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BSc in Elektro- und KommunikationstechnikBIBEBUVAVibrationsanalyse einer SchleifmaschineSignalverarbeitung / Betreuer: Prof. Dr. Daniel von Grünigen, Ivo OeschExperte: Peter RichliProjektpartner: Elaso AG, ZuchwilBei der Herstellung von mechanischen Teilen hoher Präzision ist der Arbeitsgang des Schleifens von entscheidenderBedeutung. Um eine gleichbleibend hohe Qualität des Schleifergebnisses zu gewährleisten,ist es notwendig, die Schleifscheibe während des Betriebes auszuwuchten. Die dafür eingesetzten Auswuchtsystemebenötigen als Grundlage für den Auswuchtvorgang einen präzisen Messwert der aktuellenUnwucht. Es ist das Ziel dieser Arbeit, ein Messsystem zu entwickeln, welches das analoge Ausgangssignaleines Vibrationssensors digital zu einem genauen und stabilen Messwertsignal verarbeitet.EinleitungAuswuchtsysteme zur Qualitätssteigerungwerden in der Schleiftechnikbereits seit langem erfolgreich eingesetzt.Die dafür verwendeten Messsystemewurden hierbei häufig mittelsanaloger Elektronik aufgebaut.Obwohl diese analogen Systemesehr zuverlässig und präzise funktionieren,bringen sie einige Nachteilemit sich. Unter anderem sind diesdas grössere Bauvolumen, die Notwendigkeitdes Einsatzes von temperaturstabilisiertendiskreten Komponenten,der höhere Aufwand beider Fertigung (Abgleicharbeiten) undAlterungserscheinungen bzw. Drifteffekte,welche die Messgenauigkeitverschlechtern. Ein weiterer gewichtigerNachteil ist, dass analoge Filterhöherer Ordnung bei den tiefen Arbeitsfrequenzenin der Auswuchttechnik(max. 200 Hz) nur schwierigrealisierbar sind. Die digitale Signalverarbeitunghingegen kann auch beidiesen tiefen Arbeitsfrequenzen erfolgreicheingesetzt werden. Die bestehendenanalogen Messsystemesollen daher durch ein Messsystemersetzt werden, welches auf der digitalenSignalverarbeitung beruht.AnforderungenZur Messung der Maschinenschwingungenwird ein Beschleunigungssensoreingesetzt, der auf derSchleifmaschine montiert wird. Daszu entwickelnde Messsystem soll inder Lage sein, das analoge Ausgangssignaldieses hochpräzisenBeschleunigungssensors zur Messgrösse«Schwingweg» zu verarbeiten.Der Schwingweg ist hierbei definiertals Spitze-Spitze-Wert derSchwingbewegung, welche vomScheibenmittelpunkt ausgeführtwird. Diese Schwingbewegungnimmt der Mensch als Vibrationwahr. Der Schwingweg hat hierbeieine übliche Grössenordnung von 0.1Mikrometern bis zu einigen zehnMikrometern. Die Frequenz derSchwingbewegung liegt je nach Maschinendrehzahlim Bereich von5 Hz bis 200 Hz. Die Anforderungenan den tolerierten maximalenSchwingweg liegen je nach Einsatzgebietbei 0.1 μm bis zu 1 μm. Zusammengefasstgilt es also, die Beschleunigung,welche von einerSchwingung mit einer Spitze-Spitze-Auslenkung von 0.1 μm bis 50 μm beieiner Frequenz von 5 Hz bis 200 Hzerzeugt wird, messtechnisch zu erfassenund daraus den Schwingwegzu berechnen.RealisierungDas nötige Messsystem wurde inzwei Teilaufgaben gegliedert: Erstensdie Entwicklung einer analogenVorverarbeitung, welche das sehrkleine Sensorsignal verstärkt, amplituden-und bandbegrenzt und anschliessendmit einem 24-Bit Sigma-Delta ADC digitalisiert. Die zweiteTeilaufgabe beinhaltet die Entwicklungder gesamten digitalen Signalverarbeitung,die auf einem FloatingPoint DSP ausgeführt wird. Eine besondereAnforderung ist die variableEingangsfrequenz. Damit die digitalenFilter immer optimal auf die Eingangsfrequenzangepasst sind, wirdein FIR-Bandpassfilter eingesetzt,dessen Filterkoeffizienten bei Änderungender Eingangsfrequenz aufdem DSP automatisch neu berechnetwerden. Aus dem gefilterten Eingangssignalwird anschliessend derSchwingweg berechnet und aufeinem Display dargestellt.Marco Beffati.bfh.ch101