Czujniki indukcyjne

Katedra Technik Wytwarzania i
Automatyzacji
WYDZIAŁ BUDOWY
MASZYN I LOTNICTWA
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Przedmiot:
DIAGNOSTYKA I NADZOROWANIE SYSTEMÓW
OBRÓBKOWYCH
Nr ćwiczenia: 7
Temat: Pomiar charakterystyk czujników indukcyjnych
i wiroprądowych, wyznaczenie wybranych błędów
geometrycznych obrabiarki.
1. Zadanie
Celem ćwiczenia jest poznanie przez studenta właściwości i zakresu stosowań układów czujników
indukcyjnych, a następnie wykorzystanie ich w diagnostyce obrabiarki.
2. Wyposażenie stanowiska
Stanowisko wyposażone jest w uchwyty do mocowania czujników indukcyjnych i wiroprądowych,
zasilacz regulowany, voltomierz, obrabiarkę CNC EMCO MINI MILL55, MINI TURN55.
3. Przebieg ćwiczenia
Sprawdzic wyposażenie i skontrolować stan techniczny stanowiska. Zauważone usterki zgłosić
prowadzacemu zajęcia. Zapoznać się z poszczególnymi elementami składowymi stanowiska.
Narysować schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego. Po uzyskaniu zgody od prowadzacego
uruchomić stanowisko postępując ściśle wegług instrukcji.
4.Sprawozdanie
Sprawozdanie winno zawierać:
- temat oraz datę wykonania ćwiczenia, oznaczenie grupy,
- imię i nazwisko osoby biorącej udział w ćwiczeniu,
- schemat blokowy stanowiska badawczego,
- wyniki pomiarów,
- opis wykonywanych czynności,
- opracowane wyniki pomiarów,
- wnioski.
LITERATURA:
1.Honczarenko J., 2000: Elastyczna automatyzacja wytwarzania. Wyd. WNT. Warszawa.
2.Kosmol J., 2000: Automatyzacja obrabiarek i obróbki skrawaniem Wyd. WNT. Warszawa.
3.Kosmol J. (red.), 1996: Monitorowanie ostrza skrawającego. Wyd. WNT. Warszawa.
Uwagi:
Indukcyjne przetworniki przemieszczeń liniowych
Przetworniki do pomiaru przemieszczeń liniowych wykorzystywane są w metrologii warsztatowej,
w robotyce, w układach sterowania automatycznego położeniem części maszyn lub narzędzi
obróbczych oraz do kontroli stanu elementów wykonawczych automatyki. Pomiaru tego dokonuje się
za pomocą czujników przemieszczeń pracujących w układach elektrycznych odpowiednich do
wymagań współpracujących z nimi sterowanych urządzeń. W wielu układach automatyki
przemysłowej sygnał pomiarowy z wyjścia czujnika przemieszczenia nie jest prezentowany na
urządzeniach odczytowych, lecz bezpośrednio jest wykorzystywany w zamkniętej pętli układu
automatyki. Jednak w przeważającej liczbie przypadków wynik pomiaru przemieszczenia jest
prezentowany na odpowiednich przyrządach odczytowych.
W zależności od wymaganego zakresu mierzonych przemieszczeń oraz dokładności pomiaru
wykorzystuje
się
różnego
rodzaju
czujniki
przemieszczenia.
Przy
dużych
wymaganiach
dokładnosciowych wykorzystuje się najczęściej indukcyjnościowe czujniki różnicowe, oraz czujniki
indukcyjne (wiroprądowe).
W przedmiotowym ćwiczeniu laboratoryjnym wykorzystywane są wymienione konstrukcje
czujników przemieszczeń liniowych pracujące w prostych układach pomiarowych pozwalające
mierzyć przemieszczenia w zakresie do ok.25mm z rozdzielczością 1μm.
Konstrukcje i układy pomiarowe czujników przemieszczeń liniowych.
Czujnik indukcyjnościowy.
Na rys.1 przedstawiono szkic konstrukcji czujnika indukcyjnościowego różnicowego z rdzeniem
nurnikowym pracującego w układzie przetwarzania przemieszczenie-stałe napięcie różnicowe.
Uzwojenia 2, 3’ i 3” i przemieszczany rdzeń 4 czujnika stanowią transformator różnicowy, który
jest zasilany z generatora sinusoidalnego GS. Napięcia UX’ i UX” uzwojeń różnicowych wraz z
napięciem generatora UZ podawane są na detektor fazowy DF pracujący zwykle w układzie
jednopołówkowym lub pierścieniowym. Na wyjściu detektora fazowego znajduje się filtr z którego
uzyskuje się napięcie stałe UX proporcjonalne do różnicy amplitud napięć UX’ i UX”.
To napięcie stałe jest sygnałem wyjściowym czujnika, i jest mierzone w układzie jak na rys.1 za
pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego AC. Sposób detekcji napięć różnicowych według
zależności (1) pozwala uzyskać praktycznie liniową charakterystykę czujnika przemieszczenia.
Przykładową charakterystykę czujnika indukcyjnościowego z detektorem fazowym przedstawiono na
rys.2b. Zastosowanie detektora fazowego w układzie czujnika linearyzuje jego charakterystykę
zwłaszcza w obszarze przemieszczeń rdzenia czujnika w pobliżu położenia środkowego. W pobliżu
środkowego położenia rdzenia czujnik różnicowy bez detektora fazowego jest nieliniowy (rys.2a).
Ponadto można w nim wykorzystać tylko jedno ramię charakterystyki, a zatem ma on prawie
dwukrotnie mniejszy zakres pomiarowy w porównaniu z czujnikiem z detektorem fazowym.
Rys.1. Czujnik indukcyjnościowy różnicowy w układzie detektora fazowego. Oznaczono; 1 –
obudowa ferromagnetyczna, 2 – uzwojenie zasilające, 3 – uzwojenia różnicowe, 4 – rdzeń
ferromagnetyczny, 5 – trzpień pomiarowy, 6 – sprężyna zwrotna, 7 – łożysko toczne
Rys.2. Charakterystyka indukcyjnego różnicowego czujnika przemieszczenia; a) – napięcia
różnicowego , b) – napięcia stałego na wyjściu detektora fazowego.
Zależność napięcia wyjściowego czujnika indukcyjnościowego UX od przemieszczenia X można
opisać zależnością:
gdzie: SU – czułość czujnika;
Czujnik indukcyjny (wiroprądowy)
Czujnik indukcyjny wykorzystywany jest w praktyce do pomiaru małych przemieszczeń zarówno
statycznych jak i dynamicznych. Ze względu na prostą konstrukcję, brak elementów ruchomych i
wynikającą stąd małą inercję i dużą trwałość czujnika oraz bezdotykowy sposób pomiaru czujnik
wiroprądowy ma zastosowanie w przemyśle szczególnie w pomiarach drgań mechanicznych, których
częstotliwości sięgają kilkudziesięciu kHz. Na rys.3 przedstawiono zasadę konstrukcji oraz
uproszczony układ pomiarowy czujnika wiroprądowego.
Rys.3. Zasada konstrukcji i układ pomiarowy czujnika indukcyjnego (wiroprądowego)
Zasadniczymi elementami czujnika jak na rys.3 jest cewka 1 zasilana prądem sinusoidalnym I1 z
generatora GS oraz mocowana do badanego obiektu płytka 2 wykonana z metalu (zwykle z
ferromagnetyka). W zależności od odległości płytki od cewki zmienia się indukcyjność cewki L1 oraz
prąd zasilania I1 . Zmiany tych wielkości zależnie od układu generatora mogą wywoływać zmianę
jego częstotliwości, napięcia wyjściowego lub poboru prądu ze źródła zasilania.
Wymienione wielkości stanowią sygnał pomiarowy, który po przekształceniu w układzie
przetwarzania sygnału PS zamieniany jest na sygnał analogowy (napięcie stałe) lub cyfrowy (ciąg
impulsów) dalej przetwarzany w układzie cyfrowym do postaci wartości liczbowej prezentowanej na
przyrządzie odczytowym (zwykle cyfrowym polu odczytowym).
Dla czujnika wiroprądowego jak na rys.3 wielkością wyjściową zależną od mierzonego
przemieszczenia jest okres generowanego przebiegu T.
Wprowadzając pojęcie czułości czujnika dla okresu można zależność (3) przedstawić w postaci:
gdzie: ST - czułość czujnika dla okresu generowanego napięcia;
nie ma wartości stałej w całym zakresie pomiarowym.
Pomiary dokładności obrabiarek NC
Dokładność stanowi jedną z najważniejszych cech obrabiarek. Decyduje ona przede wszystkim o
dokładności przedmiotów obrabianych. Wyższa dokładność zapewnia także:
a)
uproszczenie napraw dzięki zwiększeniu zamienności części,
b)
zmniejszenie kosztów złożenia przez ograniczenie ilości części składanych selektywnie,
c)
zmniejszenie hałasu w przypadku współpracy części,
d)
zwiększenie przewidywalności zróżnicowania między kolejnymi częściami,
e)
zwiększenie ilości części spełniających wymagania kontroli jakości: zmniejszenie ilości
braków i odpadów,
f)
zwiększenie estetyki wyglądu części po obróbce.
Wymagania odnośnie dokładności obrabiarek rosną wraz z rozwojem technik pomiarowych,
pozwalających na sprawdzenie tej dokładności.
Do sprawdzenia dokładności obrabiarki potrzebne są zarówno badania statyczne (dokładności
uzyskiwanych położeń) jak i pomiary dynamiczne (dokładności torów ruchów, właściwa prędkość
ruchów...).
Przed rozpoczęciem badania należy dokładnie określić jego cel, gdyż dokładność stanowi pojęcie
ogólne, informujące jedynie o stopniu zgodności wyniku pomiaru z wartością rzeczywistą wielkości
mierzonej. Na dokładność maszyn NC wpływa wiele czynników i realizowanych w czasie obróbki
zadań.
Do najważniejszych należą:
•
prawidłowość geometryczna realizacji ruchów elementarnych (prostoliniowość, bicie przy
obrocie itp.),
•
dokładności pomiarów przemieszczeń liniowych i kątowych,
•
dokładność i powtarzalność pozycjonowania osi sterowanych numerycznie,
•
ustawienie osi względem siebie,
•
dokładność realizowania kształtów torów i prędkości ruchów w stosunku do wartości
zadanych.
Ważną
miarą
jakości
wyniku
pomiaru
jest
niepewność,
informująca
o wiarygodności
przeprowadzonych badań. Wpływa na nią szereg czynników, nie związanych z obrabiarką, której
dokładność chcemy określić. Należą do nich m.in.:
• niepełna definicja wielkości mierzonej,
• subiektywne błędy w odczytaniu wskazań przyrządów analogowych,
• skończona rozdzielczość,
• próg czułości przyrządu.
Przy końcowej ocenie wyników badań należy uwzględnić błąd pomiaru – dopiero wtedy możemy
je wykorzystać do porównań i analiz.
Błędy te można ogólnie podzielić na:
•
błędy geometryczne, mające największy wpływ na dokładność obróbki (jest to prostopadłość
- squareness, prostoliniowość - straightness, błąd cykliczny - cyclic error),
•
błędy skali (błąd skali – scaling error i różnica skali dwóch osi określających badaną
płaszczyznę – scaling mismamatch),
•
luzy, mające wpływ na powtarzalność obróbki (można wyróżnić luz poprzeczny ateral play i
luz poosiowy – blacklash),
•
błędy dynamiczne - mające wpływ na jakość powierzchni (są to wibracje błąd nadążania i
błąd nawrotu).
Rys.4 Elementy składowe układu napędowego, wpływające na dokładność pozycjonowania
Pomiar bicia czołowej powierzchni kołnierza
Przyrządem pomiarowym jest czujnik zegarowy (indukcyjny).
Końcówkę czujnika przystawia się prostopadle do powierzchni badanej. Odczytu dokonuje się
dla kilku obrotów wrzeciona.
Pomiar bicia promieniowego wewnętrznej powierzchni otworu wrzeciona
Przyrządem pomiarowym jest czujnik zegarowy (indukcyjny). Jego kocówkę przystawia się do
trzpienia pomiarowego osadzonego otworze wrzeciona. Odczytu dokonuje się w trakcie
kilku obrotów wrzeciona.
Pytania kontrolne:
1)
Dlaczego czujniki indukcyjnościowe nie są wykorzystywane do pomiaru drgań
mechanicznych?
2)
Porównać charakterystyki statyczne opisywanych w ćwiczeniu czujników.
3)
Który z opisywanych w ćwiczeniu czujników pozwala uzyskać najwyższą dokładność
pomiaru przemieszczenia. Uzasadnić odpowiedź.
4)
Dlaczego czujniki wiroprądowe są wrażliwe na zbliżenie do nich przedmiotów
metalowych?