Устройство для определения силы микрорезания

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛЫ МИКРОРЕЗАНИЯ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Устройство для определения силы микрорезания, содержащее режущий инструмент,выполненный в виде диска с закрепленным на нем абразивным зерном, выполненным с возможностью вращения, который кинематически связан с механизмом задания скорости резания и механизмом поперечной подачи режущего инструмента в направлении, перпендикулярном скорости резания держатель разрезаемого изделия, установленный в верхней части маятника, содержащего стержень, массу, установленную на стержне в нижней части маятника, и шарнир, закрепленный на корпусе устройства, датчик положения маятника,отличающееся тем, что датчик положения маятника выполнен с использованием элемента Холла, который размещен неподвижно под нижним концом маятника и связан по маг Фиг. 1 17298 1 2013.06.30 нитному полю с двумя миниатюрными постоянными магнитами, установленными на нижнем конце маятника, которые соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно пластине элемента Холла, а в верхней части маятника в плоскости его колебаний размещен удлиненный цилиндрический магнит, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии катушки с витками, которая неподвижно закреплена в корпусе устройства и через измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока, к которому подключена плата обработки и усиления сигнала с элемента Холла закрепленный на неподвижной планке ролик и тарированные съемные грузы для калибровки устройства. Заявляемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерения силы микрорезания, и может быть использовано для разрезания миниатюрных элементов, сформированных методами микроэлектроники и наноэлектроники. Из уровня техники известно устройство 1 маятникового типа. Режущий инструмент(абразивное зерно), закрепленный на маятнике, разгоняют с помощью ускорителя в виде пружины до заданной скорости резания до контакта с образцом, закрепленным на подвижном устройстве, которым служит каретка на колесиках. С помощью фотоэлемента и электронного реле времени измеряют величину поступательной скорости, приобретаемую образцом под действием силы микрорезания, и длину реза. Используя полученные величины, определяют силу микрорезания из условия равенства импульса силы и изменения количества движения подвижного устройства с образцом. Недостатком этого устройства является низкая точность измерений из-за сил трения колесного подвижного устройства. Наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в 2, также маятникового типа (прототип). Устройство содержит режущий инструмент, в данном случае абразивное зерно, который закреплен на диске, выполненном с возможностью вращения,причем диск разгоняют при помощи ускорителя до заданной скорости резания. Для контакта с образцом резания, закрепленным на держателе и установленным на маятнике, режущему инструменту сообщают поперечную подачу (в направлении, перпендикулярном скорости резания). В момент прохождения абразивного зерна над образцом происходит единичный акт микрорезания. Импульс силы микрорезания передается через образец на маятниковое устройство, состоящее из держателя маятника, стержня, массы и шарнира. Под действием силы микрорезания маятник отклоняется на соответствующий угол, величину которого измеряют при помощи фотоэлемента, также измеряют длину реза на образце. Основным недостатком прототипа является низкая точность измерения силы резания. Величина силы резания не является постоянной величиной и имеет динамику изменения. По углу отклонения маятника можно судить только об усредненной характеристике силы микрорезания и нельзя определять мгновенных ее значений. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерения силы микрорезания. Для решения поставленной задачи предлагается следующая конструкция устройства. Устройство для определения силы микрорезания содержит режущий инструмент, выполненный в виде диска с закрепленным на нем абразивным зерном, выполненным с возможностью вращения, который кинематически связан с механизмом задания скорости резания и механизмом поперечной подачи режущего инструмента в направлении, перпендикулярном скорости резания держатель разрезаемого изделия, установленный в верхней части маятника, содержащего стержень, массу, установленную на стержне в нижней части маятника, и шарнир, закрепленный на корпусе устройства, датчик положения маятника. Оно отличается тем, что датчик положения маятника выполнен с использованием элемента Холла, который размещен неподвижно под нижним концом маятника и связан по 2 17298 1 2013.06.30 магнитному полю с двумя миниатюрными постоянными магнитами, установленными на нижнем конце маятника, которые соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно пластине элемента Холла, а в верхней части маятника в плоскости его колебаний размещен удлиненный цилиндрический магнит, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии катушки с витками, которая неподвижно закреплена в корпусе устройства и через измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока, к которому подключена плата обработки и усиления сигнала с элемента Холла закрепленный на неподвижной планке ролик и тарированные съемные грузы для калибровки устройства. По мнению авторов, устройство содержит ряд новых элементов, позволяющих реализовать значительное повышение точности измерения и проводить измерения силы микрорезания в динамике. Анализ предлагаемого решения и известных показывает, что конструкция датчика позволяет осуществить компенсационный принцип измерения, что и позволяет повысить точность измерений, в том числе мгновенных значений силы микрорезания, а именно выводы катушки через измерительный резистор подключены к регулируемому источнику тока, который регулируется платой обработки и усиления сигнала с элемента Холла, и поэтому ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле, силовым образом воздействующее на удлиненный цилиндрический магнит, таким образом оно удерживает маятник в одной точке над элементом Холла, соответствующей переходу индукции магнитного поля, вызванного полюсами двух магнитов, расположенных в нижней части маятника, через нуль. Сигнал снимается с измерительного резистора. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 представлена механическая схема функционирования устройства. На фиг. 2 изображено распределение нормальной составляющей индукции магнитного поляот двух постоянных магнитов, размещенных на нижнем конце маятника вдоль оси колебанийпри расстоянии до датчика Холла 1,0 мм. Длина, ширина и высота магнитов равна 5 мм. Магниты - марки 5 с удельной энергией 20. Координата 0 точка перехода индукции магнитного поля через нулевое значение, т.е. (0)0 (точка устойчивого равновесия маятника). Рабочая область возможных колебаний маятника находится вблизи точки 0 и не выходит за область линейности функции . На фиг. 3 - приведена электронная функциональная схема устройства. При этом ЭДС,снимаемая с датчика Холла , подается на операционный усилитель 1, выход которого подключен к регулируемому источнику тока (усилителю мощности на транзисторах 1 и 2). Устройство содержит режущий инструмент, содержащий абразивное зерно 1, которое закреплено на диске 2, выполненном с возможностью вращения, который кинематически связан (например, посредством муфты 3) с механизмом задания скорости резания 4 (электродвигателем) и механической поперечной подачей режущего инструмента (не показан,аналогично, как в прототипе) в направлении, перпендикулярном скорости резания, образец для резания 5 размещен на держателе 6, который установлен в верхней части маятни 3 17298 1 2013.06.30 ка, содержащего легкий стержень 7, массу 8, установленную на стержне 7 в нижней части маятника, и шарнир 9, закрепленный на корпусе 10. Датчик положения маятника выполнен с использованием элемента Холла 11, который размещен неподвижно под нижним концом маятника на плате обработки и усиления сигнала 12 с элемента Холла, и находится в связи по магнитному полю с двумя миниатюрными постоянными магнитами 13 и 14,установленными на нижнем конце маятника, которые соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно пластине элемента Холла 11, а в верхней части маятника в плоскости его колебаний размещен удлиненный цилиндрический магнит 15, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии катушки с витками 16(целесообразное число витковтонкой медной проволоки от 1000 до 3000), которая закреплена в корпусе 10 неподвижно и через измерительный резисторподключена к регулируемому источнику тока, который регулируется платой обработки и усиления сигнала с элемента Холла 12, ролик 17, закрепленный на неподвижной планке 18, и тарированные съемные грузы 19 с массамидля калибровки устройства. Устройство работает следующим образом. Вначале устройство калибруется следующим образом. В отсутствие процесса микрорезания выходной сигнал , снимаемый с измерительного резистора , соответствует величине, установленной при калибровке датчика на горизонтальном стенде, и без ограничения общности можно считать вых(0)0, а маятник находится над элементом Холла 11 в точке(точка устойчивого равновесия маятника, которая соответствует переходу индукции магнитного поля через нулевое значение,т.е. (0)0, в противном случае, при наличии постоянного сигнала, его можно компенсировать элементами подстройки на плате 12. Далее на невесомой леске, перекинутой через ролик 17, подвешиваются тарированные съемные грузы 19 с массами , которые воздействуют на держатель 6 с калибрующей силой , которая стремится отклонить стержень 7 маятника. При отклонении маятника от исходного состояния с координатой 0 элемент Холла 11 вырабатывает ЭДС разбаланса , которая подается на операционный усилитель 1, и после усиления, с помощью транзисторов 1 и 2 устанавливается ток комп Таким образом, управляющий ток комп., вырабатываемый платой 12, проходящий через катушку с витками 16, создает магнитное поле, силовым образом воздействующее на удлиненный цилиндрический магнит 15 таким образом, что оно удерживает стержень маятника 7 (после быстрого затухания колебаний маятника) в одной точке с координатой 0 над элементом Холла 11, соответствующей переходу индукции магнитного поля через нуль, по линии смены полюсами двух магнитов, расположенных в нижней части маятника. При этом осуществляется полная компенсация приложенной калибрующей силы. Сигнал, снимаемый с измерительного резистора , как показал эксперимент, пропорционаленв широком диапазоне массгрузов 19. Меняя массы съемных калиброванных грузов 19,устанавливают зависимость выходного сигнала устройства от величины калибрующей силы, которая имитирует силу микрорезания. После окончания калибровки грузы 19 снимают. Процесс определения силы микрорезания следующий. С помощью механизма 4, кинематически связанного с диском 2, последний разгоняется до необходимой скорости резания. Для контакта режущего инструмента 1 с образцом резания 5, закрепленным на держателе 6, режущему инструменту сообщают поперечную подачу в направлении, перпендикулярном скорости резания (механизм подачи не изображен). В момент прохождения абразивного зерна над образцом происходит единичный акт микрорезания. Импульс силы микрорезания передается через образец на держатель 6, и маятник стремится отклониться. При отклонении маятника от исходного состояния с координатой 0 элемент Холла 11 вырабатывает ЭДС разбаланса , которая подается на операционный усилитель 1, и после усиления, с помощью транзисторов 1 и 2 устанавливается ток комп Таким образом, управляющий ток комп., вырабатываемый платой 12, проходящий через катушку с 4 17298 1 2013.06.30 витками 16, создает магнитное поле, силовым образом воздействующее на удлиненный цилиндрический магнит 15 таким образом, что оно удерживает стержень маятника 7 в одной точке с координатой 0 над элементом Холла 11. Сигнал, снимаемый с измерительного резистора , определяет величину силы микрорезания. Сигнал может подаваться на соответствующий измерительный прибор, например на запоминающий осциллограф, для определения изменения силы микрорезания со временем (измерения мгновенных значений силы микрорезания). Таким образом, обеспечивается значительное повышение точности измерения, в том числе мгновенных значений силы микрорезания. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. А.с.1242730, МПК 01 1/04, 1986. 2.2105960, МПК 01 1/04, 1998 (прототип). Фиг. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5