Misura mandrino RPM e larghezza di banda

Sensore capacitivo TechNote LT03-0033

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sommario

Un mandrino rotante genera movimenti di errore a molte frequenze diverse. Tali frequenze sono determinate dalla velocità di rotazione, dagli errori di forma dei componenti del cuscinetto, dalle influenze esterne e da altre fonti. L'esame di queste frequenze rivela che una larghezza di banda di 15 kHz è sufficiente per misurare accuratamente i fusi ad alta velocità.

Movimenti mandrino

Un sensore senza contatto misura i movimenti di errore di un mandrino rotante su un asse. La frequenza di movimento in quell'asse determina la larghezza di banda necessaria per i sensori.

Le misurazioni degli errori del mandrino vengono generalmente eseguite con sensori su più assi. Per capire come vengono eseguite queste misurazioni, considera solo uno di quei sensori. Un singolo sensore senza contatto misura gli spostamenti di un bersaglio rotante in un asse mentre il bersaglio si sposta verso e lontano dal sensore.

La larghezza di banda del sistema di misurazione deve essere in grado di misurare la frequenza di movimento del mandrino su quell'asse. Anche per mandrini ad altissima velocità, queste frequenze rientrano generalmente nelle capacità dei sistemi di misurazione.

Larghezza di banda dei sensori

Con una larghezza di banda di 15 kHz, l'uscita del sensore è ridotta al 70% a 15 kHz. La risposta in frequenza è piatta fino a circa 10 kHz.

I sensori capacitivi Lion Precision CPL190 e CPL290 sono "piatti" fino a circa 10 kHz, il che significa che le misurazioni dei target che si muovono a 10 kHz sono accurate.

 

Sebbene siano piatte a 10 kHz, la "larghezza di banda" è di 15 kHz. È fondamentale comprendere che la specifica della larghezza di banda di qualsiasi sensore è la frequenza alla quale la tensione di uscita viene ridotta al 70.7% (-3 dB) dei livelli di uscita a frequenza inferiore (o CC). Ciò significa che un target che si muove a 15 kHz con uno spostamento di 10 µm sarà misurato solo come 7 µm.

 

La frequenza fondamentale

A causa dell'eccentricità, tutti i bersagli rotanti mostreranno un ciclo di movimento di errore per giro. Questo stabilisce una "frequenza fondamentale" ed è sempre:

Frequenza fondamentale (in Hz) = RPM / 60

Un sensore che ha una risposta in frequenza piatta a 10 kHz può misurare con precisione i movimenti fondamentali dei target a velocità fino a 600,000 RPM. Un sensore di larghezza di banda standard da 15 kHz può misurare in modo affidabile e ripetuto velocità di rotazione di 900,000 RPM, sebbene al 70% dell'ampiezza effettiva.

Frequenze non fondamentali

La frequenza di tutti gli altri movimenti di errore può essere misurata rispetto alla frequenza fondamentale. Ad esempio, una frequenza doppia rispetto alla frequenza fondamentale viene semplicemente etichettata come "2". Ciò consente la discussione di un caso generale piuttosto che il ricorso a esempi a frequenze specifiche che potrebbero non essere rilevanti per un caso individuale.

Frequenze diverse dalla frequenza fondamentale sono presenti anche nei movimenti di errore di un mandrino. Le imperfezioni nei componenti dei cuscinetti, nei supporti, nei motori, negli azionamenti, nelle vibrazioni strutturali e in altri fattori contribuiscono ciascuna con una frequenza unica. Questi movimenti di errore si verificano a multipli interi e non interi della frequenza fondamentale.

Movimenti di errore sincroni

Distribuzione di frequenza tipica dei movimenti di errore sincroni. I movimenti di errore sincrono si verificano a multipli interi della frequenza fondamentale.

I movimenti di errore che sono multipli interi della frequenza fondamentale sono detti "sincroni" poiché si ripetono nella stessa posizione angolare ad ogni rotazione del mandrino. Gli errori sincroni sono il risultato di imperfezioni del rotore e dello statore, delle sollecitazioni di montaggio e di altre fonti che influenzano la forma del rotore o dello statore.

Errori di forma dello statore e del rotore

I movimenti di errore sincrono creano modelli "lobati". Un numero maggiore di lobi richiede una larghezza di banda maggiore per una misurazione accurata.

Statori e rotori non sono perfettamente rotondi. Queste imperfezioni creano frequenze aggiuntive nel movimento del mandrino che sono sempre sincrone con la frequenza fondamentale. Le forme a due e tre lobi sono errori comuni di rotondità. Questi errori di forma creano frequenze di movimento del mandrino due e tre volte superiori alla frequenza fondamentale. Vedi figure a destra.

Un errore a tre lobi verrebbe registrato con precisione a velocità fino a 200,000 RPM da un sistema piatto a 10 kHz.

Errori indotti dal montaggio

Il montaggio del mandrino può creare sollecitazioni nella struttura del cuscinetto con conseguenti lievi deformità. Questi creano movimenti di errore sincroni e sono essenzialmente gli stessi degli errori di forma dello statore e del rotore, ma gli errori di forma sono introdotti dalle sollecitazioni di montaggio. Questi errori possono verificarsi alla frequenza fondamentale o superiore. Teoricamente, ogni elemento di fissaggio potrebbe aggiungere un altro lobo al movimento di errore sincrono.

Polo motore Print-Thru

I poli magnetici nei motori creano una forza normale sul rotore del motore che è diversa sui poli che tra i poli. Questa forza variabile si ripete ad ogni rotazione. A seconda della rigidità del cuscinetto del mandrino, questa forza variabile può apparire come movimenti di errore nel mandrino. Questo movimento è sincrono con la frequenza fondamentale.

Il numero di poli nel motore di azionamento determina la forma dell'errore di stampa. Ad esempio, un motore a otto poli crea uno schema a 8 lobi e verrebbe misurato con precisione a velocità fino a 75,000 RPM da un sistema piatto a 10 kHz. Un tipico motore di azionamento ha 4, 6 o 8 poli. I motori di grandi dimensioni possono avere più poli, ma a causa delle loro dimensioni girano a velocità molto più basse mantenendo le frequenze di movimento di errore relativamente basse.

Movimenti di errori asincroni

Alcuni movimenti di errore si verificano a frequenze che sono multipli non interi della frequenza fondamentale. Mentre questi errori possono avere un ciclo ripetuto, non si ripetono nella stessa posizione angolare della rotazione del mandrino; non sono sincroni con la frequenza fondamentale.

Vibrazione strutturale

La struttura della macchina stessa avrà frequenze di risonanza naturali che possono apparire nel movimento del mandrino. A causa delle dimensioni e della massa della struttura della macchina, queste frequenze sono generalmente basse (10-30 Hz) e possono o meno essere sincrone con la frequenza fondamentale. A causa della loro bassa frequenza, sono facilmente misurabili dai sensori.

Cuscinetti volventi (errore asincrono)

Ogni componente del cuscinetto ha un diametro unico che crea una frequenza unica di movimento dell'errore.

I cuscinetti degli elementi volventi hanno quattro componenti di base: l'elemento rotante stesso (sfera o rullo), la corsa interna, la corsa esterna e la gabbia. Quando il cuscinetto gira, questi elementi interagiscono meccanicamente; le loro imperfezioni intrinseche provocano deviazioni nelle forze portanti e nell'asse di rotazione che provocano movimenti di errore del mandrino.

Ogni componente del cuscinetto ha i propri errori di forma che producono movimenti di errore nel mandrino. Il rapporto tra i diametri dei componenti del cuscinetto e l'angolo di contatto dell'elemento di rotolamento determinano le relazioni con la frequenza fondamentale. Per evitare risonanze all'interno del mandrino, i cuscinetti vengono scelti intenzionalmente in modo tale che queste frequenze non siano sincrone con il rotore del mandrino; pertanto, questi errori si verificano a multipli non interi della frequenza fondamentale.

Frequenze di rilevamento

Distribuzione di frequenza tipica dei movimenti di errore asincroni che si verificano alle "frequenze di rilevamento". La maggior parte della distribuzione è inferiore a 4.5 volte la frequenza fondamentale.

La distribuzione di frequenza a destra mostra dove si verificano le frequenze tipiche di un cuscinetto a sfere. I cuscinetti a sfera ruotano sulla pista interna (ballpass) con una frequenza appena superiore a 2 volte la frequenza fondamentale. La frequenza della gabbia è leggermente inferiore alla metà della frequenza fondamentale.

Nel grafico a destra, le armoniche si verificano a 4 ± la frequenza della gabbia e la corsa esterna è vista appena sopra 3. C'è poca attività sopra 4.5 volte la frequenza fondamentale. È possibile effettuare misurazioni accurate di questi movimenti di errore su mandrini fino a 130,000 giri / min con un sistema da piatto a 10 kHz.

La tabella seguente è un altro esempio di frequenze di rilevamento tipiche mostrate come multipli della frequenza fondamentale3. Qui la frequenza più alta è 8.32. È possibile effettuare misurazioni accurate di questi movimenti di errore su mandrini fino a 70,000 giri / min con un sistema da piatto a 10 kHz

Numero di palline Palla Diam. Passo Diam.

BallPass esterno

BallPass interno

Gabbia (FTF)

Spin Ball
15 0.312 " 2.854 " 6.68 8.32 0.45 4.52

 

Conclusione

Mentre le velocità del mandrino sono aumentate notevolmente nel tempo, le frequenze di movimento dell'errore generate dai mandrini sono ancora all'interno delle capacità di misurazione di Sistemi di sensori Lion Precision con larghezza di banda di 15 kHz. Il Analizzatore errore mandrino è uno strumento efficace e preciso se utilizzato con mandrini ad alta velocità.

Referenze

1 - Metrologia del mandrino di precisione, Eric R. Marsh, 2008, DesTech Publishing: Lancaster PA.

2 - Analisi dei cuscinetti volventi, Tedric A. Harris, 1991, John Wiley & Sons: New York

3 - Frequenze di rilevamento, NTN Americhe