Теория и расчет магнитострикционных и магнитоупругих устройств автоматизации станков. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Михайлов, Олег Павлович

• Михайлов, Олег Павлович
• 1974

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теория и расчет магнитострикционных и магнитоупругих устройств автоматизации станков.»

В условиях научно-технической революции остро ощущается необходимость в создании новых устройств, аппаратов и приборов, обладающих улучшенными характеристиками и повышенными эксплуатационными свойствами. 1 области станкостроения это связано с широким распространением станков с программным управлением, станков с адаптивным управлением, применением элементов вычислительной техники для автоматизации и управления производством, * Для создания элементов современной техники необходимо использовать новые физические принципы или эффекты, которые до настоя-» £ щего времени мало или совершенно не применялись на практике. Жри этом физические явления часто находят неожиданные, нетривиальные ■ технические применения. Важность этого обстоятельства подчеркивав | ется тем, что с выходом на международную арену от продукции наше«-I % го машиностроения требуется не только высокое качество, но и новизна технических решений,

К числу таких достаточно известных физических эффектов можно отнести эффект магнитострикции, который заключается в изменении размеров ферромагнитных тел при намагничивании. Магнитострикцион-ные эффекты (они отличаются способом создания магнитного толя и характером получаемых перемещений) были открыты в первой половине ^ прошлого столетия. Однако до настоящего времени ©ни имели узкоспециализированное использование в промышленности, главным образом в области ультразвуковой техники» где магнитоетрикциоюше пре-• I образователи работают в режиме резонанса.

-23.

Вместе с тем магнитострикционные устройства могут обеспечить преобразование электрической энергии в механическую и в нерезонансном режиме. Специфика такого преобразования заключается в малости перемещения при большой механической силе. Если раньше малые перемещения, измеряемые микронами или даже долями микрона, почти не использовались в технике, то в настоящее время картина резко изменилась, Сейчас во многих областях техники имеются детали, допуск на которые не превышает один микрон. Получить такие перемещения тради " " ! ционшми механическими или электромеханическими способами чрезвычайно трудно, а подчас даже невозможно.

Задача может быть решена путем использования эффекта магнито-* стрикации. Магнитострикционные устройства целесообразно использовать в станках с адаптивным управлением, в качестве исполнитель

Ф ных устройств для коррекции программы в станках с ЧПУ, в качестве привода микроподач в прецизионных станках, для компенсации температурных деформаций деталей станка и инструмента, для компенсации кинематических ошибок металлорежущих станков и в целом ряде других % случаев,

В станкостроении наблюдается непрерывное стремление индивидуализации привода с тем, чтобы упростить и укоротить кинематические | цепи. Магнитострикация позволяет совершить новый решительный шаг в этом направлении. В том случае, когда линейное перемещение производится от вращающегося электродвигателя, самая короткая кинематическая цепь должна содержать преобразователь вращательного движения в поступательное (например, пару винт-гайка). Магнитострик-тор непосредственно преобразует электрическую энергию в поступательное перемещение и тем самым полностью устраняет прецизионные механические передачи. Подобное устройство совмещает в себе элементы конструкции станка с элементами привода. В некоторых случаях магнитостриктор может быть совмещен с корпусом инструмента, при этом управляющий сигнал непосредственно воздействует на перемещение рабочей грани инструмента.

Все сказанное подтверждает широкие возможности создания универ-* сальных и специальных магнитострикционных устройств, способных решить ряд насущных проблем, стоящих перед станкостроением.

Другой стороной магнитоетрикционного эффекта является, так на-зываеюй, магнитоупругий эффект, сущность которого заключается в изменении намагниченности ферромагнетика при возникновении в нем упругих напряжений. Магнитоупругий эффект используется при создании измерительных преобразователей силы или давления, которые с Ф большим успехом могут заменить тензо- или индуктивные преобразователи. Большая удельная мощность, высокая механическая жесткость, ^ простота и надежность делают магнитоупругие преобразователи ценным элементом автоматизации металлорежущих станков.

Такие элементы необходимы прежде всего в станках с адаптивным управлением в качестве источников информации о режиме резания, % упругих деформациях системы СПИД и т.п. Они могут быть применены при изучении условий работы станков в производственных условиях, при экспериментальных исследованиях статических и динамических характеристик станков.

Магнитоупругие элементы способны заменить электрические контакты, особенно в тех условиях, где нужны малые габариты, высокая надежность, большое быстродействие, Магнитоупругие устройства хорошо сочетаются с бесконтактной логической схемой управления и устра няют противоречие между контактным входом и бесконтактным трактом преобразования сигнала, которое наблюдается в настоящее время.

Необходимо отметить, что и магнитострикционные и магнитоупругие устройства отличаются исключительно простой конструкцией и нет никаких технологических трудностей, которые могли бы служить препятствием к их широкому распространению.

Вместе с тем конструктивная простота этих устройств сочетается с чрезвычайно сложными электромеханическими, магнитоуцругими и тепловыми процессами, происходящими при намагничивании магнитострик-ционных сердечников. Эти вопросы не могут быть решены экспериментальным путем в спешке заводских будней, а требуют кропотливого теоретического исследования.

Однако, если физическая теория магнитострикционного и магнито-упругого эффекта разработана достаточно полно, то их практическому применению посвящено значительно меньшее число работ. В области * станкостроения, кроме работы Л.Б.Дмитриева, проведенной в Московском станкоивотрументалъном институте, и нескольких работ А.И.Блоха и Ю.Г.Хвалова, никаких исследований магнитострикционных устройств не проводилось. Не рассмотрены магнитострикционные устрой ства и в общих трудах по электроприводу или электрическим аппаратам. Несколько лучше обстоит дело с магнитоупругими преобразовате-% лями, но и здесь существующие теоретические разработки не могут быть непосредственно использованы в системах автоматического управления металлорежущими станками.

Именно отсутствие теории и методики расчета магнитострикционных и магнитоупругих устройств не позволяет эффективно использовать их в станкостроении. Вместе с тем принципиально новый взгляд на возможности применения магнитострикционного и магнитоупругого эффекта требует и новых конструктивных разработок, позволяющих Ф подтвердить их практическую ценность и высокие эксплуатационные качества.

• Круг этих задач и составил предмет настоящей диссертации. Более подробно их можно сформулировать следующим образом:

-е

I. Проанализировать все возможные конструктивные и функциональные схемы магнитострикционных и магнитоупругих устройств, исходя из нужд станкостроения. Составить их классификацию и наметить оптимальную область использования, ф 2. Исследовать статические характеристики магнитострикционных устройств, произвести их аппроксимацию и на ее основе создать методику аналитического расчета. Оценить влияние нелинейностей на работу магнитостриктора в статическом и квазистатическом режиме. Изучить влияние внешних упругих напряжений на работу шгнитострикционных устройств и выработать условия оптимального использования этих напряжений для коррекции магнитострикционных характеристик.

3. Исследовать статические погрешности магнитострикционных устройств. Установить связь между характером температурного поля и температурными ошибками магнитостриктора в случае статического и квазистатического поля. Определить условия полной и частичной компенсации температурных ошибок. Изучить влияние материала сердечника магнитостриктора на величину температурной ошибки.

4. Исследовать динамические характеристики магнитострикцион-^ ных устройств, рассматривая их как элемент системы автоматического управления станком. Составить структурную схему магнитостриктора и определить комплексные коэффициенты передачи отдельных ее составляющих и всего магнитостриктора в целом. Разработать методику расчета переходных процессов магнитострикционных устройств при условии линеаризации их характеристик. Исследовать проблему оптимизации переходных процессов, рассматривая магнитостриктор

Ф как устройство с распределенными постоянными. Оценить влияние нелинейности на характер переходных процессов в магнитострикционных устройствах.

5. Осуществить конструкторские разработки новых магнитострикционных устройств для нужд станкостроения, в частности, устройств

-77. с увеличенным линейным перемещением, с полной компенсацией температурной ошибки, с улучшенными динамическими свойствами, с разгрузкой направляющих и повышенной плавностью перемещений и др.

6. Исследовать возможности применения эффекта угловой магнито-стрикции для отработки угловых перемещений в металлорежущих стан« ках. Исследовать статические и динамические характеристики угловых магнитострикционных устройств и разработать методику их расчета. Проанализировать возможные конструктивные формы угловых магнитострикционных устройств и разработать подобные устройства для станкостроения.

7, Разработать теорию магнитоупругих информационных преобразователей. Найти аналитическое выражение для магнитоупругой чувствительности материала и на ее основе построить методику аналитического расчета магнитоупругих устройств с учетом нелинейности. Вывести общие уравнения магнитоупругого преобразователя. Разработать новые магнитоупругие устройства, предназначенные для работы в системах автоматизации металлорежущих станков.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Михайлов, Олег Павлович

В ы в о д ы . 277

Общее заключение . 281

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненной работы можно сделать следующие вывода:

1. Теоретические и экспериментальные исследования, а также конструкторские разработки новых МО и магнитоупругих устройств показали возможность их широкого применения в станкостроении для обеспечения исполнительных, подналадочных и корректирующих перемещений, для измерения и компенсации внешних воздействий в станках с адаптивным управлением, в станках с программным управлением, в комбинированных автоматических следящих системах высокой добротности, для мшфоподачи инструмента в прецизионных станках, для компенсации температурных деформаций и износа инструмента, для компенсации кинематических ошибок металлорежущих станков и в целом ряде других случаев. При этом Ш и магнитоупругие устройства могут одновременно выполнять функции конструктивных элементов станка и приводных или информационных устройств.

2. Предложенная аппроксимация кривой МО дробно-линейной функцией позволяет произвести аналитический расчет статических характеристик МО устройств с погрешностью, не превышающей 2$. В частности:

- определить величину МО перемещения с учетом магнитной и МС нелинейности и выбрать оптимальное значение намагничивающего поля;

- произвести линеаризацию кривой Ш в функции интервала линеаризации, основываясь на методе наилучшего приближения Чебышева, взамен метода наименьших квадратов, что позволяет существенно повысить точность линеаризации;

- выполнить гармонический анализ низкочастотных МС колебаний при постоянном подмагничивании, определить величину отдельных гармоник и коэффициента нелинейных искажений;

- решить задачу синтеза МС колебаний при заданной амплитуде первой гармоники и минимальном коэффициенте нелинейных искажений!

3. При расчете МО устройств необходим© учитывать влияние внешних упругих напряжений, которое зависит от порядка нагружения и намагничивания магнитостриктора. Правильно выбранное предварительное нагружение МС устройства позволяет увеличить рабочее перемещение при том же значении намагничивающего поля. Элементы, выполненные из материала с отрицательной МС, должны быть подвергнуты предварительному растяжению, а элементы с положительной МС - сжатию. Максимальное увеличение МС перемещения может при этом составить 50$.

Изменение величины МС под нагрузкой после намагничивания позволяет частично компенсировать упругую деформацию магнитостриктора и тем самым повысить его жесткость.

Предельная (критическая) нагрузка на единицу поперечного сечения сердечника, которую может преодолеть МС устройство, определяется произведением модуля упругости на МС насыщения материала. £ пределах этой нагрузки возможно регулирование перемещения при постоянстве силы или регулирование силы при постоянстве перемещения.

Ш устройства представляют собой элемент с регулируемой жесткостью, которая может изменяться от естественной жесткости стержня до бесконечно большой жесткости и даже иметь отрицательную жесткост!

4. Основным источником погрешностей Ш устройств является линейное расширение сердечника при нагревании, которое вызывает появление аддитивной погрешности. ш При температурах ваше "критической" температурное расширение превосходит магнитоетрикционное перемещение и работа МС устройства в режиме с постоянным нулевым положением становится невозможной. Величина критической температуры для МС материалов не превосходит нескольких градусов, что требует жесткой стабилизации температурного режима.

Наиболее простым и действенным способом уменьшения температурной погрешности является кинематическая компенсация, которая заключается в использовании дифференциальной схеш магнитоетриктора со звеньями, выполненными из материалов, имеющих МС различного знака. Для полной компенсации отношение температур отдельных звеньев долж но быть обратно пропорционально отношению коэффициентов линейного расширения.

Решение уравнения теплопроводности для полого цилиндра с щ>ае

• выми условиями третьего рода показало, что отношение температур стакана и стержня в броневом магнитострикторе при статическом режиме не зависит от интенсивности нагрева и определяется только коэф фициентом теплоотдачи на наружной поверхности и разностью диаметров стакана и стержня. Для температурной компенсации стержневых магнито-стрикторов необходимо изменять тепловыделение в катушках прямо пропорционально требуемому отношению температур.

Нестационарную температурную ошибку магнитоетриктора можно уменьшить предварительным прогревом. Решение неоднородного уравнения теплопроводности для полого цилиндра позволило найти изменение температурного поля магнитоетриктора во времени и, тем сашм, определить необходимое время прогрева, совпадающее с выходом на регулярный тепловой режим, при котором отношение температур отдельных звеньев становится постоянным. Доя броневого магнитоетриктора это

-.424284.

• время меньше времени установления стационарной температуры и может быть определено по (3-89). В стержневом магнитострикторе сразу наступает регулярный тепловой режим и предварительный прогрев не требуется.

Стабилизация теплового режима после предварительного прогрева может быть получена путем пропускания по бифилярной обмотке двух противоположных токов, сумма квадратов которых поддерживается постоянной.

5. Предложенная структурная схема Ш устройства и порученные уравнения отдельных звеньев этой схемы позволяют определить все основные динамические характеристики магнитостриктора. В частности: ^ - определить ЛАХ магнитострикционных сердечников с распределенными параметрами, которые играют основную роль в переходных процес-^ еах и установить, что для сердечников любой формы они имеют вид логарифмической трапеции с наклоном 3 дб/октаву;

- определить общую ЛАХ всего МС устройства, которая представляем собой ломанную прямую, состоящую из трех участков с наклоном 0 ,

3 и 6 дб/октаву;

- аналитическим способом определить комшексный коэффициент передачи, который в этом случае выражается трансцендентной функцией или в виде отношения двух бесконечных рядов;

- найти оптимальное по быстродействию управление МС устройствами в виде кусочно-постоянной функции с ограниченным числом знакопеременных импульсов и определить моменты переключения с учетом

Ш распределения напряженности поля по сечению МС сердечника.

При больших управляющих воздействиях расчет переходных процессов в Ш устройствах необходимо вести численными методами с учетом 1 магнитострикционной и магнитной нелинейности, которую удобно ввести в расчетные формулы в виде дробно-линейной зависимости»

6» Разработка и исследование конструкций Ш устройств для металлорежущих станков подтвердила справедливость теоретических разработок автора, а также показала высокие эксплуатационные свойства магнитострикторов. В частности:

- МО компенсатор износа алмазного карандаша обеспечил регулируемую подачу в пределах от 0,12 до 1,1 мкм/сек. в пределах до 7,5 мкм с погрешностью не превышающей 1%;

- стержневой МС регулятор положения валков стана для плющения часовых волосков обеспечил стабильное положение валков с уходом от заданного значения не более 0,15 мкм за 4 часа непрерывной работы;

- МС опоры, предложенные автором, обеспечивают долемикронные перемещения в одном или двух направлениях, не предъявляя повышенных требований к качеству направляющих;

- исследование методов увеличения 1С перемещений (телескопические системы, гидравлические и механические рычаги, шаговые устройства с гибким сердечником) показало возможность использования МС устройств для получения существенных перемещений, измеряемых сотнями мищюн;

- предложенные автором МС биметаллические исполнительные устройства, могут обеспечить очень большие перемещения, однако область их применения ограничивается малыми нагрузками и необходимостью стабилизации теплового режима.

7. Для отработки малых угловых перемещений в станкостроении целесообразно использовать эффект угловой Ш, заключающийся в закручивании МС стержня, помещенного в продольное и циркулярное магнитное поле. Характеристику углового Ш устройства удобно выразить

-А26 в функции максимального угла поворота и соответствующего продольного поля. Предложенная формула хорошо совпадает с данными эксперимента и может быть линеаризована на основе метода наилучшего приближения.

Предварительное продольное нагружение рабочего стержня, согласованное по знаку со знаком МС, увеличивает угловую МС. Максимальное увеличение составляет 50$. Предварительное закручивание уменьшает угловую Ш. Максимальное уменьшение при сильном закручивании составляет 25$. Крутящий момент, приложенный после намагничивания, также уменьшает угол за!фучивания. Максимальное значение нагрузки на угловой магнитостриктор можно определить через критическое касательное напряжение, которое есть произведение модуля сдвига на угловую МО насыщения.

Основные геометрические размеры углового магнитостриктора- дли* на и диаметр стержня - однозначно определяются произведением номинального угла закручивания на требуемую жесткость*

Важнейшим преимуществом угловых магнитострикторов является мала/ ^ температурная погрешность, поскольку рабочее перемещение и температурная деформация происходят во взаимно-перпендикулярных плоскостях,

Суммарная приведенная погрешность углового магнитостриктора, определенная экспериментально, равна 0,4$. Угловые магнитострикто-ры могут быть применены для коррекции кинематических ошибок металлорежущих станков, в качестве исполнительных элементов гидроавтоматики, в качестве силового дискретного привода с малым углом поворота. г /

Используя простейшие рычажные или кулачковые механизмы, угловую МС можно преобразовать в линейную и получить увеличенные перемещения при небольших габаритах МС устройства.

8. Магнитоупругий эффект, заключающийся в изменении намагниченности ферромагнетика при возникновении упругих напряжений, позволяет построить весьма эффективные преобразователи с механическим входом и электрическим выходом, которые могут быть использованы в системах автоматизации металлорежущих станков. Основным достоинством магнитоупругих преобразователей является высокая мощность выходного сигнала.

Аппроксимируя кривую намагничивания дробно^линейной функцией (7-11), можно найти проетое выражение для магнитоупругой чувствительности (7-14), учитывающее нелинейность магнитоупругого эффекта Коэффициенты аппроксимирующей формулы являются линейными функциями от упругих напряжений. Полученные расчетные формулы хорош© совпадают с данными экспериментов.

Оптимальное намагничивание, обеспечивающее максимум абсолютной магнитоупругой чувствительности, может быть определено по формуле (7-15) или (7-16). При всех нагрузках это поле значительно меньше поля насыщения. По мере перехода к высшим гармоникам абсолютная магнитоупругая чувствительность уменьшается, а относительная возрастает примерно пропорционально номеру гармоник.

В станочной электроавтоматике нужны магнитоупругие преобразователи, работающие при небольшом усилии, но сохраняющие большую мощность выходного сигнала. Простейшими способами уменьшения рабочих усилий является уменьшение сечения сердечника, применение рычажной передачи или магнитоэлаетичных сердечников. В последнем случае сердечник выполняется из смеси ферромагнитного порошка с эластичным диэлектриком и имеет малую жесткость.

Значительное уменьшение усилий может быть получено при создании магнитоупругого биметалла-спая двух пластинок, выполненных из материалов с различным знаком МС, работающего на изгиб« Наилучшими магнитоупругими евойетвами обладает "нормальный биметалл", в котором толщина слоев обратно пропорциональна корню квадратному из отношений модулей упругости«

Дробно-линейная аппроксимация кривой намагничивания позволяет определить магнитоупругую чувствительность и в случае биметалла« Нелинейность магнитоупругих свойств сказывается в том, что при малом поле характеристики биметалла имеют четный, а при большом поле нечетный характер. Это обстоятельство подтверждено экспериментом на биметаллической пластинке никель-пермендюр. Температурная ошибка магнитоупругого биметалла невелика и составляет по экспериментальным данным не более 0,25% на 1°С.

Разработка и исследование нескольких магнитоупругих преобразователей, содержащих одну магнитоупругую биметаллическую пластинку или пакет пластинок, показала целесообразность использования их в качестве элементов автоматизации станков«