On-line vibrační diagnostika obráběcích strojů

Článek popisuje možnosti diagnostiky obráběcích strojů sledováním vibrací a jejich vyhodnocením. Použití vibrační diagnostiky v praxi je demonstrováno na diagnostickém systému efector octavis společnosti ifm electronic.

1. Úvod

Moderní obráběcí stroje jsou vybaveny základním diagnostickým systémem vyhodnocujícím provozní veličiny. Zpravidla jde o teploty (vinutí motorů, chladicích médií), průtoky (mazací systémy, průchodnost fluidních filtrů) a tlaky (vysokotlaká hydraulika, pneumatické systémy). Uvedené parametry ovšem slouží pouze jako informace o vzniklé závadě. Na základě výstupů z jednotlivých snímačů jsou naprogramovány rozličné úkony, např. přerušení chodu stroje. Tyto krátkodobé informace nevedou k předvídání poruchy a životnosti jednotlivých komponent a velmi málo přispívají ke specifikaci dané závady. Proto je třeba využívat důmyslnější diagnostické postupy, jako je např. vibrační diagnostika, umožňující nejen detekci a specifikaci závady, ale hlavně predikci – určení zbytkové životnosti. Informace o době do nutné opravy je důležitým ukazatelem pro strategické plánování a řízení údržby. Tento přístup také chrání stroj před vážnou havárií. 

2. Měření vibrací na obráběcích strojích

Vibrační diagnostiku lze rozdělit podle způsobu prováděného měření na pochůzkovou a on-line diagnostiku. Každý z uvedených přístupů má své klady a zápory. Proto je velmi důležité před volbou přístupu vyhodnotit všechny faktory. 

2.1 Pochůzkové měření vibrací

Pochůzkovým způsobem měří technik v pravidelných intervalech vibrace na vytipovaných strojích přenosným analyzátorem a následně na svém pracovišti vyhodnocuje zaznamenaná data. Periodická měření při dodržení stejných podmínek měření zároveň umožňují předvídat životnost jednotlivých komponent měřeného zařízení. Pochůzková diagnostika má oproti on-line přístupu několik výhod:

• nižší pořizovací náklady,
• více nástrojů a možností pro podrobnou analýzu,
• měření více strojů jedním analyzátorem.

Tento přístup má i určité nevýhody, zejména při použití na obráběcích strojích. Závažné poruchy často vznikají vlivem kolize nástroje s obrobkem. U obráběcích strojů málokdy dochází k přirozenému opotřebení např. valivých drah ložisek (pitting). Ve většině případů jsou příčinou poruch vůle v upínacím kuželu vřetena, deformace ložisek apod., které vznikají v důsledku náhlé kolize. Provoz obráběcího stroje je charakteristický rychlými změnami otáček a velmi rozdílným zatížením. Veškeré operace jsou prováděny v krátkých cyklech, což urychluje vznik závady. Včasnou informaci o vzniklém problému však nelze získat prostřednictvím pochůzkové diagnostiky – měření by muselo být vykonáváno ve velmi krátkých až nereálných intervalech. Další nevýhodou je, že pochůzkovým analyzátorem ve většině případů nelze analyzovat obráběcí proces (problém s umístěním senzoru a kabeláží vyvedenou z pracovního prostoru apod.). Měřit lze pouze při chodu na prázdno (analýza stavu ložisek, vůlí atd.), což může narušit výrobní plány, zejména ve velkosériové výrobě.

2.2 On-line vibrační diagnostika

Při on-line vibrační diagnostice je využíváno trvale instalované zařízení, které kontinuálně sleduje stroj a signalizuje překročení mezí. Zároveň umožňuje vzdálenou správu dat. Výhodou oproti pochůzkové diagnostice je nepřetržité sledování. Tímto přístupem měření lze zaznamenat náhlé zhoršení stavu způsobeného např. kolizí při obráběcím procesu, a zajistit tak včasný zásah údržby. Obecně on-line systémy nemohou vždy nabídnout takové možnosti analýzy problému jako pochůzková diagnostika. Ideální je spojit oba přístupy. On-line diagnostika zajistí včasné varování a technik s pochůzkovým analyzátorem provede podrobnou analýzu – lokalizuje závadu, určí závažnost poškození atd.

V současnosti je nabízeno široké spektrum on-line vibrodiagnostických systémů. S rozvojem výpočetní techniky klesají jejich pořizovací náklady, v některých případech téměř na ceny pochůzkových analyzátorů. Zvolený on-line systém monitorující obráběcí stroje by měl splňovat tato obecná kritéria:

• možnosti komunikace – komunikační rozhraní (např. protokol TCP/IP), které umožňuje začlenit vyhodnocovací jednotku do sítě, nadřazených systémů (vizualizace, řízení údržby atd.) a dovoluje vzdálenou správu dat,
• integrace do existujícího systému – externí vyhodnocovací jednotka (většinou dodatečně instalovaná) je začleněna do existujícího řídicího systému stroje (např. propojení s PLC obráběcího stroje) a dovoluje obousměrnou komunikaci.

Obousměrná komunikace je důležitá pro řízení vyhodnocovací jednotky (kdy a co má měřit) a také pro snadné posílání potřebných informací k vyhodnocení vibrací, např. aktuálního počtu otáček stroje (formou analogového nebo pulzního signálu). Vyhodnocovací jednotky by měly umožnit snadnou montáž (např. na lištu DIN) přímo v elektrorozváděči obráběcího stroje. Rozměry snímačů vibrací (akce­lerometrů) by měly být malé a jejich tvar kompaktní a měly by umožňovat bezpečné uchycení senzorů přímo na vřeteno. S tím souvisí také příslušné krytí senzorů. Často je třeba měřit přímo v pracovním prostoru stroje, kde jednak hrozí mechanické poškození a jednak poškození způsobené kapalinami (oleje, emulze). Důležitá je rovněž volba kabeláže, popř. její ochrana před mechanickým a chemickým poškozením vlivem okolních podmínek (posuvy vřetena, emulze, oleje).

Softwarové prostředí by mělo být uživatelsky přívětivé a poskytovat přehled o stavu stroje na jednodušší úrovni, která nevyžaduje odborné znalosti. Ve většině případů prvotní informace o zhoršeném stavu registruje obsluha zařízení (laik bez znalostí vibrační diagnostiky), která následně upozorní odpovědnou osobu. Ta zajistí podrobné vyhodnocení. 

3. Praktické příklady on-line vibrační diagnostiky

V následujícím textu jsou uvedeny příklady on-line sledování vibrací obráběcích strojů s využitím systému efector octavis (viz vložený rámeček), který je pro tuto úlohu vybaven mnoha funkcemi, jejichž rozsah využití velmi závisí na způsobu výroby. Nejvhodnější je velkosériová výroba, kdy stroj dlouhodobě obrábí stejný typ obrobku za konstantních podmínek. V takovém případě lze dokonce sledovat i otupení konkrétních nástrojů (obr. 3). Při monitorování obráběcích strojů se nejčastěji sledují tyto objekty:

• sledování nevyváženosti vřetena,
• sledování kolizí nástrojů,
• diagnostika ložisek vřetena,
• monitorování vibrací při obráběcím procesu,
• optimalizace obráběcího procesu na základě uložených dat,
• monitorování záběrových frekvencí nástrojů pro vysledování vzniku otupení.

Na obr. 3 je zaznamenán pokles vibrací po výměně otupeného nástroje. Bylo vytipováno několik nástrojů, u nichž byla monitorována frekvence záběru břitu. Obráběcí stroj zpracovával stále jeden typ obrobku. Tak lze snadno vypozorovat i otupení nástroje, jenž se opakovaně dostává do záběru stále za stejných podmínek (otáčky, posuv, velikost třísky). Vždy, když šel nástroj do záběru, vyslal PLC na stroji signál do vyhodnocovací jednotky VSE100 na příslušný vstup, který aktivuje funkci vyhodnocující velikost amplitudy při záběru břitu nástroje. Datum a čas poklesu vibrací zaznamenané v časovém záznamu souhlasí s údaji o výměně nástroje v provozním deníku.

Na obr. 4 je ukázka záznamu velikosti vibrací v závislosti na otáčkové frekvenci. Horizontální obráběcí centrum provádělo hrubovací operace, u kterých nejsou velké požadavky na přesnost. Meze pro vyhlášení alarmu jsou stanoveny na základě informací výstupní kon­troly. Náhlý nárůst vibrací upozornil na problém s upínacím kuželem. Zároveň se objevily i nežádoucí výrobní nepřesnosti.

Na obr. 5 je záznam vibrací při monitorování jednoho z ložisek vřetena. Z grafu je patrný nárůst na úroveň varování (žlutě zvýrazněná čára). V tomto případě bylo on-line sledování kombinováno s pochůzkovou diagnostikou. Technik reaguje na alarmová hlášení jednotlivých strojů, na základě kterých provádí podrobnou analýzu. Test ložisek je vykonáván v čisticím režimu stroje. Vzhledem k tomu, že zde jde o velkosériovou výrobu, není tu příliš prostoru pro přerušení provozu stroje. Ve chvíli čištění přijde signál z PLC na příslušný vstup vyhodnocovací jednotky a následně je na několik desítek sekund aktivováno měření ložisek. Zároveň v závislosti na programu stroje je roztočeno vřeteno bez zatížení na dané otáčky. Tyto podmínky jsou vytvořeny proto, aby byl eliminován širokopásmový šum vyvolaný obráběcím procesem, který by zahltil slabé signály od vad ložisek. Tím jsou taktéž zajištěny vždy stejné podmínky měření. Případné překročení hodnot je ihned signalizováno světelnou výstrahou. Naměřené hodnoty vibrací jsou uloženy do vnitřní paměti jednotky pro vytvoření časového průběhu (trendu), viz obr. 5.  

4. Závěr

Z uvedených příkladů použití systému efector octavis je zřejmý přínos on-line diagnostiky pro zabezpečení a zvýšení provozní spolehlivosti obráběcích strojů. Včasné varování zamezí závažné havárii stroje, a tím ušetří značné finanční prostředky. Ty zahrnují také náklady způsobené nečekanými prostoji, popř. výrobou zmetků. Závažná havárie vřetena obráběcího stroje může znamenat výdaje v řádech až statisíců korun. Pořizovací náklady diagnostického systému efector octavis se pohybují v řádu desetitisíců korun. Tím je částečně zodpovězena otázka návratnosti investic, kterou není snadné v této oblasti jednoznačně vyčíslit.  

Literatura:

[1] ifm electronic, spol. s r. o. – Česká republika: VSE100 – Diagnostické systémy. [online].
© 1998–2013 [cit. 2013-02-11]. Dostupné z: www.ifm.com/products/cz/ds/VSE100.htm

[2] Interní materiály Ifm electronic, spol. s r. o.

[3] ifm electronic, spol. s r. o. – Česká republika: VSA002 – Diagnostické systémy. [online].
© 1998–2013 [cit. 2013-02-11]. Do­stupné z: www.ifm.com/products/cz/ds/VSA002.htm

Ing. Jan Zatloukal, ifm electronic, spol. s r. o., Ing. Lukáš Heisig, Doosan Škoda Power, s. r. o.

Obr. 1. Vyhodnocovací jednotka VSE100

Obr. 2. Akcelerometry VSA004, VSA002

Obr. 3. Zaznamenaný pokles vibrací po výměně nástroje

Obr. 4. Zaznamenaný nárůst vibrací v závislosti na otáčkové frekvenci

Obr. 5. Zaznamenaný nárůst vibrací na objektu monitorující ložisko vřetena  

Vyhodnocovací jednotka VSE100

Společnost ifm electronic nabízí cenově dostupné zařízení pro on-line sledování vibrací efector octavis. Systém je založen na vyhodnocovací jednotce VSE100 (obr. 1), která má vhodné parametry pro plné začlenění do řídicího systému obráběcího stroje. Vyhodnocovací jednotka je navržena pro monitorování nastavených frekvenčních pásem nebo samostatných frekvencí. Z vybraných pásem, popř. konkrétních frekvencí, lze vytvořit tzv. diagnostický objekt, pro který je možné nastavit dvě prahové úrovně (varování, alarm). Překročení nastavených mezí je signalizováno různými signály (binární nebo analogové výstupy, Ethernet TCP/IP).

Vyhodnocovací jednotka VSE100 je navržena ke zpracování signálu ze čtyř snímačů vibrací řady VSA (možnost zapojení jednoho snímače IEPE) a dvou dalších provozních signálů (otáčky, teploty, tlaky atd.). Díky osmi konfigurovatelným I/O lze např. využít hradlovací systém měření – aktivaci různých variant měření pomocí externího signálu. Vyhodnocovací elektronika umožňuje monitorovat až 24 objektů, mezi které lze rozdělit až 80 frekvenčních pásem nebo samostatných frekvencí. K dispozici je také vnitřní paměť pro ukládání měřených hodnot (s možností vytvoření grafů časových průběhů, tzv. trendů) [1].

Pro začlenění diagnostických funkcí do existujícího řídicího systému stroje nabízí vyhodnocovací jednotka široké spektrum možností:

• vstupní a výstupní signály vyhodnocovací jednotky mohou být propojeny s PLC stroje pro automatické řízení diagnostiky (např. aktivace měření ložisek při chodu vřetena mimo obráběcí proces) a signalizování překročených limitních mezí,
• ethernetová komunikace protokolem TCP/IP umožňuje začlenit vyhodnocovací jednotku do sítě a usnadňuje přístup k datům (možnost vzdáleného sledování),
• prostřednictvím OPC serveru je možné načítat data z vyhodnocovacích jednotek do vizua­li­zací a nadřazených systémů,rychlé vyhodnocení naměřených údajů a signalizace překročených limitních mezí (již za 0,64 ms).

K vyhodnocovací jednotce jsou dodávány akcelerometry na kapacitním principu v různém provedení. Pro vibrační diagnostiku obráběcích strojů jsou nejvhodnější senzory vibrací VSA004 a VSA002 (obr. 2). Tyto senzory malých rozměrů lze snadno namontovat na obtížně dostupná měřicí místa. Senzor VSA004 může být připevněn šroubem M5 díky středovému otvoru, zatímco senzor VSA002 je na své vnější části vybaven závitem M16 × 1,5 [2].