PL245122B1

PL245122B1 - Method for determining the measure of axial run-out and method for eliminating axial run-out

Info

Publication number: PL245122B1
Application number: PL434917A
Authority: PL
Inventors: Sergiusz Łuczak
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2024-05-20
Also published as: PL434917A1

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.A method for determining the measure of axial runout of a substantially horizontal shaft, comprising placing a sensor on the shaft and then taking measurements as the shaft rotates, is characterized by using a sensor containing a single-axis electromechanical accelerometer located on a printed circuit board (4) contained in a two-piece housing ( 2a, 2b) containing a shaft and having a substantially cuboid shape with an open chamber in one wall, the printed circuit board (4) being located in this chamber, in the adjustment assembly (3), adjusted in two perpendicular axes by two screws, and as a measure of runout the angular deviation b of parallelism is determined in the space of the axis of rotation of the shaft and the axis of symmetry of the shaft by rotating the shaft and measuring the voltage U2 of the accelerometer and then calculating the deviation according to formula (A) in which U2max and U2min are the maximum and minimum measurement values, respectively, and U1max and U1min are the values of the accelerometer output signal determined in the calibration process and corresponding to its perfectly vertical orientation - with the accelerometer oriented vertically up and vertically down, respectively.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ do wyznaczania miary bicia osiowego wałka, zwłaszcza do wałków pracujących poziomo z niewielką prędkością obrotową.The subject of the invention is a system for determining the measure of axial runout of a shaft, especially for shafts operating horizontally at low rotational speed.

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.Dial gauges are typically used to measure shaft runout. A typical way to measure axial runout is to externally measure the displacement of the end of the shaft, in which a sensor mounted somewhere on the base touches the shaft's surface with its measuring tip. Other types of sensors are also known, e.g. contactless: inductive, magnetic, optical - including the particularly popular - laser.

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.The Polish patent application No. P.425929 discloses a vertical deviation sensor with a three-axis MEMS accelerometer equipped with a rectangular housing adapted to calibrate the accelerometer and having a special assembly for adjusting the accelerometer used.

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.Another measure of shaft runout is the deviation of parallelism of the rotating surfaces, which is the same as the deviation of parallelism in the space of two axes: the axis of physical rotation of the shaft and the axis of symmetry of the shaft. This deviation is expressed by the angle of two of its components in any mutually oriented perpendicular planes, approximately parallel to the axis of rotation of the shaft, e.g. vertical and horizontal planes, and the measure of the size of the deviation and also the measure of runout is the value b of this angle in the plane included between these two mutually perpendicular planes containing two of its component angles.

Znane w stanie techniki sposoby wyznaczania bicia wymagają zastosowania niezależnych od wałka zewnętrznych układów pozwalających na analizę jego ruchu.The methods of determining runout known in the state of the art require the use of external systems independent of the shaft that allow for the analysis of its movement.

Celem wynalazku jest rozwiązanie problemu wyznaczania wiarygodnej i powtarzalnej miary bicia osiowego bez stosowania zewnętrznego względem wałka układu pomiarowego.The purpose of the invention is to solve the problem of determining a reliable and repeatable measure of axial runout without using a measuring system external to the shaft.

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.The system for determining the measure of axial runout of a shaft with a gravity acceleration sensor is characterized in that the gravity acceleration sensor is a single-axis electromechanical accelerometer placed on a printed circuit board and is located in a two-part housing encompassing the shaft and having a substantially cuboid shape with an open chamber in one wall. The printed circuit board with the gravity acceleration sensor is located in the chamber, in the adjustment unit with adjustable angular orientation around two perpendicular shaft axes via the first screw and the second screw.

Przedmiot wynalazku został ukazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którymThe subject of the invention is shown in an embodiment in the drawing in which:

Fig. 1 przedstawia czujnik według przykładu wykonania wynalazku,Fig. 1 shows a sensor according to an embodiment of the invention,

Fig. 2 przedstawia zespół justerski w widoku z dołu, natomiastFig. 2 shows the juster assembly in a bottom view, while

Fig. 3 przedstawia przykładowe uzyskane miary bicia osiowego.Fig. 3 shows examples of the obtained axial runout measures.

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.The embodiment of the axial runout sensor shown in Fig. 1 includes a two-piece housing 2a and 2b. Parts 2a and 2b are connected to each other by screws 10. The housing has a substantially cuboid shape. The perpendicularity errors of the walls do not exceed 0.1 degree, which is achieved thanks to the housing made of stainless steel. The housing is equipped with a chamber open to one wall. This housing structure makes it easier to place the accelerometer in it.

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.The rectangular shape of the housing allows it to be placed on a calibration platform and then calibrate the accelerometer. The housing consists of two detachable parts 2a and 2b. Each of them has a prism groove for convenient and precise mounting on shaft 1, whose axial runout we want to determine.

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.The constructed axial runout sensor is based on the use of a single-axis MEMS accelerometer (gravitational acceleration sensor) to determine the measure of axial runout in a plane perpendicular to the axis of rotation of shaft 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.The electromechanical accelerometer is a printed circuit board with a gravitational acceleration sensor 4. This board is attached to the supporting part 3a of the justier assembly 3 with four screws 8 secured with nuts 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 samymThe justifier unit 3 is attached to the upper part of the housing 2a by means of two screws 5 passing through the mounting part 3b of the juster unit 3. Between the mounting part 3b of the juster unit 3 and the part 3a supporting the plate 4, the juster unit 3 is provided with a groove 3c partially surrounding the part assembly 3b. Thanks to this, the support part 3a and the mounting part 3b can be elastically moved relative to each other. Therefore, when the mounting part 3b is rigidly attached to the upper part of the housing 2a by screws 5, the part 3a supporting the gravitational acceleration sensor plate 4 can be moved freely. Meaning that

PL 245122 Β1 możliwe jest justowanie czujnika poprzez zmianę orientacji kątowej części wspierającej 3a zespołu justerskiego 3 względem górnej części obudowy 2a.PL 245122 Β1 it is possible to adjust the sensor by changing the angular orientation of the supporting part 3a of the adjustment unit 3 in relation to the upper part of the housing 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.In this embodiment, the adjustment unit was made of an aluminum alloy, but equally good results were also achieved when using beryllium bronze, brass or spring steel.

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.The orientation of the supporting part 3a of the adjustment unit 3 in relation to the housing is determined by adjustment screws passing through the walls of the upper part of the housing 2a. As shown in Fig. 2, the first adjustment screw 6 rests against the side of the adjustment unit 3, while the second adjustment screw 7 is oriented perpendicular to it. This configuration provides the ability to adjust the angular orientation of the accelerometer's sensitivity axis around two axes perpendicular to the axis of shaft 1 whose axial runout we want to determine.

Pomiary najłatwiej wykonywać bezprzewodowo za pomocą modułu komunikacyjnego zapewnionego na tej samej płytce drukowanej co akcelerometr, zapewniającego możliwość bezprzewodowej transmisji danych do zewnętrznych systemów.Measurements are most easily performed wirelessly using a communication module provided on the same printed circuit board as the accelerometer, providing the ability to wirelessly transmit data to external systems.

Wysoką dokładność wskazań czujnika uzyskuje się dzięki zastosowaniu obudowy umożliwiającej okresową szybką i bardzo prostą kalibrację czujnika na żądanie użytkownika.High accuracy of sensor readings is achieved thanks to the use of a housing that allows periodic, quick and very simple calibration of the sensor at the user's request.

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.Such calibration enables the temporary elimination of the following errors of the analog gravity acceleration sensor: thermal drifts of the output signal, time drifts of the output signal, calibration errors of the gravity acceleration sensor (value of the constant component and scaling factor), effects of aging of the electronic circuits of the sensor and accelerometer.

Parametry metrologiczne czujnika:Metrological parameters of the sensor:

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.measurement range: for example up to 10 degrees, measurement error of axial runout approx. 0.2 degree, output signals in the form of analog voltages variable in the range of approx. 1 -3 V, housing dimensions: 53x48x34 mm, housing volume: 68 cubic cm, board dimensions printed with a MEMS accelerometer: 22x27x3 mm, providing base surfaces in the form of prismatic grooves, necessary for precise mounting of the sensor housing on the shaft whose axial runout we want to determine.

Kalibracja czujnik przyśpieszenia grawitacyjnego umożliwia wyznaczenie wartości jego podstawowych parametrów użytkowych: składowej stałej oraz współczynnika skalowania.Calibration of the gravity acceleration sensor allows you to determine the values of its basic operational parameters: constant component and scaling factor.

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.Alignment allows for precise positioning of the accelerometer relative to the housing, i.e. to orient the accelerometer's sensitivity axis in such a way that it is parallel or perpendicular to the appropriate walls of the housing.

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.The principle of determining the measure of axial runout of the tested shaft is to record the variability of the output voltage value from the accelerometer during the rotation of the shaft within the full angle range. The greater the axial runout of the shaft, the greater the amplitude of the recorded output voltage from the accelerometer, as shown in Fig. 3, where the axial runout 1 is greater than the axial runout 2, and the axial runout 2 is greater than the axial runout 3.

Wartość kątową miary bicia osiowego wyznacza się na podstawie funkcji w postaci:The angular value of the measure of axial runout is determined based on the function in the form:

gdzie:Where:

— arcsin · U2_min U— arcsin · U2 _min U

- ui min- 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),U1max - accelerometer output voltage corresponding to the effect of gravitational acceleration + 1 g (g = 9.81 m/s*s), determined during calibration of the accelerometer (using the rectangular sensor housing),

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),U1min - accelerometer output voltage corresponding to the effect of gravitational acceleration -1 g (g = 9.81 m/s*s), determined during calibration of the accelerometer (using the rectangular sensor housing),

PL 245122 Β1PL 245122 Β1

U2max - napięcie wyjściowe akcelerometru odpowiadające maksymalnej wartości zarejestrowanej podczas pomiaru bicia osiowego,U2max - accelerometer output voltage corresponding to the maximum value recorded during axial runout measurement,

U2_min - napięcie wyjściowe akcelerometru odpowiadające minimalnej wartości zarejestrowanej podczas pomiaru bicia osiowego,U2 _m in - accelerometer output voltage corresponding to the minimum value recorded during axial runout measurement,

Dodatkowo można wyznaczyć kąt pochylenia względem pionu samej osi obrotu wałka na podstawie funkcji cyklometrycznej w postaci:Additionally, the angle of inclination relative to the vertical of the shaft rotation axis can be determined based on the cyclometric function in the form:

arcsm----+ U2_rai_n arcsm----+ U2 _ra and _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.In the case of a shaft with adjustable inclination, axial runout of the tested shaft is eliminated by changing the angular orientation of its axis of symmetry relative to the axis of its rotation, based on the sensor readings. It is then not necessary to repeatedly record the accelerometer output voltage while rotating the shaft through a full angle.

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).To eliminate runout in one plane, simply set the shaft in two angular positions. To eliminate runout in two planes, it is enough to set the shaft in four angular positions, approximately a few degrees apart by a right angle, for example two positions in the horizontal plane (right/left) and two positions in the vertical plane (up/down). In each position, the corresponding output voltage of the accelerometer is read - UO, U90, U180, U270, respectively. Then, in each of these two planes, after setting the appropriate angular position of the shaft, the angular orientation of its symmetry axis is changed in such a way that the output voltage indicated by the accelerometer will be equal to the average value of the voltages corresponding to the previously set two transitions O+17180,, U0+U130 and opposite the position of the shaft in this plane (i.e.: -------or-------or).

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.Since the occurrence of axial runout of a rotating shaft is very harmful and often dangerous, the proposed method of eliminating it can be used in many technical applications, e.g. in machine tools when machining elements with rotational symmetry, especially in cases where the value of axial runout may change in as a result of external forces (e.g. cutting), which creates a potentially dangerous situation. The use of the proposed system to determine the measure of axial runout provides not only the possibility of determining its value at the moment of measurement, but also the possibility of continuous monitoring.

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.The system according to the invention works best with rollers operating horizontally at low rotational speed. At high rotational speeds, even a small unbalance caused by the connection of the device has negative consequences. To perform the measurement, it should be possible to force the shaft to rotate slowly. Alternatively, if it is necessary to work at high rotational speeds, the measurement can be carried out after statically and dynamically balancing the sensor mounted on the monitored shaft.

Claims

1. A system for determining the measure of axial runout of a substantially horizontal shaft (1) with a gravitational acceleration sensor (4), characterized in that the gravitational acceleration sensor (4) is a single-axis electromechanical accelerometer placed on a printed circuit board and located in a two-piece housing (2a, 2b). containing a shaft (1) and having a substantially cuboid shape with a chamber open in one wall, the printed circuit board with the gravity acceleration sensor (4) being located in the chamber, in the adjustment assembly (3) with adjustable angular orientation about two perpendicular axes of the shaft (1 ) through the first screw (6) and the second screw (7).