Témata
Zdroj: TOS Kuřim – OS

Výzkum pro praxi: Optimalizace obrábění a aplikace digitálních dvojčat

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. V tomto díle nahlédneme do oblasti aplikace digitálních dvojčat při optimalizaci obrábění jako moderního a perspektivního softwarového nástroje technologa.

Tento článek je součástí seriálu:
Výzkum pro praxi
Díly
Reklama

Vývojem moderního konceptu virtuálních modelů a digitálních dvojčat strojů a procesů se RCMT zabývá systematicky již více než 10 let, a to zejména díky spolupráci s předními českými výrobci strojů. Motivací bylo vyvinout softwarové nástroje, které umožní nejen zdokonalit postupy navrhování strojů, ale také zvýšit spolehlivost, kvalitu a produktivitu obrábění. Realistická predikce a vizualizace procesů, odpovídající skutečnému dynamickému chování stroje a jeho řízení, umožňuje eliminovat dosud běžné postupy odlaďování strategií NC obrábění na stroji. Tým RCMT pod vedením Ing. Matěje Sulitky, Ph.D., vyvíjí softwarové řešení MillVis, které se v současnosti stává účinným nástrojem technologů. S využitím MillVis byla úspěšně řešena již řada komplexních průmyslových úloh, které vedly k bezchybné výrobě dílců a vyšší produktivitě obrábění. Vybrané dva úspěšné příklady si ukážeme v tomto článku.

Koncept digitálního dvojčete stroje a procesu. (Zdroj: RCMT)

Výroba formy

Důležitost vzájemné provázanosti kvalitního nastavení stroje a technologie demonstrují příklady obrábění tvarově složitých forem ve společnosti TOS Varnsdorf. V daném případě bylo cílem bezchybně obrobit tvarově komplexní formu pomocí optimálního nastavení stroje a technologie. Navrženy byly tři technologické postupy od hrubování po dokončování. K nim byly v CAM vytvořeny dráhy nástroje, vygenerovány NC kódy, zvoleny řezné nástroje a nominální řezné podmínky. Všechny tři uvažované strategie měly stejnou výšku nerovnosti „scallop“, lišily se pouze drahami nástroje.

Reklama
Reklama

Simulace a vizualizace úběru materiálu v MillVis pomocí digitálního dvojčete stroje WHT 110 na úrovni NC kódu vedly zejména ke kontrole návaznosti operací hrubování, dohrubování a předdokončení a jejich součástí bylo také ověření bezkoliznosti NC programů. Následná vizualizace obrábění s využitím virtuálního CNC systému Siemens Sinutrain umožnila hodnotit skutečný průběh pohybu nástroje a chyby přesnosti a jakosti obrobených ploch. Na základě těchto dat byly voleny co nejvhodnější a nejproduktivnější dráhy nástroje v CAM nebo vhodné technologické cykly a jejich parametry v CNC řídicím systému, jako je např. cyklus CYCLE832. Detailní vizualizace v MillVis skutečného průběhu procesních veličin, včetně přesnosti a jakosti obrobených povrchů, nebo odtlačení nástroje, představovaly pro technologa cenná data, podle nichž probíhala optimalizace přípravy technologie.

Vizualizace rozložení skutečné posuvové rychlosti umožnila hledat potenciál pro optimalizaci nastavení parametrů CNC řídicího systému. (Zdroj: RCMT)

Uvedený postup s využitím digitálního dvojčete stroje vedl k návrhu finální optimalizované strategie obrábění, která splňovala požadavky jakosti, přesnosti a produktivity. Tento návrh byl úspěšně aplikován při výrobě formy a ukázal současně potenciál využití stroje WHT 110. Bez využití softwarové optimalizace v MillVis by řešení této úlohy vyžadovalo množství testů obrábění na stroji, které by bylo náročné časově, a vyžadovalo by i nemalé náklady.

Výroba formy na stroji WHT 110. (Zdroj: TOS Varnsdorf)

Obrábění podvozku lokomotivy

Předmětem této spolupráce byla podpora společnosti TOS Kuřim – OS při zavádění nové technologie obrábění funkčních ploch na velkých svařencích podvozků kolejových vozidel. První fáze vývoje technologie se zaměřila na vizualizaci odbavení parametrického NC kódu pomocí MillVis, včetně zahrnutí všech používaných obráběcích cyklů pro CNC Siemens Sinumerik. Parametrizace NC programu vyplynula z proměnlivosti přídavků na obrábění na jednotlivých plochách a spočívala ve volbě potřebného počtu obráběných vrstev na základě údajů z měření obrobkovou sondou. Simulace a vizualizace obrábění poskytly kolizní kontrolu nástroje s obrobkem a kontrolu průběhu objemu odebíraného materiálu, řezných sil a požadovaného výkonu vřetene.

V další fázi bylo nutno ověřit volbu upnutí dílce a navrhnout možné rozmístění upínek v přípravku a velikost upínacích sil tak, aby nevznikly nežádoucí a neopravitelné chyby obrábění a současně upnutí vyhovělo působení procesních sil. Vytvořen byl výpočtový model dílce metodou konečných prvků, s jehož pomocí byla provedena optimalizace upnutí a utahovacích momentů upínek.

Klíčovým požadavkem byl takt výroby. K jeho splnění byly vytvořeny přesné časové studie na základě digitálního dvojčete stroje FRUN s virtuálním CNC systémem, který vedle obráběcích časů zahrnoval i časy pro výměny vřetenových hlav a nástrojů. Nová strategie ukázala potenciál zkrácení výchozího času obrábění o více než 30 %, čímž splnila přísné požadavky zákazníka a přispěla nemalou měrou k úspěšnému předání strojů.

Optimalizace upnutí dílce byla provedena na základě analýzy deformací dílce metodou konečných prvků. Výroba podvozku lokomotivy probíhala na stroji FRUN. (Zdroj: RCMT a TOS Kuřim – OS)

Přínos spolupráce pro výrobní firmu

Vedoucí vývojových projektů a zkušebny TOS Varnsdorf Ing. Tomáš Kozlok ke spolupráci s RCMT v oblasti virtuálních modelů a digitálních dvojčat uvádí: „Zákazník si kupuje obráběcí stroj s cílem, aby na něm produkoval výrobu, resp. aby mu daný stroj generoval zisk. Dlouhodobou snahou naší společnosti je maximálně eliminovat veškeré prostoje a nevýrobní časy obráběcího stroje. Jedním z těchto neproduktivních časů je velmi často odlaďování nejvhodnějších podmínek obrábění daného dílce přímo na stroji. Jedním ze zásadních témat, kterému se ve spolupráci s RCMT dlouhodobě věnujeme, je právě problematika virtuálních dvojčat strojů. V praxi jsme si ověřili, že díky virtuálnímu dvojčeti stroje dnes dokážeme s opravdu velmi vysokou pravděpodobností predikovat nejvhodnější strategii obrábění, řezné podmínky, čas obrábění, a dokonce i jakost obrobené plochy, a to vše s maximálním možným využitím potenciálu stroje. Výrazně tak dochází k časové úspoře při odlaďování na samotném stroji, neboť veškeré tyto přípravné činnosti probíhají ve virtuálním prostředí.“

Ing. Petr Kupka, který je vedoucím technologie a technického rozvoje TOS Kuřim – OS, hodnotí spolupráci s RCMT takto: „Ve spolupráci s RCMT se dlouhodobě zabýváme optimalizací obrábění s využitím simulačních nástrojů. Díky těmto prostředkům je možné např. nastavit parametry CNC řízení přímo pro potřeby technologie, anebo technologii naladit podle možností stroje, což je zvláště u těžkých obráběcích strojů velmi důležité. Prvním významným společným výsledkem, dosaženým za podpory digitálního dvojčete stroje, byla v nedávné době úspěšná výroba Francisovy turbíny z nerezové oceli. Společně získané znalosti jsme spolu s RCMT dále rozvíjeli a na přelomu minulého roku úspěšně uplatnili při předávání dvou strojů se zákaznickou technologií pro Škoda Transportation. Zde jsme byli schopni již v přípravné fázi odladit virtuálně NC programy a významně optimalizovat frézovací operace pro zkrácení výrobního času. V příštích letech počítáme ve spolupráci s RCMT s dalším rozvojem know-how v oblasti simulací pro podporu optimalizací technologií obrábění, neboť v tom spatřujeme odpověď na stále se zvyšující nároky zákazníků.“ Přínos spolupráce pro výzkumnou organizaci

Reklama

Tým RCMT v oblasti vývoje digitálních dvojčat vede Ing. Matěj Sulitka, Ph.D.: „Digitální dvojčata strojů a procesů jsou jedním z klíčových prostředků digitalizace výroby. Umožňují zkracovat vývoj strojů a zavádět nové technologie obrábění do výrobních procesů rychleji a s podstatně nižšími náklady, což přispívá k významné konkurenční výhodě. Pro nás patří výzkum a vývoj procesních digitálních dvojčat k jedné ze strategických aktivit, která je součástí budoucí vize autonomní výroby. Rád bych velmi ocenil, že můžeme na vývoji těchto prostředků spolupracovat s TOS Varnsdorf, TOS Kuřim – OS, Toshulin nebo Kovosvit MAS a že získáváme od našich partnerů důležitou zpětnou vazbu při zavádění simulačních modelů procesních digitálních dvojčat do průmyslové praxe.“ Vývojem aplikací digitálních dvojčat pro optimalizaci obrábění se v RCMT zabývá Ing. Michal Stejskal: „Úroveň digitálních dvojčat a pokročilých simulací, kterou v RCMT vyvíjíme, dává technologovi do rukou mocný nástroj jak při přípravě, ladění, tak i při optimalizaci stávající výroby. Na půdě RCMT se v odborně pestrém týmu zabýváme zdokonalováním kvality výstupů digitálních dvojčat. To jde ruku v ruce s nasazením a testováním těchto softwarových nástrojů v ostrých podmínkách průmyslové praxe. Za to patří velký dík našim průmyslovým partnerům.“ 

Úspěšné technologie obrábění jako výsledek interakce stroje a procesu

Oba představené příklady názorně ukázaly účinnou synergii know-how a zkušeností technologů a využití pokročilých simulačních nástrojů, díky nimž je možné úspěšně řešit náročné úkoly obrábění. Obrobky vznikají jako výsledek interakce stroje a procesu, a je proto potřeba dívat se na vývoj technologií jako na provázanou úlohu. Jinými slovy, sebelépe navržená technologie bez vazby na odpovídající naladění stroje nemusí vést k uspokojivým výsledkům. Význam této synergie stoupá zvláště dnes, kdy se stále stupňují požadavky zákazníků na zvyšování spolehlivosti výroby a snižování nákladů a času potřebného na zavedení technologií do praxe. Pokročilé virtuální modely a procesní digitální dvojčata, jak je vyvíjí RCMT, v tom představují účinný moderní nástroj technologa.


Vývoj digitálních dvojčat a virtuálních modelů strojů a procesů je spolufinancován z projektů s veřejnou podporou TA ČR.

Vydání #6
Kód článku: 220616
Datum: 01. 06. 2022
Rubrika: Servis / Vývoj a inovace
Autor:
Firmy
RCMT, FS, ČVUT v Praze

Ústav výrobních strojů a zařízení a Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) představují jedno společné pracoviště Fakulty strojní ČVUT v Praze, které je zaměřeno na výzkum a vzdělávání v oboru „Machine Tools“, tedy v oboru obráběcích a tvářecích strojů a související automatizace. Strategickými úkoly RCMT jsou (1) výzkum a vývoj v oboru výrobních strojů a technologií, (2) podpora firem v oblasti výrobních strojů a  technologií a (3) vzdělávání mladých odborníků.

    Číst dál
    TOS Varnsdorf

    Výroba vodorovných frézovacích a vyvrtávacích strojů a obráběcích center. Obráběcí stroje - horizontální frézovací stroje a vodorovné vyvrtávačky. Servis, opravy a dodávky náhradních dílů.

    Číst dál
    TOS Kuřim – OS

    Firma se zabává vývojem, výrobou, prodejem a servisem horizontálních a portálových obráběcích center, svislých soustruhů a jednoúčelových strojů. Rozšíření výrobních kapacit společnosti TOS Kuřim umožnilo přesun výroby sesterské společnosti ČKD Blansko–OS. Sloučením obou společností vznikl v tehdejší skupině Alta unikátní výrobní podnik s širokým portfoliem nabízených strojů a silným technologickým zázemím. Výsledkem byla vyšší efektivita výzkumných i výrobních činností. V roce 2018 se obě společnosti přiřadily do skupiny firem Toshulin.

    Číst dál
    Související články
    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.

    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.

    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.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    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.

    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 3:
    Cenová nabídka

    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.

    Strojírenské fórum 2018: Zaměřeno na nové technologie a materiály

    Příběh pátého ročníku Strojírenského fóra se začal psát 10. května 2018 na půdě Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně konferencí na téma moderní výrobní technologie a materiály s důrazem na aditivní výrobu z velké části kovových materiálů a na inovativní aplikace kompozitních materiálů. Na sto účastníků z řad výrobní a akademické sféry vyslechlo na 13 přednášek a následně v pozdních odpoledních hodinách se větší část z nich odebrala na exkurzi po šesti VaV pracovišťích zaměřených na nové technologie. Plný den poznání a nových setkání. Pojďme se k němu vrátit fotoreportáží.

    Cena MM Award na EMO

    Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

    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.

    Průmysl 4.0 v praxi

    Reflexe současného poznání s aplikací prvků Průmyslu 4.0 do praxe byla předmětem odborné konference, kterou společnost Ceratizit společně se svými partnery připravila pro téměř stovku účastníků z řad výrobních společností ve svém Technickém centru. Od původního teoretizování o aspektech Průmyslu 4.0 jsme se nyní dostali již k praktických zkušenostem.

    Zlatá medaile pro prof. Kassaye

    Po dvouleté pauze, zapříčiněné hygienickými opatřeními ke snížení šíření pandemie koronaviru, se opět otevřely brány MSV v Brně, v rámci kterého se udílejí i ocenění Zlatých medailí. A to jak vystaveným exponátům, tak tradičně, již od roku 2006, díky iniciativě redakce našeho časopisu, také ocenění osobnosti za její celoživotní tvůrčí technickou práci a dosažené inovační činy.

    Soumrak strojírenských bohů

    Až do nedávné doby, dalo by se říci před covidem, bylo jednání některých tradičních firem vyrábějících obráběcí stroje bez pokory, a někdy hraničilo až s arogancí. Jednání bez úcty nejen vůči zákazníkům (což zní přímo drze), ale také vůči partnerům dodávajícím subdodávky, vysokým školám a také spolupracujícím partnerům. Mají za sebou přeci tradici desítek let, kdo jim bude co radit, jak mají jednat a dělat. Nikdo přeci. A nyní? Padla kosa na kámen a otupila se, možná se i pokřivilo ostří.

    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.

    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