Témata
Reklama

Zkušenosti s přímými pohony v konstrukcích obráběcích strojů

Není to tak dávno, co byly v konzervativním českém prostředí úvahy o použití přímých pohonů výhradně předmětem vášnivých debat v anarchistických kroužcích. V současné době, v polovině roku 2005, již mají někteří čeští výrobci s přímými pohony první vlastní zkušenosti a jiní je s napětím očekávají.

Souhrnně lze konstatovat, že zkušenosti výrobců s přímými pohony jsou zatím velmi rozpačité. Aplikace přímých pohonů samozřejmě přináší zjednodušení konstrukce pohybových os a zbavuje pohybové osy některých nectností nepřímých pohonů, jako jsou např. vůle nebo kinematické chyby převodů, na druhé straně se však objevují nové problémy, kterým je třeba čelit a jejichž řešení zatím vyžaduje notnou dávku experimentování.
Reklama
Reklama
Reklama

Problém tepla

Jedním z těch problémů, ze kterých má předem a naprosto právem obavu každý konstruktér, je zvýšená produkce tepla. U nepřímých pohonů se totiž potřebný mechanický výkon vyvozuje velkými otáčkami motoru s menším krouticím momentem a tento poměr se pak upravuje vloženým převodem, kde se silový účinek zvýší a rychlost pohybu sníží. Instalovaný příkon a tepelný výkon motoru, daný Jouleovými ztrátami R.I2, díky tomu nejsou tak velké (proud ve vinutí je přímo úměrný velikosti krouticího momentu). U přímých pohonů se požadovaný silový účinek vyvozuje přímo motorem. Tomu odpovídají někdy i dosti značné velikosti proudu a produkovaného tepla ve vinutí. Jeho zdroj je navíc, na rozdíl od nepřímého pohonu, umístěn uvnitř konstrukce pohybové osy, a je proto téměř vyloučené spoléhat se na chlazení vzduchem. Použití přímých pohonů si vyžaduje chladicí agregát a vždy je spojeno se zvýšením instalovaného příkonu stroje.

Výčet problémů spojených s použitím přímých pohonů však zdaleka ještě není vyčerpán. Autor článku měl možnost být osobně přítomen u oživování většiny pohybových os s přímým pohonem, které se v konstrukcích obráběcích strojů v ČR objevily, a vždy se setkal s následujícím problémem, jehož spolehlivé řešení lze jednoznačně označit za klíčové pro masovější používání přímých pohonů. Popišme si tento problém tak, jak se s ním tváří v tvář setká pohonář při oživování stroje, na kterém byl například použit prstencový (torque) motor k přímému pohonu rotační osy C unášecího vřetena.

Zvýšené nároky na regulaci

K použití přímých pohonů je nutno poznamenat, že na rozdíl od nepřímých pohonů s přídavnou mechanickou tuhostí, danou vloženým převodem, tvoří u přímých pohonů veškerou tuhost osy (posuvové či otočné) její zpětnovazební regulace. Jednoznačným cílem při seřizování osy proto musí být dosažení maximálního možného zesílení zejména v rychlostní smyčce. Patřičnou pozornost je však nutné věnovat i oběma zbývajícím regulačním smyčkám - proudové a polohové. Vysoké zesílení rychlostní smyčky předpokládá rychlou regulaci proudu. Moderní pohony a řídicí systémy umožňují provádět diagnostická měření, která seřizovači velmi usnadňují cestu k informaci o dynamické kvalitě regulační smyčky. Největší informaci dávají měření frekvenčního přenosu uzavřené regulační smyčky. V našem příkladě byl v proudové smyčce naměřen přenos, který je zobrazen formou amplitudové a fázové frekvenční charakteristiky na obr. 1. Důležitým kvalitativním parametrem, který je třeba v tomto grafu sledovat, je frekvence, při které amplitudová frekvenční charakteristika poprvé poklesne pod -3 dB. Tato hodnota se nazývá propustné pásmo (bandwidth). U proudové smyčky moderních pohonů by mělo přesahovat 1000 Hz. Pohon z obr. 1 má propustné pásmo 1500 Hz, což je velmi dobré, plochý tvar amplitudové charakteristiky lze dokonce označit za ukázkový.

Po seřízení proudové smyčky je možné začít s úpravou konstant regulátoru nadřazené smyčky rychlostní. Seřízení rychlostní smyčky je problematické zejména u těch typů os, které pohybují s obrobkem, neboť se u nich v závislosti na velikosti obrobku mění (někdy i dosti výrazně) moment setrvačnosti, resp. hmotnost pohyblivé hmoty osy. To je právě případ naší osy C. Dynamicky kvalitní a klidné seřízení pohonu osy bez obrobku v žádném případě nemusí znamenat zachování těchto jejích vlastností po upnutí obrobku. V každém případě bývá u přímých pohonů obvyklé ladit osy nejdříve bez obrobku. Jednak se tak nejlépe prověří dynamická kvalita konstrukce pohonu, jednak je třeba vědět, že celkové zesílení rychlostní smyčky, dosahuje nejvyšší hodnoty právě s nejnižším momentem setrvačnosti J. S velikostí obrobku zesílení KR klesá, čímž se dynamika smyčky zpomaluje.

Při postupném zvedání zesílení a snižování integrační konstanty většinou dojde v určitém okamžiku k tomu, že se z oblasti motoru začne ozývat pískání. Měření frekvenční charakteristiky rychlostní smyčky (obr. 2) seřizovači ukáže, že kmitání souvisí s výrazným vrcholem amplitudové charakteristiky, v tomto případě na frekvenci 600 Hz, který se během zvyšování zesílení smyčky postupně zvedal, a v okamžiku, kdy převýšil hodnotu 0 dB, začala být tato frekvence i slyšet. Standardně je možné se s takovou škodlivou frekvencí vypořádat použitím filtru typu pásmová zádrž, který lze zařadit za rychlostní regulátor (tzv. proudový filtr), a dále opatrně pokračovat ve zvyšování zesílení rychlostního regulátoru. Tento postup však není úspěšný ve dvou případech. Prvním z nich je situace, kdy je taková frekvence nižší než 200 Hz. Filtr je v tomto případě sice možné použít, ale s dalším zvyšováním zesílení už reálně počítat nelze. Výsledkem je velmi malé propustné pásmo rychlostní smyčky, což vede k dále popsaným problémům. Druhý případ je spojen s faktem, že se hodnota problematické frekvence mění s velikostí obrobku. Tím se zároveň potvrzuje podezření, že příčinou kmitání jsou mechanické vlastnosti konstrukce osy, a nikoliv např. nějaký rušivý elektrický signál. Tento jev je i doménou naší osy. Aktivací pásmové zádrže na škodlivou frekvenci 600 Hz seřizovač kmitání úspěšně zatlumil, avšak poté, co nechal upnout středně velký obrobek, se do té doby klidná osa opět rozpískala, pro změnu jiným tónem. Měřením frekvenční charakteristiky smyčky (obr. 3) bylo zjištěno, že se problematická rezonance přemístila na hodnotu 520 Hz, čímž přestala být použitá pásmová zádrž účinná. Problém je opět možné řešit zařazením nejlépe další pásmové zádrže (k dispozici bývají dvě až čtyři), avšak z uvedeného popisu je zřejmé, že toto řešení nelze považovat za víc než pouhé provizorium. Při upnutí většího obrobku se totiž problémy budou zřejmě znovu opakovat. Takový stav naladění pohonu není ani pro zákazníka, ani pro solidního výrobce přijatelný.

V tomto okamžiku nemá seřizovač jinou možnost, než snížit zesílení smyčky tak, aby se pohon choval klidně i s předpokládaným největším obrobkem. Podle charakteristiky na obr. 3 tomu odpovídá propustné pásmo okolo 100 Hz, což je pro přímé pohony velmi málo. Za dobré lze považovat hodnoty až v rozsahu 150 Hz a více. Důsledkem malého propustného pásma rychlostní smyčky jsou horší kvalitativní parametry nadřazené polohové smyčky:

  • malá hodnota jejího zesílení Kv, které přímo souvisí s velikostí polohové odchylky při pohybu konstantní rychlostí (polohová odchylka = rychlost pohybu/zesílení Kv regulátoru polohy), a tedy s přesností a produktivitou stroje;
  • malá hodnota rázové i frekvenční dynamické tuhosti osy, což se projevuje tím, že osa nedrží během obrábění s kolísající řeznou sílou polohu v žádaných tolerancích.
  • Je vinen pohonář, nebo konstruktér?

    Dvě výše uvedená kritéria rozhodují o prodejním úspěchu či neúspěchu daného stroje. Ve druhém případě obvykle dávají konstruktéři vinu seřizovačům a pohonářům, že nejsou schopni si "své" pohony zkrotit, ale to je ve většině případů velmi alibistické obvinění. Z uvedeného popisu je zřejmé, že seřizovač má minimum prostředků, jak se se škodlivými frekvencemi vypořádat. Velmi trefně lze možnosti seřizovače přirovnat k lékaři, který má léky pouze na potlačení některých příznaků nemoci svého pacienta, nikoliv však k jejímu léčení. "Nemoc" pohonu spočívá již v jeho konstrukci, tudíž hlavní podíl na problémech nesou konstruktéři, i když je těžké je v tomto případě vinit z nějaké trestuhodné neznalosti či nedbalosti. Škodlivá frekvence 600 Hz, kterou má naše osa, dokonce v tomto případě svědčí o poctivé práci konstruktéra a výpočtáře, neboť je co do velikosti nadstandardní. Na zoufalou otázku konstruktéra, zda by v tomto případě pomohlo nějaké vyztužení konstrukce, proto nelze odpovědět kladně. Problémy by se pochopitelně přesunuly na jiné frekvence. Tento postup má smysl pouze v případech, kdy se jedná o frekvence nižší než 200 Hz. Klíč k řešení problémů spočívá ve správném pochopení příčin kmitání.

    Fenomén samobuzeného kmitání

    Vraťme se k rychlostní smyčce. Zpětná vazba rychlosti je odvozena ze signálu polohy osy jeho numerickou derivací, přičemž operace derivování se obecně vyznačuje tím, že zesiluje amplitudy kmitů vstupního signálu přímo úměrně s jejich frekvencí. V tomto okamžiku je nutné si připustit, že žádná konstrukce není absolutně tuhá, a tudíž má své vlastní rezonanční frekvence. Každý si umí velmi dobře představit zvon. Úderem kladívka se zvon rozezní pokaždé stejným tónem, který odpovídá velikosti jeho vlastní frekvence. V každé konstrukci pohybové osy je schováno několik takových zvonů, které se rozeznívají silovým působením motorů, i když jejich zvuk nemusí být zpočátku slyšet. Kmitání, které je toho projevem, obvykle zachytí velmi jemné čidlo polohy a derivováním se jeho amplitudy ještě zesílí. Všechny tyto kmity se prostřednictvím zpětné vazby jeví jako odchylky od žádané veličiny, a proto se je regulace snaží silovým působením motoru potlačit. Nutnou podmínkou úspěšného zásahu je, aby síla působila přesně v protifázi kmitů. Toho ale není pohon při vyšších frekvencích schopen. Z fázové frekvenční charakteristiky proudové smyčky na obr. 1 je např. vidět, že proud motorem, a tedy i jeho krouticí moment mají na frekvenci 600 Hz fázový posuv 60° oproti proudu požadovanému. Reálně tak motor kmity nepotlačuje, nýbrž je svým působením stimuluje, a to tím více, čím větší je zesílení v rychlostní smyčče. Vzniká tak nekontrolovatelné samobuzené kmitání pohonu. Co proti tomu dělat?

    Nové nároky na mechanickou konstrukci

    Vraťme se k předchozímu podobenství se zvonem. Co je třeba udělat pro to, aby zvon nebo triangl přestaly po úderu co nejdříve znít? Asi každý má zkušenost s tím, že u trianglu stačí dotyk rukou, u většího zvonu by podobný efekt měla nějaká výplň. V obou případech se jedná o zařazení prvku, který je schopen z procesu kmitání průběžně odčerpávat energii, a tedy jej tlumit. Ocel jako hlavní konstrukční materiál se totiž vyznačuje tím, že má velmi malou schopnost vnitřního (tzv. materiálového) tlumení, na což doplácejí zejména přímé pohony, charakteristické robustním spojením všech dílů. Cesta ke spolehlivé a uspokojivé aplikaci přímých pohonů tedy vede pouze přes zvýšení tlumení těchto konstrukcí. To je do určité míry známý fakt, který se ovšem velmi těžko provádí.

    Pro konstruktéra je relativně snadné kontrolovat si parametr tuhosti nebo hmotnosti, protože se naučil využívat výpočetních programů MKP, které mu tuto informaci dají a pomohou mu konstrukci v tomto směru optimalizovat. V případě tlumení však zatím nikde neexistuje nějaký ucelený a dostupný soubor informací, rad a materiálových parametrů, které by konstruktér, nemající čas na nějaké dlouhodobější či nejisté a nákladné experimenty, mohl pro svou práci využít. Zde se otevírá obrovský prostor pro aplikovaný i základní výzkum, který však v současné době zůstává hodně za očekáváním. Teoretický výzkum je zaměřen zejména na oblast metod tzv. aktivního tlumení. To je nástroj relativně mocný, avšak pouze v boji s potlačením důsledků, nikoliv příčin. Kromě toho se vždy jedná o jednoúčelová zařízení. Mnohem účinnější a logičtější cestou je zaměřit pozornost na příčiny, jejichž společným jmenovatelem je malé materiálové tlumení používaných konstrukčních materiálů.

    Závěr

    Je na podnicích, aby zvýšily tlak na výzkumné instituce v oblasti tlumení konstrukcí a získaly potřebné znalostní prostředky, které by jim pomohly problémům s kmitáním přímých pohonů předejít. V opačném případě lze odvážným konstruktérům pouze doporučit, aby si ve volných chvílích trénovali lomení rukama tak, jak to krásně ukázal Vlasta Burian v pohádce Byl jednou jeden král, protože to je to jediné, co lze před strojem s přímým pohonem, zabudovaným v málo tlumené a nedej bože poddajné mechanické konstrukci, dělat.
    Ing. Antonín Bubák, Ph.D.
    a.bubak@volny.cz
    Reklama
    Vydání #5
    Kód článku: 50522
    Datum: 18. 05. 2005
    Rubrika: Trendy / Obrábění
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Pohodlné upínání magnetem

    Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

    Strojírenské podniky v době pandemie

    Pandemie koronaviru uzavřela hranice naší republiky a zahraniční pracovníci se nedostanou do zaměstnání. Řada domácích zaměstnanců musela nastoupit do karantény. Mnoho českých strojírenských podniků se tak dostalo do nemalých problémů. Firma Grumant hledala recept, jak se takovým problémům vyhnout nebo alespoň minimalizovat jejich následky.

    Prediktivní diagnostika přesnosti CNC strojů

    Jak přesný je náš stroj? Můžeme jeho parametry nějak zlepšit? Je stále ještě ve stavu, který předpokládáme? Často je obráběcí stroj pro uživatele černou skříňkou, která v optimálním případě produkuje shodné výrobky. Nemusí to tak zůstat a stav strojů lze i cíleně zlepšovat.

    Související články
    Kloubový robot uvnitř stroje

    V oboru obráběcích strojů není potřeba japonskou společnost Okuma podrobně představovat. Je známá svým širokým sortimentem soustružnických, frézovacích a brousicích číslicově řízených obráběcích strojů. Nyní na trh přináší vlastní automatizační řešení v podobě robota Armroid.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Přesnost zvyšující produktivitu

    Zakoupení obráběcího centra Pama umožnilo společnosti Tajmac-ZPS zvýšit nejen její celkovou produktivitu, ale také geometrickou přesnost při výrobě důležitých komponent pro její vícevřetenové automaty.

    Vlajková loď pětiosého obrábění

    Český výrobce obráběcích strojů Kovosvit MAS v letošním roce slaví úspěch se svojí high-tech produkcí, zejména s pětiosými vertikálními obráběcími centry řady MCU. Tyto stroje se daří firmě umísťovat na náročné trhy Evropské unie i jinde ve světě, cenné reference sbírají především v leteckém průmyslu.

    Pro větší efektivitu ve výrobě

    Spolupráce mezi výrobcem obráběcích strojů Hurco a dodavateli automatizovaných nakládacích systémů má za následek vyšší produktivitu a větší výnosy. Automatizované nakládání umožňuje rozšíření kapacity v kusové a malosériové výrobě bez potřeby dalšího personálu pro obsluhu strojů. Nakládací roboty je možno také využít v bezobslužných směnách nebo o víkendech.

    Novinka z varnsdorfské líhně

    Přední evropský výrobce obráběcích strojů, TOS Varnsdorf, letos představil nečekanou novinku, která významně rozšiřuje nabídku výkonných obráběcích strojů z varnsdorfské líhně.

    Československá stopa u nového rekordu

    Nový rekord počtu návštěvníků jsme zaznamenali na letošním technologickém setkání WFL Millturn Technologies.

    Vyvrtávání hlubokých otvorů

    V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

    Optimalizace soustružení korozivzdorných ocelí

    Použití korozivzdorných ocelí pro inženýrské aplikace vždy do určité míry vedlo k technickému paradoxu. Zatímco konstruktéři jsou nadmíru spokojeni s tím, jaké pevnostní vlastnosti a korozní odolnost tyto běžně používané materiály nabízejí, výrobní inženýři už jsou asi méně okouzleni jejich typickým deformačním zpevňováním a všeobecně špatnou obrobitelností. Avšak průmyslovými odvětvími, jako jsou výroba čerpadel a ventilů, výroba zařízení pro ropný a plynárenský průmysl, automobilový a letecký průmysl, jsou součásti z korozivzdorných ocelí výslovně požadovány i nadále.

    Plnění požadavků na čistotu ve výrobě

    Firma Rosler vyvinula pro výrobce systémů škrticích a výfukových klapek kompletní systém automatizovaného obrábění. Tento systém pokrývá operace od převzetí obrobku po třískovém obrábění přes proces surf finishingu a jemného čištění, nanesení kódu datové matice až po zabalení dílů do KLT obalů a jejich přesun do stohovacích kontejnerů.

    Multifunkční obráběcí centra

    Tento typ obráběcích center patří do bouřlivě se rozvíjející skupiny CNC obráběcích strojů. Představuje typ obráběcího stroje, který reflektuje rostoucí požadavky uživatelů na obrobení součásti při jednom upnutí. Ve své podstatě jde o CNC stroje sdružující dvě základní operace třískového obrábění, a sice soustružení a frézování, do jednoho stroje. Kromě tohoto atributu mají tyto stroje i jiné vlastnosti, které budeme dále diskutovat.

    CNC řízení pro rychlostní a multifunkční obrábění

    Výsledek obráběcího procesu v parametrech přesnost/rychlost/povrch je dán mnoha faktory na straně stroje, nástrojů, způsobu programování a upínání, přičemž může existovat i více cest k jednomu stanovenému cíli. V tomto článku bychom se chtěli zaměřit na CNC řídicí systém, který je dnes bezpochyby podstatnou a nenahraditelnou složkou tohoto procesu. Řídicím systémem přitom většinou rozumíme jak vlastní řídicí počítač, tak i pohony os a vřeten a systémy odměřování polohy.

    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