tit300Nasadzovanie informačno-technických riešení súhrnne označovaných ako Industry 4.0 výrazne mení nielen pohľad na proces výroby produktov ale významne zasahuje aj do priemyselnej údržby. Ide najmä o oblasť preventívnej údržby, kde čoraz významnejšiu úlohu hrá údržba na základe aktuálneho stavu, resp. prediktívna údržba, kde realizácia jednotlivých prác a zásahov je plánovaná podľa predpokladaného vývoja stavu stroja.


Do strojov sa z tohto dôvodu implementuje veľké množstvo rôznych snímačov poskytujúcich obrovské množstvo dát rôzneho druhu, ktoré je potrebné v reálnom čase transformovať do podoby stručných a jasných informácií, predstavujúcich východiskovú informačnú bázu pre realizáciu údržby. Veľmi zjednodušene možno povedať, že ide najmä o predikciu – kvalifikovaný odhad času, kedy bude dosiahnuté hraničné opotrebenie určitej súčiastky či uzla stroja, aby sa v zodpovedajúcom čase naplánovala výmena alebo oprava.
Obrovské množstvo dát dodané snímačmi však skrýva veľký potenciál aj z pohľadu sledovania správnej činnosti stroja, odhaľovania drobných spomalení či prestojov. Hlavnou výzvou v tejto oblasti je dosiahnutie komplexného monitoringu činnosti i stavu plne automatizovaných výrobných strojov a liniek najmä v oblasti automobilového a elektrotechnického priemyslu. Pojmom komplexný monitoring máme na mysli nielen poskytovanie dát/informácií o stave stroja alebo jeho častí, ale aj on-line sledovanie jeho činnosti.

Monitoring robotizovaných pracovísk
Priemyselné roboty sú dlhodobo nasadzované ako dôležité prostriedky automatizácie výroby, bez ktorých si už produkciu automobilov či elektrotechniky nevieme ani predstaviť. Konštrukčná špecifickosť týchto zariadení a veľmi široké spektrum ich aplikácií sú hlavnými dôvodmi, prečo sa problematika komplexného monitoringu ako nutnej podmienky plne automatizovanej funkcie začína riešiť až v súčasnosti a bude si vyžadovať iné prístupy k najpoužívanejším metódam diagnostiky strojov.
Medzi ne môžeme zaradiť aj vibrodiagnostiku, ktorá predstavuje veľmi efektívny nástroj na zisťovanie, resp. hodnotenie, stavu najmä točivých strojov, ako sú elektromotory, čerpadlá, vývevy a pod. Prvotné posúdenie sa realizuje na základe globálnej hodnoty vibrácií, t.j. v akom vzťahu je efektívna hodnota rýchlosti vibrácií vzhľadom k maximálne prípustnej hodnote. V prípade problémov (alebo zložitejších strojov) sa potom pomocou frekvenčnej analýzy hľadá ich príčina. Keďže tieto stroje pracujú pri ustálených otáčkach, vibrácie tu majú väčšinou charakter vynúteného kmitania s budiacou frekvenciou v desiatkach herzov.
V prípade priemyselných robotov je však situácia iná. V istom slova zmysle aj pri nich môžeme hovoriť o periodickom pohybe – pracovný cyklus sa opakuje s určitou pravidelnosťou, ale z pohľadu teórie kmitania ide skôr o súbor rôznych prechodových javov súvisiacich s častými zmenami smeru a rýchlosti pohybu. Iný bude aj charakter odhaľovaných problémov.
„Klasickú“ vibrodiagnostickú kontrolu ložísk v podstate nie je možné vykonať z dôvodu veľmi krátkeho trvania pohybu, nízkych dosahovaných rýchlostí i zmeny zaťaženia spôsobeného zmenou konfigurácie ramena počas pohybu.

* * * * *
Zameranie on-line diagnostiky:
- uvoľnenie spojenia koncového efektora s ramenom (napr. v dôsledku povolenia alebo nedotiahnutia upevňovacích skrutiek),
- nedostatočné uchopenie manipulovanej súčiastky v dôsledku mechanickej chyby pri prstových chápadlách či netesnosti v prísavkách pri podtlakovej manipulačnej hlavici,
- spomalené zatváranie upínačov vo zváracích prípravkoch a/alebo vyvodenie nedostatočnej upínacej sily a pod.
* * * * *

Ak sa pozrieme na uvedené príklady problémov z časového hľadiska, možno ich označiť ako postupné poruchy. Tie sú charakterizované postupným zhoršovaním stavu, až sa dosiahne hraničné poškodenie spočívajúce napríklad v úplnej nefunkčnosti prísavky. Na ich odhalenie môžu byť použité rôzne metódy – nielen vibrodiagnostika, ale aj meranie spotreby stlačeného vzduchu, meranie času uchopenia či upnutia, meranie spotreby elektrickej energie.

Koncept uplatnenia vibrodiagnostiky pri monitoringu robotizovaných pracovísk
Prvý zásadný rozdiel v uplatnení vibrodiagnostiky pri točivých strojoch a priemyselných robotoch bude v dĺžke trvania periodického deja. Ako už bolo spomenuté, pri rotačných motoroch a zariadeniach pracujúcich na ich báze, má opakujúci sa dej charakter jednej otáčky hriadeľa či rotora a trvá niekoľko stotín až desatín sekundy. Pri zvolení vhodnej frekvencie snímania možno už z niekoľkosekundového merania získať presné informácie o stave či vyskytujúcich sa problémoch.

nfu 800px
Obr. 1: Testovacie pracovisko s priemyselným robotom KUKA s prísavkovou hlavicou v laboratóriu Strojníckej fakulty STU v Bratislave


Pracovný cyklus pracoviska s robotom však môže trvať aj niekoľko minút a pohyb jeho ramena je veľmi nerovnomerný, pričom v niektorých úsekoch nevykonáva žiadny pohyb, v iných sa pohybuje veľmi pomaly alebo, naopak, veľmi rýchlo. Pri monitoringu činnosti robota je potrebné túto nerovnomernosť vziať do úvahy a zamerať sa iba na určité dôležité úseky pohybového cyklu, ako napríklad rozbeh s uchopenou súčiastkou, pohyb s prudkou zmenou smeru a/alebo rýchlosti a pod. Zbierať a vyhodnocovať signály zo snímačov počas celej dĺžky pracovného cyklu sa ukazuje ako neefektívne. Z pohľadu možností vyhodnotenia získaných dát sa ako najlepšia voľba javí frekvenčná analýza na báze frekvenčného spektra, kde výskyt určitých situácií sa dá lepšie odlíšiť ako pri amplitúdovej analýze na báze času.
Samotné sledovanie stavu robota je potrebné realizovať porovnávacím spôsobom. Pre každý sledovaný úsek pohybového cyklu robota sa najprv pri optimálnych podmienkach získa referenčné frekvenčné spektrum, s ktorým sa budú porovnávať spektrá získané počas vykonávania jednotlivých pracovných cyklov. Z praktického hľadiska bude výhodné sledovať nielen prekročenie maximálnej možnej odchýlky, reprezentujúcej poruchový stav, ale aj vývoj trendu, ktorý môže signalizovať postupné zhoršovania stavu.

* * * * *
Experimenty realizované na priemyselnom robote ukazujú, že pomocou frekvenčnej analýzy možno ľahko odhaliť nedostatočné upevnenie chápadla na ramene robota, či zmeny zaťaženia koncového efektora – zhrnutie postupu:
- určenie dôležitých pohybových úsekov pracovného cyklu,
- stanovenie referenčných frekvenčných spektier pre tieto úseky,
- určenie max. prípustnej odchýlky či už vo veľkosti amplitúdy alebo frekvencie,
- realizácia porovnania spektra reprezentujúceho aktuálny pohyb s referenčným a vyhodnotenie výsledku.
* * * * *

Z pohľadu vykonania monitoringu v podmienkach reálnej priemyselnej výroby roboty umožňujú aktívne ovládanie snímačov, čo znamená, že začiatok a koniec merania zodpovedajúci určitému pohybu možno cez výstupy robota priamo ovládať riadiacim programom robota.
Samozrejme, monitoring robotizovaných pracovísk je potrebné riešiť komplexne, pričom vibrodiagnostiku nemožno použiť na odhalenie všetkých problémov a porúch vyskytujúcich sa na robotizovaných pracoviskách. Súčasťou týchto pracovísk sú napríklad rôzne periférne zariadenia
poháňané alebo ovládané stlačeným vzduchom a ich monitoring možno realizovať na báze sledovania prietoku, resp. spotreby, stlačeného vzduchu za pracovný cyklus.
Okrem sledovania stavu by mal byť monitoring zameraný aj na odhaľovanie rôznych spomalení či „mikroprestojov“, ktoré kumulatívne predstavujú nezanedbateľné straty vo výrobe. V tejto oblasti je potrebné vyvinúť technické i softvérové riešenia na sledovanie a vyhodnocovanie trvania jednotlivých čiastkových činností vykonávaných na pracovisku, napríklad dobu zatvorenia či uvoľnenia pneumatických upínačov a pod.

Použitá literatúra:
[1] Kreidl, M., Šmíd, R.: Technická diagnostika, BEN Praha, 2006, ISBN 80-7300-158-6 [2] Peťková, V.: Teória a aplikácia vybraných metód technickej diagnostiky, TU v Košiciach, 2010, ISBN 978-80-553-0483-0
[3] Grenčík, J. Manažérstvo údržby: Synergia teórie a praxe, Košice, BEKI design, s.r.o., 2013, ISBN 978-80-89522-03-3

TEXT/FOTO Andrej Červeňan, Jozef Antala, Strojnícka fakulta STU v Bratislave
Lektoroval: doc. Ing. Juraj Grenčík, PhD.