pomiar drgań elementów korpusowych frezarki wspornikowej fyn 50

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE
33, s. 119-124, Gliwice 2007
ISSN 1896-771X
POMIAR DRGAŃ ELEMENTÓW KORPUSOWYCH
FREZARKI WSPORNIKOWEJ FYN 50
Z WYKORZYSTANIEM LASERA SKANUJĄCEGO 3D
MIROSŁAW PAJOR, TOMASZ OKULIK, MARCIN HOFFMANN, ARKADIUSZ PARUS
Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Szczecińska
e-mail: mirosł[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Streszczenie. W pracy przedstawiono przykład pomiaru drgań elementów
korpusowych frezarki wspornikowej FYN 50 z wykorzystaniem wibrometru
skanującego PSV 400 3D. System pomiarowy składał się z trzech niezależnych
laserowych głowic pomiarowych. Pakiet oprogramowania umożliwia analizę
zarejestrowanych danych pomiarowych w dziedzinie częstotliwości. Do
wyznaczenia postaci drgań zastosowano wymuszenie w postaci impulsu
o wartości 400 N realizowane za pomocą układu hydraulicznego. Przed pomiarem
układ napięto wstępnie siłą 500 N. Wyniki zawierają charakterystyki widmowe
oraz postacie drgań.
1. WSTĘP
Podczas pracy obrabiarki, która realizuje określone funkcje robocze, pojawiają się
niepożądane zjawiska, które negatywnie wpływają na pracę maszyny. Jednym z powszechnie
występujących zjawisk niepożądanych są drgania elementów korpusowych maszyn. Drgania
te w przypadku obrabiarek skrawających prowadzą do pogorszenia jakości powierzchni
wykonywanego przedmiotu, powodując powstanie większej liczby braków i związanych
z nimi większymi kosztami produkcji. Zwiększenie odporności obrabiarki na powstawanie
drgań (wibrostabilności) elementów korpusowych możliwe jest już na etapie prototypu. Po
przeprowadzonych badaniach doświadczalnych możliwa jest eliminacja słabych ogniw
konstrukcji, co prowadzi do rozszerzenia zakresu pracy stabilnej obrabiarki.
Jedną z częściej stosowanych metod pomiaru charakterystyk dynamicznych obrabiarek jest
metoda pomiaru z zastosowaniem czujników akcelerometrycznych. Pomiary takie realizuje
się zwykle pod kontrolą specjalistycznych komputerowych systemów pomiarowych, takich
jak system CADAX firmy LMS.
Przeciwwagą dla tego typu pomiarów są badania z zastosowaniem skaningowych
wibrometrów laserowych. Wibrometria laserowa posiada szereg zalet w stosunku do
tradycyjnych pomiarów układami akcelerometrycznymi. Największymi z nich są: brak
wpływu układu pomiarowego na mierzony obiekt (pomiar bezdotykowy) oraz stosunkowo
prosta procedura pomiarowa (nie wymaga pracochłonnego przestawiania czujników na
obiekcie mierzonym).
W pracy przedstawiono wyniki pomiarów elementów korpusowych frezarki
wspornikowej. Zaprezentowano charakterystyki amplitudowe oraz animacje postaci drgań
modelu przestrzennego obrabiarki wspornikowej FYN 50.
120
M. PAJOR, T. OKULIK, M. HOFFMANN, A. PARUS
2. POMIARY SKANINGOWYM WIBROMETREM LASEROWYM
2.1. Charakterystyka wibrometru laserowego
Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Szczecińskiej dysponuje wibrometrem
skaningowym PSV 400 3D firmy Polytec (rys. 1a). Wibrometr składa się z trzech
niezależnych głowic laserowych oraz stacji przetwarzania danych pomiarowych. Każda
z głowic laserowych (rys.1b) wyposażona jest w źródło światła laserowego o znanej
częstotliwości. Podczas pomiaru porównywana jest częstotliwość wiązki wzorcowej z wiązką
odbitą od drgającego obiektu, której częstotliwość zmienia się na skutek zjawiska Dopplera
[3]. Na podstawie zmiany częstotliwości określana jest prędkość drgającego obiektu.
Zastosowanie trzech niezależnych głowic umożliwia punktowy pomiar drgań badanego
obiektu w trzech wzajemnie ortogonalnych kierunkach.
Stacja przetwarzania danych pomiarowych wibrometru wyposażona jest w karty
przetworników analogowo-cyfrowych służących do rejestracji danych pomiarowych oraz
komputer PC z oprogramowaniem pomiarowo-wizualizacyjnym. Dodatkowo stacja
wyposażona jest w układ generatora sygnału wymuszającego.
Wibrometr laserowy umożliwia bezkontaktowy pomiar drgań, co ma istotne znaczenie
podczas badania elementów powłokowych czy też elementów o niewielkich gabarytach.
Laserowy pomiar drgań umożliwia pomiar drgań o prędkości do 10 m/s w szerokim zakresie
mierzonych częstotliwości od 0 do 80 kHz. Głowice laserowe wibrometru laserowego PSV
400 3D umożliwiają pomiar z odległości od 42 cm.
Oprogramowanie wibrometru laserowego umożliwia pełną wizualizację zarejestrowanych
danych pomiarowych w dziedzinie częstotliwości. Wyniki pomiarów mogą być
przedstawione w postaci wykresów, diagramów lub animacji trójwymiarowych. Możliwa jest
prezentacja postaci drgań badanego obiektu. Program umożliwia także wizualizacje drgań
w wybranych przez użytkownika przekrojach konstrukcji.
a)
b)
Rys.1. a) Wibrometr laserowy PSV 400 3D; b) Głowica laserowa
2.2. Obiekt badań
Obiektem badań była frezarka wspornikowa typ FYN 50 (rys.2) produkcji Jarocińskiej
Fabryki Obrabiarek JAFO S.A. Frezarka wyposażona jest w układ sterowania
HEIDENHAIN. Obroty wrzeciona regulowane są stopniowo w zakresie od 56 do 1800
POMIAR DRGAŃ ELEMENTÓW KORPUSOWYCH FREZARKI WSPORNIKOWEJ FYN 50 ...
121
obr/min. Maksymalne prędkości posuwów wynoszą dla osi X i Y 1500 mm/min, a dla osi Z
1000 mm/min. Wymiary stołu 500x1800 mm.
a)
b)
Rys.2. a) Frezarka wspornikowa FYN 50; b) Model geometryczny układu korpusowego
frezarki
2.3. Układ wymuszenia siły
Do wymuszenia siłowego obiektu zastosowano siłownik hydrauliczny, którego konstrukcja
umożliwia kątowe ustawienie kierunku działania siły wymuszającej.
Siła wymuszająca oddziaływała na wrzeciono obrabiarki poprzez przegub kulowy
(rys.3a), który był zamocowany do siłomierza pałąkowego z naklejonymi tensometrami.
Sygnał z układu tensometrycznego był sygnałem referencyjnym podczas pomiaru. Drugi
koniec siłomierza zamocowano do siłownika hydraulicznego, którego położenie było
sterowane za pomocą sterowanego elektrycznie serwozaworu MOOG.
a)
b)
Rys.3. Układ wymuszenia hydraulicznego a) elementy układu wymuszającego; b) kątowe
ustawienie kierunku wymuszenia odpowiadające wypadkowej sile skrawania
122
M. PAJOR, T. OKULIK, M. HOFFMANN, A. PARUS
a)
b)
Rys.4. Stanowisko pomiarowe a) Widok stanowiska pomiarowego; b) Elementy składowe
układu sterowania serwozaworem (opis w tekście)
Kątowe ustawienie kierunku wymuszenia odpowiadało wypadkowej sile skrawana podczas
frezowania płaszczyzn frezem walcowo-czołowym NFCa 63, co zostało schematycznie
pokazane na rys. 3b.
Układ sterowania serwozaworem przedstawiono na rys. 4b. Układ ten składał się ze
wzmacniacza pomiarowego Hottinger ME 50 (1) oraz sterownika serwozaworu MOOG (2).
Przebieg sygnału wymuszającego obserwowany był na oscyloskopie Tektronix 2221 (3).
Sygnał wymuszający realizowany był za pomocą impulsu o wartości 400 N. Układ był
napięty wstępnie siłą 500 N. Sygnał impulsu dociążał układ, w szczytowym momencie na
układ działała siła o wartości 900 N.
3. WYNIKI BADAŃ
Pomiary frezarki wspornikowej FYN 50 przeprowadzono w zakresie częstotliwości od 10
do 250 Hz. Pomiar przestrzenny drgań układu korpusowego obrabiarki składał się
z dwudziestu dwóch sesji pomiarowych, które obejmowały dostępne (widoczne z zewnątrz)
powierzchnie korpusowe obrabiarki. Na obiekcie rozmieszczono 1643 punkty pomiarowe.
Rys.5. Widmo przemieszczeń frezarki wspornikowej FYN 50 zarejestrowane w okolicy
wymuszenia
Na rys.5 zamieszczono charakterystykę amplitudową badanego obiektu zarejestrowaną
w okolicy wymuszenia. Układ korpusowy frezarki posiada trzy dominujące częstotliwości
rezonansowe o wartościach 81.6, 93.7, oraz 125.6 Hz.
POMIAR DRGAŃ ELEMENTÓW KORPUSOWYCH FREZARKI WSPORNIKOWEJ FYN 50 ...
123
Rys.6. Skrajne kadry animacji postaci drgań w rezonansie przy częstotliwości 81.6 Hz
Na rys.6 przedstawiono skrajne kadry z animacji postaci drgań układu korpusowego
obrabiarki FYN 50 przy częstotliwości 81.5 Hz. Jak można zauważyć, dominującym
przemieszczeniem dla tej postaci jest skręcanie belki wraz ze stojakiem wokół osi Z.
Przemieszczenie obu elementów (belki oraz stojaka) można traktować jako ruch bryły
sztywnej, świadczy to o dobrej sztywności połączenia prowadnicowego między tymi
elementami. Dodatkowo występuje przemieszczenie wspornika wraz ze stołem w osi Y
odpowiadającej posuwowi poprzecznemu obrabiarki.
Rys.7. Skrajne kadry animacji postaci drgań w rezonansie przy częstotliwości 93.7 Hz
Na rys.7 przedstawiono skrajne kadry z animacji postaci drgań o częstotliwości 93.7 Hz.
Postać ta jakościowo jest podobna do postaci o częstotliwości 81.5 Hz jednakże w rezonansie
przy 93.7 Hz przemieszczenie elementów korpusowych obrabiarki jest największe w całym
badanym paśmie częstotliwości (patrz: rys.5). Dodatkowo w rozpatrywanym rezonansie
oprócz skręcania belki wraz z korpusem występuje pionowe przemieszczenie głowicy
obrabiarki na kierunku osi Z.
Na rys.8 zamieszczono skrajne kadry animacji postaci drgań o częstotliwości 125.6 Hz.
Dla tej postaci drgań dominują pionowe przemieszczenia belki wraz z głowicą (w kierunku
osi Z), a skrajne punkty stołu obrabiarki przemieszczają się w kierunku pionowym. Dolna
124
M. PAJOR, T. OKULIK, M. HOFFMANN, A. PARUS
część wspornika wykonuje ruch w kierunku osi posuwu poprzecznego obrabiarki, a jego
górna część pozostaje nieruchoma.
Rys.8. Skrajne kadry animacji postaci drgań w rezonansie przy częstotliwości 125.6 Hz
4. WNIOSKI KOŃCOWE
Na podstawie przeprowadzonych badań frezarki wspornikowej FYN 50 można dojść do
następujących konkluzji. Wibrometria laserowa może być z powodzeniem stosowana do
pomiarów drgań elementów korpusowych obrabiarek. Wykorzystanie podczas pomiaru trzech
głowic laserowych pozwala na rejestrację drgań w przestrzeni 3D, w kartezjańskim
ortogonalnym układzie współrzędnych. Umożliwia to ocenę przestrzennego zachowania się
konstrukcji.
Zastosowanie technik laserowych pozwala na precyzyjny pomiar bardzo małych
odkształceń.
Możliwości wizualizacyjne urządzenia umożliwiają ocenę własności dynamicznych
badanej konstrukcji. Na podstawie takiej oceny można wskazać słabe ogniwa konstrukcji
obrabiarki.
LITERATURA
1.
2.
3.
Software Manual Polytec Skaning Vibrometr Software 8.3, Poliytec, Waldbronn.
Hardware Manual Polytec Skaning Vibrometr PSV 400 3D, Poliytec, Waldbronn.
Teory Manual Polytec Skaning Vibrometr as of software 8.3, Poliytec, Waldbronn.
MEASUREMENT OF VIBRATIONS OF MILLING MACHINE FYN 50
WITH UTILIZATION THE SCANNING VIBROMETER
Summary. In the paper an application of PSV – 400 system is presented.
Vibrations of milling machine FYN 50, were measured. The machine tool was
forced by hydraulic exciter with impulse function of about 400 N peak value. Data
obtained during experiment were analyzed and results in form of FRF and
animation of vibration modes for selected frequency are included.