Temat: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe

Transkrypt

1 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 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 L N, natęŝeniem dźwięku L I lub ciśnieniem akustycznym L p. 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) L N = 10 lg (N/N o ); przy czym: N o - wartość mocy odniesienia, W. poziom ciśnienia akustycznego (w db) L p = 20 lg (p/p o ) przy czym: p o - wartość ciśnienia odniesienia, 2*10-5 Pa. poziom natęŝenia dźwięku (w db) L I = 10 lg (I/I o ) przy czym: I o - wartość natęŝenia odniesienia, W/m 2. 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

2 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 U RMS T 1 2 = T u ( t ) dt Tak przetworzony sygnał moŝe być juŝ skierowany na wskaźnik pozwalający odczytać poziom dźwięku w db. 0 Analiza sygnału akustycznego moŝe być dokonywana w dziedzinie czasu lub częstotliwości. Do analizy sygnału akustycznego słuŝą zewnętrzne filtry pasmowe, oktawowe (stosunek częstotliwości środkowych f n /f n-1 = 2) lub tercjowe (f n /f n-1 = 1.26). 4. Pomiary hałasu obrabiarek Rys.1. Schemat miernika hałasu 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.

3 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: Wynoszą one: P = -10 lg[1-10^(- /10)] 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 5.1. Przebieg ćwiczenia. X=75-1,5=73,5 db. 1. Zestawić w tabeli dane o badanej obrabiarce i przyrządzie pomiarowym. 2. Ocenić hałas emitowany przez poszczególne zespoły frezarki uniwersalnej

4 Laboratorium: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe 4 Diagnostyka akustyczna obrabiarek Ocena hałasu emitowanego przez poszczególne zespoły frezarki Imię i Nazwisko wykonującego pomiary... Rodzaj studiów...rok studiów...grupa lab 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 (n s = 1480 obr/min) II - silnik + reduktor, III -, silnik + reduktor + przekładnia pasowa + wałek 5 IV - silnik + reduktor + przekładnia pasowa + wałek 5 + wrzeciono, Nr pom. Nazwa zespołu 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. Sum db(a) X db(a) -

5 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 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 1MHz, Moc wyjściowa 0.7 mw, Średnica wiązki 6 mm, Czas wygrzewania 20 min, Rozdzielczość 0.1 (0.01 µm), Dokładność 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=c o /n, gdzie n - współczynnik załamania światła c o - prędkość światła w próŝni.

6 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. PC komputer Glowica laserowa Uklad kompensacji Oprzyrzadowanie Optyczne Schemat blokowy laserowego systemu pomiarowego Magnes Laser HeNe Uklad zasilania Grzejnik λ/4 λ/2 f1-f2 PZT Teleskop Dzielnik F.O. Wzm. odniesienia F.P. f2 Wzm. pomiaro f1 f1± f Interferometr f2 Retropryzmat f1 f1-f2+ f Licznik stabilizacj System mikroprocesorowy (f1-f2) x 16 Licznik odniesienia (f1-f2± f) x 16 Uklad rozszerzen rozdzielczosci Licznik F.O.-Detektor pomiarowy odniesienia F.P.-Detektor pomiarowy Do komputera Schemat blokowy głowicy laserowej z oprzyrządowaniem optycznym

7 Laboratorium: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe 7 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 Odczyt1 Odczyt2 Odczyt3 Średnia Skok śruby [mm] Luz zwrotny [mm] 2. Rejestracja prędkości posuwu realizowanego ręcznie/automatycznie Ustawiona wartość prędkości posuwu: Zmierzona wartość prędkości posuwu: Max odchyłka prędkości: V Czas t Opracował: Wojciech Kwaśny