Chytré obráběcí stroje pro konkurenceschopnou výrobu

Chytrý výrobní stroj má kromě svých běžných funkcionalit rozšířenou schopnost senzoriky a komunikace. Senzorika představuje „smysly“ stroje, pomocí kterých by měl identifikovat aktuální stav výrobního procesu i svůj vlastní a tomu přizpůsobil svou další provozní strategii. V současných obráběcích strojích jsou možné dva zdroje informací o chování stroje a obráběcího procesu. Jedním je řídicí systém stroje, který má řadu informací o nástroji, jeho poloze v pracovním prostoru, otáčkách a výkonu na vřeteni i posuvových silách a momentech na pohybových osách. Z těchto údajů lze s podporou různě složitých simulačních modelů odhadnout stav nástroje, procesu a zatížení stroje. Druhou skupinou senzorů jsou přídavné senzory pro přímé měření fyzikálních veličin. Do této skupiny patří např. přímé odměřování rozměrů a polohy strojních skupin pomocí přídavných laserových interferometrů nebo senzorické nástrojové držáky měřící přímo obráběcí síly. Implementace takových senzorů je často náročná a nákladná, proto je snaha využít řadu jiných senzorů pro nepřímé měření veličin. Např. hodnotu řezné síly lze relativně odhadnout z intenzity vibrací měřené na nosné struktuře stroje.

Komunikace obráběcího stroje představuje schopnost komunikovat s celou řadou subjektů, přičemž každému poskytuje data nebo informace v jiné podobě. Pochopitelně stroj musí být schopen komunikovat s operátorem. Zde již nejde jen o prostou prezentaci faktů o naměřených datech (např. „teplota motoru vřetena je 120 °C“), ale mělo by se jednat o podání informací vyhodnocených v kontextu provozu stroje (např. „teplota motoru vřetena je příliš vysoká, doporučujeme snížit zatížení vřetena“). Poskytnutí takové srozumitelné informace vyžaduje správné automatické vyhodnocení celého kontextu stavu stroje nebo procesu, což vyžaduje dlouhodobé znalosti o chování stroje. Pro kontrolu vlastního stavu nebo správné nastavení celé technologie by stroj měl být schopen komunikovat s dalšími integrovanými zařízeními, což mohou být např. přídavné systémy měření rozměrů a polohy, systémy upínek obrobků apod. Data snímaná pomocí senzorů je nutno zpracovat, k čemuž je vhodné použít např. virtuální digitální dvojče stroje. To představuje matematický model, který dokáže ze vstupních dat (např. zatížení vřetena a pohybových os) určit provozně srozumitelné informace (např. vypočítat koeficienty řezných sil pro aktuální řeznou operaci). Tato zpracovaná data je vhodné společně s dalšími identifikačními údaji (tagy) ukládat do technologické databáze např. na cloudovém úložišti, kde mohou sloužit pro další vyhodnocení a např. i pro trénování algoritmů umělé inteligence (AI). Stroje by měly být schopné komunikovat s dalšími stroji ve výrobním řetězci, ať už napřímo, nebo přes sdílené prvky. Výhodné to je u řetězených výrobních operací – např. řezné podmínky pro dokončovací obrábění dílce mohou být nastavovány podle toho, jaké parametry dílce jsou odhadovány z parametrů předcházející operace aditivní výroby (AM). V neposlední řadě musí stroj být schopen komunikovat s nadřazenými systémy řízení výroby (MES) a podnikovými informačními systémy (ERP).

Ústav výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze (RCMT FS ČVUT v Praze) se věnuje výzkumu v oblasti chytrých obráběcích strojů již téměř deset let. Za tu dobu vznikla ve spolupráci s průmyslovými partnery některá unikátní řešení, která jsou postupně uváděna do sériového provozu strojů.

Ve spolupráci s firmou TOS Varnsdorf bylo vyvinuto a ověřeno v provozu přídavné čidlo pro kontrolu přesnosti stroje. Velmi přesný měřicí kulový artefakt s kruhovitostí ~50 nm se pro realizaci kontrolního měření upíná do vřetena. Stroj následně zasune artefakt do měřicího domku, který je osazen kapacitními čidly polohy se submikronovým rozlišením, nelinearitou 0,02 mm a frekvencí snímání 3,9 kHz. Měřením lze identifikovat počínající závady na vřeteni, které se projevují zvýšenou nepřesností chodu vřetena. Měřicí domek může být přenosný pro využití na více strojích. Obvyklejší je ale jeho trvalé umístění na pracovním stolu (při obrábění je chráněn samostatným krytem). To umožňuje kromě kontrol stavu vřetena i kontrolu teplotních deformací stroje v definovaných časových okamžicích. Konstrukce artefaktu umožňuje jeho uložení do zásobníku nástrojů, a tedy je možné i jeho následné založení do vřetena pomocí systému automatické výměny nástroje. Veškerá měření lze provádět v plně automatickém cyklu bez vstupu obsluhy do nastavení nebo vyhodnocení výsledků. Stroj s takto rozšířenou senzorikou tedy může v dlouhodobém bezobslužném provozu kontrolovat stav svého vřetena i nutnost doplňkové korekce deformací struktury v důsledku teplotních deformací stroje.

V praxi je důležité odhadnout zbytkovou trvanlivost vřetena, aby bylo možno plánovat servisní zásah. Vřetena jsou obvykle navržena na určitou trvanlivost, což je číslo vycházející z odhadu provozních podmínek konstruktérem. Ve skutečnosti může uživatel vřeteno zatěžovat více, čímž se reálná trvanlivost zkrátí. Nebo jej naopak může zatěžovat méně a tím se trvanlivost vřetena prodlužuje. Je tedy zřejmé, že trvanlivost vřetena je závislá na historii zatěžování. RCMT vytvořilo monitorovací systém, který sleduje zatížení motorů vřetena a pohybových os. Z informací o rozměrech vřetena a o používaných nástrojích následně odhaduje silové zatížení na konci nástroje. Současně jsou sledovány otáčky vřetena. Tím vznikají časové záznamy silového a otáčkového zatížení vřetena, které jsou přepočítávány na střední hodnoty, z nichž je vypočtena aktualizovaná hodnota trvanlivosti. Zbytková trvanlivost vřetena je vypočtena jako rozdíl této aktualizované trvanlivosti a celkové doby chodu vřetena v provozu.

Pochopitelně k poškození ložisek vřetena může dojít i jinými mechanismy, než které sleduje výše uvedené monitorované zatížení, např. kontaminací ložisek v důsledku průniku nečistot těsnicím systémem nebo kondenzací vlhkosti ve vřeteni. Výše uvedený výpočet je tedy nutno korigovat podle aktuálního stavu vřetena sledovaného vestavěným akcelerometrem. Pokud je naměřená rychlost vibrací větší než hodnota povolená pro příslušný typ vřetena a stroje, je odhadovaná trvanlivost korigována. Tato kombinace měření aktuálního stavu a historie zatěžování umožňuje zpřesněný odhad zbytkové trvanlivosti vřetena. Metoda byla ověřena ve spolupráci s firmou VOPSS při pravidelném monitoringu vřeten zákazníky firmy.

Dalším příkladem využití řídicího systému stroje jako senzoru zatížení je odhad stavu vyměnitelných břitových destiček (VBD) frézovacího nástroje. Opotřebení VBD mění velikost řezné síly pro konkrétní řezné a záběrové podmínky. Zatížení nástroje může být větší v případě narůstajícího otěru na hřbetu, vznikajícího žlábku apod., nebo naopak může lokálně poklesnout v důsledku vyštípnutí řezné hrany, při kterém vznikne pozitivnější řezná geometrie (která je ovšem v procesu nestabilní a nástroj se dále opotřebovává a poškozuje). RCMT společně s firmou TAJMAC-ZPS vyvinulo postup pro odhad trvanlivosti nástroje ze signálů snímaných řídicím systémem stroje a zpracovávaných digitální dvojčetem obráběcího procesu. Nejprve byl na základě laboratorních dat vytvořen zobecněný relativní model trvanlivosti nástroje. Model je sestaven jako diagram změny koeficientu řezné síly v čase. Diagram má podobu pásma, které vymezuje „normálně opotřebovávaný“ nástroj. Pokud hodnoty sledovaného koeficientu vybočí z pásma (překročí horní hranici, nebo poklesnou pod spodní hranici), je signalizováno nestandardní opotřebení nástroje, který je vyřazen z dalších operací. Výpočet koeficientu řezné síly je prováděn na základě on-line simulace digitálním dvojčetem, při které je vypočítáván jinak neměřitelný úběr materiálu pro dané záběrové podmínky na dráze nástroje. Z měřeného zatížení vřetena a z vypočteného úběru objemu materiálu je v taktu 2 ms vypočtena hodnota koeficientu řezné síly, která je porovnána s referenčním modelem. Testy v praxi ukazují, že tato metoda umožňuje spolehlivě identifikovat různé typy opotřebení nástroje.

Výše uvedené příklady ukazují technická řešení, kdy pomocí doplňkové senzoriky s využitím přídavných fyzických nebo virtuálních snímačů je analyzován stav obráběcího stroje a procesu. Výsledkem je možnost přejít z pevných period akčního zásahu (servis vřetena, výměna nástroje) na pružné sledování, který ve výsledku umožňuje lepší využití spotřebního materiálu i komponent stroje. To v důsledku vede k lepšímu využití zdrojů a k nižším provozním nákladům. Jedná se o jeden ze střípků, kdy digitální řešení mohou přispívat k zelené transformaci strojírenské výroby.

V blízké budoucnosti lze očekávat rozvoj takových řešení. Výsledkem jsou rostoucí objemy dat, které musí být analyzovány. Zpracování by mělo probíhat plně automaticky, aby mělo efekt zvýšení efektivity výroby a snížení nákladů. Ve strojírenství nelze v řadě aplikací jednoduše nasadit umělou inteligenci proto, že pro tréning příslušných algoritmů obvykle není dostupné dostatečné množství datasetů. Zejména data z vadných a nežádoucích situací jsou při vysoké kvalitě výroby vzácností. Zde proto přicházejí ke slovu fyzikální modely stavějící na zdokonalených postupech modelování chování stroje v procesech obrábění. Tyto modely jsou využívány pro přímé zpracování dat nebo pro tvorbu syntetických dat pro trénování umělé inteligence. Výzvou stále zůstávají datové modely pro komunikaci mezi stroji a dalšími systémy automatizovaného zpracování dat. Určitou cestu ukazují modely UMATI pro OPC-UA komunikaci, které fungují zejména v uzavřených ekosystémech (např. v oblasti broušení ozubení). Zatím však nevzniklo univerzálně použitelné řešení pro všechny oblasti obráběcích operací.

Další rozvoj automatizované průmyslové komunikace, její standardizace a využití fyzikálních modelů pro zpracování dat se tak ukazují hlavními směry v dalším rozvoji chytrých obráběcích strojů. Lepší schopnosti strojů v oblasti sledovaní svého stavu a stavu realizovaného procesu umožňují rozšířit oblast bezobslužného provozu strojů. To by v důsledku mělo být jednou z možných strategií pro reagování na řešení globálních výzev zmíněných v úvodu.