Elektronické vačkové systémy a bruska radiálních vaček

Systémy elektronických vaček představují moderní prostředky pružné průmyslové automatizace, které slouží k realizaci pohybových funkcí pracovních členů výrobních a manipulačních mechanismů. VÚTS, a. s., používá pro výzkum dynamiky elektronických vaček špičkový systém japonské firmy Yaskawa. Mluvíme zde o systému elektronické vačky, neboť aplikace je sjednocením řízení servomotoru (kontrolér, servoměnič, regulace, zdvihová závislost), vstupů, výstupů, komunikace a softwaru řídicího systému.

Princip aplikací klasických a elektronických vaček je ve své podstatě stejný. Tím je pohon pracovních členů mechanismů výrobních a manipulačních stojů, přičemž obě skupiny vačkových systémů (klasických a elektronických) vynikají svými specifickými vlastnostmi. Požadavky na pracovní pohyby mechanismů bývají značně odlišné, proto je v takových případech nutná analýza problému aplikace, která v sobě zahrnuje v co největší míře výčet možných variant včetně kalkulace nákladů. Důležité je, že žádný z obou systémů není upřednostňován, ale je nabízeno komplexní řešení, kde konečná volba systému je na zákazníkovi. Komplexní dodávku obou vačkových systémů je pak VÚTS schopen zajistit.

Článek se dále zabývá typickými aplikacemi obou vačkových systémů, které jsou ve VÚTS realizovány a dále rozvíjeny.

VÚTS zajišťuje standardně výrobu radiálních a axiálních vaček. K vyrobeným vačkám je dodáván měřicí protokol rozměrových odchylek činných ploch vaček. Pro pevnou automatizaci výrobních systémů jsou k dispozici specifické krokové převodovky s radiálními vačkami ve čtyřech výkonových velikostech, které jsou zpracovány do katalogové řady. Zdvihová závislost je optimalizována v rámci standardní služby podle požadavků zákazníka. Vačky jsou vyrobeny na základě softwaru vyvinutého ve VÚTS tak, že karusel se stýká s profily vaček stále pouze prostřednictvím dvou rolen. Tím je zaručena statická určitost a převodovky, které jsou součástí vačkových mechanismů, je možné použít pro dynamicky náročné aplikace s vysokou životností činných ploch vaček a rolen.

Výzkum dynamických vlastností a metodiky aplikací elektronických vaček je založen na zvoleném hardwaru Yaskawa. Program řídicího systému je pak kompletně původním vývojem oddělení Mechatronika VÚTS.

Pro poznání vlastností realizovaných pohybových funkcí elektronických vaček a stanovení kritérií použitelnosti podle zadaných požadavků na pracovní pohyby jsou pro výzkum využívány dynamické standy. Na těchto standech jsou sledovány takové parametry a vlastnosti, jako je například polohová přesnost, charakteristické vlastnosti různých systémů řízení (Position/Phase Control) a míra přesnosti kinetostatického řešení mechanismů s elektronickou vačkou na základě pohybové funkce, resp. zdvihové závislosti.

Další aplikační potenciál elektronických vaček s novými synergickými vlastnostmi je ve vzájemné kombinaci s klasickými mechanismy. Mechanismy je možné vzájemně řadit paralelně nebo sériově. Příkladem paralelní kombinace klasického mechanismu (čtyřkloubového nebo vačkového) s elektronickou vačkou je mechatronický diferenciální pohon, který rozšiřuje možnosti použitelnosti elektronických vaček například v oblasti silových krokových pohybů. Princip tohoto pohonu byl na MSV 2008 v Brně oceněn prestižní Zlatou medailí a evropský patent na tento unikátní pohon byl udělen v minulém roce (EP2078882). Sériové řazení je pak použito například na tkacím stroji CamEl, kde elektronická vačka generuje pohybovou funkci vačkového hřídele klasického dvouvačkového mechanismu prohozního čerpadla.

Aplikace elektronických vaček postavené na hardwarové (pohon) a softwarové (vývojové prostředí) platformě Yaskawa byly studovány s ohledem na co nejvyšší realizovanou dynamiku pohybových funkcí s důrazem na polohovou přesnost. Teprve konkrétní aplikace s definovanými technologickými podmínkami však dává představu o použitelnosti systémů elektronických vaček.

V rámci projektu TIP řeší VÚTS aplikační možnosti elektronických vaček v jednoúčelových strojích. S ohledem na tradici výroby klasických vaček byl vyvinut obecný tříosý řídicí systém použitelný pro jednoúčelový obráběcí stroj (koncepčně pro technologie frézování, broušení a povrchového kalení), kterým je i bruska radiálních vaček. Záměrem VÚTS je nezávislost na firmách vyrábějících podobné brousicí stroje a příprava generálních oprav (výměna řídicích systémů) stávajících brousicích strojů na výrobu vaček ve VÚTS. Základem se stal, jak již bylo řečeno, obecný tříosý řídicí systém, který je použitelný v různých aplikacích. Tento systém umožňuje klasické řízení v ručním (JOG, STEP, POSI, HW apod.) a automatickém režimu (CNC). Režimem CNC je myšleno automatické řízení pracovního pohybu podle výrobních dat ve třech interpolačních osách. Implementace tohoto systému pro výrobu radiálních vaček představuje dvě interpolační osy (rotační C a posuvnou V) a jednu polohovací osu (posuvná Z). Realizace interpolačního pohybu je programována v klasické oblasti Motion, ve které je pohyb mezi dvěma polohami definován souřadnicemi s daným posuvem. Unikátnost systému brusky radiálních vaček nové koncepce VÚTS je však založena na tom, že druhým způsobem řízení pohybů výrobních os je použití funkce dvou elektronických vaček vzájemně svázaných. Výrobní data vačky jsou spočtena na libovolnou ekvidistantu a v podobě polárních souřadnic (úhel a průvodič) s hodnotami úhlu normály jsou uložena v paměti řídicího kontroléru. Tyto parametry pak s hodnotou nástrojové korekce řídí pohyby výrobních os stroje. Hodnoty řídicích výstupních registrů pohonů jsou generovány v uživatelské funkci PLC. Uživatelská funkce elektronické vačky umožňuje řízení s množstvím korekčních parametrů, dopředných rychlostních a momentových vazeb a funkcí realizujících různé podmínky broušení. Jednou z testovaných podmínek je takový posuv při broušení kontury vačky, kdy krouticí moment zatěžující rotační osu bude teoreticky konstantní. Tento pohyb je odvozen z dat úhlu normály a poloměru křivosti broušené kontury. Důležitost této podmínky vyplývá z použitého přímého pohonu rotační osy (Direct Drive), kdy je principiálně přítomna elektromagnetická poddajnost ovlivnitelná PI regulací a která je tedy zdrojem polohové chyby v závislosti na momentovém zatížení. Rovněž je využito měření excentricity uložení vačky na přípravku (dotykové a bezdotykové laserové) s dotykovým měřením kontury vačky bez nutnosti sejmutí obrobku vačky a využití naměřených dat k přímé korekci výrobních dat generovaných uživatelskou funkcí.

Prototyp brusky radiálních vaček je postaven na špičkových komponentech renomovaných firem (kontrolér Yaskawa MP2310, rotační a přímé pohony Yaskawa, lineární osa Schneeberger UTC15, rám stroje Schneeberger Mineralguss, vřeteno GMN HVP-30000 HSK40). Brousicí nástroj CBN je upnut v hydraulickém upínači, který zabezpečuje vysokou tuhost uložení nástroje.

Výzkumná a rovněž komerčně koncipovaná bruska bude ve VÚTS sloužit k vysoce přesné výrobě radiálních vaček, především v programu výzkumu konstrukce a výrobní technologie rychloběžných klasických vačkových mechanismů s radiálními vačkami. Vačky budou vyráběny z nástrojových ocelí řady X a broušeny nástroji s CBN/DIA. Bruska radiálních vaček byla představena potenciálním zákazníkům na MSV 2012. V kategorii za nejlepší inovační exponát vzniklý prokazatelně ve smluvní spolupráci firem s tuzemskou výzkumnou organizací (výzkumnými organizacemi v ČR) a v rámci vývojových projektů dotovaných státem byla bruska BRV-300 CNC oceněna čestným uznáním.

Ing. Petr Jirásko, Ph.D.

VÚTS
petr.jirasko@vuts.cz
www.vuts.cz