SKF Laser Vibrometer MSL-7000

Berührungslose Schwingungsmessung für die Zustandsüberwachung

Autor: Werner Palmetshofer, General Manager, SKF Condition Monitoring Centre, Steyr, Österreich

Lagereinheiten Zustandsüberwachung Konstruktion Fettgeräuschprüfer Maschinen und Anlagen Online-Serviceleistungen Simulation und Software

Zusammenfassung

Die Einführung eines berührungslosen Verfahrens zur Schwingungsmessung in Form des SKF Laservibrometers MSL-7000 ist nicht nur für die Zustandsüberwachung von großer Bedeutung, sondern auch für die Qualitätssicherung in der Produktion. Dieses kleine, kompakte und leicht zu montierende Gerät, eine gemeinsame Entwicklung zusammen mit der Polytec GmbH, erweitert das bestehende Sensorangebot für die Zustandsüberwachung. Es wurde von SKF bereits zur Geräuschprüfung in der eigenen Lagerfertigung eingesetzt. Das SKF Laservibrometer lässt sich zusammen mit der SKF Geräuschprüftechnik in modernen End-of-Line-Prüfeinrichtungen für andere Maschinen und Geräte nutzen, wie beispielsweise Elektromotoren, Pumpen und Kompressoren, wodurch diese Technik nun auch anderen Unternehmen zur Verfügung steht.

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SKF Laser Vibrometer

Ansprechpartner Verkauf

Werner Palmetshofer, Werner.Palmetshofer@skf.com

Das SKF Laservibrometer MSL-7000 ist ein digitales, integriertes, in einem einzigen Gehäuse untergebrachtes Vibrometer, das speziell für berührungslose Schwingungsmessungen entwickelt wurde. In Zusammenarbeit mit der Polytec GmbH in Waldbronn hat SKF das Laservibrometer anwendungsspezifisch angepasst und damit nicht nur eine neue Geräuschprüftechnik in der Lagerfertigung eingeführt, sondern auch das Sensorangebot für die Zustandsüberwachung erweitert (Bild 1). Darüber hinaus kann SKF seinen
Kunden nun auch End-of-Line-Qualitätssicherungssysteme anbieten.

Das Laservibrometer MSL-7000 ist ein robustes, kompaktes, in einem einzigen Gehäuse untergebrachtes Gerät, das sich einfach montieren und bedienen lässt. Es arbeitet nach der berührungslosen Messmethode und ist daher zuverlässig und verschleißfrei. Aufgrund seiner Konstruktion lässt es sich leicht in Prüfaufbauten und vorhandene Kontrollsysteme inte­grieren. Das MSL-7000 ermöglicht akustische Messungen in einem Bereich von 0,2 Hz (bei langsamen Umdrehungen) bis 22 kHz. Was die Sicherheit anbelangt, so besitzt das Produkt einen blicksicheren Laser im sichtbaren Bereich (Laser­klasse II).

Das Herzstück eines jeden SKF Laservibrometer-Systems ist das Laser-Doppler-Vibrometer (LDV). Hierbei handelt es sich um einen hochgenauen optischen Sensor für die Messung von Schwinggeschwindigkeit und Schwingweg. Die Technik basiert auf dem Doppler-Effekt, wobei Schwingungen über Änderungen in der Frequenz des Lichts, das von einer bewegten Oberfläche zurückgestreut wird, erfasst werden.

Der Doppler-Effekt
Wird eine Welle von einem bewegten Objekt reflektiert und einem Messsystem detektiert (wie es im LDV der Fall ist), beträgt die gemessene Frequenzverschiebung der Welle:

mit v gleich der Geschwindigkeit des Objekts und λ der Wellenlänge der ursprünglichen Welle. Um im Umkehrschluss die Geschwindigkeit eines Objekts bestimmen zu können, muss bei bekannter Wellenlänge die (Doppler-)Frequenzverschiebung gemessen werden. Dies wird mithilfe eines Interferometers im LDV erreicht.

Interferometrie
Die Basis des Laser-Doppler-Vibrometers bildet das Prinzip der optischen Interferenz, dessen Kernaussage darin besteht, dass bei der Überlagerung zweier zeitlich kohärenter Lichtstrahlen mit den Einzelintensitäten l1 und l2 die Gesamtintensität beider Strahlen nicht einfach die Summe der Einzelintensitäten ist, sondern nach der Formel

mit einem sogenannten Interferenzterm moduliert ist:
r2 = konstant
r1 = r(t) – Bewegung des Messobjekts
Dieser Interferenzterm bedeutet, dass bei einer Wegdifferenz zwischen beiden Strahlen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge des Lichts entspricht, die Gesamtintensität das Vierfache einer Einzelintensität beträgt. Somit beträgt die Gesamtintensität null, wenn die zwei Lichtstrahlen eine Weglängendifferenz von der Hälfte einer Wellenlänge aufweisen.

Optischer Aufbau
Wie nun diese physikalische Gesetzmäßigkeit im LDV technisch ausgenutzt wird, zeigt Bild 2. Der Strahl eines Helium-Neon-Lasers wird von einem Strahlteiler (BS 1) in einen Referenz- und einen Messstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl passiert den zweiten Strahlteiler (BS 2), wird auf das Messobjekt fokussiert und von dort reflektiert. Dieser reflektierte Strahl wird vom BS 2 nun nach unten abgelenkt und mit dem Referenzstrahl des dritten Strahlteilers (BS 3) auf dem Detektor zur Überlagerung gebracht.

Da der optische Weg des Referenzstrahls (mit Ausnahme vernachlässigbarer thermischer Effekte auf das Interferometer) zeitlich konstant ist (r2 = konstant), erzeugt eine Bewegung des Messobjekts (r1 = r(t)) ein für die Interferometrie typisches Hell-Dunkel-Muster auf dem Detektor. Ein kompletter Hell-Dunkel-Zyklus auf dem Detektor entspricht dabei einer Verschiebung des Objekts von genau einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts. Im Falle des nahezu ausschließlich für Vibrometer verwendeten Helium-Neon-Lasers entspricht dies einem Weg von 316 nm.

Die Änderung der optischen­ Weglänge pro Zeiteinheit manifestiert sich als Dopplerfrequenzverschiebung des Messstrahls. Messtechnisch wird die Modulations-frequenz des Interferenzmusters bestimmt, die direkt proportional zur Geschwindigkeit des Mess­objekts ist. Da eine Objektbewegung vom Interferometer weg das gleiche Interferenzmuster (und die gleiche Frequenzverschiebung) hervorruft wie eine Objektbewegung auf das Interferometer zu, kann mit diesem Aufbau allein noch nicht die Richtung des Objekts eindeutig erkannt werden. Zu diesem Zweck wird in den Referenzstrahl ein akustooptischer Modulator (Bragg-Zelle) eingesetzt, der eine Verschiebung der Lichtfrequenz um 40 MHz bewirkt (zum Vergleich: Das Laserlicht besitzt eine Frequenz von 4,74 • 1014 Hz). Hierdurch wird eine Modulationsfrequenz des Interferenzmusters von 40 MHz erzeugt, die einen Stillstand des Messobjekts anzeigt. Bewegt sich das Objekt auf das Interferometer zu, wird diese Modulationsfrequenz erniedrigt, bewegt es sich hingegen vom Vibrometer weg, sieht der Detektor eine Frequenz, die größer als 40 MHz ist. Nun ist es also möglich, nicht nur den Betrag des Weges, sondern auch die Bewegungsrichtung eindeutig zu bestimmen.

Moderne Zustandsüberwachung
Als ein führender Hersteller von Zustandsüberwachungssystemen bietet SKF ein breites Angebot an tragbaren Messgeräten und Online-Überwachungssystemen. Der neue Sensor wurde für den gemeinsamen Einsatz mit SKF Zustandsüberwachungsprodukten entwickelt. Beispielsweise lässt sich das SKF Laservibrometer mit dem SKF Microlog (Bild 3) kombinieren, was einen zusätzlichen Nutzen für alle Kunden bringt. Dies ermöglicht noch weitere Anwendungen zusammen mit tragbaren SKF Messgeräten und Online-Überwachungssystemen. Ferner stellt das SKF Laservibrometer für die SKF Servicetechniker ein modernes und flexibles Tool für mobile Schwingungsmessungen in zahlreichen unterschiedlichen Feldanwendungen dar. Diese beinhalten Folgendes:

  • Messbereiche: 20 mm/s, 50 mm/s, 100 mm/s
  • geschwindigkeitsproportionales Signal, das über einen Digital- (sp-DIF-Format) oder Analog-Ausgang verfügbar ist
  • akustische Messungen von 0,2 Hz (bei langsamen Umdrehungen) bis 22 kHz
  • Messungen über große Entfernungen hinweg (bis zu 3 m); größere Entfernungen möglich, abhängig von der Güte der reflektierenden Oberfläche des Messobjektes
  • Messungen auf heißen Oberflächen
  • Schwingungsmessungen an rotierenden Teilen
  • gleichbleibendes Signal, ohne Beeinflussung durch die auf den Sensor angewandte Kraft
  • Messungen in explosionsgefährdeten oder schwer erreichbaren Bereichen
  • Messungen durch Glas hindurch.

Geräuschprüfung in der SKF Lagerfertigung
Wälzlager sind hochgenaue mechanische Bauteile, die meist in sehr großen Mengen gefertigt werden. Als einer der weltweit führenden Lagerhersteller baut SKF seinen Vorsprung in der Verfahrensentwicklung und Qualitätssicherung stetig weiter aus. Die Maßtoleranzen liegen in einem sehr engen Mikro­meterbereich, und ein möglichst geräuschloser Betrieb der Lager ist äußerst wichtig. Darüber hinaus verfolgt SKF eine Null-Fehler-Politik (Zero Defect), obgleich tagtäglich Millionen von Produkten hergestellt werden. Dies hat zur Folge, dass am Ende einer Produktionslinie eine 100 %ige Geräuschprüfung durchgeführt wird, wofür sehr komplexe und hoch entwickelte Prüfsysteme erforderlich sind (Bild 4).

Das SKF Laservibrometer MSL-7000 misst den Körperschall von Objekten zuverlässig und berührungslos. Die erfassten Daten liefern der SKF Geräuschprüfelektronik sehr wichtige Informationen über die Fertigungsqualität und die Einhaltung der Grenzwerte für Schallemissionen bei den jeweiligen Produkten. Die direkte Integration des SKF Laservibrometers in eine Fertigungslinie führt zu einem Echtzeitqualitätssicherungssystem mit automatischen GUT/SCHLECHT-Entscheidungen. Somit bestätigt der Sensor nicht nur nachhaltig die Produktqualität, sondern erhöht auch die Kosteneffizienz des Fertigungsverfahrens in erheblichem Maß. Das SKF Laservibrometer misst berührungslos und verschleißfrei und benötigt für seinen Betrieb weder Servovorrichtungen noch Schallschutzmaßnahmen.

Der Einsatz des SKF Laservibrometers ermöglicht Vereinfachungen bei Layout und Konstruktion der Prüfeinrichtungen. Ferner lassen sich Maschinen, wie Lebensdauerprüfstände oder Einlaufstationen, leicht mit Sensoren und elek­tronischen Komponenten für die Geräuschprüfung ergänzen. Das SKF Laservibrometer wird mittlerweile standardmäßig in alle neuen Geräuschprüfmaschinen der SKF Fertigungswerke integriert (Bild 5).

Die neue Technik bietet den SKF Fabriken zahlreiche Vorteile. Die berührungslose Messung durch den Sensor verlängert die Nutzungszeit der Anlagen erheblich und vermeidet ungeplante Unterbrechungen. Das flexible System kann in vielen unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Es handelt sich dabei um eine genaue Technik, die ein konstantes Signal erzeugt und aufgrund der schnellen Umrüstung und vereinfachten Kalibrierung zu niedrigeren Betriebskosten führt. Weiterhin vorteilhaft ist, dass vorhandene Maschinen einfach nachgerüstet und eventuelle spätere Sensorreparaturen kostengünstig durchgeführt werden können.

Qualitätssicherungstechnik für Kunden
SKF unterstützt ihre Kunden­ jetzt auch im Bereich Qualitätssicherung. Das neue SKF Laservibrometer lässt sich zusammen mit der SKF Geräuschprüftechnik in modernen End-of-Line-Prüfeinrichtungen für Elektromotoren, Pumpen, Kompressoren und viele andere Produkte nutzen. Dies bedeutet, dass SKF getreu dem Motto „SKF Wissen bewegt die Welt“ ihren Kunden nun auch fortschrittlichste Qualitätssicherungstechnik für die Endqualitätskontrolle und kontinuierliche Verbesserung der Fertigungsverfahren anbieten kann.

Polytec Gruppe

  • Firmengründung: 1967
  • Stammsitz: Waldbronn, Deutschland
  • Mitarbeiter: 350
  • Niederlassungen in Großbritannien, Frankreich, Japan, Singapur und den USA
  • www.polytec.com

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