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
Firmy
Související články
Digitalizujeme svět obrábění

Digitalizace v oblasti obráběcích strojů je poměrně nový fenomén. Svět digitalizace se stává svébytným ekosystémem a Siemens jako jediný má pro jeho vytvoření a fungování potřebnou škálu nástrojů – od simulačních programů pro plánování a virtuální zprovoznění strojů, výrobků i procesů přes řídicí systémy a další prvky průmyslové automatizace po monitoring a sběr dat, cloudová úložiště i manažerské nadřazené systémy. Jaké výhody digitalizace přináší, ukázal Siemens na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně mimo jiné také na prototypu multifunkčního obráběcího centra MCU450 společnosti Kovosvit MAS.

Silná geometrie s měkkým řezem

Existují prezentace produktů, které je potřeba přečíst si několikrát, než je člověk pochopí. Tato prezentace k nim ovšem nepatří. S-Cut SC-UNI je fréza, jejíž funkční princip lze přes její unikátní provedení, nebo právě proto, velmi snadno vysvětlit. Její břity ve tvaru S a extrémně nestejné dělení potlačující chvění vyvolané procesem obrábění vytvářejí z této frézy vysoce kvalitní nástroj, který v rámci veškerých srovnávacích testů poráží porovnávané frézy.

Hydrostatika zvyšuje užitnou hodnotu obráběcích strojů

Hydrostatické vedení je jedním z typů lineárních vedení, která se používají u obráběcích strojů. Princip je znám dlouhá léta, přesto lze na komponentech, které zajišťují jeho funkci, stále co vyvíjet a vylepšovat. Příkladem tohoto úsilí je výsledek spolupráce firem Toshulin a Argo-Hytos.

Související články
Toolmanagement do moderní výroby

Každá firma, která realizuje technologii obrábění, spravuje svůj nástrojový park a příslušná data. Disponuje určitým nástrojovým managementem např. v podobě výdajových karet či vytvořený v běžně dostupných počítačových programech, např. MS Excel. Otázkou pak je, zda mu tento stávající systém plně vyhovuje nebo ho hodlá změnit a nalézt profesionálnější řešení.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nové multifunkční centrum

Multifunkční soustružnicko-frézovací centrum Multicut 630 je novinkou a zároveň vlajkovou lodí ve výrobním sortimentu společnosti Kovosvit MAS, a.s., kde rozšiřuje stávající řadu multifunkčních center již zastoupenou strojem Multicut 500. Jedná se o první sériově vyráběný multifunkční stroj v České republice, který disponuje oproti standardním technologiím soustružení a frézování i technologií vrtání, vyvrtávání a soustružení hlubokých otvorů.

Je zaškrabávání nezastupitelná metoda?

V minulém vydání jsme uvedli 1. díl pohledu do minulosti i současnosti řemeslné výroby obráběcích strojů. Nyní vám přinášíme pokračování tohoto článku o unikátní metodě – technologii zaškrabávání.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Postprocesory a postupy v CAM pro produktivní a přesné obrábění

Víceosé obrábění tvarově složitých dílců se čím dál tím více řadí mezi běžné výrobní technologie. Stroje rozšířené o rotační osy nabízejí při takové technologii výroby výhody zejména z hlediska menších nároků na nutné přeupínání dílců během výroby a tudíž nižší riziko vzniku chyb a nepřesností. Tuto výhodu ještě více umocňují tzv. víceprofesní obráběcí stroje, které disponují více než pěti řízenými osami.

Od vzdělávání přes úspory až po virtuální realitu

Společnost Siemens se zúčastnila všech dosud konaných ročníků Mezinárodního strojírenského veletrhu v Brně a tradice pokračuje i v letošním roce, kdy hlavním tématem expozice je časová a energetická efektivita v rámci celého životního cyklu stroje - od jeho návrhu až k výrobě. Že je ochrana životního prostředí pro Siemens téma číslo jedna, podpoří i divácky atraktivní část expozice, ve které se představí nový model elektromobilu BMW i3, který je od jara letošního roku součástí vozového parku společnosti Siemens.

Virtuální kontrola obrábění

Kvalita obrobeného povrchu a čas obrábění při dosažení požadované přesnosti jsou nejběžněji sledovanými kritérii obrábění. Prostředkem pro optimalizaci a rychlou kontrolu výsledků obrábění se stávají simulace virtuálního obrábění s vizualizací obrobeného povrchu.

Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

Na cestě ke zrození stroje, část 3:
Cenová nabídka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Na cestě ke zrození stroje,
Část 1. Průzkum trhu

Série 10 článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje postup výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, v jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu a návratnost investic.

Průmysl 4.0 v praxi

Reflexe současného poznání s aplikací prvků Průmyslu 4.0 do praxe byla předmětem odborné konference, kterou společnost Ceratizit společně se svými partnery připravila pro téměř stovku účastníků z řad výrobních společností ve svém Technickém centru. Od původního teoretizování o aspektech Průmyslu 4.0 jsme se nyní dostali již k praktických zkušenostem.

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