Témata
Zdroj: archiv Ing. Fialy

Alternativa vyvažování svislých os šetří náklady

Zájmem výrobců jakéhokoliv zařízení je snaha o úspory nákladů nejen vlastních, ale i těch u koncového zákazníka. Sledovaná data o snižování spotřeby ve výrobě strojů lze díky trendování směrodatných veličin pomocí cloudových služeb prokazatelně prezentovat.

Štěpán Fiala


Absolvoval postgraduální studium na ČVUT v Praze, Fakultě strojní, Ústavu výrobních strojů a zařízení. Nyní se na zmíněném Ústavu věnuje strojní komunikaci mezi zařízeními, SCADA systémům a IOT hardwaru. Nadále se věnuje řízení zejména hydrostatických servopohonů.

Reklama

Pohony jsou dimenzovány bez nadbytečné rezervy, což s sebou přináší úsporu na straně opcí, konkrétně velikostí frekvenčních měničů napájecích modulů. Obdobně je tomu i v případě komponent pohybových mechanismů. Při takovém způsobu úspor zůstává otázkou životnost komponent. Na stroji lze pozorovat mnoho uzlů, které mohou být zdrojem zbytečně vysoké spotřeby energie za provozu stroje. Touto problematikou se zabývá odvětví Ecodesign. Velká pozornost je věnována periferiím typu chlazení, jako jsou například čerpadla řezných kapalin, ale i dalším hydraulickým agregátům zajišťujícím dodávku oleje pro hydrostatická vedení, ztrátové mazání, upínání nástrojů nebo technologických palet. Dalším hydraulickým okruhem stroje může být vyvažovací mechanismus.

Experimentální pracoviště. (Zdroj: archiv Ing. Fialy)

Disertační práce Ing. Fialy Problematika vyvažování vertikálně se pohybujících hmot pomocí rotačního hydromotoru se zabývá metodami a přístupy snižování nároků kladených na elektrické pohony vertikálních pohybových os obráběcích strojů. Autor přehledným způsobem analyzuje používané průmyslové mechanismy a hlavní pozornost věnuje principu vyvažování, využívajícímu jako zdroj síly rotační hydromotor. Důvodem pro využívání principu vyvažování je možnost šetřit elektrickou energii na kompenzaci gravitačního zatížení. To je umožněno dodáním síly k udržení břemene, v tomto případě vřeteníku, v dané poloze jiným a levnějším způsobem. Další výhodou kromě úspory elektrické energie za běhu stroje je stabilnější chování stroje z hlediska teplotně deformačních vlastností. Pokud motorem neprotéká proud, nedochází ani k teplotnímu ovlivnění jeho okolí. Podstatnou část práce proto autor věnuje „odhalování“ negativního chování stroje a prezentaci propojené sestavy pohonu servoelektrického pohonu a servohydraulického pohonu, který zmíněné neduhy odstraňuje.

Reklama
Reklama

Velké obráběcí stroje, například horizontální vyvrtávačky, jsou standardně vybaveny minimálně jednou vertikálně se pohybující pohybovou osou a na servopohon jsou kladeny velké dodatečné nároky. Běžně se servomotor u vodorovných os dimenzuje takovým způsobem, aby byl schopen urychlit celou pohybovou skupinu požadovaným zrychlením. Kromě síly nutné k dosažení tohoto zrychlení musí vertikální pohybové osy silově působit proti smyslu gravitace čili vyvažovat komponenty. Servopohon dodává sílu, která odpovídá hmotě pohyblivých komponent, a navíc musí být dimenzován k dodání síly potřebné k požadovanému zrychlení při pohybu směrem vzhůru a zároveň k zachycení síly od zabrzdění pohybové skupiny při pohybu směrem dolů. Proto je důležité zabývat se problematikou snižování gravitačních účinků na vertikálně se pohybující hmoty. V současné době existuje více přístupů, jakým způsobem lze redukovat gravitační účinky na pohyblivé komponenty strojů. Výrobci obráběcích strojů snižují hmotnost pohyblivých komponent například užitím nekonvenčních materiálů vřeteníků, topologickou optimalizací komponent, užitím neobvyklých kinematických i hybridních kinematických struktur nebo užitím vyvažovacích mechanismů.

Během experimentu s paralelně uspořádanými pohony a se zpětnou vazbou odvozenou od snímače výstupního momentu hydromotoru bylo docíleno kvalitního řízení vyvažovací síly. (Zdroj: archiv Ing. Fialy)

Jednou z variant řešení vyvažování pomocí rotačního hydromotoru byla i varianta s motorem s pevným geometrickým objemem. Sérií testů na horizontálním obráběcím centru, standu koaxiálně propojených motorů a na modelovém zařízení s vertikální pohybovou osou byly popsány a zobecněny vlastnosti, které při vyvažování svislých os obráběcích strojů nelze akceptovat. Dílčím výsledkem je přepracovaný koncept vyvažovacího mechanismu s rotačním hydromotorem, který minimalizuje zjištěné negativní vlastnosti. Úpravou konceptu se podařilo kompletně eliminovat problém naklápění vřeteníku daný rozdílným momentem hydromotoru v motorovém a generátorovém režimu. Výsledkem je potvrzení užití hydromotoru s pevným geometrickým objemem pouze pro méně náročné aplikace typu manipulační a transportní techniky. V dalším kroku autor ověřil možnost využít k vyvažovacím účelům rotační hydromotor s proměnným geometrickým objemem a navrhl nový způsob využití regulačního rotačního hydromotoru v oblasti pohonů obráběcích strojů. Pro vyvození síly se využívá princip tzv. sekundární regulace hydromotoru, který ve výsledku generuje konstantní vyvažovací sílu v rámci celého zdvihu pohybové osy. Kolísání napájecího tlaku v akumulátoru vstupuje do regulace pouze jako poruchová veličina a na výstupný moment nemá vliv. Výsledkem je kvalitní regulace momentu hydromotoru, což s sebou přináší možnost využití hydromotoru v podobě asistenčního – vyvažovacího – pohonu pohybové osy stroje. Závěrečné experimenty a simulace s kaskádní regulací geometrického objemu hydromotoru potvrdily navržené řešení. Experimenty vyvrátily možnost využít regulační hydromotor jako pohon slave v režimu regulace motorů master-slave.

Reklama

Mechanismus, který nadlehčuje a neovlivňuje negativně dráhové řízení

Návrhu nového mechanismu řízení vyvažování svislé posuvové osy s využitím regulačního rotačního hydromotoru předcházelo několik variant řízení se zpětnou vazbou odvozenou od snímače naklopení desky hydromotoru a snímače momentu. Varianty byly simulačně ověřeny a úspěšně potvrzeny experimentem. Během experimentu s paralelně uspořádanými pohony a se zpětnou vazbou odvozenou od snímače výstupního momentu hydromotoru bylo docíleno kvalitního řízení vyvažovací síly. Přínos mechanismu prokázalo měření referenčních pohybů za účelem porovnání stavů bez vyvažování a s vyvažováním. Výsledky testů potvrdily, že mechanismus je plně funkční, tudíž že nadlehčuje a neovlivňuje negativně dráhové řízení. Tak bylo oproti koncepci, jejímž autorem je Ing. Hovorka, docíleno i podstatného zlepšení v rovnoměrnosti chodu pohybové osy. Na frekvenčních spektrech měření rovnoměrnosti pohybu se sice pro všechny měřené rychlosti objevila amplituda na pístové frekvenci hydromotoru, avšak cca 1,5 až 2krát nižší než dominantní frekvence zubů dvojice pastorek–hřeben.

Na frekvenčních spektrech měření rovnoměrnosti pohybu se sice pro všechny měřené rychlosti objevila amplituda na pístové frekvenci hydromotoru, avšak cca 1,5 až 2krát nižší než dominantní frekvence zubů dvojice pastorek–hřeben. (Zdroj: archiv Ing. Fialy)

Změnou vyvažovacího momentu na základě znaménka rychlosti je možné kompenzovat pasivní odpory pohybové osy, a tím dále snížit proud protékající servomotorem. Při znalosti průběhů pasivních odporů při pohybu lze zasílat různou žádanou hodnotu momentu do hydromotoru, a udržovat tak proud servomotoru blízko nulové hodnoty.

Teoretický přínos disertační práce Ing. Fialy spočívá zejména ve vytvoření originálního konceptu vyvažování svislých pohybových os s použitím regulačních hydromotorů řízených tzv. sekundární regulací. Problematika si zasluhuje, jak uvádí Fiala, další zkoumání. Výsledkem může být varianta pohonu, která by dokázala zpracovat informaci o velikosti případné nevývahy z pohonu. Elektrický servomotor, potažmo měnič, je schopen poskytnout informaci o hodnotě okamžitého proudu servomotoru, kterou by bylo možné použít k adaptivní změně požadované hodnoty vyvažovací síly. Ta se může měnit například v důsledku změny hmotnosti břemene, například výměnou nástrojových hlav nebo obrobků. Dalším zkoumaným hlediskem by mohly být i jiné kinematické varianty pohonů, které by mohly využívat výhod řízeného vyvažovacího mechanismu s rotačním hydromotorem pro snadné ukládání potenciální energie a přenos vysokých výkonů v kompaktním provedení pohonu. Dalšími výhodami mohou být například neměnné síly v závislosti na aktuálním zdvihu, možnost kompenzace pasivních odporů pohybové osy a možnosti využít vlastní tíhu osy pro technologické operace. Autor uvádí možnou konstrukci s koaxiálně propojenými pohony, kterou by bylo možné využít při pohonu osy pomocí kuličkového šroubu. Samotný elektrický pohon by v sobě obsahoval vyvažovací mechanismus a další mechanismus by nebylo nutné na stroj umisťovat. Dimenzování kuličkového šroubu musí zahrnovat i trvalé tíhové síly pohyblivých komponent. Je evidentní, že taková varianta neušetří náklady na komponenty pohybové osy.

Schéma. (Zdroj: archiv Ing. Fialy)

Disertační práce bude užitečná i pro praxi. Prezentuje nový způsob vyvažování svislých os obráběcích strojů využívající regulační hydromotor, který je uplatnitelný pro většinu obráběcích strojů, zejména v kategorii horizontálních vyvrtávacích center. Výhodami prezentovaného řešení je konstantní nebo řízená vyvažovací síla nezávislá na aktuálním zdvihu pohybové osy, možnost konstrukce libovolné délky pohybové osy, kompaktní rozměry pohonné jednotky a úspora energie za provozu stroje. Navrhované řešení prezentuje možnou alternativu ke standardně používaným mechanismům vyvažování, jejichž hlavní nedostatky beze zbytku odstraňuje. Mechanismus, včetně regulace, je plně autonomní, protože nevyžaduje připojení do řídicího systému stroje. Přidanou hodnotou může být i schopnost reakce na silové účinky s mechanismem explicitně nesouvisejícími. Možnosti nasazení v praxi jsou velké, aplikaci nic nebrání.

Video přibližuje problematiku vyvažování vertikálně se pohybujících hmot pomocí rotačního hydromotoru. Tento projekt se zabývá metodami a přístupy snižování nároků kladených na elektrické pohony vertikálních pohybových os obráběcích strojů. Toto řešení navrhnul a vytvořil doktorand Ing. Štěpána Fiala z Ústavu výrobních strojů a zařízení, Fakulty strojní ČVUT v Praze (RCMT)
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

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