Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Optimalizace koncepce pohonu strojů
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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.

 

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

Další články

Převody/pohony/ložiska/spojky
Obráběcí stroje a technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky













Sledujte nás na sociálních sítích: