Otočný CNC stůl s karuselovací funkcí

Cíl projektu je v souladu s celosvětovým trendem stavby, nabídky a užívání univerzálních strojů typu Milling+Turning, tj. strojů schopných plnohodnotně provádět operace frézování i soustružení při jednom upnutí dílce. Tato koncepce zvyšuje dosahovanou přesnost na strojích, neboť nedochází mezi jednotlivými druhy obrábění k přestavování a znovu upínání obrobku a ke změně teplotního pole obrobku a stroje. Dalším přínosem strategie multifunkčnosti je zvýšení produktivity, dosažené snížením časových nároků na transport, upínání a seřizování obrobku mezi frézkou, vyvrtávačkou a soustruhem.

Otočný stůl je navržen v kombinaci s lineární pohybovou osou. Přínosem tohoto řešení je především zvýšení rozsahu pracovního prostoru. Průměr upínací plochy stolu je 3 000 mm, maximální hmotnost obrobku 60 t a maximální otáčky pro soustružení 80 min^-1.

Vedení rotační osy je navrženo jako hydrostatické s axiálními i radiálními kapsami, přičemž výška škrticí mezery kapes je řízena pomocí PM regulátorů. Při vypnutí hydrostatiky je rotační osa zpevněna hydraulicko-mechanickým systémem. Lineární pohybová osa je uložena na lineárním valivém vedení.

Pohon posuvu podélných saní je odvozen od servomotoru přes řemenový převod na kuličkový šroub. Kuličkový šroub je uložen na obou koncích v radiálních a axiálních ložiskách. Pohon otočného stolu v zapojení master-slave zajišťují dva samostatné servopohony, které přes úhlové převody a reduktory zabírají do ozubeného věnce otočného stolu.

Vývojová a výzkumná témata projektu byla zaměřena především na optimalizaci nosné struktury stolu, komplexní kontrolu návrhu hydrostatických vedení a analýzu chování stolu s cílem stanovení dovolených provozních parametrů. Tato témata byla řešena v aktivní spolupráci s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při ČVUT v Praze, které v projektu vystupovalo jako spoluřešitel.

Obvyklým cílem optimalizace je nalezení vhodného rozmístění materiálu v konstrukčním návrhovém prostoru při splnění požadovaných vlastností. Při optimalizaci nosné struktury otočného stolu a saní bylo sledováno především kritérium snížení hmotnosti v porovnání s výchozím konstrukčním návrhem. Specifickou součástí cílového kritéria se stalo vzájemné posunutí mezi plochami hydrostatického vedení a kapes, související s požadavkem minimální funkční výšky škrticí mezery kapes. Při použití PM regulátorů je tento požadavek zvlášť náročný, neboť přípustné deformace se pohybují pouze v řádu mikrometrů.

Pro geometrii typu stolu a saní, vyznačující se nízkou zástavbovou výškou a zatížením na horní desku stolu, je nejúčelnější optimalizaci založit na parametrickém modelu. Jako parametry vystupují nejen tloušťky jednotlivých stěn a žeber, ale také počet žeber a jejich uspořádání. Vytvořeno bylo více geometrických variant, v nichž jsou parametrizovány tloušťky žeber, které ve struktuře hrají podstatnou roli.

Návrh žebrování musí vyhovět mnoha kombinacím zátěžných sil, které byly definovány jako okrajové podmínky. Desítky návrhových parametrů rozšiřují počet posuzovaných variant až na desítky tisíc. Aby bylo možno úlohu řešit v přijatelném výpočetním čase, byl zvolen postup s využitím variační techniky na základě metody konečných prvků (MKP). Jejím prostřednictvím je odezva chování strukturálního MKP modelu získaná pro každou návrhovou variantu během zlomku vteřiny pomocí polynomické mnoharozměrné funkce. Tímto způsobem je eliminována nutnost samostatného výpočtu každé nové návrhové varianty pomocí plného MKP modelu. Vlastní optimalizační proces byl založen na genetických algoritmech.

Pomocí pokročilých výpočetních metod se podařilo dosáhnout výrazných úspor hmotnosti. K realizaci byla vybrána varianta, která umožnila snížení hmotnosti až o cca 20 % a současně splňovala požadavky snadné vyrobitelnosti.

Při návrhu hydrostatického vedení musí být dosaženo vhodné vzájemné kombinace tuhosti hydrostatických kapes a tuhosti vedení. Použit byl iterativní přístup k optimalizaci celého návrhu hydrostatického vedení, kombinující MKP a víceparametrickou multikriteriální optimalizaci, uvažující kombinace všech možných zátěžných stavů, které mohou při provozu nastat.

První iterační krok návrhu spočívá ve výpočtu silových spekter hydrostatických kapes za předpokladu absolutně tuhé stavby nosné struktury. Dalším krokem je pro získaná spektra reakcí nalézt vhodné rozměry odpovídajících kapes a parametry regulačních prvků pomocí parametrické optimalizace s využitím metody genetických algoritmů. Výstupem tohoto bodu návrhu jsou silovědeformační charakteristiky kapes, způsob jejich řízení a geometrické rozměry kapes, vyhovující všem předepsaným hranicím, konvergenčním kritériím a požadované bezpečnosti.

Ve třetím kroku je vytvořen MKP model s detailní, nelineární náhradou hydrostatických kapes a je provedena komplexní kontrola silových reakcí v kapsách a výšky škrticí mezery.

Za provozu je otočný stůl zatěžován řeznými silami, gravitační silou a odstředivými silami. Různými kombinacemi zátěžných sil vznikají deformace nosné struktury stolu, vedoucí až k limitním stavům funkce hydrostatických kapes. Pro uživatele stolu je nutno vytvořit mapu přípustných zátěžných stavů, které sledují ve vzájemných kombinacích parametry hmotnosti obrobku, excentricity těžiště a otáček.

Výpočetně bylo prošetřeno velké množství možných případů. Uplatněna byla pokročilá metoda redukce MKP modelu celé sestavy na rozměr řádově několika desítek stupňů volnosti, díky čemuž je možné výpočetní čas pro řešení analýzy zátěžných stavů zkrátit do přijatelného rozsahu několika hodin. Kromě sledování deformací v modelu účinkem tíhy stolu a obrobku byl do výpočetního procesu zahrnut i vliv způsobu odlévání kapes. Při nalévání kapes jsou totiž vůči sobě plochy vedení a kapes již vzájemně deformovány a tato deformace se následně sčítá s provozním zatížením stolu.

Analýza zátěžných stavů – oblast vlevo od křivek znázorňuje provozně přijatelné kombinace hmotnosti obrobku, excentricity těžiště a otáček.

Přesuvný otočný stůl s hydrostatickým vedením v rotační ose rozšiřuje pracovní možnosti obráběcích strojů z produkce TOS Kuřim o další dvě souvisle řízené osy – osu lineárního posuvu a rotační osu stolu. Soustružení umožňuje technologicky využít funkci tvarového frézování a karuselování, opracovávat přímé i kruhové plochy, vrtat otvory a drážky libovolně průměrově a úhlově rozdělené po kružnici i mimo kružnici. Otočný stůl zvyšuje multifunkčnost stroje, umožňující realizovat větší spektrum prací a operací, čímž se uživateli stroje výrazně rozšiřuje obrobkové portfolium.

Vývoj otočného stolu byl podpořen z prostředků projektu FR-TI3/607 v rámci programu TIP Ministerstva průmyslu a obchodu.

Ing. Matěj Sulitka, Ph.D.
Ing. Jan Sobola
VCSVTT, ČVUT v Praze, Fakulta strojní
TOS Kuřim-OS
M.Sulitka@rcmt.cvut.cz