Pokročilé teplotní kompenzace portálového obráběcího centra

Projekt je na nejvyšší obecné úrovni zaměřen na zvyšování konkurenceschopnosti strojů konsorciálních firem. Tohoto cíle má být dosaženo společnými výzkumnými a vývojovými aktivitami firem a univerzit, jejichž výsledkem budou zlepšené hlavní užitné vlastnosti strojů. Po roce řešení již projekt přinesl první konkrétní výsledek uplatněný na stroji konsorciální firmy. Jedná se o implementaci nové robustní kompenzace teplotních deformací stroje MMC 1500 vyráběného firmou Kovosvit MAS.

V současné době, kdy jsou kladeny stále vyšší požadavky na výrobní přesnost obráběcích strojů, patří teplotní chování stroje mezi jeho kritické vlastnosti. Je známo, že teplotní chyby stroje tvoří 40 % až 70 % z celkové výrobní odchylky způsobené všemi zdroji nepřesností. Ke zvýšenému významu teplotního chování strojů v posledních letech přispívá řada faktorů. Jedním z nich je stálé zvětšování řezných a posuvových rychlostí a zvyšování otáček vřeten, čímž dochází k nárůstu tepelných zdrojů, které následně způsobují i větší teplotní deformace na špičce nástroje (teplotní chyby). Dále pak v posledních letech došlo k výrazným zlepšením na poli statického a dynamického chování obráběcích strojů, čímž opět vzrostl dopad teplotního chování stroje na výslednou výrobní přesnost. Potvrzením zvýšeného zájmu o teplotní účinky na obráběcí stroje a jejich minimalizaci je bezesporu vydání normy ISO 230-3 (2007) a skutečnost, že teplotní chyby strojů se staly částí přejímacích testů.

Obr. 1. Schematicky znázorněný vliv na velikost teplotní chyby v  místě nástroje v závislosti na otáčkách, čase a zatížení pracovního vřetena

Na minimalizaci teplotních deformací stroje je samozřejmě třeba dbát již při samotném konstruování stroje. V konstrukční fázi by měla být navržena zejména teplotně symetrická konstrukce, aby na špičce nástroje vznikaly pouze lineární složky teplotních chyb, neboť úhlové složky teplotních chyb je následně komplikovanější odstranit (kompenzovat). Dále pak je třeba využít konstrukční uzly a prvky s větší účinností (redukce produkovaného tepla), vhodně umísťovat zdroje tepla či je patřičně izolovat, a pokud je to možné, tak i použít nekonvenční materiály s nízkou tepelnou vodivostí a roztažností (např. přírodní žula). Nedílnou součástí vhodně navržené konstrukce by mělo být zaručení dostatečného odvodu vznikajícího tepla (chlazení jednotlivých zdrojů tepla, protékaní či profukování celých rámů, zajištění plynulého odvodu třísek z pracovního prostoru atd.). Kromě vhodně navržené konstrukce obráběcího stroje by měly být uživatelem stroje zajištěny vhodné podmínky ve výrobní hale (okolí stroje). Ideálním řešením je, pokud výroba probíhá v klimatizované hale. Její provoz je však poměrně drahý. Pokud toto není možné, měly by být dodrženy alespoň základní zásady provozu stoje ve výrobní hale, tj. snížení výkyvů teploty okolí v hale na minimum, odclonění záření (sluneční, dalších zdrojů tepla v okolí) a minimalizace proudění vzduchu.

Všechna výše zmíněná řešení minimalizace teplotních deformací strojů jsou však často nedostatečná nebo cenově příliš nákladná. Softwarové (SW) teplotní kompenzace obráběcích strojů oproti tomu představují velmi levný způsob, jak minimalizovat teplotní deformace strojů. Stroj není nutné vybavovat speciálními přídavnými měřicími senzory (např. dotykovými sondami, které navíc prodlužují výrobní čas díky nutnému přerušování obrábění z důvodu vlastního měření sondou) a také nevznikají další provozní náklady, jako např. v případě aplikace chladicích okruhů. SW teplotní kompenzace fungují tak, že je určitým matematickým modelem predikována hodnota korekce v příslušné ose v reálném čase a ta je superponována k požadované poloze dané osy (změna do správné pozice je realizována pohybem pohonu příslušné osy podle vypočtené korekce).

V současné době je nejběžněji používaný typ SW teplotní kompenzace získán na základě lineární (vícenásobné) regresní analýzy (tzv. MLR z angl. multiple linear regression). Jedná se o jednoduchý matematický popis (zpravidla ve formě polynomické funkce) a běžné řídicí systémy strojů (např. Siemens, Heidenhain) standardně tuto funkci nabízí. Velkou výhodou je, že kompenzační algoritmus je získán poměrně rychle, protože tyto MLR modely jsou často sestaveny na základě empirických dat z pouze jednoho kalibračního měření pro zvolený pracovní režim (uspořádání a provedení kalibračního experimentu je zpravidla realizováno obdobně, jako zkouška tepelných deformací způsobených otáčením vřetena podle normy ISO 230-3). Navíc tento jediný pracovní režim je většinou proveden při konstantních otáčkách vřetena, bez pohybu dalších pohybových os a bez obrábění („naprázdno“). Tento stav však zcela neodpovídá realitě, která nastává v průběhu obrábění. Při obrábění se teplotní deformace na špičce nástroje mění v závislosti na proměnlivých otáčkách vřetena, aktuálních posuvových rychlostech v jednotlivých osách i výkonu vřetena (vliv samotného obrábění) – viz obr. 1. Zatímco čas tvorby MLR modelů je krátký, přesnost a spolehlivost (robustnost) odhadu teplotních odchylek je obecně nízká. Je to zapříčiněno tím, že tyto empiricky stanovené MLR modely zcela nerespektují principy vedení tepla a z principu postrádají informace (teploty) z míst, kde nejsou umístěny teplotní senzory.

Obr. 3. Průběh otáček, posuvových rychlostí v ose X a Z a klíčových teplot v průběhu ověřovacího testu. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Z výše zmíněných důvodů jsou na půdě ČVUT v Praze, Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii, již vyvíjeny pokročilé SW teplotní kompenzace na principu přenosových funkcí (PF). Přenosová funkce v tomto případě popisuje vazbu mezi teplotou v místě A (vstup PF, resp. buzení analogicky jako v případě dynamiky) a výchylkou v bodě B (špička nástroje) způsobenou teplotní roztažností materiálu (výstup PF, resp. odezva). Tyto dynamické SW teplotní kompenzace tedy také využívají teploty na konstrukci (a okolí) jako vstupní hodnoty do výpočtu korekcí obdobně jako MLR modely. Výhodou však je, že umístění teplotních senzorů je jednoznačné. Senzor je třeba umístit co nejblíže zdroji tepla, jehož výsledný efekt na teplotní deformace na špičce nástroje chceme popsat. Navíc je možné využít interních dat z řídicího systému stroje (otáčky, zatížení vřetena či pohybových os atd.) jako dalších vstupů do modelu. Velkou výhodou těchto PF modelů je, že lze různé negativní vlivy, které ovlivňují výslednou teplotní chybu (různé uvažované zdroje tepla), superponovat a aproximovat tak komplexní teplotně-elastické chování stroje.

V rámci řešení projektu Centra kompetence Strojírenská výrobní technika byly ve spolupráci ČVUT v Praze a tradičního výrobce obráběcích strojů Kovosvit MAS, a. s., tyto pokročilé SW teplotní kompenzace v minulém roce aplikovány na portálové obráběcí centrum MMC 1500 (viz obr. 2). Na stroji proběhla řada experimentů, na jejichž základě byl sestaven PF model a byla také ověřena přenositelnost PF modelu mezi různými stroji stejné typové řady (různých výrobních čísel). Kompenzační algoritmus využívá šest teplotních čidel umístěných v blízkosti jednotlivých dominantních teplotních zdrojů a aktuální otáčky vřetena pro popis teplotních deformací os X, Y a Z, které vznikly díky rotaci vřetena, pohybu v osách X a Z a vlivu okolního prostředí. Tímto PF modelem bylo dosaženo výrazně vyšší výrobní přesnosti stroje v širokém pásmu pracovních podmínek (proměnné otáčky a posuvové rychlostí v ose X a Z v průběhu pěti dní ověřovacího experimentu – viz obr. 3) v porovnání se dvěma statickými MLR modely teplotních kompenzací (došlo ke zlepšení až o 80 % v případě deformací v ose Z – viz obr. 4).

Obr. 4. Porovnání výsledků (deformace v ose Z) pokročilé SW teplotní kompenzace na principu PF a 2 MLR modelů v širokém pásmu pracovních podmínek stroje MMC1500. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Firma nyní úspěšně otestovaný kompenzační algoritmus nasazuje do strojů řady MMC jako zvláštní opci. Zakoupení této opce, o kterou je mezi zákazníky zájem, umožňuje zvýšení přidané hodnoty stroje formou zmenšení teplotní deformace stroje stabilně po celou dobu pracovního cyklu bez složitých zásahů do konstrukce stroje.

Tento konkrétní výsledek na stroji byl získán společnými výzkumnými a vývojovými aktivitami firmy Kovosvit MAS a ČVUT v Praze v rámci projektu TE01020075 Centrum kompetence – Strojírenská výrobní technika, který finančně podporuje Technologická agentura ČR.

Ing. Jiří Mindl, Ing. Otakar Horejš, Ph.D., Ing. Jan Smolík, Ph.D.

j.smolik@rcmt.cvut.cz

Ústav výrobních strojů a zařízení, VCSVTT, FS ČVUT v Praze, Kovosvit MAS

Umístění na MSV: pavilon P, stánek 123