Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika, část 2

Vedoucí: Ing. Otakar Horejš, Ph.D.

Hlavním cílem WP6 je vývoj matematických modelů, experimentálních metod a zařízení, které díky potlačení teplotních deformací umožní zvýšení přesnosti a spolehlivosti obráběcích strojů. Jedná se zejména o návrh pokročilých SW teplotních kompenzací (lineárních složek teplotních chyb) na základě nepřímých měření. S výhodou lze uplatnit teplotní kompenzace na principu přenosových funkcí, které jsou na rozdíl od běžně používané lineární regrese dynamické a umožňují superpozici různých zdrojů nepřesností. Současně, aby bylo možné pokročilé SW teplotní kompenzace integrovat do strojů členů konsorcia (a tím jejich stroje inovovat), budou hledány vhodné možnosti jejich implementace do reálných řídicích systémů. Jelikož úhlové teplotní deformace nelze čistě SW kompenzovat, budou testovány způsoby eliminace úhlových deformací, které budou využívat kombinace různých zdrojů a propadů tepla (topné manžety, Peltierovy články, inteligentní kapalinové chlazení). Dále bude experimentálně zkoumán dopad technologického procesu na teplotní deformace strojů a bude provedena analýza negativních vlivů vznikajících při obrábění a stanovení jejich významnosti. Takto získané poznatky z výzkumu vlivu technologického procesu budou zahrnuty do SW kompenzačních algoritmů, čímž dojde k jejich zpřesnění. Z hlediska zvyšování přesnosti a spolehlivosti běžných strojů budou v rámci řešení WP6 vyvíjeny další měřicí a simulační metody pro analýzu teplotně-mechanického chování strojů. V případě experimentálních metod jde především o identifikaci zdrojů tepla v reálném čase a experimentální stanovení součinitelů přestupu tepla. Získaná data z těchto experimentálních metod pak mohou sloužit jednak pro stanovení okrajových podmínek do MKP modelů, ale jsou vhodné též pro diagnostiku teplotně-mechanického chování obráběcích strojů (např. stanovení meze provozuschopnosti a tak předejití poškození či destrukce). V případě simulačních metod jde především o topologickou optimalizaci konstrukce s cílem maximálně snížit citlivost stroje na změny teplotního pole. Metodu lze využít při vývoji nových prototypů a tak výrazně přispět k zlepšení jejich přesnosti. V neposlední řadě bude testován tepelný vliv na volumetrickou přesnost strojů a dále budou metody měření volumetrické přesnosti(výsledky z WP9) uplatněny při vývoji a verifikaci pokročilých SW kompenzačních algoritmů teplotních deformací. Řešením WP6 tak vznikne experimentálně ověřený soubor SW a HW prostředků potlačujících teplotní deformace.

Vedoucí: prof. Ing. Milan Růžička, CSc.

Z hlediska materiálů používaných ve stavbě komponent strojů je obor obráběcích strojů značně konzervativní. Převažují výrobky ze šedé a tvárné litiny, které jsou doplňovány ocelovými svařenci, betonovými strukturami, ve speciálních případech např. také žulou. Konzervatismus v používaných materiálech je z velké části opodstatněný, neboť současná řešení splňují vysoké požadavky oboru na tuhost a přesnost komponent, existují pro ně zavedené výrobní technologie i efektivní postupy při návrhu součástí. Úkolem pracovního balíčku WP7 je tuto skupinu konstrukčních materiálů vhodně rozšiřovat o nové materiálové struktury, jejichž cílené použití umožní zvýšení užitných vlastností strojů. Motivace je daná zejména snahou o zvyšování dynamických vlastností strojů, které se projeví ve zvyšování přesnosti a jakosti obrobků, a zejména ve zvyšování produktivity obrábění. Za tímto účelem probíhá vývoj a aplikace nových materiálových struktur, jejichž použití povede např. k odlehčení komponent pohybových os strojů nebo např. ke zvýšení zatlumení komponent při zachování statické tuhosti. Další motivací je vývoj komponent s vyšší tvarovou a rozměrovou stabilitou, než nabízejí tradiční konstrukční materiály. V návaznosti na zkušenosti z předchozích projektů jsou vyvíjeny technologické postupy, výpočtové modely a konstrukční metodiky pro hybridní struktury na bázi kompozit-kov a hybridní struktury sendvičového typu. Hybridní struktury umožňují využití pozitiv tradičních materiálů (tuhost, obrobitelnost, cena) a pozitiv nekonvenčních materiálů (nízká hmotnost, vyšší tlumení, vyšší tuhost). Velký potenciál je v aplikaci vláknových kompozitů, u kterých například ultravysokomodulová grafitová vlákna nabízejí i 2- až 4násobné zvýšení směrové tuhosti v porovnání s litinou nebo ocelí, spolu s výrazným snížením hmotnosti a s nárůstem tlumení. Pro úspěšnou aplikaci ale musí být zaručeno, že tyto materiály budou dlouhodobě splňovat požadavky na komponenty obráběcích strojů, tj. vysokou tuhost, tvarovou přesnost a stabilitu, spojitelnost s komponentami sestavy stroje apod. Vyvinuté výpočtové postupy a konstrukční metodiky jsou postupně ověřovány a uplatňovány u členů konsorcia za účelem ověření výsledků vývoje v reálných provozních podmínkách a přenesení poznatků do stavby strojů.

Vedoucí: prof. Ing. Michael Valášek, DrSc.

Koncepty obráběcích strojů jsou dlouhodobě konzervativní. Přesto přední výrobci obráběcích strojů experimentují (např. mezinárodní výstavy EMO) s novými koncepcemi obráběcích strojů a řízením jejich pohonů včetně inteligence jako základního rysu mechatroniky. Dále probíhají experimenty s novými koncepty v rámci výzkumných projektů. Stále je nedořešený rozpor mezi přesností a rychlostí obrábění, mezi dynamickou tuhostí a pohybujícími se hmotami obráběcích strojů pro velké pracovní prostory. Cílem pracovního balíčku je aplikovaný výzkum a experimentální vývoj nových koncepcí obráběcích strojů (včetně pohonů a jejich řídicích systémů a algoritmů řízení), prováděný na konceptech, funkčních vzorech a prototypech strojů členů konsorcia. Cílem je vytvořit koncepty obráběcích strojů a jejich řídicích systémů, které mohou významně zvýšit přesnost, produktivitu a konkurenceschopnost, ale i adaptaci a spolehlivost obráběcích strojů. Témata navržená v tomto pracovním balíčku nebyla dosud podle dostupných informací v uvedené komplexnosti implementována a testována na obráběcích strojích. Popisované koncepty představují výsledky předchozího základního výzkumu FS ČVUT v Praze nebo výsledky nalezené ve světové literatuře, spočívající v řadě principů řešících základní problémy pohybujících se mechanismů a nosných konstrukcí a jejich řízení. Půjde jak o výrazné inovace (plovoucí princip pro 6 DOF na bázi paralelních kinematik, spolupráce více os a strojů, nadbytečné pohony – redundance, hierarchie, motor na motoru, mechatronická tuhost, lanové mechanismy, nafouknuté/vyfouknuté struktury, užití přímého odměřování TCP ve spolupráci s pracovním balíčkem WP9, metoda vypočtených momentů, nelineární prediktivní řízení, řízení s uvažováním poddajnosti, kombinace metod aj.), tak o dílčí maximalizaci využití potenciálu tradičních řešení (automatická identifikace modelu a parametrů kaskádní regulace, inverze přenosů pro filtraci a kompenzaci, užití přídavných senzorů pro zlepšení regulace). Tento výzkum a vývoj bude založen na využití virtuálních modelů strojů (ve spolupráci s pracovním balíčkem WP1). V neposlední řadě půjde o užití umělé inteligence v obráběcích strojích. Ve všech úkolech proběhne analýza, výběr, simulace a rozpracování vhodných konceptů, konstrukce a výroba zkušebních standů a/nebo vytvoření softwaru, zkoušky a porovnání se simulací. Výzkum umožní členům konsorcia analyzovat nové trendy a v rámci jejich možností zvažovat užití nových koncepcí pro své stroje.

Vedoucí: Ing. Jiří Švéda, Ph.D.

Přesnost a spolehlivost jsou jedny z hlavních požadavků uživatelů obráběcích strojů a představují důležitý faktor značně ovlivňující celkovou produktivitu výroby. Přední světoví výrobci obráběcích strojů se stále více orientují na vývoj a implementaci principů a technologií pro zvýšení a zlepšení užitných a technických vlastností svých produktů, jako je právě přesnost a spolehlivost. Rostoucí přesnost obráběcích strojů totiž umožňuje naplnit stále se zvyšující požadavky trhu na přesnost obrobku a zároveň snižuje podíl času nutného na kontrolu obrobku a jeho případné opravy. Zvýšená spolehlivost strojů je zase spojena se snížením času nutného pro servisování, např. z důvodu havárie, jejíž vznik je díky zvýšené spolehlivosti minimalizován.

Hlavním cílem tohoto pracovního balíčku je vývoj, návrh a experimentální verifikace řady metod a zařízení, které umožní zvýšení přesnosti a spolehlivosti obráběcích strojů včetně zvýšení jakosti výroby na těchto strojích. Jedná se zejména o metody a zařízení, které mohou být integrovány do strojů členů konsorcia v podobě přídavných odměřování deformace a geometrie mechanické struktury obráběcího stroje s vlastní inteligencí a přímou vazbou na řídicí systém nebo které umožní efektivní kalibraci stroje před jeho uvedením do provozu nebo v rámci servisování. Současně s tím se jedná také o metody a zařízení pro přímé odměřování místa v blízkosti nástroje včetně jejich využití v pokročilých metodách regulace. Popsaná zařízení umožní identifikovat a v případě potřeby také kompenzovat aktuální stav stroje a docílí tak zvýšení jeho přesnosti i celkových užitných vlastností včetně zvýšení dosažitelných dynamických parametrů.

Součástí naplnění cílů pracovního balíčku v oblasti zvyšování přesnosti je také vývoj metod a prostředků inprocesního měření obrobků, které umožňuje zahrnutí skutečného tvaru obrobku do automatizovaného výrobního procesu na jednom pracovišti. Přesnost obrobku je v takovém případě zvyšována automatizovaným obráběním s iteračním postupem. Z hlediska zvyšování přesnosti a spolehlivosti běžných strojů jsou v rámci řešení tohoto pracovního balíčku vyvíjeny také metody a zařízení umožňující efektivní měření přesnosti pracovního prostoru ve více osách a také metody pokročilé diagnostiky stavu stroje.

Všechny zmiňované metody a zařízení jsou vyvíjeny a testovány spolu s průmyslovými partnery, jejichž podíl na řešení tohoto pracovního balíčku představuje nedílnou součást úspěšného naplnění vytyčených cílů projektu. Spolu s průmyslovými partnery vznikne v rámci řešení tohoto pracovního balíčku několik uplatnění výsledků na stroji, užitných vzorů, patentů a funkční vzorek a prototyp stroje vybavený navrženými technologiemi.

Vedoucí: doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D.

Balíček WP10 je zaměřen na vývoj postupů a osvědčených řešení, které by umožňovaly uvádět do provozu stroje splňující jak legislativní požadavky, tak požadavky zákazníků na jejich jednoduchou obsluhu. Přitom je kladen důraz na optimalizaci nákladů v oblasti bezpečnosti, spolehlivosti, výroby a servisu a snižování nákladů na nízkou kvalitu výrobku. WP je rovněž zaměřen na interdisciplinární vývoj strojů v prostředí imerzní virtuální reality (dále IVR).
Náplň pracovního balíčku WP10 se soustředí do dvou stěžejních částí, kterými jsou integrovaný vývoj strojů v prostředí imerzní virtuální reality a řešení celkové bezpečnosti strojních zařízení. Integrovaný vývoj strojů v prostředí imerzní virtuální reality je výkonný vývojový a simulační nástroj pro digitální vývoj produktů. Technologie IVR nám umožňuje zhotovené digitální produkty nejen stereoskopicky prohlížet, nýbrž také s těmito objekty v reálném čase interagovat. Aktuální oblastí nasazení virtuální reality jsou zejména vizualizace a ověřování konstrukčních návrhů, virtuální uvádění strojů do provozu, virtuální plánování továren a výrobních hal, plánování montážních operací, ale také vizualizace na podporu marketingových aktivit.

Právě při zobrazení virtuálních prototypů výrobků jsou obzvlášť zřetelné výhody projekce ve skutečných rozměrech a intuitivní práce s modelem. Realistické zobrazení digitálních modelů dovoluje rychlou analýzu vyhodnocení dat v měřítku 1:1. Tato činnost umožňuje odhalit případné vývojové chyby ještě před výrobou prvního reálného prototypu.
Velmi významnou oblast aplikace technologie IVR tvoří také posuzování ergonomických aspektů při návrhu bezpečných strojních zařízení. Virtuální systémy totiž umožňují přímou kontrolu ergonomických parametrů prototypů pomocí antropometrického trojrozměrného modelu člověka s předem přesně definovanými atributy.

Další částí řešení WP je zajištění celkové bezpečnosti strojních zařízení. Bezpečnost, spolehlivost a kvalita jsou klíčovým konkurenčním faktorem každého výrobku. Požadavky na strojní zařízení vztahující se k bezpečnosti, kvalitě a použitelnosti neustále stoupají, což je dáno nejen rostoucími legislativními požadavky na bezpečnost strojních zařízení a na úroveň spolehlivosti bezpečnostních částí řídicích a ovládacích systémů, ale také konkurenčním prostředím na trhu, které vytváří další požadavky na spolehlivost a použitelnost strojních zařízení. Proto je součástí řešení výzkumné náplně WP10 také zajišťování bezpečné interakce stroje a obsluhy (přístup obsluhy do nebezpečných prostorů stroje v různých provozních režimech apod.), návrh metodiky vývoje SW s integrovanou úrovní bezpečnosti pro řízení bezpečnostních a aplikačních funkcí stroje.

Vedoucí: doc. Ing. Milan Čechura, CSc.

Podíl technologií prováděných na tvářecích strojích pomalu, ale neustále celosvětově stoupá. Je to dáno tím, že těmito technologiemi, které jsou schopny produkovat výrobky se stále větší přesností, lze bezztrátově nebo s minimálními ztrátami zajišťovat velkosériovou i hromadnou výrobu.Proto vzhledem k výše uvedeným okolnostem, ale i v návaznosti na nově vznikající technologie stojí před konstruktéry tvářecích strojů úkol modernizovat stará a připravovat nová konstrukční řešení strojů, která by odpovídala vytčeným požadavkům.Zajistit tento úkol by mělo napomoci řešení WP11 –Vývoj nových a inovace stávajících konstrukčních řešení tvářecích strojů, realizovanéna CVTS ZČU v Plzni v rámci projektu Centrum kompetence – Strojírenská výrobní technika.
Základní podmínkou pro splnění uvedeného úkolu je stanovení základních požadavků na modernizaci a stavbu konkurenceschopných tvářecích strojů. Stanovení těchto požadavků se bude provádět na základě aktualizovaného monitorování a diagnostikování mezi výrobci na straně jedné a uživateli těchto strojů na straně druhé. Bude třeba reagovat i na některé nově vznikající požadavky, které mohou být způsobeny i národní nebo evropskou legislativní činností (např. v oblasti energetické náročnosti, požadavků na ochranu zdraví atd.). Proto je nutno počítat s tím, že základní požadavky na konstrukci tvářecích strojů musí být podle nově vznikající potřeby průběžně aktualizovány.

Bude využíváno virtuálního modelování, a to především pro navrhování velkých konstrukčních celků, budou se provádět poměrně přesné výpočty pomocí MKP. Přínosem by měly být úspory materiálu v konstrukci strojů tam, kde materiál nebyl doposud dostatečně využit.

Velké množství chyb v konstrukční praxi je zapříčiněno tím, že se do výpočtů zadávají nepřesné, ne-li nesprávné vstupní okrajové podmínky, které výsledky přesné výpočtové metody zcela znehodnotí.

V naší výzkumné práci se proto chceme zaměřit především na správné stanovení vlivů, velikosti a způsobů zatížení strojů od jednotlivých technologických operací, které se na něm provádějí. Tvářecí stroje jsou většinou navrhovány na určitou konkrétní technologickou operaci (ostřihovací, ohýbací, razicí lisy apod.). Nelze tedy obecně paušalizovat požadavky na jejich zatěžování, ale je nutno řešit tuto problematiku pro každý typ stroje zvlášť.

Proto budeme naše práce vztahovat na konkrétní stroje, a to hydraulické lisy pro volné kování, klikové kovací lisy, a pro výrobu předkovků budou řešeny kovací válce.

Vedoucí: Ing. Petr Kolář, Ph.D.

Na výše uvedené odborně orientované pracovní balíčky navazuje balíček 12, jehož hlavním cílem je aktivně zajišťovat implementaci výsledků projektu. Implementací výsledků se rozumí konkrétní vyhledávání uplatnění výsledků výzkumu a vývoje na strojích a technologiích partnerů konsorcia. Cílem je zajistit co nejširší uplatnění výsledků výzkumu na různých typech a velikostech strojů, resp. různých typech technologií a tím zvýšit konkurenceschopnost firem v konsorciu.

Hlavním nástrojem této aktivity je tvorba, udržování a každoroční revize tzv. implementačního plánu. Výchozí verze implementačního plánu vychází ze seznamu výsledků tohoto projektu, který je vytvořen na základě zpracování informací z průzkumu trhu a známého stavu vědy a průmyslového vývoje, které nejsou starší než 12 měsíců. Tento plán by zajistil vynikající konkurenceschopnost firmám v konsorciu za předpokladu, že by nedošlo během následujících let ke změně vnějších podmínek (situace na trhu, technický vývoj konkurence apod.). Protože tyto podmínky se mění, bude implementační plán každoročně revidován s cílem zajistit maximální využití výsledků projektu pro zvýšení konkurenceschopnosti firem v konsorciu. Konkurenceschopný podnik musí respektovat tyto pohyby na trhu, požadavky zákazníků a nabídku konkurence.

Průmyslové firmy v konsorciu aktivně participují na tvorbě a revizi implementačního plánu formou připomínek a komentářů. Implementační plán se tak stává mj. i interní komunikační platformou, ve které se potkávají výsledky dlouhodobého aplikovaného výzkumu a vývoj(jehož výstupem je konkrétní know-how, znalosti, metodiky a postupy) s vnějšími podněty ze světových výstav strojů a špičkových odborných konferencí a konkrétními představami podniků o vývoji a inovacích jejich strojů. Výsledkem je definice zadání pro konkrétní inovace strojů, uzlů, komponent a technologií v horizontu max. do tří let, čímž dochází k implementaci výsledků předchozího dlouhodobého aplikovaného výzkumu a vývoje v oboru i v projektu. Tento krátkodobý a inovační aplikovaný výzkum je realizován v přímé vazbě na požadavky zákazníků, požadavky trhu a znalost nabídky konkurence a zajišťuje tak sledované zvýšení konkurenceschopnosti firem v konsorciu CK SVT.

Rekapitulace pracovních balíčků výzkumného programu Centra kompetence – Strojírenská výrobní technika

WP1 Virtuální obrábění pro optimalizaci strojů a technologií
WP2 Maximalizace výkonu a jakosti řezného procesu
WP3 Optimální stavba obráběcích strojů
WP4 Tlumení a potlačování vibrací obráběcích strojů
WP5 Ekodesign obráběcích strojů a šetrné využití zdrojů ve výrobě
WP6 Kompenzace a minimalizace teplotních deformací obráběcích strojů
WP7 Nekonvenční materiály ve stavbě obráběcích strojů
WP8 Nové koncepce obráběcích strojů, jejich pohonů (a řízení včetně umělé inteligence)
WP9 Nové systémy měření a řízení pro zvýšení přesnosti a spolehlivosti
WP10 Interakce obráběcích strojů s obsluhou a okolím
WP11 Vývoj nových a inovace stávajících konstrukčních řešení tvářecích strojů
WP12 Implementace SVA, diseminace výsledků výzkumu a vývoje a zapojení studentů
WP13 Management projektu

Ing. Jan Smolík, Ph.D.

Ústav výrobních strojů a zařízení, VCSVTT, FS ČVUT v Praze

J.Smolik@rcmt.cvut.cz

Projekt Centrum kompetence – Strojírenská výrobní technika (č. TE01020075) je řešen s finanční podporou TA ČR.