Теория и расчет магнитострикционных и магнитоупругих устройств автоматизации станков.

• Автор: Михайлов, Олег Павлович
• Шифр специальности: 05.00.00
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1974
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 465 с.

В условиях научно-технической революции остро ощущается необходимость в создании новых устройств, аппаратов и приборов, обладающих 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 подчеркивается 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 магнитострикции, который заключается в изменении размеров ферромагнитных тел при намагничивании. Магнитострикцион-ные 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 образом 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 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-ционными механическими или электромеханическими способами чрезвы- ' чайно 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 исполнительных устройств для коррекции программы в станках с ЧДУ, 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 магнитострикционного эффекта является, так на-зываешй, 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 большим успехом могут заменить тензо» или индуктивные преобразователи. Большая удельная мощность, высокая механическая жесткость, простота и надежность делают магнитоупрутие 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 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
Основой расчета МС устройств является построение статических характеристик. Именно статические характеристики определяют вес и габариты сердечника, необходимую намагничивающую силу и другие важнейшие параметры.
В качестве основных характеристик в данной работе выбраны зависимость МС от намагничивающего тока при отсутствии нагрузки (характеристика холостого хода) и связь между перемещением и приложенной механической силой (механическая характеристика). Сочетание этих характеристик однозначно определяет свойства МС устройств в самых различных режимах.
Основная трудность статических расчетов заключается в нелинейности магнитострикционных и магнитных свойств ферромагнитных сердеч ников. Только в случае удачной аппроксимации статической характеристики возможно построение аналитической теории расчета. Такая аппроксимация должна быть выражена в элементарных формулах, допускающих дальнейшие многочисленные преобразования, .необходимые для инженерных расчетов, и вместе с тем обладать достаточной точностью.
В данной главе делается попытка построения аналитической теории расчета МС устройств на основании простейшей дробно-линейной аппроксимации.
Особое внимание уделено определению нелинейности характеристик при статическом и квазистатическом (синусоидальном) управлении и проблеме оптимальной линеаризации характеристики, которая необходима при анализе систем автоматического управления с МС исполнительными устройствами. Подобная линеаризация производится так, чтобы максимальное отклонение (а не площадь) между характеристикой и линеаризирующей прямой было минимально, что отвечает условиям