비접촉 변위 센서로 샤프트 런아웃 측정

일반 감지 애플리케이션 노트 LA05-0022

저작권 © 2013 Lion Precision. www.lionprecision.com

개요:

샤프트 런아웃 특히 상태 모니터링을위한 일반적인 측정입니다. 정전용량  와전류 센서는 뚜렷한 장단점이있는 유용한 비접촉 측정 솔루션을 제공합니다.

기초

런아웃

런아웃은 회전 객체 표면의 변위입니다. 비 원형 샤프트는 정의상 상당한 런아웃을 갖습니다.

ASME / ANSI B5.54-2005에 따르면 컴퓨터 수치 제어 머시닝 센터의 성능 평가 방법"런아웃”는 움직이는 표면에 대해 측정 된 계측기의 총 표시기 판독 값 (TIR)입니다. 이것은 일반적으로 회전 운동이며 전체 회전에 대해 측정됩니다. 이는 런아웃 값이 여러 유형의 오류 동작, 양식 오류 및 양식 요소의 조합임을 의미합니다.

  • 샤프트의 모양
  • 샤프트의 직진도
  • 회전축 (편심)에 대한 샤프트 위치의 중심 오차
  • 회전 축 자체의 오류 자체는 여러 가지 요인의 결과입니다.
    • 구동 베어링 성능
    • 기계 구조
    • 드라이브 정렬 (기울기)
  • 계측기 오류 (표시기 또는 센서)

정제 기술은 존재하지만 샤프트 런아웃 측정 이 구성 요소 중 하나 또는 몇 개에 대해서만이 애플리케이션 노트의 목적은 총 런아웃 모든 기여 요인으로 (센서 오류 제외). 여기에 설명 된 기술은 최종 결과에 대한 센서의 기여를 최소화하거나 제거하기위한 것입니다. 올바르게 적용하면 샤프트 런아웃의 비접촉 와전류 및 용량 성 센서 측정으로 무시할 수있는 센서 오류가 발생합니다.

레이디 얼 샤프트 런아웃

방사형 런아웃

방사형 런아웃은 회전축에 수직입니다.

레이디 얼 샤프트 런아웃 는 샤프트가 회전함에 따라 샤프트 표면의 방사상 변위를 측정 한 것입니다. 원형 샤프트를 가정 할 때 반경 방향 런아웃의 원인은 샤프트 진 직도, 드라이브 / 샤프트 정렬, 베어링 강성 및 베어링 마모에 따른 런아웃 증가입니다. 균형은 속도와 베어링 강성과 마모의 관계 및 전체 시스템 강성에 의존하는 런아웃 요인입니다. 레이디 얼 샤프트 런아웃은 일반적으로 구동 베어링의 마모를 나타내는 데 사용됩니다.

축 샤프트 런아웃

축 런아웃

축 런아웃은 샤프트 끝 평탄도 / 제곱 오차가 측정에 영향을 미치지 않도록 회전 중심에서 측정됩니다.

축 샤프트 런아웃 는 샤프트가 회전 할 때 축의 축 방향 변위를 측정 한 것입니다. 이 측정은 샤프트 중심 (로터리 축)에서 수행됩니다. 중심을 벗어난 측정을 "페이스 런아웃"이라고하며, 표면의 평탄도 및 직각도는 측정에 영향을 미치는 요인, 대부분의 응용 분야에서 중요하지 않은 요인이됩니다. 축 샤프트 런아웃은 주로 스러스트 베어링의 상태 모니터링에 사용됩니다.

샤프트 모양

위의 정의에 따르면 원형이 아닌 모양에는 항상 상당한 양의 런아웃이 있습니다. 완벽하게 회전하는 타원형 또는 육각형 샤프트는 샤프트 모양으로 인해 표시기가 샤프트 표면의 반경 방향 변위에 응답함에 따라 여전히 상당한 런아웃을 갖습니다.

이 어플리케이션 노트는 측정되는 샤프트가 둥글다고 가정합니다.

샤프트 직진도

샤프트 직진도

샤프트 진 직도는 런아웃 측정에 영향을줍니다.

방사형 런아웃은 샤프트 진 직도의 영향을받습니다. 샤프트가 구부러지면 런아웃 측정은 샤프트의 길이를 따라 측정되는 위치와 굽힘의 위치 및 심각도에 따라 달라집니다. 샤프트가 양쪽 끝 (예 : 드라이브와 기어 박스 사이)에 고정되면 최대 런아웃이 중앙 근처에있는 경향이 있습니다. 샤프트가 구동 엔드 (예 : 팬 또는 프로펠러를 구동하는 모터)에만 고정 된 경우 샤프트의 유동 단부에서 런아웃이 악화되는 경향이 있습니다.

그렇지 않으면, 샤프트의 중심선이 회전축과 평행하지 않도록 직선 샤프트가 장착 될 수있다. 이 경우 런아웃 측정은 샤프트를 따라 측정되는 위치에 따라 다릅니다.

동기식 및 비동기식 샤프트 런아웃 구성 요소

샤프트의 진원도 또는 드라이브의 틸트와 같은 일부 런아웃 구성 요소는 회전의 특정 각도 위치에서 반복됩니다. 이것들은 동기 에러 동작입니다. 베어링 주파수와 같은 다른 샤프트 런아웃 구성 요소 (베어링에서 롤링 요소의 원형으로 인한 런아웃)는 주기적이지만 동일한 각도 위치에서 반복되지 않으며 비동기식 오류 동작이라고합니다.

실시간 / 순간

회전축 그래프

회전 샤프트의 실시간 변위는 특정 문제를 식별하는 데 도움이되지만보다 복잡한 측정입니다.

샤프트가 회전함에 따라 각 각도 위치에서 반경 방향 또는 축 방향 샤프트 변위의 순간 값을 측정하고 기록 할 수 있습니다. 이것은 총 런아웃 측정에 기여하는 순간 변위의 그림을 제공합니다. 이 방법은 작업 균형을 조정하거나 런아웃의 특정 원인을 식별하는 데 사용됩니다. 이러한 유형의 측정에는 Lion Precision과 같은 비교적 정교한 기술과 도구가 필요합니다. 스핀들 오류 분석기. 이 애플리케이션 노트는 전체 샤프트 런아웃의 단일 측정에 중점을 둡니다.

총 샤프트 런아웃

많은 상황, 특히 상태 모니터링에서 관심있는 유일한 값은 전체 샤프트 런아웃을 나타내는 단일 값입니다. 이 숫자는 일반적으로 일정 시간 동안 여러 회전에서 여러 TIR 판독 값의 평균 또는 피크입니다. 베어링 및 기타 구성품이 마모됨에 따라 총 샤프트 런아웃이 증가합니다. 상태 모니터링에서 시스템이 종료되고 수리 또는 재 구축이 시작되는 임계 값이 설정됩니다.

비접촉 센서로 런아웃 측정

작동 중 측정 샤프트 런아웃에는 비접촉 센서가 필요합니다. 이 측정에 가장 적합한 센서 유형은 용량 성 변위 센서와 와전류 변위 센서 (종종 유도 성 변위 센서라고도 함)입니다.

용량 성 또는 와전류

용량 성 변위 센서 높은 정밀도를 제공; 그들은 모든 전도성 물질과 똑같이 잘 작동합니다. 그들은 작은 직경의 샤프트와 잘 작동합니다. 그러나 깨끗한 환경이 필요합니다. 와전류 변위 센서 습하고 더러운 환경에서 작업하고 샤프트에서 더 멀리 설치할 수 있습니다. 그러나 특정 재료로 보정해야하며, 작은 샤프트 (<8 X 프로브 직경)에서는 잘 작동하지 않으며, "전기적 런아웃"때문에 자성 강철 샤프트와 함께 사용할 때 더 "소음"이 발생합니다 (아래 세부 정보 참조). 와전류 고려 사항 섹션).

프로브 장착

이 비접촉 센서는 케이블을 통해 프로브를 구동하는 전자 장치에 연결되어 프로브와 샤프트 사이의 거리 변화에 비례하는 출력 전압을 제공하는 프로브 (측정 헤드)로 구성됩니다.

프로브는 측정 범위의 중심에서 샤프트와 떨어진 거리에 장착됩니다. 이를 통해 샤프트의 양방향 이동이 프로브의 기능 범위 내에 머무를 수 있습니다.

프로브를 장착 한 후 샤프트를 천천히 돌려 범위를 확인하십시오. 프로브가 샤프트와 가장 가까운 지점에 닿지 않아야하며 전체 회전 내내 범위를 유지해야합니다.

프로브와 샤프트 사이의 거리 변경은 샤프트 런아웃 측정의 일부입니다. 따라서 진동 또는 기타 외부 움직임으로 인해 샤프트에 대한 프로브가 변위되지 않도록 프로브를 견고하게 장착하는 것이 중요합니다.

마운팅 프로브 다이어그램

총 샤프트 런아웃 도출

총 런아웃

"총 런아웃"은 런아웃 신호의 TIR (피크 투 피크) 캡처로 측정 할 수 있습니다.

비접촉 센서의 샤프트 런아웃 측정은 샤프트가 회전함에 따라 순간적인 변위를 실시간으로 추적합니다. 단일“총 런아웃”측정을 유도하려면이 출력을 조정해야합니다. 런아웃 값은 평균값 유형 또는 피크 값일 수 있습니다. 총 런아웃 값을 생성하는 특정 방법은 응용 프로그램에 따라 다릅니다.

일반적으로 기준 런아웃 값과 시스템 운영자의주의가 필요한 임계 값을 설정합니다. 이러한 유형의 상태 모니터링 시스템에서 측정 단위는 중요하지 않습니다. 단위가 무엇이든, 기준선 및 임계 값 설정은 측정의 중요한 부분입니다.

평균값

총 런아웃

"총 런아웃"변경은 MM190 모듈의 추적 TIR 옵션으로 측정 할 수 있습니다.

일부 유형의 AC 전압계를 사용하여 시간에 따라 출력 값을 평균화 할 수 있습니다. 이들은 개별 기기로 제공되거나 데이터 수집 시스템을위한 지원 소프트웨어로 제공 될 수 있습니다. 샤프트의 회전 주파수에서 측정하는 미터의 능력을 고려하는 것이 중요합니다.

피크 값

출력 값의 피크를 캡처 할 수 있으며 시스템은 최대 피크와 최소 피크의 차이를보고 할 수 있습니다. 이것은 TIR (총 표시기 판독 값) 측정입니다. 이러한 피크를 캡처하는 시스템은 값이 감소 할 경우 전류를 유지하기 위해 주기적으로 재설정해야합니다. 사용하는 경우 엘리트 정전 용량 센서 샤프트 런아웃 측정의 경우 MM190 미터 및 신호 처리 모듈 피크 값을 캡처하고 표시 할 수 있습니다. MM190에는 피크 값을 캡처하지만 시간이 지남에 따라 값이 감소하는 추적 TIR이 있습니다. 이러한 방식으로, 런아웃이 감소 된 경우에도 표시된 값은 리셋없이 전류를 유지합니다. MM190은 와전류 센서 용 옵션이 아닙니다.

샤프트 런아웃의 와전류 (유도) 측정을위한 고유 한 고려 사항

와전류 센서는 고유 한 재료에 맞게 보정됩니다. 정밀성을 유지하려면 센서를 해당 특정 재료와 함께 사용해야합니다.

Eddy-Current 센서는 일반적으로 평평한 대상으로 보정됩니다. 정확한 측정을 위해 충분히 평평한 대상을 제공하려면 샤프트 직경이 와전류 프로브 직경보다 8-10 배 커야합니다. 또한 와전류 센서가 너무 가까이 있으면 서로 간섭하기 때문에이 크기의 샤프트 직경은 두 개의 프로브를 사용하여 90 ° 간격으로 런아웃을 모니터링 할 때 프로브 사이의 충분한 간격을 제공합니다.

전기 런아웃

전기 런아웃

와전류 센서는 자성 강철 재료에서 "전기 런아웃"오류를 읽습니다. 용량 성 센서는 그렇지 않습니다.

자성 물질은 전기적 런아웃이라고하는 특성을 가지고 있습니다. 재료 내에서 자기 특성의 국소화 된 작은 차이는 와전류 센서 자기장과의 상호 작용에 영향을 미칩니다. 이러한 차이는 열 이력, 냉간 작업 스트레스의 정도, 표면 처리 및 자기장 노출에 영향을받는 국소 화학 성분, 결정 구조 및 자기 영역에서 비롯됩니다. 이러한 차이가 클수록 전기 런아웃이 커집니다. 자성 스틸 샤프트가 회전함에 따라, 와전류 센서 출력은 센서와 샤프트 사이의 간격이 변하지 않아도 (기계적 런아웃 없음) 재료의 전기적 런아웃에 따라 변경됩니다. 오른쪽 이미지는 동일한 자기 강 샤프트를 측정하는 용량 성 센서와 와전류 센서를 비교합니다. 구리 및 알루미늄과 같은 비철 재료는이 현상이 유의미하지 않습니다. 비자 성 강철은 자성 강철보다 우수하지만 여전히 작은 전기 런아웃을 나타냅니다.

전기 런아웃은 일반적으로 와전류 샤프트 런아웃 센서의 측정 범위의 일부인 75 µm (0.003 인치) 미만입니다. 일부 응용 분야에서, 전기 런아웃은 샤프트의 기준 런아웃과 비교하여 작으므로 전체 샤프트 런아웃 측정에 큰 오류가 발생하지 않습니다.

전기 런아웃 완화

샤프트 런아웃 측정이 전기 런아웃에 중대한 오류가 될 정도로 정밀해야하는 경우 문제를 해결해야합니다. 자기 샤프트에서 전기 런아웃 오류를 제거하는 가장 좋은 방법은 용량 성 센서를 사용하는 것입니다. 그러나 샤프트 런아웃 센서 애플리케이션은 종종 와전류 센서가 필요한 습하고 더러운 환경에 있습니다. 전기 런아웃을 제거하거나 줄이기위한 몇 가지 방법이 있습니다.

가능한 가장 큰 프로브를 사용하십시오. 와전류 샤프트 런아웃 센서의 감지 필드는 프로브 직경보다 XNUMX 배 더 큽니다. 프로브 출력은 해당 필드 내의 모든 것의 평균입니다. 큰 프로브를 사용하면 샤프트의 넓은 영역과 국부적 자기 불일치의 평균이 커집니다. 그러나 샤프트에 너무 큰 프로브를 사용하지 마십시오 (위 참조).

비자 성 슬리브. 와전류 감지 필드는 재료에 매우 깊이 침투하지 않습니다. 0.5mm (또는 더 두꺼운) 알루미늄 또는 구리 슬리브는 샤프트 런아웃 센서에 비자 성 대상을 제공합니다.

결론

샤프트 런아웃 측정은 특히 상태 모니터링에 일반적이고 유용한 측정입니다. 단일 센서와 방법을 사용하여 단일 총 런아웃 값을 도출하면 운영자 개입을위한 기준 런아웃 수와 임계 값을 설정할 수 있습니다. 용량 성 및 와전류 센서는 모두 샤프트 런아웃 측정 사양 및 어플리케이션의 환경 조건에 따라 탁월한 솔루션을 제공합니다.