Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Przedmiot: DIAGNOSTYKA I NADZOROWANIE SYSTEMÓW OBRÓBKOWYCH Temat: Pomiar charakterystyk czujników indukcyjnych i wiroprądowych, wyznaczenie wybranych błędów geometrycznych obrabiarki. Nr ćwiczenia: 7 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: S U 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 I 1 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 L 1 oraz prąd zasilania I 1. 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: S T - 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?