„Hledáme nové konstrukční principy“

říká v rozhovoru pro Technický týdeník Ing. Radomír Zbožínek, technický ředitel Tajmacu-ZPS Zlín. U příležitosti Zákaznických dnů této společnosti jsme využili příležitost a porovnali některé vystavené stroje i zákaznická řešení s vnitřním pohledem na vývoj nových strojů z Tajmacu-ZPS Zlín. Pane řediteli, v oboru dlouhotočných automatů na obrábění tyčových materiálů patří TAJMAC – ZPS tradičně ke špičce. V čem tkví tajemství jejich tuhosti a tím i přesnosti a čím byly dosaženy ještě kratší časy obrábění rotačních součástí, které jste avizovali? Dlouhotočné automaty nebo také soustruhy švýcarského typu, či soustruhy s posuvným vřeteníkem (jak se také někdy označují) se používají zejména při obrábění dlouhých hřídelí malého průměru. Běžný CNC soustruh lze s úspěchem použít k obrábění součástí s délkou maximálně do trojnásobku vlastního průměru, ale při větších délkách nastávají technologické problémy, kde nám často nepomůže k jejich vyřešení ani podpěrný hrot. Taková součást se musí často obrábět na více operací, což přináší zbytečné požadavky na dodatečnou manipulaci včetně skladování dílců mezi jednotlivými operacemi. To má za následek delší a složitější cyklus výroby a samozřejmě zbytečně vyšší náklady. Následným násobným upínáním dílce částečně ztrácíme i jeho rozměrovou a geometrickou přesnost. Tento problém a nejen ten řeší právě dlouhotočný automat. Díky své unikátní konstrukci dokáže obrobit z tyče na hotovo hřídel, jejíž maximální délka je omezena v podstatě jen délkou tyče samotné. Stejně jako klasický CNC soustruh tvoří i dlouhotočný automat základnu s vřeteníkem, vřetenem s upínačem a kleštinou. U dlouhotočných automatů se ale celý vřeteník pohybuje v ose Z na valivých hnízdech po lineárním vedení. Délka zdvihu vřeteníku nijak neomezuje délku obráběného dílce, protože zdvih vřeteníku můžeme podle potřeby během obrábění i několikrát opakovat. V límci stroje, který dělí prostor vřeteníku od pracovního prostoru, je umístěno vodicí pouzdro, které tvarem připomíná kleštinu. Toto vodicí pouzdro se seřizuje mechanicky na průměr právě používané tyče tak, aby ji těsně obepínalo. Má pak funkci lunety a částečně i upínače. Na límci je kolem vodicího pouzdra umístěn nástrojový suport nebo u složitějších dlouhotočných automatů i více nezávislých nástrojových suportů. Držáky nástrojů, které jsou upnuty na těchto suportech umožňují pohyb v osách X a Y, přičemž v ose Z, jež určuje vzdálenost špičky nástroje od vodicího pouzdra zůstávají konstantní. Konstantní vzdálenost špičky plátku soustružnického nože od čela vodicího pouzdra v ose Z je u dlouhotočných automatů jedním ze základních rysů a výhodou, která předurčuje jejich technologické přednosti. Průhyb obráběné tyče je úměrný třetí mocnině délky ramene působící síly a u dlouhotočných automatů je tato vzdálenost téměř nulová. Nástroj, který obrábí neustále u místa upnutí (resp. vedení), pak dokáže odebrat daleko větší třísku než klasický CNC soustruh při letmém upnutí dílce, přičemž kvalita obrobeného povrchu zůstává u dlouhotočného automatu stejná, často však lepší než u klasického CNC soustruhu a v ideálním případě lze obrábět soustružením v rozměrové přesnosti 0,01 mm a dosahovat drsnosti povrchu Ra0,4. Ve zmíněných faktorech tedy tkví tajemství tuhosti a přesnosti těchto typů strojů. Pokud jde o kratší časy obrábění platí, že klasický CNC soustruh může dosáhnout požadovaného tvaru zpravidla postupným soustružením na několik třísek, zatímco CNC dlouhotočný automat konturu objede najednou. To zaručuje výraznou úsporu času obrábění, tedy výrazné zvýšení produktivity. Další zkrácení času obrábění má opět souvislost s nástrojovými suporty a jejich rozmístěním. Zejména u složitějších dílců, kde používáte více nástrojů, oceníte skutečnost, že nástroje se na nástrojové desce střídají v řezu pouhým přesunutím. Na rozdíl od revolverového soustruhu, kde nástrojová hlava musí nejprve odjet s nástrojem do bezpečné vzdálenosti, otočit se do nové polohy a potom teprve přijet zpět k dílci. Čas výměny nástroje řez-řez je tedy u CNC dlouhotočného automatu mnohem kratší. Při četnější výměně nástrojů tedy opět získáme cenné sekundy. Jsme tedy o něco produktivnější a opět získáváme konkurenční výhodu. Dlouhotočný automat však dokáže využít zdvihu vřeteníku i pro krátké dílce, nejenom pro dlouhé hřídele. Pokud je zdvih vřeteníku dejme tomu 130 mm a délka dílce 20 mm, potom dokážeme na jeden zdvih postupně obrobit a upíchnout až 6 dílců. To vše na jedno upnutí kleštiny. Naproti tomu klasický CNC soustruh musí při obrábění stejného dílce 6krát zastavit vřeteno, 6krát otevřít kleštinu, 6krát posunout tyč, 6krát zavřít kleštinu a 6krát roztočit vřeteno z nuly do požadovaných otáček. Takže dlouhotočný automat opět získává navrch a šetří cenné sekundy. n I když konstrukce vícevřetenových soustružnických automatů obsahuje řady technických fines, například zabrání šíření teploty z pohonné jednotky, zdá se, že programování až 8 vřeten vyžaduje opravdu zkušenou obsluhu a někdy dávají zákazníci přednost raději 6vřetenové verzi. Přes onu námitku, kterou jste možná již vyřešili, nabízejí tyto stroje velkou škálu operací. Podařilo se i na těchto strojích ještě více zkrátit časy operací i časy mezioperační? Na všechny výrobce obráběcích strojů je kladen stále větší důraz na minimalizaci vedlejších časů, zejména časů pro naprogramování a seřízení. O to víc to platí u vícevřetenových automatů, které představují jedny z nejsložitějších a nejkomplikovanějších obráběcích strojů. Proto jsme se rozhodli, že pro novou řadu vícevřetenových automatů s CNC řízením (TMZ 642 CNC, TMZ 867 CNC) vyvineme vlastní vizualizační systém výroby součástí. Pro řešení tohoto projektu bylo uzavřeno klíčové partnerství s firmou Siemens. Jako pilotní projekt byl vybrán CNC šestivřetenový soustružnický automat, který má celkem 24 hlavních CNC řízených os a 20 přídavných CNC os pro řízení zvláštního příslušenství. Na stroji jsou použity motory a pohony s plynulým řízením otáček SIMODRIVE firmy Siemens. Chod celého stroje zabezpečují dva řídicí CNC systémy SINUMERIC 840D. Simulační program je sestaven modulárně a jednotlivé moduly mají za cíl řešit: • TM CAD/CAM - jednoduchý 2D CAD/CAM systém pro snadné programování jednoduchých soustružnických operací a následné vygenerování ISO kódu • Terminál pro ruční psaní a online ladění NC programů s podporou 2D animací • TMis - časové synchronizace jednotlivých os stroje • TM VNCK - interpolátor pohybů os stroje • TM Vis - 3D vizualizace pohybů stroje včetně řešení kolizí vybraných částí stroje Základem práce je jednoduchý 2D CAD/CAM, který umožňuje generovat dle naskicované kontury ISO kód pro řídicí systém. Pro pokročilé programátory je k dispozici terminál, který umožňuje psát program přímo v ISO kódu. Pro technologické operace lze volit z databáze vhodné nástroje, držáky a nadefinovat jejich polohu na suportu. Samozřejmostí je i tabulka nástrojových korekcí. Po napsání programů je spuštěn polohový interpolátor, který vygeneruje polohy všech řízených os v cyklovém času stroje. Všechny údaje jsou předány do modulu TMis, který je mozkem celého systému. Ten umožňuje synchronizovat a optimalizovat všechny pohyby tak, aby byl minimalizován ztrátový čas stroje a nedocházelo ke vzájemným kolizím. Po ukončení optimalizace pohybů si může programátor stoje přehrát vytvořený program a zkontrolovat potřebný čas obrábění a možné kolize na stroji. Celý stroj je k dispozici ve 3D zobrazení a programátor si může definovat pohledy na stroj a volit viditelnost různých částí stroje. Pro sestavení 3D modelu je využívána bohatá databáze konstrukčních modelů, které vznikají při vývoji stroje. Celý program je vytvořen v prostředí programovacího jazyka C++ s cílem minimalizovat hardwarové a softwarové požadavky. Program je spustitelný na běžném PC nebo panelu řídicího systému stroje. Software bude nabízen jako opce ke stroji. Hlavním přínosem a výhodou, proti jiným systémům, je využití originálního jádra systému SINUMERIK 840 D, které Siemens poskytuje pod názvem SIEMENS VNCK (Virual NC Kernel). Tím je garantována velmi vysoká shoda vlastností s reálným systémem nejen v oblasti ISO kódu, ale i emulace dynamických vlastností reálného stroje. Celý projekt byl vytvořen v partnerství s firmou Siemens a výsledkem je perfektně sladěný virtuální stroj s řídicím systémem pro reálnou simulaci obrábění. To hlavní, co zákazník získá, je vysoká produktivita při programování a seřízení stroje, optimalizovaný výrobní čas součásti s maximální bezpečností proti kolizím. n Horizontální obráběcí centrum H80DD, jež vzniklo spoluprací s ČVUT, tedy přesně řečeno s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii, obsahuje několik nových řešení. Mohl byste je pro strojaře osvětlit? A závěrem této otázky, jak vidíte dnes možnost činnosti takových center výzkumu a vývoje ve spolupráci s výrobním podnikem jako je TAJMAC-ZPS? Ptám se proto, že ještě před několika lety byl přínos takového „společného výzkumu“ ve vašem oboru dost podceňován a vše mělo být výlučně otázkou vlastního podnikového vývoje? Je to experimentální stroj, na kterém si ověřujeme zcela nové principy v konstrukci obráběcích strojů, neboť konvenční řešení dosahují svých fyzikálních limitů. Koncept seismicky vyváženého obráběcího stroje je postaven na myšlence konstrukčně minimalizovat nebo zcela vyloučit reakční silové účinky mezi strojem jako celkem a jeho okolím. Jednoduše si lze takovou situaci představit tak, že pokud by se obráběcí stroj nacházel ve stavu beztíže, tak seismicky vyvážený stroj by stál v prostoru na jednom místě, zatímco klasický stroj by se pohyboval působením reakčních sil pohonů. U stroje H80DD je seismický princip uplatněn ve dvou nejvýznamnějších pohyblivých osách, které pohybují nejhmotnějšími částmi stroje, resp. obrobku v ose X a Y. Dále u stroje H80DD je možné v ose Z aplikovat tzv. plovoucí princip, dle patentu prof. Zeleného z VCSVTT. U tohoto světově jedinečného principu se využívá obvykle zmařená reakce od urychlené hmoty (stolu, obrobku) pro urychlení protiběžné hmoty. To přináší vyšší energetické úspory a podstatné snížení vibrací přenášených do rámu stroje i kvalitnější povrch obráběného dílce. Z dalších nových prvků bych zmínil užití koncepce Double Drive, která umožňuje zkonstruovat stroj velikosti H80 (X = 1200, Y = 1100) na půdorysu stroje velikosti H50 (2400 x 4500), neboť je využito efektu relativní změny polohy obrobku vůči vřetenu v příčné ose X, kde konají inverzní pohyb dva pohony (X1 a X2 – stůl i stojan s vřeteníkem – každý s polovičním zdvihem a rychlostí). Mezi zcela nové prvky patří užití metody aktivního tlumení vibrací na ose X1, aplikace pohonů z průvlakovým motorem (elektromaticí) či konstrukce stojanové a vřeteníkové skupiny, plně topologicky a materiálně optimalizované, kde se podařilo zvýšit 1. vlastní frekvenci o 53 % a snížit hmotnost o 35,6 %. Velmi zajímavým prvkem je i teplotní kompenzace na základě termomechanických přenosových funkcí, která se jeví jako podstatně přesnější oproti standardní statistické kompenzaci. Projekt získal také podporu z operačního programu Impuls vyhlášeného MPO. Pokud jde o druhou část otázky, chci zdůraznit, že náš výzkum a vývoj nových produktů obsahuje v řadě případů silné kooperační vazby na externí, výzkumně vývojové pracoviště zejména s VC ČVUT prof. Houši či VÚTS Liberec prof. Václavíka. Jsou to špičková pracoviště. Je dobře, že na trhu existují. Jsem přesvědčen, že přinášejí oběma stranám doložitelné efekty. Tento druh spolupráce chceme i v budoucnu udržen a rozšiřovat. n Ještě se zdržíme u tohoto stroje, jak se díváte na tak dramaticky probíranou otázku určení ekonomiky stroje, tedy především spotřeby energie a její případné certifikování? Jde skutečně o vážnou věc. Současný stav je definován Evropskou směrnicí Eco Design (zkráceně EuP) rozšířenou v roce 2009 další směrnicí (zkráceně EuP). Oba dokumenty míří k odstranění rozdílů mezi národními legislativními postupy týkajícími se environmentálních vlastností výrobku. To znamená pokrýt environmentální aspekty v celém procesu od návrhu a konstrukce až po výrobu a provoz obráběcího stroje po celou dobu jeho životnosti. Zatím není rozhodnuto, zda tyto požadavky budou stanoveny jako mandatorní, jako je tomu např. v automobilovém průmyslu, či EU přistoupí na samoregulační principy, které se snaží vydefinovat evropské sdružení výrobců obráběcích strojů CECIMO. Pokud jde o nás, aktivně se účastníme práce expertů CECIMA, ale současně velmi aktivně vyvíjíme prostředky, které environmentální aspekty naplňují. Jako např. automatické odpojování při přerušení výroby, optimalizace procesu obrábění, tj. třeba snížení potřeby vysokotlakového chlazení, optimalizace dimenzování komponentů, jako jsou motory, čerpadla, klimatizace a chlazení stroje, včetně použití nestandardních materiálů při stavbě obráběcích strojů, kde se TAJMAC – ZPS může zařadit mezi průkopníky. Je tu však ještě jeden moment. Nesmí se totiž stát, že evropští výrobci danou směrnici budou dodržovat a nebude to nikterak levná záležitost a asijská konkurence ji bude obcházet a získávat tím pádem konkurenční výhodu na základě ušetřených vývojových nákladů. Upřímně řečeno, toho se bojím víc, než toho, že bychom požadavky na vývoj environmentálních prvků u obráběcích strojů nezvládli. n Podíváme-li se na vaše vertikální, ale i horizontální obráběcí centra, jsou všechna vybavena jak elektrovřeteny (přímý pohon), elektronickou kompenzací přesnosti, chlazením vřeten i sledováním teplotních změn součástí stroje. Jaké jsou vaše další plány ve vybavování strojů elektronickými systémy, které mají napomoci dosáhnout ještě větší přesnosti, jež požadují dnešní zákazníci? U sériové výroby může být cestou ke zvyšování přesnosti a kvality výroby například sběr dat z CNC systému stroje, jejich přenos do externího počítače a následné vyhodnocení. Touto cestou můžeme sledovat vývoj určených hodnot (jejich trendy) a eliminovat včas dosažení limitních stavů. Další elektronickou výbavou stroje je takzvaná vibrodiagnostika. Pomocí tohoto prvku je možné průběžně sledovat stav ložisek vřetene, optimalizovat řezné podmínky, zjistit nevyváženost nástroje, sledovat trendy stavů stroje atd. Ještě bych se rád zmínil, že ke sledování teplotních změn součástí stroje (teplotním kompenzacím) jsme začali od začátku letošního roku využívat termovizní kameru, jejíž pomocí jsme schopni daleko lépe sledovat teplotní spády v různých součástech stroje a tím lépe kompenzovat jejich vliv na přesnost obrábění. n Konstrukce nástrojů se stále vyvíjí a jejich paleta je velmi široká. Ovlivňuje vás dnešní nabídka nových nástrojů v konstrukci strojů, případně vřeten? Mám na mysli určitou univerzálnost obráběcích nástrojů, jež se prosazuje zejména ve frézovacích pracích, společně s polohovacími stoly. Aby bylo možné naplno využívat technologických možností všech prvků v procesu obrábění, tak musí být tyto prvky v souladu. Tedy pokud nástroje jsou vyvinuty pro vyšší rychlosti nebo úběry musí se stroje přizpůsobit těmto nástrojům, ale také naopak, pokud chcete stroje využívat v plném rozsahu jejich schopností, musejí se konstruovat nové nástroje. Jsou to tedy propojené nádoby. Univerzálnost je jistě trendem, ke kterému spějí nejen nástroje. V Tajmac-ZPS se zaměřujeme na multifunkčnost našich strojů. Například horizontální centra dnes osazujeme soustružnickými hlavami, které umožňují do určitých rozměrů základní soustružnické operace. Pro soustružení na horizontálních centrech připravujeme v naší konstrukci nové otočné stoly, umožňující dostatečné otáčky a vřetenové jednotky s fixací pro soustružnické nástroje. V modelové řadě Tajmac-ZPS se dále nedávno objevil stroj MCV 1800 MULTI. Je to multifunkční obráběcí stroj, který umožňuje soustružení díky konstrukci jeho otočného stolu. Největším strojem zastupujícím skupinu multifunkčních center je TM 1250. Tento stroj v sobě kombinuje karusel s 5osým obráběcím centrem, které ovládá nejen soustružení a frézování, ale je schopno i broušení jak vertikálních, tak horizontálních ploch obrobku. n Tuhost a základní přesnost strojů Tajmac- ZPS je známa. Můžete však něco prozradit ze zákulisí vývoje a výroby vřeten? Chlazení vřeten se stalo již běžnou záležitostí, ale v poslední době se v jejich vývoji objevují i některé nové mechanické prvky, jež zvyšují jejich tuhost a omezují kmitání. Můžete uvést některé přednosti vašich vřeten? Požadavky na parametry vřeten jsou poměrně protichůdné. Na jednu stranu se vyskytují požadavky na silová vřetena, které jsou charakteristické vysokými krouticími momenty a výkony. Jedná se například o obrábění slitin titanu. Na straně druhé jsou to požadavky na vysoké otáčky vřeten pro obrábění slitin hliníku. Naše firma řeší tento problém u většiny strojů nabídkou vřeten s obchodním označením Standard (silové vřeteno, nízké otáčky), Trend (střední otáčky) a Contour (vysokootáčkové vřeteno). Konstrukční provedení verze Standard je v konfiguraci planetová převodovka s řemenovým převodem, verze Trend neobsahuje planetovou převodovku a má pouze řemenový převod a verze Contour je řešena jako elektrovřeteno, které nakupujeme jako celek od specializovaných výrobců. Vřetena verzí Standard a Trend vyvíjíme a vyrábíme v naší firmě. Montáž probíhá na speciálním klimatizovaném pracovišti. Mechanické prvky zvyšující či omezující kmitání vřeteníků mají šanci se uplatnit zejména u strojů se smykadlem, které je poměrně dlouhé a štíhlé. Prostor je zde i pro nasazení netradičních konstrukčních materiálů, jako jsou např. kompozity. Předností našich vřeten je jejich široký sortiment schopný pokrýt veškeré požadavky zákazníků, vysoká spolehlivost a tuhost a v neposlední řadě teplotní a tím rozměrová stálost. n Dovedeme si představit například vertikální obráběcí centrum MCV 1220 nasazené ve výrobní buňce s robotickou obsluhou, nebo jak se někdy označuje takové pracoviště jako kybernetické. Máte nějaké podobné příklady nasazení? Co se aplikací s robotickou obsluhou týká, těsně spolupracujeme s firmou ABB. Na našich Zákaznických dnech mohli návštěvníci shlédnout ukázku robotického pracoviště, kde u soustruhu Biglia B545 byla umístěna měřicí a vyhodnocovací stanice a manipulaci mezi soustruhem a měřicí stanicí zajišťoval robot. V nedávné minulosti jsme dále pro našeho významného zákazníka Kovokon Popovice dodali výrobní buňku pro výrobu hřídelí. Součástí buňky jsou tři stroje z produkce Tajmac-ZPS (MCFV 1050, TCH 500 a H40) a robot zajišťující manipulaci mezi těmito stroji. Společnost Tajmac-ZPS si je plně vědoma expandujícího využití robotizovaných pracovišť a věnuje tomuto odvětví, které bude v blízké budoucnosti jistě nalézat širší uplatnění, velkou pozornost. n Titan. V diskusi na MSV v Brně jste hovořil o tom, že jste pro některé zákazníky předváděli praktické využití strojů z produkce Tajmac- ZPS při obrábění titanu. Lze k těmto zkouškám či praktickému nasazení něco uvést? Technologie na obrábění titanu většinou dodáváme našim ruským zákazníkům. Toto v praxi problematické obrábění, při kterém vznikají velké řezné síly a teplo, vyžaduje maximální tuhost soustavy stroj-nástroj-obrobek a dostatečné chlazení břitu nástroje. Vzhledem k mechanickým vlastnostem titanových slitin je nutné používat nízkých řezných rychlostí, což nám určuje podmínky pro vřetenové jednotky. Horizontální i vertikální centra Tajmac- ZPS, která jsou známa svou vysokou tuhostí, jsme doplnili o provedení tzv. TITAN. Vřetenová jednotka u tohoto provedení umožňuje dosáhnout krouticích momentů až 1300 Nm při maximálním výkonu 25 kW. /bal/