PL245122B1 - Układ do wyznaczania miary bicia osiowego wałka - Google Patents

Abstract

Sposób wyznaczania miary bicia osiowego zasadniczo poziomego wałka obejmujący umieszczanie na tym wałku czujnika, a następnie wykonywanie pomiarów w miarę obracania się wałka, charakteryzuje się tym, że stosuje się czujnik zawierający jednoosiowy akcelerometr elektromechaniczny umieszczony na płytce drukowanej (4) znajdującej się w dwuczęściowej obudowie (2a, 2b) obejmującej wałek i mającej zasadniczo prostopadłościenny kształt z komorą otwartą w jednej ścianie, przy czym płytka drukowana (4) znajduje się w tej komorze, w zespole justerskim (3), regulowanym w dwóch prostopadłych osiach dwoma wkrętami, a jako miarę bicia wyznacza się kątową odchyłkę b równoległości w przestrzeni osi obrotu wałka i osi symetrii wałka obracając wałek i wykonując pomiar napięcia U2 akcelerometru a następnie obliczając odchyłkę według wzoru (A) w którym U2max i U2min stanowią odpowiednio maksymalną i minimalną wartość pomiarowa, zaś U1max i U1min oznaczają wartości sygnału wyjściowego akcelerometru wyznaczone w procesie kalibracji i odpowiadające jego idealnie pionowej orientacji - odpowiednio przy akcelerometrze zorientowanym pionowo w górę i pionowo w dół.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do wyznaczania miary bicia osiowego wałka, zwłaszcza do wałków pracujących poziomo z niewielką prędkością obrotową.

Typowo do pomiarów bicia wałków stosuje się czujniki zegarowe. Typowy sposób pomiaru bicia osiowego to zewnętrzny pomiar przemieszczenia końca wałka, w którym to sposobie czujnik zamocowany gdzieś na podstawie, dotyka końcówką pomiarową powierzchni wałka. Znane są też inne typy czujników, np. bezstykowe: indukcyjne, magnetyczne, optyczne - w tym szczególnie popularne - laserowe.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.425929 znany jest czujnik odchylenia od pionu z trójosiowym akcelerometrem MEMS wyposażony w prostopadłościenną obudowę przystosowaną do kalibrowania akcelerometru i mającą specjalny zespół służący do justowania zastosowanego akcelerometru.

Inną miarą bicia wałka jest odchyłka równoległości powierzchni obrotowych, która jest tożsama odchyłce równoległości w przestrzeni dwóch osi: osi fizycznego obrotu wałka a osi symetrii wałka. Odchyłkę tę wyraża kąt o dwóch jego składowych w dowolnie zorientowanych wzajemnie prostopadłych płaszczyznach, w przybliżeniu równoległych do osi obrotu wałka, np. płaszczyźnie pionowej i poziomej, a miarą wielkości odchyłki a zarazem miarą bicia jest wartość b tego kąta w płaszczyźnie zawartej pomiędzy tymi dwoma wzajemnie prostopadłymi płaszczyznami zawierającymi dwa jego kąty składowe.

Znane w stanie techniki sposoby wyznaczania bicia wymagają zastosowania niezależnych od wałka zewnętrznych układów pozwalających na analizę jego ruchu.

Celem wynalazku jest rozwiązanie problemu wyznaczania wiarygodnej i powtarzalnej miary bicia osiowego bez stosowania zewnętrznego względem wałka układu pomiarowego.

Układ do wyznaczania miary bicia osiowego wałka z czujnikiem przyśpieszenia grawitacyjnego charakteryzuje się tym, że czujnik przyśpieszenia grawitacyjnego jest jednoosiowym akcelerometrem elektromechanicznym umieszczonym na płytce drukowanej i znajduje się w dwuczęściowej obudowie obejmującej wałek i mającej zasadniczo prostopadłościenny kształt z komorą otwartą w jednej ścianie. Płytka drukowana z czujnikiem przyśpieszenia grawitacyjnego znajduje się w komorze, w zespole justerskim z regulowaną orientacją kątową wokół dwóch prostopadłych osi wałka poprzez pierwszy wkręt i drugi wkręt.

Przedmiot wynalazku został ukazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym

Fig. 1 przedstawia czujnik według przykładu wykonania wynalazku,

Fig. 2 przedstawia zespół justerski w widoku z dołu, natomiast

Fig. 3 przedstawia przykładowe uzyskane miary bicia osiowego.

Przykład wykonania czujnika bicia osiowego ukazany na Fig. 1 zawiera dwuczęściową obudowę 2a i 2b. Części 2a i 2b są ze sobą połączone za pomocą wkrętów 10. Obudowa ma zasadniczo prostopadłościenny kształt. Błędy prostopadłości ścian nie przekraczają 0,1 stopnia co uzyskano dzięki wykonaniu obudowy ze stali nierdzewnej. Obudowa jest wyposażona w komorę otwartą na jedną ścianę. Taka struktura obudowy ułatwia umieszczenie w niej akcelerometru.

Prostopadłościenny kształt obudowy umożliwia ustawienie jej na platformie kalibracyjnej, a następnie przeprowadzenie kalibracji akcelerometru. Obudowa składa się z dwóch rozłącznych części 2a i 2b. W każdej z nich wykonany jest rowek pryzmowy, służący do wygodnego i precyzyjnego zamocowania jej na wałku 1, którego bicie osiowe chcemy wyznaczyć.

Zbudowany czujnik bicia osiowego bazuje na wykorzystaniu jednoosiowego akcelerometru MEMS (czujnik przyśpieszenia grawitacyjnego) do wyznaczenia miary bicia osiowego w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wałka 1.

Akcelerometr elektromechaniczny stanowi płytka drukowana z czujnikiem przyśpieszenia grawitacyjnego 4. Płytka ta jest przymocowana do części 3a wspierającej zespołu justierskiego 3 za pomocą czterech wkrętów 8 zabezpieczonych nakrętkami 9.

Zespół justerski 3 jest przymocowany do górnej części obudowy 2a za pomocą dwóch wkrętów 5, przechodzących przez część montażową 3b zespołu justerskiego 3. Pomiędzy częścią montażową 3b zespołu justerskiego 3, a częścią 3a wspierającą płytkę 4 zespół justerski 3 jest zaopatrzony w rowek 3c częściowo otaczający część montażową 3b. Dzięki temu część wspierającą 3a i część montażową 3b można względem siebie sprężyście przemieszczać. Tym samym, gdy część montażowa 3b jest sztywno przytwierdzona do górnej części obudowy 2a za pomocą wkrętów 5, część 3a wspierającą płytkę 4 z czujnikiem przyśpieszenia grawitacyjnego można swobodnie przemieszczać. Tym samym

PL 245122 Β1 możliwe jest justowanie czujnika poprzez zmianę orientacji kątowej części wspierającej 3a zespołu justerskiego 3 względem górnej części obudowy 2a.

W niniejszym przykładzie wykonania zespół justerski wykonano ze stopu aluminium, ale równie dobre efekty uzyskiwano również przy wykorzystaniu brązu berylowego, mosiądzu lub stali sprężynowej.

Orientację części 3a wspierającej zespołu justerskiego 3 względem obudowy ustalają wkręty regulacyjne przechodzące przez ściany górnej części obudowy 2a. Jak pokazano na Fig. 2, pierwszy wkręt regulacyjny 6 opiera się o bok zespołu justerskiego 3, natomiast drugi wkręt regulacyjny 7 jest zorientowany do niego prostopadle. Taka konfiguracja zapewnia możliwość regulacji orientacji kątowej osi czułości akcelerometru wokół dwóch osi prostopadłych do osi wałka 1, którego bicie osiowe chcemy wyznaczyć.

Pomiary najłatwiej wykonywać bezprzewodowo za pomocą modułu komunikacyjnego zapewnionego na tej samej płytce drukowanej co akcelerometr, zapewniającego możliwość bezprzewodowej transmisji danych do zewnętrznych systemów.

Wysoką dokładność wskazań czujnika uzyskuje się dzięki zastosowaniu obudowy umożliwiającej okresową szybką i bardzo prostą kalibrację czujnika na żądanie użytkownika.

Taka kalibracja umożliwia chwilową eliminację następujących błędów analogowego czujnik przyśpieszenia grawitacyjnego: dryfy termiczne sygnału wyjściowego, dryfy czasowe sygnału wyjściowego, błędy wzorcowania czujnik przyśpieszenia grawitacyjnego (wartości składowej stałej oraz współczynnika skalowania), efekty starzenia się obwodów elektronicznych czujnika oraz akcelerometru.

Parametry metrologiczne czujnika:

zakres pomiarowy: przykładowo do 10 stopni, błąd pomiarowy bicia osiowego ok. 0,2 stopnia, sygnały wyjściowe w postaci napięć analogowych zmiennych w zakresie ok. 1 -3 V, wymiary obudowy: 53x48x34 mm, objętość obudowy: 68 cm sześcienne, wymiary płytki drukowanej z akcelerometrem MEMS: 22x27x3 mm, zapewnienie powierzchni bazowych w postaci rowków pryzmatycznych, niezbędnych do precyzyjnego zamontowania obudowy czujnika na wałku, którego bicie osiowe chcemy wyznaczyć.

Kalibracja czujnik przyśpieszenia grawitacyjnego umożliwia wyznaczenie wartości jego podstawowych parametrów użytkowych: składowej stałej oraz współczynnika skalowania.

Justowanie umożliwia precyzyjne ustawienie akcelerometru względem obudowy, tzn. doprowadzenie do takiej orientacji osi czułości akcelerometru, że jest ona równoległa lub prostopadła do odpowiednich ścian obudowy.

Zasada wyznaczania miary bicia osiowego badanego wałka polega na zapisie zmienności wartości napięcia wyjściowego z akcelerometru podczas obrotu wałka w zakresie kąta pełnego. Im większe jest bicie osiowe wałka, tym większa jest amplituda rejestrowanego napięcia wyjściowego z akcelerometru, co zostało przedstawione na Fig. 3, gdzie bicie osiowe 1 jest większe niż bicie osiowe 2, a bicie osiowe 2 jest większe niż bicie osiowe 3.

Wartość kątową miary bicia osiowego wyznacza się na podstawie funkcji w postaci:

gdzie:

— arcsin · U2_min U

- ui min

U1max - napięcie wyjściowe akcelerometru odpowiadające działaniu przyspieszenia grawitacyjnego + 1 g (g=9,81 m/s*s), wyznaczone podczas kalibrowania akcelerometru (przy wykorzystaniu prostopadłościennej obudowy czujnika),

U1min - napięcie wyjściowe akcelerometru odpowiadające działaniu przyspieszenia grawitacyjnego -1 g (g=9,81 m/s*s), wyznaczone podczas kalibrowania akcelerometru (przy wykorzystaniu prostopadłościennej obudowy czujnika),

PL 245122 Β1

U2max - napięcie wyjściowe akcelerometru odpowiadające maksymalnej wartości zarejestrowanej podczas pomiaru bicia osiowego,

U2_min - napięcie wyjściowe akcelerometru odpowiadające minimalnej wartości zarejestrowanej podczas pomiaru bicia osiowego,

Dodatkowo można wyznaczyć kąt pochylenia względem pionu samej osi obrotu wałka na podstawie funkcji cyklometrycznej w postaci:

arcsm----+ U2_rai_n

W przypadku wałka o regulowanym nachyleniu bicie osiowe badanego wałka eliminuje się poprzez zmianę orientacji kątowej jego osi symetrii względem osi jego obrotu, na podstawie wskazań czujnika. Nie jest wymagane wtedy wielokrotne rejestrowanie napięcia wyjściowego akcelerometru podczas obracania wałka o kąt pełny.

Dla eliminacji bicia w jednej płaszczyźnie wystarczy ustawić wałek w dwóch pozycjach kątowych. Dla eliminacji bicia w dwóch płaszczyznach wystarczy ustawić wałek w czterech pozycjach kątowych, oddalonych w przybliżeniu do kilku stopni o kąt prosty, przykładowo dwie pozycje w płaszczyźnie poziomej (prawo/lewo) oraz dwie pozycje w płaszczyźnie pionowej (góra/dół). W każdej z pozycji odczytuje się odpowiadające jej napięcie wyjściowe akcelerometru - odpowiednio UO, U90, U180, U270. Następnie w każdej z tych dwóch płaszczyzn, po ustawieniu odpowiedniego położenia kątowego wałka, zmienia się orientację kątową jego osi symetrii w taki sposób, że napięcie wyjściowe wskazywane przez akcelerometr równe będzie wartości średniej napięć odpowiadających zadanym wcześniej dwóm przeyO+17180 ,, U0+U130 ciwległym położeniom wałka w tej płaszczyźnie (czyli: -------albo-------albo).

Ponieważ występowanie bicia osiowego obracającego się wałka jest bardzo szkodliwe, a często niebezpieczne, zaproponowany sposób jego eliminacji można wykorzystać w wielu zastosowaniach technicznych, np. w. obrabiarkach podczas obróbki elementów o symetrii obrotowej, zwłaszcza w przypadkach, kiedy wartość bicia osiowego może się zmieniać w wyniku zadziałania sił zewnętrznych (np. skrawających), co stwarza potencjalnie niebezpieczną sytuację. Wykorzystanie zaproponowanego układu do wyznaczania miary bicia osiowego daje nie tylko możliwość określenia jej wartości w momencie pomiaru, ale także możliwość ciągłego jej monitorowania.

Układ według wynalazku najlepiej sprawdza się przy wałkach pracujących poziomo z niewielką prędkością obrotową. Przy znacznych prędkościach obrotowych nawet niewielkie niewyważenie spowodowane przez dołączenie urządzenia ma negatywne konsekwencje. Do wykonania pomiaru powinna być możliwość wymuszenia wolnego ruchu obrotowego wałka. Ewentualnie, w przypadku konieczności pracy przy znacznych prędkościach obrotowych pomiar można przeprowadzić po wyważeniu statycznie i dynamicznie czujnika zamontowanego na monitorowanym wałku.

Claims (1)

1. Układ do wyznaczania miary bicia osiowego zasadniczo poziomego wałka (1) z czujnikiem przyśpieszenia grawitacyjnego (4) znamienny tym, że czujnik przyśpieszenia grawitacyjnego (4) jest jednoosiowym akcelerometrem elektromechanicznym umieszczonym na płytce drukowanej i znajduje się w dwuczęściowej obudowie (2a, 2b) obejmującej wałek (1) i mającej zasadniczo prostopadłościenny kształt z komorą otwartą w jednej ścianie, przy czym płytka drukowana z czujnikiem przyśpieszenia grawitacyjnego (4) znajduje się w komorze, w zespole justerskim (3) z regulowaną orientacją kątową wokół dwóch prostopadłych osi wałka (1) poprzez pierwszy wkręt (6) i drugi wkręt (7).