FR2596521A1 - Procede et dispositif de controle automatique de systemes tournants, notamment de roulements - Google Patents

Abstract

LE DISPOSITIF COMPREND DES MOYENS DE MISE EN ROTATION DU ROULEMENT 2 A UNE VITESSE STABILISEE, UN ACCELEROMETRE 4, UN CIRCUIT 8 D'ACQUISITION ET DE CONVERSION SOUS FORME NUMERIQUE DU SIGNAL ACCELEROMETRIQUE, ET UN CIRCUIT NUMERIQUE 9 ASSURANT LE DECOUPAGE EN BANDES LARGES ET ETROITES DU SIGNAL ISSU DU CIRCUIT D'ACQUISITION 8 ET COMPARANT A UN GABARIT LES NIVEAUX DU SIGNAL DANS LESDITES BANDES AINSI QUE LES DIFFERENCES DE NIVEAU DU SIGNAL ENTRE LES BANDES ETROITES CONTIGUES PRISES DEUX A DEUX. APPLICATION AU CONTROLE DE TOUS SYSTEMES TOURNANTS ET EN PARTICULIER DE ROULEMENTS FABRIQUES EN GRANDE SERIE.

Description

L'invention concerne un procédé et un dispo
sitif de contrôle automatique de la qualité de systèmes tournants tels que roulements, paliers, butées, etc...

Les systèmes tournants subissent de nombreux contrôles de fabrication et leur contrôle final de qualification est assuré par une mesure de vibration (appelée aussi mesure de bruit).

A ce jour, plusieurs techniques utilisent un capteur d'accélération, de vitesse ou de déplacement.

Ces grandeurs sont liées par le temps et on peut toujours passer d'une unité à une autre par dérivation ou intégration.

Dans un appareil de contrôle de roulement, celui-ci est monté sur une broche tournant à une vitesse de référence (30 t/s par exemple) et présentant des vibrations négligeables vis-à-vis de l'élément à tester. Cette broche permet d'entraîner en rotation la bague intérieure.

Une force axiale est appliquée sur la bague extérieure qui est maintenue immobile.

Une fois le roulement stabilisé à la vitesse de référence, le signal du capteur est analysé (amplification, filtrage, comparaison à des seuils définissant des niveaux de qualité).

Il existe des appareils industriels exploitant une seule bande de fréquence (60 à 8 000 Hz environ), d'autres plus évolués exploitent trois bandes de fréquence (50 à 300 Hz, 300 à 1 800 Hz, 1 800 à 10 000 Hz pour une vitesse de rotation de 30 t/s).

Toutefois, ces appareils ne permettent pas d'éliminer tous les roulements de mauvaise qualité, et notamment, de mettre en évidence ceux présentant certains défauts tels que le sifflement.

En outre, la plupart des équipements existants ont des temps de réaction trop longs entre l'analyse et la décision de classement.

L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif perfectionnés qui permettent d'assurer un contrôle à 100 ó et plus fin de la qualité d'un système tournant tel qu'un roulement, notamment afin de détecter un sifflement, à la cadence d'une chaîne de production, ce qui impose un temps d'analyse et de décision inférieur à la seconde, et ceci à un coût raisonnable.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de contrôle automatique de la qualité d'un système tournant comprenant les étapes de
(a) mise en rotation du système tournant à une vitesse stabilisée,
(b) détection des vibrations du système tournant au moyen d'un capteur délivrant un signal,
(c) extraction du spectre de vibrations significatif du système tournant, et
(d) découpage dudit spectre en plusieurs bandes larges, caratérisé en ce qu'il comprend également les étapes de
(e) découpage de certaines au moins des bandes larges en plusieurs bandes étroites,
(f) comparaison, dans certaines au moins des bandes, du niveau du signal à un seuil prédéterminé,
(g) utilisation du résultat de ladite comparaison comme premier critère de qualité du système tournant,
(h) comparaison deux à deux des niveaux du signal dans les bandes étroites contiguës et,
(i) utilisation du résultat de cette seconde comparaison comme second critère de qualité du système tournant.

Ce procédé permet, d'une part, de contrôler que le niveau général du signal accélérométrique est, dans au moins certaines bandes, inférieur à un seuil prédéterminé et, d'autre part, de détecter les systèmes tournants qui présentent le défaut de siffler. En effet, un système tournant qui ne siffle pas présente un spectre "lisse", c'est-à-dire dépourvu de fréquences privilégiées de vibration. Au contraire, lorsqu'un tel défaut existe, il se traduit par un pic dans le spectre que l'étape (h) de comparaison deux à deux des niveaux du signal dans les bandes étroites contiguës permet de repérer.

Suivant une caractéristique, l'étape (f) consiste à comparer le niveau du signal dans certaines au moins des bandes larges à un seuil prédéterminé.

Suivant une autre caractéristique, l'étape (f) consiste à comparer le niveau du signal dans certaines au moins des bandes étroites à un seuil prédéterminé.

Suivant une autre caractéristique, l'étape (h) consiste à comparer à un seuil prédéterminé la différence entre les niveaux du signal dans les bandes étroites con tiguës prises deux à deux.

Suivant encore une autre caractéristique, l'étape (d) consiste à découper le spectre en trois bandes larges.

Les étapes (d) et (e) peuvent être obtenues par filtrage numérique ou par transformée de Fourier.

De manière préférentielle, les étapes (d) et (e) sont réalisées par échantillonnage et analyse en temps réel, pendant l'étape (b), du signal dans une première bande au moyen d'un premier jeu de filtres numériques, et par analyse en temps différé, à partir des échantillons prélevés en temps réel, du signal dans deux autres bandes au moyen de deux autres jeux de filtres numériques. Ce processus particulier est très bien adapté au contrôle de roulements produits en grande série à cadence élevée puisque seule une partie de l'analyse et du traitement du signal est effectuée pendant que le roulement est maintenu en rotation à vitesse stabilisée.

L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, comprenant des moyens de mise en rotation du système tournant à une vitesse stabilisée, un accéléromètre et un circuit électronique de filtrage et de traitement du signal de sortie de l'accéléromètre, caractérisé en ce que le circuit électronique comprend un amplificateur à gain programmé, un filtre passe-bande analogique, des moyens d'échantillonnage et de conversion sous forme numérique du signal accélérométrique amplifié et filtré, un calculateur commandant le gain de l'amplificateur, assurant le traitement numérique et effectuant lesdites comparaisons, et une mémoire vive de stockage des valeurs numériques du signal accélérométrique échantillonné et filtré.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de sa réalisation donné uniquement à titre d'exemple et illustré par les dessins annexés sur lesquels:
la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un banc de contrôle de roulements
la figure 2 est un schéma synoptique d'un dispositif de contrôle de roulements suivant l'invention;
la figure 3 est un schéma bloc du circuit d'acquisition de données du dispositif de la figure 2 ;
la figure 4 est un schéma bloc du circuit numérique de traitement des données issues du circuit de la figure 3 ;
la figure 5 est un schéma de nomenclature des filtres numériques mis en oeuvre dans le circuit numérique de la figure 4
la figure 6 est un graphique illustrant la fonction de transfert de l'un des filtres numériques du schéma de nomenclature de la figure 5 ; ;
la figure 7 est un organigramme illustrant le fonctionnement du calculateur ou processeur de traitement faisant partie du circuit numérique de la figure 4.

Le banc de contrôle de roulements représenté schématiquement à la figure 1 comprend une broche 1 adaptée pour être entraînée en rotation sans frottEment à une vitesse stabilisée de, par exemple, 30 tours/seconde, et destinée à recevoir à l'une de ses extrémités un roulement à contrôler 2. La broche 1 permet d'exercer sur la bague intérieure 2A du roulement 2 une force dirigée axialement dans le sens de la flèche F. Les roulements à contrôler sont manipulés par un automate 3 (figure 2) présentant une tête 3A qui, pendant la phase de contrôle à vitesse stabilisée, prend appui contre la bague extérieure 2B pour l'immobiliser et maintenir le roulement en position sur la broche 1.Pendant cette phase de contrôle, un accéléromètre 4 est mis en contact, par exemple par pression élastique, avec la bague extérieure 2B et son signal de sortie est traité par un dispositif électronique 5 qui sera décrit plus en détail ci-après.

Le dispositif de contrôle 5 comprend un module 6 de traitement du signal accélérométrique faisant l'objet de la présente invention et un module 7 regroupant un certain nombre de périphériques classiques qui ne seront pas décrits en détail. Le module 6 comprend un circuit 8 d'acquisition et de conversion sous forme numérique du signal analogique de sortie de l'accéléromètre 4 et un circuit 9 de traitement numérique du signal issu du circuit 8. Le circuit numérique 9 comporte une liaison série 10 avec un circuit de gestion 11 auquel sont associés un clavier 12, un écran de visualisation 13, un lecteur de disquettes 14 et une imprimante 15.

Le circuit de gestion 11 présente également une sortie 16 par laquelle il commande l'automate 3 de manipulation des roulements. Le circuit de gestion 11, basé par exemple sur un microprocesseur, permet, par l'intermédiaire du clavier 12 et du dispositif de visualisation 13, d'introduire un gabarit, c'est-à-dire l'ensemble des grandeurs de références qui seront utilisées par le circuit numériques 9 pour contrôler les roulements. Le circuit de gestion 11 a également pour fonction de gérer et calculer des statistiques sur les résultats de contrôles effectués sur une population de roulements. Les résultats de ces calculs statistiques sont stockés sur disquette dans le lecteur 14 et peuvent être imprimés sur l'imprimante 15.Enfin, le circuit de gestion 11 commande l'automate 3 pour qu'il assure le chargement sur la broche 1 des roulements à contrôler et leur déchargement vers une zone sélectionnée en fonction des résultats du contrôle effectué.

Comme le montre la figure 3, le circuit d'acquisition 8 comprend un amplificateur d'instrumentation 17 qui reçoit le signal de sortie SA de l'accéléromètre 4. Le gain variable de l'amplificateur 17 est fixé par un programmateur de gain 18 piloté par le circuit numérique 9 auquel il est relié par l'intermédiaire d'un connecteur 19.

Le signal de sortie de l'amplificateur d'instrumentation 17 est filtré en 20 dans un filtre antirepliement analogique, par exemple d'ordre 8. Le programmateur de gain 18 est commandé de manière que le signal analogique présent à la sortie du filtre 20 soit adapté au calibre du convertisseur. Ce signal analogique calibré et filtré est converti sous forme numérique au moyen d'un échantillonneur bloqueur 21 et d'un convertisseur analogique/ numérique 22 pilotés tous deux par une horloge 23. La fréquence d'échantillonnage de l'horloge 23 est de par exemple 25 KHz et le convertisseur analogique/numérique 22 est par exemple du type AD376 qui donne une précision de + 0,003m/14bits avec un temps de conversion de 15/vs.

Le convertisseur 22 est relié au connecteur 19 par un bus de données et une liaison I de commande des interruptions.

Le circuit numérique 9 comprend un processeur de traitement du signal 25 qui reçoit par l'intermédiaire du connecteur 19 les échantillons codés sur quatorze bits transmis sur le bus de données. Ce processeur est par exemple un circuit TMS 320 de la Société Texas Instruments particulièrement bien adapté au traitement du signal.

Il est piloté par une horloge 26 fonctionnant de préférence à 20 MHz. Le processeur 25 est relié par un bus d'adresses 27 avec une unité de mémoire morte (ROM) 28 et une unité de mémoire vive (RAM) 29. Le processeur 25 est également relié à ces deux unités de mémoire 28 et 29, ainsi qu'au connecteur 19 et à une interface de communication parallèle/ série 30 par un bus de données 31. L'interface de communication 30 est connectée par la liaison série 10 avec le circuit de gestion 11.

Lorsqu'un roulement est entraîné en rotation par la broche 1 à la vitesse stabilisée de 30 tours/s, ses vibrations sont captées par l'accéléromètre 4. Le signal de sortie SA de celui-ci, amplifié en 17, est filtré en 20 pour ne conserver de son spectre que la bande comprise entre 50 Hz environ et 7 KHz environ. Ce signal filtré et numérisé est ensuite filtré numériquement par le processeur 25 pour en extraire trois bandes larges BL1, BIL2- et BL3. De préférence, la bande BL1 est comprise entre 50 Hz et 315 Hz environ, la bande BL2 entre 315 et 1600 Hz environ, et la bande BL3 entre 1800 et 6500 Hz environ. Le processeur 25 effectue en outre un filtrage numérique supplémentaire qui a pour effet de découper chacune des bandes larges BL2, BL3 en bandes étroites par tiers d'octave.

Pour mettre en oeuvre ce découpage en bandes larges et étroites, on réalise un filtrage numérique
Butterworth d'ordre 8 dont un exemple de fonction de transfert est donné à la figure 6 où le niveau de sortie du filtre exprimé en décibels est représenté en fonction de la fréquence d'entrée exprimée en Hertz. L'ensemble de ce filtrage est assuré par un jeu de dix-sept filtres numériques du type précité dont la répartition, en fonction de la fréquence centrale, a été représentée sur le schéma de nomenclature de la figure 5. Pour le traitement du signal, ces filtres sont répartis en trois bandes, à savoir:
- une bande A comprenant les filtres F1 à F5 et le filtre F6,
- une bande B comprenant les filtres F7 à F11 et le filtre F12 et
- une bande C comprenant les filtres F13 à F16 et le filtre F17.

La bande A est analysée en temps réel pendant une durée d'environ 0,5 seconde. Pendant ce temps, tous les échantillons disponibles à la sortie du convertis seur analogique/numérique 22 sont filtrés par un filtre numérique anti-repliement, décimés avec un rapport de 1/3 et stockés séquentiellement dans la mémoire vive 29.

A la fin du temps réel, on dispose donc dans la mémoire vive 29 d'échantillons acquis pendant 0,5 seconde à la fréquence de 25/3 = 8,33 KHz.

Les bandes B et C sont analysées en temps différé pendant une durée d'environ également 0,5 seconde.

Les échantillons disponibles dans la mémoire RAM externe 29 sont traités par les filtres de la bande B, puis ces échantillons sont à nouveau filtrés par un filtre numérique anti-repliement, décimés avec le même rapport de 1/3 et stockés séquentiellement dans la mémoire vive 29 où ils viennent écraser les échantillons précédents. A la fin de cette seconde décimation, on dispose dans la mémoire 29 d'échantillons acquis pendant 0,5 seconde à la fréquence de 25/9 = 2,78 KHz. Ces échantillons sont traités par les filtres numériques de la bande C.

Le nombre d'échantillons traités par filtre pourra être par exemple de 200 dans chaque bande et huit passes pourront être effectuées dans les six filtres des bandes A et B et quatre passes dans les cinq filtres de la bande C. Ceci conduit à 9600 échantillons disponibles dans la bande A qui donneront, après la première décimation, 3200 échantillons disponibles dans la bande B, lesquels donneront, après la seconde décimation, 1066 échantillons disponibles dans la bande C.

Le sortie de chaque filtre passe-bande est élevée au carré et lissée de manière à être comparée à un gabarit permettant de contrôler les roulements suivant deux critères de qualité. Ce gabarit est composé, d'une part, des valeurs limites admissibles en sortie de chacun des filtres large-bande et, d'autre part, du différentiel de niveau maximal entre deux filtres étroits consécutifs dans les bandes BL2 et BL3.

Si le niveau de sortie des filtres correspondant à chaque bande large BL1, BL2 et BL3 est supérieur au seuil prédéterminé fixé par le gabarit, le roulement est dit bruyant et est rejeté. Cette comparaison pourrait être faite aussi sur les bandes étroites.

Toutefois, les roulements acceptés sur la base de ce premier critère de qualité peuvent présenter une cassure dans leur spectre caractéristique d'un roulement "siffleur". Les roulements présentant cette caractéristique sont éliminés au moyen du second critère de qualité qui consiste à comparer à un seuil maximal prédéterminé les différences de niveau entre deux filtres tiers d'octave contigus dans chacune des bandes larges BL2 et BL3.

Après la décision de valider ou non un roulement, le circuit numérique 9 attend un ordre qui peut être soit un top de début de mesure sur un nouveau roulement, soit la commande d'envoyer au module 7 des statistiques sur les roulements contrôlés et approuvés depuis la dernière commande de reset. Ces statistiques portent sur les niveaux mesurés en décibels de tous les filtres (F1 à F17) et sont constituées de la moyenne M des niveaux mesurés et de l'écart type C entre ces niveaux.

La figure 7 est un organigramme général de fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit.

Après l'étape 41 d'initialisation, le processeur 25 reçoit du module 7 le gabarit de référence (étape 42). L'étape suivante-43 correspond au déroulement de la phase d'acquisition et de traitement en temps réel qui dure environ 0,5 seconde. Après cette étape 43, le roulement est déchargé par l'automate 3. A l'étape 44, le processeur 25 continue ses calculs en temps différé et effectue la comparaison avec le gabarit de référence. A l'issue de cette étape 44, le processeur 25 transmet au module 7 la décision d'acceptation ou de refus du roulement contrôlé. Si celuici n'est pas le dernier d'un lot, le test 45 ramène à l'étape 43 où le roulement suivant est contrôlé. Au contraire, si l'on est arrivé en fin de lot, on passe à l'étape 46 où le processeur 25 calcule des statistiques sur l'ensemble des roulements du lot contrôlé et les transmet au module 7.On passe ensuite à la fin 47 du programme.

Avec l'exemple décrit ci-dessus d'un traitement d'une durée totale de 1 seconde, dont 0,5 seconde en temps réel, le dispositif suivant l'invention permet de gérer une production de plus de mille roulements à l'heure. Ce dispositif autorise le contrôle de roulements de types différents puisqu'il suffit, pour ce faire, d'envoyer au circuit numérique le gabarit correspondant au type de roulements à contrôler. En outre, le dispositif permet d'assurer un auto-apprentissage pour un nouveau type de roulements car le calcul du gabarit peut être effectué à partir des résultats statistiques obtenus sur un lot de roulements de ce type nouveau. Ce dispositif permet donc de réaliser un nombre important de calculs sur un temps très court tout en étant d'une grande souplesse d'emploi et d'un faible coût grâce à la simplicité de son architecture.

Dans l'exemple de réalisation déerit ei- dessus le découpage du spectre en bandes larges et étroites est réalisé par filtrage numérique. Toutefois ce découpage peut être également obtenu par des algorithmes de transformée de Fourier et par reconstitution des bandes requises à partir des raies résultant de la transformée de Fourier.

Cette reconstitution n'est nécessaire que si la largeur des raies est plus fineque la largeur des bandes requises.

Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'on pourrait le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de contrôle automatique de la qualité d'un système tournant comprenant les étapes de

(a) mise en rotation du système tournant (2) à une vitesse stabilisée,

(b) détection des vibrations du système tournant (2) au moyen d'un capteur (4) délivrant un signal,

(c) extraction du spectre de vibrations significatif du système tournant, et

(d) découpage dudit spectre en plusieurs bandes larges (BL1, BL2, BL3), caractérisé en ce qu'il comprend également les étapes de

(e) découpage de certaines au moins des bandes larges (BL2, BL3) en plusieurs bandes étroites,

(f) comparaison, dans certaines au moins des bandes, du niveau du signal à un seuil prédéterminé,

(g) utilisation du résultat de ladite comparaison comme premier critère de qualité du système tournant,

(h) comparaison deux à deux des niveaux du signal dans les bandes étroites contiguües et,

(i) utilisation du résultat de cette seconde comparaison comme second critère de qualité du système tournant.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (f) consiste à comparer le niveau du signal dans certaines au moins des bandes larges à un seuil prédéterminé.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étape (f) consiste à comparer le niveau du signal dans certaines au moins des bandes étroites à un seuil prédéterminé.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape (h) consiste à comparer à un seuil prédéterminé la différence entre les niveaux du signal dans les bandes étroites contiguës prises deux à deux.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape (d) consiste à découper le spectre en trois bandes larges.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape (e) consiste à découper en bandes étroites par tiers d'octave certaines au moins des bandes larges.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites étapes (d) et (e) sont obtenues par filtrage numérique.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites étapes (d) et(e) sont obtenues par transformée de Fourier.

9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites étapes (d) et (e) sont réalisées par échantillonnage et analyse en temps réel, pendant l'étape (b), du signal dans une première bande (A) au moyen d'un premier jeu de filtres numériques (F1-F6), et par analyse en temps différé, à partir des échantillons prélevés en temps réel, du signal dans deux autres bandes (B, C) au moyen de deux autres jeux de filtres numériques (F7-F12 ; F13-F17).

10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant des moyens (1) de mise en rotation du système tournant (2) à une vitesse stabilisée, un accéléromètre (4) et un circuit électronique (5) de filtrage et de traitement du signal de sortie de l'accéléromètre, caractérisé en ce que le circuit électronique comprend un amplificateur à gain programmé (17, 18), un filtre passe-bande analogique (20), des moyens (21-23) d'échantillonnage et de conversion sous forme numérique du signal accélérométrique (SA) amplifié et filtré, un calculateur (25) com mandant le gain de l'amplificateur, assurant le traitement numérique et effectuant lesdites comparaisons, et une mémoire vive (29) de stockage des valeurs numériques du signal accélérométrique échantillonné et filtré.