Inovace v oblasti krytování pohybových os obráběcích strojů

Ve firmě Hestego Vyškov od roku 2007 ve spolupráci s ČVUT v Praze, konkrétně s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii, a za finanční podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR probíhá intenzivní vývoj v oblasti komponent krytů i celých sestav krytů s cílem posunout možnosti krytování směrem k lepším technickým parametrům a vyšší spolehlivosti.

MKP analýza deformace polyuretanového stěrače

Moderní zkušební stanice krytování

Vysokou kvalitu vyrobených krytů je nutné garantovat díky přísné výstupní kontrole a testům. Aby bylo možné chování každého jednotlivého krytu spolehlivě automaticky ověřit, je nutno definovat a kvantifikovat provozní parametry krytu. K tomuto účelu byla upravena původní stanice pro zkoušení teleskopických krytů ve firmě Hestego. Stanice po modernizaci umožňuje automatické měření odporových sil a vibrací do rámu stroje, které kryt způsobuje.  

Hlavním bodem přestavby byla výměna pohonu pětimetrové pohybové osy. Původní pohon ozubeným řemenem nevyhovoval svými výkonovými parametry. Navíc byl sám zdrojem vibrací z důvodu poddajnosti hnacího řemenu. Nahrazen byl kompaktní osou s lineárním motorem, brzdou a inkrementálním odměřováním od firmy Hiwin s tažnou silou 1 700 N. Stanice má nestandardní řízení. Aby bylo možné ovládat ji bez nákladného řídicího systému, byly použity servoměniče ControlTechniques s přídavnými kartami přímo propojenými s řídicím počítačem, který zároveň slouží pro vyhodnocování dat naměřených při chodu krytu. Proudový výstup z měniče je použit pro měření silového zatížení pohonu od krytu. Součástí diagnostického systému je také jednotka s akcelerometry pro snímání vibrací, vyvinutá na ČVUT. Řídicí a diagnostický software byl vytvořen v prostředí LabView na půdě VCSVTT.

Možnost přesně a opakovatelně měřit veličiny charakterizující vlastnosti krytu slouží nyní pro vnitřní kontrolu výroby. V blízké době firma Hestego plánuje dodávat kryty také s certifikátem s naměřenými parametry, což je v souladu s její strategií zvyšovaní přidané hodnoty jejích produktů.

Stěrače krytování

Jednou ze zásadních částí teleskopického krytování jsou stěrače. Na ně jsou kladeny protichůdné požadavky, především perfektní těsnění a současně i minimální vliv na rovnoměrnosti chodu a malé pasivní odpory proti pohybu. Při vývoji byla pozornost zaměřena na geometrii a materiálové vlastnosti stěračů. Základním nástrojem analýzy byly MKP modely profilů stěračů.

Výpočtový model predikuje normálovou a tečnou sílu vznikající v důsledku provozní deformace stěrače. Vzhledem k míře přetvoření, které nastává v tělese polyuretanového stěrače (max. cca do 15 %), byl pro potřeby výpočtového modelování mechanické odezvy použitého polyuretanu zvolen hyperelastický konstitutivní model typu neo-Hookean. Tento model byl následně verifikován měřením na reálném stěrači.

Podle výsledků výpočtových modelů existujících i modifikovaných profilů byl vybrán upravený profil pro výrobu prototypu. Zároveň byl vyzkoušen alternativní materiál s nižším koeficientem tření. Výsledkem je nový typ stěrače s optimální tuhostí a sníženými pasivními odpory a stick-slip efektem.

MKP analýza deformace tlumiče při nárazu

Tlumicí prvky krytování

Tlumiče používané pro kryty bez vodicího mechanismu mají za úkol zmírnit síly působící v průběhu vzájemných nárazů segmentů. Z důvodu velkého rozsahu sil, které jsou závislé na hmotnosti segmentů a požadovaných pohybových rychlostech krytu, je volba optimální konfigurace skupiny tlumičů náročným úkolem, při jehož řešení je nutno vzít v potaz široký sortiment možných typů tlumičů různých tvarů a z různých materiálů. Původně proto volba tlumiče závisela především na zkušenostech konstruktéra. Pro zpřesnění návrhu správného tlumení bylo nutné nejprve kvantifikovat vlastnosti stávajících typů tlumičů.

V prvním kroku byly vytvořeny výpočtové MKP modely různých typů tlumičů. Z výsledků výpočtů byla vytvořena pomocná návrhová tabulka, ze které je přehledně vidět, který tlumič je vhodný pro konkrétní aplikaci. Výsledky výpočtů byly verifikovány na testovací stanici tlumičů, která je schopna realizovat náraz tělesa do tlumiče definovanou hmotností a rychlostí. V průběhu zkoušky je snímána síla přenášená tlumičem do rámu a okamžitá poloha tělesa. Časové závislosti obou veličin vyhodnotí vyvinutý specializovaný program. Ze získaných charakteristik lze vyhodnotit a porovnat vlastnosti jednotlivých tlumičů. Testovací stanice slouží současně jako zařízení pro rychlou kontrolu kvality tlumičů dodávaných do firmy Hestego, což zvyšuje kvalitu krytů jako celku.

Stanice pro testování teleskopických krytů

Alternativní materiály v konstrukci krytů

V současné době jsou nejvíce používaným materiálem pro konstrukci krytů ocelové plechy o tloušťce 2 až 3 mm. Jejich použití však není dostačující v případě velkých konstrukcí z důvodu poddajnosti nebo v případě požadavků na velké rychlosti a zrychlení pohybu kvůli velké hmotnosti a s tím souvisejícím nárůstem setrvačných sil. V těchto případech je vhodné použít alternativní materiály.

Předmětem výzkumu jsou nyní aplikace různých typů lehkých sendvičových materiálů plněných plasty, kovovými pěnami nebo strukturami. Právě tyto materiály mají potenciál splnit požadavky některých extrémních aplikací. Po úvodní fázi, kdy na základě výpočtových výsledků MKP modelů byly zvoleny vhodné typy alternativních materiálů, se nyní připravují zátěžové a technologické zkoušky vybraných materiálů. Cílem je určit jejich maximální možnosti v konstrukci pohyblivých segmentů krytování, protože aplikace těchto materiálů znesnadňuje vyšší náročnost jejich zpracování a také jejich vysokou cenu. Proto se zřejmě prosadí nejdříve u náročných aplikací, kde je vyšší cena krytu opodstatněná.

Výpočtová analýza průhybu segmentů krytování v důsledku předpětí stěračů

Analýza pasivních odporů

Trvalým problémem vlivu krytu na pohon pohybové osy jsou pasivní odpory, které ovlivňují rovnoměrnost a přesnost chodu osy. Tyto odpory se ve většině případů kompenzují nastavením konstant v regulaci pohonu osy po namontování krytu na stroj. Prozatím nikdo nedokáže poskytnout informaci o odporech krytování před jejich zhotovením a proto nelze předem např. přiměřeně dimenzovat pohony.

Jedním z cílů probíhajících vývojových prací je komplexní model krytu predikující mj. hodnotu odporových sil. Model nejprve navrhne optimální rozměry krytu pro minimalizaci fyzických rozměrů a následně spočítá hmotnost jednotlivých segmentů. Podle zadaných dynamických parametrů určí setrvačné síly pohyblivých částí krytu. Na základě známé tuhostní charakteristiky stěrače (z výpočtu nebo z měření) a změřeného koeficientu tření model umožňuje dále predikovat hodnotu pasivních třecích sil. První výpočtové výsledky jsou nyní ověřovány experimenty na laboratorním zkušebním stavu. Model bude dále zpřesněn o popis tření vodicích a kluzných částí krytu.

Shrnutí a závěr

V článku byl uveden krátký přehled některých dílčích vývojových témat, která jsou řešena při vývoji krytování nové generace. Spolupráce průmyslového podniku a univerzitního výzkumného pracoviště umožňuje vývoj nových řešení, která budou v nejbližší době uvedena do sériové výroby.

Ing. Jan Hudec

Ing. Petr Kolář, Ph.D.

Ing. Josef Vosolsobě

VCSVTT, ČVUT v Praze, Hestego Vyškov

P.Kolar@rcmt.cvut.cz  

Tyto výsledky byly získány za finanční podpory Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu A2-2TP1/092 v programu Trvalá prosperita.