Témata
Reklama

Využívání mechatronických prvků v konstrukci a stavbě obráběcích strojů

Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při strojní fakultě ČVUT v Praze spolu s předním českým výrobcem obráběcích strojů firmou Tajmac-ZPS vyvinuli a aplikovali v rámci projektu Nové metody a postupy při využívání mechatronických prvků v konstrukci a stavbě obráběcích strojů" metody virtuálního modelování obráběcích strojů vhodné pro nasazení přímo ve vlastním vývoji Tajmac-ZPS."

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.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Zjednodušený model mechanické struktury stroje H80 v softwaru ProE pro výpočet modální analýzy

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.

Obr. 2. Schéma virtuálního modelu stroje TM1250 včetně regulace a zpracování NC programu

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.

Obr. 3. Matematický model mechanické struktury stroje H80 včetně modelů pohonů v prostředí Matlab/Simulink

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.

Obr. 4. Vizualizace virtuálního modelu stroje H80 v software Matlab/Simulink

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.

Obr. 5. Porovnání simulované a experimentálně získané amplitudové frekvenční charakteristiky rychlostní smyčky modelovaného stroje

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.

Obr. 6. Příklad porovnání skutečné teplotní deformace stroje a její kompenzace

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

Ing. Jiří Švéda, VCSVTT + foto Projekt TM-ND představoval velice úzkou spolupráci mezi akademickou sférou (VCSVTT) a komerčním výrobcem obráběcích strojů (Tajmac-ZPS) nejen v oblasti matematického modelování. Jeho úspěšné dokončení bylo podpořeno velice silným personálním zázemím komerční firmy v oblasti vývoje, které se značnou měrou promítlo do hloubky řešených témat. Všechny vyvinuté postupy jsou výsledkem spolupráce obou subjektů a Tajmac-ZPS si všechny relativně složité matematické postupy osvojil a již nyní aplikoval při vývoji nových obráběcích strojů. Takovýto postup je v oblasti vývoje obráběcích strojů v České republice relativně ojedinělý.
Ing. Martin Machálka, Tajmac-ZPS + foto Výrobci obráběcích strojů se snaží vyhovět trvale rostoucím nárokům na vysokou efektivitu a přesnost výroby. Světovým trendem ve všech oblastech strojírenství je stále větší integrace matematického modelování v procesu vývoje nových produktů. Důvodem je snížení rizik výskytu potenciálních závad, chyb či nedostatků, značné zkrácení času a finančních nákladů spojených s uváděním prototypu do provozu a možnost optimalizace požadovaných vlastností. Je evidentní, že vytvoření obsáhlého know-how v této oblasti je strategickou záležitostí. Série několika špatných rozhodnutí při vývoji nových obráběcích strojů může i dobře zavedenou firmu dohnat k bankrotu! Význam řešení lze doložit podobným vývojem CAX aplikací v devadesátých letech. Kdo nezvládl tyto technologie, ztratil podíl na vývoji i výrobě. Realizovat VaV v podmínkách průmyslového podniku je velmi obtížné. Výsledky jsou časově náročné, náklady vysoké a ne vždy vedou ke smysluplnému cíli. Pro realizaci je třeba být vybaven dobrými teoretickými znalostmi a dostatkem časových a finančních prostředků. Právě zde se otevírá prostor pro spolupráci s výzkumnými centry a vysokými školami. Spolupráce na společných projektech vycházejících z potřeb průmyslu se ukázala jako jedna z perspektivních cest dalšího rozvoje strojírenství. Průmysl přináší zkušenosti, vysoké školy jsou nositeli informací. Obojí je samostatně obtížně použitelné, při vzájemné kombinaci však vysoce produktivní.

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

Reklama
Vydání #6
Kód článku: 110608
Datum: 09. 06. 2011
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

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