TECHNIKI POMIAROWE W ZADANIACH PROJEKTOWANIA
MECHATRONICZNEGO
Stosowane techniki pomiarowe:
•
pomiary bezstykowe
(zbliŜeniowe)- słuŜą do pomiaru przemieszczeń
elementów drgających względem obiektów nieruchomych.
Przyrządy laserowe (technika bardzo kosztowna- interferometry), są one
bardzo wygodne w uŜyciu bowiem rejestrują przemieszczenia w ruchu
drgającym z odległości około kilku metrów.
Zakres pomiarowy:
do kilkuset kHz.
Sondy zbliŜeniowe (wiroprądowe, optyczne) . Sondę taką naleŜy umieścić w
znacznie bliŜszej odległości od obiektu drgającego. Np. sondę BENTLY
Nevada umieszczamy w odległości 1
÷
2 mm od obiektu drgającego.
Zakres pomiarowy:
do kilkudziesięciu kHz
•
pomiary bezpośrednie
(stykowe)- polegają na umieszczeniu przyrządu
pomiarowego w sposób trwały na obiekcie drgającym
- idea pomiaru - pomiar przyspieszenia drgań mechanicznych - atrakcyjny z
uwagi na większą czułość mierzonych drgań.
- wymaga rozwiązania wielu problemów związanych z mocowanie czujnika
na obiekcie drgającym.
- masa przyrządu pomiarowego ma wpływ na wynik pomiaru
Sposoby mocowania czujników
- za pomocą płytki magnetycznej- szczególnie zalecany do pomiaru drgań
elementów stalowych
- za pomocą klejów specjalnego przeznaczenia (grupa klejów "Loctite")
- za pomocą wosku- wymaga ono czystej, gładkiej, płaskiej powierzchni
mocowania
- za pomocą połączeń rozłącznych (np. śrubowych) – przyrządy o duŜych
gabarytach
Schemat stykowego pomiaru drgań układu o jednym stopniu swobody
Identyfikacja współczynnika tłumienia w układzie drgającym realizowana w
następujących etapach:
I. Wzbudzenie drgań tłumionych i obserwacja krzywej gaśnięcia
II. Wyznaczenie amplitud w maksimach lokalnych x
1
, x
2
III. Obliczenie współczynnika
IV. Określenie współczynnika
V. Wyznaczenie współczynnika tłumienia
c
k
m
Komputer z kartą pomiarową
Czujnik bezwładnościowy – piezoelektryczny
(mierzy przyśpieszenia masy drgającej) do 20 kHz
Idea:
- uderzenie młotkiem testowym (zadany
warunek początkowy)
- obserwacja drgań na ekranie komputera
W rezultacie:
δ
i
róŜne dla i =1,…,k
Wzmacniacz ładunku – starsze rozwiązania
2
1
ln
x
x
=
δ
π
δ
ζ
2
=
n
kr
m
c
c
ω
ζ
ζ
2
=
⋅
=
Przykład 1. Pomiar drgań swobodnych freza trzpieniowego NOMA 206.016 W-
W (D=16 mm, L=150 mm), zamocowanego nieruchomo w
uchwycie samocentrującym obrabiarki.
Czujnik A
Czujnik B
Frez trzpieniowy
Czujnik A
Czujnik B
VMC FADAL
4020HT
WZMACNIACZE
ŁADUNKU
POMIARU
DRGAŃ
ANALIZY
DRGAŃ
A/C
KOMPUTEROWY
SYSTEM
n
α
, n, f
min
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
Frez1-wykres punktowy; Kanal 1
nr punktu pomiarowego
A
m
p
lit
u
d
a
w
zg
le
d
n
a
Częstotliwość próbkowania: 10 kHz (okres próbkowania
∆
t = 0.0001 s)
(jak często rejestrowany sygnał pomiarowy)
Wzmocnienie:
100
×
Liczba próbek na 1 kanał:
4096
Przyrząd pomiarowy: akcelerometr piezoelektryczny firmy PCB
Typ:
353 A
Czułość:
20 mV/9.81 ms
-2
Masa:
ok. 10 g
Mocowanie: uchwyt magnetyczny
Masa:
ok. 30 g
Wzmacniacz ładunku
Komputerowy system pomiaru drgań i analizy danych
Karta pomiarowa 500 kHz
Pakiet programów obliczeniowych – język MATLAB
K
Drgania poprzeczne freza- przebieg czasowy z obwiednią
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
Frez1-wykres czasowy; Kanal 1
t [s]
A
m
p
lit
u
d
a
w
zg
le
d
n
a
P
o
z
io
m
w
z
g
l
ę
d
n
y
d
rg
a
ń
0
200
400
600
800
1000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x 10
5
Frez1-FFT; Kanal 1
czestotliwosc [Hz]
A
m
p
lit
u
d
a
Drgania poprzeczne freza – amplitudowe widmo drgań
Lp.
Opis pomiaru
Częstotliwość
[Hz]
1 Drgania swobodne długiego freza zamocowanego w
uchwycie obrabiarki:
- wynik pomiaru
- wynik obliczeń – metoda elementów skończonych
390.00
399.19
Przykład 2. Pomiar bezstykowy czujnikami zbliŜeniowymi drgań poprzecznych
(przemieszczeń) wirującego narzędzia (freza trzpieniowego) w
dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach: prostopadłym do
posuwu oraz równoległym do posuwu.
Cel:
– ocena poprawności stosowanych modeli obliczeniowych
– diagnozowanie stanu drgań podczas procesów obróbkowych
– prognozowanie drgań
Proces technologiczny
frezowanie rowka
Narzędzie
frez trzpieniowy typu
NOMA 206.016W-W
z płytkami wymiennymi - pokrycie TiN
Ś
rednica freza
D=16 mm
Długość freza
L=150 mm
Liczba płytek skrawających
z=2
Kąt przystawienia
κ
r
=90
o
Kąt pochylenia krawędzi skrawającej
λ
s
=5
o
Próbka frezowana
Materiał
St3 103-105 HB
Wymiary [mm]
200
×
60
×
60
Parametry skrawania
Prędkość obrotowa wrzeciona
n
0
=3000 obr/min
Posuw na ostrze (stały)
f
z
= 0.2 mm
Głębokość skrawania
a
p
= 0.2 mm
PROKSIMITORY
WZMACNIACZ
4–KANAŁOWY
FILTRY ANALOGOWE
PROGRAMOWANE
CYFROWO
POMIARU
DRGAŃ
ANALIZY
DRGAŃ
A/C
KOMPUTEROWY
SYSTEM
f
min
1
x
′
2
x
′
1
x
2
x
.
S
n(t)
a
p
1
x
′
3
x
′
1
x
3
x
.
.
S’
h
C2
Czujnik 1
Czujnik 2
Uchwyt mocujący
czujniki
VMC FADAL
4020HT
h
C1
CNC
CYFROWY SYSTEM
STEROWANIA
PRĘDKOŚCIĄ
OBROTOWĄ
WRZECIONA
RS232
Aparatura i oprogramowanie:
•
2 systemy pomiarowe typu 3300 firmy Bently Nevada. W skład kaŜdego z
nich wchodzą: sonda wiroprądowa (zbliŜeniowa) – czułość: 7.87 mV/
µ
m
oraz proksimitor (przetwornik);
•
specjalny uchwyt mocujący sondy, instalowany na tulei wrzecionowej;
•
system kondycjonowania sygnałów (wzmacniacz 4–kanałowy z filtrami);
•
komputerowy system pomiaru drgań z kartą pomiarową 500 kHz;
•
komputerowy system analizy danych wraz pakietem programów
obliczeniowych ( język MATLAB )
Charakterystyki częstotliwościowe (rezonansowe) w kierunku prostopadłym do
posuwu
a) Symulacja komputerowa dopasowanego modelu obliczeniowego
utworzonego metodą elementów skończonych
b) Pomiar w warunkach eksploatacyjnych
Rezultat: - przeprowadzone pomiary zweryfikowały poprawność modeli
obliczeniowych
- określono precyzyjnie strefy rezonansowe (częstotliwości oraz
amplitudy) charakteryzujące dynamikę procesu obróbkowego
- istnieje moŜliwość uzyskania trafnej komputerowej prognozy stanu
drgań badanego procesu
a
b
Cz
ę
stotliwo
ść
[Hz]
A
m
p
lit
u
d
a
[m
m
]
0.08
0.1
0
0.02
0.04
0.06