Témata
Reklama

Měření vlastností obráběcích strojů

Součástí Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při FS ČVUT v Praze je Zkušební laboratoř, akreditovaná u ČIA v oboru zkoušení obráběcích strojů. Zkoušky, které laboratoř provádí, vychází z normy ISO 230 i z vlastních měřicích postupů.

Doc. Pavel Bach

Působí na výzkumném centru RCMT při ČVUT v Praze. Specializuje se na oblast kmitání a stabilitu obráběcího procesu.

Příklady vybraných zkoušek, které se ve Zkušební laboratoři realizují, jsou uvedeny v následujícím textu. Skupina měření řeší také řadu výzkumných úkolů mimo akreditaci. Příkladem je výzkum diagnostických systémů.
Reklama
Reklama
Reklama

Geometrická přesnost obráběcích strojů

Geometrickou přesnost lze zjednodušeně charakterizovat jako schopnost daného stroje realizovat programované úkony (tj. polohovat řízené osy, provádět interpolace, řídit otáčky vřetena apod.) s požadovanou přesností. Úloha proměření geometrické přesnosti se tak rozpadá na soubor měřicích procedur, jejichž celkovým zhodnocením získáme požadované informace o stavu konkrétního obráběcího stroje. Základním požadavkem kladeným v dnešní době na měřicí aparaturu je jednoduchost a rychlost instalace spolu s malou nejistotou výsledků měření. V této souvislosti se na trhu objevují neustále nová metrologická zařízení. Jednou z posledních novinek je aparatura označovaná jako MT-Check, resp. česky "samocentrovatelná hlava". Jedná se o zařízení, které myšlenkově vychází ze souřadnicových měřicích strojů. Základem jsou tři přesné dotykové úchylkoměry, prostorově orientované tak, aby vytvořily úchopnou hlavici schopnou obemknout kulový element. Pro vlastní měření je použito několik elementů uspořádaných do řady - tzv. kalibrační artefakt. Samocentrovatelnou hlavu lze upnout přímo do vřetena, kalibrační artefakt se uloží na pracovní stůl stroje ve směru jedné ze souřadných os. Jednoduchým programem se poté najíždí hlavou na jednotlivé koule. Výsledkem měření je přesnost polohování v dané ose a obě přímočarosti pohybu osy. Druhou možností je umístit artefakt do obecné polohy v rámci pracovního prostoru stroje (např. do prostorové diagonály) a určit tak prostorovou přesnost polohování.
Znalost prostorové přesnosti polohování je obzvláště důležitá při obrábění tvarově složitých dílců, např. forem nebo zápustek. Z tohoto důvodu byla vyvinuta rovněž metoda založená na laserové interferometrii. Při měření je laserový paprsek pomocí speciálních optických elementů natočen do směru prostorové diagonály vedené napříč pracovním prostorem stroje. Výsledkem testu je tzv. přesnost diagonálního přestavení, parametr definovaný normou ČSN ISO 230-6. V rámci VCSVTT je pro tato měření využíván laser interferometr Optodyne MCV500.
Srdcem každého obráběcího stroje je vřetenová jednotka. Sofistikovanou metodu pro určení přesnosti chodu vřetena za rotace poskytuje aparatura Lion Precision. Měřicí postup spočívá v určení odchylek oběhu kulového trnu upnutého ve vřetenu od ideální orbity dané rozvážením trnu. Odchylky jsou snímány ve směru souřadných os stroje pomocí přesných kapacitních snímačů. Matematickým zpracováním získaných dat lze vyhodnotit charakteristické parametry přesnosti chodu vřetena. Jejich hodnoty poukazují na možné příčiny nepřesností, mezi něž patří opotřebení komponent ložisek, nesprávné uložení ložisek, nepřiměřené předpětí, vibrace vřeteníku a další.

Teplotní pole strojů a deformace

Při této zkoušce probíhá souběžné měření teplot a měření teplotních deformací. Teploty jsou měřeny pomocí specifikované aparatury, jejíž součástí jsou kontaktní čidla s příslušnou datovou ústřednou, bezkontaktní IR teploměr a infrakamera. Měření deformací se provádí pomocí vhodného výběru ze specifikovaného souboru zařízení. Okamžitým výsledkem zkoušky jsou průběhy teplot v čase a průběhy deformací v čase při určeném provozním nebo klidovém režimu. Tyto výsledky po zpracování popisují závislost deformací na teplotách.
Zkouška tedy určuje:
- chybu vzniklou v důsledku kolísání teploty prostředí;
- tepelné deformace způsobené otáčením vřetena;
- tepelné deformace způsobené pohybem v lineárních osách.

Dynamická měření na obráběcích strojích

Důležitým parametrem, který udává dynamické vlastnosti obráběcích strojů, jsou modální parametry. Jsou to vlastní frekvence, tlumení a vlastní tvar kmitání. Metody užívané k získání modálních parametrů lze rozdělit na dvě skupiny.
V první skupině se měří tzv. funkce frekvenčního přenosu (FRF). Zkoumaná konstrukce je buzena měřitelnou silou. Měří se odezva konstrukce a budicí síla. Podělením těchto dvou signálů se získá již zmíněná FRF. Pro identifikaci vlastních frekvencí a tlumení stačí provést měření jedné FRF. Pokud chceme zjistit tvar kmitání, je třeba opakovat měření v různých bodech na měřené konstrukci. Tyto body dají dohromady model konstrukce, kde potom lze animovat příslušný tvar. Jako budiče se používají modální kladiva nebo vibrátory.
Při použití druhé skupiny metod se modální parametry odhadují nepřímo, pouze na základě měření odezev zkoumané konstrukce. Tyto metody jsou popsány v následujících odstavcích.
Při R-D testech je stroj buzen odstředivými silami vznikajícími při rotaci vřetena. Měření je nutné provést při různých otáčkách. Důvodem je, že se tím přelaďují frekvence budicích sil. Při R-D testu stroje jsou měřeny otáčky a autospektra vibrací. Výsledkem je třírozměrná mapa, kde maxima značí vlastní frekvence stroje. Podle vzorkovací frekvence měřeného signálu rozeznáváme dvě metody: spektrální analýzu a harmonickou analýzu. Při spektrální analýze je vzorkovací frekvence konstantní. Při zpracování signálu probíhá FFT algoritmus. Spektrální mapa je potom poskládána z autospekter a třetí osou jsou otáčky. Nevýhodou je rozředění signálu vyšších řádů. Při harmonické analýze je vzorkovací frekvence závislá na otáčkách. Důsledkem je, že se ve spektrální mapě frekvenční osa transformuje na řádovou. Tato metoda odstraňuje nevýhodu ředění signálu, na každou otáčku připadá stejný počet vzorků. R-D testy se tedy získají údaje o vlastních frekvencích.

Stabilita frézování

Způsobilost frézovacích strojů a nástrojů ke stabilnímu obrábění se vyšetřuje dynamickým měřením na nástroji. Je nutná znalost obvyklých řezných podmínek a základních parametrů nástroje. Je důležité znát také momentovou a výkonovou charakteristiku pohonu vřetena. Na základě přenosové funkce se zjistí především minimální mezní hloubka třísky, při které je frézování stabilní za všech otáček. Kromě toho lze v diagramu stability nalézt řadu otáček vřetena, za kterých je možné obrábět bez chvění mnohonásobně vyšší axiální hloubkou třísky, tj. i s vyšším úběrem materiálu a lepším využitím výkonu pohonu. Lze vyšetřit tyto optimální podmínky pro různé materiály obrobku. Nástroj může být zvolen tak, aby lépe vyhovoval konstrukci vřetena. Výsledkem vyšetření stability frézky je diagram stability frézování.
Technolog a programátor dostávají do ruky informaci, která může okamžitě zvýšit řezný výkon a využití instalovaného pohonu vřetena. Stabilní podmínky, řezný výkon i využitelnost instalovaného výkonu vřetena může zákazníkovi předložit i výrobce stroje pro zvolené typické nástroje nebo pro zadanou technologii, na kterou stroj pro zákazníka seřizuje.

Systém experimentální diagnostiky a měření

Na základě úzké spolupráce VCSVTT a společnosti AURA, a. s., byl navržen a realizován systém umožňující dlouhodobé sledování velkého počtu veličin měřených instalovanými senzory na stroji LM-2 a dále paralelní časový záznam všech významných adres PLC sytému (jde o veličiny popisující stav stroje z hlediska řídicího systému stroje - "PLC stavové veličiny"). Soubor měřených veličin byl navržen na základě požadavků všech předpokládaných a dlouhodobě plánovaných experimentů a měření, které byly specifikovány technology, pohonáři, diagnostiky a vývojáři VCSVTT.
Všechny snímače teploty jsou provedeny na bázi PT100 ve třídě A a byly dodány společností Sensor Modular Systems. Tenzometry a velmi rychlé moduly pro zpracování signálů z tenzometrů dodaly společnosti Techlab a Orbit Merret. Průtokoměry pro měření průtoku fluidních médií (chladicí voda, vodní emulze, vzduch) pocházejí od společnosti SMC.
Velká pozornost byla věnována vysokorychlostnímu vřetenu jakožto nejcitlivějšímu článku stroje. Byly zde instalovány čtyři teploměry a pět akcelerometrů. Pro diagnostiku ložisek vřeten jsou klíčovými čidly piezokeramické akcelerometry.
Signály ze snímačů vedou do měřicích a vyhodnocovacích modulů. Předzpracovaná data z měřicích a vyhodnocovacích modulů, ale také z řídicího PLC stroje Simatic se soustřeďují do diagnostického serveru. Data z PLC jsou důležitá pro opakovatelnost měření.
Za standardních okolností posílá diagnostický server do střediska pro diagnostiku pouze informaci, že všechna data jsou pod varovnými hladinami, případně v určených intervalech posílá balíček naměřených hodnot a časových záznamů. Tyto hodnoty odborná obsluha zpracuje pomocí specializovaného softwaru v diagnostickém středisku, které může být díky internetu jakkoli vzdálené. Důvodem pro zpracování v diagnostickém středisku jsou vysoké náklady na SW pro důkladnou analýzu včetně specialistů, kteří s ním pracují.
???
Záměrem Zkušební laboratoře VCSVTT je dosáhnout určitého stupně automatizace diagnostiky přímo v diagnostickém serveru u stroje tak, aby diagnostický systém dokázal zvýšit, nebo naopak snížit intenzitu provádění měření. Četnost měření by měl systém určovat podle stavu stroje a podle jeho zatížení z hlediska směnového provozu.
Tyto výsledky vznikly za podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci projektů LN00B128 a 1M6840770003.
Ing. Pavel Bach, CSc. a kol.
Všechny obrázky, grafy a schémata naleznete v tištěné podobě časopisu.
Reklama
Vydání #5
Kód článku: 50518
Datum: 18. 05. 2005
Rubrika: Trendy / Obrábění
Firmy
Související články
Strojírenské podniky v době pandemie

Pandemie koronaviru uzavřela hranice naší republiky a zahraniční pracovníci se nedostanou do zaměstnání. Řada domácích zaměstnanců musela nastoupit do karantény. Mnoho českých strojírenských podniků se tak dostalo do nemalých problémů. Firma Grumant hledala recept, jak se takovým problémům vyhnout nebo alespoň minimalizovat jejich následky.

Pohodlné upínání magnetem

Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

Přesnost zvyšující produktivitu

Zakoupení obráběcího centra Pama umožnilo společnosti Tajmac-ZPS zvýšit nejen její celkovou produktivitu, ale také geometrickou přesnost při výrobě důležitých komponent pro její vícevřetenové automaty.

Související články
Prediktivní diagnostika přesnosti CNC strojů

Jak přesný je náš stroj? Můžeme jeho parametry nějak zlepšit? Je stále ještě ve stavu, který předpokládáme? Často je obráběcí stroj pro uživatele černou skříňkou, která v optimálním případě produkuje shodné výrobky. Nemusí to tak zůstat a stav strojů lze i cíleně zlepšovat.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Kloubový robot uvnitř stroje

V oboru obráběcích strojů není potřeba japonskou společnost Okuma podrobně představovat. Je známá svým širokým sortimentem soustružnických, frézovacích a brousicích číslicově řízených obráběcích strojů. Nyní na trh přináší vlastní automatizační řešení v podobě robota Armroid.

Novinka z varnsdorfské líhně

Přední evropský výrobce obráběcích strojů, TOS Varnsdorf, letos představil nečekanou novinku, která významně rozšiřuje nabídku výkonných obráběcích strojů z varnsdorfské líhně.

Vlajková loď pětiosého obrábění

Český výrobce obráběcích strojů Kovosvit MAS v letošním roce slaví úspěch se svojí high-tech produkcí, zejména s pětiosými vertikálními obráběcími centry řady MCU. Tyto stroje se daří firmě umísťovat na náročné trhy Evropské unie i jinde ve světě, cenné reference sbírají především v leteckém průmyslu.

Pro větší efektivitu ve výrobě

Spolupráce mezi výrobcem obráběcích strojů Hurco a dodavateli automatizovaných nakládacích systémů má za následek vyšší produktivitu a větší výnosy. Automatizované nakládání umožňuje rozšíření kapacity v kusové a malosériové výrobě bez potřeby dalšího personálu pro obsluhu strojů. Nakládací roboty je možno také využít v bezobslužných směnách nebo o víkendech.

Československá stopa u nového rekordu

Nový rekord počtu návštěvníků jsme zaznamenali na letošním technologickém setkání WFL Millturn Technologies.

Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

Plnění požadavků na čistotu ve výrobě

Firma Rosler vyvinula pro výrobce systémů škrticích a výfukových klapek kompletní systém automatizovaného obrábění. Tento systém pokrývá operace od převzetí obrobku po třískovém obrábění přes proces surf finishingu a jemného čištění, nanesení kódu datové matice až po zabalení dílů do KLT obalů a jejich přesun do stohovacích kontejnerů.

Optimalizace soustružení korozivzdorných ocelí

Použití korozivzdorných ocelí pro inženýrské aplikace vždy do určité míry vedlo k technickému paradoxu. Zatímco konstruktéři jsou nadmíru spokojeni s tím, jaké pevnostní vlastnosti a korozní odolnost tyto běžně používané materiály nabízejí, výrobní inženýři už jsou asi méně okouzleni jejich typickým deformačním zpevňováním a všeobecně špatnou obrobitelností. Avšak průmyslovými odvětvími, jako jsou výroba čerpadel a ventilů, výroba zařízení pro ropný a plynárenský průmysl, automobilový a letecký průmysl, jsou součásti z korozivzdorných ocelí výslovně požadovány i nadále.

Multifunkční obráběcí centra

Tento typ obráběcích center patří do bouřlivě se rozvíjející skupiny CNC obráběcích strojů. Představuje typ obráběcího stroje, který reflektuje rostoucí požadavky uživatelů na obrobení součásti při jednom upnutí. Ve své podstatě jde o CNC stroje sdružující dvě základní operace třískového obrábění, a sice soustružení a frézování, do jednoho stroje. Kromě tohoto atributu mají tyto stroje i jiné vlastnosti, které budeme dále diskutovat.

Efektivní likvidace obráběcích kapalin

Obráběcí emulze jsou klíčovým prvkem celé řady obráběcích procesů. Emulze zajišťují chlazení, odvod vznikajících třísek, dočasně pasivují obrobky v průběhu operací a mají spoustu dalších funkcí. Na konci životnosti emulze je nutné zajistit jejich likvidaci. Vyčerpané emulze jsou klasifikovány jako nebezpečný kapalný odpad, takže je nelze jednoduše vylít do kanalizace. Článek pojednává o možnostech likvidace obráběcích kapalin.

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