5tiosé obráběcí centrum pro zpracování kamene

Projekt, který je také realizován díky finanční podpoře z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci programu TIP pod číslem FR-TI3/401 je založen především na spojení znalostí, zkušeností a invencí obou výzkumných týmů. Díky těmto zkušenostem bylo umožněno vzniknout novému typu CNC obráběcího centra pro 5osé obrábění výrobků z materiálů, jako jsou mramor, žula, pískovec, syenit a ostatní přírodní materiály.

Firma Kaspe, a. s., se zabývá vývojem a výrobou strojů pro zpracování kamene kontinuálně již od 60. let 20. století. V 90. letech po investicích do technického rozvoje se dostala na evropskou úroveň v oboru a vstoupila na evropské trhy. Ústav výrobních strojů a zařízení Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii je hlavní výzkumnou základnou oboru výrobní techniky a technologie ČR. Spolupráce s průmyslem stojí v popředí aktivit tohoto pracoviště.

Základ obráběcího centra je tvořen kompaktní konstrukcí, která se skládá ze stabilního svařovaného ocelového rámu. V rámu je umístěn pracovní stůl osazený hydraulickým zvedacím rámem pro snadné zakládání polotovaru. Pod základní dřevěnou deskou stolu, která slouží jako pracovní plocha stroje s integrovanými, vzduchem ovládanými, „všesměrovými“ rolnami, se nachází hliníkový stůl, který umožňuje použití klasických upínek nebo vakuového upínacího zařízenípro přesné ustavení polotovaru a jeho obrábění.Boky základního rámu jsou v horní části zakončeny ocelovými nosníky, na nichž jsou instalována lineární vedení sloužící pro posuv příčníku stroje v uspořádání horní gantry. Speciálně navržená tuhá konstrukce příčníku je také osazena lineárním vedením, které umožňuje posuv příčného suportu. Vřeteník,jenž součástí příčného suportu,je osazen dvouosou vřetenovou hlavou umožňující rotaci v ose C ±185° a naklápění v ose N–5° až 90°. Vřeteno je uzpůsobeno pro použití jak pilového diamantového kotouče, tak i diamantových fréz a brousků s upínacím kuželem ISO40. Na rámu stolu je umístěn zásobník nástrojů, který je proti ostřiku chladicí kapalinou chráněnautomaticky ovládaným nerezovým krytem. Okruh chladicí kapaliny je uzavřený a plně automatický s vlastní autonomní kontroloukvality kapaliny. Obráběcí centrum je dále vybaveno automatickým centrálním mazáním.

Pohony celého stroje jsou realizovány pomocí servomotorů s planetovými převodovkami osazenými pastorky spoluzabírajícími s ozubenými hřebeny v ose X a Y. Propohyb v ose Z jsou použity řemenový převod a kuličkový šroub.Rotace osy C je realizována řemenovým převodema pro možnost zpevnění v požadované poloze vybavena přídavnými brzdami. Stroj lze ovládat a diagnostikovat vzdáleně a tak kontrolovat stav a chyby pomocí webového rozhraní odkudkoli.

Konstrukce stroje byla navrhována jako kompaktní, z důvodu snadného transportu, montáže a instalace u zákazníka. Limitujícími parametry byly především hmotnost amaximální velikost stroje. Přeprava kamionem nebo kontejnerem na lodi má jasně definované limity, které není možné přehlížet nebo dokonce zanedbat. Na tuto skutečnost byl brán zřetel při konstrukci stroje a také ovlivnila konstrukční uspořádání stroje, ovšem při zachování požadovaných parametrů obráběcího centra.

Základními technickými parametry obráběcího centra jsou:

posuv v ose X = 3 500mm, Y = 2 000mm, Z = 450mm, rotace v oseC = ±185°, rotace v oseN = –5° až 90°. Maximální posuvová rychlost příčníku a suportu je30m.min-1. Spotřeba chladicí kapaliny dosahuje 30–60 litrů podle použité technologie. Vřeteno o výkonu 15kW s maximálními otáčkami až 10000 min-1je osazeno jak přírubami pro pilový kotouč, tak i standardním nástrojovým rozhraním ISO 40,umožňujícímautomatickou výměnu nástroje i chlazení středem nástroje.Celková hmotnost stroje činí 5 500kg.

Nosná struktura stroje byla optimalizována pomocí metody konečných prvků. Byla provedena analýza slabých míst konstrukce a navržena konstrukce s efektivním umístěním nosného materiálu. Cílem analýzy bylo optimalizovat především tuhost soustavy, která je zásadní pro kvalitu obrobku.

Dále byly navrženy pohony tak, aby splňovalypožadované rychlosti a zrychlení, jak při obrábění, tak při technologických operacích.

Úzká spolupráce týmů konstrukce firmy Kaspe a Ústavu výrobních strojů a zařízení Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii při Fakultě strojní ČVUT v Praze při řešení projektu přinesla očekávaný výsledek. Cílem projektu byl vývoj prototypu CNC strojů nové generace pro 5osé zpracování kamene a následný vývoj technologických postupů při testování prototypu. Díky této spolupráci se firma Kaspe mohla dostat k novým technologiím modelování sestav a jejich následné optimalizaci s využitím metody konečných prvků. Jako stěžejní se ukázala schopnost pomocí jak při návrhu a kontrole virtuálního prototypu, měření přesnosti stroje, nastavení parametrů pohonů, tak při měření modální analýzy, jež odhalila slabá místa konstrukce, která by se bez této pomoci jentěžko zjišťovala.Pružná spolupráce vedla k rychlejším výsledkům a omezení chyb již při návrhu prototypu.

V současné době probíhá dokončování prototypu obráběcího centra. Při montáži prototypu byla připomínkována jeho výkresová dokumentace se zřetelem na optimalizaci montáže pro následnou opakovanou výrobu, a to nejen z hlediska zjednodušení montáže či následné snadné údržby stroje, ale úpravy byly zaměřeny i na vhodnější vedení kabeláže a její snazší instalaci. Všechny připomínky byly zapracovány do 3D modelů a výkresové dokumentace.

Na základě statických a dynamických měření na prototypu stroje byla sestavena korekční tabulka hodnot, která se zavádí do řídicího systému pro kompenzaci nepřesností vzniklých při výrobě a montáži. Po dokončení montáže a plném oživení obráběcího centra bude provedena série zátěžových testů a hledání technologických limitů stroje.

I v oblasti strojů pro obrábění kamene hraje design významnou roli jak pro potenciálního zákazníka, tak pro výrobce. Jde o snadnou identifikaci stroje a jeho výrobce a je dalším dobrým argumentem při prodeji. Designový návrh krytování stroje, který vznikl, dává stroji tvář a styl a pomůže v tvrdé konkurenci těchto strojů na zahraničních trzích. Současná podoba krytování stroje vychází z technologických možností firmy Kaspe a skutečnosti, že jde o prototyp. Kryty jsou vyrobeny z nerezového plechu ohraňováním. Pro sériovou výrobu stroje již budou kryty vyrobeny laminováním a budou odpovídat navrženému designu.

Nově vyvinuté moderní CNC obráběcí centrum přináší řadu výhod, mezi něž patří především vyšší přesnost, a to jak přesnost polohování stroje, která se pohybuje do 0,01 mm, tak přesnost obrobku do 0,1mm, rychlost a efektivita výroby, kvalita výrobku, zvýšení pracovní rychlosti, snížení technologických časů a možnost použít polotovary s menšími přídavky, což snižuje náklady na materiál.Možnost využít výhod CAD a CAM produktů dále usnadňuje výrobu složitých obrobků a jejich programů. Obráběcí centrum tohoto typu doposud nebylo v České republice vyráběno a je to velký krok kupředu, který pomáhá k dalšímu zvyšování konkurenceschopnosti, zejména v zahraničí.

Vývoj nové generace CNC strojů pro zpracování kamene byl podpořen z prostředků projektu FR-TI3/401 v rámci programu TIP Ministerstva průmyslu a obchodu ČR.

Ing. Jaroslav Červenka
Ing. Luboš Prchal

VCSVTT, FS ČVUT v Praze, Kaspe

J. Cervenka@rcmt.cvut.cz