Medición de husillo RPM y ancho de banda

Sensor capacitivo TechNote LT03-0033

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Resumen

Un husillo giratorio genera movimientos de error en muchas frecuencias diferentes. Estas frecuencias están determinadas por la velocidad de rotación, los errores de forma de los componentes del rodamiento, las influencias externas y otras fuentes. El examen de estas frecuencias revela que un ancho de banda de 15 kHz es suficiente para medir con precisión los husillos de alta velocidad.

Movimientos del huso

Un sensor sin contacto mide los movimientos de error de un husillo giratorio en un eje. La frecuencia de movimiento en ese eje determina el ancho de banda necesario para los sensores.

Las mediciones de error del husillo generalmente se realizan con sensores en varios ejes. Para comprender cómo se realizan esas mediciones, considere solo uno de esos sensores. Un solo sensor sin contacto mide los desplazamientos de un objetivo giratorio en un eje a medida que el objetivo se mueve hacia y desde el sensor.

El ancho de banda del sistema de medición debe ser capaz de medir la frecuencia de movimiento del huso en ese eje. Incluso para husillos de muy alta velocidad, estas frecuencias suelen estar dentro de las capacidades de un sistema de medición.

Ancho de banda de sensores

Con un ancho de banda de 15 kHz, la salida del sensor se reduce a 70% a 15 kHz. La respuesta de frecuencia es plana hasta aproximadamente 10 kHz.

Los sensores capacitivos Lion Precision CPL190 y CPL290 son “planos” a aproximadamente 10 kHz, lo que significa que las mediciones de objetivos que se mueven a 10 kHz son precisas.

 

Si bien son planos a 10 kHz, el "ancho de banda" es de 15 kHz. Es fundamental comprender que la especificación de ancho de banda de cualquier sensor es la frecuencia a la que el voltaje de salida se reduce al 70.7% (-3dB) de los niveles de salida de frecuencia más baja (o CC). Esto significa que un objetivo que se mueve a 15 kHz con un desplazamiento de 10 µm solo se medirá como 7 µm.

 

La frecuencia fundamental

Debido a la excentricidad, todos los objetivos giratorios exhibirán un ciclo de movimiento de error por revolución. Esto establece una "frecuencia fundamental" y siempre es:

Frecuencia fundamental (en Hz) = RPM / 60

Un sensor que tiene una respuesta de frecuencia plana a 10 kHz puede medir con precisión los movimientos fundamentales de los objetivos a velocidades de hasta 600,000 RPM. Un sensor de ancho de banda estándar de 15 kHz puede medir de manera confiable y repetida velocidades de rotación de 900,000 RPM, aunque al 70% de la amplitud real.

Frecuencias No Fundamentales

La frecuencia de todos los demás movimientos de error se puede medir en relación con la frecuencia fundamental. Por ejemplo, una frecuencia que es dos veces mayor que la frecuencia fundamental simplemente se etiqueta como "2". Esto permite discutir un caso general en lugar de recurrir a ejemplos en frecuencias específicas que pueden no ser relevantes para un caso individual.

Las frecuencias distintas de la frecuencia fundamental también están presentes en los movimientos de error de un huso. Las imperfecciones en los componentes de los rodamientos, soportes, motores, transmisiones, vibraciones estructurales y otros factores contribuyen cada uno con una frecuencia única. Estos movimientos de error ocurren en múltiplos enteros y no enteros de la frecuencia fundamental.

Movimientos de error sincrónico

Distribución de frecuencia típica de movimientos de error sincrónicos. Los movimientos de error sincrónicos ocurren en múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.

Se dice que los movimientos de error que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental son "síncronos", ya que se repiten en la misma ubicación angular con cada rotación del eje. Los errores síncronos son el resultado de imperfecciones del rotor y del estator, tensiones de montaje y otras fuentes que afectan la forma del rotor o del estator.

Errores de forma de estator y rotor

Los movimientos de error sincrónicos crean patrones "lobulados". Un mayor número de lóbulos requiere un mayor ancho de banda para una medición precisa.

Los estatores y rotores no son perfectamente redondos. Estas imperfecciones crean frecuencias adicionales en el movimiento del huso que siempre están sincronizadas con la frecuencia fundamental. Las formas de dos y tres lóbulos son errores comunes de falta de redondez. Estos errores de forma crean frecuencias de movimiento del huso dos y tres veces más altas que la frecuencia fundamental. Ver figuras a la derecha.

Un error de tres lóbulos se registraría con precisión a velocidades de hasta 200,000 RPM mediante un sistema plano a 10 kHz.

Errores inducidos de montaje

El montaje del husillo puede crear tensiones en la estructura del rodamiento, lo que resulta en ligeras deformidades. Estos crean movimientos de error sincrónicos y son esencialmente los mismos que los errores de forma del estator y del rotor, pero los errores de forma son introducidos por las tensiones de montaje. Estos errores pueden ocurrir en la frecuencia fundamental o superior. Teóricamente, cada sujetador de montaje podría agregar otro lóbulo al movimiento de error sincrónico.

Poste del motor de impresión a través

Los polos magnéticos de los motores crean una fuerza normal en el rotor del motor que es diferente en los polos que entre los polos. Esta fuerza variable se repite en cada rotación. Dependiendo de la rigidez del cojinete del husillo, esta fuerza cambiante puede aparecer como movimientos de error en el husillo. Este movimiento es sincrónico con la frecuencia fundamental.

El número de polos en el motor de accionamiento determina la forma del error de impresión. Por ejemplo, un motor de ocho polos crea un patrón de 8 lóbulos y se mediría con precisión a velocidades de hasta 75,000 RPM mediante un sistema plano a 10 kHz. Un motor de accionamiento típico tiene 4, 6 u 8 polos. Los motores grandes pueden tener más polos, pero debido a su tamaño giran a velocidades mucho más lentas, manteniendo las frecuencias de movimiento de error comparativamente bajas.

Movimientos asincrónicos de error

Algunos movimientos de error ocurren en frecuencias que no son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Si bien estos errores pueden tener un ciclo repetitivo, no se repiten en la misma ubicación angular de rotación del husillo; no son sincrónicos con la frecuencia fundamental.

Vibración Estructural

La estructura de la máquina en sí tendrá frecuencias de resonancia naturales que pueden aparecer en el movimiento del eje. Debido al tamaño y la masa de la estructura de la máquina, estas frecuencias suelen ser bajas (10-30 Hz) y pueden ser sincrónicas o no con la frecuencia fundamental. Debido a su baja frecuencia, los sensores los miden fácilmente.

Rodamientos de elementos rodantes (error asincrónico)

Cada componente del rodamiento tiene un diámetro único que crea una frecuencia única de movimiento de error.

Los rodamientos de elementos rodantes tienen cuatro componentes básicos: el elemento rodante (bola o rodillo), la pista interior, la pista exterior y la jaula. A medida que gira el rodamiento, estos elementos interactúan mecánicamente; Sus imperfecciones inherentes causan desviaciones en las fuerzas de los cojinetes y el eje de rotación que resultan en movimientos de error del husillo.

Cada componente del rodamiento tiene sus propios errores de forma que producen movimientos de error en el husillo. La relación de los diámetros de los componentes del rodamiento, así como el ángulo de contacto del elemento rodante, determinan las relaciones con la frecuencia fundamental. Para evitar resonancias dentro del husillo, los cojinetes se seleccionan intencionalmente para que estas frecuencias no sean sincrónicas con el rotor del husillo; por lo tanto, estos errores ocurren en múltiplos no enteros de la frecuencia fundamental.

Frecuencias de rodamiento

Distribución de frecuencia típica de movimientos de error asíncronos que ocurren en "frecuencias de cojinetes". La mayor parte de la distribución está por debajo de 4.5 veces la frecuencia fundamental.

La distribución de frecuencia de la derecha muestra dónde ocurren las frecuencias típicas de un rodamiento de bolas. Los rodamientos de bolas giran en la pista interior (ballpass) con una frecuencia justo por encima de 2 veces la frecuencia fundamental. La frecuencia de la jaula es un poco menos de la mitad de la frecuencia fundamental.

En el gráfico de la derecha, los armónicos ocurren a 4 ± la frecuencia de la jaula, y la pista externa se ve en poco más de 3. Hay poca actividad por encima de 4.5 veces la frecuencia fundamental. Se pueden realizar mediciones precisas de estos movimientos de error en husillos de hasta 130,000 RPM mediante un sistema plano a 10 kHz.

La tabla a continuación es otro ejemplo de frecuencias de demora típicas que se muestran como múltiplos de la frecuencia fundamental.3. Aquí la frecuencia más alta es 8.32. Se pueden realizar mediciones precisas de estos movimientos de error en husillos de hasta 70,000 RPM mediante un sistema plano a 10 kHz

Numero de bolas Ball Diam. Paso Diam.

BallPass Outer

BallPass Inner

Jaula (FTF)

Ball Spin
15 0.312 " 2.854 " 6.68 8.32 0.45 4.52

 

Conclusión

Si bien las velocidades del husillo han aumentado dramáticamente con el tiempo, las frecuencias de movimiento de error generadas por los husillos todavía están dentro de las capacidades de medición de Sistemas de sensores Lion Precision con ancho de banda de 15 kHz. los Analizador de Errores de Husillo es una herramienta efectiva y precisa cuando se usa con husillos de alta velocidad.

Referencias

1 - Metrología de husillo de precisión, Eric R. Marsh, 2008, DesTech Publishing: Lancaster PA.

2 - Análisis de rodamientos, Tedric A. Harris, 1991, John Wiley & Sons: Nueva York

3 - Frecuencias de rodamientoNTN Americas