Kistler - precyzyjne pomiary sił i momentów obrotowych

Szwajcarska firma Kistler należy do grona światowych liderów w produkcji czujników siły, momentu obrotowego, a także ciśnienia i przyspieszenia. Firma specjalizuje się przede wszystkim w sensorach wykonanych w technologii piezoelektrycznej wykorzystywanych w aplikacjach dynamicznych i quasi-statycznych.

Unikalną cechą czujników piezoelektrycznych jest możliwość dokonywania precyzyjnych pomiarów w bardzo dużym zakresie wartości - dokładność czujnika jest zależna od zakresu ustawionego we wzmacniaczu, a nie całkowitego zakresu pracy czujnika. Tym samym zmieniając ustawienia wzmacniacza, możemy dokonywać precyzyjnego (z dokładnością nawet 0,1% ustawionego zakresu pracy) pomiaru wartości nominalnych i wielokrotnie mniejszych.

Przykładowo czujnikiem o zakresie 120 kN (nacisk ok. 12 ton) możemy precyzyjnie mierzyć siły rzędu zaledwie kilkunastu niutonów. Dzięki temu czujniki piezoelektryczne z łatwością można zastosować w aplikacjach, w których występujące siły mogą zmieniać się w szerokim zakresie w zależności od produkowanego asortymentu, a także pozwalają na skuteczne zabezpieczenie sensorów przed przeciążeniami np. w przypadku wystąpienia wad produktów lub nieprawidłowego działania maszyn. Ponadto czujniki piezoelektryczne charakteryzują się wysoką częstotliwością pracy, zwartą budową, dużą sztywnością i długą żywotnością.

POMIAR SIŁY

Czujniki siły dostępne są w wielu wykonaniach umożliwiajacych pomiar bardzo małych sił z rozdzielczością miliniutona po modele o zakresach sięgających 20 MN. W ofercie znajdują się modele do pomiarów sił ściskających i czujniki potrafiące mierzyć dodatkowo siły rozciągające. Bardzo popularne są czujniki typu podkładka (load washer) o zakresach 7,5 kN...1,2 MN.

Przetworniki tego typu wymagają wstępnego obciążenia siłą ok. 25-33% nominalnego zakresu (czujnik musi być umieszczony pomiędzy dwoma skręconymi ze sobą centralną śrubą elementami stalowymi). Wstępne obciążenie zabezpiecza czujnik przed uszkodzeniami mechanicznymi (czujniki nieobciążone są stosunkowo wrażliwe na momenty skręcające) oraz umożliwia pomiar sił rozciągających.

Trzeba jednak pamiętać, że zakres czujnika jest podawany dla czujnika nieobciążonego (czujnik powinien być więc dobrany z odpowiednim zapasem). Czujnik jest także kalibrowany jako nieobciążony (standardowo 10% i 100% zakresu nominalnego). Do pomiaru bezwględnych wartości sił może być konieczna kalibracja na miejscu instalacji (nie jest wymagana przy użyciu elementów wstępnie obciążających).

Kolejną grupę stanowią czujniki fabrycznie wstępnie obciążone - są one skalibrowane (w większości przypadków dla 1%, 10% oraz 100% zakresu nominalnego) i umożliwiają precyzyjny pomiar sił bezpośrednio po zainstalowaniu. Montaż sensorów znacznie ułatwiają nagwintowane otwory dostępne z obu stron czujnika. Opisane powyżej czujniki wykorzystywane są przede wszystkim do pomiarów bezpośrednich - najdokładniejszej, ale i najdroższej metody pomiaru.

Siłę możemy mierzyć także bocznikowo lub pośrednio. Pomiar bocznikowy polega na umieszczeniu czujnika np. w podstawie prasy (zajmuje on zazwyczaj kilka procent powierzchni tej podstawy) i pomiarze tylko części siły występującej w procesie, która "przechodzi" przez czujnik). Sensory do pomiarów bocznikowych są mniejsze i łatwiejsze w implementacji, ale nie zapewniają takiej precyzji jak pomiary bezpośrednie.

Najmniej dokładna, ale najwygodniejsza w stosowaniu metoda pośrednia wykorzystuje pomiar odkształcenia konstrukcji maszyny spowodowanej oddziaływaniem siły. Czujniki odkształceń mogą być montowane powierzchniowo (przykręcane jedną śrubą M6) lub wkręcane w konstrukcję maszyny. Metody bocznikowa i pośrednia wymagają kalibracji czujników w miejscu ich instalacji, o ile mierzone mają być bezwzględne wartości sił.

POMIAR MOMENTU OBROTOWEGO

Kolejną grupę produktów stanowią czujniki momentu obrotowego, które mogą być wykonane jako czujniki piezoelektryczne (reakcyjne - czujnik pozostaje nieruchomy) oraz tensometryczne (rotacyjne - z obrotowym wałem/wirnikiem). Zastosowania czujników momentu obrotowego obejmują testowanie przełączników, silników, przekładni, napędów, momentów dokręcania śrub itp.

W standardowej ofercie znajdują się modele o zakresach 0,2 Nm...20 kNm z wyjściami napięciowymi lub częstotliwościowymi oraz klasami dokładności rzędu 0,05...0,2. Dostępne są różne typy czujników: klasyczne - z łożyskowanym wałem, flanszowe (kołnierzowe) oraz nowość w ofercie - modele z odseparowanym wirnikiem od stojana, w których z jednym uniwersalnym stojanem mogą współpracować wirniki o różnych zakresach.

Zdecydowana większość przetworników (poza najprostszymi modelami) wyposażona jest w indukcyjną transmisję sygnałów pomiędzy wirnikiem a stojanem, co zapewnia ich dużą niezawodność.

MONITOROWANIE SIŁY WZGLĘDEM PRZEMIESZCZENIA

Dostępny na wyjściu czujników piezoelektrycznych sygnał w postaci ładunku elektrycznego wymaga przetworzenia na standardowy sygnał analogowy lub cyfrowy. Nawet uzyskiwany na wyjściu ze wzmacniaczy ładunku (dostępna jest szeroka gama wzmacniaczy o zróżnicowanych parametrach, jedno- lub wieloknałowych) lub przetworników momentu obrotowego sygnał napięciowy wymaga dalszego przetwarzania w celu oceny poprawności realizowanych operacji.

W związku z tym powszechnie stosowane są jednostki przetwarzające siłę (a także moment obrotowy, ciśnienie) w funkcji przemieszczenia lub czasu. Urządzenia te tworzą charakterystykę np. siły w funkcji drogi, a dzięki zdefiniowaniu okien ewaluacyjnych pozwalają na kontrolowanie kluczowych z punktu widzenia jakości fragmentów tej charakterystyki i oceny, czy mieszczą się one we wcześniej ustalonych granicach tolerancji.

Na wyjściu otrzymujemy sygnał cyfrowy i/lub określone wartości procesowe (poprzez interfejsy sieciowe). Dodatkowo istnieje możliwość przełączania wyjść czasu rzeczywistego po osiągnięciu określonej siły lub drogi w celu przejścia do kolejnego etapu procesu lub zatrzymania maszyny (np. gdy siła przekroczy dopuszczalną wartość).

Ponadto możemy archiwizować wybrane dane procesowe dla potrzeb dokumentacji produkcji i jakości. Do kanału przemieszczenia (oś X) możemy podłączyć czujnik potencjometryczny lub przetwornik z wyjściem napięciowym, impulsowym, SSI, natomiast do kanału siły (oś Y) czujnik piezoelektryczny, tensometryczny lub sygnał napięciowy.

SYSTEM MONTAŻU NC - PRASY ELEKTROMECHANICZNE

System montażu NC stanowi kompletne rozwiązanie do operacji łączenia elementów (np. wciskania łożysk). Jest on złożony z modułu prasy elektromechanicznej ze zintegrowanymi czujnikami siły i przemieszczenia, sterownika serwonapędu oraz jednostki sterującej prasą oraz przetwarzajacej siłę względem przemieszczenia.

Dostępne są urządzenia o różnych nominalnych zakresach sił od 1,5 kN do 300 kN. Urządzenia najbardziej popularnej serii NCFH charakteryzują się zwartą konstrukcją i dużym skokiem (skok 400 mm przy całkowitej długości modułu 800 mm), wysoką prędkością liniową (do 300 mm/s), dużą dokładnością pomiarów (dwa zakresy siły, dokładność >1% zakresu, rozdzielczość pomiaru przemieszczenia 1μm) oraz pozycjonowania (powtarzalność wyższa niż 0,01 mm).

Ponadto urządzenia charakteryzują się długą żywotnością (ponad 10 mln cykli przy nominalnym obciążeniu) oraz bardzo niskimi kosztami eksploatacji (małe zużycie energii, obsługa serwisowa sprowadza się praktycznie do nasmarowania urządzenia raz na rok lub milion cykli). Jednostka sterująca ma duże możliwości przetwarzania siły w funkcji przemieszczenia i archiwizacji danych procesowych.

Zastosowanie naszych systemów pomiarowych zapewnia skuteczną kontrolę jakości oraz szybkie wykrywanie potencjalnych problemów produkcyjnych, prowadząc do uzyskania stałej, wysokiej jakości wyrobów. Wykorzystanie systemu montażu NC opartego na prasach elektromechanicznych umożliwia ponadto znaczne skrócenie czasu trwania cykli produkcyjnych.

Kistler
www.kistler.com