Témata
Zdroj: Kovosvit MAS

Výzkum pro praxi: Hydrostatická uložení pohybových os strojů

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 problematiku návrhů hydrostatických uložení ve stavbě obráběcích strojů.

Tento článek je součástí seriálu:
Výzkum pro praxi
Díly
Reklama

Hydrostatická buňka s definovanou škrticí spárou a regulací vstupního průtoku, tak, jak ji známe a dodnes užíváme, byla patentována F. Hodgkinsonem v roce 1923 ve Velké Británii. Postupný rozvoj v oblasti stavby vysokotlakých hydraulických agregátů a komponentů umožnil později uplatňování hydrostatických vedení i u obráběcích strojů. Hlavními přednostmi hydrostatického uložení jsou nízké pasivní odpory a vysoké tlumení ve směru kolmém k rovině hydrostatické buňky při současně extrémně vysoké únosnosti a značné tuhosti. Využití hydrostatických vedení je díky těmto vlastnostem oceňováno zejména u středně velkých a velkých těžkých strojů.

Běžné přístupy navrhování uvažují hydrostatické vedení jako izolovaný systém bez vazby na deformace nosné struktury stroje. Zvláště u těžkých strojů však tyto přístupy selhávají. To se stalo motivací pro tým RCMT, aby se ve vazbě na spolupráci s českými výrobci strojů zaměřil na problematiku hydrostatických vedení a pomohl vyvinout znalosti, které by umožnily hydrostatická vedení spolehlivě navrhovat pro vyšší parametry bez nutnosti testování a odlaďování na zkušebních prototypech.

Lineární osy strojů

Vývoj nové návrhové metodiky nastartovala spolupráce TOS Kuřim - OS s RCMT. Výzkumné centrum vyvinulo unikátní strategii matematického modelování hlavních komponent hydrostatických vedení a jejich propojení s výpočtovým modelem celého stroje pomocí metody konečných prvků. Jen tak je možné hodnotit interakci nosné struktury stroje a hydrostatických vedení při desítkách až stovkách různých zátěžných stavů a poloh skupin pohybových os stroje. Výsledkem je optimální návrh a rozmístění hydrostatických buněk, vedoucí k maximalizaci tuhosti bez rizika kontaktu vodicích ploch. Jako velmi výhodné se prokázalo provádět návrh hydrostatických vedení společně s návrhem nosné struktury stroje. Tento přístup byl poprvé úspěšně aplikován při návrhu portálu stroje FRU 450 z produkce TOS Kuřim - OS, díky čemuž se podařilo snížit deformace saní osy X a současně snížit hmotnost nosných dílců optimálním využitím materiálu. Dalšími úspěšnými aplikacemi byly komplexní návrhy uložení smykadel strojů z produkce TOS Kuřim - OS, včetně stanovení zátěžných provozních podmínek, nebo pohybových os strojů ForceTurn 4000 a ExpertTurn 1600 firmy Toshulin. Vrcholnou aplikaci představoval náročný návrh a ověření hydrostatického uložení os největšího svislého soustruhu na světě ČKD Blansko SKDY 160/130, jehož návrh vznikl v úzké spolupráci s odborníky RCMT.

Na strojích TOS Kuřim FRU 450 a FU byla poprvé úspěšně uplatněna pokročilá metodika navrhování hydrostatických vedení RCMT. (Zdroj: TOS Kuřim – OS)

Rotační osy strojů

Přestože hydrostatická vedení vynikají velmi nízkými pasivními odpory, jsou tyto odpory závislé na druhé mocnině rychlosti pohybu. V případě rotačních os s vysokými obvodovými rychlostmi se může jednat již o poměrně velké zdroje tepla. Teplo generované na vedení prostupuje do nosné struktury stroje a způsobuje vznik teplotních deformací, na druhé straně způsobuje změnu viskozity oleje v hydrostatické buňce. Vysoké rychlosti pohybu hydrostatické kapsy současně vedou ke změně tlakových poměrů v kapse. Všechny tyto efekty se podařilo v metodice RCMT úspěšně modelově popsat a zohlednit při návrzích velkých otočných stolů pro svislé soustružení. Jmenujme stoly typu KES 100, KES 300 a KEP 100, určené pro obrobky o hmotnosti až do 100 tun, z produkce TOS Kuřim - OS, nebo novou generaci otočných stolů RT 6300-C pro těžké obráběcí stroje společnosti VTL Blansko. Jedním z přínosů návrhového postupu RCMT je mimo jiné i hledisko energetické náročnosti provozu systému. Na příkladu otočného stolu KES 300 bylo dosaženo snížení spotřeby energie o 40 % vhodnou úpravou nastavení hydrostatického systému.

Karuselovací stůl KEP 100 z produkce TOS Kuřim - OS. Predikce teplotních deformací desky stolu pomocí MKP umožňuje stanovit provozuschopné otáčky. (Zdroj: TOS Kuřim - OS)

Pokročilé funkcionality hydrostatického uložení

Pozornost výzkumu RCMT se zaměřuje na další rozšiřování funkcionality hydrostatických vedení. Za zmínku stojí systém vážení a určování excentricity obrobků, který byl vyvinut na základě podnětu firmy VTL Blansko a byl uplatněn na prototypu otočného stolu RT 6300-C pro práci s nesymetrickými obrobky. Systém umožňuje zkrátit čas nutný pro ustavení a vyvážení těžkých excentrických obrobků, u kterých by jinak hrozilo překročení dovolené klopné síly na upínací desku a v extrémním případě kontakt vodicích ploch.

Unikátním řešením RCMT je využití moderních proporcionálně řízených ventilů a měřicích sond pro systém aktivního řízení tloušťky olejového filmu jednotlivých hydrostatických kapes s přesností polohování až 1 µm. Tento systém umožňuje pohybovat s dílci nosné struktury stroje nebo je vůči sobě naklápět, a kompenzovat tak výrobní nepřesnosti, tepelné deformace nebo deformace vlivem tíhy při přesunech pohybových skupin stroje. Systém byl využit ke kompenzaci úhlových deformací mezi obrobkem a nástrojem při vývoji nového vertikálního frézovacího stroje MCV 2200 HP, který vznikl v úzké spolupráci firmy Kovosvit MAS s RCMT. Tím byla u velkého stroje s rámem typu C odstraněna hlavní koncepční nevýhoda plynoucí z naklopení vřetene vůči obrobku vlivem teplotních deformací. Jde současně o úspěšné první nasazení hydrostatických vedení na strojích firmy Kovosvit MAS.

Vertikální frézovací centrum MCV 2220 HP z produkce Kovosvit MAS má křížový stůl umístěný na hydrostatickém uložení s inovativním aktivním řízením, které umožňuje kompenzace úhlových deformací mezi nástrojem a obrobkem. (Zdroj: Kovosvit MAS)

Přínos spolupráce pro výrobní firmu

Ing. Petr Kupka za TOS Kuřim - OS ke spolupráci s RCMT uvádí: „RCMT je dlouhodobým výzkumným partnerem naší společnosti v oblasti vývoje nosných struktur strojů s vyššími užitnými vlastnostmi. Téma hydrostatického uložení se stalo jedním z klíčových v době, kdy jsme se začali orientovat na vývoj středně velkých a velkých těžkých strojů. Nové koncepce strojů na hydrostatickém vedení si vyžádaly vývoj znalostí, které by garantovaly spolehlivé funkční řešení bez nutnosti náročného ladění a testování na stroji. Tým RCMT se této výzvy zhostil a při vývoji nového portálového centra řady FRU před téměř 15 lety vytvořil inovativní metodiku, která byla ve spolupráci s RCMT úspěšně aplikována na všechny další stroje z produkce TOS Kuřim - OS a ČKD Blansko vybavené hydrostatickým vedením. Díky novým návrhovým postupům RCMT se podařilo skloubit protichůdné požadavky na snižování hmotnosti a vyšší provozní parametry strojů a významně zkrátit vývojové fáze strojů. Oceňujeme také významnou podporu a spolupráci pracovníků RCMT při oživování pohybových os a měření jejich provozních vlastností.

Ing. Vojtěch Frkal, technický ředitel Toshulin, hodnotí spolupráci s RCMT následovně: „K první spolupráci s RCMT v oblasti hydrostatického vedení nás přivedl návrh hydrostatického vedení os XZ stroje ForceTurn 4000, který je největším strojem v produktovém portfoliu firmy. Typické deformace příčníku a smykadla si vyžádaly uplatnění pokročilého přístupu, který by zajistil spolehlivou funkčnost vedení v celém rozsahu zdvihu os. Odborníci RCMT využili výhody vlastní komplexní metodiky, díky které se podařilo zvládnout návrh a optimalizaci hydrostatického vedení ve velmi krátkém čase. Hydrostatické vedení bylo na stroji realizováno bez nutnosti dalších úprav a stroj spolehlivě slouží u zákazníka. Cením si zejména významného zkrácení vývojového cyklu, které nám spolupráce s RCMT přinesla a díky kterému jsme byli schopni reagovat v krátkém čase na zákaznický požadavek. Rád bych vyzdvihl rovněž průběh spolupráce odborníků RCMT s našimi konstruktéry, jejímž výstupem byl kompletní návrh systému. Cením si také podpory pracovníků RCMT při vlastním oživení a testování stroje s nově vyvinutým vedením.

Reklama

Ing. Petr Heinrich, technický a výrobní ředitel Kovosvit MAS Machine Tools, vidí tyto přínosy spolupráce s RCMT: „Koncept nového vertikálního centra MCV s aktivně řízeným hydrostatickým uložením křížového stolu je zcela unikátním řešením, které přináší schopnost kompenzace úhlových deformací mezi vřetenem a stolem stroje. Tyto deformace nejsou na vertikálních centrech jinými technickými prostředky řešitelné. Do portfolia strojů Kovosvit MAS jsme tak získali moderní centrum s vysokým stupněm inovativnosti, které nabízí významně vyšší přidanou hodnotu a stabilitu přesnosti obrábění nezávisle na provozních podmínkách. Při vývoji aktivního řízení výšky olejového filmu hydrostatických kapes bylo nutno vyřešit řadu technických výzev, které odborníci RCMT ve spolupráci s týmem Kovosvit MAS úspěšně zpracovali a postarali se o plné uvedení náročného systému do provozu.

Přínos spolupráce pro výzkumnou organizaci

U počátků výzkumu hydrostatických vedení v RCMT stál Ing. Jan Smolík, Ph.D., vedoucí skupiny vývoje, který ke spolupráci s průmyslovými partnery v této oblasti říká: „Naše návrhové techniky pracují s poddajností dílců stroje, úhlovými chybami HS buněk, teplotním polem celé soustavy a s detailním modelem proudění, což nikdo jiný nenabízí. Schopnost takto navrhnout hydrostatická vedení ušitá na míru konkrétnímu stroji bez nutnosti zdlouhavého ladění při oživování obráběcích strojů není jinak běžná a naši průmysloví partneři ji oceňují. Budoucnost hydrostatiky vidím ve třech oblastech:

  • stále u těžkých přesných strojů, kde je třeba hledat cesty ke snížení provozních nákladů a optimalizaci teplotního chování;
  • nově v možnosti využití hydrostatických vedení jako nízkozdvihových aktuátorů pro kompenzace malých úhlových chyb, které stroje jinak kompenzovat neumí;
  • v cíleném využívání hydrostatiky pro zvyšování tlumení ve stavbě strojů.“

Vývoj hydrostatických uložení v RCMT vede Ing. Eduard Stach, Ph.D.: „Možnost zapojit se do vývoje stroje FRU 450 po boku specialistů TOS Kuřim - OS znamenalo nejen jedinečnou příležitost využít tehdejší převážně teoretické zkušenosti s hydrostatickými vedeními, ale také získat nezbytné zkušenosti s mnoha praktickými aspekty výroby, oživením, a především s diagnostikou těchto vedení. Od této doby jsme měli možnost realizovat celou řadu úspěšných aplikací s předními výrobci obráběcích strojů, které nám umožnily získat mnoho zkušeností v různých oborech od pokročilého modelování proudění až po integrace citlivých senzorů a zpracování naměřených dat. Tyto zkušenosti se nám daří využívat i v dalších vývojových projektech, jež nezbytně nesouvisejí s hydrostatickými vedeními.


Vývoj hydrostatických uložení pohybových os strojů a procesů je spolufinancován z projektů s veřejnou podporou TA ČR.

Vydání #7,8
Kód článku: 220711
Datum: 29. 06. 2022
Rubrika: Servis / Vývoj a inovace
Autor:
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.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

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.

Související články
Reflexe EMO Milano 2015

Italské výstaviště Fieramilano se první říjnový týden stalo středem pozornosti strojařů především evropské provenience. Po šesti letech, kdy vrcholila hospodářská krize, se prestižní veletrh EMO vrátil do italského průmyslového regionu s „budovatelským“ mottem: Let’s build the future. Na ploše 120 000 m2 ve dvanácti výstavních halách se prezentovalo přes 1 600 vystavovatelů, z toho na 500 tuzemských. Podle závěrečné zprávy navštívilo akci přes 155 tisíc návštěvníků (145 tis. EMO Hannover 2013), polovina ze zahraničí. (Pozn. V neděli před zahájením EMO navštívilo vedlejší Expo přes 260 tisíc návštěvníků. Z České republiky do Milána vycestovalo 2 160 strojařů (2 300 na EMO Hannover 2013). Každý z návštěvníků si domů patrně odvezl svůj osobní rekord v nachozených kilometrech po výstavišti.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů (2. část)

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.

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.

Výzkum pro praxi:
Vývoj v oblasti Hybrid Manufacturing

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 vývoj v oblasti aditivních technologií.

Podpora spolupráce ve výzkumu, vývoji a inovacích ve střední Evropě - inspirace projektem NUCLEI

Ústav výrobních strojů a zařízení FS ČVUT (RCMT) je zapojen do evropského projektu NUCLEI podporujícího iniciaci mezinárodní spolupráce ve výzkumu, vývoji a inovacích. Zaměřen je na region střední Evropy a odbornou oblast moderních výrobních technologií.

Na cestě ke zrození stroje, část 6: Projekce

Série 10 článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje výrobu 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 jež po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

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.

Na cestě ke zrození stroje,
část 2: Koncepce

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.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Pavel Sobotka: Příležitost je nutné v pravý čas chytit za pačesy

Píšeme první kapitolu knihy příběhů, v níž chceme představit úspěšné české podnikatele, kteří něco dokázali a kteří se za svou práci rozhodně nemusejí stydět. I když v České republice má slovo „podnikatel“ spíše pejorativní význam – a zasloužili se o to tzv. „rychlí podnikatelé“, kteří ostrými lokty dokázali rychle zbohatnout na úkor ostatních –, tento seriál ukazuje druhou stranu mince. Nápad, záměr, tvrdá práce, stanovení filozofie firmy, vztah k lidem. Pro mnohé to nebylo jednoduché a my chceme představit právě ty, kteří svou usilovnou prací dokázali, že Česká republika má stále na to, aby se pohybovala na špičce nejen v technologiích, ale i v managementu. Nechť vám tento seriál slouží jako příklad toho, jak nelehká cesta na samotný vrchol v určitém oboru mnohdy vede.

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