Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika

Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika (CK-SVT) je v současnosti nejvýznamnější a největší grantový projekt na podporu dlouhodobého aplikovaného výzkumu v oboru strojírenské výrobní techniky (Machine Tool). Projekt navazuje na práci VCSVTT vedenou v letech 2000-2011 prof. Ing. Jaromírem Houšou, DrSc. a jeho příprava byla zahájena ve spolupráci výzkumných organizací, Svazu strojírenské technologie a jeho členských podniků již před koncem roku 2010.

Hlavním smyslem projektu CK SVT je zvýšit technickou excelenci, konkurenceschopnost a produkci nejvýznamnějších výrobců strojírenské výrobní techniky a technologie (SVT), jakož i celého oboru v ČR. Cílem je podpořit to, aby Česká republika, která v současnosti zaujímá 13. místo v absolutní produkci MachineToolsve světě, patřila do roku 2020 do první desítky.

Řešení projektu bylo oficiálně zahájeno v dubnu 2012 a projekt má předpokládaný konec v prosinci 2019. Po čtyřech letech řešení projektu však proběhne velká oponentura poskytovatelem dotace –Technologickou agenturou ČR (TAČR) – a na základě výsledků a dosavadního plnění projektu bude rozhodnuto o pokračování projektu v období 2016–2019. Projekt je řešen pod gescí a vedením Ústavu výrobních strojů a zařízení (U-12135)a VCSVTTFakulty strojní ČVUT v Praze. Celkový plánovaný rozpočet na 8 let řešení je 340 mil. Kč, z toho 65% představuje dotace a 35% vlastní neveřejné prostředky podniků a výzkumných organizací řešících projekt. Celkový počet úvazků pracovníků řešících projekt na všech pracovištích je přibližně 50.

Zaměření projektu

CK SVT zajišťuje dlouhodobý aplikovaný výzkum a vývoj v progresivním high-tech oboru ČR, který produkuje výrobky s vysokou komplexností, přidanou hodnotou i vysokým ziskem. Projekt navazuje na dosud nejvýznamnější dlouhodobý VaV projekt SVT, projekt1M0507 – Výzkum strojírenské výrobní techniky a technologie, realizovaný za finanční podpory MŠMT z programu Výzkumná centra. Konsorcium řešitelů CK SVT je silné uskupení s bohatou historií spolupráce – má za sebou již řadu realizovaných společných projektů VaV, vynikající výsledky a desítky úspěšných produktů na trhu. CK SVT je unikátní tím, že tuto dosavadní spolupráci mezi nejvýznamnějšími výrobci v oboru a výzkumnými centry v ČR posiluje a zároveň vytváří prostředí pro růst studentů, expertů a odborníků s nejvyšší kvalifikací a erudicí v oboru SVT. Na obsahu, úkolech a cílech projektu se dokázaly shodnout podniky, které si jinak na trhu konkurují. Dosáhly konsenzu při formulování výzkumných zájmů a společného výzkumného programu a otevřeně tak deklarovaly ochotu a zájem o komplementaritu v detailní produktové nabídce. Tento fakt je projevem vysoké úrovně a konsolidovanosti průmyslu v oboru strojírenské výrobní techniky v ČR. Zaměření projektu přímo váže na obsah strategické výzkumné agendy a implementačního plánu, který byl tímto oborem zpracován v rámci činnosti Technologické platformy Strojírenská výrobní technika (TP-SVT) a řeší klíčové úkoly výzkumu, identifikované průmyslem a výzkumnou sférou v oboru SVT.

V rámci CK SVT se zaměřujeme na výzkum a vývoj technických prostředků, řešení a technologií, jež umožní zvýšit hlavní užitné vlastnosti obráběcích a tvářecích strojů, zejména přesnost, jakost, hospodárnost, spolehlivost, výrobní výkon a šetrnost k životnímu prostředí. Jedná se přitom o tzv. mateřské stroje, které využívají všechna ostatní průmyslová odvětví k výrobě vlastních produktů. Obor SVT tak dodává produkty a technologická řešení pro všechny ostatní strojírenské obory a odvětví (např. letecká technika, automobily, kolejová vozidla, energetická technika, textilní výrobní technika, zpracování materiálů, přístrojová technika a optika, elektrotechnika a elektronika). Stav a technická úroveň oboru SVT ovlivňuje a limituje ostatní výrobní obory a naopak rostoucí požadavky všech průmyslových výrobních oborů kladou zvýšené nároky na obor SVT. Řešení projektu podporuje špičkovou úroveň ČR v tomto odvětví ve světě a zajišťuje podporu jeho technické excelenci a vysoké konkurenceschopnosti.

Partneři projektu

V rámci projektu jsou zapojeny podniky, které tvoří více než 60 % celého oboru v ČR, měřeno obratem v sektoru MachineTools. Konsorcium řešitelů projektu bylo navrženo tak, aby byla odborná komplementarita jednotlivých členů přiměřeně pestrá a zároveň dostatečně silná pro plnění hlavních cílů. Na jedné straně je konsorcium tvořeno průmyslovými podniky realizujícími výrobu strojů a implementaci jejich technologického využití a na druhé straně výzkumnými organizacemi, resp. týmy pracovišť vysokých škol, realizujícími současně výzkum i vzdělávání v oboru.

Z podniků jsou zastoupeny tyto:

Kovosvit MAS, a.s.,
Škoda MachineTool, a.s.,
Šmeral Brno, a.s.,
Tajmac-ZPS, a.s.,
TOS Kuřim – OS, a.s.,
TOS Varnsdorf, a.s.,
Toshulin, a.s.

Dalšími členy konsorcia jsou tři nejlepší české technické univerzity (ČVUT v Praze, VUT v Brně a ZČU v Plzni), které realizují výchovu mladých odborníků v oboru v bakalářských, magisterských i doktorských programech a na jejichž půdě působí ústavy specializované na výzkum v oboru SVT. Je tedy zajištěna výrazná angažovanost výzkumné a akademické sféry na řešení problémů, úkolů a témat pro potřeby průmyslu (cíle a výsledky projektu jsou formulovány především na základě potřeb podniků a jejich průzkumu trhu a příležitostí). Konsorcium představuje spojení nejvýznamnějších podniků a výzkumných pracovišť v oboru SVT v ČR a je schopné se vnitřně velmi dobře doplňovat z hlediska teoretických a výzkumných aktivit a z hlediska reálné výroby a uplatňování na trhu.

 

 

Partneři projektu Centrum kompetence Strojírenská výrobní technika

Očekávané výsledky projektu

Hlavní výsledky, které naplní myšlenku projektů CK a které zhodnotí vložené dotační prostředky z hlediska státu, jsou jen takové, které se reálně promítnou do produkce, tedy strojů a technologií nabízených následně podniky konsorcia. Projekt CK-SVT se zavázal především k tomu, aby výsledky projektu vedlyk realizaci 16 prototypů a aby se výsledky řešení promítly prokazatelně do pozitivních změn na 32 strojích podniků konsorcia. Dále projekt předpokládá dosažení 9 ověřených technologií, 7 patentů, 22 užitných vzorů, 8 funkčních vzorků a 14 softwarů. Klíčovým parametrem pro hodnocení smysluplnosti vložených prostředků je však reflexe podniků podložená prodejem a obratem se stroji a technologiemi, které byly díky řešení projektu vyvinuty nově nebo zásadně zdokonaleny. Ve vazbě na ekonomickou analýzu projektu očekáváme, že výsledky projektu CK-SVT v průběhu let 2012–2024 zvýší tržbypodniků konsorcia o 13,5 mld.Kč. Do roku 2020 předpokládáme uplatnění výsledků projektu na minimálně 50 % vyráběných strojích a technologiích podniků konsorcia.Z hlediska celkového plánu uplatnění výsledků projektu lze uvažovat, že první stroje vyprodukované s užitím výsledků projektu budou uplatněny na trhu v r. 2014. Předpokládáme, že zpětná reflexe uživatelů strojů produkovaných podniky konsorcia bude přirozeně využita v dalším směřování výzkumu, vývoje a inovací.

Komercionalizace výsledků projektu je vzhledem k partnerům tvořícím konsorcium zajištěna maximálně kvalitně. Všechny průmyslové podniky konsorcia jsou zaměřeny na produkci a dodávky výrobních strojů a jejich technologického využití pro zákaznické aplikace. Všechny společnosti se v principu komercionalizací výsledků výzkumu, vývoje a inovací živí celou dobu své existence. Výzkum, vývoj a inovace svých produktů a služeb zajišťují samostatně nebo ve spolupráci s vysokými školami nebo výzkumnými organizacemi. Výzkumné organizace a jejich pracoviště, které jsou členy konsorcia projektu, jsou dlouholetými partnery všech podniků konsorcia ve spolupráci na výzkumu a vývoji. Vzhledem k uvedenému lze předpokládat velmi dobrou dynamiku uplatnění výsledků projektu na trh a reálné posílení konkurenceschopnosti podniků konsorcia.

Odborné zaměření

Výzkumný program projektu je rozdělen do celkem 11 pracovních balíčků, zaměřených na jednotlivé odborné problematiky a zájmy, dalo by se říci do širších výzkumných témat. Pracovní balíček WP12 je pak zaměřen na uplatňování výsledků a WP13 na řízení projektu.

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

V následujícím uvedeme stručný přehled zaměření jednotlivých pracovních balíčků.

WP1 – Virtuální obrábění pro optimalizaci strojů a technologií

Vedoucí: Ing. Matěj Sulitka, Ph.D.

V posledních přibližně patnácti letech se v oblasti matematického modelování vlastností strojů pozornost zaměřuje mj. na vývoj virtuálních modelů, které umožní relevantní simulaci chování stroje se zahrnutím významných jevů a vlastností. Výzkum v oblasti virtuálního modelování obráběcích strojů se záměrem vytvořit pro české výrobce zázemí podpory pro vývoj strojů s pokročilými vlastnostmi byl zahájen a rozvíjen již v rámci řešení projektu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT). Hlavním cílem pracovního balíčku WP1 je navázat na výsledky výzkumu ve VCSVTT a vytvořit experimentálně ověřený softwarový systém, který umožní výrobcům obráběcích strojů realizovat virtuální obrábění na virtuálních modelech svých strojů. Úroveň strojů je na obecné úrovni hodnocena cílovými kritérii kvality a času obrobení při požadované přesnosti obrobku. Uspokojivý obrobek přitom vzniká jako kompromis působení těchto kritérií, jejichž váhu určuje výrobce, resp. zákazník. Vyhovující nastavení stroje a jeho řízení pro splnění požadavků obrábění je v běžné praxi výsledkem řady testů, které jsou ovšem náročné časově i materiálově a vyžadují v neposlední řadě uvolnění stroje z výroby. Vyvinut bude software pro simulace virtuálního obrábění, umožňující hodnotit kvalitu, čas a přesnost obrábění bez nutnosti provádět fyzické testy obrábění. Systém bude mít využití jak ve fázi vývoje stroje pro optimalizaci stavby stroje a pohonů, kde bude využito spolupráce s WP3 (Optimální stavba obráběcích strojů), tak i ve fázi přípravy zákaznické technologie na existující stroj pro optimalizaci nastavení regulace, konfigurace řídicího systému a řezných podmínek. S využitím virtuálních modelů bude možné optimalizovat a maximalizovat výkon obrábění, jakost obrobených povrchů a hospodárnost výroby. Výpočetní nástroje vyvinuté v rámci WP1 budou využity také pro výzkum v oblasti tlumení struktur a pokročilého řízení. Pozornost se bude zaměřovat rovněž na vliv kvality dat dráhového řízení a jejich interpolace na výsledek obrábění. Modulární řešení umožní sestavit SW konfiguraci, která bude odpovídat specifickému využití v podnicích. Průmysloví partneři projektu jsou do výzkumu zapojeni zejména prostřednictvím testování vyvíjených prostředků a verifikací výsledků virtuálního obrábění.


Základní schéma modelu pro virtuální obrábění


WP2 – Maximalizace výkonu a jakosti řezného procesu

Vedoucí – Ing. Pavel Zeman, Ph.D.


Jak už název napovídá, je cílem ve spolupráci s ostatními členy konsorcia (Tajmac-ZPS, a.s., TOS Varnsdorf,a.s., TOS Kuřim– OS, a.s., Kovosvit MAS, a.s., ŠkodaMachineTool, a.s.) řešit úkoly, které napomohou dalšímu zvyšování produktivity, hospodárnosti, přesnosti obrábění a tím i konkurenceschopnosti českého průmyslu. Konkrétních cílů pak bude dosahováno především řešením a uváděním do praxe jednotlivých ověřených technologií a užitných vzorů. S ohledem na šířku problému je samotný balíček rozdělen na několik dílčích oblastí. V první skupině úkolů se snažíme zdokonalit výrobní proces na úrovni tvorby NC programu. A to ať již volbou strategie obrábění při výrobě obecných tvarových ploch nebo na úrovni vlastního řešení postprocesingu CL dat, který bude při víceosém obrábění umožňovat lepší využití potenciálu nástroje a jeho břitu. Pozornost je věnována také problematice zvyšování tuhosti obráběcí soustavy. Další velkou skupinou úkolů je obrábění moderních materiálů. Do této skupiny materiálů patří převážně materiály se sníženou nebo velmi špatnou obrobitelností (titanové, niklové slitiny a vybrané korozivzdorné oceli) nebo materiály, u kterých je obrábění doprovázeno jinými problémy (např. vlákny vyztužené kompozity s termosetovouči termoplastickou matricí). Úkolem je opět zvýšit produktivitu, hospodárnost a kvalitu při obrábění uvedených materiálů, a to i prostřednictvím realizace softwarového nástroje, který dokáže jednoduše, rychle a spolehlivě uvedená kritéria počítat a predikovat. Samostatným úkolem je také vývoj a realizace nového typu vysokootáčkového pneumatického vřetena se zpětnovazební regulací otáček pro aplikace mikroobrábění. Řešení autonomní jednotky přídavného vřetena s vysokými otáčkami (přes 100 000 min-1) pomáhá rozšířit aplikační oblast „klasických“ výrobních strojů, tedy těch s maximálními otáčkami nástrojů v řádech tisíců, případně až několik desítek tisíc otáček za minutu a výkony řádově v desítkách kW. Pro možnost dalšího zvyšování parametrů obrábění je nezbytné také sledování a měření veličin doprovázejících řezný proces a odvozených ukazatelů (velikost teplot, sil, momentů, příkonů obrábění). Právě na přímé měření uvedených veličin při obrábění jsou zaměřeny práce v rámci dalšího úkolu – vývoj řezného nástroje s integrovanými měřicími prvky. Aplikovaný výzkum v této oblasti by nám měl přitom umožnit kvalitnější analýzu řezného procesu.



Příklad měření řezných sil při frézování


WP3 – Optimální stavba obráběcích strojů

Vedoucí: Ing. Jan Veselý, Ph.D.

Základní obsah tohoto projektového balíčku byl motivován potřebou rozvíjení výpočtových a optimalizačních metod v oboru obráběcích strojů. V předchozím programu VCSVTT vznikla řada výpočtových přístupů, které jsou dnes používány pro řešení konkrétních problémů ať už ve fázi vývoje nového stroje nebo v odhalování zdroje chyb stávajícího řešení. Jmenujme alespoň některé – komplexní modelování pohonů a mechaniky stroje, pokročilé metody návrhu pohonů ve spojení s databázovými strukturami komponent, strukturální optimalizace, parametrická optimalizace a řada dalších. Doplňme, že tvorba většiny z nich byla vyvolána praktickými potřebami. Bylo nutné problém identifikovat a specifikovat. Tato fáze je v popisovaném projektovém balíčku zařazena do prvního období řešení. Je snahou s průmyslovými partnery definovat a popsat problémové stavy a navrhnout vhodné postupy. Účelem je pragmatické popsání chování stroje a sběr takových charakteristik, které dovolí srovnání strojů. Odtud se lze již dostat k měřitelným hodnoticím ukazatelům. Již dnes se například užívají při hodnocení strojů např. statické tuhosti nebo dosažitelná hodnota parametru polohového regulátoru Kv. V mnoha firmách již také ,,zdomácněl“ testovací kus Mercedes. Bude potřebné nalézt větší množství hodnoticích parametrů s jejich vazbou na tzv. globální parametry – přesnost, kvalita, čas obrobení a cena. Takové parametry jsou výchozím stavem k řešení. Teprve nyní lze kvalifikovaně navrhovat možné výpočtové postupyza účelem optimalizace cílových parametrů. Jedním z hlavních výstupů je plánován software sdružující takové metody. V softwaru se promítnou nejen inovované a zcela nové výpočtové postupy pro mechanické části strojů, pohonů, regulaci, interpolaci pohonů a dalších důležitých uzlů stroje, ale také experimentálně získaná data z reálných strojů. Vzhledem k tomu, že na řešení tohoto balíčku participuje několik výrobců obráběcích strojů, je k dispozici široké spektrum strojů pro krátkodobé testy. Průmysloví partneři pokrývají oblast obráběcích strojů od malých multifunkčních strojů pro velké stavebnicově řešené stroje, sběr dat je tedy komplexní a stejně tak výpočtové metody v rámci nabídnutého softwarového řešení.

 


Příklad optimalizace tlouštěk příčníků variační technologií

WP4 – Tlumení a potlačování vibrací obráběcích strojů

Vedoucí: Ing. Lukáš Novotný, Ph.D.

Smyslem tohoto pracovního balíčku je vytvoření nástrojů pro zvyšování tlumení a potlačování vibrací důležitých konstrukčních uzlů i celých struktur obráběcích strojů. Problematika tlumení je v soudobé literatuře popisována v učebnicích a v článcích na úrovni základního výzkumu, ale v aplikační sféře výrobních strojů tyto poznatky prakticky zcela chybí. Na světových výstavách strojírenské výrobní techniky (až na vzácné výjimky, jako je oblast vrtání dlouhých děr apod.) není zmínka o tom, že by se výrobci obráběcích strojů snažili využívat potenciál v oblasti zvyšování tlumení a potlačování vibrací ke zlepšení konkurenceschopnosti svých výrobků.

Jednou z aktivit pracovního balíčku je výzkum přirozeného tlumení ve strukturách strojů a vývoj modelů pro cílené využití informací o tlumení při návrhu strojů. S tím dále souvisí výzkum a zdokonalování metod měření dynamických vlastností strojů a jejich částí v klidu i za provozu. Snahou je zde poskytnout přesnější data o tlumení struktur pro tvorbu virtuálních modelů struktur a získat tak věrohodnější data ze simulací.

Další důležitou oblastí zájmu je výzkum vlivu zvolené technologie na kmitání stroje, kde je obecnou snahou zlepšení stability obrábění za účelem zvyšování výrobního výkonu při dobré jakosti povrchu. Zde je v plánu např. vývoj softwarových možností minimalizace parazitních vibrací pomocí optimalizovaného řízení pohonů stroje, ale i nasazení prostředků hardwarových. Jedním ze základních témat souvisejícím se zlepšováním stability obrábění je výzkum a vývoj řízených prostředků pro potlačování vibrací, např. hltiče. Pro lepší možnosti využití těchto prostředků bude řešena i integrace do řídicího systému stroje.

Výsledky výzkumu realizovaného v tomto pracovním balíčku by měly obecně přispět ke zlepšování jakosti, výrobního výkonu a spolehlivosti, což jsou jedny z hlavních cílů celého projektu. Průmyslovými partnery řešení tohoto tématu jsou firmy Tajmac-ZPS, a.s., TOS Varnsdorf, a.s., Toshulin, a.s., a Škoda MachineTool, a.s.


Příklad rozdílu stabilního a nestabilního obrábění

WP5 – Ekodesign obráběcích strojů a šetrné využití zdrojů ve výrobě

Vedoucí: Ing. Tomáš Holkup, Ph.D.

Náplní balíčku je výzkum a vývoj metod pro snížení energetické náročnosti obráběcích strojů a potlačení negativních dopadů výroby na životní prostředí. Pojem „ekodesign“ se obecně týká takového návrhu produktu nebo výrobního postupu, který již ve fázi vývoje respektuje budoucí dopady na životní prostředí. Pro případ obráběcích strojů bylo již dříve analýzami životního cyklu (LCA) prokázáno, že mezi ostatními vlivy je dominantní právě spotřeba elektrické energie při používání strojů.

V první fázi řešení je cílem zvládnout měření toků elektrické, pneumatické, fluidní a tepelné energie ve strojích a vyhodnocení výsledků pro typické pracovní režimy. Bude navržena do značné míry standardizovaná metoda energetického auditu obráběcího stroje s návrhem úsporných opatření zohledňující i jejich ekonomickou návratnost. V další fázi řešení bude vyvíjen program pro predikci spotřeby energie obráběcím strojem. Vstupem prvního typu budou konstrukční údaje o stroji a o nastavení jeho NC pohonů a PLC. Vstupem druhého typu bude konkrétní NC program ve formátu ISO, popis nástrojů pro jednotlivé operace a polotovaru obrobku. Program umožní nejen simulovat spotřebu za aktuálního stavu, ale i modelově testovat různé druhy úsporných opatření – od konstrukčních přes nastavení pohonů a PLC až po změny technologie. Optimální volba nástrojů, řezných podmínek, trajektorií, příprava NC programů a volba typu a množství chladiva řezného procesu často skrývá větší potenciál pro úspory energie a nákladů než samotná opatření na stroji. Proto je jednou z priorit zabývat se i touto oblastí a přinést zobecnitelné informace pro výrobce i uživatele strojů.

Závaznými cíli pracovního balíčku je několik realizací pro snížení energetické náročnosti strojů spoluřešících podniků, konkrétně TOS Kuřim – OS a Kovosvitu MAS, a dále několik verzí softwaru pro predikci energetické spotřeby. Spotřeba energie má v každém případě velmi přímou vazbu na ekonomiku výroby, neboť produktivní a přesné obrábění bez zmetků je obvykle i energeticky výhodné. Je tak možné vidět velkou návaznost i na další pracovní balíčky CK-SVT. Téma ekodesignu se v poslední době stává velmi aktuálním, mj. z důvodu zavádění evropské směrnice 2009/125/ES pro výrobky spojené se spotřebou energie, tzv. „Ecodesigndirective“. Určení podmínek pro měření a hodnocení energetické účinnosti obráběcích strojů si klade za cíl i vznikající mezinárodní norma ISO. ČVUT (VCSVTT) má svého zástupce v pracovní skupině TC39/WG12, která normu připravuje.


Příklad záznamu spotřeby energie během obrábění

Pokračování příště

Ing. Jan Smolík, Ph.D.

j.smolik@rcmt.cvut.cz

FS ČVUT v Praze

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

Další články

Měření ve strojírenství
Výzkum/ vývoj
Energetické strojírenství
Nekonvenční technologie
Nástroje pro obrábění / řezné materiály
Obráběcí stroje a technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky













Sledujte nás na sociálních sítích: