Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Магнитострикционные и магнитоупругие устройства и их применение в станкостроении. Магнитострикционные эффекты и юс краткая характеристика
Магнитострикционные материалы 14
Классификация магнитострикционных и магнитоупругих устройств . 18
Применение магнитострикционных и магнитоупругих устройств в станкостроении 23
Глава 2, Статические характеристики магнитострик ционных устройств с линейным перемещением. Аналитическое определение характеристики холостого хода 37
Нелинейность нагнитосїрикционной характеристики Нелинейные искажения при синусоидальном управлении 45
Силовые характеристики магнитострикционных устройств 54
В ы в о д ы 64
Глава 3. Погрешности магнитострикционных устройств и методы их компенсации. Температурная погрешность магнитострикционных устройств 68
Кинематическая компенсация температурной погрешности , 71
Нестационарная температурная погрешность 86
324. Компенсация температурной погрешности за счет применения инварных сталей 98
В ы в о д ы 100
Глава 4. Динамические характеристики магнитострикционных устройств с линейным перемещением. Структурная схема магнитострикционного устройства... 105
Элементы структурной схемы 109
Коэффициент передачи магнитострикционных устройств.. 130
Оптимизация переходных процессов в магнитострикцион ных устройствах , 136
Переходные процессы в магнитострикционных устройствах с учетом нелинейности 145
В и в о д ы , І5Ї
Глава 5» Новые магнитострикционные устройства для линейных перемещений в металлорежущих станках. Магнитострикционные компенсаторы микроперемещений 155 Магнитострикционный регулятор положения валков станка для плющения часовых волосков 161
Магнитострикционные опоры 168
Телескопические магнитострикционные устройства 174
Магнитострикторы с механическими и гидравлическими рычагами. Магнитострикционные устройства с перехватами « 178
Магнитострикционные биметаллические устройства 187
В ы в о д ы * 196
Глава 6. Угловые магнитострикционные устройства. Эффект угловой магнитострикции 200
Характеристики угловых магнитострикционных устройств 204
3. Погрешности угловых магнитострикторов 215
4. Конструктивные формы угловых магнитострикциошшх
устройств 221
В ы в о д ы 228
Глава 7. Магнитоупругие устройства автоматизации станков.
1. Физические основы магнитоупругого эффекта *. 231
2. Основные виды магнитоупругих преобразователей 235
3. Некоторые вопросы теории магнитоупругих преобразователей * 243
4. Магнитоупругие устройства автоматизации станков . 255
5. Магнитоупругий биметалл 262
6. Использование магнитоупругих преобразователей для исследования нагрузок станков в производственных условиях 274
- Магнитострикционные материалы
- Нелинейность нагнитосїрикционной характеристики Нелинейные искажения при синусоидальном управлении
- Кинематическая компенсация температурной погрешности
Введение к работе
В условиях научно-технической революции остро ощущается необходимость в создании новых устройств, анпаратов и приборов, обла дающих улучшенными характеристиками и повышенными эксплуатационными свойствами. В 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 настоящего времени мало или совершенно не применялись на практике, При этом физические явления часто находят неожиданные, нетривиальные технические применения. Важность этого обстоятельства подчеркива» ется тем, что с выходом на международную арену от продукции нашего машиностроения требуется не только высокое качество, но и новизна технических решений.
К числу таких достаточно известных физических эффектов можно отнести эффект магнитоетрикций, который заключается в изменении размеров ферромагнитных тел при намагничивании, Магннтоетрикцйон » вне эффекты (они отличаются способом создания магнитного поля и характером получаемых перемещений) были открыты в первой половине прошлого столетия. Однако до настоящего времени они имели узкоспециализированное использование в промышленности, главным обра » зом в области ультразвуковой техники, где магнитострикционные преобразователи работают в режиме резонанса.
Вместе с тем магнитострикционные устройства могут обеспечить преобразование электрической энергии в механическую и в нерезонан-сном режиме» Специфика такого преобразования заключается в малости перемещения при большой механической силе. Если раньше малые перемещения, измеряемые микронами или даже долями микрона, почти m использовались в технике, то в настоящее время картина резко изменилась. Сейчас во многих областях техники имеются детали» доиуек на которые не превышает один микрон. Получить такие перемещения традиционными механическими или электромеханическими способами чрезш- " чайно трудно, а подчас даже невозможно.
Задача может быть решена путем использования эффекта магните » стрикации. Магнитострикидонные устройства целесообразно исиользен» вать в станках с адаптивным управлением, в качестве исполнительных устройств для коррекции программы в станках с ЧП7, 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 индивиду » ализации 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). Магнитостриктор 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 универсальных и специальных магнитострикционных устройств, способных решить ряд насущных проблем, стоящих перед станкостроением.
другой стороной магнитострикционного эффекта является, так называемый, магнитоуцругий эффект, сущность которого заключается в изменении намагниченности ферромагнетика при возникновении в нем упругих напряжений, Магнитоуцругий эффект используется при создании измерительных преобразователей силы или давления, которые с 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 СГЩ 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 хоро шо сочетаются с бесконтактной логической схемой управления и устраняют 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, магнитоуцругида и тепловыми процессами, происходящими при намагничивании магнитострик-нионных 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 Д.Б.Дмитриева, проведенной в Московском станкоинструментальном институте, и нескольких работ А,И.Блоха и Ю.Г.Хвалова, никаких исследований магнитострикционшх устройств не проводилось Не рассмотрены магнитострикционные устрой ства и в общих трудах по электроприводу или электрическим аппаратам. Несколько лучше обстоит дело с магнитоупругими преобразователями, но и здесь существующие теоретические разработки не могут быть непосредственно использованы в системах автоматического управления металлорежущими станками.
Именно отсутствие теории и методики расчета магнитострикцион-ных и магнитоупругих устройств не позволяет эффективно использо » вать их в станкостроении. Вместе с тем принципиально новый взгляд на возможности применения магнитострикционного и магнитоупругсго эффекта требует и новых конструктивных разработок, позволяющих подтвердить их практическую ценность и высокие эксплуатационные качества.
Круг этих задач и составил предмет настоящей диссертации. Более подробно их можно сформулировать следующим образом:
1. Проанализировать все возможные конструктивные и функциональные схемы магнитострикционных и магнитоупругих устройств, исходя из нувд станкостроения. Составить их классификацию и наметить оптимальную область использования.
2. Исследовать статические характеристики магнитострикционных устройств, произвести их аппроксимацию и на ее основе создать мен тодику аналитического расчета. Оценить влияние нелинейноетей на работу магнитостриктора в статическом и квазистатическом режиме. Изучить влияние внешних упругих напряжений на работу магнитострик ционных 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 магнитострикционных 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 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 с увеличенным линейным перемещением, с полной компенсацией температурной ошибки, с улучшенными динамическими свойствами, с разгрузкой направляющих и повышенной плавностью перемещений ж др.
6. Исследовать возможности применения эффекта угловой магнито-стрикции для отработки угловых перемещений в металлорежущих стан- ках. Исследовать статические и динамические характеристики угловых магнитострикционшх устройств и разработать методику их расчета. Проанализировать возможные конструктивные формы угловых магнито-стрикционных 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.
Магнитострикционные материалы
Проблема материала является основной при конструировании Ж устройств. Простота конструкции и технологии изготовления приводит к тому, что работоспособность всего устройства во многом определяется свойствами и качеством МС материала. В настоящее время МС материалы оцениваются в основном с точки зрения нужд ультразвуковой техники. Такая оценка не соответствует устройствам мякронере-мещений, работающим в нерезонансном режиме и используемым в механизмах станков. Б частности, требование малых потерь отодвигается на второй план, а на первое место выходит требование большого значения относительной МС насыщения и МС восприимчивости» Кроме того, весьма желательно иметь возможно большую линейность МС характеристики. Материалы для этих ЕС устройств должны также обладать достаточно большим модулем упругости для обеспечения высокой жесткости. Разумеется, вопросы стоимости материала также имеют большое значение
Общие характеристики МС материалов приведены в [l 2l] » [1-28] , [1-36 . Кроме того, описание этих материалов имеется в трудах по ультразвуковой технике [l-19j » [l-24] , Гі—25Д и ферромагнетизму [l-4] , [1-12 , [і-ІЗ} .
Наиболее популярным МС материалом является никель. Ш насыщения никеля имеет небольшое значение; А = -35 10 но важно отметить, что никель является одним из немногих материалов, уменьшающих свои размера при намагничивании. Факт этот, не имеющий никако« го значения для техники ультразвука, позволяет скомпенсировать температурную ошибку в дифференциальных № устройствах, имеющих увеличенное перемещение. Более крупным недостатком является низкая индукция насыщения ( Вс= 0»64 тл.З, Во избежание раннего насыщения никелевые участки МС устройства приходится делать очень большого сечения. Никель хорошо обрабатывается, но является материалом мягким и не обладающим достаточной прочностью. Для улучшения МС свойств никелевый сердечник должен быть подвергнут отжигу при температуре 750 800С. Магнитные и механические свойства никеля приведены в нижней строке табл.1-І,
МС свойства проявляются у большинства сплавов никеля с железом .(1-15] , [1-23] , [ 1-29] , [l 3l] , С 1-34] . При этом МС насыщения имеет положительное значение и в широком диапазоне процентного содержания никеля по своей величине соизмерима с МС чистого никеля. Зависимость МС от содержания никеля представлена на фиг.1-4а. Как видно из этого графика нулевая MG соответствует содержанию никеля 30$ и 80%, При содержании никеля более 80$ МС становится отрицательной. Важно отметить, что сплавы с содержанием 35-42$ Nt относятся к инварным сталям, которые, наряду с достаточно высокой МС, обладают чрезвычайно стабильными механическими свойствами и очень малым коэффициентом линейного расширения. Применение подобных сталей позволит создать высокостабильные МС устройства, Техіш ческие данные ге-т сплавов приведены в табл. 1-І,
Хорошими МС свойствами обладают железо-алюминиевые сплавы (альферы) [1-32] , [ 1-35] , В зависимости от содержания алюминия МС изменяется как по величине, так и по знаку (фиг.1-46). Наибольшая величина МС, достигаемая при содержании АІ от 10 до 15% по своему абсолютному значению соизмерима с МС никеля. Однако увеличение МС сопровождается уменьшением модуля упругости, что может отрицательно сказаться на жесткости МС устройств. Альфер обладает несколько лучшими свойствами, чем никель. Индукция насыщения у него, примерно, вдвое выше (1,34тл.). Магнитная проницаемость также больше, чем у никеля. Предел прочности альфера на 45$ выше, чем у никеля. Отжиг этих сплавов производится при температуре 750С в течение 1-2 час. Охлаждение от 750С до 600С производится с произвольной скоростью в печи. Дальнейшее охлаждение от 600 до 250С должно производится со средней скоростью 25С/час и далее с выключенной печью. Подобный ступенчатый отжиг позволяет сущест-венно повысить МС восприимчивость и сдвигает МС насыщения в об- ласть меньших полей. Промышленность выпускает железо-алюмнниевый сплав с содержанием !3t8%A (марки КМ4), технические данные которого приведены в таблице 1-2. Главным преимуществом этих сплавов можно считать низкую стоимость, однако малый модуль упругости и низкое значение МС насыщения делает его малопригодным для применения в системах автоматизации станков.
Высоким значением положительной МС обладают желе з о кобадьтовые сплавы. Зависимость МС насыщения от содержания кобальта представлена на фиг.1-4в. Как видно из графика, абсолютный максимум достигается при 65-70$ и составляет А =90"10, Достаточно высокое значение МС, до As =70 10" , сохраняется при содержании кобальта до 40-45$. Затем МС резко уменьшается. Промышленность выпускает два типа железо-кобальтовых сплавов с содержанием 65$ Со (сплав К65) и 49$ Со с добавкой 2$ ванадия для улучшения обрабатываемости (пермендюр К49Ф2), Оба эти сплава обладают высоким значением модуля упругости и хорошими магнитными свойствами-рекордным значением индукции насыщения Bs =2,4 тл. и достаточно высокой магнитной проницаемостью. При этом сплав К49Ф2 имеет несколько лучшие магнитные, а сплав К65-механические свойства. Низкое электрическое сопротивление и соответственно высокие потери на вихревые токи в сплаве К65 не имеют для наших целей такого решающего значения, как в технике ультразвука.
Нелинейность нагнитосїрикционной характеристики Нелинейные искажения при синусоидальном управлении
Для расчетов МС устройств и построения характеристики холостого хода необходимо иметь графики изменения величины МС при намагничивании без механической нагрузки, Подобные графики называются кривыми магнитострикции. В литературе встречаются кривые МС, построенные в зависимости от намагниченности ( A-/4 J ), напряже] ности магнитного поля (A = X( J ) и,наконец, индукции Д —XCBJ j[.
Кривые А ( ) имеют наибольший физический смысл, поскольку МС зависит именно от величины намагниченности ферромагнетика При некоторых допущениях эти кривые могут быть получены аналитически. Экспериментальное определение их затруднительно, т.к. намагниченность J непосредственному измерению не поддается и для ее определения необходимо измерить индукцию В и напряженность поля. Кривые А (Н) могут быть получены из кривых A ( J ) пере -30 38. счетом по известной величине восприимчивости JC - тг Ї однако их гораздо проще получить экспериментально. Это и определило выбор типа кривой МС в данной работе.
Кривые Л (В) встречаются редко, поскольку и теоретическое и экспериментальное определение их связано со значительными трудностями.
До настоящего времени расчеты ІЙС устройств производятся только графическим способом, поскольку отсутствует аналитическое выражение кривой МС.
Вместе с тем весьма заманчиво подобрать эмпирическую формулу, которая позволила бы исключить графические преобразования и получить возможность аналитического расчета МС устройств.
Обработка большого числа экспериментальных данных по критериям выбора эмпирических формул [2-Ю] показала» что наилучшее приближение во всех случаях дает дробно-линейная зависимостьНа фиг.3-І представлены графики кривых МС никеля, построенные в координатах ( , Н ) по данным различных авторов. Как видно, все экспериментальные точки лежат достаточно близко к прямым линиям, что подтверждает правильность выбора эмпирической формулы,
В таблице 2-І приведены результаты расчета кривых № по эмпирической формуле вида (2-І) и сравнение ее е результатами эксперимента. В каждом случае определение параметров "а" ж "в" формулы
Важное значение имеет выбор рабочей точки на характеристике холостого хода. Обычно стремятся выбирать рабочую точку на перегибе кривой МС, т.е. работать в области близкой к насыщению. Естественно, что при этом длина МС сердечника становится минимальной, либо, если длина сердечника задана, получается максимальное перемещение.
Можно также связать выбор рабочей точки с минимальным значением намагничивающих ампер-витков, и, следовательно, минимальными габаритами намагничивающей катушки МС устройства. Это тем более важно, что объем намагничивающей катушки часто превосходит объем МС сердечника.
Из (2«?) и (2-І) получим, что намагничивающая сила на единицу магнитострикционного перемещения линейно возрастает при уэели-чении напряженности магнитного поля.
Из этого следует, что для получения минимального объема МС устройства необходимо выбирать максимально возможную.длину сердечника и работать с малыми значениями намагничивающего поля.
Кинематическая компенсация температурной погрешности
Погрешности MC устройств связаны с магнитострикционшм и магнитным гистерезисом, магнитной вязкостью, нестабильностью источника питания и изменением температурного режима магнитострикто— ра. Наибольшее значение имеет температурная погрешность. Большой температурный дрейф затрудняет использование МС устройств в прецизионных станках и машинах. Ошибки гистерезиса почти полностью устраняются тщательным отжигом сердечников, что подтверждается успешной эксплуатацией многочисленных приборов и аппаратов с ма ь нитными сердечниками. Экспериментальные данные, относящиеся к МС материалам, показывают весьма малую ошибку гистерезиса.
Температурная погрешность зависит от режима работы и конструкции Ж! устройства, которые не имеют аналогии с другими исполнительными устройствами.
В связи с этим, в данной главе изучается только температурная погрешность МС устройств, и основное внимание уделено методам ее компенсации.
Температурная погрешность связана как с температурной деформацией отдельных элементов МС устройства, так и с изменением ЪЮ материала при нагреве. Анализ показывает, что первая причина имеет основное значение. Для ее устранения предлагается использовать кинематическую компенсацию температурной ошибки, при которой тепловые деформации отдельных элементов взаимно исключаются. Рассматриваются условия такой компенсации в стационарном и нестационарном режиме.
Кроме того, изучается вопрос о возможности уменьшения температурной ошибки за счет применения МС материалов с малым коэффициентом линейного расширения
Вопрос о температурной погрешности встает тогда, когда необходимо иметь стабильное положение исполнительного органа Ш устройства. Температурная погрешность может быть обусловлена двумя причинами,
1. Изменением температуры окружающей среды.
2, Изменением температуры деталей магнитостриктора, вызванным нагревом намагничивающей катушки.
Можно считать, что основная погрешность вызывается нагревом катушки, поскольку изменение внешней температуры происходит достаточно медленно и сказывается на всех деталях станков и машин, В связи с этим в дальнейшем мы будем учитывать только погрешности, вызванные внутренним тепловыделением магнитостриктора.
Рассмотрим стержень длиной о , выполненный из МС материала и закрепленный одним концом. При пропускании тока через намагничи вающую катушку стержень будет нагреваться и цри этом конец его по лучит дополнительное перемещение где ос - коэффициент линейного расширения, превышение температуры стержня над температурой окружающей среды. Значения коэффициента линейного расширения в диапазоне температур от 0 до I0GC для материалов, применяемых в Ю устройствах приведены в таблице 3-І. Как видно, температурное расширение весьма велико и может значительно превышать рабочее Ш перемещение.
Можно ввести понятие об относительной температурной ошибке под которой следует понимать отношение температурной деформации стержня при нагреве на I градус к МС деформации при насыщении.
Величина, обратная относительной ошибке, может быть названа критической температурой, при которой МС деформация полностью "съе-дается" тепловым расширением:
Значения к и лЛ для различных материалов приведены в табл. 3-І и графически представлены на фиг.3-І, где горизонтальные линии изображают собой магнитострикционное перемещение, а прямые, выходящие из начала координат, температурную деформацию. Критическая температура изображается точкой пересечения горизонтали с наклонной прямой.
Наименьшей температурной ошибкой обладает пермендюр К 65 ( ДХ = 0,117), но и у него при нагреве стержня всего на 8,5С температурная ошибка становится равной рабочему МС перемещению.
Чтобы уменьшить температурную погрешность до значения Р % от максимального рабочего перемещения, необходимо поддерживать температуру с точностью до
При желании ограничить температурную погрешность значением 2-3$ необходимо даже при применении пермендюра поддерживать температуру МС стержня с точностью (0,І7 0,25)С, в случае никеля допустимое отклонение температуры уменьшается до значения {0,0&fO,08)GC.
Совершенно очевидно, что подобные жесткие требования к стабилизации температура весьма трудно осуществимы на практике, и поэтому необходимо искать другие методы устранения температурной ошибки.
Следует также отметить, что, кроме непосредственного температурного изменения длины деталей магнитостриктора, происходит изменение самого МС эффекта.
Согласно исследованиям Н.С.Акулова [1-і] , МС насыщения линейно зависит от температуры; где G - температура Кюри, Л МС насыщения при температуре 0К. При температуре Кюри линейная МС уменьшается до нуля. Эта зависимость достаточно хорошо подтверждается экспериментальными дан-нш/щ. На фаг.3-2 представлен график изменения МС насыщения никеля, составленный Л.В.Киренским Гз—17 Л по данным нескольких авторов (верхняя прямая). Из этого графика можно найти изменения МС насыщения при изменении температуры на I градус. Для никеля эта величина составит AAS = ІО ІСГ8 І/град.
Изучение температурной зависимости магнитострикции насыщения железо-никелевых сплавов было предпринято в [3-35] , [3-36] .
На основе графиков, приведенных в этих работах, можно получить данные, представленные в табл. 3-2.
Для практических целей более важное значение имеют данные об изменении МС при частичном намагничивании. На той же фиг. 3-2 представлены графики температурной зависимости МС, построенные по измерениям А.Я.Власова [3-ю] , в диапазоне полей от 40 до 390 а/см.
