Témata
Reklama

Bezkontaktné snímanie kmitavosti konštrukčných častí strojov a zariadení

18. 11. 2009

Pri prevádzke strojného systému, zariadenia alebo niektorej jeho časti môžu vznikať poruchy vyvolané opotrebením kontaktných častí, uvoľnením alebo nalomením upnutých častí, deformáciou, teplotnou rozťažnosťou a podobne. Tieto poruchové faktory spôsobujú poruchu, ktorá sa prejaví zmenou trajektórie bodov na povrchu uvažovaného elementu. Ak sa zameriame na určitú skupinu týchto bodov, tak na základe snímania ich pohybu dokážeme stanoviť poruchový stav ešte skôr, ako by mohlo dôjsť k havarijnému stavu.

Toto je možné uplatniť aj pri identifikácií porúch vo výrobných strojoch a zariadeniach, kde je havarijný stav obzvlášť nežiaduci. Uvažované snímanie trajektórie je možné veľmi výhodne a efektívne realizovať optickou metódou.

Reklama
Reklama
Reklama
Bezkontaktne meranie technického stavu elektroinštalačných prvkov. Ich uvoľnenie a následne kmitanie v dôsledku zmeny elektrického odporu a ohrevu je bezkontakne a bezdemontazne diagnostikovateľné termokamerou.

Optický senzor na monitorovanie kmitavosti konštrukčných častí

Celé zariadenie na monitorovanie kmitavosti konštrukčných častí pozostáva z dvoch základných častí, a to:

1) zo samostatného optického senzora;

2) zo svetelnej závory, ktorá je pevne pripevnená na držiaku.

Optický senzor je elektronické zariadenie, ktoré slúži na vyhodnotenie výstupného signálu prichádzajúceho zo svetelnej závory na vstup optického senzora. Optický senzor je umiestnený mimo kontaktnej zóny a zo svetelnou závorou je spojený len pomocou elektrického kábla.

Svetelná závora je tvorená vysielačom a prijímačom, ktoré sú pripevnené oproti seba v optickej osi na držiaku, ktorý je skrutkami spojený s pevnou predlženou úchytkou. Držiak sa dá jednoducho, pomocou skrutiek nastaviť, tak aby optická os medzi vysielačom a prijímačom bola presne nastavená na miesto snímania. Prijímač svetelnej závory je umiestnený na hornej časti držiaka, aby nedochádzalo k rušeniu z okolitého vonkajšieho svetla.

Obr. 1. Znázornenie princípu činnosti snímania zmeny trajektórie snímaného komponentu (technicky stav je v poriadku)
Obr. 2. Znázornenie princípu činnosti snímania zmeny trajektórie snímaného komponentu (technicky stav je s poruchou)

Princíp zariadenia je založený na postupnom prekrývaní svetelného lúča vysielaného z vysielača do prijímača svetelnej závory. Optický senzor zaznamenáva veľkosť prepusteného svetelného lúča cez snímaný komponent pri meraní. Je nastavený tak, aby cez snímaný komponent prechádzala určitá veľkosť svetelného toku (obr. 1). Ak sa pri meraní zmení veľkosť prierezu svetelného lúča od pôvodnej hodnoty prichádzajúceho od prijímača (meraný komponent zmení svoju trajektóriu v rámci požadovanej tolerancie - obr. 2), optický senzor vyhodnotí túto situáciu ako vznik poruchového stavu a vyšle varovný signál. Zväčšovaním zmeny trajektórie vplyvom zvyšovania stupňa poruchy dochádza k zmene tienenia prechádzajúceho lúča a tým aj k zmene obmedzenia prechodu optického výkonu z vysielacej do prijímacej časti senzora. Aby bola dosiahnutá požadovaná citlivosť zariadenia, predraďujú sa pred snímacie prvky (šošovky) clony s otvormi, ktoré zredukujú veľkosť efektívneho lúča. Zmenšovaním šírky clonky snímacieho prvku sa zväčšuje jeho citlivosť. Celé zariadenie je chránené proti chveniu sústavy a nepriaznivým vplyvom (prelietaniu pevných častíc cez svetelný lúč) oneskorovacím obvodom, ktorý spomaľuje narastajúcu amplitúdu chvenia sústavy a prijíma len stredný priemer tejto spomalenej amplitúdy. Praktické prevedenie snímania je na obr. 3.

Obr. 3. Praktická aplikácia snímania kmitavosti obrobku počas obrábania sústruhom

Návrh optického snímača

Pri návrhu optického snímača sa dbalo na jednoduchosť a miniatúrnosť, t. j. aby na jeho vyhotovenie bolo potrebných čo najmenej súčiastok. Z tohto dôvodu boli použité integrované obvody obsahujúce zlúčené viaceré súčiastky na jednom čipe. Na základe týchto požiadavkov bola navrhnutá schéma zapojenia optického snímača (obr. 4). Ako vstupný obvod je použitý snímač pracujúci na princípe napäťového deliča tvoreného jednou časťou vysoko citlivým snímacím prvkom (fototranzistor KP 101). Ďalšia časť je tvorená potenciometrom, ktorý umožňuje plynule meniť hodnotu napätia na báze tranzistora T1 podľa potreby. Tento vstupný obvod tvorí zosilňovací stupeň, z ktorého signál je vedený do regulátora. Funkcia regulátora spočíva v porovnávaní vstupného signálu s pevne nastavenou hodnotou a vyslaním signálu pri prekročení tejto hodnoty. Ochranná funkcia voči poruchovému stavu v prípade úplného zatienenia clony je zabezpečená vetvou tvorenou trimrom TR2, ktorá vyradí regulátor z prevádzky. Po zohľadnení požadovaných vlastnosti elektrického obvodu splňujúceho predpokladané kritériá bol navrhnutý príslušný plošný spoj.

Obr. 4. Schéma zapojenia obvodu s optickým snímačom

Overovanie funkčnosti elektrického zapojenia obvodu optického snímača

Úlohou bolo overiť funkčnosť optického snímača pri rôznych prierezoch štrbiny clony meraním napätia na rôznych výstupoch elektrického obvodu. Princíp merania spočíva v zmene obmedzenia prechodu veľkosti svetelného výkonu z vysielača do prijímača optickej clony.

Pri tomto meraní bola experimentálne overená funkčnosť optického senzora postupným zatieňovaním svetelného lúča medzi vysielačom a prijímačom pri dvoch veľkostiach prierezu štrbiny clony 2 a 3 mm. Meranie vychádzalo z oživenia optického senzora pripojením na zdroj elektrickej energie. Ako zdroj bola použila 4,5voltová batéria. Po oživení a skontrolovaní základných funkcií sa optický senzor prepojil so svetelnou závorou. Ako zatieňovacie teleso, ktoré nahrádza meraný objekt pri kontrole, bolo požité posuvné meradlo z dôvodu presnosti merania vzdialenosti pri zatieňovaní svetelného lúča. Pred samotným meraním bolo veľmi dôležité nastaviť správnu citlivosť senzora, a to zväčšovaním a zmenšovaním odporov pomocou potenciometrov. Prvé meranie sa prevádzalo pri priereze štrbiny clony 3 mm. Posuvné meradlo sa nastavilo na rozmedzie 10 mm. Zmenšovaním tejto hodnoty po krokoch sa postupne zatieňoval svetelný lúč. Po každom kroku sa odmeralo napätie na jednotlivých svorkách a hodnoty sa zapísali do tabuľky. Ako vidieť z grafu, pri hodnotách vzdialenosti 4,9, 5,0 a 5,1 mm došlo k takému zatieneniu svetelného lúča, že sa rozsvietila dióda na optickom snímači, čo by malo za následok prudkú zmenu hodnoty meranej veličiny. Týmto spôsobom sa namerali hodnoty pri priereze štrbiny clony 2 a 3 mm. Z nameraných hodnôt boli vygenerované nasledovné grafy (obr. 5 a 6).

Obr. 5. Priebehy napätia v závislosti od zatienenia svetelného lúča meraných na jednotlivých meracích svorkách pri veľkosti štrbiny clony 3 mm
Obr. 6. Priebehy napätia v závislosti od zatienenia svetelného lúča meraných na jednotlivých meracích svorkách pri veľkosti štrbiny clony 2 mm

Z priebehu je vidieť prudký nárast napätia na meracej svorke 2 pri zatienení clony štrbiny s posuvom tienidla s polohy 4,8 mm do polohy 5,1 mm, čo predstavuje rozdiel 0,3 mm s max. rozdielom napätia 4,46 V (obr. 5). Tento údaj hovorí o pomerne vysokej citlivosti tohto snímača a vidieť rozdiely tejto citlivosti v porovnaní s jednotlivými prierezmi štrbiny.

Pri veľkosti štrbiny clony 2 mm prudký nárast napätia na meracej svorke 2 nastal už len pri hodnotách zatienenia 4,9 a 5,0 mm, čo poukazuje na zmenu citlivosti optického snímača pri zmene šírky štrbiny clony na prijímači svetelnej závory.

Záver

Praktické meranie preukázalo veľmi dobré výsledky z hľadiska použiteľnosti v praktickej aplikácií s potrebou dosahovania vysokej citlivosti merania. Meraním boli zistené mnohé výhody tejto metódy merania založenej na princípe snímania zmeny trajektórie meraného komponentu, a to z hľadiska odolnosti voči väčšine rušivých vplyvov (napr. rušenie elektromagnetickým poľom, rušenie spôsobené zmenou elektrickej vodivosti prostredia, rušenie tlakom, rušenie vibráciami, rušenie vplyvom teploty a rušenie zmenou tlaku prostredia a pod). Návrhom simulačného obvodu bol možný principiálny popis funkcie snímača v náväznosti na možnosť regulácie realizovaním korekčného posuvu.

Nevhodnosť ostatných typov snímačov bola z rôznych dôvodov. Kapacitný snímač bol príliš rušený zmenou izolačných vlastností prostredia. Indukčný snímač mal nedostatočnú citlivosť a bol podstatne rušený parazitným elektromagnetickým poľom. Tenzometrický snímač bol náchylný na preťaženie deformačnými silami a piezoelektrický potreboval citlivý vysokofrekvenčný zosilňovač s pásmovopriepustným filtrom, ktorého parametre sú podstatne ovplyvnené rušivými javmi. Skúšky merania vykonané v modelových podmienkach, aj v samotnom procese, sa ukázali veľmi užitočné a sľubujú v praxi značný ekonomický prínos. Veľkou výhodou snímača je jeho konštrukčná jednoduchosť, odolnosť voči väčšine rušivých vplyvov, jednoduchá údržba a nízke náklady na výrobu.

 

Tento článok bol písaný v rámci projektu Vývoj, realizácia a overenie technického systému pre bezkontaktnú optickú identifikáciu a nadväznú korekciu rozmerového opotrebenia výrobného nástroja počas plynulého priebehu výrobných operácií, č. 1/0562/08 na FVT.

Radoslav Kreheľ, Jozef Dobránsky

FVT TU Košice so sídlom v Prešove

//web.tuke.sk/fvtpo/

radoslav.krehel@tuke.sk

Literatúra

European Journal of Control.

[2]     SVETLÍK, J., DOBRÁNSKY, J. MPRC - multiprofesné výrobné robotické centrum. In Výrobné inžinierstvo. 2005, roč. 4, č. 4, s. 50-52. ISSN 1335-7972.

[3]     ZHOu, J., Andersson, M., STAHL, J. A System for Monitoring Cutting Tool Spontaneous Failure Based on Stress Estimation. J. of Materials Processing Technology. 1995, no. 48, s. 231-237.

Reklama
Vydání #11
Kód článku: 91103
Datum: 18. 11. 2009
Rubrika: Výroba / Údržba
Autor:
Firmy
Související články
Prediktivní údržba zvyšuje efektivitu

Přes nesporné výhody prediktivní údržby je její aplikace do praxe průmyslových podniků zatím spíše sporadická. S přechodem na prediktivní údržbu pomáhá společnost SKF nejen svým zákazníkům, ale vše zavádí i ve svých závodech.

Utěrky v zátěžovém testu

V provozovnách a výrobních zařízeních v průmyslovém a živnostenském odvětví se objevují nečistoty nejrůznějšího druhu. Mnoho firem se při čištění strojů a pracovišť spoléhá na textilní utěrky pro opakované použití.

Jak změnit Big data na Smart data

Sběr dat je jedna věc, avšak dát jim smysl je to, co přidává hodnotu. V moderní průmyslové hantýrce se jedná o změnu dat z „big data“ na „smart data“.

Související články
Digitalizace ve vyhodnocování stavu strojů

Posuzování stavu strojů bez nutnosti odstavení je dnes důležitější než kdy dříve. SKF proto vyvinula systém SKF Enlight založený na sběru dat pomocí mobilních zařízení a jejich ukládání a analýze v cloudové aplikaci, který je vhodný pro potřeby globálního průmyslu. Nové řešení zvyšuje účinnost kontroly a snižuje náklady na údržbu. Provozovatelům také poskytuje v reálném čase rozsáhlá data o výkonnosti a spolehlivosti strojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nanovlákenná membrána v oknech ochrání stroje i pracovníky

Zatímco o smogu v ulicích se vedou časté debaty, znečištěný vzduch v interiéru patří k opomíjeným tématům. A to i přesto, že podle Světové zdravotnické organizace stojí život 4,3 milionu lidí ročně a v průmyslových objektech ohrožuje jak zdraví pracovníků, tak samotný provoz. Díky rozvoji moderních technologií nyní interiér účinně ochrání nanovlákenná okenní membrána.

Asset management průmyslových podniků

Velkým tématem průmyslových podniků na celém světě je řízení provozních nákladů, neboť firmy si uvědomují, že účinná správa provozních prostředků v průběhu celého životního cyklu může snížit celkové náklady na vlastnictví a přinést tak velkou hodnotu.

Precizní čištění při nízké teplotě

Výrazný nárůst požadavků na čistotu automobilových součástek, zejména ve výrobě motorů a převodovek, je přisuzován novému trendu – downsizingu. Důraz je kladen nejen na obsah zbytkových nečistot, ale také na stále vyšší univerzálnost motorů.

Smart technologie pro prediktivní údržbu

V posledních letech se masová produkce stejných výrobků pomalu snižuje, a to díky výrobě upravované na míru potřebám zákazníků. Tyto změny jsou způsobeny narůstajícími schopnostmi dnešních výrobců poskytovat individuální řešení a rozvíjejícími se možnostmi komunikace jejich výrobků. Náročná práce ve složitějších podmínkách je mnohem častěji vykonávána pomocí robotů. Lidé jsou těmi, kdo výrobu sledují, řídí, diagnostikují a analyzují, a to velmi často i na dálku. Právě díky těmto změnám se služby poskytované k průmyslovým výrobkům stávají velmi efektivním způsobem, jak udržet vysokou provozní spolehlivost, snižovat provozní náklady a prodlužovat provozuschopnost výrobních zařízení.

Správné praní pracovních oděvů

Stejně jako jiné oděvy, tak i pracovní kalhoty, bundy nebo trička musejí být pravidelně čištěny. Jednoduchý pracovní oděv mohou sice vyprat zaměstnanci doma v pračce, ale vzhledem k různým druhům znečištění to není vždy vhodné. Optimální výsledky v této oblasti přináší průmyslová péče.

Prediktivní údržba 4.0

Smyslem prediktivní údržby je předpovědět stav výrobních zařízení a odhalit potenciální poruchu. Prediktivní údržba rozšiřuje běžné monitorování stavu o pohled do budoucnosti strojů a nabízí tak možnosti, jak zvýšit efektivitu a snížit celkové provozní náklady. Digitalizace přináší nové možnosti řešení servisní údržby.

Efektivní program čištění pro moderní průmyslovou výrobu

„Rozlila se mi láhev ředidla!“ I v nejlépe organizované dílně se stávají nehody. Jsou dvě řešení: vytáhnete během vteřiny z vhodně umístěného zásobníku jednu netkanou utěrku, ředidlo utřete a utěrku hodíte do koše. Nebo vstanete, jdete do kumbálu, z velkého pytle hadrů vyberete ten nejvhodnější, vrátíte se, zjistíte, že hadr rozlité ředidlo nepojme, jdete pro další, oba dva pak zanesete do druhého kumbálu, kde se ukládají hadry na vyprání... a už je pomalu čas na pauzu po uklízecí anabázi.

Pracovníci s nestandardní velikostí? Žádný problém!

Ochranné oděvy by měly chránit zdraví a život zaměstnanců. Aby mohl být tento účel splněn, musí oděv dobře padnout. Běžné konfekční velikosti však nesedí každému pracovníkovi. Proto společnost Mewa, poskytovatel služeb v oblasti textilu, nabízí smluvně regulované individuální úpravy.

Zdraví a bezpečnost na pracovišti má nejvyšší prioritu

Pracoviště musí být bezpečné. To platí zejména u činností souvisejících s horkem a chemikáliemi. Volba správného ochranného oděvu má velký význam a není jednoduchou rutinní záležitostí; zde je vyžadován odborný přístup.

Prediktivní údržba se vždy vyplatí

Náklady spojené s provozem a údržbou zařízení mnohdy několikrát převyšují jeho hodnotu. V souvislosti s digitalizací v průmyslu a internetem věcí (Internet of Things – IoT) vzniká potřeba nových obchodních modelů, z nichž mnohé ještě neznáme, zatímco jiné už dostávají konkrétní podobu. Mezi ně patří prediktivní údržba.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit