Instytut Technik Wytwarzania P.W. W15(10) + L15(10)

Transkrypt

1 Instytut Technik Wytwarzania P.W. Zakład Obróbki Plastycznej i Odlewnictwa MierK W15(10) + L15(10) Miernictwo Komputerowe Studia II-go stopnia; magisterskie dzienne / ( zaoczne ) Przedmiot bazowy specjalności (MK) Prowadzący: Dr hab. inż. Lech Olejnik prof.pw pok.nt17, tel.8425 Kierownik grupy badawczej UFGbySPD (wytwarzanie objętościowych metali UFG) Motto: Technika bez kontroli jest bezużyteczna Preskrypt & laboratoria: Polecana literatura: [1] S.Erbel, K.Kuczyński, L.Olejnik: Obróbka plastyczna. Laboratorium. OWPW, Warszawa 2003, str [2] L.Olejnik: Nadzorowanie zautomatyzowanych procesów obróbki plastycznej. OWPW Warszawa 1997, str Temat 3 (w komputerowym układzie pomiarowym z czujnikiem tensometrycznym) Cel: Celem wykładu jest prześledzenie zmian jakim podlega sygnał pomiarowy w torze komputerowego układu monitorowania począwszy od źródła sygnału pomiarowego czyli czujnika, poprzez przyrzad pomiarowy aż do komputera, który zapisuje dane pomiarowe. Analizę przekształceń wartości sygnału pomiarowego przeprowadzono na przykładzie pomiaru siły za pomocą czujnika tensometrycznego. PW WIP ITW ZOPO ZOP, UFGbySPD L.Olejnik

2 Wprowadzenie Zagadnienie przekształcania pomiarowego sygnału prześledzimy na przykładzie pomiaru wielkości charakterystycznych dla operacji kształtowania plastycznego. W wykładzie zostanie osiągnięty również cel pośredni, jakim jest przekazanie informacji nt. budowy układu komputerowej rejestracji. Najpierw bowiem zostanie pokazany tryb postepowania przy projektowaniu układu DAQ do wyznaczenia zmian siły wywieranej przez element aktywny maszyny (np. suwak) podczas wykonywania operacji kształtowania na maszynach z napędem hydraulicznym (np. prasach uniwersalnych). Układ umożliwi pomiar sił kształtowania z użyciem czujników tensometrycznych, które zostały już dobrze poznane. Do pomiaru przemieszczeń liniowych elementów oprzyrządowania technologicznego zostanie użyty czujnik LVDT. Jednoczesny pomiar tych dwóch wielkości umożliwi wyznaczenie przebiegu siły kształtowania w funkcji skoku stempla, co jest typowym zapisem procesu kształtowania 1. Zapis procesu kształtowania Wykres przebiegu siły kształtowania P w danej operacji obróbki plastycznej w funkcji drogi suwaka S prasy zawiera wiele informacji istotnych dla technologa nadzorującego przebieg operacji kształtowania oraz użytkownika prasy, odpowiedzialnego za jej prawidłowe wykorzystywanie. Na Technolog powinien umieć bez trudu skonstruować/zbudować taki wykres P(S) na podstawie technologicznego schematu operacji i obliczonej wartości maksymalnych sił, które pojawiają się w tej operacji. Użytkownika prasy interesuje korelacja wykresu P(S) z możliwościami eksploatacyjnymi prasy. Technolog zaś w przebiegu wykresu P(S) może znaleźć szereg informacji umożliwiających mu jej ulepszenie, ale przede wszystkim znajdzie odpowiedź na pytanie czy prawidłowo dobrał prasę do wykonania tej operacji. Przy doborze prasy zawsze powinna być spełniona relacja, którą w uogólniony sposób można zapisać następująco: {parametry eksploatacyjne prasy} {parametry technologiczne plastycznego kształtowania wyrobu} Technolog musi umiec obliczać określone wielkości technologiczne dla operacji realizowanych na prasach. Podstawowymi czynnościami, które na ogół nie przedstawiają trudności, jest określenie maksymalnej siły kształtowania Pmax, potrzebnego skoku roboczego Sr (w odniesieniu do dolnego położenia suwaka prasy), a także pracy potrzebnej do kształtowania wyrobu. Potrzebne wartości maksymalnych sił kształtowania można obliczyć ze wzorów podawanych przez literaturę przedmiotu obróbka plastyczna, nawet tych starszych [1] i [2], które podają podstawowe wzory, często dodając rozmaite współczynniki empiryczne sprawiające, że określenie siły staje się bardzo dokładne (oczywiście pod warunkiem prawidłowego opisu właściwości mechanicznych i plastycznych materiału, ż którego wykonywany jest wyrób). Wartość skoku roboczego Sr można określić w drodze analizy wymiarów przygotówki (wykroki, wstępniaka), wyrobu (wytłoczki, wypraski), narzędzi (stempli i matryc) zastosowanych w danej operacji. Wszystkie potrzebne dane dla poszczególnych operacji zawiera technologiczny schemat operacji, który technolog zaczyna konstruować już na etapie projektowania procesu technologicznego. Wartość potrzebnej do kształtowania pracy odkształcenia plastycznego Lpl obliczana jest zazwyczaj dla przyjętych warunków kształtowania (temperatura, prędkość, smarowanie) w sposób szacunkowy z uwzględnianiem Pmax i Sr oraz charakteru wykresu. Poprawne obliczenie pracy wymaga określenia charakteru zmian jakich doznaje siła P w funkcji skoku Sr. Trudności ww. obliczeniach pojawiają się, gdy trzeba dokładniej określić charakter obciążenia suwaka prasy, tzn. wykres P(S) w danej operacji, a więc przebieg siły kształtowania w funkcji drogi suwaka prasy. Szczególnie trudne jest przygotowanie do kształtowania złożonego, tzn. wykonywanego za pomocą przyrządów wielozabiegowych. Przy pracy, np. tłoczników jednoczesnych czy wielotaktowych w jednym skoku suwaka prasy nakładają się siły różnych operacji, np. wykrawania, wytłaczania, dziurkowania, gięcia, itp. Problem eksploatacyjny narasta w przypadkach, gdy wykonanie operacji wielozabiegowej jest bliskie granicznym energetycznym możliwościom prasy. Drugim trudnym dla technologa zadaniem jest podjęcie decyzji o wykonaniu operacji o wyjątkowo dużych skokach roboczych, a takie występują przy wyciąganiu i wyciskaniu. Te operacje mogą być niebezpieczne dla energetycznego przeciążenia prasy. 1 Przebieg siły kształtowania w funkcji drogi przerywanej przez narzędzie kształtujące na odcinku skoku roboczego jest uważane za najbardziej charakterystyczny wykres obrazujący zmiany parametrów w operacji kształtowania dlatego jest nazywany mianem proces signature Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 1

3 Układ DAQ Żeby ułatwić zaprojektowanie układu DAQ dla monitorowania operacji kształtowania postanowiono rozpatrzyć operację jednozabiegową, ale wymagającą dużej siły, która występuje na znacznym skoku. Prasa będzie miała napęd hydrauliczny, dla której nacisk nominalny jest stały w całym zakresie skoku suwaka. Takie warunki spełnia operacja wyciskania. Wcześniej podjęto decyzję, że siła będzie mierzona czujnikiem tensometrycznym, a przemieszczenie liniowe czujnikiem LVDT. Dodatkowo założymy, że układ monitorowania powinien dać możliwość wyznaczenia wykresów P(S) dla wszystkich operacji kształtowania wykonywanych na analizowanej tej prasie. Zdecydowano, że układ DAQ zostanie zbudowany z użyciem karty rozszerzenia, która będzie osadzona w komputerze. Wobec powyższego schemat blokowy układu będzie wyglądał tak, jak to naszkicowano na Rys skok: czujnik LVDT Przyrząd z falą nośną: exc. Vac [V] / fac [khz], Vout max =10V Obiekt Czujnik Przyrząd Rejestrator Wynik mierzony mierzonej pomiarowy danych pomiaru wielkości 2. siła: cz.tensometryczny Mostek tensometryczny: Vdc [V],, Vout max =10V Karta DAQ Rys. 1. Schemat blokowy 2 kanałowego układu DAQ do pomiaru przemieszczenia (wymuszenie) czujnikiem LVDT i siły (odpowiedź) czujnikiem tensometrycznym z cyfrowaniem mierzonych sygnałów analogowych w karcie rozszerzenia Dobierając składniki sprzętowe układu postaramy się zapewnić odporność na trudne warunki pracy, jakie zazwyczaj panują na wydziałach mechanicznych. Ponieważ jednak skok roboczy Sr może zmieniać się w bardzo dużych granicach, pożądana będzie możliwość wyboru zakresu pomiarowego w torze pomiaru przemieszczenia. Dla operacji wykonywanych z małą wartością skoku będzie można ograniczać zakres pomiarowy dopasowując w ten sposób dokładność pomiaru skoku stempla do potrzeb. Nbvc bvcx Monitorowana operacja Sposób analizowania przekształceń, jakim podlega sygnał pomiarowy w komputerowym układzie z kartą DAQ, wyjaśniono na przykładzie monitorowania zmian obciążenia technologicznego w funkcji skoku A 0 P wp stempla w operacji wyciskania przeciwbieżnego naczynia [3]. Schemat operacji pokazano na Rys. 2, a jej wybrane fazy dodatkowo na Rys. 3. A h 0 S r max d 0 Rys. 2. Technologiczny schemat operacji wyciskania przeciwbieżnego wypraski naczyniowej Wartość zastosowanego odkształcenia plastycznego ε wp obliczymy na podstawie zmiany przekroju poprzecznego przy wyciskaniu (patrz oznaczenia na Rys. 2). Walcowy wstępniak (lewa strona na Rys. 2) ma przekrój A 0 = π d 0 2 /4, a tulejowa wypraska (prawa strona Rys. 2) A = π (d 0 2 d S 2 )/4, gdzie d S jest średnicą stempla. Wobec tego: Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 2

4 ln A A 0 A 0 ln 0 wp 2 2 s 0 s d d 2 d Oczywiście technolog powinien sprawdzić czy głębokość wypraski h g nie jest zbyt duża, czyli spełnia h d g s h d g s gr a) b) c) Rys. 3. Fazy przeciwbieżnego wyciskania naczynia: a) początek skoku roboczego Sr=0, b) faza stacjonarnego płynięcia po wystąpieniu Pmax, c) zakończenie wyciskania, gdy Sr=Sr max h0 Siłę operacji wyciskania przeciwbieżnego oblicza się z ogólnego wzoru: P wp = w A 0 /η wp, gdzie wp f,, d 0 jest sprawnością wyciskania przeciwbieżnego naczyń, która zależy od zastosowanego odkształcenia ε, stosunku h 0 /d 0 (patrz Rys. 2) i warunków określonych przez współczynnik tarcia μ (wskazujący na zastosowany sposób smarowania). Pracę n jednostkową w oblicza się znając krzywą umocnienia p C ze wzoru p wp W wyniku przekształceń otrzymujemy wzór na siłę wyciskania w w wp n 1 P wp A A 0 0 p wp wp wp Oczywiście λ wp to współczynnik wypełnienia wykresu krzywej umocnienia, który λ wp = 1/(n+1). Skok roboczy S r max, na który musi być mierzona siła P wp został zaznaczony na Rys. 2. Stanowisko robocze Operacja wykonywana jest na stanowisku, w skład którego wchodzi prasa hydrauliczna PYS250 uzbrojona w uniwersalną oprawę narzędziową. Na Rys. 4 pokazano modele 3D dwóch przyrządów do wyciskania, które powstały przez zabudowę narzędzi do wyciskania (stempli i zespołów matryc) w czterosłupowej oprawie uniwersalnej (poz.1 na Rys. 4). Oprawa ustawiona jest na podstawie (2), która umożliwia odprowadzanie wyprasek wyciskanych przelotowo lub służy do zamocowania wypychacza potrzebnego właśnie do analizowanego wyciskania przeciwbieżnego. Oprawy są przygotowane do wstawienia do przestrzeni roboczej prasy PYS250. Górna płyta oprawy uniwersalnej i dolna płyta podstawy mają wybrania, które są wykorzystywane do wprowadzania odpowiednio długich śrub teowych, mocujących całe zestawy narzędziowe do stołu i suwaka prasy. Na płycie górnej oprawy znajdują się przekładki (3), które umożliwiają współpracę opraw z suwakiem o dużej powierzchni (porównaj położenie górnych końców słupów prowadzących na Rys. 4a przyrząd zamknięty i Rys. 4b przyrząd otwarty). Warto zwrócić uwagę, że w miejsce zajmowane przez wspomniane przekładki zwykle wstawia się czujniki do bezpośredniego pomiaru siły. Oprawa uniwersalna służy do dokładnego prowadzenia względem siebie dwóch płyt: zazwyczaj ruchomej płyty górnej, która przemieszcza się w oczekiwany sposób względem nieruchomej płyty dolnej. Z płytą górną powiązany jest stempel, który poprzez obsadę składającą się z elementów sztywnych i silnie ze sobą związanych jest bez luzów z tą płytą połączony. Luzy kasowane są podczas montażu zespołu stempla w oprawie uniwersalnej. Podobnie wygląda powiązanie Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 3

5 matrycy z dolną płytą przyrządu. Fakt silnego związania stempla i matrycy z oprawą uniwersalną można wykorzystać do pomiaru skoku. Na Rys. 4b pokazano czujnik skoku (poz.4), którego obudowę przymocowano do dolnej płyty czterosłupowej oprawy uniwersalnej, a rdzeń do płyty górnej tej oprawy. Mocowanie odbywa się za pomocą specjalnych uchwytów przykręcanych do bocznej powierzchni płyt. Uchwyty zawierają elementy regulacyjne, co umożliwia odpowiednie ustawienie czujnika dla rozmaitych zestawów narzędziowych (tzn. kompletów matryca + stempel) osadzanych w oprawie uniwersalnej a) b) Rys. 4. Przyrządy do wyciskania przystosowane do pracy na prasie PYS250 [4]: a) przyrząd WWoo, b) przyrząd WWok (opis w tekście) Prasa z napędem hydraulicznym charakteryzuje się możliwością wywierania stałego nacisku równemu silę nominalnej prasy na całym konstrukcyjnie dostępnym skoku suwaka oraz możliwością przerwania operacji w dowolnym momencie. Tego typu maszyna wykorzystuje ciśnienie w układzie zasilania hydraulicznego, aby wywrzeć nacisk przy pomocy tłoka poruszającego się w cylindrze hydraulicznym. Przykładowy cyklogram działania takiej maszyny dla typowej operacji, które zwykle przeprowadza się na prasie przedstawiono na str. 91 i str.94 w skrypcie [5]. Na podstawie analizy cyklogramu działania prasy hydrauliczne i po uwzględnieniu danych z technologicznego schematu operacji (Rys. 2 i Rys. 3) można szczegółowo zaplanować wykonanie wyciskania i przebieg rejestracji danych do wykreślenia wykresu P(S). Skok 2 Suwak prasy hydraulicznej w jednym cyklu roboczym może przejść poruszając się z różną prędkością kolejno przez kilka charakterystycznych punktów. Są to przede wszystkim skrajne punkty, mianowicie: punkt położenia górnego, zazwyczaj oznaczany GP i punkt położenia dolnego (zwykle osiągany przy zamkniętym przyrządzie) i oznaczany DP. Między punktami GP i DP znajduje się punkt przełączenia PP, w którym następuje zmiana z szybkiego ruchu dobiegowego (czas jego trwania wynosi T d ) w zazwyczaj wolniejszy ruch roboczy czas jego trwania wynosi T r ). Programowanie automatycznie odtwarzanego cyklu roboczego takiej prasy polega na ustaleniu położenia suwaka w tych trzech punktach. Położenie punktu DP zwykle wynika z zapisów dla prowadzenia operacji w karcie technologicznej i ma odzwierciedlenie w konstrukcji narzędzi. Jest on zwykle osiągany, kiedy narzędzie powiązane z suwakiem prasy oprze się na odpowiednim elemencie narzędzia skojarzonego z dolną płytą prasy, uzyskując oczekiwane dolne położenie. (Stan położenia narzędzi odpowiadający punktowi DP pokazano na Rys. 3c dla analizowanego wyciskania przeciwbieżnego). Programowanie tych trzech punktów (GP, PP i DP) można zawrzeć też w układzie sterowania prasy na przykład przy pomocy czujników położenia takich, jak łączniki drogowe, które zostaną umieszczone w tych charakterystycznych punktach i będą mogły przekazywać do karty DAQ informację o przejściu suwaka przez te położenia. Punkt przełączenia PP w przypadku pras hydraulicznych to miejsce, w którym zazwyczaj następuje zmiana aktywnej pompy w układzie hydraulicznym prasy. (Stan położenia narzędzi odpowiadający punktowi PP, dla którego Sr=0 pokazano po lewej stronie na Rys. 2) Istnieje wiele rozwiązań tego przełączenia. Dla przykładu w prasach do wyciskania przełączenie następuje po uzyskaniu odpowiednio wysokiego ciśnienia, które informuje o rozpoczęciu skoku roboczego Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 4

6 (pojawiła się wartość siły znacząco wyższa od wartości występujących w czasie biegu luzem stan położenia narzędzi właściwy temu punktowi dla analizowanego wyciskania przeciwbieżnego pokazano na Rys. 3a). Siła Maksymalny nacisk, jaki prasa hydrauliczna PYS250 może wywierać, wynosi 250 ton (2500 kn) przy szczytowym ciśnieniu w układzie roboczym wynoszącym 35,5 MPa. Znając te wartości można wyznaczyć zależność między wywieranym naciskiem a ciśnieniem panującym w układzie hydraulicznym prasy. Zależność ta, nazywana charakterystyką wzorcowania, będzie potrzebna do przygotowania pomiaru siły. Prasa PYS250 sterowana jest przez operatora, który komunikuje się z ustrojem sterowania prasy za pomocą dźwigni. Przesuwając dźwignię połączoną z zaworem kierunkowym powoduje odpowiednie ustawienie zaworu i przepływ cieczy roboczej do tłoka, w wyniku czego ciśnienie zaczyna rosnąć a tłok powoduje przemieszczenie suwaka. Powrót osiągany jest w ten sam sposób, tj. przez przestawienie dźwigni odpowiada za jego wywołanie inne położenie zaworu kierunkowego. Projekt torów pomiarowych Podsumujmy dotychczasowe rozważania. W celu wyznaczenia zmian obciążenia technologicznego w zamierzonej operacji kształtowania plastycznego, niezbędny jest pomiar dwóch wielkości. Są to nieustannie zmieniające się w czasie wykonywania operacji: wartości siły kształtowania wywieranej przez stempel na materiał znajdujący się w otworze roboczym matrycy oraz położenie stempla względem matrycy. Ponieważ kształtowanie odbywa się na prasie hydraulicznej, ułatwia to pomiar obciążenia technologicznego. Na tego typu prasie można zastosować pośredni sposób pomiaru siły, z jaką suwak naciska na kształtowany przedmiot. W tym celu wystarczy mierzyć ciśnienie w cylindrze głównym prasy. Ponieważ kształtowanie wykonywane jest za pomocą narzędzi sztywnych można zrezygnować z bezpośredniego pomiaru ruchu względnego ruchomego stempla względem nieruchomej matrycy. Uznając odkształcenie sprężyste elementów konstrukcyjnych przyrządu za pomijalnie małe, ruch elementów roboczych można przybliżyć za pomocą pomiaru przemieszczenia górnej części oprawy względem jej części dolnej. Zdecydowano mierzyć ruch płyty górnej oprawy w stosunku do obsady matrycy. Tory pomiarowe siły (a właściwie ciśnienia) i przemieszczenia zostaną zbudowane przy użyciu techniki komputerowej. Na stanowisku roboczym należy zainstalować odpowiednie czujniki wraz z przyrządami pomiarowymi i sprzęt komputerowy. Całość zostanie zestawiona zgodnie ze schematem z Rys. 1. Na Rys. 5 pokazano na tle ramowego korpusu prasy PYS250 elementy dodane w celu umożliwienia monitorowania wyciskania. Rys. 5. Elementy dodane do stanowiska roboczego w celu monitorowania siły wyciskania funkcji w skoku suwaka prasy Opis budowy torów pomiarowych rozpoczniemy od źródeł sygnałów pomiarowych a skończymy na rejestratorze. Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 5

7 Czujniki Czujnik to pierwszy element każdego toru pomiarowego. W przypadku stanowisk roboczych znajduje się on zwykle, bądź na maszynie technologicznej, bądź też w przyrządzie. Do pomiaru obciążenia technologicznego w operacji wyciskania został wybrany czujnik tensometryczny, których zasada działania polega na zmianie rezystancji w układzie elektrycznym czujnika (mostki Wheastone`a) proporcjonalnej do zmiany wywieranego na tensometr nacisku, więc i ciśnienia w układzie hydraulicznym prasy. Czujnik do pomiaru przemieszczenia to czujnik z grupy LVDT, wykorzystujący działanie transformatora z ruchomym rdzeniem. Czujnik transformatorowy [6] składa się z obudowy, w której znajduje się uzwojenie pierwotne oraz uzwojenie wtórne, a także z ferromagnetycznego rdzenia. Jeśli zasilimy uzwojenie pierwotne, poprzez przesuwanie rdzenia wewnątrz obudowy na uzwojeniu wtórnym pojawi się napięcie proporcjonalne do przesunięcia rdzenia. Czujnik ciśnienia Ciśnienie cieczy roboczej w układzie napędowym prasy postanowiono mierzyć za pomocą czujnika tensometrycznego. Zastosowano dostępny czujnik CL1, w którym zabudowano tensometry o oporności 350 w układzie pełnego mostka. Czujnik pokazano na Rys. 6, a jego specyfikację techniczną zamieszczono w tablicy Tab. 1. Czujnik wkręcono w obwód głównego cylindra prasy PYS250 według zaleceń [5, str.101]. W gnieździe przyłączeniowym osadzono podkładkę uszczelniającą wykonaną z miękkiej miedzi. Podkładkę wraz z króćcem przyłączeniowym czujnika pokazano na Rys. 7. Rys. 6. Czujnik ciśnienia CL1 (40MPa, 1,25 mv/v) ze złączem redukcyjnym M20x1,5 Rys. 7. Króciec czujnika P3M i miedziana uszczelka (gwint M20x1.5, klucz szkt.24) Tab. 1. Specyfikacja techniczna czujnika ciśnienia Czujnik Typ Produ -cent Tensometryczny, CL1 układ 4/4 Cechy identyfikacyjne Zakres [MPa] Oporność [] Parametry techniczne Czułość Zasilanie króciec [mv/v] max. ZEPWN ,25 10Vdc M20x1.5 Czujnik przemieszczenia Kabel Przyłącz. Do gniazda Lumberg 7pin, male W celu pomiaru liniowego przemieszczenia stempla wybrano PJx200, którego specyfikację techniczną podano w tablicy Tab. 2. Czujnik ma budowę rurową a rdzeń jego przesuwa się przelotowo. Przemieszczenie przesuwnego rdzenia jest rejestrowane w zakresie do150mm. Obudowę czujnika (poz. 4 na Rys. 4b) zamocowano w uchwycie związanym z dolną płytą oprawy poprzez odpowiedni uchwyt. Dzięki zastosowaniu takiego uchwytu łatwo jest regulować położenie, rdzenia dostosowując czujnik do każdego skoku suwaka, którego wartość zależy przecież od wykonanej operacji kształtowania. Tab. 2. Specyfikacja techniczna czujnika przemieszczenia Czujnik Typ Produ -cent PJx 200 Transformatorowy Peltron Cechy identyfikacyjne Zakres [mm] S/N Zasilanie 2V, 5 15mA 5kHz Parametry techniczne Średnica obudowy Długość obudowy Średnica rdzenia Kabel przyłączeniowy 20mm 265mm 4mm Do gniazda KD51 female Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 6

8 Obsługa czujników Do obsługi tensometrycznego czujnika ciśnienia potrzebny jest wzmacniacz pomiarowy o wzmocnieniu odpowiednio dobranym do czułości czujnika, która wyrażona jest w mv/v. Przetwornik tensometryczny należy do grupy czujników powszechnie stosowanych w pomiarach wielkości mechanicznych. Dlatego można było zrezygnować z zastosowania specjalnego przyrządu pomiarowego. Na rynku dostępnych jest wiele mostków tensometrycznych pozwalających na łatwą integrację w obwodach pomiarowych, które mając budowę modułową pozwalają na łączenie wielu zadań. Jednym z ważnych zadań, wykonywanych w przemysłowych torach pomiarowych, jest separacja galwaniczna linii sygnałowych. Jej celem jest zabezpieczenie poszczególnych elementów układu pomiarowego przed niszczącymi pomiarami. Według specyfikacji dostarczonej przez producenta transformatorowy czujnik przemieszczenia PTx150 wymaga zasilania zmiennym napięciem z falą nośną o częstotliwości 5 khz. Do jego obsługi producent czujnika oferuje przyrząd MPL102 zbudowany w postaci panelowej, który ma dwukanałowy wzmacniacz pomiarowy, wbudowany stabilizowany zasilacz (220V/50kHz) i woltomierz cyfrowy prądu stałego. Przyrząd przetwarza sygnały wyjściowe z przetwornika PTx150 na użytkowe sygnały pomiarowe. Wybrano standard napięciowy zapewniając uzyskanie na wyjściu napięć 10V dla przemieszczeń o wartościach nominalnych przetwornika ( 75mm i +75mm). Specyfikację przyrządu MPL102 pokazano w tablicy Tab. 3. Tab. 3. Specyfikacja techniczna przyrządu MPL102 Model Cechy identyfikacyjne Wzmocnienie Używane kanały MPL-102 Nr. 206/96 ampl. x1 channel 1 Mając na względzie wysoki stopień zabezpieczenia, zdecydowano się na użycie w torze pomiarowym rozwiązania wprowadzonego przez firmę Analog Devices pod nazwą układu 5B 2 (patrz Rys. 5). Jest to koncepcja budowy modułowych przyrządów pomiarowych w wykonaniu przemysłowym. Układ 5B składa się z samodzielnej płyty obwodów drukowanych z wydzielonymi gniazdami do osadzania modułów pomiarowych i przyłączania linii sygnałowych. Każdy moduł obsługuje jeden kanał pomiarowy. Sygnały wejściowe o rozmaitych standardach mogą być przyłączane indywidualnie do odpowiednich listew zaciskowych. Na wyjściu zaś sygnały, po odseparowaniu galwanicznym od źródła, wyprowadzone są w ujednoliconym standardzie. W budowanym układzie zastosowano jednakowy standard dla obu mierzonych wielkości, tj. siły i przemieszczenia, który zakłada udostępnianie wartości 5V przy nominalnych sygnałach generowanych przez przetworniki. Dobrano odpowiednie moduły: do toru pomiaru siły moduł mostka tensometrycznego z oddzieleniem galwanicznym wejścia od wyjścia, który zasila układ 4/4 tensometrów napięciem stałym i wzmacnia sygnał pomiarowy do toru pomiaru skoku moduł konwertera z oddzieleniem galwanicznym wejścia od wyjścia, który filtruje sygnał pomiarowy, czyli zapewnia blokowanie składowych sygnału o określonych częstotliwościach i obniża wartość sygnału do poziomu akceptowanego przez wejścia analogowe karty DAQ. Specyfikację wybranych modułów podano w tablicy Tab. 4. Tab. 4. Specyfikacja wybranych modułów układu 5B Tor Pomiarowy Model modułu 5B Cechy identyfikacyjne Sygnał wejściow Sygnał wyjściowy Realizowana obróbka sygnałów Kanały w układzie 5B y Przemieszczenie 5B31-03 Date code V 5V Dopasowanie + oddzielenie Chanel 0 Ciśnienie (siła) 5B38-02 Date code mV 5V Zasilanie czujnika + wzmocnienie + oddzielenie Chanel 1 Karta DAQ Specyfikację techniczną karty DAQ użytej w układzie pomiarowym do monitorowania operacji wyciskania podano w tablicy Tab. 5. Należy zauważyć, że karta pomiarowa ma możliwość podłączenia nawet szesnastu wejść. W układzie pomiaru parametrów wyciskania wykorzystano jedynie 2 kanały z dostępnych 16 wejść analogowych. Przemieszczenie liniowe, jako wymuszenie, przypisano do kanału nr 1, siłę (jest to odpowiedź na przesunięcie stempla dostarczana przez przyrząd, w którym włożono wstępniak celem uzyskania wyciśniętej wypraski) zaś do kanału nr Obecnie wiele firm oferuje takie moduły, m.in. DATAFORTH polski dystrybutor Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 7

9 Uaktualniony schemat blokowy zbudowanego dwukanałowego układu pomiarowego przedstawiono na Rys. 8. Jak widać składa się on z dwóch torów pomiarowych. Schemat montażowy, ilustrujący rozlokowanie poszczególnych urządzeń na stanowisku, pokazano na Rys. 9. wielkosc mierzona przetwornik przyrzad pomiarowy rejestrator cyfrowy przemieszczenie transformatorowy przyrzad z fala nosna oddzielenie galwaniczne sila tensometryczny mostek tensometryczny oddzielenie galwaniczne karta pomiarowa Rys. 8. Schemat blokowy układu pomiarowego przemieszczenia i siły na prasie PYS250 Liczba kanałów analog in Tab. 5. Specyfikacja karty DAQ Typ Dane identyfikacyjne Producent Rozdzielczość WE Liczba kanałów analog out Rozdzielczość WY Magistrala danych LC /92 Ambex bitów 2 12 bitów ISA Standardy wejść an Sposób podłączenia (analog) Standard sygnałów typu przełączającego Sposób podłączenia (digital) Zastosowane nastawy sprzętowe 10V, 5V D25 wspólny D9 wspólne (female) IRQ4, DRQ3 DRQ1, 5V, 2.5V, 05V An in, An out, (female) TTL Dig in + Dig out C/A A/C wzm.ukł. k= Układ 5B Komputer Pentium I 3 MPL PYS Rys. 9. Schemat montażowy komputerowego układu pomiarowego na stanowisku z prasą hydrauliczną do wyciskania: 1- cylinder powrotny, 2- cylinder roboczy, 3- suwak prasy, 4- czujnik przemieszczenia, 5- stół prasy, 6- manometr, 7- zasilacz hydrauliczny napędu prasy, 8- rozdzielacz, 9- czujnik ciśnienia na przewodzie dolotowym do cylindra roboczego, 10- elementy komputerowego układu rejestracji danych Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 8

10 Schemat torów pomiarowych Na Rys. 10 przedstawiono szczegółowy schemat torów pomiarowych, które w układzie DAQ użyto do pomiaru siły i przemieszczenia przy wyciskaniu przeciwbieżnym na prasie hydraulicznej PYS250. Na schemacie znajdują się elementy torów pomiarowych, czyli czujniki (PJx200, CL1), urządzenia pomiarowe (MPL102, 5B2H) oraz karta DAQ (LC [7]), którą zainstalowano w komputerze desktop (AT21). Oznaczone też zostały metody połączenia elementów wraz z oznaczeniami identyfikującymi przewody. Na schemacie znajdują się także podstawowe informacje techniczne o elementach układu. AN.IN1 5B kanl 1 wzmocnienie x1 złącze BNC MPL /96 gniazdo TGL, male ~220V Gniazdo Lumberg 7pin, female kanal 2 kanal 1 5B38-02 TYPE: ISOL FULL BRIDGE INPUT INPUT: -30mV +30mV OUTPUT: -5V +5V DATA CODE: złącze BNC 5B31-03 TYPE: ISOL VOLT INPUT INPUT: -10V +10V OUTPUT: -5V +5V DATA CODE: ~220V 5Vdc SXi50-05S CIĘCIE Cz-MPL102 Gniazdo TGL, female Układ kondycjonujący 5B2H separacja galwaniczna sn.463 5B2-LC012 czujnik przemieszczenia PJx200 firmy "Peltron" wtyk TGL, male gniazdo TGL, female S/N gniazdo Lumberg, 7pin, male CL1-5B / BI18 Tensometryczny przetwornik Ciśnienia 40MPa CL1 sn ,25 mv/v kanal 2 kanal 1 złącze 25pin AT-21 LC /-5V 15/97 karta akwizycji danych Rys. 10. Schemat torów pomiarowych przemieszczenia i siły przeznaczonych do monitorowania operacji wyciskania współbieżnego Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 9

11 Jak widać na Rys. 10 czujnik PJx200, wytwarzający sygnał pomiarowy proporcjonalny do wartości mierzonego przemieszczenia, przekazuje ten sygnał wzdłuż linii sygnałowej toru pomiaru przemieszczenia poprzez wszystkie elementy składowe do wejścia analogowego (kanał 1) karty DAQ. Pierwszym elementem jest przyrząd pomiarowy z falą nośną MPL102 3, który zasila czujnik PJx200 napięciem zmiennym, odbiera sygnał pomiarowy z czujnika, może wzmacniać sygnał (z czego zrezygnowano ustawiając wzmocnienie 1) i przygotowuje ten sygnał do przekazania dalej. Następnie sygnał pomiarowy przemieszczenia (teraz jest to już sygnał napięcia stałego, którego wartość mieści się w zakresie ±10V) jest przekazany do kolejnego urządzenia pomiarowego 5B2H, którego część 5B31-03 przynależna do toru 1 układu DAQ przede wszystkim przetwarza zakres napięciowy sygnału pomiarowego przemieszczenia tak, żeby pasował do wybranego na karcie DAQ zakresu napięcia wejściowego 4 (analog input karty DAQ). Czujnik CL1 wytwarza sygnał pomiarowy proporcjonalny do ciśnienia panującego w układzie hydraulicznym prasy i przekazuje go prosto do modułu pomiarowego 5B2H, a dokładniej do jego części przynależnej do toru 2 układu DAQ. Znajdujący się tam moduł 5B jest w istocie mostkiem tensometrycznym, który kompleksowo obsługuje czujniki tensometryczne. Mianowicie zasila układ pełnego mostka tensometrów napięciem o stałej wartości V exc =10V, odbiera sygnał pomiarowy z mostka i wzmacnia ten sygnał 167 krotnie z wartości V in max =30mV do V out max =5V ). Tam także sygnał pomiarowy zostaje oddzielony galwanicznie od czujnika, przefiltrowany i przygotowany do podania na wejście analogowe karty DAQ. Przypomnijmy, że wejście analogowe karty (jest to kanał 2 karty) jest ustawione na zakres ±5V, a więc nie będzie już potrzebne żadne inne przekształcenie sygnału w torze siły. Z dwukanałowego przyrządu pomiarowego 5B2H odpowiednio przygotowanym przewodem (wspólnym dla dwóch torów pomiarowych układu DAQ) obydwa sygnały (z toru 1 przemieszczenia i toru 2 siły/ciśnienia) przekazane są na odpowiednie wejścia analogowe karty DAQ. Karta ma zintegrowane gniazdo przyłączeniowe dla wejść i wyjść analogowych, dlatego trzeba było przygotowując przewód przyłączeniowy zdecydować o przepływie sygnałów pomiarowych. Zastosowano następujące przyporządkowanie: przemieszczenie kanał 1 (tor pomiarowy 1, wejście analogowe 1), siła/ciśnienie kanał 2 (tor pomiarowy 2, wejście analogowe 2). Przypomnijmy również, że specyfikacja karty przewiduje podłączenie sygnałów analogowych w konfiguracji ze wspólną masą, a kable sygnałowe powinny być ekranowane. Dlatego zgodnie z ogólnymi zaleceniami dotyczącymi podłączania ekranów do masy nie uziemiono kabli sygnałowych u urządzeniu rejestrującym. W karcie DAQ, zgodnie z jej podstawowym przeznaczeniem, analogowe sygnały pomiarowe są cyfrowane i przygotowane do przetworzenia przez oprogramowanie komputera stacjonarnego. Aby sprawdzić działanie każdego toru pomiarowego należy prześledzić jak sygnał pomiarowy zmienia swoją wartość na drodze od czujnika do karty akwizycji danych (urządzenie DAQ w komputerze). Tylko w ten sposób użytkownik uzyska informacje jak wyglądać będzie pomiar prowadzony przy pomocy przygotowanego układu DAQ. Dodatkowo taka analiza pokazuje, jak kolejne elementy składowe torów pomiarowych oddziałują na przenoszony w poszczególnych torach sygnał pomiarowy. Zrozumienie przekształcania sygnału jest też podstawą do wykonania prawidłowego wzorcowania torów pomiarowych, która to czynność serwisowa jest opisana np. w skrypcie [5] na str.66 dla toru przemieszczenia i na str dla siły i ciśnienia. Na Rys. 11 pokazano schematy ułatwiające prowadzenie wspomnianej analizy sygnału analogowego dla przypadku toru pomiarowego, w którym do pomiaru wielkości fizycznej zastosowano tensometryczny czujnik pomiarowy. Użyto przykład pomiaru siły czujnikiem o czułości S [mv/v] obsługiwanym wzmacniaczem pomiarowym o odpowiednim wzmocnieniu. Do zapisu pomiarowych danych w pamięci komputera zastosowano kartę DAQ z 12 bitowym przetwornikiem analogowo cyfrowym. Rozdzielczość 12 bitowa urządzenia DAQ umożliwia podział pełnego zakresu pomiarowego użytego czujnika na 2 12 =4096 działek. 3 Przyrząd MPL102 jest dwukanałowy dla stanowiska PYS250 wytypowano kanał 1 tego przyrządu; kanał 2 służy do obsługi toru pomiaru przemieszczenia na sąsiedniej prasie 4 Karta LC nie ma możliwości zdefiniowania odmiennych zakresów na poszczególnych wejściach analogowych dla jej wejść ustawiono wspólny zakres maksymalnego napięcia we wszystkich torach pomiaru wielkości analogowych na ±5V. Dlatego wykorzystano cechę przyrządu 5B2H, który na swoim kanale 1 zawierającym moduł konwertera napięcia 5B31-03 może obniżyć wysokie napięcie sygnału wychodzącego z MPL102, umożliwiając w ten sposób dostosowanie sygnału pomiarowego do akceptowanego przez kartę DAQ zakresu +/-5V Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 10

12 Tor pomiaru siły na prasie do wyciskania Przekształcenia jakim podlega sygnał napięciowy w torze pomiaru siły na prasie PYS250 można prześledzić na Rys. 12. Pionową linią kropkową oddzielono część fizyczną układu napędu suwaka (siła/ciśnienie zmieniające się w założonym zakresie) od części elektrycznej toru, w której zachodzą zaplanowane zmiany wartości napięcia sygnału niosącego do rejestratora informację ilościową o mierzonej sile. a) b) Rys. 11. Analiza przekształceń sygnału w komputerowym układzie pomiarowym z czujnikiem tensometrycznym: a) część toru pomiarowego składająca się z czujnika tensometrycznego i wzmacniacza, b) tor uzupełniony o cyfrowanie sygnału pomiarowego w 12 bitowej karcie DAQ Tensometryczny przetwornik ciśnienia CL1, którego zakres pomiarowy wynosi 40 MPa, może wygenerować niewielki sygnał pomiarowy o maksymalnym napięciu 12,5mV. Uzyskana wartość napięcia maksymalnego jest wynikiem czułości czujnika S=1,25 mv/v i napięcia 10 V użytego do zasilania czujnika. Czułość oznacza, że przy obciążeniu czujnika tensometrycznego maksymalnym ciśnieniem na każdy 1V z V exc =10V zasilania dostarczanego przez przyrząd pomiarowy 5B2H, przetwornik CL1 generuje 1,25mV sygnału pomiarowego. Na prasie PYS250 przy nacisku nominalnym 2500 kn układ tensometryczny czujnika CL1 będzie obciążony ciśnieniem 35,5 MPa. Przetwornik tensometryczny na takie obciążenie odpowie napięciowym sygnałem o wartości 11,1 mv, który jest przesyłany do urządzenia pomiarowego 5B2H. Zwróćmy uwagę, że urządzenie 5B2H może przyjąć napięcie o maksymalnej wartości 30mV. Następnie w mostku tensometrycznym urządzenia 5B2H (mostek znajduje się w module 5B38-02) napięcie zostaje wzmocnione w module stosownie do proporcji U out /U in = ±5V / ±30 mv. Zatem na wyjściu z urządzenia pomiarowego 5B2H pojawi się napięcie o wartości U out =1,85 V. Dalej ten sygnał pomiarowy informujący o działaniu siły 2500 kn jest podawany na wejście analogowe karty akwizycji danych (DAQ LC ). Przetwornik analogowo cyfrowy karty zamienia sygnał napięciowy na cyfrowany zgodnie z proporcją ΔV max / 2 12 = ±5V / 4096 = 10V / 4096, przyporządkowując każdej z 4096 działek (przedziałów) napięcie 2,44 mv. Wartości zerowej sygnału pomiarowego odpowiada połowa wartości wszystkich działek, czyli 2 12 / 2 = Wartości odpowiadającej maksymalnej sile 2500 kn, Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 11

13 jaką może wywierać suwak prasy PYS250, przy której na wyjściu z przyrządu pomiarowego pojawia się napięcie U out = 1,85 V, odpowiada liczba działek 2 12 / 2 + U out 2 12 / ΔV max = , / 10V = Zwróćmy uwagę, że obliczony poziom napięcia 2,44 mv przypadający na jedną działkę może posłużyć do oszacowania rozdzielczości z jaką zbudowany komputerowy układ pomiarowy zapisuje informację o wartości siły wywieranej przez suwak. Otóż z proporcji 2, / 1850 można oszacować, że jest to ok. 4 kn. Nie jest to dokładność pomiaru. Zagadnieniem obliczania dokładności pomiarów wykonywanych za pomocą układów komputerowej rejestracji danych zajmiemy się w jednym z następnych wykładów. Celem rozważań będzie poznanie sposobów szacowania dokładności pomiaru zarówno przy wyznaczaniu wielkości bezpośrednio mierzonych jak i wielkości złożonych, które zależą od wyników pomiaru dwóch i większej liczby bezpośrednio mierzonych wielkości fizycznych. Rys. 12. Zakresy zmienności napięcia sygnału pomiarowego w torze siły na prasie PYS250 (pomiar pośredni poprzez ciśnienie mierzone w hydraulicznym cylindrze prasy tensometrycznym przetwornikiem CL1, przyrządem pomiarowym 5B2H i 12 bitową kartą DAQ) Użytkownik toru pomiaru siły może w wyżej opisany sposób obliczyć spodziewaną wartość liczby działek, która odpowiada dowolnej wartości siły mierzonej przez użyty czujnik, przyrząd pomiarowy i kartę DAQ. W ten sposób jest w stanie kontrolować prawidłowość działania każdego toru pomiarowego. Wystarczy obciążyć suwak prasy siłą o znanej 5 Należy zaokrąglać liczbę rzeczywistą wyniku do liczby całkowitej Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 12

14 wartości, a na komputerze uruchomić program diagnostyczny 6. Szczególnym punktem jest brak obciążenia suwaka, przy którym komputer pobierający dane pomiarowe do rejestracji będzie zapisywał stałą wartość liczby działek, wynoszącą 2086, co jest połową pełnego zakresu pomiarowego Tak można postępować w przypadku każdej wielkości fizycznej, zwłaszcza tych łatwiejszych do zmierzenia, jak np. liniowe przemieszczenia. Powyższe postepowanie wykorzystuje się przy wzorcowaniu fizycznym, w którym wskazaniom wzorca określonej wielkości fizycznej przyporządkowuje się liczbie działek. W ten sposób powstaje charakterystyka wzorcowania, dzięki której układ komputerowej rejestracji będzie mógł zapisywać mierzone wartości wielkości fizycznych w jednostkach mianowanych. Zagadnienie wzorcowania komputerowych układów pomiaru przemieszczenia, siły i ciśnienia opasano w skrypcie [5] na str Alternatywnie można takie charakterystyki wyznaczyć analitycznie na podstawie wartości podanych w specyfikacji technicznej czujnika i przyrządu pomiarowego, które zastosowano w torze pomiarowym. LITERATURA 1 S.Erbel, K.Kuczyński, Z.Marciniak: Techniki wytwarzania. Obróbka plastyczna PWN, Warszawa W.P.Romanowski: Poradnik obróbki plastycznej na zimno. WNT Warszawa S.Erbel, K.Kuczyński, L.Olejnik: Obróbka plastyczna. Laboratorium OWPW, Warszawa 2003, str M.Makuch: "Konstrukcja matryc do kształtowania wyrobu metalowego sposobem przyrostowym i stacjonarnym". Praca dyplomowa inżynierska. Kier. MiBM. Politechnika Warszawska, WIP ITW L.Olejnik: Nadzorowanie zautomatyzowanych procesów obróbki plastycznej. OWPW Warszawa Michalski A., Tumański S., Żyła B.: Laboratorium miernictwa wielkości nieelektrycznych. Warszawa, Komputerowa karta pomiarowo-sterująca do akwizycji danych (DAQ) [LC INSTRUKCJA pdf]. AMBEX Dystrybutor EGMONT INSTRUMENTS (2016 lipiec) 6 Program diagnostyczny to oprogramowanie dostarczane przez producentów urządzeń DAQ, za pomocą których można sprawdzić prawidłowość działania wszystkich układów urządzenia (we/wy analogowych, we/we cyfrowych, prace licznika zdarzeń). W przypadku diagnozowania układu cyfrującego pomiary oprogramowanie podaje wartość napięcia podanego na wejście analogowe i odpowiadającą mu wartość działek, jaka będzie reprezentowała wartość tego napięcia przy jej zapisie w pamięci komputera Mierk-w03 przeksztalcenia sygnalu 12.doc L.Olejnik, UFGbySPD 13