Témata
Zdroj: TOS Varnsdorf

Výzkum pro praxi:
Horizontální vyvrtávací obráběcí centrum

Spolupráce s praxí je jedním ze strategických cílů aktivit Ústavu výrobních strojů a zařízení a Výzkumného centra RCMT při FS ČVUT v Praze. Vizi 2030 Fakulty strojní naplňuje RCMT podporou konkurenceschopnosti tuzemských firem. Podněty z praxe jsou motivací výzkumu, jehož výsledky jsou uplatňovány v produktech a službách firem i v modernizaci oborové výuky. Postupně představujeme několik klíčových projektů, které byly ve spolupráci RCMT a konkrétních průmyslových firem v praxi v nedávné době řešeny. Dnes se zaměříme na horizontální vyvrtávací obráběcí centrum WHT 110 z produkce TOS Varnsdorf.

Tento článek je součástí seriálu:
Výzkum pro praxi
Díly
Reklama

Živou legendou výrobkového portfolia TOS Varnsdorf byla nadčasově navržená horizontální vyvrtávačka WHN 13/15 CNC, které se vyrobilo téměř 2 700 kusů. V roce 2013 se firma rozhodla na tento úspěch navázat a začala realizovat první kroky k definici zadání nového stroje menší velikosti. Rámcové zadání bylo od začátku náročné: horizontka s nově vyvinutým vřeteníkem o výkonu 31 kW s průměrem výsuvného vřetena 110 mm, která by svou cenou i technickými možnostmi nahradila několik typů strojů v tehdejším produktovém portfoliu a současně se stala podobně jako zmíněná WHN 13/15 nadčasovou platformou s vysokou technickou užitnou hodnotou. Součástí zadání byly požadavky na multifunkčnost stroje (včetně možnosti plnohodnotného soustružení), na plnou automatizaci provozu (automatická výměna nástrojů, vřetenových hlav a palet s obrobky), na dobrou tuhost jako základ provozní přesnosti, na modulární stavbu pro různé velikosti stroje i požadavky zákaznického vybavení. V neposlední řadě se mělo jednat o první stroj od počátku připravovaný pro provozní integraci do moderních výrobních provozů s širokým uplatněním principů Průmyslu 4.0.

Aktivity týmu RCMT na vývoji stroje WHT 110

Pracovníci RCMT byli od počátku přizváni firmou k celému vývoji. V roce 2013 společný tým pracovníků TOS Varnsdorf a RCMT připravoval úvodní studii pro definici zadání stroje. Tento tým RCMT vedl doc. Ing. Petr Kolář, Ph.D., a výstupem byla úvodní studie, od které byly odvozeny konečné požadavky zadání, a též byla určena koncepce stroje s ohledem na tuhost, nenáročnou výrobu a montáž.

Horizontální vyvrtávací obráběcí centrum WHT 110.
(Zdroj: TOS Varnsdorf)

Vývojové práce na stroji zahájil vývojový tým TOS Varnsdorf v roce 2014 a spolupodílely se na nich dva týmy RCMT. Pod vedením Ing. Matěje Sulitky, Ph.D., vznikaly výpočtové a pokročilé simulační modely stroje. S podporou strukturálních optimalizací metodami topologické a parametrické optimalizace byla navržena geometrie hlavních těles nosné struktury. To přispělo k řešení s požadovanou tuhostí a minimalizovanou hmotností (bylo dosaženo minimální hmotnosti stojanu 6,2 t při dodržení požadované statické a dynamické tuhosti). Následně byly strukturální simulační modely využity k analýze deformací těles způsobených vlastní tíhou a návrhu kompenzačních křivek pro obrábění ploch lineárních vedení. Na základě toho byly navrženy postupy pro upnutí dílců při obrábění a následné montáži tak, že se podařilo zkrátit čas potřebný pro vyrovnání geometrické přesnosti skeletu stroje.

Reklama
Reklama

Dále vznikl tzv. propojený model nosné struktury a pohonů, s jehož pomocí byla ověřena koncepce stavby mechaniky pohonů ve vazbě na možnosti regulace. Tento model se stal základem pro unikátní řešení digitálního dvojčete stroje s využitím vlastního softwarového systému, který RCMT dlouhodobě vyvíjí. Systém umožňuje na základě vstupního NC programu prostřednictvím reálného CNC systému virtuálně testovat možnosti stroje při interpolovaném víceosém obrábění, vytvořit věrnou detailní vizualizaci přesnosti a jakosti povrchu obrobku, simulovat průběhy procesních parametrů i věrně predikovat čas obrábění. Digitální dvojče je účinným prostředkem zejména pro návrhy, testování a optimalizace náročných strategií víceosého obrábění a vhodného nastavení řízení stroje.

Simulace a vizualizace obrábění pomocí procesního digitálního dvojčete stroje.
(Zdroj: RCMT)

Druhý velký okruh společných aktivit byl zaměřen na digitální funkce, konektivitu stroje a uživatelskou podporu. Hlavním nástrojem v této oblasti je nadstavba řídicího systému s názvem TOS control, která byla vytvořena ve spolupráci vývojových týmů TOS Varnsdorf a RCMT, a je součástí každého nového stroje z produkce firmy. V RCMT dlouhodobě vede výzkumný tým v této oblasti Ing. Jiří Švéda, Ph.D. TOS control představuje vlastní řešení, které umožňuje integrovat ve stroji řadu oblastí funkce stroje i podpory obsluhy. První oblastí jsou provozně-výrobní informace pro obsluhu (kalendář plánovaných operací, digitální dokumentace stroje, přehledný výpis aktuálního technického stavu) i různé vizualizační nástroje – např. vizualizace pracovního prostoru pomocí kamery nebo mapa statické tuhosti stroje pro konkrétní trajektorii v rámci pracovního prostoru, což obsluze umožňuje identifikovat potenciálně kritická místa na dráze obrábění.

Stroj jako výsledek úspěšné spolupráce firmy s výzkumnou organizací
Stroj WHT 110 měl tržní premiéru v roce 2017 a od té doby jej TOS Varnsdorf dodal a dodává řadě spokojených uživatelů. Pro oba partnery byla v projektu mimořádně přínosná úzká spolupráce v celém vývojovém řetězci – od definice produktu přes jeho vývoj až po další rozvoj funkcí a služeb. Dlouhodobá spolupráce dala vzniknout unikátnímu řešení SW nadstavby CNC systému i procesního digitálního dvojčete. V obou případech s sebou řešení neslo významný rozvoj znalostí v uvedených oblastech. V neposlední řadě je důležité, že stroj je nositelem společného zájmu TOS Varnsdorf a RCMT pro další rozvoj výzkumu a zdokonalování užitných vlastností stroje.

Druhou oblastí je rozhraní pro integraci přídavných zařízení do stroje. Jedná se o řešení pro měření dílce přímo na stroji (tzv. On-Machine-Measurement), které kombinují ovládací SW souřadnicového měřicího stroje, práci stroje s dotykovou sondou a nezávislý systém odměřování polohy konce nástroje např. pomocí laser trackeru. Jinými typy přídavných zařízení mohou být např. aktivní systémy vyrovnávání a upínání obrobků. Podstatné je, že z pohledu obsluhy se jedná o kompletní bezešvou integraci, kdy obsluha nepozná, že „pod rukama“ se jí mění způsoby řízení stroje a kombinují informace z různých vstupních zařízení.

Třetí oblastí jsou diagnostické aplikace provozního stavu stroje – kontrolní měření vibrací na vřetenu, provozní kontrola přesnosti chodu vřetena a integrovaný systém teplotních kompenzací. Čtvrtou oblastí funkce nadstavbového systému TOS control je komunikační „vstupní brána“ pro externí datové systémy. To umožňuje připojení stroje na MES a ERP systémy ve firmě, sdílenou komunikaci se skladem a přípravnou nástrojů a dalšími systémy ve firmě. Tím se zvyšuje efektivita údržby stroje a snižují provozní náklady celého strojního pracoviště. Systém TOS control tak představuje klíčovou část stroje z pohledu integrace stroje do Průmyslu 4.0.

Nadstavbové prostředí TOS control integruje řadu aplikací pro podporu provozu a monitorování stavu stroje.
(Zdroj: RCMT)

Přínos spolupráce pro výrobní firmu

Vývoj stroje vedl na straně TOS Varnsdorf po celou dobu Ing. Tomáš Kozlok: „Pro naši společnost představuje stroj WHT nový typ produktu (dnes již existuje ucelená řada 110/130), který není již pouhým obráběcím strojem, ale jeho možnosti využívání se zásadním způsobem rozšířily. Jak bylo popsáno výše, zejména díky unikátnímu systému TOS control může dnes stroj pracovat také jako měřicí stroj bez zanesení chyby stroje, má integrovanou pokročilou diagnostiku umožňující prediktivní údržbu, disponuje komplexním digitálním dvojčetem, může být připojen na MES a ERP systémy přesně v duchu současných požadavků, z nichž některé budou zákazníky vyžadovány a doceněny až v blízké budoucnosti, ale stroje WHT na to jsou již připraveny. Díky, z mého pohledu unikátní, spolupráci s RCMT se z pouhé spolupráce na vývoji jednoho typu stroje stala globální spolupráce na vývoj produktů a služeb naší firmy, neboť pracovníci RCMT jsou již tak propojeni s firmou, že pochopili naši vizi a nyní se vzájemně doplňujeme nápady a myšlenkami na další posun a rozvoj našich produktů, které společně realizujeme v dalších navazujících projektech.“

Reklama

Přínos spolupráce pro výzkumnou organizaci

Výpočtové a simulační aktivity týmu RCMT vedl Ing. Matěj Sulitka, Ph.D.: „Zadání vývoje stroje WHT 110 představovalo výjimečnou příležitost, která vedla k uplatnění komplexního přístupu k výpočtovému modelování a optimalizaci nosné struktury stroje s využitím pokročilých metod topologické a parametrické optimalizace. Práce probíhaly v úzké součinnosti se specialisty TOS Varnsdorf, kteří promítali do výsledků cenné zkušenosti a jejichž přičiněním byl potenciál výpočtových modelů a postupů maximálně využit. Díky progresivnímu zájmu a podpoře vedoucího projektu Ing. Tomáše Kozloka bylo následně vyvinuto a otestováno unikátní procesní digitální dvojče stroje, které je vyústěním dosavadního systematického společného výzkumu obou subjektů. Toto digitální dvojče je základem dalšího rozvoje jak v oblasti specifické zákaznické podpory, tak implementace modelu do nadstavbového prostředí CNC systému TOS control, což s sebou nese řadu podnětů pro další výzkum v oblasti digitální podpory přípravy a realizace výroby.“

Vývoj systému TOS control vede v RCMT Ing. Jiří Švéda, Ph.D.: „Vývoj systému TOS control byl motivován snahou TOS Varnsdorf nabídnout zákazníkům přidanou hodnotu nejen v mechanické části stroje, ale také v oblasti softwaru. Hlavní myšlenkou bylo vytvořit univerzální uživatelské a datové rozhraní strojů, které by umožňovalo postupně integrovat další funkce ve formě dílčích aplikací. To se povedlo a TOS control představuje základnu pro rozvoj a integraci dalších SW funkcí strojů firmy. Výjimečnost spolupráce na vývoji TOS control spočívala zejména ve shodném pohledu obou subjektů na danou problematiku a v moderním přístupu TOS Varnsdorf, který se už od začátku zaměřil na budování softwarového vývojového týmu a směřoval vývoj do oblasti propojení výrobních strojů, řídicích systémů a IT technologií. Díky podpoře Ing. Jana Rýdla a vedení projektu Ing. Tomášem Kozlokem se podařilo vyvinout systém, který je dnes součástí všech strojů jejich firmy a umožňuje rozvoj systému ve formě dalších aplikací. V našem týmu to následně umožnilo definovat a ověřit celou řadu principů a postupů v oblasti chytrých výrobních strojů.“ 

Vývoj stroje byl spolufinancován z projektů s veřejnou podporou TA ČR.


Příště představíme další spolupráci RCMT s průmyslovým partnerem.

Související články
Aktuální trendy v oboru obráběcích strojů

Obor obráběcích strojů prochází velkými změnami, které pravděpodobně nejsou na první pohled tak zřetelné. Požadavky na stroje se mění v důsledku postupných proměn světa okolo nás a výrobci strojů na to reagují, aby si zajistili potřebnou konkurenceschopnost.

Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

Nebojte se výzev!

Tuto větu mi na konec rozhovoru řekl Ing. Radomír Zbožínek, člen představenstva Tajmac-ZPS, který se stále podílí na dění v mateřské firmě. Slovo "mateřská" pro pana Zbožínka platí dvojnásob, do firmy totiž nastoupil 1. listopadu 1972, takže zde "kroutí" již svou 46. sezonu. Tak akorát na to, aby jeho slova mohla posloužit i dalším lidem.

Související články
Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Hlavní trendy EMO Hannover 2017 očima výzkumníků

Hannoverský veletrh EMO je právem považován za výkladní skříň toho nejlepšího, co inovační týmy světových leaderů i jejich následovníků navrhli a v prototypech či již sériově nabízejí. Sektor výrobních strojů bývá na špici technického pokroku v oblasti strojírenství a udává směr dalším oborům, které jej následují. U nás má velkou tradici a není proto s podivem, že letos do Hannoveru zavítalo na 2 200 českých návštěvníků.

Kovosvit MAS a výzkumné centrum RCMT

Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) při Ústavu výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze ze své podstaty aplikačního výzkumu již dlouhodobě spolupracuje s výrobními podniky. Patří mezi ně zejména celá řada výrobců obráběcích strojů ‒ k zásadním partnerům pak Kovosvit MAS, se kterým se spolupráce datuje hned ke vzniku pracoviště po roce 2000.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Zvyšování užitné hodnoty obráběcích a tvářecích strojů

Konkurence v oboru prodeje obráběcích strojů je velká a všechny firmy hledají způsob, jak nabídnout koncovému uživateli vyšší užitnou hodnotu. Tato užitná hodnota se posuzuje podle parametrů koncové výrobní technologie (přesnost, jakost, produktivita, celkové náklady) a pro výrobce obráběcích strojů je to jeden z bodů, kde mohou technickými znalostmi a inovacemi ovlivnit svou konkurenceschopnost na trhu.

3D technologie letem světem

Vývoj 3D technologií dnes již zasahuje téměř do všech oblastí výroby. Uplatnění nachází u kusové výroby, ale dokáže si najít své místo i v sériové a dokonce velkosériové výrobě, kde nemusí jít nutně o samotné výrobky, ale např. o výrobu nástrojů nebo přípravků.

Průmysl 4.0 v oboru výrobních strojů

O čtvrté průmyslové revoluci je každý čtenář technických periodik dostatečně informován. Především rok 2016 a částečně i počátek roku 2017 přinesly v této oblasti skutečnou smršť informací. Bohužel většina byla spíše vizionářského nebo marketingového charakteru s chybějícím konkrétním technickým obsahem. V mnoha firmách tedy stále zůstává ve vzduchu viset otázka: V čem by nám to mohlo pomoci řešit naše potřeby?

Generační pohled na strojírenský výzkum

Nyní se možná na všech úrovních hovoří o inovacích více, než je zdrávo a adekvátně by odpovídalo konkrétním výsledkům na poli, kde poměr výrobních firem s finálními výrobky vs. výrobci komponent či obchodní zastoupení nadnárodních koncernů nevytváří perspektivní základnu k našemu dalšímu technickému vývoji, což má bezesporu vliv i na fakt, jakou naše výrobní strojírenské podniky jako celek nyní zastávají ve světovém srovnání respektovanou roli a jak se to bude vyvíjet nadále.

Spolupráce firem a univerzit přináší výsledky

Inovace v technickém vývoji výrobních strojů a technologií jsou nezpochybnitelnou povinností pro každou firmu, která chce dlouhodobě působit na současném vysoce konkurenčním trhu. Dlouhodobý vývoj ve firmách stojí především na šikovnosti a zkušenosti vlastních konstruktérů a technologů. Zapojení externích výzkumných pracovníků je pro firmu možností inspirovat se jiným pohledem, nalézt a rozvinout žádoucí řešení novým směrem a získat tak potřebný náskok před konkurencí. V oboru výrobní techniky a technologie je spolupráce firem a výzkumných institucí dlouhodobě intenzivní. Firmy mají své dobré partnery pro výzkum jak na technických univerzitách v Praze, Brně, Plzni, Liberci a Ostravě, tak i na mimouniverzitních pracovištích, např. v libereckém VÚTS nebo v kuřimském centru Intemac.

Na cestě ke zrození stroje, část 5: Zakázka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

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