V oboru obráběcích strojů se při řešení problémů spoléháme především na platnost fyzikálních zákonů, opíráme se o poznatky získané generacemi našich strojařských kolegů a také využíváme moderní metody modelování a simulací. I přesto jsme často postaveni před technický problém, který nelze vyřešit jednoduše, analyticky propočítat či namodelovat. Lidský faktor při výrobě a montáži strojů je ve výpočtech a úvahách konstruktérů stále nepostižitelný. V těchto případech je třeba stroj zkontrolovat a diagnostikovat přímo v dílně, analyzovat specifické symptomy chování a pokusit se nalézt pravou příčinu neuspokojivého chování stroje. Zkušební laboratoř VCSVTT, která je součástí RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) a Ústavu výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze, má v oboru měření vibrací a diagnostiky již více jak 15letou tradici. Mezi konkrétní úkoly řešené ve zkušební laboratoři patří například vyšetřování příčin zvlněného povrchu na obrobku svislého soustruhu (karuselu) aplikací vibrační diagnostiky.
Vznik vln na povrchu obrobku
Na povrchu vnitřní válcové plochy obrobené při otáčkách karuselu cca 70 ot/min vznikly okem viditelné vlny. Tyto vlny byly orientovány do několikachodé šroubovice (nebyly koaxiální s osou rotace). Na obr. 1 je demonstrováno, jak vypadá povrch obrobku, když je počet vln na otáčku neceločíselný a při každé další otáčce dochází k fázovému posuvu vln vůči předchozímu běhu. V tomto konkrétním případě bylo na obrobku cca 21 vln/otáčku. Pomocí kontaktního úchylkoměru jsme naměřili hloubku vln cca 10–20 µm, počet vln na otáčku odečtený měřením korespondoval s počtem vln viditelných okem na obrobku.
V podobných případech zákazník může pojmout podezření (mnohdy oprávněně), že se strojem něco není v pořádku, protože se jedná o pravidelný jev, který je na hladce obrobeném povrchu viditelný pouhým okem. Chyba nemusí být závažného charakteru, dokonce může být v toleranci předepsané drsnosti povrchu, ale i tak je důležité vystopovat příčinu tohoto nestandardního chování, v tomto případě tedy lokalizovat děj, který se opakuje cca 21krát za otáčku.
Možné příčiny a návrh diagnostických měření
Zákazník se pokusil problém v předchozím čase sám odstranit – vyměnil hlavní valivá ložiska stolu, realizoval několik zkoušek s různým nastavením tlaku oleje v hydrostatickém ložisku stolu apod. Žádný z těchto pokusů o nápravu však nevedl ke zlepšení.
Výše popsané vlny na obrobku jsou zpravidla projevem nestandardního vibračního chování stroje. Může jít o vibrace vynucené, tedy určitým způsobem kinematicky spjaté s pohyby jednotlivých os a rotačních částí, nebo o tzv. samobuzené vibrace, jejichž rozvoj souvisí se samotným řezným procesem, dynamikou stroje a materiálovými charakteristikami. Další příčinou může být tzv. rezonanční chování, kdy je stroj provozován v blízkosti jedné ze svých vlastních frekvencí. V neposlední řadě může jít o vibrace pocházející od jiného zdroje (např. jiného stroje, periferií atp.).
Všechny tyto možné příčiny bylo třeba brát v úvahu, a proto jsme se rozhodli provést následující měření, která by mohla jednotlivé hypotézy osvětlit: ? FRF na otočném stole, bez rotace (zda nedochází k vybuzování vlastních frekvencí stolu); ? FRF na smykadle, bez rotace (není-li příčinou kmitání na vlastní frekvenci smykadla); ? vibrace na loži otočného stolu, při rotaci stolu (vibrace ve spojitosti s rotací stolu, nebo zda nejsou přenášeny na stroj z jiných zdrojů); ? vibrace na otočném stole (jak vypadají vibrace přímo za provozu, na otočném stole/obrobku a zda jsou tyto vibrace spjaty s jinými zdroji vibrací); ? vibrace na smykadle za otáčení stolu, při běhu na prázdno (nepřenášejí-li se vibrace přes rám a nevybuzují vlastní frekvenci smykadla); ? vibrace na smykadle a obrobku (vznik vibrací přímo při obrábění, při vzájemné interakci); ? vibrace na motoru (není-li pravou příčinou nerovnoměrný chod motoru); ? vibrace na převodovce (zda nezpůsobují případné vibrace na převodovce u motoru vlny na obrobku). Zkratka "FRF" značí měření dynamických přenosových funkcí, kdy je struktura buzena modálním kladivem a odezva na buzení je sledována tříosým akcelerometrem. Výsledkem testu je soubor vlastních frekvencí a příslušných dynamických poddajností a tlumení soustavy. Vibrace na obrobku byly měřeny bezkontaktními čidly výchylky na principu vířivých proudů, resp. kapacitními čidly. Vibrace na loži, převodovce, smykadle byly měřeny akcelerometry.
Závěry průběžných měření, vývoj hypotézy
Z měření vibrací na smykadle a posléze i měření frekvenčních přenosů jsme jako příčinu vyloučili kmitání smykadla i samobuzené kmitání při obrábění. Práce se dále soustředila na měření kmitání rotujícího stolu pomocí bezkontaktních snímačů výchylky, umístěných na nezávislém rámu (obr. 2).
Měření touto metodou bylo prováděno v několika otáčkových stupních v obou smyslech otáčení. Tyto byly následně doplněny o měření spojitých rozběhů a doběhů. Výsledky rozběhů ve smyslech otáčení M3 a M4 (CCW a CW), jsou znázorněny v grafech na obr. 3. Na vodorovné ose je uvedena frekvence kmitání, na svislé ose je čas měření. Barevná škála vyjadřuje efektivní velikost výchylky vibrací, tj. RMS hodnotu.
Červená oblast odpovídá hodnotám až kolem 20 µm RMS, což odpovídá výchylce (špička – špička) přes 50 µm. Po ustálení otáček na maximu (v grafu svislá modrá oblast) tyto hodnoty poklesnou na hodnotu do 6 µm RMS, což odpovídá cca 20 µm (špička – špička). Z toho vyplývá, že amplituda je závislá na přenášeném krouticím momentu (při rozběhu) a méně na otáčkách. Největší amplitudy jsou na frekvencích odpovídajících 21,09násobku otáčkové frekvence stolu. Při otáčkách 100 ot/min odpovídá tento násobek frekvenci 34 Hz. Otáčkovým násobkem 21,09 se otáčí předlohová hřídel v převodovce a jevila se tak jako nejpravděpodobnější příčina vzniku nežádoucích vln na obrobku. Vzhledem k poklesu výchylky po ustálení otáček (a tím poklesu přenášeného momentu) by mohla být příčinou špatná geometrie předlohového hřídele, např. excentricita, ohyb hřídele, případně nesouosost uložení, nikoli nevyváženost předlohového hřídele. Na obr. 4 je znázorněno kinematické schéma pohonu stolu, ze kterého vycházely další úvahy o možných příčinách nadměrných vibrací na zmíněné frekvenci.
Panovaly jisté pochyby, zda je možné, aby tyto vibrace byly přenášeny přes tuhý a hmotný rám ze vzdálené převodovky pohonu stolu až na otáčející se obrobek. Proto byl proveden citlivostní test pomocí přidané rotující nevývahy. Na vstupní hřídel převodovky byl umístěn zkušební nevývažek a na obrobku byl pomocí bezkontaktních úchylkoměrů měřen vliv takto uměle zvýšených vibrací. Toto měření bylo provedeno na různých otáčkových stupních až do 75 ot/min. Výsledky ukázaly, že nárůst špičky odpovídající otáčkové frekvenci, resp. řádu, byl po instalaci přídavného nevývažku cca čtyřnásobný. Nicméně je třeba dodat, že špičky takto uměle vyvolaných vibrací nedosahovaly úrovně vibrací indukovaných rotací předlohového hřídele. Ukázalo se, že za dané konfigurace případná porucha převodovky opravdu může mít značný vliv na kvalitu povrchu. V tuto chvíli se zdálo, že příčina chvění a následného vzniku vln na obrobku byla odhalena. Protože v daný okamžik nebylo možné provést nákladnou demontáž a opravu převodovky pohonu stolu, navrhl zákazník možnost opakovat měření na stroji podobného typu instalovaného v jiném závodě a porovnat chování obou strojů.
Potvrzení hypotézy
Měření na druhém stroji, kde nevznikaly vlny na povrchu obrobku, proběhlo s pozitivním výsledkem vzhledem k stanovené hypotéze. Na převodovku byl obdobně jako u prvního stroje upevněn akcelerometr a měřeny vibrace při různých otáčkách otočného stolu. Na obr. 5 jsou řádová spektra výchylky z měření na obou strojích znázorňující měření provedená při ustálených otáčkách ve dvou otáčkových stupních od 25 po 100 ot/min. Řádové spektrum se od frekvenčního liší tím, že na ose X je namísto frekvence [Hz] uveden násobek [řád neboli order] otáčkové frekvence vztažného rotoru (v tomto případě stolu). U spekter prvního měřeného stroje je dobře patrný nárůst špičky na 21,09násobek v závislosti na nárůstu otáček a tím i přenášeného momentu. Ve spektrech měřených na druhém stroji je špička na 21,09násobku též přítomna, avšak v mnohem menší míře, cca 10krát nižší. Takto byla potvrzena hypotéza, že příčinou tvorby vln na povrchu obrobku pro otáčky cca 70 ot/min změřené na prvním stroji byla skutečně chyba na předlohové hřídeli převodovky pohonu otočného stolu.
---
Závěr
Jak ukazuje uvedený příklad, v některých případech může být příčinou neuspokojivého chování stroje nekázeň při výrobě komponent, následně při montáži a seřizování stroje. Tento druh závad nepatří do kategorie systémových konstrukčních chyb a nelze je odhalit jinak než provedením příslušných experimentů a měřením potvrdit či vyvrátit jednotlivé hypotézy popisující příčiny daného neuspokojivého chování stroje. Toto je jeden z hlavních úkolů vibrační diagnostiky. Někdy lze metody vibrační diagnostiky kombinovat se simulačními metodami, kdy můžeme chování části stroje jednoduše popsat a následnou změnou jednotlivých parametrů modelu se pokusit přiblížit k aktuálním změřeným projevům stroje. Jindy je možné stav porovnat s chováním jiného stroje stejného typu, jenž nevykazuje známky poruchy, tak jak tomu bylo i v popsaném případě.