Определение ограничительного момента и частоты вращения

Определение ограничительного момента и частоты вращения

Fachhochschule Westküste: T. Petersen, N. Johannsen, A. Busdorf,
Dipl.-Ing. Thomas Seydlitz, Prof. Dr.-Ing. Rainer Veyhl
Partner: Agilent Technologies Deutschland GmbH, Lorenz Messtechnik GmbH

Оригинал статьи (.pdf, англ, ~ 350 кб)

Перевод АЛЬФА-СЕНСОР © 2010

Анализ проблемы и концепция решения

В течение прошлого десятилетия, аккумуляторные шуруповерты заняли прочную позицию на рынке ручного инструмента изавоевали большую популярность у профессионалов и любителей. Большинство этих устройств оборудовано плавной настройкой ограничения крутящего момента, котороя производиться неопределенным способом. Таким образом эта настройка бесполезна для винтов и шурупов, требующих определенный момент затяжки.

Рис. 1: Установка для определения ограничительного крутящего момента

Цель проекта - разработка измерительной установки для регистрации ограничительного крутящего момента и частоты вращения аккумуляторного шуруповерта. Регистрация измеренных значений должна была производиться при реалистичных условиях для получение достоверных результатов (см. рис. 1)
Получение и накопление данных производилось при помощи датчика крутящего момента DR-2153 от Lorenz Messtechnik GmbH и цифрового регистратора MEphisto-1 от Meilhaus Electronic GmbH. Для обработки данных использовалось программное обеспечение Agilent VEE Pro 9.0.

Конструкция и спецификации

Различные конструкции для реализации механической нагрузки были разработаны и сравнены друг с другом согласно следующим критериям, чтобы гарантировать оптимальное макетирование для проекта.
Механическое устройство должно было воспроизводить нагрузку, отображая кривую крутящего момента максимально линейную, насколько это возможно при углах поворота аккумуляторного шуруповерта. Кроме того, должно было быть обеспечено то, что вращающий момент, приложенный к системе, не будет бесконтрольным.

Рис. 2: Временная диаграмма крутящего момента и частоты вращения

Программное обеспечение, должно было отображать пользовательский интерфейс, который демонстрирует насколько возможно достоверные данные в пределах определенного интервала времени и максимальные значения частоты вращения и крутящего момента. Также, должна была присутствовать функция архивации данных. (см. рис. 2).

Техническая реализация

Тестируемый аккумуляторный шуруповерт присоединен к 1\4 -дюймовому гексагональному концу вала датчика крутящего момента. Вал датчика крутящего момента связывает всю механическую конструкцию испытательной системы. Вращательное ддижение движение приводит к сжатию спиральной пружины, так, чтобы был произведен почти линейно возрастающий крутящий момент. (см. рис. 4)
Крутящий момент считывается с датчика крутящего момента DR-2153 как сигнал по напряжению 0...10 В. Частота вращения считывается с датчика в виде импульсного сигнала (360 прямоугольных импульсоав на оборот).

Рис. 3: Структурная схема расположения оборудования

Оба сигнала подавались через 8-ми полюсный разъем и 2 разъема BNC на цифровой регистратор MEphisto, который направлял данные в цифровом виде на ПК через интерфейс USB. (см. рис. 3)
Зарегистрированные сигналы обработывались и оцененивались программой Agilent VEE. Значения крутящего момента и частоты вращения в пределах определенного интервала времени отображались на двух диаграммах. Кроме того, максимальные значения обоих параметров отображались во время измерения. Пользователь мог сохранять измеренные значения файле CSV.

Рис. 4: Механическая конструкция установки для измерения крутящего момента

Результат

В пределах проекта был осуществлено измерение, настроенное для определения ограничительного крутящего момента компактных аккумуляторных шуроповертов.
С помощью операционного интерфейса программы, даже люди без особых знаний в прикладной технологии могут выполнить успешные измерения. Кроме того, это является подходящим решением в целях наглядного представления посредством мобильной и открытой конструкции механического нагружения.
В основном, механическая конструкция должна быть расценена как опытный образец. Из-за используемых материалов, конструкция подходит только  для небольших крутящих моментов (<2 Нм).
*

Тестирование шуруповертов с Li-Ion технологией

Тестирование шуруповертов с Li-Ion технологией

Fachhochschule Westküste: M. Thomsen, M. Lutzenberger Dipl.-Ing. T.Seydlitz, Prof. Dr.-Ing. R.Veyhl
Partner: LORENZ MESSTECHNIK GmbH

Оригинал статьи (.pdf, англ, ~ 320 кб)

Перевод АЛЬФА-СЕНСОР © 2010

Анализ проблемы и концепция решения

В последнее время наблюдается резкое увеличение применения литиево-ионных аккумуляторов (Li-Ion) в беспроводном инструменте, в частности – в шуруповертах. Высокие показатели характеристик (отсутствие эффекта памяти, полная мощность до конца разряда, малый саморазряд, высокая энергоемкость при малом весе и габаритах) сделали Li-Ion технологию очень популярной у известных производителей беспроводного инструмента.

Рис 1: Аккумуляторный шуруповерт с датчиком крутящего момента

Целью проекта исследований стало определение отличий обычной аккумуляторной технологии (Ni-Cd или Ni-MH) от новой технологии Li-Ion и выработки рекомендаций по выбору наилучшей из них.
В качестве объектов тестирования были использованы шуроповерт с аккумуляторами Li-Ion, с аккумуляторами Ni-MH и с аккумуляторами Ni-Cd. Непосредственными объектами тестирования являлись аккумуляторы. Для измерений и сбора данных применялся датчик крутящего момента DR-2153 / 20 Нм от Lorenz Messtechnik GmbH и цифровой регистратор “MEphisto Scope UM202” от Meilhaus Electronic. Обработка данных производилась при помощи ПО Agilent VEE 8.5.
Сравнение между аккумуляторными шуруповертами должно было быть выполнено в соответствии с фактическими условиями применения для получения достоверного результата оценки привода на валу шуруповертов.

Рис 2: Длительная нагрузка моделируемым 4x40 мм шурупом 

Рис. 3: Характеристика момента 5x60 мм шурупа (сосна)

Условия и спецификации

Сравнение шуруповертов и/или аккумуляторных технологий основано на длительной нагрузке, при которой моделируется закручивание деревянных шурупов в образцы из сосны. Это означает, что шуруповерты не закручивают "реальные" шурупы в "реальные" образцы, a они нагружаются постоянным крутящим моментом, который эквивалентен закручиванию реального шурупа (Рис. 3).
При полностью заряженном аккумуляторе, каждый из шуруповертов должен заворачивать "моделируемые" шурупы до момента заметного уменьшения мощности или до отключения электроники шуруповерта. На Рис. 2 показана долгосрочная регистрация скорости и крутящего момента шуруповерта с Li-Ion  аккумулятора при закручивании моделируемого 4x40 мм шурупа (постоянная нагрузка 1,2 Нм).
Для сравнительной оценки результатов, требуемый крутящий момент и время закручивания различных шурупов отображались для каждого шуруповерта. (Рис. 3).

Техническая реализация

Датчик крутящего момента Lorenz Messtechnik GmbH зажимается в быстрозажимной головке тестируемого аккумуляторного шуруповерта. Да другом конце механической передачи находится стандартное гексагональное гнездо (Рис. 1). Электрическое подключение датчика к регистратору MEphisto Meilhaus осуществляется через 2 BNC-разъема и 8-ми проводного кабеля.

Рис. 4: Схема подключения датчика крутящего момента

Генератор устанавливается на измерительной стороне датчика крутящего момента. Производимая мощность преобразуется в тепловую в реостате (Рис. 4). Посредством изменения нагрузки, могут быть смоделированы различные крутящие моменты, соответствующие различным длинам и диаметрам шурупа.
На выходе датчика текущий крутящий момент представлен как аналоговый сигнал по напряжению 0 … 10 В, а частота вращения шуруповерта как импульсный сигнал прямоугольной формы - 360 импульсов/оборот. Электрические сигналы преобразуются регистратором MEphisto Meilhaus и передаются на ПК через USB-интерфейс.
Измеренные значения обрабатываются при помощи ПО Agilent-VEE. Текущие значения отображаются на дисплее ПК и сохраняются в *.csv-файле каждых 100 миллисекунд. После окончания измерения результаты представляются в виде двух диаграмм (Рис. 5).

Рис. 5: Диаграммы крутящего момента и частоты вращения

Результаты

Li-Ion технология подтвердила свои преимущества в области производства беспроводного инструмента. По сравнению с обычными шуруповертами хорошего качества, показатели шуруповертов с Li-Ion аккумуляторами превзошли все ожидания.
Все шуруповерты с Li-Ion аккумуляторами очень компактны, имеют меньший вес и и очень удобны в применении. Большое преимущество - постоянная мощность до момента фиксации.
После небольшого времени работы, отмечается существенная потеря мощности у обычных и дешевых аккумуляторных шуруповертов.
Данная методика измерений подходит не только для долговременных тестов, она позволяет также сделать запись последовательностей, которые требуют короткого времени выполнения. Например, при измерении "мягкого" вращающего момента или единичных процессов вворачивания шуруповертами.
*

Крутящий момент

Примеры конструктивных решений с использованием датчиков крутящего момента

• Тестирование шуруповертов с Li-Ion технологией
• Определение ограничительного момента и частоты вращения

*