Témata
Reklama

Řídicí systém z vlastní dílny, 2. díl: Inteligentní funkce

Tento článek je pokračováním seriálu o japonském "řídicím systému z vlastní dílny" OSP - P300A pro CNC obráběcí stroje firmy Okuma. V první části jsme nejprve hovořili o historii systému OSP, jehož první model byl uveden na trh v roce 1963. Zmínili jsme se o filozofii firmy zvané Monozukuri, jejíž jednou z hlavních zásad je vyrábět všechny díly stroje ve firmě a představili jsme také architekturu řídicího systému OSP - P300A. Nyní navážeme představením inteligentních funkcí, kterými se systém OSP pyšní.

Ondřej Svoboda

Jednatel a spolumajitel společnosti Misan. Vystudoval čtyřleté gymnázium. Z mimoškolních aktivit se věnoval prakticky denně sportu. Po ukončení doktorského studia na ČVUT a nástupu do zaměstnání si dálkovou formou doplnil vzdělání v elektrotechnice (výuční list) z důvodu získání oprávnění pracovat samostatně na zařízeních pod napětím (vyhláška 50). Jeho volba padla na Strojní fakultu ČVUT, specializaci „výrobní stroje a zařízení“. Po ukončení doktorského studia spojeného se zaměstnaneckým poměrem ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT na Fakultě strojní ČVUT v Praze pracoval po dobu jednoho roku ve výrobním závodě jednoho z japonských výrobců obráběcích strojů v Anglii. Poté přišel do rodinné firmy Misan, kterou jeho otec spoluzakládal. Věří, že směřování jeho firmy najde pozitivní odezvu v českém průmyslu, jehož budoucnost vidí právě v zaměření na složité a přesné výrobky vyráběné s nejvyšší produktivitou. 

Od roku 2000 postupně v průběhu 12 let implementovala Okuma do řídicího systému OSP (Okuma Sampling Path Control) inteligentní funkce zajišťující rozměrovou stabilitu obrobků při proměnlivé teplotě okolí, antikolizní systém, antivibrační systém a autotuning systém pro pětiosé stroje. Inteligence zvýšila dlouhodobou přesnost strojů a kvalita obrobků tím velmi vzrostla. Stroje získaly schopnost pracovat velmi přesně i za proměnlivé teploty okolí nebo při s věkem se zhoršujícím stavu mechaniky. Dnes se na strojích Okuma uplatňuje pět inteligentních funkcí: Thermo Friendly Concept, Colision Avoidance System, Machining Navi, Servo Navi a 5axis Auto Tuning System. Postupně uvedeme jejich základní charakteristiky. Navíc přidáme funkce ECO Idling Stop, Reversal Spike Auto Adjustment a Vibration Auto Adjustment.

Reklama
Reklama

Rozměrová stabilita

Systém omezující teplotní deformace dostal název Thermo Friendly Concept. Minimalizace teplotních deformací obráběcích strojů a dlouhodobá stabilizace jejich rozměrů vyžadují specifický tvar nosné struktury stroje, omezení toků emitované tepelné energie zdrojů tepla na stroji včetně řezného procesu a kompenzaci zbylých dilatací pomocí speciálního programu. Vždy je potřeba uvažovat působení teploty okolí stroje.

Obr. 1 Symetrická konstrukce stroje, nosné prvky krabicového tvaru a tepelné štíty. (Zdroj: Misan)


Symetrická konstrukce stojanu stroje (obr. 1), jednoduchý, krabicový tvar nosných prvků, které mají vysokou tuhost a tepelná symetrie stojanu, kdy proud tepla od řezného procesu je odstíněn krytem a současně zadní strana stojanu je přihřívána ztrátami z elektroskříně, odstraní hlavní část dilatací a zaručí, že zbytkové dilatace jsou lineární podél rozměrů stojanu, a tudíž jednoduše předvídatelné, tzn. že je lze spolehlivě zjistit výpočtem.

Obr. 2 Dilatační test za provozu vřetena. (Zdroj: Misan)Značná část dilatací připadá na vřeteno a vřeteník. Oba prvky se silně za provozu zahřívají a dilatují převážně ve směru osy vřetena. Na přesnost obrábění by to mělo velký vliv. Okuma proto používá kompenzační výpočet TAS-S (Spindle), který uvažuje teplotu vřetena, změny jeho otáček a klidové časy. Zbytkové deformace v rozmezí 2 až 4 μm představují velmi dobrý výsledek, jak ukazuje obr. 2.
Obr. 3 Schéma měření teplot a postup kompenzace. (Zdroj: Misan)



Poloha obrobku na stole obráběcího centra i rozměry obrobku na soustruhu jsou značně ovlivňovány rozměrovými změnami komponentů stroje vyvolanými nestabilní teplotou okolí a působením vnitřních tepelných zdrojů. Kompenzace se provádí na základě měření teplot senzory rozmístěnými na stroji (obr. 3.). Program TAS-C (Construction) při predikci dilatací počítá s údaji senzorů a uvažuje i polohu řízených os. Kompenzace je zdařilá, jak je vidět z grafů na obr. 4, kde jsou zohledněny i různé velikosti obrobků.

Obr. 4 Výsledek měření rozměrové stability víceúčelového stroje. (Zdroj: Misan)

ECO Idling Stop

„Idling“ znamená chod naprázdno. ECO Idling Stop značí, že agregáty stroje i stroj sám, které běží naprázdno a zahálejí, se mají vypnout, aby nemařily zbytečně energie. Na obr. 5 je tato myšlenka schematicky znázorněna pro chladicí systémy frézovacího a soustružnického vřetena, obě umístěná na víceúčelovém centru Okuma. Sledována je tím primárně úspora elektrické energie. Funkce je však napojena na Thermo Friendly Concept a ten definitivně rozhodne, je-li chlazení třeba, či nikoli. Funkce Idling Stop takto ošetřuje řadu spotřebičů na stroji.

Obr. 5 Schéma funkce ECO Idling Stop. (Zdroj: Misan)

Antikolizní systém

Úkolem antikolizního systému je ochránit stroj před haváriemi a obsluze poskytnout jistotu bezpečného provozu stroje jak při ručním, tak při automatickém režimu. Technicky to znamená mít k dispozici dostatečně věrné 3D modely stroje, nástrojů, přípravků i obrobků, které pak při animaci sledují připravený program a včas reagují v případě možné kolize, obr. 6.

Obr. 6 Ilustrace antikolizního systému. (Zdroj: Misan)


Na strojích Okuma funguje CAS (Collision Avoidance System) tak, že NC řízení (OSP) na 3D modelu zařízení simuluje v reálném čase a v předstihu pohyby stroje. Prověřuje možné kolizní stavy a zastaví stroj těsně před kolizí. Kromě vyloučení poškození stroje/nástroje/obrobku je výhodou i snížení doby nutné k seřízení stroje a doby zkušebních cyklů. Simulace přitom bere v úvahu nulový bod a nástrojové kompenzace nastavené v NC. Simulační model se vytváří přímo a přesně podle aktuální situace na stroji. Jsou k dispozici předpřipravené 3D modely stroje, sklíčidel a nástrojů. CAS akceptuje CAD modely obrobků, nástrojů a přípravků. Systém má prostředky k předvídání kolizí dlouhých nástrojů při otáčení nástrojové hlavy. Zvlášť se dodává také 3D Virtual Monitor, program pro sestavení modelu zařízení a simulaci obrábění mimo stroj. Model lze pak přenést do NC řízení stroje.

Potlačení chvění při obrábění

Chvění při obrábění (také samobuzené chvění, anglicky chatter) vzniká v důsledku nízké tuhosti některé části stroje. U soustruhů to může být pinola koníku. Stejně tak může být na vině poddajný obrobek. Často dlouhá hřídel upnutá ve sklíčidle a opřená v hrotu koníku. Při frézování vyvolává kmity obvykle poddajný nástroj, hodně vyložený, případně štíhlé (vysokootáčkové) vřeteno. Složitější případy vzniknou při obrábění tenkostěnných obrobků.

Stopy zanechané po chvění silně zhoršují kvalitu obrobeného povrchu a obecně nejsou přijatelné, obr. 7. Chvění existuje pouze při spuštěném řezném procesu na stroji zatíženém řeznými silami. Někdy se projevuje silným hlukem, protože má vysoké i narůstající amplitudy. Jev je třeba odlišovat od běžného vynuceného kmitání stroje, které se objeví ihned po spuštění stroje a je vyvoláno většinou nedokonale vyváženými rotory.

Obr. 7 Stopy po kmitání při vypnutém Machining Navi a hladký povrch obrobku při aktivním M-Navi. (Zdroj: Misan)


Machining Navi M-i je inteligentní funkce, která v režimu Auto mode automaticky optimalizuje otáčky nástroje během frézování tak, aby chvění zaniklo ihned, jakmile se objeví. Chvění stroje je snímáno vestavěnými senzory a program automaticky vypočte otáčky, při kterých chvění zanikne, a následně otáčky změní.

Stroj se nebude chvět při několika alternativních otáčkách. K jejich výpočtu se používá složitá teorie kmitání, ale operátor nemusí tuto teorii ovládat. Stačí, když se orientuje v grafech na obr. 8. Je to závislost axiální hloubky třísky na otáčkách frézy. Křivka připomíná pilu. Všechny kombinace axiální hloubky třísky a otáček nástroje spadající do modrého pole dají stabilní obrábění bez chvění (stable region). Šedá zóna (unstable region) je naopak pro obrábění nežádoucí. Graf platí vždy pro daný stroj, vřeteno a nástroj, případně materiál obrobku. Podle znázorněného příkladu NC zvýší otáčky frézy tak, aby se kombinace axiální hloubky řezu a otáček přesunula do modrého pole. V daných příkladech dokonce zvýší řezný výkon stroje! Někdy stačí k odstranění chvění jen malá změna otáček, jak vidíme na grafu vpravo. Limitující je ovšem nástroj s jistou maximální možnou hloubkou řezu. Někdy můžeme narazit na limit příkonu nebo otáček vřetena.

Obr. 8 Diagram závislosti axiální hloubky třísky na otáčkách nástroje (frézy). (Zdroj: Misan)Při soustružení a řezání závitů na soustruhu má stabilní pole „pilové zuby“ jemné a nízké, protože se pohybujeme v oblasti nižších otáček, obr. 9. Kromě toho, nástroj je jednozubý. Machining Navi proto mění taktiku a zvyšuje stabilní oblast periodickou změnou otáček vřetena. Tím se původně nestabilní volba řezných podmínek (v šedé zóně) ocitá v zóně modré, tedy v zóně bez chvění.
Obr. 9 Diagram hloubky řezu a otáček vřetena (zde obrobku). (Zdroj: Misan)Samobuzené chvění při soustružení a při nízkých otáčkách se potlačuje jiným způsobem. Používá se k tomu aplikace Machining Navi L-g. Operátor musí nejprve do partprogramu obráběné součásti zadat funkci pro variabilní otáčky vřetena (zvolenou amplitudou a harmonickou periodu, obr. 10. Detail signálu otáček vpravo) a provést zkušební řez, při kterém existuje chvění. Současně aktivuje Navi L-g. Program na základě měření chvění doporučí změnu amplitudy a periody kolísajících otáček. V příkladu na grafu (obr. 11) se doporučuje snížit harmonickou periodu a zvýšit amplitudu. Opakováním tohoto postupu se dospěje k optimálním kolísajícím otáčkám, za kterých chvění vymizí. Je známo, že chvění sníží zvýšení amplitudy otáček a snížení harmonické periody. Variace otáček samozřejmě zatěžují pohon vřetena, a proto se na obrazovce sleduje setrvačná zátěž (inertia).
Obr. 10 Potlačení chvění při soustružení. (Zdroj: Misan)
Obr. 11 Screen Navi L-g (Zdroj: Misan)

Verze aplikace Machining Navi T-g se používá pro potlačení chvění při řezání dlouhých závitů na soustružnických strojích (obr. 12).

Obr. 12 Závitování dlouhých pohybových šroubů. (Zdroj: Misan)

5-Axis Auto Tuning System (ATS)

Měření a kompenzace geometrických odchylek pětiosých, víceúčelových center je časově náročná činnost. Konvenčními metodami se obvykle zvládnou jen odchylky souososti rotačních os. Takový výsledek dnes nestačí zajistit očekávanou geometrickou přesnost CNC center.

Okuma proto vyvinula další inteligentní funkci 5-Axis Auto Tuning System, která během 10 minut zvládne měření a kompenzaci až 11 geometrických odchylek pětiosých center, obr. 13. Kompenzace jedenácti odchylek místo pouhých čtyř podstatně zlepší dosažitelnou přesnost obrábění. I stroje s malými geometrickými chybami, zjištěnými měřením po instalaci stroje u zákazníka, jsou ovlivňovány změnami teploty okolí, stabilitou podlahy a dalšími provozními faktory. Jejich přesnost časem klesá. ATS se proto používá k periodickým kontrolám přesnosti. Spolu s funkcí Thermo-Friendly Concept udržuje ATS dlouhodobou přesnost pětiosých center na vysoké úrovni.
Měření je pro obsluhu velmi jednoduché, obr. 14. Na okraj stolu se upevní měřicí koule a sondou se najede přesně nad ni. Nastartuje se předpřipravený měřicí cyklus. Ihned po dokončení měření ATS data zpracuje a provede automaticky kompenzaci odchylek.

Obr. 13 Geometrické chyby 5osých CNC center. (Zdroj: Misan)
Obr. 14 Postup při měření s ATS. (Zdroj: Misan)

Geometrické odchylky měřené na okraji rotačních stolů jsou obvykle větší než odchylky měřené blízko středu stolů. Po konvenčním měření čtyř odchylek rotačních os bylo při testech naměřeno až 15 μm, což bylo kompenzováno na 6 μm. Při použití ATS a kompenzaci 11 typů odchylek byly výsledky 12 μm před a 3 μm po kompenzaci. ATS tedy zlepšuje přesnost také při obrábění větších obrobků.

Funkce ServoNavi

Tato funkce se používá k ladění (optimalizaci) parametrů servomechanismů stroje. Má několik variant, obr. 15. Servo Weight Auto Setting např. automaticky identifikuje hmotnost stolu s polotovarem obrobku a podle zjištěné zátěže nastaví parametry pohonu stolu. Při nízké zátěži bude pohon rychlejší, bude rychleji reagovat. Takové individuální naladění pohonu ušetří ve svém důsledku čas obrábění. Pro soustružnické operace je pro ladění pohonu rozhodující setrvačnost rotujících částí spojených s obrobkem. Používá se funkce Servo Inertia Auto Setting. Postup i efekt ladění je obdobný. Měření úspor ukazuje asi 12% snížení cyklových časů.

Obr. 15 ServoNavi M screen. (Zdroj: Misan)

Funkce mají také příznivý vliv na přesnost polohování stolu/vřetena. Ta se samozřejmě se zátěží zhoršuje díky setrvačným silám, takže přeladění parametrů pohonu opět situaci zlepší a odchylky od naprogramované polohy vyhladí.

Reversal Spike Auto Adjustment

Odstranění reverzačních špiček při změně smyslu pohybu NC os. Špičky jsou vidět na záznamu kruhového pohybu suportu při přechodu do jiného kvadrantu, obr. 16. Vznikají v důsledku změn odporů proti pohybu (stárnutí mechanismů os, vůle, tření) a také změn parametrů pohonů NC os.

Obr. 16 Záznam reverzačních špiček. (Zdroj: Misan)
Obr. 17 Reversal Spike Auto Adjustment, odstranění reverzačních špiček. (Zdroj: Misan)Následky proměnlivosti odporu proti pohybu jsou dobře pozorovatelné na zakřiveném povrchu, obr. 17. Rýhy jsou způsobeny přebytkem odebíraného materiálu, když je kluzný odpor velký, a naopak se objevují nedoříznutá místa, když je odpor malý. Obdobný efekt má akcelerace/decelerace pohybu os. V horním diagramu tomu odpovídají odchylky od kruhové dráhy nástroje při reverzaci.

Automatické potlačování vynucených kmitů

Tato funkce se nazývá Vibration Auto Adjustment (VAA). Podle obr. 18 se jedná o vibrace vybuzené pohybem NC os rychloposuvem při rozjezdu/dojezdu. Pomocí této funkce jsou vibrace krátce po rozjezdu osy utlumeny. Technický princip funkce VAA spočívá v automatickém nastavení filtrů v regulaci jednotlivých servopohonů.

Obr. 18 Automatické potlačování vibrací. (Zdroj: Misan)


V dalším pokračování série článků se zaměříme na pokročilé technologické aplikace podporované řídicím systémem OSP.

Ondřej Svoboda

www.misan.cz

Reklama
Související články
Nástroje v rámci čtvrté průmyslové revoluce

Abychom mohli vyrábět součásti hospodárně, je potřebné rozšířit proces o výměnu informací. Důležitou roli při tom hraje management nástrojů, neboť pokud chybí nástroj, výroba stojí.

Neobráběj jako šnek

Nadpis článku byl převzat z názvu jednoho ze seminářů, které pravidelně pořádá společnost Misan ve svém školicím a předváděcím centru v Lysé nad Labem. Tento poslední se konal koncem května a partnerskými společnostmi semináře byly firmy Hofmeister a t-support.

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.

Související články
Interaktivní programování CNC strojů

Proces obrábění není zdaleka tak jednoduchý, jak se v mnoha případech jeví. Současné obráběcí stroje jsou obvykle vybaveny pro volbu několika způsobů přípravy programů. Dialogový způsob programování má stále svou nezastupitelnou pozici.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Inovace na obou stranách výrobního sortimentu

Svislá dvoustojanová centra řady Genos prošla inovací technických parametrů, a to konkrétně u modelů M560R-V a M460R-VE. Současně zavádí firma Okuma i nové obslužné a komunikační rozhraní Okuma Suite do řídicích systémů svých sofistikovaných modelů. Inovace přicházejí z obou stran výrobního sortimentu – u standardních tříosých center i u vícerých víceúčelových strojů pro náročné aplikace.

Léčivá mračna

Oftalmologie je lékařský obor, který se zabývá anatomií, fyziologií a nemocemi očí. V Indii je šedý zákal nejčastější příčinou slepoty, jíž by šlo zabránit, a jistá firma vyrábí potřebné zařízení, které oční lékaři potřebují a používají k léčbě postižených.

Jaký byl Metav 2012

V Německu běží veletržní dění na plné obrátky. Hannoverské výstaviště je "sotva" uklizené od pozůstatků veletrhu EMO (viz. náš poslední díl profesního seriálu v tomto vydání na str. xx) a již byly o necelých 300 kilometrů na jihozápad otevírány brány výstaviště v Düsseldorfu. Je možné, aby německý trh vstřebal takovouto nadílku veletrhů týkajících se výrobních strojů a výrobní techniky, jejichž náplní jsou zejména obráběcí stroje?

Jít za svým přesvědčením

Steven M. Kille, prezident a výkonný ředitel DesignWerkes, zahájil své podnikání původně jako soukromý konstruktér. Později začal vyrábět zařízení pro zkoušky trvanlivosti. Zákazníci je používali k destrukčním zkouškám automobilových součástí, které vyráběl on i jiní dodavatelé. A nakonec se začal zabývat navrhováním, konstruováním a sestavováním složitých, elektromechanických subsystémů určených např. pro hybridní vozy hromadné veřejné dopravy. Je to muž vyznávající cestu propracovaných procesů, která jediná vede k udržení výrobních firem ve Spojených státech z dlouhodobého hlediska.

EMO 2011 Hannover, Část 7 - Soustružnické stroje

Veletrh EMO konaný v září 2011 v Hannoveru přinesl v oblasti soustružnických strojů širokou prezentaci mnoha různých řešení. Představila se kompletní světová špička i mnoho menších výrobců. Hlavními tématy v konstrukci soustružnických strojů jsou produktivita a přesnost. Především požadavek na vyšší produktivitu vede na integraci automatizace do všech typů soustružnických strojů a růst možností frézování poháněnými nástroji v revolverových hlavách.

EMO Hannover 2011 - Part 2. MM Award - ocenění pro nejlepší exponáty

MM Award, udělovaná časopisem MM MaschinenMarkt, je již mnoho let doprovodnou akcí řady veletrhů pořádaných na území Německa. Protože MM je značka s celosvětovou působností, jsou obdobná ocenění udělována na veletrzích i v dalších zemích, kde si časopis vydávaný s tímto logem vydobil renomé. V domovském Německu, mezi místními strojírenství znalými lidmi, MM Award udělovaná na EMO má rozhodně velkou prestiž, stejně jako EMO samotné.

Řídicí systém z vlastní dílny, 3. díl: Pokročilé technologické aplikace

Třetí díl našeho seriálu o řídicím systému OSP - P300A firmy Okuma navazuje na dvě předchozí kapitoly, ve kterých jsme stručně představili architekturu systému a inteligentní funkce, které podstatně navyšují přesnost stroje, kvalitu obráběného povrchu i hospodárnost a bezpečnost stroje. Tato část série bude o technologických aplikacích implementovaných do OSP k jednoduchému použití operátorem.

Alternativa k aditivním technologiím

Kdo rychle potřebuje nějaký prototyp, tomu doporučuje výrobce strojů Röders z německého Soltau místo výroby s následným leštěním vyfrézovat model z celého bloku hliníku. "To jde mnohem rychleji," říká vedoucí prodeje Dr.-Ing. Oliver Gossel. Jak lze tímto způsobem vyrobit držák na mobil za 30 minut - a to dokonce s vysoce lesklým povrchem - demonstruje Röders na svém stroji RXP601 s použitím 6 mm diamantové frézy od firmy Horn.

Obrobkové sondy a úskalí jejich použití

Téměř většina z nově vyrobených, zejména pak sofistikovaných obráběcích strojů, je dnes vybavena obrobkovými měřícími sondami. V uživatelských návodech k těmto sondám se lze dočíst o tom, jakými přínosy je jejich nasazení ve výrobě ohledně efektivnosti, snižování vedlejších časů při mezioperačních a finálních kontrolách obrobků atd. Ano, to vše je pravdou, nicméně i měřící sondy mají svá úskalí - tak jako ostatně každé jiné měřící zařízení.

Optimalizované obrábění tvrdokovů

Tvrdokovy se skládají z jemných zrn velmi tvrdých materiálů - zpravidla karbidu wolframu - s kovovým pojivem, jako je např. kobalt. Jsou vytvářeny metodou práškové metalurgie a po sintrování dosahují vysokých hodnot pevnosti a tvrdosti. Tvrdokovy se přednostně používají pro výrobu obráběcích nástrojů, přesto také u řezných a tvářecích nástrojů vede jejich vynikající životnost k rostoucí poptávce. Pro tento účel vyžadované třískové obrábění přináší vysoké náklady. V rámci semináře u jednoho výrobce obráběcích strojů prezentují odborníci z oblasti technologií, obráběcích strojů, nástrojů a softwaru CAD-CAM své zkušenosti i řešení využitelná v praxi.

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