Témata
Reklama

Pokročilé teplotní kompenzace portálového obráběcího centra

V minulém roce bylo zahájeno s podporou Technologické agentury ČR řešení projektu Centrum kompetence Strojírenská výrobní technika (CK SVT). Konsorcium řešitelů projektu se skládá ze tří předních českých technických univerzit (ČVUT v Praze, VUT v Brně, ZČU v Plzni) a sedmi nejvýznamnějších výrobců obráběcích a tvářecích strojů z ČR (TOS Varnsdorf, TOS Kuřim, Toshulin, Škoda Machine Tool, Tajmac-ZPS, Kovosvit MAS, Šmeral Brno).

Jan Smolík

Je klíčovou osobou na Ústavu výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze. Společně s prof. Houšou zde spoluzakládal Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT). Následně zde vedl Centrum kompetence a nyní Národní centrum kompetence, jehož je ústav spoluřešitelem. Jeho specializací jsou obráběcí stroje, se zaměřením na nové konstrukce a byznys modely.

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.

Reklama
Reklama

Důvody teplotních deformací a jejich snižování

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.

Softwarová teplotní kompenzace

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).

Obr. 2 (a+b). Portálové frézovací centrum MMC 1500

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.

Aplikace v praxi

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

Reklama
Vydání #10
Kód článku: 131043
Datum: 01. 10. 2013
Rubrika: Trendy / MSV 2013
Firmy
Související články
Stroje pro to nejcennější

Než před 40 lety Fran Phillips založil svou firmu, pracoval jako samostatný obráběč - zručný kluk s frézkou a soustruhem v éře vesmírných závodů, kdy NASA velkoryse proměnila slib prezidenta J. F. Kennedyho v realitu, z čehož mohla těžit každá schopná obráběcí dílna v zemi. Jedna ze součástí, které tehdy Fran vyrobil, se stále nachází na Měsíci, přesně tam, kde ji astronauti z lodi Apollo zanechali. Oproti tomu jedna ze součástí, které vyráběl nedávno - stejně špatně dostupná, ale mnohem blíže domovu - je přesně a natrvalo usazena v jeho vlastní páteři. Stejně jako tisíce dalších pacientů z celého světa i Fran Phillips žije s implantátem vyrobeným na CNC obráběcích strojích Haas ve městě Elmwood v americkém státě New Jersey, kde sídlí firma Phillips Precision Medicraft (PPM).

Portálová centra řešená na míru

Protože společnost Strojírna Tyc je vysloveně orientována na zákaznická řešení na klíč, neustále se snaží přicházet s novými produkty a opcemi, které by stroje přibližovali stále širšímu spektru konečných uživatelů. Na tomto principu je postavena i filozofie konstrukce obráběcích center - stroj dané typové řady s úpravou na míru potřebám zákazníka - jinak řečeno, co kus to originál.

Pyramida produktivního procesu - aktivní zpětná vazba

Uživatelé obráběcích strojů jsou často konfrontováni s protichůdnými požadavky: vyrábět co nejlevněji, vyrábět co nejrychleji, vyrábět co nejpřesněji.

Související články
Indukční LVDT snímače

Výrobce přesných snímačů vzdálenosti a polohy, společnost Micro-Epsilon vyvinula novou, cenově výhodnou řadu indukčních LVDT snímačů, které jsou ideální pro střední až vysoko objemové OEM projekty.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Kompaktní filtrační jednotka pro nejtěžší aplikace

Pro odsávání olejových aerosolů a emulzní mlhoviny v kovoprůmyslu je dnes k dispozici dostatečné množství různých filtračních systémů.

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.

Řezné nástroje a testování jejich vlastností

Úsilí mnoha výrobních podniků je v dnešní době soustředěno na další zvyšování efektivity a produktivity vlastních obráběcích operací. Tímto krokem je realizováno zvyšování konkurenceschopnosti jejich výrobků na trhu. S ohledem na strukturu nákladů při výrobě je jedním z prostředků dosažení tohoto cíle i volba vhodných řezných nástrojů a následné optimální využití jejich potenciálu. Nejde však o lehký a jednoznačný úkol, a to především s ohledem na možnou variabilitu a modifikaci výroby a na neustálý vývoj řezných nástrojů vedoucí k jejich zdokonalování.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

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.

Automatizace výroby s minimálními personálními nároky

Ať už s možností frézování, nebo soustružení, 4osého, nebo 5osého obrábění, s výměnou palety, či bez ní, s kruhovým zásobníkem palet, věžovými upínacími přípravky pro vícenásobné upínání obrobků, automatizací a progresivním ovládacím panelem, univerzální 5osá obráběcí centra lze flexibilně přizpůsobit a rozšířit pro každou aplikaci.

Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Stále rostoucí požadavky výrobců proudových motorů vyžadují kontinuální vývoj žárupevných materiálů. Klasické metody obrábění jsou zde na hranici svých možností, efektivní alternativou je elektroerozivní řezání drátovou elektrodou.

Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

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