Využívání mechatronických prvků v konstrukci a stavbě obráběcích strojů

Vývoj obráběcích strojů představuje v dnešním pojetí velice komplikovaný komplexní úkol, který vychází z náročných požadavků koncových zákazníků na vlastnosti obráběcích strojů. Stále se zvyšující požadavky na produktivitu výroby a kvalitu obrobených dílů zvyšují nároky nejen na mechanickou stavbu obráběcích strojů, ale také na kvalitní regulaci. Stále častěji jsou také v oblasti vývoje obráběcích strojů řešena témata zabývající se využitím nekonvenčních materiálů a obecně zvýšením tlumení mechanické struktury. Z hlediska konkurenceschopnosti výrobku je nutné vlastnosti strojů zvyšovat efektivně. To je spojeno s hledáním optimální varianty stroje bez nutnosti stavby mnoha nákladných prototypů. Řešením této problematiky je zvládnutí virtuálního modelování obráběcích strojů, které umožní relevantní predikci vlastností vyvíjeného stroje a zhodnocení vlivu jeho jednotlivých komponent právě na tyto jeho vlastnosti pouze na základě matematického modelu.

V rámci projektu „Nové metody a postupy při využívání mechatronických prvků v konstrukci a stavbě obráběcích strojů“ (dále jen TM-ND) byly v letech 2007–2010 společně ve VCSVTT a Tajmac-ZPS vyvíjeny postupy a metody, které by umožňovaly efektivní matematické modelování dynamických vlastností obráběcích strojů aplikovatelné přímo na půdě výrobce obráběcích strojů a které by splňovaly nároky na současné hardwarové a softwarové vybavení. Dále byly v rámci řešení projektu vyvíjeny postupy vedoucí ke zvýšení dynamických parametrů obráběcích strojů a jejich přesnosti, a to zejména vzhledem k teplotním deformacím.

Virtuální modelování obráběcích strojů

Virtuální (nebo také komplexní) modely obráběcích strojů umožňují jednak predikci dynamického chování obráběcích strojů ve fázi vývoje, tzn. v době, kdy ještě stroj fyzicky neexistuje, nebo virtuální citlivostní analýzu vlivu jednotlivých komponent stroje v případě již existujícího prototypu, pokud např. nedosahuje požadovaných dynamických vlastností. Virtuální citlivostní analýza umožňuje provádět a vyhodnocovat zásahy do konstrukce stroje a jeho pohonů bez nutnosti nákladné realizace a následného měření. Všechny zásahy jsou provedeny pouze virtuálně, nejlépe na verifikovaném matematickém modelu.

V rámci spolupráce na projektu TM-ND byly vyvinuty postupy virtuálního modelování využívající především software ProENGINEER a ProMECHANICA spolu s Matlab/Simulink. Software ProE je standardním CAD nástrojem pro 3D modelování obráběcích strojů v Tajmac-ZPS a spolu s nadstavbou ProM využívající metody konečných prvků umožňuje provádění statické a modální analýzy navržených mechanických konstrukcí.

Modální analýza tvoří základ virtuálních modelů, a proto byla provedena řada testů kvalitativně porovnávající výsledky modální analýzy provedené v softwaru ProE/ProM s výsledky dosaženými v jiných softwarových nástrojích (ANSYS, IDEAS). Matematicky získané výsledky byly následně ověřeny také experimentální modální analýzou dané mechanické konstrukce. Z provedených testů vyplynulo, že software ProE/ProM vykazuje srovnatelné výsledky s ostatními matematickými nástroji a jeho použití ve virtuálních modelech nebude přinášet nežádoucí zkreslení výsledků právě v porovnání s testovanými softwarovými nástroji.

Výsledky modální analýzy provedené v softwaru ProE/ProM v podobě modální matice a vektoru vlastních frekvencí jsou dále zpracovány v prostředí Matlab/Simulink. V softwaru Matlab/Simulink byly vytvořeny programy pro automatický import výsledků modální analýzy provedené v prostředí ProE/ProM. Na základě metody modální dekompozice je z těchto výsledků automaticky vytvořen stavový model popisující mechanické vlastnosti a dynamické chování obráběcího stroje. Uživatel pouze volí vektory vstupních a výstupních veličin a definuje důležité mechanické přenosy pro automatizovaný výběr zahrnutých vlastních tvarů.

K stavovému modelu popisujícímu dynamické chování mechanické struktury stroje jsou posléze připojeny matematické modely použitých pohonů. Pro tento účel byly v rámci projektu vyvinuty vlastní bloky „simulinkového“ programu, které popisují mechanické chování pohonů, např. pomocí rotujícího kuličkového šroubu nebo pomocí rotující matice. Takovýto model komplexně popisuje chování stroje na základě aktuálního vstupujícího momentu motoru.

Pro lepší představu o dynamickém chování samotné mechanické struktury stroje včetně pohonů bez regulace byla vyvinuta vizualizace v prostředí Matlab/Simulink na základě drátového modelu. Vizualizace umožňuje zobrazení kmitání rámu stroje a pohonů při buzení stroje momentem motoru sinusového průběhu o zvolené amplitudě a frekvenci. Vizualizace nicméně umožňuje zobrazení pohybu a kmitání stroje také při dráhovém řízení pohybu.

Pro úplnost virtuálního (komplexního) modelu je model doplněn o regulaci proudu, rychlosti a polohy vytvořenou v prostředí Matlab/Simulink a odpovídající vnitřní struktuře skutečného řídicího systému. Aby bylo možné pomocí virtuálního modelu odbavovat také skutečný NC program, je celý model přímo napojen na virtuální jádro řídicího systému Siemens Sinumerik 840D (tzv. VNCK). VNCK zajišťuje odbavení NC programu, interpolaci a následně zasílá žádanou polohu jednotlivých pohybových os do virtuálního modelu.

Tajmac-ZPS je nyní díky takovýmto modelům schopen ještě ve stadiu vývoje nových obráběcích strojů virtuálně testovat jejich vlastnosti včetně simulace dráhového řízení a dosažitelných parametrů regulace. To je spojeno s možností optimalizace mechanické struktury a pohonů ještě před vlastní realizací prototypu. Virtuální modely tak přinášejí do vývoje Tajmac-ZPS velice efektivní nástroj pro vývoj nových obráběcích strojů a zlepšují tím jeho pozici na trhu. Podobné nástroje návrhu nových obráběcích strojů používají pouze přední světoví výrobci.

Výzkum řezného procesu

Součástí spolupráce na projektu TM-ND byl také výzkum v oblasti modelování řezného procesu. Zde se jedná o zejména o výzkum stability řezného procesu a modelování řezných sil. Stabilita řezného procesu představuje jeden z klíčových faktorů omezující možnosti zvyšování produktivity výroby prostřednictvím zkracování výrobních časů. V rámci projektu byla řešena stabilita v oblasti frézování i soustružení. Byly navrženy a experimentálně testovány metody identifikace meze stability on-line měřením. Na základě získaných dat byly dále analyzovány současné metody predikce této meze – analyticko-experimentální metoda založená na poklepu nástroje modálním kladivem a vyhodnocení v softwaru Metalmax. Součástí spolupráce na projektu byl také vývoj a testování matematických modelů predikce stability obrábění využívajících výsledků virtuálních modelů.

Model řezných sil představuje další součást komplexního virtuálního modelu a zavádí do něj vstup sil od vlastního obrábění. Kvalitní model řezných sil založený na geometrickém popisu nástroje a obrobku by umožňoval spolu s virtuálním modelem simulaci obrobeného povrchu zahrnující všechny hlavní vlivy. V rámci spolupráce na projektu byly analyzovány současné postupy pro predikci řezných sil (zejména software CutPro) a byly vyvíjeny vlastní modely predikce řezných sil vycházející z teoretických závislostí a experimentálně naměřených dat.

Teplotní deformace a jejich kompenzace

Deformace stroje vzniklé působením tepelných zdrojů představují jeden z hlavních činitelů ovlivňujících přesnost obráběcích strojů. Z řady měření je známé, že teplotní deformace způsobují v místě nástroje větší odchylky než např. řezné síly nebo geometrická nepřesnost jednotlivých dílů. Proto byla v rámci spolupráce na projektu zkoumána a aplikována metoda teplotních přenosových funkcí umožňující pouze na základě měření teplot v několika uzlech stroje a provozních informací jako např. otáčky vřetena a jeho příkon identifikovat teplotní deformaci špičky nástroje. Hodnota deformace je vypočtena pomocí matematického modelu, který využívá právě metody teplotních přenosových funkcí a běží na pozadí vlastního řídicího systému. Deformace je následně kompenzována řídicím systémem pomocí běžných prostředků.

Na obrázku příkladu porovnání skutečné teplotní deformace stroje a její kompenzace je zobrazen výsledek nasazení metody na stroj z produkce Tajmac-ZPS při různých režimech zatížení. Modrá křivka v obrázku představuje skutečně měřenou deformaci konce nástroje, červená křivka současnou metodu identifikace teplotních deformací na principu regresní analýzy (polynomické náhrady) a zelená křivka novou metodu založenou na principu teplotních přenosových funkcí. Výsledky potvrzují, že nová metoda přináší zásadní zlepšení v kvalitě identifikace teplotních deformací strojů. Takováto kompenzace je obecně robustnější, stabilnější pro různé pracovní režimy stroje a vykazuje přesnější výsledky oproti běžné kompenzaci založené na regresní analýze. Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci programu Trvalá prosperita.

Ing. Jiří Švéda

Ing. Martin Machálka

J.Sveda@rcmt.cvut.cz

mmachalka@tajmac-zps.cz

VCSVTT

Tajmac-ZPS

Hlavní řešitelé

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit v digitální trafice PUBLERO.