Optical Sensor System for Deflection and Vibration Detection in Internal Turning Tools

Abstract

Ved innvendig dreiing er det viktig å redusere vibrasjoner og verktøyutbøying for å forbedre resultatet av maskineringen. I dette prosjektet har det blitt utviklet et optisk sensorsystem for å måle disse parameterne. Sensorsystemet bruker en kollimert laser diode sammen med en posisjonssensor for å oppnå dette. Den optiske posisjonssensoren S5991-01 har vist seg å være et godt valg for bruksområdet, grunnet sensorens høye linearitet og store måleområde. Et mekanisk testoppsett har blitt utviklet for å teste sensorsystemets ytelse. For et dreieverktøy med lengde 500 mm, kan sensorsystemet måle utbøyinger av verktøyet i en radius av 1084.7 µm.

Sensorelektronikken ble forbedret for å oppnå det angitte kravet om en utbøyingsoppløsning mindre enn 1 µm. Ved å benytte en forbedret spenningsreferanse og bruke en differensiell ADC konfigurasjon, ble støynivået på målesignalene redusert ca. 9 ganger. Dette førte til en forbedret utbøyingsoppløsning på 0.7 µm, som er innenfor det satte kravet. Vibrasjonsmålinger viste at sensorsystemet målte påførte vibrasjonsfrekvenser perfekt i frekvensområdet 0 til 500 Hz. Den målte vibrasjonamplituden varierte med endringer i vibrasjonfrekvensen, selv om den påførte vibrasjonamplituden var konstant. Hovedgrunnen til dette problemet var mekanisk resonans i testoppsettet. For å fikse dette problemet, burde det mekaniske oppsettet undersøkes ytterligere og eventuelt endres.

Reducing vibrations and tool deflection in internal turning is an important factor for improving the machining result. An optical sensor system for measuring these parameters is developed in this project. The sensor system utilises a collimated laser diode in combination with a Position Sensitive Device (PSD) to measure the tool deflection and vibrations. The PSD S5991-01 is identified to be a good choice for the sensor system with its high linearity and wide measurement area. A mechanical test setup has been developed to test the performance of the sensor system. At a cutting tool length of 500 mm the deflection measurement range is found to be 1084.7 µm in every direction.

To meet the specified deflection resolution requirement of less than 1 µm, a new sensor interface was developed. With an improved reference voltage generation and a differential ADC configuration, the noise amount on the measurement signals is reduced about 9 times. This has resulted in an improved deflection resolution of 0.7 µm, which is within the specified requirement. Vibration measurements revealed that the sensor system perfectly detected the applied vibration frequencies, in the range from 0 to 500 Hz. It was observed that the measured vibration amplitude varied with the applied vibration frequency, even though the applied vibration amplitude was constant. The main cause of this problem is identified to be mechanical resonance in the test setup. The mechanical setup must therefore be further investigated, and possibly changed in order for the sensor system to measure correct vibration amplitudes.