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
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
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.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

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.

CNC řízení pro rychlostní a multifunkční obrábění

Výsledek obráběcího procesu v parametrech přesnost/rychlost/povrch je dán mnoha faktory na straně stroje, nástrojů, způsobu programování a upínání, přičemž může existovat i více cest k jednomu stanovenému cíli. V tomto článku bychom se chtěli zaměřit na CNC řídicí systém, který je dnes bezpochyby podstatnou a nenahraditelnou složkou tohoto procesu. Řídicím systémem přitom většinou rozumíme jak vlastní řídicí počítač, tak i pohony os a vřeten a systémy odměřování polohy.

Virtuální stroj pomáhá vyhnout se poškození

Kolize během obrábění jsou vždy nákladnou záležitosti. Tím, jak se výroba vybavuje stále vyšší úrovní automatizace a s rozšiřováním aplikací internetu věcí (IIoT) nabývá prevence chyb na složitosti i časové náročnosti. Japonský výrobce CNC strojů Okuma , který si jako jediný na světě vyrábí veškeré klíčové komponenty obráběcích strojů sám, vyvinul digitální řešení, které slouží k přípravě, simulaci a otestování celého procesu obrábění před jeho zahájením. Během vlastního obrábění provádí systém Collision Avoidance Systém (CAS) velmi přesnou virtuální simulaci s předstihem v řádu milisekund před vlastním řezáním. Jakékoli kolize, které by mohly nastat, jsou tak zablokovány předtím, než mohou způsobit vážná poškození - šetříc čas a peníze provozovatele stroje.

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.

Větší řádkování při obrábění načisto

Při použití fréz s optimálně zakřiveným břitem pro frézování vnějších povrchů je možné časy na dokončovací obrábění značně snížit. Docílit toho lze vzájemnou souhrou stroje, nástroje a softwaru, jak ukazuje následující příklad.

Simulací ke zlepšení efektu mazání a chlazení

Optimalizace třískového obrábění moderní metodou simulace strategie mazání a chlazení je dnes podrobena systematickému výzkumu. Použitím simulace procesu třískového obrábění a simulace proudění chladicího média se značně sníží náklady na výzkum a vývoj.

Zubní náhrady aneb strojírenství i v dentálním průmyslu

Zubní náhrady se vyrábějí již od dob egyptských faraonů téměř stejným způsobem. Pouze materiály a metody se za tu dobu vyvinuly na úroveň 21. století.

Software MSP - dva nástroje k bezchybné výrobě na 5osých centrech

V jednom z předchozích článků jsme se zabývali obslužným SW pro spínací dotekové měřicí sondy. Ukázali jsme, že běžná měřicí doteková sonda je vlastně jenom opakovatelný spínač a že použitelný výsledek nám dá až software v řídicím systému. Ať už pracujeme s makroprogramy přímo v paměti CNC nebo tvoříme vlastní cykly na úrovni CAD, výsledkem jednoho měření je obvykle údaj o jednom geometrickém prvku, maximálně vztah několika prvků (nový počátek nebo úhel natočení obrobkových souřadnic, průměr a osa díry, šířka drážky apod.). Také obslužný software skenovací sondy, která obvykle sbírá mnohem větší množství bodů než sondy spínací, většinou směřuje k hodnocení daného prvku nebo pravidelného geometrického tvaru.

Úspěch webových aplikací

Průmyslové organizace potřebují silnou digitální strategii, která bude splňovat online očekávání technicky erudovaných zákazníků.

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