4. Вимірювальні системи для балансувальних верстатів
Більшість виробників-любителів балансувальних верстатів, які звертаються до ТОВ "Кінематика", планують використовувати у своїх конструкціях вимірювальні системи серії "Balanset", виготовлені нашою компанією. Однак є й такі замовники, які планують виготовляти такі вимірювальні системи самостійно. Тому є сенс обговорити побудову вимірювальної системи для балансувального верстата більш детально. Основною вимогою до таких систем є необхідність забезпечення високоточних вимірювань амплітуди і фази обертальної складової коливального сигналу, що з'являється на частоті обертання збалансованого ротора. Ця мета зазвичай досягається за рахунок використання комбінації технічних рішень, в тому числі:
4.1. Вибір датчиків вібрації
У вимірювальних системах балансувальних верстатів можуть використовуватися різні типи датчиків (перетворювачів) вібрації, в тому числі:
4.1.1. Датчики віброприскорення
Серед датчиків віброприскорення найбільш поширеними є п'єзо- та ємнісні (чипові) акселерометри, які можуть бути ефективно використані в балансувальних верстатах типу "м'який підшипник". На практиці, як правило, допустимо використовувати датчики віброприскорення з коефіцієнтом перетворення (Kпр) в діапазоні від 10 до 30 мВ/(м/с²). У балансувальних верстатах, які вимагають особливо високої точності балансування, доцільно використовувати акселерометри з Кпр, що досягають рівня 100 мВ/(м/с²) і вище. Як приклад п'єзоакселерометрів, які можуть бути використані в якості датчиків вібрації для балансувальних верстатів, на рисунку 4.1 показані п'єзоакселерометри ДН3М1 і ДН3М1В6 виробництва ТОВ "Вимірювач".
Рисунок 4.1. П'єзоакселерометри DN 3M1 та DN 3M1V6
Для підключення таких датчиків до вібровимірювальних приладів і систем необхідно використовувати зовнішні або вбудовані підсилювачі заряду.
Рисунок 4.2. Ємнісні акселерометри AD1 виробництва ТОВ "Кінематика"
Слід зазначити, що ці датчики, до яких відносяться широко розповсюджені на ринку плати ємнісних акселерометрів ADXL 345 (див. рис. 4.3), мають кілька суттєвих переваг перед п'єзоакселерометрами. Зокрема, вони в 4-8 разів дешевші при схожих технічних характеристиках. Крім того, вони не потребують використання дорогих і вибагливих підсилювачів заряду, необхідних для п'єзоакселерометрів.
У випадках, коли обидва типи акселерометрів використовуються у вимірювальних системах балансувальних верстатів, зазвичай виконується апаратне інтегрування (або подвійне інтегрування) сигналів датчиків.
Рисунок 4.2. Ємнісні акселерометри AD 1 в зборі.
Рисунок 4.3. Плата ємнісного акселерометра ADXL 345.
При цьому вихідний сигнал датчика, пропорційний віброприскоренню, відповідно перетворюється в сигнал, пропорційний віброшвидкості або переміщенню. Процедура подвійного інтегрування сигналу вібрації особливо актуальна при використанні акселерометрів у складі вимірювальних систем низькошвидкісних балансувальних верстатів, де нижній діапазон частот обертання ротора при балансуванні може досягати 120 об/хв і нижче. При використанні ємнісних акселерометрів у вимірювальних системах балансувальних верстатів слід враховувати, що після інтегрування їх сигнали можуть містити низькочастотні завади, що проявляються в діапазоні частот від 0,5 до 3 Гц. Це може обмежити нижній частотний діапазон балансування на верстатах, призначених для використання цих датчиків.
4.1.2. Датчики віброшвидкості 4.1.2.1. Індуктивні датчики віброшвидкості. Ці датчики складаються з індуктивної котушки та магнітного осердя. Коли котушка вібрує відносно нерухомого осердя (або осердя відносно нерухомої котушки), в котушці індукується ЕРС, напруга якої прямо пропорційна швидкості вібрації рухомого елемента датчика. Коефіцієнти перетворення (Кпр) індуктивних датчиків зазвичай досить високі, досягаючи декількох десятків і навіть сотень мВ/мм/сек. Зокрема, коефіцієнт перетворення датчика Schenck моделі T77 становить 80 мВ/мм/сек, а для датчика IRD Mechanalysis моделі 544M - 40 мВ/мм/сек. У деяких випадках (наприклад, в балансувальних верстатах Schenck) використовуються спеціальні високочутливі індуктивні датчики віброшвидкості з механічним підсилювачем, де Кпр може перевищувати 1000 мВ/мм/сек. При використанні індуктивних датчиків віброшвидкості у вимірювальних системах балансувальних верстатів можна також виконувати апаратне інтегрування електричного сигналу, пропорційного віброшвидкості, з перетворенням його в сигнал, пропорційний вібропереміщенню.
Рисунок 4.4. Датчик моделі 544M компанії IRD Mechanalysis.
Рисунок 4.5. Датчик моделі T77 фірми Schenck Слід зазначити, що через трудомісткість виробництва індуктивні датчики віброшвидкості є досить дефіцитними і дорогими елементами. Тому, незважаючи на очевидні переваги цих датчиків, самодіяльні виробники балансувальних верстатів використовують їх дуже рідко.
4.1.2.2. Датчики віброшвидкості на основі п'єзоелектричних акселерометрів. Датчик такого типу відрізняється від стандартного п'єзоелектричного акселерометра наявністю в корпусі вбудованого підсилювача заряду та інтегратора, що дозволяє йому видавати сигнал, пропорційний швидкості вібрації. Для прикладу, п'єзоелектричні датчики віброшвидкості вітчизняних виробників (компанія ZETLAB та ТОВ "Віброприлад") показані на рисунках 4.6 та 4.7.
Рисунок 4.6. Датчик моделі AV02 компанії ZETLAB (Росія)
Рисунок 4.7. Датчик моделі DVST 2 виробництва ТОВ "Віброприлад" Такі датчики випускаються різними виробниками (як вітчизняними, так і зарубіжними) і в даний час широко використовуються, особливо в портативному віброобладнанні. Вартість таких датчиків досить висока і може досягати 20 000 - 30 000 рублів за штуку навіть у вітчизняних виробників.
4.1.3. Датчики переміщення У вимірювальних системах балансувальних верстатів також можуть використовуватися безконтактні датчики переміщення - ємнісні або індуктивні. Ці датчики можуть працювати в статичному режимі, дозволяючи реєструвати коливальні процеси, починаючи з 0 Гц. Їх використання може бути особливо ефективним у разі балансування тихохідних роторів зі швидкістю обертання 120 об/хв і нижче. Коефіцієнти перетворення цих датчиків можуть досягати 1000 мВ/мм і вище, що забезпечує високу точність і роздільну здатність вимірювання переміщень навіть без додаткового підсилення. Очевидною перевагою цих датчиків є їх відносно невисока вартість, яка у деяких вітчизняних виробників не перевищує 1000 рублів. При використанні цих датчиків в балансувальних верстатах важливо враховувати, що номінальний робочий зазор між чутливим елементом датчика і поверхнею вібруючого об'єкта обмежений діаметром котушки датчика. Наприклад, для датчика, зображеного на рисунку 4.8, моделі ISAN E41A фірми "TEKO", вказаний робочий зазор зазвичай становить від 3,8 до 4 мм, що дозволяє вимірювати переміщення вібруючого об'єкта в діапазоні ±2,5 мм.
Рисунок 4.8. Індуктивний датчик переміщення моделі ISAN E41A фірми "ТЕКО" (Росія)
4.1.4. Датчики сили Як зазначалося раніше, датчики сили використовуються у вимірювальних системах, встановлених на балансувальних верстатах з жорсткими підшипниками. Ці датчики, зокрема, завдяки простоті виготовлення та відносно низькій вартості, зазвичай є п'єзоелектричними датчиками сили. Приклади таких датчиків показані на рисунках 4.9 і 4.10.
Рисунок 4.9. Датчик сили SD 1 виробництва ТОВ "Кінематика
Рисунок 4.10: Датчик сили для автомобільних балансувальних верстатів, що продаються "СТО Маркет" Для вимірювання відносних деформацій в опорах балансувальних верстатів з жорсткими підшипниками також можуть використовуватися тензометричні датчики сили, які випускаються широким спектром вітчизняних і зарубіжних виробників.
4.2. Датчики фазового кута Для синхронізації процесу вимірювання вібрації з кутом повороту зрівноваженого ротора використовуються датчики кута зсуву фаз, такі як лазерні (фотоелектричні) або індуктивні датчики. Ці датчики випускаються в різних конструкціях як вітчизняними, так і зарубіжними виробниками. Діапазон цін на такі датчики може значно відрізнятися, приблизно від 40 до 200 доларів. Прикладом такого пристрою є датчик фазового кута виробництва компанії "Diamex", показаний на рисунку 4.11.
Рисунок 4.11: Датчик фазового кута фірми "Diamex"
Як інший приклад, на рис. 4.12 показано модель, реалізовану ТОВ "Кінематика", яка використовує лазерні тахеометри моделі DT 2234C китайського виробництва як датчики фазового кута. До очевидних переваг цього датчика можна віднести
Рисунок 4.12: Лазерний тахометр моделі DT 2234C
У деяких випадках, коли використання оптичних лазерних датчиків небажане з будь-яких причин, їх можна замінити індуктивними безконтактними датчиками переміщення, такими як раніше згадана модель ISAN E41A або аналогічними продуктами інших виробників.
4.3. Особливості обробки сигналів у датчиках вібрації Для точного вимірювання амплітуди і фази обертальної складової сигналу вібрації в балансувальному обладнанні зазвичай використовується комбінація апаратних і програмних засобів обробки. Ці інструменти дозволяють:
4.3.1. Фільтрація широкосмугового сигналу Ця процедура необхідна для очищення сигналу датчика вібрації від потенційних перешкод, які можуть виникати як на нижній, так і на верхній межі частотного діапазону приладу. Для вимірювального пристрою балансувального верстата бажано встановити нижню межу смугового фільтра на рівні 2-3 Гц, а верхню - на рівні 50 (100) Гц. "Нижня" фільтрація допомагає придушити низькочастотні шуми, які можуть з'являтися на виході різних типів вимірювальних підсилювачів датчиків. "Верхня" фільтрація усуває можливість виникнення перешкод, обумовлених комбінаційними частотами і потенційними резонансними коливаннями окремих механічних вузлів машини.
4.3.2. Підсилення аналогового сигналу з датчика Якщо є необхідність підвищити чутливість вимірювальної системи балансувального верстата, сигнали від датчиків вібрації, що надходять на вхід вимірювального блоку, можна підсилити. При цьому можуть використовуватися як стандартні підсилювачі з постійним коефіцієнтом підсилення, так і багатокаскадні підсилювачі, коефіцієнт підсилення яких можна програмно змінювати в залежності від реального рівня сигналу з датчика. Прикладом програмованого багатокаскадного підсилювача є підсилювачі, реалізовані в вимірювальних перетворювачах напруги типу Е154 або Е14-140 виробництва ТОВ "Л-Кард".
4.3.3. Інтеграція Як зазначалося раніше, у вимірювальних системах балансувальних верстатів рекомендується застосовувати апаратне інтегрування та/або подвійне інтегрування сигналів датчиків вібрації. Таким чином, початковий сигнал акселерометра, пропорційний віброприскоренню, може бути перетворений в сигнал, пропорційний віброшвидкості (інтегрування) або вібропереміщенню (подвійне інтегрування). Аналогічно, сигнал датчика віброшвидкості після інтегрування може бути перетворений на сигнал, пропорційний вібропереміщенню.
4.3.4. Вузькосмугова фільтрація аналогового сигналу за допомогою стежачого фільтра Для зменшення перешкод і підвищення якості обробки сигналів вібрації у вимірювальних системах балансувальних верстатів можуть використовуватися вузькосмугові стежачі фільтри. Центральна частота цих фільтрів автоматично налаштовується на частоту обертання ротора, що балансується, за сигналом датчика обертання ротора. Для створення таких фільтрів можуть бути використані сучасні інтегральні мікросхеми, такі як MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 фірми "MAXIM".
4.3.5. Аналого-цифрове перетворення сигналів Аналого-цифрове перетворення є важливою процедурою, яка забезпечує можливість підвищення якості обробки сигналів вібрації під час вимірювання амплітуди та фази. Ця процедура реалізована у всіх сучасних вимірювальних системах балансувальних верстатів. Прикладом ефективної реалізації таких АЦП є вимірювальні перетворювачі напруги типу Е154 або Е14-140 виробництва ТОВ "Л-Кард", що використовуються в декількох вимірювальних системах балансувальних верстатів виробництва ТОВ "Кінематика". Крім того, ТОВ "Кінематика" має досвід використання більш дешевих мікропроцесорних систем на базі контролерів "Arduino", мікроконтролера PIC18F4620 фірми "Microchip" та подібних пристроїв.
Автор статті : Фельдман Валерій Давидович
Редактор та переклад: Микола Андрійович Шелковенко
Прошу вибачення за можливі помилки в перекладі.
UK 
EN 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
EL 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
VI