Nové trendy měření ve VÚTS v rámci Centra rozvoje strojírenského výzkumu (CRSV) Liberec

Firma VÚTS, a. s., která se může pochlubit více než šedesátiletou tradicí, se zabývá výzkumem, vývojem, konstrukcí a výrobou strojů a zařízení v oblasti obráběcí, polygrafické, potravinářské a sklářské techniky a textilních strojů. Další oblastí je automatizace, vývoj, konstrukce a stavba speciálních jednoúčelových strojů, manipulátorů, dopravníků, mon tážních stanic a testovacích zařízení. Expertní a projekční činnost VÚTS se vyznačuje nabídkou komplexního souboru služeb od konstrukčního návrhu a výpočetního ověření až po výrobu funkčních modelů a prototypů, zajištění sériové výroby resp. realizací kompletního technologického celku. S podporou Evropské unie v rámci Operačního programu výzkum a vývoj pro inovace realizuje VÚTS, a. s, v průmyslové zóně Sever v Liberci projekt „Centrum rozvoje strojírenského výzkumu Liberec (CRSV)“. Práce byly zahájeny v roce 2009 a počátkem letošního roku byla ukončena realizace stavební části, v současné době probíhá vybavování novými technologiemi. Zahájení plného provozu je plánováno od počátku roku 2013. Nové centrum bude zaměřeno zejména na oblasti, u kterých očekáváme v příštím desetiletí rozhodující význam pro rozvoj strojírenství: • Snižování energetické náročnosti strojů • Zvyšování produktivity strojů • Ekologické aspekty – snižování hluku a vibrací • Využití nových materiálů – zejména kompozitů, materiálů s pamětí atd. • Využití mechatronických aplikací – synergie mechanických a elektronických prvků • Automatizace procesů a zařízení Velmi významnou oblastí budoucího působení CRSV je oblast měření a analýzy strojů a zařízení a zejména snižování hluku a vibrací. Do této oblasti, které se již nyní intenzivně věnujeme, byly v rámci projektu CRSV naplánovány investice v řádech desítek milionů korun do stavebního, přístrojového a výpočetního vybavení tak, aby byl výrazně posílen potenciál pro aplikačně orientovaný výzkum a vývoj. K výraznému zvýšení stávající technologické úrovně dojde zejména díky investicím do následujících oblastí: DYNAMICKÁ ZKUŠEBNA ?? MĚŘENÍ DYNAMICKÝCH VLASTNOSTÍ Dynamická zkušebna je řešena pro precizní dynamická proměření pracovních mechanismů strojů, celých strojů i rozměrných zařízení. Je vybavena pro měření a analyzování vlastností a parametrů mechanismů, vlastností řízených servopohonů, pro měření celkových úrovní a odhalování hlavních zdrojů vibrací a hluku, pro měření přenosových a útlumových charakteristik kmitajících soustav, pro provádění experimentální modální analýzy (vlastní tvary kmitů) a zjišťování provozních tvarů kmitů, pro speciální metody porovnávání experimentálně zjištěných vlastností s vypočtenými apod. Nejúčinnější metodou snižování hladin vibrací a hluku je odstranění příčiny vibrací, např. výpočetně- experimentální optimalizací mechanismů, vyvažováním, modálním přelaďováním soustav, prediktivním modelováním dynamické odezvy apod. K tomu bude dynamická zkušebna vybavena vícekanálovými měřicími analyzátory, měřicími a vyhodnocovacími SW, nejrůznějšími snímači, řízenými elektrodynamickými vibrátory a dynamometry, které vedle výzkumného použití je možné použít i pro zrychlené zátěžové zkoušky např. částí strojů. Bude tak možné všechny výstupy kvalitně proměřit a prověřit v souladu s normalizovanými postupy a s legislativou. TEPELNÁ ZKUŠEBNA ?? TEPLOTNÍ ZÁVISLOSTI A VLASTNOSTI Přesné výrobní stroje mnohdy pracují v neklimatizovaných prostorách nebo při extrémních změnách provozních teplot. Úlohou tepelné zkušebny s regulovanými změnami teplot v rozsahu +5 °C až +40 °C je analyzování vlivu okolních teplot na přesnost hlavně obráběcích strojů. Bude možné souhrnně zkoumat vlivy prostředí a provozního oteplování, navrhovat teplotní korekce a vyhodnocovat účinnost již instalovaných korekcí. Zkušebna je vybavena 40kanálovým měřicím analyzátorem teplot, kvalitní termokamerou a přístroji pro přesná délková měření. POLOBEZODRAZOVÁ A DOZVUKOVÁ KOMORA ?? MĚŘENÍ A ANALÝZA ZDROJŮ HLUKU K významnému zkvalitnění a rozšíření činnosti přispívá stavebně náročná polobezodrazová komora a dozvuková komora. Šíření hluku a hlukové pole v okolí objektu silně závisí na prostředí, ve kterém je zdroj hluku provozován. Proto je pro výzkumné práce vhodné dosáhnout ideálních podmínek měření bez nutnosti použití korekcí, které snižují přesnost. Speciální akustické laboratoře poskytují prostor blízký ideálním podmínkám, na kterých jsou založeny také legislativní předpisy. Všechna výzkumná a hygienická měření – měření hladin akustického tlaku a intenzity zvuku, mapování zvukových polí, stanovení akustických výkonů a měření akustické pohltivosti a dozvuku materiálů se provádějí špičkovými přístroji a vyhodnocovacími programy. Pro analýzu hlukové emise strojů budou k dispozici nejnovější metody identifikace zdrojů hluku využívající mikrofonních polí (akustická holografie, beamforming apod.). HIGH SPEED CAMERA ?? ŘEŠENÍ ÚLOH S RYCHLÝM VIDEEM Pro pohybovou analýzu je mnohdy jediným prostředkem použití rychlostní videokamery. K dispozici bude kamera s rychlostí snímání až 1 mil. snímků za sekundu. Rozvíjena bude dynamická analýza obrazu synchronizovaná s dalšími naměřenými vhodnými fyzikálními veličinami, např. silami, zdvihy, zrychleními, tlakem, úhlem pootočení, úhlovou rychlostí apod. Naměřené průběhy se potom zobrazují a analyzují synchronně s obrazovým záznamem. Toto spojení přinese v mnoha případech řadu poznatků, které nebylo možné dosud realizovat. Pokročilé metody analýzy obrazu, identifikace vzorů a pohybů a počítačového vidění umožní detailnější zpracování mnohdy komplikovaných obrazových struktur. S využitím výše uvedených a řady dalších investic a stávajícího technologického vybavení budou rozvíjeny následující oblasti: ŘEŠENÍ SNIŽOVÁNÍ HLUKU A VIBRACÍ STROJŮ A ZAŘÍZENÍ, VIBROIZOLACE K základním prostředkům ke snižování emisí hluku a vibrací patří identifikace jejich hlavních zdrojů měřením a analyzováním dynamických vlastností mechanismů a strojů. K tomu se používají moderní metody strukturální dynamické analýzy (pokročilé metody experimentální modální analýzy, měření provozních tvarů kmitů apod.). S výhodou se využívají i výstupy z FEM modelů. Současná mnohakanálová měření kinematických, dynamických a akustických veličin při ustálených i přechodových stavech stroje umožňují analyzovat vzájemnou souvislost hluku a vibrací, způsob jejich šíření a jejich vztah k modálním a dynamickým vlastnostem soustavy. Pomocí experimentů se identifikují materiálové i strukturální nelinearity soustav. Na základě měření a analýz se navrhují účinná opatření vedoucí nejen ke snížení hluku a vibrací, ale často i ke zvýšení výkonů, spolehlivosti a životnosti a případně i k úsporám energie. Mnohdy jedinou cestou k zabránění šíření vibrací je odizolování jejich hlavních zdrojů. Vibroizolace se týká buď částí, nebo celých strojů a zařízení a zahrnuje měření, analýzy, konstrukční řešení a realizaci vhodných vibroizolačních prvků. Vedle tradičních postupů se budeme zabývat netradičními metodami pasivního a aktivního tlumení, pohlcovači kmitů využívajícími pasivní prvky nebo aktuátory a přelaďováním soustav. Pro vibroizolaci u zařízení s výrazně proměnnými pracovními podmínkami je vhodné řešit tlumicí prvky s nelineární nebo s adaptivní přenosovou charakteristikou. Pro řadu aplikací lze použít nekonvenční vibroizolační prvky s piezoelektrickými převodníky, které mají řadu výhodných vlastností – jednoduchou konstrukci, snímání i tlumení vibrací v jediném piezoelementu, elektrické řízení tuhosti nebo rekuperaci energie kmitavého pohybu. Teoretické a konstrukční práce se průběžně podporují měřením působících sil a přenosových a útlumových charakteristik soustav. TECHNICKÁ DIAGNOSTIKA STROJŮ Technická diagnostika a optimalizace údržby strojů a zařízení se stává samostatným interdisciplinárním vědním oborem. Je nezbytnou složkou tzv. prediktivní a proaktivní údržby a přispívá k bezporuchovému chodu výroby. U složitých strojů se často prvky diagnostiky zahrnují do jejich výbavy. Na základě zkušeností a podle posledních poznatků z teorie měření a zpracování signálů se zaměříme na netradiční autonomní zákaznická řešení technické diagnostiky s prvky vyšší úrovně. Spojením diagnostiky s akčními prvky lze vytvářet adaptivní uzly, které mohou automaticky upravovat provozní stav stroje (např. vymezováním vůlí, tlumením kmitů apod.). K tomu bude pracoviště vybaveno diagnostickými analyzátory, které s další univerzální programovatelnou měřicí technikou představují špičkové vybavení pro široké spektrum diagnostických služeb. Z hlediska oborové orientace se kromě výše uvedených obecných problematik CRSV zaměřujeme na speciální měřicí úlohy u polygrafických, obráběcích strojů, šicích a dopřádacích textilních strojů, u dopravních prostředků a u řady dalších výrobních strojů. Špičková měřicí technika je drahá, náročná na obsluhu a rychle stárne. Proto je vhodné měřicí techniku soustředit na specializovaném pracovišti a zajistit její plné využití vyškolenými odborníky. Bude tak k dispozici i podnikům a ústavům vybaveným výpočetní technikou pro verifikaci jimi vytvořených matematických modelů a výsledků. S výrobními podniky již dlouhodobě spolupracujeme na zvyšování parametrů, odstraňování nedostatků a vývoji strojů. V rámci rozvoje měřicích aktivit CRSV předpokládáme další intenzivní rozšiřování činností v následujících tematických oblastech: VÝZKUM NÁROČNÝCH MĚŘICÍCH METOD A POSTUPŮ Pro zvyšování odborné úrovně bude dále rozvíjena teorie měření a hloubkových analýz hlavně pro oblast točivých strojů, kam patří měření a hodnocení vlastností např. vačkových mechanismů, převodovek, řemenových převodů, torzních kmitů, řízených servopohonů, dynamického vyvažování mechanismů apod. Můžeme přitom navázat na naše již vyvinuté, ověřené a používané postupy a metody měření úhlů, úhlových rychlostí a zrychlení, včetně přesných diferenciálních měření s možností synchronního zápisu průběhů dalších fyzikálních veličin pro komplexní analýzy. Rozvíjený systém umožňuje řádově vyšší přesnost měření než je obvyklé. Využívá recipročních metod a neekvidistantního vzorkování. K tomuto přístupu však nelze použít klasické teorie zpracování diskrétních signálů a musejí být odvozovány nové teoretické závěry. Vedle toho se rozvíjejí i metody order- -trackingu, Vold-Kalmanových filtrů nebo analýzy úhlové rychlosti fázovou demodulací pulzních signálů. Obdobně se rozvíjejí měřicí metody a analýzy vedoucí ke snižování vibrací a hluku strojů a zařízení. VÝZKUM A REALIZACE SPECIÁLNÍCH SNÍMAČŮ A MĚŘICÍCH ZAŘÍZENÍ Nové vybavení umožní efektivnější vývoj a realizici speciálních snímačů a měřicích zařízení, které se na trhu nevyskytují nebo svými parametry nevyhovují pro potřebu řešených úkolů nebo spolupracujících firem. Přitom můžeme navázat na vyráběné unikátní snímače a přístroje pro měření dynamických sil útkových a osnovních nití, snímačů pro měření délkové hmotnosti textilních pramenů a roun a přístrojů pro precizní dynamická měření úhlů, úhlových rychlostí a zrychlení, momentů a dalších veličin. VERIFIKACE MATEMATICKÝCH MODELŮ STROJŮ A ZAŘÍZENÍ, ZAJIŠŤOVÁNÍ VSTUPNÍCH DAT DO VÝPOČETNÍCH MODELŮ Matematické modelování a výpočetní systémy (FEM, CAE a další) jsou ve vědě a technice nenahraditelné. Výsledky výpočtů se však u složitých systémů často významně liší od skutečnosti. Důvodem je, že se nedaří správně zadat všechny parametry modelu a často se volí i nevhodná zjednodušení. Proto se výpočetní modely ověřují a ladí podle výsledků měření na skutečných strojích nebo na vhodně zjednodušených mechanických modelech. Další možností ke zpřesnění a zjednodušení výpočetních systémů a modelů je nahrazení části modelu změřenou veličinou, např. průběhem úhlové rychlosti hnacího hřídele stroje, průběhem působící síly apod. To obvykle vede ke zrychlení a zpřesnění výpočtu i ke snížení nákladů. Uvedené postupy se uplatňují zejména u náročných strojů s vysokou přesností a dynamikou, např. u obráběcích a polygrafických strojů. Nové, pro oblast měření komplexně řešené a vybavené pracoviště CRSV je v České republice ojedinělé a předpokládáme, že se stane významným řešitelem úkolů pro mnoho firem nejen z libereckého regionu. Výše uvedené technologické možnosti a know- -how specializovaných pracovníků budou k dispozici stávajícím i novým zákazníkům, kteří díky jejich využití budou moci u svých výrobků a zařízení získat konkurenční výhodu včetně zajištění a splnění legislativních požadavků v oblasti hluku a vibrací, které vycházejí ze zpřísňujících se legislativních nároků EU. Ing. Petr Škop, CSc. petr.skop@vuts.cz