Mesure du voile d'arbre avec des capteurs de déplacement sans contact

Note d'application générale sur les capteurs LA05-0022

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Résumé:

Bout d'arbre est une mesure courante, en particulier pour la surveillance des conditions. Capacitive et  courants de Foucault Les capteurs fournissent des solutions de mesure sans contact utiles avec des avantages et des inconvénients distincts.

Notions de base

S'épuiser

La fin de course est le déplacement de la surface d'un objet en rotation. Les arbres non ronds auront par définition un voile important.

Selon ASME / ANSI B5.54-2005 Méthodes d'évaluation des performances des centres d'usinage à commande numérique»runout”Est ​​la lecture totale de l'indicateur (TIR) ​​d'un instrument mesurant contre une surface en mouvement. Il s’agit généralement d’un mouvement de rotation et est mesuré pour une rotation complète. Cela signifie que la valeur d'expiration est une combinaison de plusieurs types de mouvements d'erreur, d'erreurs de forme et de facteurs de forme:

  • forme de la tige
  • rectitude de l'arbre
  • erreurs de centrage dans l'emplacement de l'arbre par rapport à l'axe de rotation (excentricité), et
  • erreurs dans l'axe de rotation lui-même, qui est lui-même le produit de plusieurs facteurs:
    • performances de roulement
    • structure de la machine
    • alignement d'entraînement (inclinaison)
  • erreurs d'instrument de mesure (indicateur ou capteur)

Bien que des techniques existent pour affiner une mesure du voile d'arbre à une ou plusieurs de ces composantes, le but de cette note d'application est de mesurer épuisement total avec tous ses facteurs contributifs (sauf les erreurs de capteur). Les techniques décrites ici visent à minimiser ou à éliminer la contribution du capteur au résultat final. Lorsqu'elles sont correctement appliquées, les mesures sans contact des capteurs à courants de Foucault et capacitives du battement d'arbre produiront des résultats avec des erreurs de capteur négligeables.

Voile radial

Runout radial

Le voile radial est perpendiculaire à l'axe de rotation.

Voile radial est une mesure du déplacement radial de la surface de l'arbre lorsque l'arbre tourne. Dans l’hypothèse d’un arbre rond, la rectitude de l’arbre, l’alignement entraînement / arbre, la rigidité des roulements et l’augmentation du voile à la suite de l’usure des roulements sont des facteurs qui contribuent au voile radial. L'équilibre est un facteur de finissage qui dépend des relations entre la vitesse et la rigidité et l'usure des roulements, ainsi que de la rigidité globale du système. Le voile d'arbre radial est généralement utilisé pour indiquer l'usure des paliers d'entraînement.

Voile axial

Faux-rond axial

Le battement axial est mesuré au centre de rotation pour éviter que des erreurs de planéité / d'équerrage des extrémités d'arbre nuisent à la mesure.

Voile axial est une mesure du déplacement axial de l’arbre en rotation. Cette mesure est prise au centre de l'arbre (sur l'axe de rotation). Les mesures décentrées sont appelées «affleurements de faces», dans lesquelles la planéité et la perpendicularité de la surface deviennent des facteurs contribuant à la mesure - facteurs qui ne présentent aucun intérêt pour la plupart des applications. Le battement axial de l'arbre est principalement utilisé pour la surveillance de l'état de la butée.

Forme d'arbre

Selon la définition ci-dessus, les formes non rondes ont toujours un voile important. Un arbre ovale ou hexagonal qui tourne parfaitement aura toujours un voile important car l'indicateur répond aux déplacements radiaux de la surface de l'arbre dus à la forme de l'arbre.

Cette note d'application suppose que l'arbre mesuré est rond.

Rectitude de l'arbre

Rectitude de l'arbre

La rectitude de l’arbre affecte la mesure du voile.

Le voile radial est affecté par la rectitude de l'arbre. Si la tige est courbée, les mesures de battement dépendront de l'emplacement de la mesure le long de la tige, ainsi que de l'emplacement et de la gravité de la courbure. Si un arbre est fixé aux deux extrémités (par exemple entre l’entraînement et une boîte de vitesses), le voile maximum aura tendance à se situer près du centre. Si l'arbre est uniquement fixé à l'extrémité motrice (par exemple, les moteurs entraînant des ventilateurs ou des hélices), le voile de fond aura tendance à s'aggraver à l'extrémité flottante de l'arbre.

Un arbre autrement droit peut être monté de telle sorte que l’axe central de l’arbre ne soit pas parallèle à l’axe de rotation. Dans ce cas, les mesures de battement dépendront de l'endroit où la mesure est prise le long de l'arbre.

Composants de battement d'arbre synchrone et asynchrone

Certains composants de battement, tels que le manque de circularité de l'arbre ou l'inclinaison de l'entraînement, se répètent à certains emplacements angulaires de la rotation; ce sont des mouvements d'erreur synchrones. D'autres composants de la course d'arbre, tels que les fréquences des roulements (dépassement dû au manque de circularité des éléments roulants dans le roulement) sont cycliques mais ne se répètent pas aux mêmes emplacements angulaires et sont appelés mouvements d'erreur asynchrones.

Temps réel / instantané

Graphique de l'arbre rotatif

Les déplacements en temps réel de l'arbre en rotation peuvent aider à identifier des problèmes spécifiques, mais constituent une mesure plus compliquée.

Les valeurs instantanées du déplacement radial ou axial de l'arbre peuvent être mesurées et enregistrées à chaque emplacement angulaire lors de la rotation de l'arbre. Ceci fournit une image des déplacements instantanés qui contribuent à la mesure du battement total. Cette approche est utilisée pour l'équilibrage des opérations ou pour aider à identifier les causes spécifiques du épuisement. Ces types de mesures nécessitent des techniques et des outils relativement sophistiqués tels que ceux de Lion Precision. Analyseur d'erreur de broche. Cette note d'application porte sur une seule mesure du battement total de l'arbre.

Rupture totale de l'arbre

Dans de nombreuses circonstances, en particulier la surveillance des conditions, la seule valeur à prendre en compte est une valeur unique indiquant le battement total de l'arbre. Ce nombre correspond généralement à la moyenne ou au pic de plusieurs lectures TIR sur une période donnée et de plusieurs rotations. Au fur et à mesure de l'usure des roulements et autres composants, le voile total de l'arbre augmentera. Dans la surveillance des conditions, une valeur seuil est définie au-dessus de laquelle le système est arrêté et la réparation ou la reconstruction est lancée.

Mesures de fin de course avec capteurs sans contact

Le battement de l'arbre de mesure en cours de fonctionnement nécessite un capteur sans contact. Les types de capteurs les mieux adaptés à cette mesure sont les capteurs de déplacement capacitifs et les capteurs de déplacement à courants de Foucault (parfois appelés capteurs de déplacement inductifs).

Capacitif ou Courant de Foucault

Capteurs de déplacement capacitifs offrir une haute précision; ils fonctionnent également bien avec tous les matériaux conducteurs; ils fonctionnent bien avec des arbres de petit diamètre. Mais ils nécessitent un environnement propre. Capteurs de déplacement à courants de Foucault fonctionnent dans des environnements humides et sales et peuvent être montés plus loin de l'arbre. Mais ils doivent être calibrés sur un matériau spécifique, ne fonctionnent pas aussi bien avec des arbres plus petits (<8 X diamètre de la sonde), et sont plus «bruyants» lorsqu'ils sont utilisés avec des arbres en acier magnétiques en raison du «voile électrique» (voir les détails ci-dessous dans la section Considérations relatives aux courants de Foucault).

Monter la sonde

Ces capteurs sans contact sont constitués d'une sonde (tête de mesure) qui est connectée via un câble à une électronique qui pilote la sonde et fournit une tension de sortie proportionnelle aux changements de distance entre la sonde et l'arbre.

La sonde est montée à une certaine distance de la tige environ au centre de la plage de mesure. Cela permet aux excursions maximales dans les deux directions de rester dans la plage fonctionnelle de la sonde.

Une fois la sonde montée, faites tourner lentement l’arbre pour vérifier la plage. Assurez-vous que la sonde ne sera pas en contact avec l'arbre à son point le plus proche et qu'elle restera à portée tout au long de la rotation.

Toute modification de la distance entre la sonde et l’arbre fera partie de la mesure du battement de l’arbre. Par conséquent, il est important que la sonde soit montée de manière rigide pour empêcher les vibrations ou autres mouvements externes de déplacer la sonde par rapport à la tige.

Schéma de montage de la sonde

Dérivation totale du voile d'arbre

Faux-rond total

Le «total épuisé» peut être mesuré avec des captures TIR (crête à crête) du signal de fin de course.

Les mesures de battement d'arbre effectuées par le capteur sans contact suivent les déplacements instantanés en temps réel lorsque l'arbre tourne. Cette sortie doit être conditionnée pour dériver une seule mesure de «fin totale». La valeur de sortie peut être un type de valeur moyenne ou une valeur de crête. La méthode spécifique permettant de créer une valeur d’exécution totale dépend de l’application.

En règle générale, une valeur de fin de ligne de base est définie, ainsi qu'un seuil au-dessus duquel le système nécessite l'intervention de l'opérateur. Dans ce type de système de surveillance des conditions, les unités de mesure ne sont pas critiques; quelles que soient les unités, la détermination des valeurs de base et des seuils est l’élément essentiel de la mesure.

Valeurs moyennes

Faux-rond total

Il est possible de mesurer le changement de «sortie totale» avec l’option Tracking TIR du module MM190.

Les valeurs de sortie peuvent être moyennées dans le temps en utilisant un type de voltmètre alternatif. Ceux-ci sont disponibles sous forme d'instruments discrets ou peuvent être disponibles dans le logiciel de support d'un système d'acquisition de données. Il est important de prendre en compte la capacité du compteur à mesurer à la fréquence de rotation de l'arbre.

Valeurs maximales

Les pics des valeurs de sortie peuvent être capturés et le système peut signaler la différence entre les pics maximum et minimum. Il s’agit d’une mesure TIR (indicateur total). Les systèmes qui capturent ces pics doivent être réinitialisés périodiquement pour maintenir la valeur actuelle en cas de diminution. Si vous utilisez Capteurs capacitifs de la série Elite pour la mesure du voile d'arbre, le MM190 Module de mesure et de traitement du signal peut capturer et afficher les valeurs de pointe. Le MM190 dispose également d’un Tracking TIR qui capture les valeurs maximales mais permet à ces valeurs de décroître avec le temps; De cette façon, la valeur affichée est maintenue actuelle sans qu'une réinitialisation ne soit nécessaire, même lorsque la fin de course est réduite. Le MM190 n'est pas une option pour les capteurs à courants de Foucault.

Considérations uniques sur les mesures par courants de Foucault (inductives) du voile d'arbre

Les capteurs à courants de Foucault sont calibrés pour un matériau unique. Pour maintenir la précision, les capteurs doivent être utilisés avec ce matériau spécifique.

Les capteurs à courants de Foucault sont normalement calibrés sur une cible plate. Le diamètre de l'arbre doit être multiplié par 8-10 par rapport au diamètre de la sonde à courants de Foucault afin de fournir une cible suffisamment plate pour des mesures précises. De plus, comme les capteurs à courants de Foucault interfèrent les uns avec les autres s'ils sont trop rapprochés, un diamètre d'arbre de cette taille fournit un espacement suffisant entre les sondes lorsque deux sondes sont utilisées pour surveiller les écoulements distants de 90.

Panne électrique

Panne électrique

Les capteurs à courants de Foucault lisent les erreurs de «courant électrique» provenant de matériaux en acier magnétique; les capteurs capacitifs ne le font pas.

Les matériaux magnétiques ont une propriété appelée voile électrique. De petites différences localisées dans les propriétés magnétiques au sein du matériau affectent l'interaction avec les champs magnétiques des capteurs à courants de Foucault. Les différences résultent de la composition chimique locale, de la structure cristalline et des domaines magnétiques affectés par l'historique de la chaleur, du degré de stress dû au travail à froid, des traitements de surface et de l'exposition aux champs magnétiques. Plus ces différences sont importantes, plus le voile électrique est important. Lorsque l'arbre en acier magnétique tourne, la sortie du capteur à courants de Foucault change en fonction du ruissellement électrique du matériau, même si l'espace entre le capteur et l'arbre ne change pas (pas de ruissellement mécanique). Les images à droite comparent un capteur capacitif et un capteur à courants de Foucault mesurant le même arbre en acier magnétique. Les matériaux non ferreux comme le cuivre et l'aluminium n'ont pas ce phénomène à un niveau significatif. L’acier non magnétique, bien que meilleur que l’acier magnétique, présente toujours un léger voile électrique.

Le voile électrique est généralement inférieur à 75 µm (0.003 pouces), ce qui ne représente souvent qu'une fraction de la plage de mesure du capteur de voile de puits à courants de Foucault. Dans certaines applications, le voile électrique est faible par rapport au voile de base de l'arbre et n'introduit donc pas d'erreur significative dans la mesure du voile total de l'arbre.

Atténuer le voile électrique

Si la mesure de votre voile d'arbre doit être si précise que le voile électrique sera une erreur significative, vous devrez résoudre le problème. Le meilleur moyen d’éliminer les erreurs d’arrêt électrique dans les arbres magnétiques consiste à utiliser des capteurs capacitifs. Toutefois, les applications de capteurs de faux-rond d’arbre se situent souvent dans des environnements humides et sales nécessitant un capteur à courants de Foucault. Voici quelques méthodes pour éliminer ou réduire le voile électrique.

Utilisez la plus grande sonde possible. Le champ de détection d'un capteur de bout d'arbre à courant de Foucault est trois fois plus grand que le diamètre de la sonde. La sortie de la sonde est une moyenne de tout ce qui se trouve dans ce champ. L'utilisation d'une sonde plus grande permet de moyenner une plus grande surface de l'arbre et ses incohérences magnétiques localisées. Veillez toutefois à ne pas utiliser une sonde trop grande pour l’arbre (voir ci-dessus).

Manchon non magnétique. Le champ de détection de courants de Foucault ne pénètre pas très profondément dans le matériau. Un manchon en aluminium ou en cuivre de 0.5 mm (ou plus épais) constituera une cible non magnétique pour le capteur de fin de course d'arbre.

Conclusion

Le battement de l’arbre de mesure est une mesure courante et utile, en particulier pour la surveillance des conditions. L'utilisation d'un seul capteur et d'une méthode permettant de dériver une seule valeur de fin totale vous permet de définir des nombres de fin de ligne de base et des seuils d'intervention de l'opérateur. Les capteurs capacitifs et à courants de Foucault offrent des solutions excellentes en fonction des caractéristiques de mesure du voile de l’arbre et des conditions environnementales de l’application.