Výzkum strojírenské výrobní techniky a technologie - 1. část
Výzkum vysoce výkonných, přesných, spolehlivých a ekologických strojů a jejich komponentů
Tento tematický okruh zahrnoval řešení následujících pěti dílčích témat.
Stroje nových koncepcí
Hlavní cíl: Zvýšení přesnosti a produktivity vysokorychlostních obráběcích strojů na bázi nových původních řešení a principů s ohledem na zachování kvalitního životního prostředí.Jedná se zde o vyhledávací výzkum.Téma je určeno pro vyhledávání a úvodní rozpracování nových myšlenek a nekonvenčních řešení, u kterých je určitý potenciál budoucího využití ve stavbě zejména obráběcích strojů s cílem zvýšit jejich celkovou užitnou hodnotu.V roce 2005 byly předmětem zkoumání zejména dva nové principy: řízené vyrovnávání poklesu vodorovně výsuvných pinol a seizmické vyvažování obráběcích strojů (tzv. plovoucí princip a jeho širší uplatnění ve strojích). Oba principy jsou původní a jsou předmětem patentového řízení. Dále zde byly připraveny pro hlubší zkoumání v roce 2006 dva nové náměty: měřicí rámy a prvky pro vyrovnávání deformací obráběcích strojů a nová metoda modelování samobuzených kmitů.
Komponenty strojů
Hlavní cíl: Zdokonalit vlastnosti a možnosti komponentů a skupin zejména vysoce dynamických výrobních strojů, zvýšit potenciál pro jejich nejvhodnější uplatnění, analyzovat jejich možnosti a omezení a vytvořit vlastní řešení a modifikace. Otevřít možnost stavby vysoce přesných strojů pro mikroobrábění.Podle plánu hlavního projektu 1M0507 je řešení tématu rozděleno do čtyř dílčích projektů.
V prvním z nich, nazvaném Vysoce dynamické a přesné pohybové skupiny, probíhala měření modálních vlastností a dynamického chování pohonových os s lineárním motorem, analýza výsledků měření, rešerše současných existujících konstrukcí přesných a vysoce dynamických pohybových skupin, vývoj komplexního simulačního modelu osy Z stroje LM-2 a experimenty s aktivním tlumením chvění nosných struktur strojů.
a) bez krytu
b) s krytem
Na druhém projektu, nazvaném Nekonvenční materiály a materiálové struktury, byly práce zahájeny rešerší problematiky a jednáními s výrobci kompozitních materiálů a struktur. Byl také proveden vývoj simulačních modelů na bázi MKP a některé experimenty (především laboratorní měření na trhacím stroji), porovnání a analýza výsledků.Hydrostatická a integrovaná vedení - nové principy a způsoby užití je oblast, kterou řeší třetí projekt. Zde byly rovněž nejprve provedeny rešeršní práce a studium výpočtových metod včetně programování konstrukčních výpočtových programů pro dimenzování hydrostatických vedení, zejména vysokotlakých. Dále byl proveden návrh potřebných experimentů a vývoj zkušebního standu. Ve čtvrtém projektu, který má název Rychlá automatická manipulace, byla provedena rozsáhlá rešerše a analýza současného stavu v oblasti automatické manipulace na obráběcích strojích. Množství získaných informací především o systémech automatické výměny nástrojů a systémech pro výměnu palet a obrobků umožnilo vytvoření základní přehledové databáze existujících řešení a jejich parametrů. U systému AVN na bázi dvouramenného manipulátoru byla provedena podrobná výpočtová analýza časů výměny při různých typech a konfiguracích pohonů pohybových os. Dále byla provedena rešerše v oblasti třískového hospodářství.
Nad rámec dílčích cílů byl na základě rešerše a analýzy současného stavu vytvořen návrh zkušebního standu pro experimenty v oblasti pohonů, konstrukce a řízení dvouramenného otočného manipulátoru výměny nástrojů. Vzhledem k pokročilosti prací byla zahájena výroba a stavba standu.
Pohony a řídicí technika
Hlavní cíl: Posunout na vyšší úroveň současné teoretické a aplikačních znalosti v oboru dráhového řízení NC strojů.V prvním projektu, nazvaném Výzkum nových možností využití přímých pohonů lineárních i rotačních, bylo v loňském roce zdokonaleno řízení stroje LM-2 (doplněn software pro diagnostickou regulaci pohonů posuvů). Dále byl zdokonalen plovoucí princip (úprava měřicího a řídicího softwaru na zkušebním standu STD4 a navržena nová koncepce odměřování pro reálný stroj, spolupráce s firmou Tajmac - ZPS). Proběhly také verifikace matematických modelů regulace na zkušebních standech STD2, 3, 4, 9 a na stroji LM-2.
Projekt Výzkum chování průvlekových elektromotorů s integrovanou kuličkovou maticí a projekt Výzkum laserového odměřování polohy při regulaci pohonů jsou řešeny v letošním roce.V dalším projektu, který je nazván Výzkum v oblasti speciálních (nekonvenčních) konstrukčních uspořádání, proběhly experimenty na standech STD3 a STD4 s procesorem dSpace 1104 k ověření matematického modelu plovoucí osy a tato osa byla zdokonalena o rozběhové funkce a diagnostický software. Byly navrženy alternativy absolutizačního motoru pro plovoucí osu a oživen systém NI-PXI (National Instruments) jakožto dokonalejší alternativa pro řízení strojů s plovoucími osami.
Na pátém projektu, nazvaném Výzkum metod diskrétní regulace nelineárních systémů, byly provedeny teoretické práce v oblasti potlačení kmitání při rozbíhání pohonů posuvů a byly prezentovány na konferenci Inženýrská mechanika 2005. Dále byly započaty teoretické práce v oblasti modelování aktivního tlumení lineárních i nelineárních elektromechanických soustav a provedena studie možností piezoaktuátorů, návrh stavového modelu, konstrukce standu a úvodní pokusy s navrženým budičem kmitů.Závěrečný projekt Zvyšování přesnosti dráhového řízení při interpolaci vysokými rychlostmi byl předmětem řešení problému přesnosti dráhy nástroje při interpolaci ve dvou kartézských osách a jedné rotační ose. Dále byl proveden návrh počítačového modelu a návrh způsobu měření a jeho ověření.
Virtuální prototypování strojů a jejich uzlů a komponentů
Hlavní cíl: Cílem je vybudování know-how pro vytváření věrohodných a spolehlivých simulačních modelů nosných struktur, konstrukčních skupin a komponent obráběcích strojů.U prvního projektu, nazvaného Modelování nosných struktur obráběcích strojů, jejich uzlů a komponent, byly v loňském roce beze zbytku splněny jeho dílčí cíle: rešerše se zaměřením na valivá lineární vedení, pevná šroubová přírubová spojení, vliv provedení svarů na celkové charakteristiky dílců a konstrukce krytování OS pro vysoké rychlosti a zrychlení. Byla vytvořena řada výpočtových modelů na různé úrovni abstrakce, simulujících chování lineárních valivých vedení, přírubových spojení a vlivu svarů na celkové vlastnosti dílců. Výpočty byly provedeny jak na MKP modelech, tak analytickými metodami s cílem zahájit vývoj relevantních flexibilních výpočtových modelů. Modelování dynamiky vřetenových jednotek je řešeno v rámci projektu Výkonnost, spolehlivost a diagnostikovatelnost CNC obráběcích strojů. Metodika komplexního modelování byla ověřována na modelu pohybové osy zkušebního standu STD-3.
Dále byl navržen a vyroben stand pro experimenty v oblasti výzkumu chování a simulace pevných šroubových přírubových spojení a zrealizován zkušební stand pro testování vlivu provedení svarů na celkové vlastnosti dílců, na kterém bylo zahájeno měření. Vytvořen byl také návrh standu pro měření statických charakteristik valivých lineárních vedení a výrobní dokumentace je připravena pro realizaci. Vše za účelem verifikace výpočtových modelů. Taktéž v projektu Matematické modelování sdílení tepla a tepelných deformací v konstrukcích obráběcích strojů byly v roce 2005 beze zbytku splněny dílčí cíle. Byla provedena rešerše se zaměřením na problematiku identifikace a modelování zdrojů tepla, modelování sdílení tepla a tepelných deformací v konstrukcích OS; absolvována školení prohlubující možnosti modelovacích technik v systému ANSYS a Matlab.
Byl proveden vývoj tepelných modelů ložisek a pohonů s kuličkovým šroubem jako základních zdrojů tepla na obráběcích strojích. Modely byly vytvořeny jako sdružené úlohy s možností řešení nestacionárních problémů. Probíhala i spolupráce na řešení problematiky vlivu tepelných deformací na přesnost obráběcích strojů v rámci projektu Přesnost CNC obráběcích strojů. Dále byla provedena měření tepelného chování pohonů s chlazeným kuličkovým šroubem a i bez vnitřního chlazení. Byl navržen a realizován zkušební stand pro studium teplotního chování ložiskových skupin a pro verifikaci příslušného výpočtového modelu. Byla provedena příprava experimentu pro verifikaci modelu teplotní stability pohonové osy s kuličkovým šroubem a proběhlo studium chování vybraných příkladů tepelného namáhání a deformací částí obráběcích strojů: ocelové lože, polymerbetonové lože, těleso vřeteníku. Ve třetím projektu, nazvaném Optimalizace návrhu obráběcích strojů s ohledem na zvýšení výkonnosti a přesnosti obrábění, byly provedeny rešerše se zaměřením na problematiku komplexního modelování, tj. získání potřebných výpočtových systémů a osvojení si problematiky vytváření komplexních simulačních modelů, sdružujících mechaniku stroje a servoregulaci pohonu.
Proběhl vývoj komplexních modelů pohybových os s kuličkovým šroubem, ověření modelu dle výsledků získaných na reálné pohybové ose, vývoj geometrického modelu pohonu s kuličkovým šroubem, nahrazujícího relevantně pohon v MKP modelech, a zaškolení do práce s výpočtovými systémy umožňujícími tvorbu komplexních modelů ANSYS, MSC.ADAMS, Matlab-Simulink. Dále byly provedeny optimalizační studie pro optimalizaci topologie několika vybraných dílců obráběcích strojů. Bylo také zahájeno řešení problematiky aktivního tlumení vibrací a problematiky tvorby komplexních modelů zahrnujících mechaniku stroje, zpětnovazební chování servosmyčky i zpětnovazební chování řízení aktivního tlumiče. Byla rovněž provedena příprava prvního komplexního modelu reálné pohybové osy s kuličkovým šroubem frézovacího centra.
Programování a příprava výroby pro CNC stroje
Hlavní cíl: Zvýšení přesnosti a produktivity obrábění tvarově složitých dílů.
V projektu HSC a víceosé obrábění byl navržen, ve více verzích modifikován a modelován díl pro kontrolu pracovní přesnosti 5osých frézovacích a vyvrtávacích obráběcích center, která disponují třemi lineárními a dvěma rotačními souvisle souběžně řízenými pohybovými osami. Pro tento díl bylo zpracováno TPV včetně interpretace na vzájemně kinematicky odlišných strojích, a to na MCVL1000 se stoly NIKKEN, na Variaxis 500 5X firmy Mazak a na stroji MCV 1000 se stoly Walter.Byl navržen systém měření na souřadnicovém měřicím stroji a měření byla realizována jak v podmínkách VCSVTT, tak i v Kovosvitu MAS. Po získaní praktických zkušeností probíhá příprava obecně formulovaných podkladů pro širší využití.
Dále zde byl proveden návrh dílce pro kontrolu pracovní přesnosti víceprofesního soustružnického centra. Respektování podmínek HSC bylo součástí řešení.Ve druhém projektu, nazvaném Aplikace programovacích metod pro víceosé obrábění, proběhlo studium interpolačních metod, studium kinematiky soustružnických víceprofesních center a aplikace víceosého řízení se zřetelem k pseudopětiosému řízení. Došlo ke generaci, ověřování a aplikaci pro 5osé obrábění, použití u stroje Wariaxis 500 5X Mazak, a to včetně generace a ověření uživatelských knihoven. Dále bylo uskutečněno modelování, generace, ladění a aplikace řídicích programů pro výrobu geometricky složitých ploch průtočných částí proudových strojů, studium a aplikace grafické simulace soustavy stroj-nástroj-obrobek v systému NX3 s přímým využitím u stroje MCVL1000. Provedené teoretické práce byly bezprostředně aplikovány na strojích v průmyslu.
Projekt Optimalizace technologického programu: Protože optimalizace technologických programů je mimořádně komplexní a náročný úkol, pozornost byla zaměřena na vybrané úseky této problematiky se zvláštním zřetelem na naléhavé potřeby průmyslové praxe. Byly studovány nákladové položky nástrojového vybavení při respektování produktivity a životnosti pro aplikace opracování tvarově složitých dílů převážně v oblasti letecké výroby. V rámci této práce byla prováděna optimalizace TPV tvarově složitých dílů s vysokou mírou opracování (opracování dosahuje 91,5 % výchozího polotovaru). Při řešení těchto úkolů se s ohledem na vlastnosti finálních dílů kompletně řešily nové postupy, vyžadující nové výrobní pomůcky, nástroje i technologii obrábění s ohledem na požadovanou finální přesnost a jakost povrchu.
Pokračování příště.
Prof. Ing. Jaromír Houša, DrSc.
vedoucí VCSVTT
VCSVTT, ČVUT v Praze
