Témata
Reklama

Nové kinematické struktury strojů

Od první známé konstrukce hexapodu navržené V. Goughem v roce 1949 uplynulo již více než padesát let. Základem pro stroje s paralelní kinematickou strukturou je Stewartova plošina, jejíž vlastnosti popsal D. Stewart v roce 1965.

Jde o uspořádání šesti délkově proměnných tyčí spojujících nepohyblivou plošinu pomocí kulových kloubů nebo kardanových kloubů s pohyblivou plošinou. Snaha snížení pohyblivých hmot a nasazení vysoce dynamických pohonů se stala cílem u nových konstrukcí strojů s paralelní kinematikou (PKM - Parallel Kinematic Machines). V letech 1970 - 1989 bylo neúspěšně vyrobeno několik modelů s touto strukturou, které narážely na technické obtíže, a zejména pak na obtíže hardwarové a softwarové. Tyto nové kinematické principy u obráběcích strojů se začaly poprvé používat u strojů obráběcích laserovým paprskem.
Reklama
Reklama
Reklama

Výhody a nevýhody jejich konstrukce

Stroje s paralelní kinematickou strukturou mají nelineární prostorový systém. Pohyb každé tyče mění prostorovou úhlovou polohu všech ostatních tyčí. I realizace nejjednodušších pohybů vyžaduje spolupráci všech šesti tyčí. Aplikace těchto strojů je nejefektivnější při vysokorychlostním frézování zápustek a forem. Tyto stroje skýtají několik výhod ve srovnání s konvenčními stroji - v prvé řadě je to skutečnost, že aktivní tyče opatřené kulovými klouby nebo kardanovými klouby vylučují ohybové nebo torzní účinky a přenášejí tak jen tlakové a tahové síly, což dovoluje velmi tuhou konstrukci stroje a vede ke značnému snížení celkové hmoty stroje.
Na druhé straně je však nutno počítat již se zmíněným požadavkem k realizacii nejjednodušších pohybů ve spolupráci všech šesti tyčí. Náročné řízení polohy vyžaduje aplikaci velmi dokonalého a pokročilého řídicího systému. Všechny polohy, které mají být dosaženy, musí být přepočítávány na délkové změny aktivních tyčí. To se provádí prostorovou transformací souřadnic, která vypočítává délky tyčí pro každý bod daný v kartézských souřadnicích. Dalším, především konstrukčním problémem těchto struktur jsou geometricky omezené úhlové rozsahy kloubů, což omezuje i výsledné chování těchto strojů. Jinou nevýhodou většiny paralelních kinematik jsou dlouhé délky tyčí vystavené tepelným dilatacím. Tření v kuličkových šroubech, které se u tyčí často používají, vede k jejich zahřátí a prodlužování. Nakonec i vztah mezi velikostí pracovního prostoru a celkovým objemem stroje je zde nevýhodný ve srovnání s konvenčními obráběcími stroji.

Novinky na EMO Hannover 2001

Na letošní mezinárodní výstavě EMO v Hannoveru bylo možno spatřit jak stroje a jejich výrobce, kteří již vystavovali na předchozích dvou výstavách EMO, tak i stroje nové. Výrobci, kteří vystavovali již v minulých letech prezentované stroje, se zaměřili především na dosažení jejich vyšších a lepších parametrů, jako např. Renault Automation (Urane SX) či NEOS Robotic (Tricept). Naopak jiní výrobci jako např. Okuma či Sena Technologies stroje s paralelními kinematickými strukturami vůbec nevystavovali a za poslední dva roky se jejich vývoj spíše zastavil. Vedle výrobců obráběcích strojů vystavovaly aplikace s paralelními kinematickými strukturami také výzkumné instituty a vysoké školy.
Německá firma Index-Werke vystavovala stroj pod označením V 100, myšlenkově stejný jako stroj Linapod vyvinutý na stuttgartské univerzitě na ústavu ISW. Koncepce, u které se pohybovala platforma pomocí tyčí proměnlivé délky, byla změněna na strukturu, u které mají tyče konstantní délku. Délky tyčí jsou tedy v tomto případě neměnné a jsou řízeny pohyby jejich horních kloubů ve svislém směru. Vždy dvě tyče tvoří paralelní pár, jehož horní klouby jsou přestavovány jedním motorem. V pracovním prostoru stroje 280 x 280 x 145 mm je možno dosáhnout maximální rychlosti 50 m/min a maximálního zrychlení 1 g. Vřeteno o jmenovitém výkonu 10,5 kW má maximální otáčky 10 000 min-1. Stroj je vybaven zásobníkem pro 8 až 12 nástrojů.
Firma Heckert představila zcela nový stroj Kinematic SKM 400 založený na tripodovém systému. Pracovní prostor stroje je 650 x 650 x 650 mm, maximální rychlost je 100 m.min-1 a maximální dosahované zrychlení 1 G. Vřeteno o jmenovitém výkonu 19 kW má maximální otáčky 15 000 min-1. Jako řídicí systém se používá Siemens Sinumerik 840 D. Obrobek je pomocí palety o rozměrech 400 x 400 mm upínán na stůl, který má řízenou osu otáčení s přesností 0,001 stupně a maximálními otáčkami 100 min-1.
Tripodový systém použila také firma Deckel Maho u frézovacího centra TriCenter s maximální rychlostí 100 m.min-1 a zrychlením 2 G.
Firma PEM společně s Fraunhofer IWU (Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik) v Chemnitzu realizovala prototyp ohýbacího stroje pro profily s označením HexaBend. Zařízení umožňuje ohýbat uzavřené i otevřené ocelové profily a profily z neželezných materiálů v trojrozměrných křivkách. Jednotlivé tyče kinematické struktury jsou realizovány hydraulicky. Dosahovaná přesnost zařízení je (0,1 mm a umožňuje ohýbat profily, jejichž opsaná kružnice je od 30 do 80 mm.
Na stánku firmy INA byly předvedeny dva stroje s paralelní kinematickou strukturou. První z nich s označením Paralix byl vyroben společně s ZFS (Zentrum Fertigungs-technik Stuttgart). Jedná se o pětiosé frézovací centrum s pracovním prostorem 500 x 400 x 400 mm. Centrum je nabízeno ve dvou provedeních, jak s kuličkovými šrouby, tak i s lineárními motory Siemens řady 1FN3. Dosahovaná přesnost na stroji je (10 µm, rychlost v jednotlivých osách je 60 m.min-1 a dosahované zrychlení v provedení s kuličkovými šrouby je 1.5 G, v provedení s lineárními motory zrychlení dosahuje hodnoty 2 G.
Druhým vystavovaným strojem byl stroj s označením Ulyses. V pracovním prostoru 630 x 500 x 500 mm je dosahováno maximální rychlosti 120 m.min-1a maximálního zrychlení 2 G. Výkon vřetena je 27 kW a jeho maximální otáčky jsou 24 000 min-1.
Aplikaci paralelní kinematické struktury ve zcela odlišném oboru - lékařství - představila firma U. R. S. spolu s ISW (Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen), institutem ze Stuttgartu. Zařízení označené Hexapod Z je používáno při manipulaci anatomických struktur a k bezpečnému přemísťování lékařských zařízení a nástrojů v kritických oblastech v okolí orgánů a všude tam, kde je požadována opakovaná přesnost polohování nižší než 10 µm.
IWF Institut (Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik) na technické univerzitě v Braunschweigu ukázal portálový systém Portys vyvinutý společně s firmou Siemens. Robot má dva stupně volnosti. Dva lineární pohony jsou upevněny na vodicí kolejnici o délce 2150 mm. Ramena o délce 500 mm jsou vyrobena z uhlíkových vláken a jsou konstruována k zvedání břemen způsobující svislou sílu do 200 N. Samotný pracovní prostor robota je 300 x 630 mm. Portálový systém je řízen dvěma synchronními lineárními motory Siemens řady 1FN s maximální rychlostí 6 m.s-1 a silou 550 N. K řízení je používán řídicí systém Siemens 611 U, k odměřování lineární pravítka firmy Heidenhain. Při rychlosti 4 m.s-1 a zrychlení 3G je zaručena opakovaná přesnost 10 µm.
Z dalších vysokoškolských ústavů se představil IFW (Institut für Fertigungstechnik und Spanende Werkzeugmaschinen) z univerzity v Hannoveru. Vystavoval hybridní kinematickou strukturu DUMBO sloužící k výrobě a údržbě rozměrných kovových forem. V pracovním prostoru může být obráběn polotovar krychle o rozměru hrany 480 mm. Svislý posuv v ose Z polohuje paralelní kinematickou část. Tato část se skládá ze dvou teleskopických tyčí s kulovými klouby na jednom konci a s kardanovými klouby na konci druhém, blíže k vřeteníku. S měnící se délkou tyčí je vřeteník stroje polohován v rovině X-Y. Vřeteno má jmenovitý výkon 10 kW a maximální otáčky 30 000 min-1.

Pár slov závěrem

Výstava v Hannoveru ukázala, že paralelní kinematické struktury, které se těšily největší pozornosti na univerzitách i u firem především v minulých čtyř letech, jsou nadále zkoumány a hlavním cílem tohoto několikaletého výzkumu a vývoje je nyní především aplikace těchto poznatků v průmyslu. Svědčí o tom také projekt MACH 21, který je financován z prostředků Evropské unie v rámci Pátého rámcového programu.
Doposud realizované aplikace těchto struktur v průmyslu ukazují jejich použití zejména u vysokorychlostního obrábění a nekonvenčních způsobů obrábění. V neposlední řadě nacházejí významné uplatnění v polohovací a manipulační technice.
Tyto poznatky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje LN00B128.
Na závěr je připojena pro zájemce a příznivce pozvánka na mezinárodní seminář o paralelních kinematických strukturách, kde budou opět diskutovány a publikovány nové poznatky z vývoje metod a aplikace těchto struktur. Seminář se koná 23. - 25. dubna 2002 na IWU v Chemnitzu.
Reklama
Vydání #12
Kód článku: 11209
Datum: 12. 12. 2001
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
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
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

Československá stopa u nového rekordu

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

CNC řízení pro rychlostní a multifunkční obrábění

Výsledek obráběcího procesu v parametrech přesnost/rychlost/povrch je dán mnoha faktory na straně stroje, nástrojů, způsobu programování a upínání, přičemž může existovat i více cest k jednomu stanovenému cíli. V tomto článku bychom se chtěli zaměřit na CNC řídicí systém, který je dnes bezpochyby podstatnou a nenahraditelnou složkou tohoto procesu. Řídicím systémem přitom většinou rozumíme jak vlastní řídicí počítač, tak i pohony os a vřeten a systémy odměřování polohy.

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