Inteligentní řezné nástroje

V současné době se v odborné literatuře opět objevují zprávy o inteligentních strojích, inteligentních nástrojích a dokonce také o inteligentních materiálech. To byl důvod, proč vznikl tento článek, který má přispět informacemi o tom, co již bylo v problematice inteligentních nástrojů zkoumáno a k jakým výsledkům se došlo. Byli bychom rádi, kdyby současní řešitelé již získané poznatky rozšířili.

Pro pochopení celé problematiky je nutné uvést nejprve definici inteligence. Všeobecná encyklopedie Diderot uvádí ve 2. svazku na str. 279 následující definici umělé inteligence, o kterou se v našem případě jedná: „Inteligence umělá – modelování intelektuální činnosti člověka počítačem při řešení složitých úloh, kde postup vyžaduje schopnost výběru z mnoha nebo z nezřetelně popsaných variant; též samostatné rozpoznávání tvarů nebo předmětů, usuzování z jednoho výroku na jiný, vytváření analogií mezi logickými úsudky, generování a ověřování hypotéz, tvorba a uplatnění znalostí na základě přijatých vstupních dat a informací, schopnost eliminovat nepříznivé reakce na podněty z okolí a usměrňovat činnost systému v probíhajících procesech s ohledem na měnící se a často nezřetelné vnější podmínky“.

Z uvedené definice je zřejmé, že není úplně přesné hovořit o inteligentních nástrojích, neboť se vždy musí jednat o celou výrobní buňku, jejíž činnost je kompletně řízena počítačem. Nástroj je pouze jeden člen tohoto celku, který dává signály o tom, co se děje na břitu nástroje, a tak umožňuje regulovat chování stroje z pohledu optimálních pracovních podmínek. Nástroj tedy slouží k získávání vstupních dat pro rozhodování a řízení procesu obrábění.

První známé řešení inteligentního řezného nástroje bylo v roce 1996 realizováno v Německu. Systém se skládá ze snímačů signálu, z jednotky zpracovávající signál, přenosu signálu do vyhodnocovací jednotky a systému ovládajícího funkce obráběcího stroje. Schéma systému je na obr. 1. Systém měření byl tvořen ze senzoru měření teploty, vibrací a tří složek řezné síly. Sloužil rovněž ke zjištění opotřebení břitu nástroje. Systém pro zpracování signálu od snímače byl umístěn na spodní straně tělesa nože. Systém přenosu signálu byl uložen v tělese upínače nástroje. Spojení mezi oběma systémy bylo realizováno pomocí kontaktních čipů. V upínači nástroje je umístěn nízkofrekvenční přijímač, vysokofrekvenční vysílač a indukční cívka pro vysílání a přijímání měřeného signálu. Nástroj byl na stroji upnut v revolverové hlavě, za kterou je uložena základní stanice s nízkofrekvenčním vysílačem, vysokofrekvenčním přijímačem a další indukční cívka. Přenos signálu se děje bezdrátově prostřednictvím zmiňovaných indukčních cívek. Vyhodnocení signálů prováděl digitální procesor. Zpracovaný signál pak byl předán do řídicího systému obráběcího stroje.

Obr. 1. Schéma systému vyvinutého v Německu

Další zahraniční řešitelé využívali pro sledování procesu obrábění většinou měření pouze jedné nebo dvou veličin. Uveďme příklady:
a) Pro měření opotřebení břitu a teploty byly vyvinuty vyměnitelné břitové destičky (VBD) se strukturovanou vrstvou senzoru zabudovanou do povlaku VBD, signál je veden do zesilovače, který je umístěn v držáku nástroje. Odtud je bezdrátově předán do vyhodnocovací jednotky, která provádí kontrolu a řízení procesu. VBD tohoto provedení se dodávaly v několika provedeních – pro hrubování a pro obrábění načisto.
b) Měření opotřebení břitu nástroje, vylomení ostří nebo destrukce nástroje, pomocí akustické emise. Měření změny parametrů akustické emise lze použít jak pro plynulý, tak také pro přerušovaný řez.

c) Pro regulaci řezné rychlosti byla pomocí detektoru záření měřena teplota odcházející třísky, dále byla měřena akustická emise pro sledování tvaru a velikosti třísky, včetně opotřebení břitu nástroje. Senzor byl umístěn na tělese revolverové hlavy.

d) Vyhodnocování procesu frézování bylo prováděno měřením akustické emise a řezných sil. Vyhodnocování prováděno pomocí neuronových sítí. Cílem bylo určit kontinuálně opotřebení břitu a řídit podmínky obrábění. Zařízení měřilo opotřebení břitu na hřbetě s přesností cca 11 %.

Ve výše uvedeném projektu GAČR byla navržena konstrukce soustružnického nože s VBD. Nůž byl vyroben a osazen příslušnými snímači. Podle poznatků teorie obrábění byla snímána velikost složek řezných sil, teplota, vibrace a signál akustické emise. Základní otázkou bylo, kam tyto snímače umístit.

Pro tyto experimenty jsme navrhli tzv. duté nástroje, jejichž provedení je chráněno autorským osvědčením AO 250 078 Nástroj na třískové obrábění (autor J. Řasa). Toto řešení umožňuje vložit snímače přímo do tělesa nástroje, a tak je chránit před poškozením. Bylo navrženo a výpočty ověřeno několik variant konstrukčního provedení dutiny nástroje (viz obr. 2). Vybrána byla varianta na obr. 2b s maximálně možnou velikostí dutiny a zaručenou pevností stopky od zatížení upínacími šrouby i řeznými silami.

a – svařenec s příčnými žebry
b – dutina s vyztuženými rohy
c – dutina s podélným žebrem
d – dutina s kruhovým stropem
e – těleso vytvořené jako dutá čtvercová trubka

Pro experimenty byl upraven nůž o velikosti stopky 32 x 32 mm. Vnitřní dutina měla zaoblené rohy o poloměru 3 mm, tloušťka stěn 4 mm. Profil byl otevřen ze spodní strany stopky. Plný profil stopky byl od špičky až do vzdálenosti 20 mm. Uzavření spodní strany stopky bylo provedeno destičkou o tloušťce 4 mm uchycenou kolíky. Pevnostní výpočet upraveného nože byl proveden pro zatížení nože řeznou silou 5 000 N a posuvovou silou 2 000 N. Materiálem stopky nože byla ocel 15 260, míra bezpečnosti z hlediska pevnosti nože 3. Výpočtem byl stanoven maximální utahovací moment upínacích šroubů Mu = 3,5 Nm, míra bezpečnosti upnutí 2.

Do dutiny nože byly instalovány snímače jednotlivých veličin. Pro měření velikosti řezných sil byly použity drátové tenzometry umístěné těsně za koncem oblasti vetknutí nože do upínače, co nejblíže k neutrálním osám profilu stopky nože. Měřeny byly hlavní řezná síla a síla posuvová. Pro měření vibrací byl použit tříosý piezoelektrický snímač umístěný co nejblíže k poloze omezené poloměry konce dutiny v noži. Měření teploty bylo realizováno umělým termočlánkem, který je umístěn tak, aby došlo ke kontaktu termočlánku se spodní plochou VBD (obr. 3). Snímač akustické emise byl umístěn na dně destičky uzavírající dutinu nože. Podrobný popis použitých měřicích snímačů zde není uveden, protože od doby, kdy byl výzkum prováděn, došlo k jejich zdokonalení a miniaturizaci. Celkový pohled na umístění snímačů je na obr. 4.

Experimenty byly provedeny na soustruhu SU 50. Obráběna byla ocel 12 050.1. Nástroj byl upnut třemi šrouby v nožovém držáku dynamometru s vyložením 50 mm. Dynamometr byl použit pro možnost porovnání velikosti a průběhu sil měřených tenzometry. Použita vyměnitelná břitová destička typ Seet 1204 Afen 8026 (výrobce Pramet Šumperk).

Měřeny byly veličiny: hlavní řezná síla, posunová síla, teplota pod vyměnitelnou břitovou destičkou a akustická emise (konkrétně rozkmit, efektivní hodnota, integrál a rozptyl) při různých řezných podmínkách. Vibrace se neměřily, neboť nebyl včas k dispozici příslušný zesilovač signálu.

Byly použity následující řezné podmínky: řezná rychlost vc = 70, 80, 110 a 140 m.min-1, hloubka řezu ap = 1, 2, 3 a 4 mm a posuv f = 0,1; 0,2; 0,3 a 0,4 mm.ot.^-1. Konkrétní výsledky zkoušek a typy použitých snímačů jsou uvedeny v [6]. Vyhodnocení akustické emise bylo provedeno pomocí efektivní hodnoty.

Na snímače byly kladeny tyto nároky: odolnost proti mechanickému namáhání i vyšším teplotám, možnost kompenzace vlivu okolí a miniaturizace. Z provedených experimentů plynou pro úpravu nože následující poznatky: vytvořit větší poloměry zaoblení přechodu stěn dutého profilu, volit větší tloušťku stěn (cca 5 mm), zajistit možnost menšího vyložení nože, snímač vibrací umístit blíže ke špičce nože.

Oblasti předpokládaného využití inteligentních nástrojů: výzkum optimalizace procesu obrábění, testování nových řezných materiálů, zkoušky nových povlaků, zkoušky nových konstrukčních řešení nástroje a geometrie břitu nástroje, výroba velkých a složitých výrobků a v neposlední řadě například pro plně automatizované výrobní systémy.

Uveďme ještě další možné veličiny, podle kterých by bylo možné posuzovat a regulovat průběh procesu obrábění: tvar a teplota odebíraných třísek (rychlostní kamera a termovizní kamera), měření velikosti tření mezi třískou a čelem nástroje (použít akustickou emisi) a měření rozdílu teplot přiváděného a odváděného chladiva (termovizní kamera).

Pro inteligentní řezný proces by bylo možné před obrábění zařadit zjišťování obrobitelnosti materiálu provedením laserové spektroskopie – tedy určením složení materiálu těsně před břitem nástroje (odpaření materiálu laserem) – a tak regulovat řezné podmínky podle momentálního stavu obráběného matriálu.

Literatura použitá při řešení projektu GAČR:

[1] ČSN ISO 3002-4 Řezné nástroje. Základní veličiny při řezání a broušení. Část 4: Síly, práce a výkon (22 0036). Český normalizační institut, Praha 1994. 20 str.
[2] GAZDA, J. a kol.: Teorie obrábění – Řezné síly při obrábění. Skripta TUL, Liberec 1993. 123 s., ISBN 80-7083-110-3.
[3] HOUŠA, J.: Aktuální trendy a problémy vývoje obráběcích strojů. Technický týdeník 32/2000.
[4] MÁDL, J., SCHUBERT, V.: Základy experimentálních metod a optimalizace v teorii obrábění. Skripta ČVUT, Praha 1978. 173 s., ISBN 60-991-78.
[5] ŘASA, J.: Inteligentní řezné nástroje. Věda a technika mládeži, č. 5, 1997.
[6] TYL, M.: Inteligentní řezné nástroje. Diplomová práce, TU v Liberci, Liberec, 2002.
[7] ŽIŽKA, J.: Použití akustické emise ke sledování opotřebení řezného nástroje. Habilitační práce. TU v Liberci, Liberec, 1998.
[8] Informační materiály RWTH AACHEN, Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre.

Ing. Jaroslav Řasa
Ing. Radka Bičišťová

ČVUT v Praze, Fakulta strojní

jar.rasa@seznam.cz
R.Bicistova@rcmt.cvut.cz