TECHNIKI POMIAROWE W ZADANIACH PROJEKTOWANIA

MECHATRONICZNEGO

Stosowane techniki pomiarowe:

•

pomiary bezstykowe

(zbliżeniowe)- służą do pomiaru przemieszczeń

elementów drgających względem obiektów nieruchomych.

Przyrządy laserowe (technika bardzo kosztowna- interferometry), są one

bardzo wygodne w użyciu bowiem rejestrują przemieszczenia w ruchu
drgającym z odległości około kilku metrów.
Zakres pomiarowy:

do kilkuset kHz.

Sondy zbliżeniowe (wiroprądowe, optyczne) . Sondę taką należy umieścić w

znacznie bliższej 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 dużych

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

różne 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 zbliżeniowymi 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 każdego z
nich wchodzą: sonda wiroprądowa (zbliżeniowa) – 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 możliwość 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