Pohony posuvů a vřeten Sinamics
Pohony Sinamics jsou moderní a do budoucna orientované. Nabízejí širokou škálu výkonů (od 0,12 do 4 500 kW), jsou vysoce modulární, flexibilní a kompaktní. To umožňuje snadno reagovat na požadavky zákazníka z hlediska opcí stroje. Pohony se vyznačují centralizovaným řízením, výkonnou komunikací po sběrnicích Drive-CLiQ, Profibus a Profinet, jsou odolné vůči zemnímu zkratu, lze je zapojit i do sítí TT a IT a napájecí napětí mají v rozsahu 3x 380–480 V, 50 i 60 Hz (což je velmi důležité pro jednoduchou adaptaci na elektrické sítě zákazníků po celém světě).
U obráběcího centra H50 se ve větší míře použil mechatronický přístup ke konstrukci stroje, a to ve spolupráci s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii při ČVUT Praha. Práce se týkaly především posuvových jednotek. Mechanika posuvové jednotky se nahradí dvouhmotovým (nebo soustavou dvouhmotových) modelem a vypočte se antirezonanční frekvence soustavy, která má dominantní vliv na dosažitelné zesílení (a tím kvalitu) zpětnovazebních smyček regulace. Je možná i citlivostní analýza, která odhalí slabá místa v mechanice. Velmi důležité je porovnání výpočetních modelů s dosaženými výsledky na stroji, které je snadno realizovatelné díky integrovaným ladicím prostředkům CNC systému Sinumerik.
U stroje H50 byl rychloposuv posuvových jednotek stanoven na 50 m.min-1 a zrychlení 6 m.s-2. Tato dynamika je velmi rozumným kompromisem mezi produktivitou stroje a jeho cenou, což potvrdily studie zabývající se využitím vysokých rychloposuvů a zrychlení. Dimenzování motoru a měniče se v naší firmě provádí ve výpočetním programu Sidim od firmy Siemens. Velikost motoru, měniče, průměru a stoupání kuličkového šroubu se zde navrhuje a optimalizuje z hlediska mnoha kritérií (poměr momentů setrvačnosti motoru a zátěže, dosažení zadané rychlosti, zrychlení, řezné síly, oteplení motoru). Kromě technických parametrů se vyhodnocuje i cena soustavy motor – měnič – kuličkový šroub. V mnoha případech malá změna parametrů dynamiky posuvové jednotky vede k velké změně výsledné ceny. Program Sidim má pro nové pohony Sinamics následníka – program Sizer.
Optimalizace řízení posuvové jednotky je další částí aplikace CNC systému. Optimalizují se postupně parametry všech zpětnovazebních smyček pomocí měření frekvenčních charakteristik a přechodových jevů. Kontroluje se přesnost dráhy posuvové jednotky a rychlost objíždění kontury dílce.
Problematika posuvových jednotek vyžaduje dobře teoreticky připravené pracovníky. Specialisté firmy Tajmac-ZPS absolvovali kurz servopohony na ČVUT Praha. Specialisté Siemens provedli ukázkovou optimalizaci posuvových jednotek na multifunkčním obráběcím centru Turmill 1250, která byla základem úspěšných optimalizací pohonů na dalších strojích naší firmy.
Závěrečná kontrola optimalizace posuvové jednotky se provádí na zkušebním tvarovém dílci, kde se měřením kontroluje přesnost kontury dílce a kvalita povrchu.
S řízením posunových jednotek musí být seznámen i NC programátor. Důvodem je skutečnost, že neexistuje optimální nastavení pohonů posuvové jednotky pro všechny tvarové dílce. Sinumerik umožňuje ovlivňovat chování pohonů uživatelsky. K tomu existuje celá řada technologických prostředků (tolerance dodržení kontury, spline interpolace, kompresory, objíždění rohů, snižování kinematiky posuvu apod.). Ve hře jsou tři do jisté míry protichůdné požadavky, a to rychlost posuvu, přesnost kontury a kvalita povrchu. NC programátor si musí být vědom, že se neustále pohybuje v pomyslném trojúhelníku těchto tří veličin.
Simotion
Jak již bylo zmíněno, řízení servopohonů manipulátorů nástrojů a palet stroje bylo u stroje H50 realizováno jednotkou Simotion, která je známa spíše v oblasti průmyslové automatizace než v oblasti CNC obráběcích strojů. Simotion nabízí nejvyšší možnou funkčnost na úrovni dnešní doby a nebylo tedy problém pokrýt potřeby řízení manipulátorů, a to i zásobníku nástrojů s kapacitou 255 nástrojů, který pohánějí 4 servopohony. Bylo nutno řešit úlohy interpolace os, kolize, využití integrované bezpečnosti a kontrolovat chyby obsluhy při osazování zásobníku nástroji. Takto vyvinutý manipulátor lze připojit přes Profibus ke stroji s libovolným CNC systémem. Pro vývoj aplikací Simotion je k dispozici výkonné prostředí Simotion Scout. Jako u každé nové věci bylo nezbytné konzultovat konfiguraci a integraci řízení Simotion a S840D SL s partnery v Siemens Brno. Pokračováním spolupráce byla realizace kurzu Simotion přímo v Tajmac-ZPS, kterého se zúčastnili elektrokonstruktéři, pracovníci oživovacího střediska a servisu. Na zkušebních stavech Simotion si všichni natrénovali oživení, jednoduché naprogramování a diagnostiku.
Stroj H50 Float
Prototyp stroje H50 s plovoucím uspořádáním osy měl za cíl ověřit výhody plovoucího principu na reálném stroji, ke kterým patří eliminace dynamických rázů působících na rám a základy stroje, úspory energie při urychlování pohybujících se hmot a zvýšení kvality zpětnovazebního řízení osy.
Řízení plovoucí osy neklade na CNC systém žádné speciální požadavky. Výjimkou je vyřešení tzv. absolutizace osy, což znamená řídit pomocné motory, které udržují těžiště plovoucí osy zhruba na stejném místě, tak aby nedošlo k dosažení koncové polohy rozjezdu plovoucího uspořádání. Další úlohou absolutizace je zaujmout vřetenem nebo paletou polohu definovanou relativně k základně stroje, což je nutné pro výměnu nátroje či palety. Pro řízení stroje byl vybrán CNC systém Sinumerik 840D PL.
V konstrukční fázi byl problémem výběr vhodné velikosti absolutizačního motoru, který musí zejména překonávat pasivní odpory osy. Zde napovědělo měření pasivních odporů na stroji H63, který byl rozměrově nejvíce podoben budoucímu H50 float. Pro absolutizaci byly vybrány dva motory Siemens 1FK7, které byly řízeny pomocí jednotky Siemens 611U a přes Profibus napojeny do systému S840D PL. Vlastní algoritmus absolutizace zpracovaný Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku byl implementován v jazyce Simatic Step7 v PLC stroje.
Na stroji H50 float byl pro pohon otočného stolu (osy ) aplikován prstencový motor, který byl řízen pomocí měniče Siemens Simodrive 611. Na stroji H50 Standard se použila klasická konstrukce – šnekový převod poháněný osovým motorem Siemens 1FT6. Prstencový motor klade mnohem vyšší nároky na regulaci. Jedná se zejména o rychlost regulačních smyček a o aplikaci digitálních filtrů. Výhodou řešení stolu s prstencovým motorem je vyšší produktivita stroje díky rychlejšímu polohování stolu. Dosáhne se vyšší rychlosti i zrychlení pohybu.