Témata
Reklama

Otočný CNC stůl s karuselovací funkcí

Zvyšování flexibility technologických aplikací patří v současnosti k jednomu z výrazných trendů vývoje strojů. TOS Kuřim - OS se rozhodl vývojem CNC otočného stolu s karuselovací funkcí proniknout i do oblasti svislého soustružení a nabídnout zákazníkům možnost doplnit tradiční stojanová, nebo portálová obráběcí centra o další volitelný prvek výbavy. Projekt vývoje otočného stolu byl řešen s podporou programu TIP Ministerstva průmyslu a obchodu.

Matěj Sulitka

Vedoucí Ústavu výrobních strojů a zařízení a Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii Fakulty strojní ČVUT v Praze. Specializuje se na výpočty, simulace CNC obrábění, krytování strojů a dále je vyhledávaným designérem tuzemských výrobců obráběcích strojů.

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.

Reklama
Reklama

Charakteristika otočného stolu

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.

Otočný stůl je navržen v kombinaci s pohybovou osou lineárního přísuvu.

Optimalizace nosné struktury stolu a saní

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.

Strukturální optimalizace stolu a saní byla prováděna pomocí parametrického stěnového modelu metodou konečných prvků.
Při optimalizaci byla jako návrhové kritérium sledována vzájemná deformace ploch hydrostatického vedení a kapes. Zobrazen je výsledek deformace zatížením vlastní tíhou v osovém řezu polovinou MKP výpočetního modelu.

Návrh hydrostatického vedení

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.

Optimální návrh hydrostatického vedení byl hledán pomocí iteračního optimalizačního postupu.

Analýza zátěžných stavů

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.

Výpočetní MKP model sestavy stolu pro analýzu zátěžných stavů. Purpurovou růžicí úseček je znázorněna náhrada obrobku.


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

Aplikace otočného stolu

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

Reklama
Vydání #12
Kód článku: 121231
Datum: 12. 12. 2012
Rubrika: Trendy / Obrábění
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

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