государственном университете в рамках федеральной целевой программы „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России“ на 2009—2013 гг., государственный контракт № 14.740.11.1003.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бобырь М. В., Титов В. С. Интеллектуальная система управления температурными деформациями при резании // Автоматизация и современные технологии. 2011. № 5. С. 3—7.
2. Бобырь М. В., Емельянов С .Г., Титов В. С. Теоретические основы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами на основе нечеткой логики. Старый Оскол: Тонкие наукоемкие технологии, 2009. 232 с.
3. Бобырь М. В., Титов В. С., Милостная Н. А., Беломестная А. Л. Метод коррекции дрейфа нуля операционных усилителей // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 9. С. 72—75.
4. Патент № 2288809 РФ. Устройство управления точностью обработки деталей / М. В. Бобырь, В. С. Титов, Н. А. Милостная. 2006.
Григорий Юрьевич Акульшин Максим Владимирович Бобырь
Тамара Александровна Ширабакина
Сведения об авторах — аспирант; Юго-Западный государственный университет, кафедра
вычислительной техники, Курск; E-mail: ak.grigoriy@gmail.com — канд. техн. наук, доцент; Юго-Западный государственный универ-
ситет, кафедра вычислительной техники, Курск; E-mail: fregat_mn@rambler.ru — канд. техн. наук, профессор; Юго-Западный государственный университет, кафедра КиТ ЭВС, Курск; E-mail: tas_06@mail.ru
Рекомендована Юго-Западным государственным университетом
Поступила в редакцию 24.10.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2