Témata
Reklama

Optimalizace koncepce pohonu strojů

Pomocí celkové dynamické simulace různých vzájemně působících posuvových systémů stroje může být již v návrhu posuzována vzájemná souhra mezi jednotlivými souřadnými osami. Dále je možné pomocí takové simulace navrhnout cenově příznivý koncept celkového pohonu menších rozměrů s vysokou přesností.

Posuvové osy obráběcích strojů musejí odolávat mnoha mechanickým zatížením, a i přesto přesně polohovat nástroj nebo obrobek. U tvářecích strojů, soustružnických, frézovacích nebo vrtacích center hrají síly rozhodující roli při dimenzování pohonu. Zatímco u tvářecích strojů síly vznikající z procesu tváření jsou podle druhu stroje rovnoměrné (proces ohýbání, tváření) nebo nárazové (lisování, ražení), je frekvenční chování sil u soustružnických, frézovacích i vrtacích center velmi závislé na dráze obrábění a frekvenci záběru zubů. Společné však mají to, že existuje statický a dynamický podíl sil vznikajících při technologickém procesu. Tento podíl musí být navržen s dostatečnou rezervou směrem nahoru, aby spodní hranice přípustného točivého momentu byla pevně daná.

Reklama
Reklama

Na cestě k optimálnímu dimenzování systému pohonů

Volba součástí pohonu při velkém vyložení

Aby se zabránilo předimenzování pohonu, je obvykle na zkušebním zařízení změřen průměrný točivý moment. Ten slouží pro stanovení teplotně vhodného pohonného systému. Na základě požadované rychlosti rychloposuvu, maximální řezné rychlosti, maximálního zrychlení, rozsahu hmotnosti pohybujících se hmot, odhadu velikosti sil tření, přesnosti polohování a maximálního zatížení od řezných sil je možné provést volbu komponent a hrubé dimenzování pohonu. Toto lze udělat běžnými, na trhu dostupnými softwary, jako jsou Siemens Sizer, Bosch Indrasize nebo ABB Drivesize.

Značně rozsáhlejší je téměř vždy tzv. přesné dimenzování, kdy musí být nejprve sestaven model pohonu. Pro jeho sestavení je potřeba znát přesné údaje o dynamice jednotlivých součástí. Jeden z doprovodných obrázků ukazuje testy kruhovitosti dvou os. Osy musejí vytvářet kružnici a podle přesnosti zobrazit buď polohu pomocí interního systému měření délky, nebo pomocí externího měřicího systému (např. křížové mřížky). V levé části obrázku je osa X značně rychlejší než osa Y, což znamená, že šířka pásma nebo případně Kv faktor (P ovladač regulátoru polohy) osy X musí být redukován. V případě, že seřízení obou os bylo optimalizováno jednotlivě pro každou osu samostatně, znamená to, že osa X byla dynamicky dimenzována značně lépe než osa Y. V pravé části obrázku vidíme test kruhovitosti po vyladění řízení obou os. Odchylky, které nastanou vlivem tření nebo vůlí, je možné odstranit lepším vedením nebo menšími vůlemi v pohonu. Důležitou roli zde však hraje vyšší cena pohonu, například při použití lepšího typu vedení (např. hydrostatické).

Test kruhovitosti ukazuje přesnost polohy dvou posuvových os

Vytvoření modelu

Aby bylo možné předem vzájemně vyladit osy pohonu, musíme nejprve vytvořit model systému pohonu. Podle požadovaného stupně přesnosti modelu se nabízejí jednoduché systémy buzení kmitů, nebo zjednodušená simulace metodou konečných prvků. Použití již hotových nebo renovovaných součástí stroje má výhodu, dynamická měření lze provést přímo na těchto součástkách. Systém je možné vybudit pomocí piezobudiče relativně (např. mezi stolem a TCP) nebo pomocí impulzního kladívka absolutně a vzniklé vibrace změřit pomocí senzorů měřicích zrychlení (akcelerometrů).

Rozdělení průběhu frekvencí mezi dráhou (dvojnásobná integrace zrychlení) a budicí silou udává frekvenční poddajnost pohonu. Pomocí Curve-Fitting pak můžeme z hlediska dynamiky upravit model sestavený metodou konečných prvků. Toto je důležité, protože hodnoty tlumení nejsou většinou známé. Potom následuje redukce podle základního systému buzení. Na základě údajů výrobců byla na Werkzeugmaschinenlabor RWTH Aachen (WZL) vyvinuta volně přístupná knihovna Feeddrive-Modelica, která umožňuje jednoduše simulovat pohony tepelně, elektricky a mechanicky.


Vytváření modelu pro systém pohonu a již hotové mechanické komponenty.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Black-Box – optimalizace os pohonu

Podle počtu uvažovaných komponent stačí několik jednotlivých simulací. Pro cenově příznivé systémy pohonů se však musí testovat mnoho komponentů (motory, pohony, kuličkové šrouby), u kterých se nabízejí různé způsoby testování. Na WZL proto byly optimalizací Black-Box testovány jednotlivé osy.

Při návrhu pohonu můžeme dosáhnout výrazné úspory času pomocí tak zvaného náhradního modelu. Aby se našlo optimum, jsou nejprve vypočítány možné náhodné kombinace a potom je vytvořena matematická polygonální funkce až po funkci konečnou. Při každém novém vyhodnocení iterace ve směru gradientu je možné pro dimenzování součástí nalézt relativně rychle optimum. Jako cílovou funkci lze pro optimalizaci použít skok maximálního proudu na regulátoru polohy nebo různé regulační hodnoty, například maximální hodnotu Kv. Velkou výzvou přitom bylo optimální uspořádání komponent pohonu. Zatímco pohon kuličkovými šrouby je možné jednoduše uspořádat podle setrvačné hmoty a stoupání závitu, je to značně těžší u motorů stejného výkonu, různé setrvačné hmoty a točivého momentu.

Pro další zlepšení procesu optimalizace pohonu je v novém projektu DFG zkoumán společně s organizací Institut für Geometrie und praktische Matematik také systém White-Box. Oproti Black-Boxu není problém rozložen na diskrétní provedení umožňující zpracovat časovou simulaci, nýbrž oblast řešení je vzata jako spojitá a potom pomocí různých způsobů, jako např. Branch and bound (metoda větví a mezí), redukována na diskrétní řešení, případně jsou redukovány použité komponenty. Tím je možné dosáhnout podstatně přesnější optimalizace než s běžnými standardními způsoby, jako například přiřazení ekvivalentního zatěžujícího momentu setrvačnosti na moment setrvačnosti daného motoru. Při formulaci přiřazení v rozsahu frekvencí můžeme použít pro stanovení setrvačnosti motoru také příslušné normy.

MM Das Industriemagazin č. 7, 2017, str. 37–39

Jaroslav Řasa

jar.rasa@seznam.cz

Reklama
Vydání #9
Kód článku: 170930
Datum: 12. 09. 2017
Rubrika: Výroba / Pohony
Autor:
Firmy
Související články
Jak se vyvíjí a vyrábí proudový motor?

V letošním roce uvedla První brněnská strojírna Velká Bíteš (PBS) na trh nový turbínový motor PBS TJ150. Jedná se o proudový motor, u kterého se výkon, resp. tah motoru uvádí v jednotkách Newton. Maximální tah tohoto motoru činí 1 500 N. Je to již pátý typ proudového motoru, který tato exportně orientovaná firma dodává na zahraniční trhy.

Ozubené řemeny v pohonech ekologických taxi člunů

Britská firma vyvinula hybridní pohon pro 550 vodních taxíků pro Benátky. Kombinace dieselového motoru a elektromotoru zde snižuje hluk, emise i náklady, přičemž vysoce výkonný řemen Synchrochain Carbon umožňuje použití kompaktního motoru s nízkou hmotností.

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 4.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových (polohovacích) šroubů.

Související články
Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 3.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 2.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových šroubů. Ve druhém pokračovaní se budeme zabývat konstrukcí vlastního kuličkového šroubu a matice a představíme jediného českého výrobce kuličkových šroubů a matic.

Správně kalkulované pohony strojů bez bolesti zubů

V minulém čísle zmiňoval ve svém rozhovoru k 10. výročí založení firmy majitel TAT - pohonová technika Ing. Matthias Mayer silné komodity, které firma obzvláště v oblasti převodovek - hlavně těch přesných - zákazníkovi nabízí. Partnery jsou zde již posledně zmiňované německé firmy Atlanta Antriebssysteme, Neugart a francouzská firma Redex. Vedle přesných převodovek zajímá zákazníky i velmi široká paleta ozubených tyčí - jak kvalitou, přesností nebo rozměry.

Novinky ve světě pohonů

V tomto čísle se představí další novinky obchodních partnerů společnosti TAT - pohonová technika, německé firmy Neugart a italské firmy P.E.I. Obě firmy patří se svými produkty ke špičkovým výrobcům na světovém trhu.

Pohony nejen pro obráběcí stroje

Společnost TAT Technom Antriebstechnik GmbH byla založena v rakouském Linci v roce 1988 a během prvních 10-ti let se velmi úspěšně zabydlela na rakouském trhu, kdy se se svými produkty jako např. přesnými převodovkami, ozubenými tyčemi a dalšími pohonovými prvky i podle výkresů zákazníka stala vůdcem na zdejším trhu mechanické pohonové techniky.

Ready made lineární osy s ozubeným řemenem

Pomocí lineární osy je realizován pohyb v přímém směru a jedná se tak o výborný výchozí konstrukční prvek pro stavbu strojů, automatizačních linek a polohovacích zařízení s potřebou přesného lineárního pohybu ve více osách (typicky například CNC stroje). V posledních letech došlo navíc k výraznému snížení cen a lineární osy se tak stávají dostupné i pro dosud zapovězené oblasti. V neposlední řadě je podstatnou výhodou u tzv. ready made produktů dodávka již smontovaného dílu připraveného k okamžitému použití v zákaznické aplikaci.

Kompaktní pohony s dutou hřídelí

Kompaktní, robustní, cenově výhodné… Jsou-li stanoveny požadavky na stroje, musí zareagovat i poskytovatelé řídicí a pohonné techniky. Jejich inovace jsou důležité pro vývoj konstrukcí strojů.

Elektromechanické pohony zvyšují flexibilitu

Masové přizpůsobovaní výrobků individuálním potřebám uživatelů a neustálé zkracování jejich životního cyklu se odráží i do strojů, na nichž se vyrábějí a sestavují – musejí být mimořádně výkonné, flexibilní, všestranné a v krátkém čase překonfigurovatelné. Takovým nárokům lze často jen velmi obtížně vyhovět pouze prostřednictvím pneumatických pohonů, a to je důvod, proč firma Camozzi vytvořila ve své interní struktuře novou divizi pro vývoj elektromechanických pohonů. Tato nová divize se zabývá zaváděním elektrických pohonných systémů, kdy nabízí řešení zahrnující elektromechanické válce a osy s příslušnými motory, pohony a doplňkovými komponenty, zkombinovanými do konfigurovatelných portálů tak, aby byla uživateli zaručena maximální flexibilita.

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 5.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových (polohovacích) šroubů.

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 1.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových šroubů.

Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

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