DriveCraft – Beröringsfri momentmätning Examensarbete Avdelningen för Industriell Produktion vid Lunds Tekniska Högskola har sedan ett tiotal år tillbaka ett samarbete med Gluetec AB i Sorsele rörande en teknik för beröringsfri momentmätning. Gluetec är idag leverantörer av noggranna momentgivare baserade på trådtöjningsgivare till bl.a. Atlas Copco. Företaget har för avsikt att utöka sitt teknikområde till att även innefatta produkter som kan mäta vridmoment på roterande axlar. Sedan några år tillbaka har samarbetet mellan högskola och företag intensifierats i ett forskningsprojekt med namnet DriveCraft som har som syfte att driva tekniken från lovande experiment till väl fungerande prototyper som kan utvecklas till produkter. Projektet är formellt nyligen avslutat med framgångsrika resultat, men då det fortfarande finns några olösta problem samt två halvfärdiga prototyper; en skärkraftsgivare för verktygsmaskiner samt en momentsensor monterad på drivaxeln i en Porsche, så fortlöper projektet tills vidare. Tekniken bygger på amorfa magnetoelastiska band som etsas till önskad form, magnetbehandlas och limmas på axeln. När axeln vrids uppstår töjningar i bandmaterialet som ändrar dess magnetiska egenskaper, vilket möjliggör beröringsfri momentmätning genom att en eller flera spolar placeras över bandet. Via spolarna biaseras bandet till önskad magnetisk flödestäthet och exciteras med en högfrekvent signal som används för att avläsa aktuellt moment med god precision och med mycket hög bandbredd. Systemet arbetar i resonans och momentsignalen avspeglas både som fas- och amplitudförändringar hos den uppmätta signalen. Användningsområdet för den här typen av momentgivare, som kombinerar billig tillverkningskostnad med extrem prestanda och fungerar på så väl statiska som roterande axlar är enormt. Detta betyder att mätområdet måste täcka moment från mNm till kNm för en given axeldimension, med god noggrannhet över hela spannet. I projektet har det verifierats att givarprincipen klarar att mäta moment upp till axeln plasticeras utan att signalen påtagligt mättas. Likaså är det känt att känsligheten för de amorfa materialen är flera tiopotenser högre än för trådtöjningsgivare som idag används för att mäta relativt små signaler. Under projektets gång har det tagits fram två olika mätsystem som båda fungerar mycket bra för stora och medelstora töjningar, men som tillför brus till mätsignalerna, vilket ställer till det vid mätning av små moment på styva axlar. Filtrering av de brusiga mätningarna visar att signalerna finns där, men innebär att bandbredden kraftigt försämras. Givarnas minimala storlek, vilket innebär en obetydlig påverkan av dynamiken för systemet som ska mätas på, i kombination med den enorma bandbredden gör det möjligt för LTH att inta en världsledande ställning inom skärkraftsmätning (inom fräsning, svarvning mm), förutsatt att signal-till-brusförhållandet kan förbättras till motsvarande nivå som kan uppnås med trådtöjningsteknik. • • Examensarbetet handlar i första hand om att utvärdera och hitta en eller flera mätprinciper som erbjuder bra SNR för de amorfa momentgivarna vid små signalnivåer. Godtagbar onoggrannhet innebär i storleksordningen +-10 mNm, gärna bättre, på en 40mm stålaxel, med en bandbredd på minst 50 kHz vid ett mätområde av +-10Nm. Mätsystemet måste även kunna hantera termisk drift och inte störas ut genom yttre påverkan. Intressanta mätprinciper testas genom att koppla upp eller tillverka ett system för att verifiera metoden på en skärkraftsgivare, monterad på en fräs i Industriell Produktions verkstad, vars signaler kan jämföras mot kommersiella piezo-elektriska mätsystem för kraft eller vridmoment. Till detta hör även nödvändig signalbehandling av uppmätt rådata för att kompensera för temperatur, olinjäriteter, eventuell varvtalsstörning pga. onoggrann limning, mm. Även kombinering och synkronisering av olika mätsystem för att få ut maximal information om processen är av intresse, liksom tänkbara metoder för att med samma teknik mäta böjkrafter på den roterande axeln. Det slutgiltiga målet är att få skärkraftsgivaren i så bra skick att den ska kunna användas för världsledande forskning inom skärande bearbetning. Den enorma känsligheten för givarmaterialet får betala priset i form av hög känslighet för yttre magnetfält, något som varit ett stort bekymmer, men som genom systematiskt arbete har lett fram till en fungerande lösning. Genom att reglera biasströmmen så att ett konstant magnetfält erhålls i bandet kan störningsproblemen regleras bort. I mån av tid kan en förfinad lösning för att mäta och reglera magnetfältet vara en bra utmaning, som ytterligare ett steg mot den perfekta givaren. Forskningsprojektet är väldokumenterat och handledning finns att tillgå både på LTH och från Gluetec, som båda har stort intresse i ett bra samarbete och ett lyckat resultat. Examensarbetet lämpar sig för 1-2 personer och kan påbörjas omgående eller enligt ö.k. Arbetet innebär att du blir en del av forskarteamet och passar dig med kunskaper inom elektrisk mätteknik, gärna med viss insyn inom EMC och störningsbegränsning. Kunskaper inom LabView är nödvändigt för att kunna sätta sig in i det som gjorts tidigare och som med fördel även används som programspråk för testning och validering av mätprinciper. Även grundläggande kunskaper i Matlab är att föredra. Kontakta oss på Industriell Produktion för ytterligare information. Kontaktperson: Kenneth Frogner Tel: 073-83 02 766 E-mail: [email protected]