Применение магниторезистивных датчиков для
диагностики режущего инструмента
в металлообработке
В.А. Синопальников,
к.т.н.,
проф.,
П.А.
Никишечкин,
бакалавр,
petrnikishechkin@gmail.com,
МГТУ «Станкин», г. Москва
Статья посвящена
исследованию явлений, возникающих в процессе резания, влияющих на увеличение износа
инструмента, а также разработке нового метода диагностики режущего инструмента
с использованием магниторезистивных датчиков.
The article describes the effects, that appearing in cutting process in
case of its impact on increasing tool wear. Also developed new method of
diagnosis cutting tool with using the magnetoresistive sensors.
В
современной металлообрабатывающей промышленности доминируют мелкосерийное и
серийное производства. При обработке на станках с ручным управлением оператором
контролируются параметры обрабатываемой детали. Однако такой контроль над
параметрами детали не может быть реализован на автоматизированном оборудовании,
т.к. доступ к рабочей зоне и к участкам вероятного повреждения станка закрыт.
Действия оператора и его органы чувств заменяет чувствительная
контрольно-измерительная аппаратура.
Станок
можно представить как систему, в функционировании которой в скользящем контакте
резец-деталь и парах трения генерируются электрические сигналы. Использование
этих сигналов в качестве источника информации о рабочем процессе, состоянии
режущего инструмента и детали является весьма перспективным, поскольку
электрические сигналы не требуют преобразования и обеспечивают достоверность
данных. Кроме этого достигается максимальная надежность получения информации.
Задача получения данных о протекании процесса сводится к построению
электрического отображения процесса резания.
Экспериментально
установлено, что в процессе резания вокруг инструмента возникает магнитное
поле, величина и динамика изменения которого зависят от износа режущего
инструмента. Например, появление микротрещин приводит к существенному изменению
магнитного поля. Выявить это появление с помощью использования традиционных
диагностических параметров, таких как силы, вибрации, температуры и т.д.,
невозможно. Таким образом, предполагается использовать напряженность магнитного
поля в качестве диагностического параметра процесса резания.
Магнитные
датчики HMC 1021S, HMC 1021Z, HMC
1021D, HMC 1021Z-RC фирмы HONEYWELL
(США) (рис. 1) отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерять самые
малые изменения напряженности магнитного поля, создаваемого проводником с
током. Любые изменения проводника (его окисление, появление микротрещин и т.д.)
приводят к изменению его магнитного поля. На этом основана диагностическая
система проводников печатных плат и микросхем BDT, разработанная в ИПУ РАН.
рис.
1 Магниторезистивный датчик HMC1022
В настоящее время предлагается два подхода к
магнитной диагностике режущего инструмента.
1.
создавать ток через контакт инструмент-деталь принудительно с помощью
внешнего источника.
2.
использовать токи, которые возникают в материале инструмента в процессе
обработки.
Первый
подход требует принятие мер для изоляции инструмента и детали от металлических
элементов станка. Однако, это позволяет использовать ток различной величины, а также
переменный ток различной частоты и амплитуды.
Второй
подход связан с измерением магнитного поля, создаваемого токами малой величины,
что требует дополнительной аппаратуры для фильтрации помех. Схема электрическая
принципиальная для измерения напряженности магнитного поля вокруг проводника с
током представлена на рис. 2. [1]
Схема
выполнена на базе магниторезистивного датчика HMC1021S и
операционного усилителя AD620. Питается схема стабилизированным
напряжением 5В. На вход S/R+ датчика через емкость С1
подаются импульсы прямоугольной формы частотой 100…200 кГц от генератора,
собранного на базе микросхемы К561ЛА7 (4 элемента ИЛИ-НЕ). Схема генератора
представлена на рис. 9. Резистор R1 на рис. 3 позволяет
плавно регулировать частоту в пределах от 100 до 200 кГц.
рис.
2 Электрическая схема для измерения напряженности магнитного поля
рис.
3 Схема генератора
Выход
операционного усилителя подключен к осциллографу, позволяющему наблюдать
искажения импульсов генератора при приближении проводника с током к
датчику HMC1021S.
В
соответствии со схемой (рис. 2) создан
экспериментальный макет для
измерения магнитного поля, возникающего вокруг режущего инструмента в процессе
обработки. На рис. 4 показан используемый датчик HMC1021S и его
расположение непосредственно на резце.
рис.
4 Эксперимент
Экспериментальные
исследования выявили, что для измерения магнитного поля и нахождения связи
между изменением магнитного поля и износом инструмента чувствительность
датчика, включенного по схеме рис. 8, оказывается недостаточной.
Установлено,
что для повышения чувствительности необходимо увеличивать ток, подаваемый на обмотку
S/R датчика. Подбор частоты генератора (или емкости
С1) для получения резонанса напряжения
позволяет увеличить ток, но схема при этом работает неустойчиво из-за
паразитных емкостей и требует постоянной подстройки.
Для
обеспечения необходимой величины и формы тока на вход S/R датчика лучше подавать
импульсы не непосредственно с генератора через емкость С1 (рис. 3), а через
специальный формирователь импульсов. С этой целью предложена схема измерителя
магнитного поля с формирователем импульсов
SET / RESET, представленная на рис. 5.
Формирователь
импульсов выполнен на полевых транзисторах разной проводимости V2 IRF7105P и V3 IRF7105N. На
вход транзистора V1 KT315Г, используемого в
качестве предусилителя, через резистор R1 10 кОм подаются импульсы
с генератора. Формирователь обеспечивает ток в импульсе до 4 А, подаваемый на
вход S/R датчика HMC1021S.
Форма импульсов тока SET / RESET приведена на рис. 6. Время
полного затухания импульса примерно равно 3 мкс.
рис.
5.Схема измерителя с формирователем импульсов
рис.
6. Форма импульсов тока Set/Reset
Подача
короткого импульса тока SET через катушку SET/RESET
формирует поле, ориентирующее магнитные домены всех пленок датчика в одном
направлении [3]. Эта ориентация доменов переводит датчик в режим максимальной
чувствительности, сохраняющийся до попадания датчика в сильное внешнее магнитное
поле. В результате воздействия сильного магнитного поля (больше 15 … 20 Гаусс)
ориентация магнитных доменов может нарушиться, и датчик перейдет в состояние,
не пригодное для измерений ввиду нулевой чувствительности. Последующий импульс
тока SET возвращает датчик в рабочее состояние.
Эксперименты
показали, что параметры датчика существенно зависят от температуры. Подача отрицательного
импульса тока на катушку SET/RESET позволяет исключить
температурный дрейф элементов моста и внешней схемы обработки сигнала, а также
потерю слабого сигнала на фоне сильных паразитных полей и некоторые другие
нежелательные эффекты [3].
Установлено,
что для измерения магнитных полей порядка 100 микрогаусс требуется величина
тока в импульсе примерно 4 А.
Вторая
встроенная в датчик катушка OFFSET (рис. 2), назначение
которой – при необходимости компенсация любого внешнего магнитного поля, – не использовалась.
При этом вход OFFSET+ датчика оказалось желательно заземлить.
В
процессе экспериментов выяснилось, что чувствительность датчика резко
уменьшается с увеличением длины проводов, соединяющих его с операционным
усилителем. Следовательно, датчик лучше располагать на станке вместе с
усилителем; при этом количество проводов, подводимых к станку, остается тоже.
Датчик
начинает реагировать на магнитное поле при токе в материале резца не менее 2 А.
Величина тока, возникающего в процессе обработки, оказывается недостаточна. Ток
такой величины можно получить только с помощью дополнительного внешнего
источника. Следовательно, необходимо обеспечить изоляцию инструмента и детали
от элементов станка. Величина напряжения источника при этом значения не имеет и
мощность источника, таким образом, может быть небольшой – порядка 10 Вт.
Эксперименты,
выполненные в МГТУ «СТАНКИН», показали, что разработанная схема (рис. 5) позволяет
выявлять магнитные поля, возникающие вокруг инструмента. Дальнейшие
исследования необходимы с целью выявления зависимости величины магнитного поля
от износа инструмента.
Литература
1.
Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. Учеб. Пособие для
вузов. М., «Высшая школа», 1974. – 587 с.
2.
Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика
технологических систем. Учебник. – М.: Высшая школа, 2005. – 343 с.
3.
Маргелов А. Магниторезистивные
датчики положения компании Honeywell. CHIP
NEWS / Инженерная
микроэлектроника, № 3,