Výzkum pro praxi:
Horizontální vyvrtávací obráběcí centrum

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.“

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.