DISENO Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DE~ CONTROL PARA …

DISENO Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DECONTROL PARA UNA MAQUINA DE BALANCEO

DINAMICO UTILIZANDO ANALISIS DEVIBRACIONES

Diana Xiomara Moreno RodrıguezJuan Sebastian Martinez Munoz

Directores: German A Holguın LJose Luis Tristancho Reyes

Disertacion PublicaIngenierıa Electrica e Ingenierıa Mecanica

Junio 12, 2015Xiomara M, Sebastian M (I.E. I.M) Balanceo por analisis de vibraciones Proyecto de grado, U.T.P. 1 / 48

AGRADECIMIENTOS

Grupo de Investigacion en Automatica.

Grupo de Investigacion en Materiales Avanzados (GIMAV).

Vicerrectoria de Investigacion, Innovacion y Extension.

Laboratorio de Maquinas y Herramientas.

German Andres Holguın Londono.

Jose Luis Tristancho Reyes.

Hector Fabio Quintero

Xiomara M, Sebastian M (I.E. I.M) Balanceo por analisis de vibraciones Proyecto de grado, U.T.P. 2 / 48

CONTENIDO

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE

3 GENERALIDADES DEL DESBALANCE MECANICO

4 METODOLOGIA

5 EXPERIMENTOS

6 RESULTADOS

7 CONCLUSIONES

8 BIBLIOGRAFIA


INTRODUCCION

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE


4 METODOLOGIA

5 EXPERIMENTOS

6 RESULTADOS

7 CONCLUSIONES

8 BIBLIOGRAFIA


INTRODUCCION

Motivacion

El proyecto consiste en el diseno e implementacion de un sistema de balanceoautomatico e interfaz grafica portatil disenado e implementado para la Ma-quina de Balanceo Veb Thuringer Industriewerk Ravenstein modelo AM100del Laboratorio de Maquinas y Herramientas de la Universidad Tecnologicade Pereira.

Figura 1. Maquina balanceadora de la Universidad Tecnologica de Pereira


INTRODUCCION DEFINICION DEL PROBLEMA

El Problema ...

El desbalance mecanico es uno de los principales causantes devibraciones en elemento rotativos.

La Universidad Tecnologica de Pereira cuenta con unabalanceadora dinamica de tipo manual.

La operacion y naturaleza de la maquina exige personalespecializado para su operacion.


INTRODUCCION DEFINICION DEL PROBLEMA

La Solucion ...

La propuesta consiste en evaluar los parametros tecnicos de la maquinae implementar el proceso de balanceo basado en analisis de vibracionessin necesidad de intervenir su estructura fisica ni su funcionamientoelectrico.

Permitiendo efectuar un proceso de balanceo de una forma rapida ysegura orientando al operario de una manera establecida durante elprocedimiento del balanceo.


INTRODUCCION JUSTIFICACION

Justificacion

Es necesario implementar un sistema de instrumentacion y control quepermita disminuir el grado de complejidad en la ejecucion del procedi-miento. De esta forma se permite que mas personal pueda utilizar lamaquina de forma segura y eficiente.

Con dicho sistema de instrumentacion y control un operario con capa-citacion basica podra efectuar procesos de balanceo de forma rapida ysegura guiado a traves de una interfaz confiable.


INTRODUCCION OBJETIVOS

Objetivo General

Implementar un sistema de instrumentacion y control para la maquinabalanceadora dinamica de la Universidad Tecnologica de Pereira, quede acuerdo con la normatividad vigente, permita la ejecucion asistidapor computador del proceso de balanceo de una pieza determinada.


INTRODUCCION OBJETIVOS

Objetivos Especıficos

Determinar los parametros y requerimientos tecnicos de lamaquina balanceadora de la Universidad Tecnologica de Pereirapara permitir la adquisicion de senales de vibracion por medio deacelerometros.

Disenar un sistema de instrumentacion con base en acelerometrosque permita determinar el desbalance en una pieza.

Desarrollar software para asistir el proceso de balanceo dinamicode acuerdo con la normatividad vigente (ISO 1940, ISO 10816).

Implementar, probar y ajustar el software y hardwaredesarrollados.


ESTADO DEL ARTE

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE


4 METODOLOGIA

5 EXPERIMENTOS

6 RESULTADOS

7 CONCLUSIONES

8 BIBLIOGRAFIA


ESTADO DEL ARTE

ESTADO DEL ARTE

En trabajos de grado y articulos como los presentados a continuacionse mustran los resultados de investigaciones e implemntaciones de ba-lanceo por medio de vibraciones:

Analisis del efecto de la variacion de velocidad sobre el espectrode vibracion en equipos rotodinamicos. [1]

Diseno e implementacion de un sistema de control electronicopara una maquina balanceadora geodyna 40/40 para neumaticosde 12 a 16 pulgadas. [2]

Application of labview to automated measuring dynamicbalancing of motorcycle crankshaft. [3]

Protocolo para el balanceo dinamico de un ventilador con elanalizador de vibraciones detector iii. [4]


ESTADO DEL ARTE

En los ultimos anos, al interior de la universidad se han realizado algunosproyectos de investigacion en el tema del analisis de vibraciones.

Identicacion en linea de modos tempranos de fallas dinamicas enmaquinas rotativas. [5]


GENERALIDADES DEL DESBALANCE MECANICO

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE


4 METODOLOGIA

5 EXPERIMENTOS

6 RESULTADOS

7 CONCLUSIONES

8 BIBLIOGRAFIA



Vibraciones y fallas mecanicas

las vibraciones mecanicas que se presentan en un cuerpo, ya sea rıgido olibre se definen como el movimiento de partıculas alrededor de un puntofijo.

Figura 2. Vibraciones mecanicas



Fallas causantes de vibraciones mecanicas

Desbalance mecanico

Desalineacion.

El desbalance hace referencia al fenomeno ocurrido cuando una piezaque gira su centro de gravedad y su centro geometrico no se encuentranen el mismo lugar, causando una fuerza centrıfuga al momento de girar.


GENERALIDADES DEL DESBALANCE MECANICO Balanceo mediante analisis de vibraciones

Desbalance Estatico [6]:

Figura 3. Desbalance Estatico



Desbalance Dinamico:

Desalineacion:



Metodos de balanceo

Balanceo dinamico segun medicion de fase (un plano)

Balanceo dinamico segun coeficiente de sensibili-dad (un plano y dos planos)

~S =~Mt

~V1 − ~Vo

(1)

~MC = ~S ∗ (− ~Vo) (2)



Figura 4. Idetificacion tradicional de vectores de desbalance

Tsop

360°=

∆t

β(3)



Proceso de balanceo usando analisis espectral: se podra al aplicar el estudiode las vibraciones en un elemento conocer que tipo de problemas padeceel equipo. Actualmente se pueden encontrar diferentes analizadores de vi-braciones en el mercado como lo es el DSP LOGGER enfocado en corregirfallas mecanicas

Densidad espectral cruzada de potencia: [7] Se presenta la definicionmatematica para la correlacion cruzada para dos funciones discretas en laecuacion 4 :

(f ? g)i =∑j

fj ∗ gi + j (4)

Propagacion del error: Filtro de particulas. Se considera que la salida delsistema tendra el mismo tipo de distribucion de la entrada.


METODOLOGIA

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE


4 METODOLOGIA

5 EXPERIMENTOS

6 RESULTADOS

7 CONCLUSIONES

8 BIBLIOGRAFIA


METODOLOGIA

Metodologıa

1 Adquisicion de datos

2 Transformada de Fourier de la senal adquirida de vibracion

3 Densidad espectral cruzada de potencia de la senal adquirida por elsensor optico y el acelerometro


METODOLOGIA


METODOLOGIA

Metodologıa

1 Analisis de resultados obtenidos del procesamiento de senales

2 Aplicacion de conceptos de balanceo


EXPERIMENTOS

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE


4 METODOLOGIA

5 EXPERIMENTOS

6 RESULTADOS

7 CONCLUSIONES

8 BIBLIOGRAFIA


EXPERIMENTOS IMPLEMENTACION

IMPLEMENTACION

Elementos utilizados:

2 Acelerometros de marca CTC de 100mV/g

Sensor optico referencia LS18D-40N

Tarjeta de adquisicion 6009 (DAQ) marca National Instruments

Tabla 1. Consideraciones fısicas del elemento a balancear

Parametro Mınimo Maximo

Masa (Kg) 90

Diametro (cm) 20 80

Ancho (cm) 5 60

Velocidad (RPM) 800 1600

R=A/D 0,25 0,75



Figura 5. Modelo de balanceo dinamico



Para la implementacion del medidor de vibraciones se definieron los modelospara uno y dos planos de correccion, con los siguientes metodos analiticosde balanceo:

Balanceo en un plano con medicion de fase.

Balanceo en un plano por coeficiente de sensibilidad.

Balanceo en dos planos o dinamico (coeficiente de sensibilidad en dosplanos).



La velocidad de la maquina se obtiene por medio del procesamiento de lasenal adquirida por el sensor optico:

� Adquisicion de la senal del sensor optico.

� Transformada de fourier de la senal adquirida.

� Identificacion de la frecuencia fundamental de la senal, : 26,5 Hz y 53,3Hz.

� Se obtiene la velocidad de la maquina con la ecuacion 5, para la maquinabalanceadora serian 2 pares de polos.

velocidad =Ffundamental � 60

pares de polos(5)


EXPERIMENTOS EVALUACION

DESEMPENO

Se estudio el comportamiento de los resultados de balanceo obtenidos y seobtuvo un desempeno apropiado comparado con el analizador de VibracionesDSP LOGGER.

Error de magnitud= 6,43 %

Error de fase=2,94 %

Se muestra ademas algunas variaciones en la fase hallada por el medidorcreado cuando la magnitud en el vector de desbalance es menor a 0,5 mm/s.


RESULTADOS

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE


4 METODOLOGIA

5 EXPERIMENTOS

6 RESULTADOS

7 CONCLUSIONES

8 BIBLIOGRAFIA


RESULTADOS

RESULTADOS

Para las pruebas realizadas con el sistema de correccion e interfaz de usuariopara los montajes mostrados en la figura 6

Figura 6. Montaje utilizado


RESULTADOS

Prueba 1 plano: El motor con una frecuencia electrica de 35 Hz,velocidad medida por el DSP LOGEER: 1045 RPM, velocidad medidacon nuestro software 1046,20 ± 0,10 RPM

Masa de prueba 11,95g ubicada a -30°

A continuacion se presentan las senales adquiridas por el sensor optico y porlos acelerometros en las figuras 6 y 7 respectivamente:


RESULTADOS

Figura 6: Senal adquirida por el sensor optico.


RESULTADOS

Figura 7: Densidad espectral cruzada de frecuencia del acelerometro y elsensor optico


RESULTADOS

se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla 2:

Tabla 2. Resultados obtenidos para balanceo en un solo plano

Tipo de Medicion DSP LOGGER SOFTWARE

vo(mm/s) 2,5928 2,659 ± 0,06

θvo(grados) -109 -109 ± 3,5

v1(mm/s) 3,2846 3,4958± 0,04

θv1(grados) -136 -140 ± 10,21

masa correccion (g) 20,28 18,11 ± 3,95

angulo masa correccion (grados) 227,38 228,26 ± 9,28

vresidual (mm/s) 0,2144 0,216 ± 0,06

θvresidual (grados) -93 246,844± 3,5

Se pueden ver que los resultados del software creado se encuentran en unrango cercano de accion al analizador de vibraciones.


RESULTADOS

Ademas se presenta el desarrollo de la interfaz grafica realizada en la plataformade desarrollo LabVIEW:

Figura 7. Pantalla principal HMI


RESULTADOS

Figura 8. Pantalla balanceo en un plano


RESULTADOS

Figura 9. Pantalla datos masa de prueba


RESULTADOS

Figura 10. Pantalla masa de correccion para un plano


RESULTADOS

Figura 11. Aviso validacion del balanceo con norma ISO 1940-1


RESULTADOS

Reporte balanceo en un plano


CONCLUSIONES

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE


4 METODOLOGIA

5 EXPERIMENTOS

6 RESULTADOS

7 CONCLUSIONES

8 BIBLIOGRAFIA


CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

Se concluye que el metodo de la densidad espetral de potenciaacompanado de la correlacion cruzada son metodos aplicables para elbalanceo mecanico.

Se desarrollo exitosamente una herramienta de bajo costo paraactualizar la forma como se realiza actualmente el proceso debalanceo, automatizando la maquina balanceadora laboratorio demaquinas herramientas de la universidad Tecnologica de Pereirautilizando analisis de vibraciones, permitiendo convertir el proceso debalanceo dinamico actual en un proceso rapido y efectivo.


CONCLUSIONES

Se presenta una herramienta grafica que se presta a evolucionar segunlas necesidades del usuario, demostrando que sus resultados soncomparables con elementos de medicion de vibraciones, teniendo encuenta la baja la calibracion requerida de sus mediciones.

Se muestra una mayor precision en los resultados de balanceo que serealizaron en la maquina balanceadora, permitiendo ademas recibir unreporte detallado del proceso de balanceo ejecutado, teniendo ademasuna inexistente manipulacion al comportamiento original de lamaquina ya que el desarrollo del software en general se realizo sincambiar los parametros fısicos o funcionales de la maquina, el metodode balanceo anterior se puede desarrollar en el momento deseado.


BIBLIOGRAFIA

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE


4 METODOLOGIA

5 EXPERIMENTOS

6 RESULTADOS

7 CONCLUSIONES

8 BIBLIOGRAFIA


BIBLIOGRAFIA

Bibliografıa

R. A. VALENCIA, “Analisis del efecto de la variacion de velocidadsobre el espectro de vibracion en equipos rotodinamicos,” Master’sthesis, Universidad autonoma de occidente-facultad deingenieria-departamento de energetica y mecanica-programa deingenieria mecanica., 2014.

G. X. MENDOZA MORAN, Ivan Oswaldo YORELLANA URUCHIMA, “Diseno e implementacion de un sistema decontrol electronico para una maquina balanceadora geodyna 40/40para neumaticos de 12 a 16 pulgadas,” Master’s thesis, Universidadpolitecnica salesiana sede cuenca, 2013.

Y. Zhang, Q. Shi, and Y. Han, “Application of labview to automatedmeasuring dynamic balancing of motorcycle crankshaft,” inAutomation and Logistics, 2007 IEEE International Conference on,Aug 2007, pp. 3055–3059.

L. C. CHEUQUELAF BARRIGA, “Protocolo para el balanceo dinamicode un ventilador con el analizador de vibraciones detector iii,” Master’sthesis, Universidad A ustral de Chile, 2009.

H. F. Y. C. G. Y. H. E. Y. L. J. F. OROZCO, Alvaro Y QUINTERO,Identificacion en linea de modos tempranos de fallas dinamicas enmaquinas rotativas. COLCIENCIAS, 2012, vol.Proyecto:1110-405-20247 COLCIENCIAS.

Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecanico, a-maq s.a 2005.

M. M. Fernandez, “Senales aleatorias y ruido.”


BIBLIOGRAFIA

MUCHAS GRACIAS !

“Diana Xiomara Moreno R.”<[email protected]>”Juan Sebastian Martinez”<[email protected]>

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRAPROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRICAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

PEREIRA2015


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