Témata
Reklama

Metody potlačování vibrací u vysoce dynamických obráběcích strojů

21. 11. 2007

Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při Strojní fakultě ČVUT v Praze se vysokou mírou podílí na vývoji a aplikaci nových metod potlačení vibrací u vysoce dynamických obráběcích strojů. Spolu s odborem mechaniky a mechatroniky při Strojní fakultě ČVUT dochází k vývoji několika způsobů aktivního potlačení vibrací, které umožní radikální zvýšení dynamických parametrů stroje.

V aplikační sféře obráběcích strojů se objevují dva vzájemně protichůdné požadavky. Snahou je získat přesný obrobek s jakostním povrchem v co nejkratším možném výrobním čase. Tyto požadavky jdou ruku v ruce s rostoucími nároky na dynamiku a zároveň na přesnost pohonů polohovacích os. Zde však narážíme na mezní limity, které jsou dané především dynamickými vlastnostmi mechanické stavby stroje. Je to právě strukturální chování stroje, které omezuje možnost zvyšovat dynamiku pohonů a zároveň přitom zachovat přesnost dráhového řízení [1]. Tento fakt klade velmi vysoké nároky na konstrukce nových strojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Ukázka odezvy na skok rychlosti systému s kompenzací a bez kompenzace dynamického chování
Ukázka odezvy na skok rychlosti systému s kompenzací a bez kompenzace dynamického chování

Struktura stroje by měla být v ideálním případě tuhá a lehká, s vysokými vlastními frekvencemi a zároveň s dobrým tlumením. Konstruktéři se ji snaží optimalizovat tak, aby získali její co možná nejlepší dynamické vlastnosti. Při těchto snahách jim pomáhají často velmi sofistikované výpočetní nástroje, ale i tak se ne vždy podaří dosáhnout žádaného cíle. Výsledkem pak může být, že stroj nedosahuje žádaných dynamických parametrů nebo se při obrábění nedosahuje dostatečné přesnosti. Jinými slovy, nežádoucí kmitání stroje se může projevit i na kvalitě obrobku. Jeho povrch pak často připomíná spíše než celistvou plochu povrch gramofonové desky hrající všemi vybuzenými frekvencemi stroje. Pokud se výrobce stroje nesmíří s dosaženými vlastnostmi stroje, má v zásadě dvě možnosti. Buď může znovu usednout k „rýsovacímu prknu,“ nebo uplatní tzv. mechatronický přístup řešení problému a bude se snažit problém vznikajících vibrací odstranit.

Frekvenční přenos mechaniky stroje bez hltiče, s pasivním dynamickým hltičem a s aktivním dynamickým hltičem

Z hlediska potlačování vibrací v pohonech lze využít dvě ideově odlišné strategie, z nichž však obě počítají s tím, že vznikající vibrace mají určitý daný zdroj buzení. První strategie zaujímá postoj, že nejlepší potlačení vibrací je vibrace vůbec nevybudit. Lze ji dobře uplatnit u zdrojů buzení, jejichž řízení můžeme mít víceméně pod kontrolou (např. pohony posuvových os). Druhá strategie je pak uplatňována na zdroje buzení, které můžeme ovlivňovat méně nebo prakticky vůbec (např. řezné síly a pasivní odpory). Tato strategie se pak zabývá uplatňováním různých metod potlačování vibrací již vznikajících. Patří sem např. různé dynamické hltiče kmitů (pasivní, aktivní, ...). Realita pak obvykle vyžaduje pro dosažení žádaného výsledku kombinaci obou uvedených strategií.

Metody zabraňující vybuzení vibrací

Do této kategorie lze zařadit především metody, které se dají implementovat v rámci řídicího systému stroje. Obvykle je však potřeba znát dynamické chování řízeného systému, tedy buď jeho model, nebo alespoň frekvenční vlastnosti získané měřením.

Jedním z přístupů řešení je například využití kompenzací dynamického chování [2]. Jedná se o algoritmy, které mohou rozšířit možnosti standardně používané kaskádní regulace pohonů. Regulátory jednotlivých posuvových os jsou pak doplněny o funkce, které v sobě zahrnují popis chování řízeného dynamického systému a působí tak, aby byly potlačeny zejména kmity pohonu na nízkých vlastních frekvencích.

Dalším příkladem této strategie je přístup, který si klade za cíl pro daný přejezd dráhy minimalizovat množství vložené energie [3]. Snahou je adaptivně napočítávat časový průběh budicí síly tak, aby bylo zajištěno, že spektrum tohoto buzení bude obsahovat nulové amplitudy na vlastních frekvencích řízené soustavy. Tímto může být zajištěno, že do systému nebude navíc vkládána energie, která by budila nežádoucí kmity pohonu. Vložena by měla být pouze energie nezbytně nutná pro požadovaný pojezd osy.

Dalším, ne však posledním příkladem, může být nasazení nestandardních metod regulace, které nabízí dnešní moderní teorie řízení. Jednou z možností, testovaných ve VCSVTT, je například využití stavové regulace. Standardní kaskádní regulace lineární polohovací osy používá jako signály pro zpětnou vazbu (tzv. stavy) informace o natočení motoru, případně ještě o poloze z odměřovacího pravítka. U stavové regulace se předpokládá uzavření zpětné vazby z mnohem většího počtu stavů (tj. z více snímačů či z virtuálního matematického modelu stroje). Takováto regulace by pak měla vykazovat lepší dynamické vlastnosti.

Tříosé experimentální obráběcí centrum LM-2 se schematicky znázorněným aktivním dynamickým hltičem
Tříosé experimentální obráběcí centrum LM-2 se schematicky znázorněným principem vibrokompenzace
Tříosé experimentální obráběcí centrum LM-2 se schematicky znázorněným principem řízeného tlumení

Metody pro potlačení vybuzených vibrací

Druhou strategii potlačení vibrací ztělesňují především přídavná autonomní zařízení [5], z nichž většina je ve VCSVTT zkoumána na experimentálním tříosém obráběcím centru LM-2. Prvním příkladem je aplikace dynamického hltiče s aktivním prvkem [4, 5]. Aktivní prvek odstraňuje nevýhodu klasické pasivní varianty tím, že rozšiřuje frekvenčně pracovní pásmo hltiče. To je v pasivním případě velice úzké, neboť hltič je naladěn na jednu pevnou frekvenci, při které na sebe přebírá vibrace od stroje. Řízení aktivního dynamického hltiče je pak založeno na principu stavové zpětné vazby, která je optimalizována pro limitovaný počet měřených veličin.

Prakticky stejnou konstrukcí jako dynamické hltiče, avšak jiným principem potlačení vibrací se vyznačují tzv „proof mass“ aktuátory. Ty jsou na rozdíl od dynamických hltičů naladěny na výrazně nižší frekvenci, než kterou se snažíme utlumit, a slouží tak jako ideální zdroj síly, který může působit proti amplitudě vibrací. Tato metoda je klasickým představitelem principu zvaného vibrokompenzace [5].

Další možností jak snížit vliv vibrací je zvýšení tlumení struktury stroje. Toho je s výhodou dosaženo aplikací aktivního prvku do struktury stroje, který díky svému řízenému chování toto tlumení dle potřeby zvyšuje [5].

Závěr

Kombinací zmíněných metod potlačení vibrací je možné dosáhnout radikálního zvýšení dynamických parametrů stroje. Je však třeba mít na paměti, že mechatronické přístupy nemají být prosazovány na úkor kvalitního provedení návrhu mechanické stavby stroje. Díky těmto metodám však nemusí být vždy nevyhnutelné provádět výrazné konstrukční úpravy již navrženého prototypu, což může šetřit čas i peníze na další vývoj.

Tyto výsledky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M684077000.

Lukáš Novotný a Jiří Švéda

VCSVTT, ČVUT v Praze, FSI

Použitá literatura:

[1] Souček, P.: Servomechanismy ve výrobních strojích, Praha, ČVUT, ISBN 80-01-02902-6, 2004

[2] Novotný, L.: Cascade feedback controller with compensating transfer block. Efficiency Development of Manufacturing Machines and Processes, Wroclaw, Poland, 2006

[3] Souček, P., Bubák, A.: Dynamic system response at impulse excitation. Colloquium Dynamic of Machines 2007, Praha 6. – 7. 2. 2007, Ustav termomechaniky AVCR, ISBN 978 80 87012 03 01

[4] Švéda, J., Sulitka, M., Novotný, L., Šika, Z., Valášek, M.: Dynamic behaviour of experimental milling machine LM-2 axis with active vibroabsorbtion design, Engineering Mechanics 2006, Svratka, ISBN 80-86246-27-2

[5] Valášek, M., Šika, Z., Švéda, J., Nečas, M., Bohm, J.: Variants of Mechatronic Vibration Suppression of Machine Tools, In: Jablonski, R. et al. (eds.): Recent Advances in Mechatronics, Springer Verlag, Berlin 2007, pp. 458-463

Reklama
Vydání #11
Kód článku: 71127
Datum: 21. 11. 2007
Rubrika: Trendy / Pohony
Autor:
Firmy
Související články
Lineární vedení NSK s vylepšeným těsněním

Společnost NSK představila na veletrhu EMO 2019 optimalizovanou řadu válečkového vedení RA s vylepšeným těsněním. Lineární vedení RA jsou vybavena novými těsněními V1 a vylepšeným krytem, které pomáhají prodloužit životnost a spolehlivost obráběcích strojů.

Místo převodovky řemenové pohony

Synchronní řemeny se v mnoha průmyslových odvětvích prosazují jako nejlepší volba.

Řemenové převody přinášejí dynamiku do intralogistiky

Na hannoverském veletrhu se mohli návštěvníci seznámit s inovativními řešeními pro skladovou logistiku, jež vyvinula společnost Continental. Jedná se například o ozubené řemeny Conti Synchrodrive, které nacházejí uplatnění u sloupových zakladačů vysokoregálových skladů, ploché pásy Conti Polyflat pro zdvihací a závěsné systémy či drážkové řemeny Conti Multirib, které se používají v pohonu válečkových tratí.

Související články
Kompaktní pohony s dutou hřídelí

Kompaktní, robustní, cenově výhodné… Jsou-li stanoveny požadavky na stroje, musí zareagovat i poskytovatelé řídicí a pohonné techniky. Jejich inovace jsou důležité pro vývoj konstrukcí strojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nová koncepce dvoupotrubních centrálních mazacích systémů

Oproti jiným typům ztrátových centrálních mazacích systémů, dále jen CMS, mají dvoupotrubní mazací systémy zásadní přednost v tom, že dávkovače jsou plněny novým mazivem přetlakově. To je předpoklad pro spolehlivé mazání strojů a strojních zařízení.

Ready made lineární osy s ozubeným řemenem

Pomocí lineární osy je realizován pohyb v přímém směru a jedná se tak o výborný výchozí konstrukční prvek pro stavbu strojů, automatizačních linek a polohovacích zařízení s potřebou přesného lineárního pohybu ve více osách (typicky například CNC stroje). V posledních letech došlo navíc k výraznému snížení cen a lineární osy se tak stávají dostupné i pro dosud zapovězené oblasti. V neposlední řadě je podstatnou výhodou u tzv. ready made produktů dodávka již smontovaného dílu připraveného k okamžitému použití v zákaznické aplikaci.

Inteligentní motor střižený na míru

Mechatronická pohonná jednotka g350 představuje nový kompaktní mechatronický pohonný balíček, který firma Lenze uvádí na trh ve třech výkonnostních provedeních. Zařízení je koncipováno speciálně pro horizontální přepravní techniku.

Výpočet zbývající doby běhu valivých ložisek

Na veletrhu Hannover Messe 2016 představila společnost Schaeffler novou digitální službu – výpočet nominální zbývající doby běhu valivých ložisek v provozu na základě reálného souboru zatížení.

Bezúdržbové klínové řemeny

U klínových řemenů uživatelé oceňují tichý chod, jednoduchou instalaci a funkci bezpečnostní spojky při přetížení, kterou klínové řemeny plní díky možnosti krátkodobého prokluzu. Nicméně klínové řemeny vyžadují ne vždy levnou a snadnou údržbu. Obzvláště v nepřetržitých provozech či těžko dostupných pohonech se obecné doporučení kontrolovat a dopínat klínové řemeny každých 2 000 provozních hodin obtížně splňuje. Výsledkem bývají ztráty účinnosti, energie a krátká životnost pohonu. Klínové řemeny, jak je známo, bez dopnutí prokluzují. Co ale bývá zanedbáváno, je vliv zvýšených vibrací při nízkém napnutí klínových řemenů. Tyto vibrace mají velmi negativní vliv na životnost ložisek a jiných součástí zařízení. Zde se zaměříme na správnou údržbu a na novinku na trhu – bezúdržbové klínové řemeny.

Univerzální kyvný pohon

Modulární, odolný, univerzální – to jsou hlavní vlastnosti nového čtvrtotáčkového pohonu DFPD společnosti Festo. Tento pohon s ozubeným hřebenem a pastorkem je určen pro splnění nejrůznějších požadavků ve zpracovatelském průmyslu.

Certifikace testovacího postupu pro výpočty životnosti valivých ložisek

Certifikátor Germanischer Lloyd (GL) udělil společnosti Schaeffler osvědčení „Assessment of the method to investigate rolling bearing rating life“ (Posouzení metody zjišťování jmenovité životnosti valivých ložisek). Poprvé tak byl certifikován samotný postup, a ne každý jednotlivý faktor ovlivňující životnost, jak bylo dosud vyžadováno.

Ložiska pro lineární pohyb

Během posledních let se neustále zvyšují nároky na moderní lineární technologii, zejména pokud jde o únosnost, tuhost a životnost. Souběžně však rostou rovněž požadavky uživatelů na jednoduchost montáže a snižování nákladů na údržbu. Aby firma SKF dokázala uspokojit všechny tyto požadavky zákazníků, přichází na trh s novou řadou D lineárních kuličkových ložisek LBC.

Svět mobility se mění

Společnost Schaeffler představila optimalizované pohony se spalovacími motory, které přispívají k dosažení klimatických cílů, jež plynou z Pařížské klimatické dohody. Další novinkou v jejím portfoliu jsou elektromotory dotažené do stavu připravenosti na sériovou výrobu.

Špičkové technologie pro letectví a kosmonautiku

Jako jedno z nejinovativnějších a nejprogresivnějších odvětví na světě spojuje letectví a kosmonautika téměř všechny dnešní špičkové technologie. Elektronika a robotika se zde setkávají v měřicí, regulační a řídicí technice. Přitom se letectví a kosmonautika v první řadě ujímají vývoje a provozu leteckých objektů, jako jsou letadla nebo speciální kosmické dopravní prostředky a družice.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit