MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 33, s. 119-124, Gliwice 2007 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: mirosław.pajor@ps.pl, tomasz.okulik@ps.pl, marcin.hoffmann@ps.pl, arkadiusz.parus@ps.pl 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. 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. 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. 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 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. Software Manual Polytec Skaning Vibrometr Software 8.3, Poliytec, Waldbronn. 2. Hardware Manual Polytec Skaning Vibrometr PSV 400 3D, Poliytec, Waldbronn. 3. 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.