Témata
Reklama

Kompenzace teplotních úhlových chyb strojů

Teplotní chování obráběcích strojů je jen jedním z mnoha faktorů, ovlivňující celkovou výrobní přesnost stroje. Ta je navíc dána také statickým a dynamickým chování stroje, geometrickou přesností, řídicím systémem stroje, odměřováním, zvoleným výrobním postupem atd. Nicméně právě teplotní chyby (resp. teplotní deformace na špičce nástroje) způsobují v dnešní době převážnou část výrobních odchylek a jejich dopad na výrobní přesnost strojů v posledních letech neustále vzrůstá.

Obecně můžeme teplotní chybu na špičce nástroje rozdělit na její lineární a úhlové složky. Lineární složky teplotní chyby jsou ty, které se vyskytují v lineárních pohybových osách stroje. Tyto lineární složky je možné minimalizovat pomocí vhodné softwarové (elektronické) teplotní kompenzace. Softwarová teplotní kompenzace funguje tak, že jsou určitým matematickým modelem predikovány hodnoty korekcí v příslušných lineárních osách v reálném čase a ty jsou superponovány k požadovaným polohám daných lineárních os (změna do správné pozice je realizována pohybem pohonu příslušné osy dle vypočtené korekce). Jedná se o velmi levný způsob, jak minimalizovat lineární složky teplotní chyby stroje, protože není nutné stroj vybavovat speciálními přídavnými prvky. Nutnou podmínkou pro sestavení modelu softwarové teplotní kompenzace jsou experimentální testy na stroji, které mohou být provedeny v souladu s normou ISO 230-3 pro určení tepelných vlivů na obráběcí stroj. Klíčové u softwarové teplotní kompenzace je však zejména použití vhodného a dostatečně robustního kompenzačního algoritmu tak, aby algoritmus popisoval široké spektrum pracovních režimů (dlouhodobě poskytoval stabilní výsledky, tedy zaručoval požadovanou přesnost stroje). Vývojem pokročilých modelů softwarových teplotních kompenzací na principu přenosových funkcí se již řadu let zabývá Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při Fakultě strojní ČVUT v Praze.

Oproti tomu úhlové složky teplotní deformace na špičce nástroje jsou obecně problematickým jevem, protože se na strojích nedají jednoduše softwarově kompenzovat, tak jako lineární složky teplotní deformace. V případě tříosých strojů je to dokonce výše popsaným způsobem nemožné a případná kompenzace úhlových chyb se neobejde bez přídavných zařízení na stroji (např. zdrojů a propadů tepla, mechatronických prvků atd.) spolu v kombinaci s vhodnou kompenzační metodou (řízením) těchto akčních členů.

Reklama
Reklama
Reklama

Topologická optimalizace konstrukce

Obecně by mělo být snahou konstruktérů obráběcích strojů navrhovat teplotně symetrické konstrukce strojů, správně navrhnout chladicí systém, používat tepelné izolace problematických vnitřních zdrojů tepla na stroji atd. Kromě snížení absolutních velikostí teplotních deformací by mělo být cílem těchto konstrukčních opatření také to, aby teplotní deformace probíhaly v lineárních pohybových osách stroje, tj. vyskytovaly se převážně lineární složky teplotních chyb (jenž je možné kompenzovat softwarově) a došlo k zamezení vzniku úhlových složek teplotních chyb, které jsou následně komplikovaněji odstranitelné. Dobrým nástrojem pro takovýto návrh nového prototypu stroje je topologická optimalizace konstrukce z pohledu jeho teplotně-elastického chování. Vhodnými konstrukčním návrhem by tak mělo být možné úhlové deformace výrazně eliminovat.

Kompenzační postupy

V případě, že se úhlové složky teplotních chyb na stroji i přesto vyskytují (tento problém nastává zejména u velkých obráběcích strojů či strojů s nevhodnou, teplotně nesymetrickou konstrukcí), je možné je poměrně efektivně dodatečně kompenzovat např. pomocí řízení přídavných zdrojů a propadů tepla. Aplikováním těchto přídavných zdrojů a propadů tepla na strukturu stroje je dosaženo jeho rovnoměrnějšího teplotního pole, čímž jsou právě eliminovány úhlové složky teplotních chyb. Jako ideální přídavný zdroj tepla se jeví použití topných fólií, které mohou velmi snadno vyvolat úhlové deformace potřebné ke kompenzaci teplotních deformací způsobených za chodu stroje. Naopak v případě řízených propadů tepla je možné použít např. vzduchový výměník, průmyslový chladicí agregát atd. nebo je možné obě metody kombinovat.

Topná fólie



Tyto metody lze navíc použít i v kombinaci s vhodnou pokročilou softwarovou teplotní kompenzací tak, aby bylo možné kompenzovat jak lineární, tak úhlové složky teplotních chyb současně. S výhodou lze využít již výše zmiňované kompenzační modely, které používají principu přenosových funkcí. Tyto modely mohou být aplikovány vedle softwarové teplotní kompenzace lineárních složek teplotních chyb i pro řízení akčních členů (zdrojů/propadů tepla) s cílem minimalizovat úhlové složky teplotních chyb. V minulosti byla ve VCSVTT testována zejména možnost eliminace úhlových složek teplotních chyb pomocí řízení napájecího napětí (resp. topného výkonu) topné fólie pomocí kompenzačních modelů s využitím principu přenosových funkcí.

Nejprve proběhlo testování na velmi jednoduchém experimentálním zařízení, představující izolovanou pinolu (viz obr. 2 vlevo). Poté se přistoupilo k laboratorním testům řízení topné fólie kompenzačním modelem využívajícím PF za účelem eliminace úhlových deformací na zjednodušené konstrukci obráběcího stroje s nosným rámem ve tvaru C (viz obr. 2 vpravo). Tento tvar nosné struktury stroje patří z pohledu teplotně-elastického chování k jednomu z nejkomplikovanějších.


Testování eliminace úhlových deformací na izolované pinole (vlevo) a zjednodušené konstrukci stroje s nosným rámem ve tvaru C (vpravo).

V obou testovaných případech byly na konstrukci nalepeny dvě topné fólie. První má představovat reálný vnitřní zdroj tepla na konstrukci stroje (např. motor, převodovka atd.), který způsobuje úhlové deformace (tzv. kauzální topná fólie, viz obr. 2). Druhá topná fólie (tzv. stabilizační topná fólie, viz obr. 2) je přídavný akční člen. Pomocí řízení jejího topného výkonu je minimalizována vzniklá úhlová deformace.

Řízením topného výkonu tzv. stabilizační topné manžety výrazně klesly za pomoci kompenzačních modelů na principu přenosových funkcí úhlové deformace, a to jak v případě pinoly (viz obr. 3 vlevo, pokles z původních zhruba 0,09 mrad na maximálně 0,02 mrad představuje celkové zlepšení až o 90 %), tak zjednodušené konstrukce stroje s nosným rámem ve tvaru C (viz obr. 3 vpravo, zlepšení o 84 %). V grafech na obr. 3 je zobrazen časový průběh tepelného výkonu kauzální topné manžety QK (tmavě šedá čára), stabilizační topné manžety QS (světle šedá čára), průběhy úhlových deformací v ose x bez kompenzace (tmavě modrá čára) a po kompenzaci (tenká černá čára) a také odhadnutý průběh úhlové deformace z přenosového modelu za působení stabilizačního zdroje tepla (bledě modrá čára).


Porovnání úhlových deformací v ose x (vlevo) a zjednodušené konstrukce stroje s nosným rámem ve tvaru C (vpravo) bez a s kompenzací na principu přenosových funkcí. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Z provedených analýz dále plyne, že zdroje tepla není nutné umísťovat symetricky k již existujícím vnitřním zdrojům tepla na stroji (viz asymetricky umístěné topné fólie na obr. 2). Tento fakt je velmi důležitý, protože v případě reálných konstrukcí strojů není vždy možné umístit přídavný zdroj tepla libovolně.
Dále byly též provedeny testy na pinole s deskovým výměníkem tepla namísto stabilizační topné fólie i experimenty se stabilizační topnou fólií na reálném stroji. Všechny výsledky potvrzují, že aplikace přídavných zdrojů či propadů tepla a jejich vhodné řízení pomocí kompenzačních algoritmů s využitím PF je perspektivní metoda pro kompenzace teplotních úhlových chyb strojů.

Článek „Kompenzace teplotních úhlových chyb strojů“ byl vytvořen s finanční podporou TA ČR (projekt TE01020075).

Ing. Otakar Horejš, Ph.D.
Ing. Martin Mareš

VCSVTT, FS ČVUT v Praze

O.Horejs@rcmt.cvut.cz

Reklama
Související články
Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Související články
Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Rodinné podnikání v přesné strojařině

Brněnská firma VKV Horák se zabývá konstrukcí, vývojem a výrobou přístrojové mechaniky, přípravků, jednoúčelových strojů, forem pro vstřikování plastů, lití polyuretanových dílů a vakuovému tváření plastů. S jejím zakladatelem, panem Zdeňkem Horákem, jsme si povídali o aspektech podnikání v českém prostředí, o vzdělávání, kvalitě škol, průmyslu budoucnosti.

Procesní analýza snižuje náklady

Technologie broušení hrají v moderním obrábění významnou roli. Jsou využívány při výrobě přesných nástrojů nebo lékařské techniky, v energetice, při výrobě ozubení nebo v leteckém a kosmickém průmyslu. I když může být podíl nákladů na povrchové čištění nízký, technická čistota většinou rozhoduje o možnosti dodat výrobky. V souvislosti s kvalitou povrchů zhotovených obrobků však o nákladech na čištění rozhoduje dimenzování celého výrobního procesu.

Jak se stát leaderem ve výrobě důlního zařízení

Moravská společnost Ferrit, s. r. o., se za 25 let působení v těžařském průmyslu stala světovou firmou v projektování a výrobě důlní závěsné dopravy. Zároveň je průkopníkem v oblasti vývoje a výroby důlních akumulátorových lokomotiv a jako jediná na světě vyrábí speciální lokomotivu, tzv. lokobagr, pro údržbu a čištění kolejové tratě a prostoru kolem kolejiště v hlubinných šachtách. Jejich stroje pracují v uhelných a rudných dolech napříč všemi kontinenty.

Na cestě k nulové chybě upínání

I ta nejmenší cizí tělíska (prach, třísky apod.) mezi dutinou vřetena a stopkou nástroje mohou zapříčinit nepřesnost upnutí vrtáku nebo frézy, což má za následek výrobu zmetků nebo poškození nástroje a tím přerušení výroby. Toto mohou odstranit měřicí systémy se senzory.

EMO zrcadlem pokroku a inovací

Při příležitosti prezentace veletrhu EMO 2017 Hannover před evropskou novinářskou obcí se uskutečnilo i pražské zastavení. Zastoupení Deutsche Messe pro ČR zorganizovalo tiskovou konferenci, které se vedle generálního ředitele EMO Hannover Christopha Millera účastnil i tiskový mluvčí hannoverského veletržního komplexu Hartwig von Sass spolu s ředitelem českého svazu SST Ing. Paclíkem a předsedou Společnosti pro obráběcí stroje doktorem Smolíkem.

CIMT je v Číně, Čína je na CIMTu

Při letošním ročníku došlo na CIMT k významné změně. Evropští i američtí vystavovatelé byli přemístěni z hal tzv. západních do východních. Proč, to se mi nepodařilo zjistit. V reportáži před čtyřmi lety jsem umístění evropských a asijských firem popisoval s notnou nadsázkou, a tak si tuto změnu vysvětluji po svém – vystavovatelé si přečetli mé zpravodajství z výstaviště?. Také platí, že není pavilon jako pavilon. Standardy úklidu v halách, stravovacích prostorech, na toaletách byly v pavilonech, kde byla německá a švýcarská expozice, bližší evropským zemím než asijským. A o tom je jedna z čínských mentalit – jaké standardy mají být, ty jim musejí být ukázány, resp. nadiktovány či nařízeny.

Těžká váha z Plzně v první třetině zápasu

Historie strojírenské výroby na Plzeňsku se datuje do poloviny 18. století, kdy byly položeny základy společnosti Škoda. Výroba prvních unikátních obráběcích strojů pro vlastní potřebu byla zahájena v roce 1911. Po první světové válce se pak začaly obráběcí stroje vyrábět pro tuzemské zákazníky i do zahraničí. V novodobé historii prošla firma celou řadou změn ve vlastnické struktuře, které bezesporu ovlivnily její současnou podobu. Škoda Machine Tool patří k lídrům trhu v oblasti výroby horizontek a horizontálních vyvrtávaček, aktuálně prochází významnými změnami k udržení si této pozice.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Novinky značky IMAO pro upínání obrobků

V dnešní době je velká poptávka po efektivní produkci různorodých výrobků v malém objemu a klíčem k vyšší produktivitě je použití přípravků, které lze flexibilně přizpůsobit mnoha různým obrobkům. Upínací prvky ONE-TOUCH se vyrábějí v mnoha různých provedeních, snadno z nich lze vybrat prvky vhodné pro upnutí požadované součásti. Upnutí a odepnutí součásti je jednoduché, bez použití dalšího nářadí a rychlé, zkracuje se čas potřebný pro manipulaci s obrobkem a tím i celkové náklady na výrobu.

Nanovlákenná membrána v oknech ochrání stroje i pracovníky

Zatímco o smogu v ulicích se vedou časté debaty, znečištěný vzduch v interiéru patří k opomíjeným tématům. A to i přesto, že podle Světové zdravotnické organizace stojí život 4,3 milionu lidí ročně a v průmyslových objektech ohrožuje jak zdraví pracovníků, tak samotný provoz. Díky rozvoji moderních technologií nyní interiér účinně ochrání nanovlákenná okenní membrána.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit