Individuální řešení systému upínání

Při selhání upínače většinou dojde k uvolnění obrobku. Například funkce přípravku s upínkou a šroubem je ovlivněna jeho polohováním a odolností proti samovolnému uvolnění. Ve výrobě mohou uvedené vlivy vést ke zhoršení přesnosti výroby nebo dokonce k poškození stroje, nástroje a obrobku. Při vývoji upínacího přípravku se zřídka bere v úvahu změna geometrie a struktury polotovaru a konečného výrobku, což může vést k nárůstu vlastní frekvence vznikajících vibrací. Vyšší frekvence mohou napomáhat k uvolnění obrobku během obrábění. Vzniklé vibrace mohou rovněž způsobit snížení upínací síly.

Ve strojírenské výrobě a v konstrukci přípravků jsou velmi často používány spojovací a upínací prvky. Norma DIN 6300 řadí tyto přípravky k výrobním prostředkům, které se používají jako provozní prostředky. Úkolem přípravků je obrobek polohovat a během obrábění v této poloze upínat. Podstatný vliv upínacích elementů na výrobu a tím i na bezpečnost obsluhy a zařízení má rozdíl skutečně působících upínacích sil oproti silám předpokládaným. V mnoha případech je velmi důležitý vliv šroubu nebo podobných pomocných prvků na velikost upínací síly. Bod, na kterém působí upínací síla a tím i daný utahovací moment, značně ovlivňuje rameno a velikost upínací síly. Součet uvedených bodů a omezení účinnosti šroubového spoje vedou k silnému zvětšení upínací síly svíracích a upínacích elementů.

Při vývoji nových upínacích systémů musí být, oproti současným systémům, rozšířena funkčnost, zlepšena kvalita a zvýšen stupeň integrace vlastního systému do obráběcího stroje. Toto je nutné s ohledem na stále rostoucí výkonnost obráběcích center. Nové technologie, které tvoří výrobu flexibilnější, jsou stále na vzestupu a vyvolávají potřebu řešení nových problémů. Moderní soustružnicko-frézovací centra, pětiosé stroje a obráběcí centra umožňují kombinovat různé technologie obrábění (jako je soustružení, frézování a vrtání), umožňují rovněž reagovat na specifické požadavky zákazníků. Současně vznikají hybridní systémy, které kombinují další rozmanité technologie. V praxi to znamená, že stroje a jejich komponenty jsou mnohem více namáhány. Účinek se projeví poškozením a výpadkem stroje nebo přípravku, případně výrobou zmetků.

Ve výrobních linkách při malých nebo při velkých sériích se obrobek pohybuje od jedné operace ke druhé. Toto je nyní předmět našeho zájmu. Vysoká použitelnost a operativnost strojů používaných ve výrobě představuje základ pro dosažení vysoké produktivity při nejnižších nákladech. Používají se nejrychlejší řešení a následně nejnovější technologie spojené s definovanou upínací sílou s cílem snížení vedlejších časů. Dr.-Ing. Arno Wörn prokázal, že v oboru obráběcích strojů jsou nejkratší vedlejší časy při výměně jednotlivých modulů ze zásobníku umístěného přímo ve stroji (revolverová hlava). Z provedených výzkumů vyplývá, že právě při optimalizaci utahovacího momentu upínací části a seřízení přípravku vznikají vysoké náklady, které vyžadují know-how kvalifikovaného pracovníka.

Pro podnik je problematické takovýto systém použít v rozsahu TCP a v pracovním prostoru, kde vznikají rušivá napětí, je přiváděna chladicí kapalina a je nutné zajistit odvod třísek. Použitá chladicí kapalina a hromadění třísek mohou ovlivnit přenos řídicích dat nebo při špatném utěsnění mohou pronikat do systému. Následkem je výroba zmetků nebo výpadek celého systému. Dále je nutné počítat se spotřebou energie pro senzory a radiovou jednotku. Pro nasazení ve výrobě je podstatné, že systém senzorů a radiová jednotka musejí být dlouhodobě použitelné. Tuto problematiku je nutné brát v úvahu při volbě akumulátoru. Při vývoji systému je nutné věnovat pozornost volbě senzorů a radiové jednotky, aby bylo možné vytvořit jednu kompaktní konstrukci se stabilním přenosem signálu a dat.

V současné době jsou nabízena řešení v provedení měřicích podložek nebo šroubů, která však nejsou vhodná, neboť nesplňují některé požadavky, například přesnost, přenos dat, nedefinovaný měřený bod.

Převedení do tvaru FMS umožňuje jednoduchý systém senzorů založený na radiovém přenosu dat, který je v souladu se standardizovanými (normalizovanými) upínači. Cílem je zvýšení použitelnosti strojů snížením neproduktivních pohybů, času a nepředvídatelných podmínek prostojů stroje. Měřicí systém FMS je uspořádán tak, že ho lze bezproblémově integrovat do upínacího systému, je vybaven bezdrátovým přenosem dat mezi obrobkem a upínačem. Obrázek ukazuje nový vyvinutý systém Force-Monitoring umožňující kontrolu upínacích sil nejen během seřizování obráběcího stroje, ale také během procesu obrábění. Ve FMS je integrovaný snímač síly typ DMS, který snímá pomocí tlakového prvku upínací sílu v měřeném rozsahu až do 1 000 kN, podle provedení. Integrovaný akumulátor je spojen se systémem Frontend-Elektronik, který vysílá naměřená data telemetricky na světově používané frekvenci 2,4 GHz podle volby na ruční zařízení nebo na notebook s USB.

Pro vývoj moderního upínače se senzory je možné definovat dílčí cíle následovně:

• pevná konstrukce systému pro použití v obráběcím stroji a ve výrobních zařízeních;
• dosažení kompaktní konstrukce při současně co možná nejvyšší upínací síle přípravku složeného z normalizovaných dílů;
• konstrukce řešená pro co největší použitelnost,
• včasná signalizace kritického zatížení a ztráty velikosti upínací síly upínacího čepu nebo změny řezné síly, která může vést k uvolnění obrobku;
• vizualizace nebezpečí vlivu různého utažení upínacího elementu, což může včas zabránit nehodám;
• co možná nejjednodušší obsluha při seřizování, bez nutných speciálních nástrojů a odborných znalostí;
• monitorování naměřených dat mezi kontrolou nebo přezkoušení hodnot tolerancí a zahrnutí do systému řízení výroby, což může přispět k vytvoření nadhodnoty pro kusovou a sériovou výrobu.

Systém DMS je založen na snímání síly v průběhu obrábění a předává velké množství informací o upínací síle na Frontend-Elektronik. V principu je možné použití snímače sil z alternativní senzorové techniky (například senzory s diamantovou vrstvou citlivou na tlak).

U bezdrátového senzorového systému jsou rozdíly mezi aktivními, pasivními a energeticky soběstačnými systémy. Jako rozlišovací znaky pro provoz elektroniky je potřeba existence zdroje energie. Velikost zdroje (baterie) je dána aplikací. Podle toho musí být k dispozici prostor pro jeho zabudování. Primárně jsou používány baterie na bázi lithia. Krabicový typ je určen pro specifické aplikace spotřeby energie a je krátkodobě použitelný pro maximální výkon v aktivním režimu, daném rozsahu teplot a pro hlídání stavu výměny baterie. Doba trvání provozu baterie je závislá na aplikaci snímání a způsobu přenosu dat. Podle použití může být doba trvanlivosti baterie až jeden rok.

Tvar antény byl firmou Ott-Jakob nastaven na okrajové podmínky. Aby se dosáhlo co možná nejlepší kvality přenosu, byla vyvinuta speciální kruhová polarizační štěrbinová anténa. Vzájemná poloha vysílací a přijímací antény není důležitá, protože optimální příjem je zajištěn díky rotační polarizaci. Tato vlastnost antény umístěné přímo v pohyblivém systému mechaniky upínání má zvláštní význam.

Systém Force-Monitoring se vyznačuje kompaktní konstrukcí a modulárním uspořádáním elektroniky. Samotný systém senzorů sestávající ze senzoru měření síly, elektroniky přenosu dat, zásobníku energie (baterie) a antény, může být kompletně integrován do mechanické části systému měření upínací síly. Zvláštní zapouzdření systému není nutné, neboť vlastní jednotka je uložena v pevném kovovém pouzdře.

• Axiální síla předepnutí je vyvozena stejně jako u konvenčího provedení.
• Měření axiální upínací síly
• Jednoduchá obsluha, vyhodnocení radiovým přijímačem.
• Senzor je naladěn podle druhu namáhání.

Princip univerzálního použití FMS

Cílem výrobců tohoto upínacího systému je vyvíjet upínací elementy pro stavbu strojů a výrobních zařízení, které snižují nebezpečí poklesu upínací síly obrobku při obrábění. Příčinou nedosažení potřebné velikosti upínací síly je často špatné ustavení nebo uspořádání obrobku, které vzhledem k neexistující kontrole zůstává neodhaleno. Nedostatečná upínací síla má bezprostředně za následek zhoršení kvality procesu obrábění. Špatná obsluha upínacího systému může mít za následek, že systém nevyvine maximální upínací sílu potřebnou pro upnutí obrobku. Během obrábění pak může dojít k relativnímu posunutí obrobku v pracovním prostoru stroje a to vede k poškození celého procesu obrábění. Dochází k tomu při obrábění v soustružnicko-frézovacích centrech a při pětiosém obrábění například v důsledku vzniklých vibrací. Výsledné zhoršení kvality vyráběné součásti může vést k výrobě zmetků, například v důsledku snížené jakosti obrobené plochy a nedodržení požadovaných výrobních tolerancí. Nevýhody konvenčního upínání lze shrnout do následujících bodů:

• je obtížné vyvinout potřebnou upínací sílu, což má za následek její kolísání;
• nehomogenní stav upnutí ve spojích (vliv mezery mezi spoji);
• vlivem vibrací může dojít k samovolnému uvolnění upnutého obrobku;
• vyvození různé velikosti upínací síly vlivem střídajících se pracovníků a použitých nástrojů.

U obrobků náchylných k deformacím nebo u tenkostěnných výrobků může být u stávajících upínacích systémů vyvozena upínací síla nepřesně, proto může dojít k deformaci obrobku již při upínání.

Vedle nekvalitní výroby představuje pomalá ztráta velikosti upínací síly mezi obrobkem a upínacím elementem při obrábění velkých zařízení značné bezpečnostní riziko pro obsluhu. Jako příklad lze uvést výrobu turbíny pro elektrárnu v podniku Siemens-PG-Werk v Mühlheimu. Vlivem nevyváženosti došlo při výrobě skříní turbíny k nepředvídanému vychýlení skříně upnuté na pracovním stole stroje. Vlivem tohoto vychýlení vzniklo nebezpečí pro obsluhu i vlastní stroj, neboť nikdy není předvídatelné, kdy taková situace nastane.

Na základě zhodnocení vyráběné součásti z hlediska bezpečnosti obrábění, snadné a bezpečné obsluhy stroje je věnována zvláštní pozornost bezpečné funkci a kontrole upnutí obrobku, zejména u vysoce dynamických obráběcích strojů při obrábění rozměrných a hmotných obrobků.

Kontrola upínací síly je rovněž nutná při rychlostním soustružení malých obrobků, které se obrábějí na soustružnicko-frézovacím centru. Jedná se například o obrábění turbínových lopatek.

Popisované upínací prvky měří během obrábění axiálně směřující upínací sílu vyvolanou upínacím mechanismem (tj. mechanismem upínky přes šroub a matici) na obrobek a během obrábění vysílají signál na mobilní vyhodnocovací jednotku nebo přímo na systém řízení stroje.

Technika upínání je použitelná také při obrábění pouzder pro turbíny.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Získáním a vizualizací naměřených hodnot upínací síly během procesu obrábění je možné dosáhnout optimální výroby. Je registrován průběh upínací síly působící přímo na obrobek, proto je možné upínat i malé obrobky nebo polotovary bez nebezpečí jejich poškození od zatížení upínací silou. Vypočítaná a nastavená upínací síla je ověřena a automaticky upravena vždy během procesu obrábění a mezi jednotlivými operacemi, tak nevznikají žádné vedlejší časy způsobené dílčí kontrolou upnutí. Díky možnosti naprogramování mezních prahových tolerancí a alarmu se značně zvýší bezpečnost procesu obrábění.

MM MaschinenMarkt č. 20, 2017, str. 36–40

Autor: Eberhard Abele, Matthias Berger, Stefan Bonerz, Mario Dewald a Arno Wörn, zpracoval: J. Řasa

jar.rasa@seznam.cz