Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe

Laboratorium: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe
1
LABORATORIUM
Temat: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe
1. Wprowadzenie
Pracy kaŜdego urządzenia mechanicznego towarzyszą zjawiska dynamiczne, które utrudniają
wykorzystanie pełnej ich mocy a w przypadku obrabiarek wysokich dokładności obróbki. Powodują
one przyspieszone zuŜycie elementów i zespołów maszyn a takŜe hałaśliwość ich pracy. Hałas w
maszynach związany jest najczęściej z ruchem obrotowym lub posuwisto zwrotnym elementów.
Poziom emitowanego hałasu moŜe być miernikiem jakości i nowoczesności urządzeń mechanicznych.
Hałas jest ściśle związany z przenoszeniem się drgań cząsteczek materii w materiałach stałych,
płynnych i gazowych. Drgania występujące w powietrzu moŜna podzielić ze względu na pasma
częstotliwości na:
• dźwięki słyszalne - 16 Hz do 20 000 Hz,
• infradźwięki < 16 (30) Hz,
• ultradźwięki > 20 kHz.
Drgania infra- i ultradźwiękowe oddziałują szkodliwie na cały organizm człowieka, tj. poszczególne
organy, tkanki oraz system nerwowy, a tylko w nieznacznym stopniu na słuch. Dźwięki słyszalne
działają głownie na narządy słuchu i system nerwowy.
2. Wielkości opisujące energię akustyczną
Energia pola akustycznego jest określona następującymi wielkościami: mocą akustyczną LN,
natęŜeniem dźwięku LI lub ciśnieniem akustycznym Lp. Moc akustyczna, charakteryzująca źródło
dźwięku, określana jest ilością energii akustycznej emitowanej przez źródło w jednostce czasu. Przez
natęŜenie dźwięku rozumie się ilość energii akustycznej przepływającej w jednostce czasu przez
jednostkę powierzchni. Natomiast Ciśnienie akustyczne jest róŜnicą między ciśnieniem w danej
chwili a ciśnieniem statycznym ośrodka, w którym rozchodzi się dźwięk.
Określanie tych wielkości w jednostkach bezwzględnych jest niewygodne z uwagi na bardzo duŜą
rozpiętość mierzonych wielkości. Dlatego w akustyce stosuje się logarytmy tych wielkości i wynik
podaje się w belach lub ich dziesiątej części zwanej decybelami (dB). Decybel nie jest więc
jednostką. WyraŜa jedynie pewien sposób prezentacji wyników pomiaru (pewien sposób liczenia).
ZaleŜności opisujące poziomy mocy akustycznej, ciśnienia akustycznego i natęŜenia dźwięku
przedstawiają się następująco:
• poziom mocy akustycznej (w dB)
LN = 10 lg (N/No);
przy czym: No - wartość mocy odniesienia, 10-12 W.
• poziom ciśnienia akustycznego (w dB)
Lp = 20 lg (p/po)
-5
przy czym: po - wartość ciśnienia odniesienia, 2*10 Pa.
• poziom natęŜenia dźwięku (w dB)
LI = 10 lg (I/Io)
przy czym: Io - wartość natęŜenia odniesienia, 10-12 W/m2.
W ośrodku powietrznym poziom ciśnienia akustycznego równa się liczbowo poziomowi natęŜenia
dźwięku
3. Sonometr
Do pomiaru dźwięku niezbędny jest mikrofon, który przetwarza zmiany ciśnienia powietrza
na proporcjonalny sygnał elektryczny. Sygnał ten jest następnie wzmacniany w przedwzmacniaczu i
kierowany na wyjście zmiennoprądowe (np. do oscyloskopu lub specjalnego analizatora) i
wewnętrznego filtru korekcyjnego lub filtru zewnętrznego (p.rys.1).
Zadaniem filtrów korekcyjnych jest dostosowanie wskazań miernika do charakterystyki ucha
ludzkiego tj. spowodowanie aby wskazania pokrywały się z wraŜeniami słuchowymi a nie z
rzeczywistością. Jednakowo głośne dźwięki o róŜnych częstotliwościach ucho ludzkie odbiera jako
dźwięki o róŜnym natęŜeniu hałasu. Opracowane zostały cztery nieco róŜniące się charakterystyki
Laboratorium: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe
2
tych filtrów A,B,C i D. Dla obrabiarek jak i dla większości maszyn zalecane jest dokonywanie
pomiarów z filtrem korekcyjnym A.
Aby ze złoŜonego sygnału wyznaczyć wartość skuteczną sygnał przechodzi przez przetwornik
RMS realizujący całkowanie
T
U RMS =
1 2
u ( t ) dt
T ∫0
Tak przetworzony sygnał moŜe być juŜ skierowany na wskaźnik pozwalający odczytać poziom
dźwięku w dB.
Rys.1. Schemat miernika hałasu
Analiza sygnału akustycznego moŜe być dokonywana w dziedzinie czasu lub częstotliwości.
Do analizy sygnału akustycznego słuŜą zewnętrzne filtry pasmowe, oktawowe (stosunek
częstotliwości środkowych fn/fn-1 = 2) lub tercjowe (fn/fn-1 = 1.26).
4. Pomiary hałasu obrabiarek
Metodyka przeprowadzania pomiaru hałasu zaleŜy w duŜej mierze od załoŜonego celu
przeprowadzanych badań. Celem tym moŜe być np. sprawdzenie cichobieŜności określonych
zespołów obrabiarki, dla oceny i ewentualnej poprawy ich własności akustycznych. Badania te
wykonuje się najczęściej na specjalnych, wydzielonych stanowiskach. W takich przypadkach nie
stosuje się w zasadzie znormalizowanych metod badań ani z góry narzuconych kryteriów oceny.
Celem badań moŜe być teŜ poszukiwanie zbyt duŜych źródeł hałasu w obrabiarkach. Tutaj równieŜ
metodyka pomiarów oraz kryteria oceny dobierane są według uznania eksperymentatora stosownie do
specyfiki badanych zespołów.
Osobną grupę stanowią badania kompletnie zmontowanych obrabiarek, nowych lub po
remoncie a takŜe okresowe badania obrabiarek podczas ich eksploatacji. Celem tych badań moŜe być:
• sprawdzenie czy hałas emitowany przez obrabiarkę jako całość nie przekracza wartości
granicznych zawartych w odpowiednich wytycznych i normach
• ocena diagnostyczna stanu technicznego głównych zespołów obrabiarki lub jej elementów. Dla
oceny stanu elementów napędów obrabiarek jak zespoły wałków, przekładnie zębate, łoŜyska,
sprzęgła, wirujące masy itp. dokonuje się analizy widma amplitudowo częstotliwościowego
sygnału akustycznego w powiązaniu ze struktura kinematyczną napędu.
• ocena udziałów poszczególnych zespołów w hałasie sumarycznym. Dokonuje się jej na
podstawie analizy przyrostów wywołanych dołączeniem kolejnego odcinka napędu do fragmentu
napędu, którego hałas jest znany. W ramach niniejszego laboratorium przeprowadzona zostanie
ocena poziomu hałasu głównych zespołów frezarki uniwersalnej.
Laboratorium: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe
3
5. Ocena hałasu emitowanego przez poszczególne zespoły obrabiarki
Źródłami hałasu w obrabiarkach są głównie elementy napędu tworzące łańcuch kinematyczny, w
którym moŜna zazwyczaj wyodrębnić pewną liczbę niezaleŜnych odcinków napędu. Odcinkiem takim
moŜe być fragment łańcucha kinematycznego, który moŜna odłączyć od pozostałej części napędu, np.
przez: rozłączenie sprzęgła, rozłączenie przekładni zębatej z kołem przesuwnym, zdjęcie pasów z
przekładni pasowej lub w jakikolwiek inny sposób. Dzięki temu, moŜna na drodze pomiarów określić
przyrosty poziomu hałasu, wywołane przyłączaniem kolejnych fragmentów napędu do pracującej
części łańcucha kinematycznego.
Stwierdzenie na przykład, Ŝe przyłączenie reduktora do pracującego silnika spowodowało
zwiększenie hałasu Z zmierzonego dla samego silnika o wartość ∆, pozwala juŜ na ocenę hałasu
samego reduktora (hałasu X). Oceny nieznanego poziomu hałasu (X) zespołu dołączanego do
łańcucha kinematycznego o znanym hałasie Z dokonuje się w oparciu o zaleŜność
X = Sum - P
gdzie: Sum = (Z+∆) - sumaryczny poziom hałasu zmierzony po dołączeniu zespołu o nieznanym
poziomie hałasu (X) do zespołu, którego hałas (Z) moŜna zmierzyć niezaleŜnie.
P - poprawka zaleŜna od przyrostu poziomu hałasu ∆, spowodowanego dołączeniem
następnego zespołu o nieznanym poziomie hałasu X.
Wartości poprawki P moŜna obliczyć ze wzoru:
P = -10 lg[1-10^(-∆
∆/10)]
Wynoszą one:
P = 0.5 dB dla przyrostu ∆ wynoszącego 9 dB,
P = 1 dB dla przyrostu ∆ wynoszącego 7 dB,
P = 1.5 dB dla przyrostu ∆ wynoszącego 5 dB,
P = 2 dB dla przyrostu ∆ wynoszącego 4 dB,
P = 3 dB dla przyrostu ∆ wynoszącego 3 dB,
P = 4 dB dla przyrostu ∆ wynoszącego 2 dB,
P = 6 dB dla przyrostu ∆ wynoszącego 1.5 dB,
P = 7 dB dla przyrostu ∆ wynoszącego 1.0 dB,
P = 9 dB dla przyrostu ∆ wynoszącego 0.5 dB,
Przykład:
Pierwsze źródło emituje hałas na poziomie 70 dB. Dołączono do niego nieznane źródło hałasu o
poziomie X db. Zmierzony łączny hałas wyniósł 75dB. Nieznane źródło spowodowało zatem przyrost
hałasu o 5dB czyli poprawka P wynosi 1,5dB. Musiało ono emitować hałas
X=75-1,5=73,5 dB.
5.1. Przebieg ćwiczenia.
1. Zestawić w tabeli dane o badanej obrabiarce i przyrządzie pomiarowym.
2. Ocenić hałas emitowany przez poszczególne zespoły frezarki uniwersalnej
Laboratorium: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe
Diagnostyka akustyczna obrabiarek
Ocena hałasu emitowanego przez poszczególne zespoły frezarki
Imię i Nazwisko wykonującego pomiary ...............................................................
Rodzaj studiów ................................................Rok studiów................Grupa lab.........
6.1.
Dane o obiekcie badanym
Typ
obrabiarki
Nr
fabryczny
Stan maszyny
(nowa, po remoncie)
Typ
miernika
Filtr
korekcyjny
Data
pomiarów
A
Rys. 11. Schemat kinematyczny frezarki FWD-32J
I - silnik z zespołem wałka 1 (ns = 1480 obr/min)
II - silnik + reduktor,
III -, silnik + reduktor + przekładnia pasowa + wałek 5
IV - silnik + reduktor + przekładnia pasowa + wałek 5 + wrzeciono,
Nr
Sum
X
Nazwa zespołu
dB(A) dB(A)
pom.
1 Silnik
2 Silnik
Reduktor
3 Silnik
Reduktor
P.pasowa
4 Silnik
Reduktor
P.pasowa wrzeciono
W pomiarze nr 2 nieznanym hałasem X jest hałas reduktora.
W pomiarze nr 3 nieznanym hałasem X jest hałas przekładni pasowej.
W pomiarze nr 4 nieznanym hałasem X jest hałas zespołu wrzeciona.
4
Laboratorium: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe
5
POMIARY LASEROWE
Interferometr laserowy stał się ostatnio podstawowym narzędziem dla kontroli
jakości maszyn, z uwagi na duŜą dokładność pomiaru i powtarzalność w stosunku do
metod tradycyjnych (autokolimator, poziomnica, struna, kątownik itp.)
Stosowany jest do sprawdzania dokładności geometrycznej maszyn oraz
dokładności ruchów realizowanych przez te maszyny. Najczęściej mierzy się:
• Prostoliniowość zespołów i ruchów,
• Równoległość prowadnic,
• Prostopadłość prowadnic i ruchów,
• Dokładność przesuwów (pozycjonowanie zespołów przesuwnych),
• Wszystkie odchyłki liniowe i kątowe podczas przemieszczania się zespołów.
LASER POMIAROWY LH-30
1. Budowa
• głowica laserowa (Helowo- Neonowa) - 633nm,
• system mikroprocesorowy (stabilizacja częstotliwości, sterowanie pomiarem),
• optyczne układy sygnałów odniesienia i pomiarowego,
• układ zliczania częstotliwości obu sygnałów.
2. Dane techniczne:
• RóŜnica częstotliwości
• Średnica wiązki
• Rozdzielczość
1MHz,
Moc wyjściowa
6 mm,
Czas wygrzewania
0.1 (0.01 µm),
Dokładność
0.7 mW,
20 min,
1.5 µm/m.
3. WyposaŜenie.
• Głowica laserowa
• Optyka do pomiarów liniowych i kątowych (Interferometr - do rozdziału wiązki na
dwie), (reflektor- do odbicia wiązki odniesienia lub pomiarowej)
• Stacja meteorologiczna (pomiar ciśnienia, wilgotności, temperatury powietrza)
• Komputer z interfejsem pomiarowym (zasilanie lasera i stacji meteo, przetworniki
A/C, układy transmisji szeregowej)
4. Zasada działania
Pomiar odległości interferometrem laserowym polega na porównaniu nieznanej
wielkości z pewną wielkością stałą, którą moŜe być długość fali świetlnej λ.
Przedstawia to zaleŜność
L = N * λ/2
gdzie N - wielokrotność długości fali świetlnej,
L - mierzona długość.
Długość fali świetlnej jest funkcją częstotliwości lasera i prędkości światła λ=c/f.
Prędkość światła w jakimś ośrodku zaleŜy od współczynnika załamania światła c=co/n,
gdzie n - współczynnik załamania światła
co - prędkość światła w próŜni.
Laboratorium: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe
6
Dokładność takiego pomiaru zaleŜy od tego, z jaką dokładnością da się ustalić
wielokrotność N oraz jak dokładnie znana jest długość fali świetlnej w rzeczywistym
ośrodku. Do ustalenia liczby N wykorzystuje się własność interferencyjną światła.
Oznacza to, Ŝe sumaryczna intensywność, jaka powstaje przez nałoŜenie się dwóch fal
świetlnych, zaleŜy od połoŜenia względem siebie dwóch fal. W tym celu wiązka
światła zostaje w interferometrze rozdzielona na dwie wiązki (referencyjną i
pomiarową). W drogach powrotnych obie wiązki nakładają się i interferują ze sobą
pozytywnie lub negatywnie. Występuje wówczas modulacja co λ/2. Zmiana odległości
przesuwa te fale wględem siebie. Zliczając te modulacje otrzymuje się szukaną liczbę
N.
5. Refraktometr
Korygowanie współczynnika załamania światła poprzez pomiary temperatury,
wilgotności i ciśnienia powietrza nie zawsze jest metodą wystarczająco dokładną.
Dlatego teŜ pojawiły się juŜ na rynku lasery pomiarowe wyposaŜone w specjalne
interferometry do pomiaru absolutnego współczynnika załamania światła tzw.
refrektometry. Pozwalają one uwzględnić zwiększoną normę dwutlenku węgla
w powietrzu, spaliny, opary oleju itp. Metoda polega na pomiarze róŜnicowym
współczynnika załamania światła w dwóch komorach - z próŜnią i z rzeczywistym
powietrzem. Dotychczas wymagało to dwóch duŜych komór i pompy próŜniowej.
Firma Spindler & Hoyer opracowała juŜ przenośny refraktometr o wadze zaledwie
kilku kilogramów.
Glowica
laserowa
PC
komputer
Oprzyrzadowanie
Optyczne
Uklad
kompensacji
Schemat blokowy laserowego systemu pomiarowego
Magnes
Grzejnik
f1
Dzielnik
λ/4 λ/2
f2
Laser HeNe
Uklad
zasilania
f1-f2
Licznik
stabilizacj
System
mikroprocesorowy
Retropryzmat
f1
F.P.
Teleskop
PZT
f2
f1±∆f
Interferometr
F.O.
Wzm.
odniesienia
(f1-f2)
x 16
Licznik
odniesienia
Wzm.
pomiaro
f1-f2+∆f
(f1-f2±∆f)
Uklad rozszerzen
x 16
rozdzielczosci
Licznik F.O.-Detektor
pomiarowy odniesienia
F.P.-Detektor pomiarowy
Do komputera
Schemat blokowy głowicy laserowej z oprzyrządowaniem optycznym
Laboratorium: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe
LABORATORIUM
data:
Laserowy system pomiarowy
Warunki pomiarów:
Typ lasera:
Temperatura otoczenia:
Ciśnienie powietrza:
Wilgotność powietrza:
Średnia temperatura obrabiarki:
PołoŜenie stołu: I
Rok studiów:
Specjalność:
Grupa:
1. Sprawdzenie skoku śruby pociągowej stołu frezarki i luzu zwrotnego
Skok śruby
[mm]
Luz zwrotny
[mm]
Odczyt1
Odczyt2
Odczyt3
Średnia
2. Rejestracja prędkości posuwu realizowanego ręcznie/automatycznie
Ustawiona wartość prędkości posuwu:
Zmierzona wartość prędkości posuwu:
Max odchyłka prędkości:
V
Czas t
Opracował:
Wojciech Kwaśny
7