O měření modálních i provozních tvarů kmitu Výrobci obráběcích strojů jsou nuceni reagovat na řadu zákaznických požadavků, mnohdy protichůdných, jejichž splnění vyžaduje respektování posledních poznatků vědy i použití moderních měřicích, výpočtových, simulačních a vyhodnocovacích metod. Jedině tak lze dosáhnout přijatelného kompromisu. Typickým představitelem těchto protichůdných požadavků je zajištění vysoké přesnosti zhotovovaných výrobků, aniž by byla negativně ovlivněna produktivita. Znamená to, že přesnost stroje a plná možnost využití jeho výkonových parametrů smí být jen v minimální míře ovlivněny dalšími vlivy, jako je např. měnící se konfigurace stroje nebo proměnná teplota okolí. Pro optimální návrh konstrukce stroje nebo její nezbytnou modifikaci jsou nezbytná měření jeho dynamických vlastností, měření modálních i provozních tvarů kmitů a následná důkladná analýza získaných hodnot, která poukáže na slabá místa a příčiny nevyhovujícího stavu. Pomocí frekvenční analýzy lze bez jakékoliv demontáže stroje přiřadit jednotlivé složky vibrací přímo k vybraným součástem stroje nebo k aktuálním provozním příčinám. Trocha teorie Modální analýza využívá k popisu kmitavých vlastností a chování inženýrských konstrukcí rozklad složitého kmitavého pohybu na dílčí (tzv. modální) příspěvky. Každý z nich je charakterizován modální frekvencí a tvarem kmitu. Pro matematické modelování se využívají programy ANSYS, COSMOS a další. Při experimentálním vyšetřování se měří odezva ve zvolené síti bodů na povrchu konstrukce při jejich řízeném buzení. Ze získaných frekvenčních přenosů mezi jednotlivými dvojicemi bodů se poté určují modální frekvence a modální tvary kmitů. Metodami modální analýzy lze poměrně jednoduše určovat modální frekvence soustavy, které při souhlasu s budicími frekvencemi mohou vést k jejímu nadměrnému rozkmitání (rezonanci), určovat modální tvary kmitu a porovnávat je s eventuálními budicími účinky. Dále verifikovat zjednodušené matematické modely, vytvářet odměřené modální modely soustav a simulovat jejich chování. Lze modifikovat chování konstrukce připojením přídavných prvků s cílem jejího přeladění mimo oblast škodlivých účinků a na počítači velmi efektivně simulovat vlastnosti řady variant. Je možné určit vynucené kmitání konstrukce při daném simulovaném buzení a konečně identifikovat příčiny nadměrných vibrací odměřených konstrukcí z vlastností možných přenosových cest. Provozní tvary kmitů reprezentují zobrazení reálného kmitání stroje při provozním zatížení. Na rozdíl od běžného měření vibrací je nutno proměřit více bodů na stroji; následně jsou získaná data přenesena do počítače a pomocí speciálních algoritmů (např. softwarem PTK 5.0 Win firmy ADASH, vyvinutým pro běžnou provozní praxi) jsou vibrace stroje vizualizovány na jeho zjednodušeném modelu na obrazovce počítače. Možnosti optimalizace stroje či technologie Důkladná analýza získaných výsledků dovoluje identifikovat slabá místa stroje – např. při určité poloze příčníku a vřeteníku je zjištěn sklon ke vzniku vibrací, které znemožňují plné využití výkonových parametrů stroje, vedou ke zvýšenému namáhání jednotlivých uzlů stroje, ke zhoršené kvalitě opracovaného povrchu, snížené životnosti řezného nástroje a ke zvýšené hlučnosti. Zmíněné metody dovolují navrhnout a rychle vyhodnotit řadu variant a z těch vybrat tu optimální. Příklad realizace U 5osého obráběcího centra gantry koncepce docházelo v důsledku kmitání smykadla a vřeteníku k neuspokojivé kvalitě obrobeného povrchu a k nemožnosti využít plný instalovaný výkon stroje (obr. 1). Problém byl řešen na základě požadavku zákazníka a k jeho řešení se použil typický postup, zahrnující identifikaci kritické frekvence, tedy takové, při níž stroj kmitá při neuspokojivém obrábění, nalezení vlastních frekvencí (obr. 2) a konečně provedení kompletní modální analýzy pro případ, že se kritická frekvence s vlastní frekvencí shodovala. Výsledkem provedené modální analýzy bylo nalezení poměrných tlumení a vlastních tvarů kmitání, tedy zjištění dynamické deformace stroje (obr. 3). Vyhodnocení tvarů kmitání (obr. 4) bylo mimo vizuálního hodnocení provedeno také s využitím speciálního algoritmu, pro tento účel vyvinutého ve VCSVTT. Následně provedený rozbor pomohl stanovit podíly jednotlivých částí stroje (spodní a vrchní část smykadla, lišta, saně, jednotlivé části příčníku atd.) na celkové deformaci. Znalost tvarů kmitání a podílu jednotlivých částí stroje na celkové deformaci dovolily navrhnout improvizované úpravy stroje již v rámci prací, prováděných na VCSVTT. Aktivity v rámci RCMT Činnost specialistů odborné skupiny Měření je zaměřena na výzkum vlastností moderních obráběcích strojů a těží z těsné spolupráce s průmyslem. Odbornou veřejností je vnímána především díky činnosti Akreditované zkušební laboratoře Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii, která pracuje v systému kvality dle ČSN EN ISO/IEC 17025 již od roku 2004. Akreditovány jsou všechny hlavní zkoušky obráběcích strojů dle řady norem ČSN ISO 230, k nimž patří i zkoušky statické a dynamické tuhosti. Je schopna měřit vibrace, akustický tlak, akustický výkon a akustickou intenzitu včetně diagnostického měření a poradenství v oblasti měření a analýzy dat. Laboratoř je vybavena měřidly renomovaných firem, jako např. Adash, Ahlborn, Optodyne, Bruel&Kjaer, Kistler, HBM, Mitutoyo, Tesa, National Instruments a další. Od prvých let 21. století roste objem spolupráce s průmyslovými podniky, od počátku zaměřený na výrobce obráběcích strojů. V poslední době se portfolio zákazníků rozrůstá i o uživatele obráběcích strojů a firmy z dalších oborů průmyslové produkce. Ing. Petr Borovan
