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)
Vydání #6
Související články
Hydrostatická vedení obráběcích strojů

Hydrostatická vedení jsou jedním ze základních typů kluzných vedení, jejichž rozmach použití v oblasti výrobních strojů nastal především v sedmdesátých letech minulého století. Výrobci obráběcích strojů tato vedení nasazují tam, kde je potřeba konat pohyby s minimálním polohovacím krokem, s vysokou přesností, únosností, tuhostí a tlumením.

Názorové fórum odborníků

Na tomto místě budeme pravidelně přinášet názory odborníků k tématům, která se objeví v aktuálním vydání MM Průmyslového spektra. V dubnovém vydání jsme zástupcům vysokých škol a firem položili následující otázku:

Nanovlákenná membrána v oknech ochrání stroje i pracovníky

Zatímco o smogu v ulicích se vedou časté debaty, znečištěný vzduch v interiéru patří k opomíjeným tématům. A to i přesto, že podle Světové zdravotnické organizace stojí život 4,3 milionu lidí ročně a v průmyslových objektech ohrožuje jak zdraví pracovníků, tak samotný provoz. Díky rozvoji moderních technologií nyní interiér účinně ochrání nanovlákenná okenní membrána.

Související články
Hydrostatika zvyšuje užitnou hodnotu obráběcích strojů

Hydrostatické vedení je jedním z typů lineárních vedení, která se používají u obráběcích strojů. Princip je znám dlouhá léta, přesto lze na komponentech, které zajišťují jeho funkci, stále co vyvíjet a vylepšovat. Příkladem tohoto úsilí je výsledek spolupráce firem Toshulin a Argo-Hytos.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Obrábět stejně za méně - Energetická efektivita obráběcích strojů

Energetická efektivita výrobních strojů - ekodesign, má čím dál větší význam. Na světových výstavách v čele s EMO Hannover 2013 byla patrná snaha výrobců nabídnout zákazníkovi nejen stroj s potřebnými užitnými vlastnostmi, ale i stroj pracující energeticky úsporně. Je také patrná vyšší informovanost zákazníků a do obecného povědomí se dostává čím dál více informací o řešeních, která zajišťují stejné užitné vlastnosti při snížené spotřebě energie.

Ohřevné skříně Amarc - skladujte své sudy v teple a bezpečí

Připravili jsme pro Vás přehledný web s ohřevnými prvky společnosti Amarc. www.ohrevneprvky.cz. Naleznete zde kompletní nabídku topných plášťů pro sudy a průmyslové (IBC) kontejnery i podlahové topné desky v klasickém a EX provedení pro výbušné prostředí.

Jak přispívají opakovaně použitelné čisticí utěrky k ochraně životního prostředí

Dne 5. června 1972, v den zahájení první světové konference o ochraně životního prostředí ve Stockholmu, inicioval program ochrany životního prostředí Spojených národů (United Nations Environment Programme, UNEP) oficiální světový den životního prostředí. Od té doby se každo-ročně 5. červen slaví jako mezinárodní den životního prostředí. Opakovaně použitelný systém čisticích utěrek MEWA k tomu každý den v dílnách a výrobních halách přispívá: Čistí stroje a zařízení a podporuje ochranu zdrojů.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů (2. část)

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Reflexe EMO Milano 2015

Italské výstaviště Fieramilano se první říjnový týden stalo středem pozornosti strojařů především evropské provenience. Po šesti letech, kdy vrcholila hospodářská krize, se prestižní veletrh EMO vrátil do italského průmyslového regionu s „budovatelským“ mottem: Let’s build the future. Na ploše 120 000 m2 ve dvanácti výstavních halách se prezentovalo přes 1 600 vystavovatelů, z toho na 500 tuzemských. Podle závěrečné zprávy navštívilo akci přes 155 tisíc návštěvníků (145 tis. EMO Hannover 2013), polovina ze zahraničí. (Pozn. V neděli před zahájením EMO navštívilo vedlejší Expo přes 260 tisíc návštěvníků. Z České republiky do Milána vycestovalo 2 160 strojařů (2 300 na EMO Hannover 2013). Každý z návštěvníků si domů patrně odvezl svůj osobní rekord v nachozených kilometrech po výstavišti.

Výrobní stroje a komponenty na VŠ

V nynějším vydání jsme o strukturovanou prezentaci požádali ústavy zaměřené na výrobní stroje a komponenty. Naši nabídku vyslyšela pracoviště na strojních fakultách v Praze a Ostravě.

Podpora spolupráce ve výzkumu, vývoji a inovacích ve střední Evropě - inspirace projektem NUCLEI

Ústav výrobních strojů a zařízení FS ČVUT (RCMT) je zapojen do evropského projektu NUCLEI podporujícího iniciaci mezinárodní spolupráce ve výzkumu, vývoji a inovacích. Zaměřen je na region střední Evropy a odbornou oblast moderních výrobních technologií.

Ekodesign & čeští výrobci obráběcích strojů

O pohled na současný stav ekodesignu v komoditě obráběcích strojů jsme požádali zástupce vybraných tuzemských výrobců, kteří se touto problematikou aktuálně zabývají. Oslovili jsme společnosti Kovosvit, Toshulin, TOS Kuřim-OS a TOS Varnsdorf, konkrétně Jiřího Mindla, Vojtěcha Frkala, Dušana Maláška a Tomáše Kozloka.

Ecodesign - cesta k efektivní výrobě a technologiím

Energetická efektivita výrobních strojů představuje stále se rozvíjející téma, které nabývá zejména v Evropě na významu. Tlak ze strany uživatelů strojů a legislativy Evropské unie nutí výrobce neustále inovovat své výrobky v oblasti hospodaření s energií s cílem snížit jejich spotřebu nebo zvýšit efektivitu.

Jednokomorové dvoupotrubní dávkovače do CMS

Na rozdíl od stávajících dvoukomorových dávkovačů se šoupátkovými rozváděči, např. zn. Lincoln, jsou nové jednokomorové dávkovače řady 2D a 2DD nesrovnatelně jednodušší. Nový princip plnění dávkovacích komor prostřednictvím dvojice jednosměrných ventilů V1-V2 v sobě skrývá potenciál uspokojit poptávku po levném mazání tukem i pro běžné stroje a strojní zařízení. S tím byla odborná veřejnost seznámena v článku MM Průmyslové spektrum 11/2018, nazvaném Nová koncepce dvoupotrubních CMS.

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