Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

1

LABORATORIUM

Temat:

Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

1.

WPROWADZENIE

Stosowanie metod diagnostycznych staje się obecnie coraz bardziej niezbędne

zarówno w procesie montażu nowoczesnych obrabiarek jak i podczas ich eksploatacji.
W szerszym ich stosowaniu upatruje się bowiem dodatkową możliwość zwiększania
dokładności produkowanych obrabiarek i zmniejszenia pracochłonności ich montażu
oraz zwiększania ich niezawodności i skrócenia czasu postoju między awariami a tym
samym obniżenia kosztów eksploatacji. Realizację tych celów mogą zapewnić badania
diagnostyczne nowowytworzonych obrabiarek bądź ich zespołów prowadzone u
producenta oraz diagnostyka prowadzona u użytkownika obrabiarek podczas ich
eksploatacji. W pierwszym przypadku podstawowym celem jest określenie i ocena
poziomu technicznego oraz jakości obrabiarki, a także wykrycie ewentualnych
nieprawidłowości montażowych lub wykonawczych. Celem natomiast diagnostyki
prowadzonej podczas eksploatacji jest sygnalizowanie zaistniałych nieprawidłowości
w pracy określonych zespołów bądź elementów, zlokalizowanie miejsca i rozpoznanie
przyczyn awarii, a niekiedy także prognozowanie ich występowania.

Mimo różnych celów stawianych przed tymi dwoma kierunkami w diagnostyce

obrabiarek, zakres prac nad ich techniczną realizacją pokrywa się w znacznej części.
Odnosi się to zwłaszcza do wyboru typów sygnałów diagnostycznych, metod ich
pomiaru i sposobów przetwarzania, a także opracowania niezbędnych zależności
funkcyjnych między sygnałami diagnostycznymi a stanem obrabiarki bądź jej
zespołów.

W

nowoczesnych

obrabiarkach,

zwłaszcza

sterowanych

numerycznie,

powszechnie są stosowane układy diagnostyczne, nadzorujące pracę układów
sterowania. W odniesieniu natomiast do mechanicznych układów obrabiarek metody
automatycznej diagnostyki wykorzystywane są dotychczas sporadycznie. Wynika to
głównie z braku jednoznacznych kryteriów oceny ich stanu, niepełnego poznania
zjawisk towarzyszących pracy tych układów, trudności w uzyskaniu jednoznacznych
sygnałów diagnostycznych, a także trudności pomiarowych. Występujące obecnie
duże możliwości automatyzacji procesów pomiarowych, przy wykorzystaniu nowych
narzędzi pomiarowych oraz komputerów do opracowywania wyników nowoczesnymi
metodami matematycznymi, pozwalają na praktyczną realizację automatycznej
diagnostyki struktur mechanicznych obrabiarek.

Wyniki badań i pomiarów intensywności zjawisk energetycznych, towarzyszących

pracy obrabiarki, stosunkowo dawno uznane zostały jako wysoce przydatne dla oceny
poprawności działania układów napędowych. W badaniach kontrolnych dokonywane
są zwykle:

• pomiary strat mocy w czasie pracy bez obciążenia obrabiarki. Pomiary te są dość

czułym wskaźnikiem syntetycznym warunków pracy, współpracy poszczególnych
elementów i zespołów napędowych,

Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

2

• pomiary sprawności układów napędowych. Pomiary te są rzadko realizowane z

uwagi na złożoność metod pomiaru sprawności,

• badania zjawisk cieplnych. W większości przypadków badania te są prowadzone

bez oparcia o racjonalne przesłanki metodyczne oraz zwykle w warunkach
zmiennych zewnętrznych pól temperatur. Są to na ogół pomiary punktowe
czujnikami dotykowymi bez możliwości analizy stref cieplnych.

2. ZJAWISKA CIEPLNE W OBRABIARKACH

Nagrzewanie się obrabiarki jest wynikiem strat mocy powstających w obrębie

obrabiarki. Efektem działania ciepła na konstrukcję są odkształcenia jej zespołów
składowych (p.rys.1). Odkształcenia te mogą:

• dodatkowo powiększać straty mocy,
• powodować znaczne wzajemne przemieszczenia zespołów roboczych, a tym

samym zmieniać stereometrię obrabiarki,

• powodować nadmierne opory ruchu elementów i pogarszać właściwości ruchowe

zespołów,

• pogarszać funkcje sterownicze obrabiarki, a w szczególności dokładność ustalania

położenia.

Tymczasem wymagania stawiane obrabiarkom są dzisiaj bardzo duże. Ich

dokładność niejednokrotnie nie różni się od dokładności precyzyjnych maszyn
pomiarowych. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowych wrzecion rosną straty w
napędach, a procesy cieplne zachodzące w obrabiarkach, złożone same w sobie, stają
jeszcze trudniejsze do opanowania.

Powszechnie przyjętym kryterium, według którego ocenia się stan termiczny

obrabiarki są temperatury i przemieszczenia cieplne. Niekiedy posługuje się też
pojęciem stabilności cieplnej, która wyraża niewrażliwość obrabiarki, pod względem
przemieszczeń cieplnych bądź temperatur, na zmiany warunków pracy obrabiarki.

Rys.1. Nagrzewanie się i odkształcenia zespołów centrum obróbkowego

o

C

µ

µ

µ

µ

m

Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

3

Znacznie rzadziej używane jest pojęcie sztywność cieplna, definiowana jako stosunek
przemieszczeń cieplnych do przyrostu temperatury. Zasadnicza trudność w
posługiwaniu się tym pojęciem polega na odpowiednim wyborze punktów pomiaru
temperatur, reprezentatywnych dla interesujących nas przemieszczeń.

2.1. Źródła ciepła

Opracowanie metodyki diagnozowania obrabiarek opartej o pomiary i

obserwacje zjawisk cieplnych, towarzyszących pracy obrabiarek, musi bazować na
szczegółowej wiedzy o tych zjawiskach oraz wiedzy o związkach między stanem
technicznym elementów i zespołów obrabiarki a jej stanem termicznym.

Rozmieszczenie źródeł ciepła w obrabiarce oraz ich wydajności wpływają

bezpośrednio na jej odkształcenia cieplne. Wysoka dokładność obrabiarki wyrażająca
się niezmiennością jej geometrii, wymagana jest zwłaszcza do przeprowadzania
obróbki wykańczającej, czyli w warunkach pracy nieznacznie odbiegających od pracy
bez obciążenia. Przy takim założeniu można pominąć ciepło powstające w strefie
skrawania, ograniczając się do źródeł ciepła rozmieszczonych wewnątrz korpusów
obrabiarek jak i znajdujących się poza tymi korpusami, a oddziaływującymi na nie
poprzez konwekcję, promieniowanie bądź przewodzenie. Są to najczęściej elementy
układów kinematycznych napędów głównych i posuwowych jak: silniki, łożyska,
przekładnie zębate i pasowe, sprzęgła i hamulce oraz elementy układów
hydraulicznych i pneumatycznych jak: siłowniki, pompy, dławiki, rozdzielacze itp.

Bilans strat energetycznych (strat mocy) w źródłach ciepła rozmieszczonych

częściowo w obrębie wrzeciennika tokarki oraz w reduktorze umieszczonym pod
wrzeciennikiem, a także w przekładni pasowej i silniku znajdującymi się poza tymi
korpusami pokazuje rys.2. Widoczny tu jest bardzo duży udział łożysk wrzeciona w
sumarycznych stratach mocy. Udział ten zależy od złożoności struktury kinematycznej
napędu i na ogół jest większy w nowoczesnych napędach bezstopniowych o prostej
konstrukcji kinematycznej.

Rys.2. Bilans strat energetycznych w zespołach i mechanizmach tokarki

Silnik

623W , 19,1%

Reduktor

179W , 6,5% , ło

ż

yska toczne

360W , 11% , sprz

ę

gło+

hamulec+pompka

175W , 5,3% , przekładnie z

ę

bate

Przekładnia pasowa

176W , 5,3% ,

Wrzeciennik

204W , 6,2% , ło

ż

yska+

przekładnia z

ę

bata

ło

ż

yska

wrzecionowe

Ne=3274W 100%

1761W , 53,8%

1557W , 47,6%

N =11kW, n =1800

obr/min

zn

w r

Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

4

3.

TEORIA PODCZERWIENI

Postępy w technice elektronicznej i detekcyjnej doprowadziły do powstania

różnorodnych termometrów na podczerwień (IR) do zastosowań przemysłowych i
naukowych. Zrozumienie podstawowych różnić pomiędzy nimi jest ważne dla wyboru
odpowiedniego urządzenia do określonego zastosowania. Na rys. 3. pokazano
przykład zastosowania pirometru Raynger MX4 firmy Raytek do oceny nagrzewania
się wirującego wrzeciona centrum frezarskiego.

Energia jest promieniowana przez wszystkie obiekty o temperaturze większej niż

zero absolutne. Energia ta rośnie w miarę jak obiekt staje się cieplejszy, co pozwala na
pomiar

temperatury

poprzez

pomiar

promieniowanej

energii,

szczególnie

promieniowania

w

części

widma

elektromagnetycznego

określanego

jako

podczerwień.

Promieniowanie podczerwone jest częścią widma elektromagnetycznego, które

obejmuje fale radiowe, mikrofale, światło widzialne, nadfiolet, promieniowanie
gamma i promieniowanie rentgenowskie. Te różne postacie energii są podzielone na
kategorie w zależności od częstotliwości lub długości fal. Należy zauważyć, że światło
widzialne rozciąga się od 0,4 do 0,7 mikrometra, przy promieniowaniu nadfioletowym
(UV) o falach krótszych niż 0,4 mikrometra i promieniowaniu podczerwonym o falach
dłuższych niż 0,7 mikrometra, rozciągającym się do kilkuset mikrometrów. W
praktyce, do pomiarów temperatur metodą IR wykorzystuje się zakres 0,5 do 20
mikrometrów.

Rys.2. Rejestracja temperatury wirującego wrzeciona obrabiarki z

użyciem pirometru

pirometr

stół

komputer

wrzeciono

Rys.3.

Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

5

Zgodnie z prawem Planka, intensywność promieniowanej energii jest funkcją

długości fali.

λ

max = 2,89 x 10

3

/T

gdzie:

λ

max = długość fali o największej energii w mikrometrach,

T = temperatura w stopniach Kelvina.

W miarę powiększania się temperatury długość fali związana z energią szczytową
(najwyższym punktem krzywej) przesuwa się ku krótszym długościom fal. Na
przykład, długość fali o energii szczytowej emitowanej przez obiekt w 2617 stopniach
Celsjusza (2890 stopni Kelvina) wynosi:

λ

max = 2,89 x 10

3

/2890K = 1,0 µm.

EMISYJNOŚĆ

Emisyjność (współczynnik emisji (E)) jest definiowana jako stosunek energii

wypromieniowanej przez obiekt w określonej temperaturze do energii wyemitowanej
przez idealne źródło promieniowania, albo ciało czarne, w tej samej temperaturze.
Emisyjność ciała czarnego wynosi 1,0. Wszystkie wartości emisyjności zawierają się
w granicach 0,0 do 1,0. Związane z emisyjnością są: współczynnik odbicia (R) - miara
zdolności obiektu do odbijania energii w zakresie podczerwieni, oraz współczynnik
przenikania (T) - miara zdolności obiektu do przepuszczania energii w zakresie
podczerwieni. Ponieważ całe promieniowanie musi być albo przepuszczone (T), albo
odbite (R), albo zaabsorbowane (A) to:

A + R + T = 1,0

Jeżeli dany obiekt jest w stanie równowagi cieplnej, nie staje się on ani cieplejszy ani
zimniejszy. Ilość energii, jaką on emituje musi być wtedy równa ilości energii jaką
absorbuje, tak więc A (absorpcja) = E (emisyjność). Z podstawienia otrzymujemy:

E + R + T = 1,0

Jeżeli jakiekolwiek dwie z tych wartości są znane, trzecia jest łatwa do określenia.

PRZENIKANIE

W niektórych zastosowaniach, szczególnie w wypadku szkła i cienkich tworzyw

sztucznych, przepuszczalność staje się bardzo ważnym czynnikiem. Jeżeli potrzebne
jest zmierzenie temperatury tych substancji przy użyciu metody IR, musi być wybrana
długość fali, przy której materiał jest nieprzezroczysty lub prawie nieprzezroczysty.
Często pożądany jest pomiar temperatury pod powierzchnią jakiegoś obiektu. Jest to
możliwe, kiedy materiał jest częściowo przezroczysty na długości fali pomiaru. Dla
dokonania pomiarów temperatury obiektów poprzez okienko szklane lub kwarcowe,
muszą być wykorzystane fale stosunkowo krótkie, w celu skorzystania ze zdolności
takich okienek do przepuszczania dużego procentu energii w zakresie podczerwieni o
tych długościach fal.

ABSORPCJA ATMOSFERYCZNA

Jednym z pierwszych warunków branych pod uwagę przy wyborze zakresu

widmowego (zakresu długości fal, w którym przyrząd jest czuły na promieniowanie
podczerwone) jest absorpcja atmosferyczna. Pewne składniki atmosfery, takie jak para
wodna, CO

2

i inne materiały pochłaniają promieniowanie podczerwone o określonych

długościach fal, zwiększając ilość energii absorbowanej wraz z odległością pomiędzy
mierzonym obiektem a przyrządem pomiarowym. Dlatego też, jeżeli te czynniki

Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

6

absorbujące zostaną zignorowane, przyrząd może poprawnie odczytywać temperaturę,
kiedy będzie znajdował się blisko obiektu, lecz wskaże o kilka stopni mniej z większej
odległości, ponieważ wyświetlana temperatura będzie stanowić wartość średnią
temperatury obiektu i temperatury atmosfery. Na odczytywaną wielkość mogą
wpływać zmiany wilgotności lub obecność pary albo określonych innych gazów. Na
szczęście, istnieją okna w widmie promieniowania podczerwonego, które pozwalają
na pomijanie tych absorpcji.

OPTYKA

Wielkość celu i jego odległość mają istotne znaczenie dla dokładności

większości termometrów IR. Każdy przyrząd IR posiada pole widzenia (kąt patrzenia),
dla którego będzie on uśredniał wszystkie widziane temperatury. Ponieważ większość
termometrów IR posiada optykę o stałej ogniskowej, minimalna plamka pomiarowa
wypada na wyspecyfikowanej odległości ogniskowej między 50 a 150 cm. Niektóre
przyrządy o dużym zasięgu do kontroli izolatorów i transformatorów w węzłach
energetycznych posiadają ogniskową bardzo dużą. Alternatywnie, wykorzystywane są
ś

wiatłowodowe układy optyczne w zastosowaniach specjalnych, kiedy nie ma

wystarczająco dużo miejsca na zamontowanie głowicy czujnikowej, albo kiedy silne
zakłócenia o częstotliwościach radiowych mogą spowodować błędne odczyty

EMISYJNOŚĆ

Idealna powierzchnia do pomiarów temperatury metodą IR powinna mieć emisyjność

1,0. Taki obiekt nazywany jest ciałem czarnym lub ciałem idealnie promieniującym /
absorbującym. W wypadku takich obiektów R = T = 0. Termin ;ciało czarne; jest nieco
mylący, ponieważ kolor, jako pojęcie związane ze znacznie krótszymi falami zakresu
widzialnego, w zakresie podczerwieni nie ma sensu. Jednakże w praktyce, większość ciał jest
albo ciałami szarymi (które mają emisyjność mniejszą od 1,0, lecz taką samą na wszystkich
długościach fal), albo ciałami nie szarymi (które mają emisyjności zmieniające się w
zależności od długości fal oraz/albo temperatury). Ten ostatni rodzaj obiektu może
powodować poważne problemy w dziedzinie dokładności pomiarów temperatur, ponieważ
większość termometrów IR matematycznie przekształca zmierzoną energię podczerwieni na
temperaturę. Jako że obiekt o emisyjności 0,7 emituje tylko 70% dostępnej energii,
temperatura wskazywana będzie niższa niż temperatura rzeczywista. Producenci
termometrów IR zazwyczaj rozwiązują ten problem instalując kompensator emisyjności,
kalibrowany regulator wzmocnienia, który zwiększa wzmocnienie sygnału z detektora
podczerwieni tak aby skompensować stratę energii spowodowaną przez emisyjność mniejszą
od jedności. Ta sama regulacja może być wykorzystana do skorygowania strat przy
przechodzeniu promieniowania podczerwonego przez okienka, dym, pył lub opary. Na
przykład, ustawienie kompensatora na 0,5 dla obiektu o takiej emisyjności spowoduje
zwiększenie wzmocnienie o współczynnik równy 2. Jeśli okienko wziernikowe jest
wykorzystywane do celowania termometru na obiekt znajdujący się w komorze próżniowej, a
współczynnik przenoszenia energii przez to okienko wynosi 40% (T = 0,4), błędy nakładają
się na siebie, tak że ustawienie netto kompensatora powinno wynieść 0,5 x 0,4 = 0,2. Wynikłe
z tego wzmocnienie równe 5 skompensuje wszystkie straty energii.

Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

7

EMISYJNOŚĆ A DŁUGOĆĆ FALI

W wypadku wielu materiałów, szczególnie organicznych, emisyjność nie zmienia się

znacznie wraz z długością fal. Inne materiały, takie jak szkło i cienkie folie z tworzyw
sztucznych, wykazują znaczne straty przenoszenia energii podczerwieni na niektórych
długościach fal, szczególnie w zakresie fal krótszych. Metale, prawie we wszystkich
wypadkach, wykazują się większym współczynnikiem odbicia na dłuższych falach, stąd ich
emisyjność poprawia się wraz ze skracaniem się długości fal. Problemy powstają w wypadku
metali o niskich temperaturach, gdy najkrótsza użyteczna długość fali zależy od punktu, w
którym ilość istniejącej energii jest niewystarczająca do wytworzenia odpowiedniego sygnału
wyjściowego z detektora. W takich wypadkach konieczny jest kompromis.

Emisyjność większości substancji organicznych (drewno, materiały tekstylne, tworzywa

sztuczne itp.) wynosi w przybliżeniu 0,95. Metale o gładkiej, wypolerowanej powierzchni
mają emisyjności dużo niższe od 1,0. Emisyjność materiału może być określona w jeden z
następujących sposobów:

Nagrzać w piecu próbkę materiału do znanej temperatury, określonej za pomocą
precyzyjnego czujnika umieszczonego w tym piecu, oraz zmierzyć temperaturę
obiektu termometrem IR. Użyć regulacji kompensatora emisyjności do wymuszenia
wskazania poprawnej temperatury. Stosować tę wartość emisyjności w późniejszych
pomiarach tego materiału.

W przypadku stosunkowo niskich temperatur (do około 250

0

C), kawałek taśmy

maskującej może być umieszczony na powierzchni obiektu i mierzona jest
temperatura tej taśmy maskującej za pomocą termometru IR z nastawą emisyjności
równą 0,95. Następnie, należy zmierzyć temperaturę obiektu i tak wyregulować
kompensator emisyjności, aby wyświetlacz pokazał poprawną temperaturę. Stosować
tę wartość emisyjności w późniejszych pomiarach tego materiału.

W wypadku bardzo wysokich temperatur, można w obiekcie wywiercić otwór, o
głębokości co najmniej 6 razy większej od średnicy. Taki otwór zachowuje się jak
ciało czarne o emisyjności równej w przybliżeniu 1,0, a temperatura odczytana przy
wycelowaniu termometru IR do wnętrza tego otworu będzie poprawną temperaturą
obiektu. Tak jak w przypadku 2, należy użyć kompensatora emisyjności do określenia
prawidłowej nastawy przy późniejszych pomiarach temperatury tego obiektu.

Kiedy część powierzchni obiektu może być pomalowana np. matową, czarną farbą
będzie miała emisyjność równą około 1,0. Mogą być również zastosowane inne
powłoki niemetaliczne, takie jak smar do form, napylenie proszku, dezodorantu i
innych. Należy zmierzyć znaną temperaturę jak poprzednio i wykorzystać regulator
emisyjności do określenia prawidłowej wartości emisyjności.

Dla większości materiałów dostępne są znormalizowane wartości emisyjności

.

Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

8

STANOWISKO BADAWCZE

Stanowisko badawcze stanowi obrabiarka oraz pirometr Raynger MX4,

współpracujący z komputerem PC np. typu laptop (p.rys. 4). Pirometr (p.rys.5)
wyposażony jest w układ mikroprocesorowy pozwalający zarówno na wykonywanie
dyskretnych pomiarów (max 100 pomiarów) i przechowywanie ich w swojej pamięci,
jak i na ciągłą rejestrację temperatury obserwowanej powierzchni (p.rys.6).
Dodatkowo do pirometru może być dołączona dotykowa sonda temperatury,
pozwalająca na dostrajanie wskazań lub na dokonywanie nią pomiarów metodą
dotykową.

Rys.4. . Stanowisko badawcze do zdalnych pomiarów i rejestracji temperatury

zespołów obrabiarki

Rys.5. Pirometr zamocowany w statywie z przewodami

zasilającymi i komunikacyjnymi

pirometr

wrzeciono

wrzeciennik

łoże tokarki

komputer

Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru

9

Rys.6. Temperatura wirującego wrzeciona Tw mierzona pirometrem

i temperatura otoczenia To podczas przerywanego cyklu pracy obrabiarki

PRZEBIEG ĆWICZENIA

1.

Zestawić układ do zdalnych pomiarów temperatury.

2.

Dokonać wyboru miejsc pomiaru temperatury na powierzchniach korpusów
tokarki.

3.

Dobrać dla poszczególnych miejsc właściwe współczynniki emisyjności i
zapisać je w pamięci komputera.

4.

Dokonać eksportu danych o punktach pomiarowych do układu mikroproce-
sorowego pirometru.

5.

Przygotować powierzchnię końcówki wrzeciona do pomiarów pirometrem
(zaczernić błyszczącą powierzchnię)

6.

Uruchomić obrabiarkę i dokonać rejestracji temperatury wirującego wrzeciona
w początkowej fazie nagrzewania.

7.

Dokonać pomiarów w wybranych wcześniej punktach obrabiarki

8.

Dokonać eksportu wyników pomiarów do pamięci komputera i ocenić stopień
nagrzewania się poszczególnych jej zespołów.

Przygotował:
Wojciech Kwaśny

Tw

To