V pořadí třináctý ročník Mezinárodní konference o teorii strojů a mechanismů (ICoTMM) pořádala ve dnech 7.—9. září 2021 katedra textilních a jednoúčelových strojů Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci (FS TUL). Konference se koná tradičně každé čtyři roky pod záštitou Českého národního výboru IFToMM (International Federation for the Promotion of Mechanism and Machine Science), České společnosti pro mechaniku a VUTS Liberec. Jedná se o jednu z nejstarších konferencí pořádanou pod záštitou IFToMM. Odborný program akce se zabýval širokým rozsahem problémů zahrnujících teoretické i praktické poznatky z oblastí teorie strojů a mechanismů. Odborníci ze 14 zemí přednesli celkem 36 přednášek. Vzhledem k současné situaci se konference konala hybridní formou — částečně prezenční a částečně on-line. Kromě specialistů z evropských zemí, Německa, Francie, Holandska, Slovenska, Itálie či Polska, přijali účast i odborníci z Brazílie, Číny, Indie, USA, Japonska aj. Ani letos na konferenci nechyběl italský profesor Marco Ceccarelli z University of Rome (v období 2008—2011 a 2016—2019 byl prezidentem mezinárodní organizace IFToMM a poprvé se zúčastnil konference v roce 2004). V úvodním slově při zahájení označil konferenci za „celosvětově významnou a prestižní akci“ a ocenil její význam pro oblast mechanismu strojů. Úvodní slovo i přednášku Experiences in Leadership IFToMM: Achievements and Challenges přednesl tentokrát onlinovou formou.
Od kalkulačky ke složitému softwaru Jak zdůraznil předseda organizačního výboru profesor Jaroslav Beran z pořádající FS TUL, cílem pravidelných odborných setkání je od první konference v roce 1973 sdružovat specialisty, kteří pracují na problémech souvisejících s teorií strojů a mechanismů z obecného i aplikačního hlediska. Na programu byla témata týkající se nejen obecné teorie strojů a mechanismů, ale také například analýza a syntéza rovinných a prostorových mechanismů, dynamika strojů a mechanismů či dynamika rotorů. Zazněly přednášky na téma vibrace a hluk ve strojích, vazby a vačky, optimalizace mechanismů a strojů, mechanismy textilních strojů, řídicí a monitorovací systémy strojů či přesnost a spolehlivost strojů a mechanismů. Přednášející se ale také věnovali tématům, jako je mechatronika, biomechanika a manipulátory. „Naše jednání určitě přispívají k rozvoji tohoto oboru a od roku 1973 jsme samozřejmě získali celou řadu nových poznatků. Když jsme začínali, neměli jsme k dispozici výpočetní techniku, která dnes umožňuje s tehdy nemyslitelnou přesností popsat složité struktury pomocí matematických modelů a díky speciálním softwarům řešit konkrétní kinematické i dynamické problémy. Tehdy nám musela stačit kalkulačka. Když k nám někdy v 80. letech minulého století přišly první počítače, mohli jsme už počítat i složitější modely. Náš obor se stále výrazně rozšiřuje. V poslední době do něj pronikla mechatronika, biomechanika a robotika,“ říká profesor Beran a připomíná, že se čím dál intenzivněji uplatňují pokročilé technologie a výrazně se posunul i materiálový výzkum a nové netradiční materiály ovlivňují konstrukce strojů. A stále se hledají nová témata a aplikace i v navazujících oborech, které zahrnují problematiku mechanismu a strojů.
Aktuální problematika textilních strojů a tkací techniky V popředí zájmu účastníků konference byla mimo jiné problematika textilních strojů a tkací techniky. Například vedoucí katedry textilních a jednoúčelových strojů FS TUL docent Martin Bílek v přednášce Modální vlastnosti brdového listu tkacího stroje představil teoretický výzkum katedry v oblasti aplikované mechaniky, když popsal aplikace analytických výpočetních metod pro určení dynamických parametrů součásti a ověření výsledků výpočtu pomocí měření na reálné součásti a přiblížil problematiku určení vlastních frekvencí rámu brdového listu tkacího stroje. „Při řešení problematiky byla provedena citlivostní analýza vlivu tuhosti spoje a změny jednotlivých konstrukčních parametrů na zjišťované hodnoty vlastních frekvencí. Vypočtené hodnoty byly ověřeny pomocí měření na skutečné součásti,“ řekl Martin Bílek. Ing. Josef Žák, Ph.D., ze stejné katedry ve své přednášce prezentoval, jak s kolegy z VUTS Liberec modernizovali klíčovou část tkacího stroje — bidlen [nebo také bidlo; zařízení na tkacím stroji, jehož hlavní funkcí je příraz útku k hotové tkanině — pozn. red.]. Díky jejich modernizaci tak může být bidlen z klasického tkalcovského stavu použit na moderním tkacím stroji pro výrobu těžkých 3D tkanin. „Zatímco metody klasické mechaniky jsou dostatečné k realizaci základních změn, moderními metodami, jako je metoda konečných prvků, jsme provedli konečný návrh. Kromě výpočtových nástrojů jsme také profitovali z pokroku v technologiích za posledních 20 let, které uplynuly od původního návrhu. Modernizace spočívala primárně ve snížení setrvačných charakteristik bidlenu a tím snížení zatížení pohonů, zvýšení životnosti převodů a podobně. To jsme docílili změnou geometrie bidlenu, což si vyžádalo překonstruování jeho jednotlivých součástí, jak kovové podbidelnice, tak kompozitových ramen. V návrhu těchto ramen byl zároveň zahrnut vliv zvýšeného namáhání při tkaní těžkých 3D tkanin. Mírnou změnou technologie se nám také podařilo zvýšit přesnost jejich výroby, což v důsledku vedlo ke zlepšení samotného procesu vytváření 3D tkaniny,“ řekl ve svém příspěvku doktor Žák s tím, že rekonstrukce bidlenu přinesla vedle zmíněných vylepšení i snížení počtu jeho dílů a zjednodušení jeho montáže, byť za cenu určitého zvýšení výrobní ceny jednotlivých komponent. K zajímavým příspěvkům patřila jistě i přednáška Ing. Petra Žabky, Ph.D., který se ve svém výzkumu věnuje vývoji strojů na výrobu nanovláken. Na konferenci představil analýzu procesu rotace příze, (takzvané balónování) na textilním stroji při vzniku vícenásobného balónu. „Balónování hraje důležitou roli při výrobě kompozitní nanovlákenné příze. Pro docílení kvalitní rovnoměrné vrstvy nanovláken je potřeba zajistit stabilní tvar balónu. K tomu je nutné stanovit vliv jednotlivých parametrů výroby a určit optimální hodnoty,“ uvedl doktor Žabka. Účastníci konference ocenili prezentované numerické simulace tvaru balónu v závislosti na napětí v přízi a to, že výsledky výzkumu již byly experimentálně ověřeny.
Snižování energetických ztrát rotorů Profesor Jaroslav Zapoměl z VŠB Technické univerzity Ostrava a Ústavu termomechaniky v Praze hovořil o kmitání tuhého svislého rotoru uloženého ve smykovém radiálním magnetickém ložisku v souvislosti s energetickými ztrátami, způsobenými přenášením zatížení soustavou ložisek do stacionární části rotoru. Vertikální rotory jsou součástí řady rotačních strojů a minimalizace energetických ztrát je důležitá zejména u setrvačníkových akumulátorů, které slouží ke skladování energie, neboť ztráty v ložiskách významně přispívají k jejich samovybíjení. Jak profesor Zapoměl uvedl, snížení energetických ztrát lze dosáhnout použitím bezkontaktních ložisek využívajících magnetického pole k přenosu sil mezi rotorem a stacionární částí (pasivní magnetická ložiska, aktivní magnetická ložiska, supravodivá magnetická ložiska). Na konferenci představil výzkum, který se soustředil na poznání vlastností pasivního magnetického ložiska určeného k uložení vertikálních rotorů skládajícího se ze dvou vzájemně se přitahujících permanentních magnetů a na poznání jeho vlivu na kmitání rotoru. „Je-li rotor vychýlen, radiální složka magnetické síly zkoumaného ložiska jej vrací vždy zpět do koncentrické polohy. Vliv ložiska na příčné kmitání rotoru byl zkoumán cestou počítačových simulací. Zkoumaný rotor byl tuhý. Svým horním koncem byl spojen s rámem pomocí valivého ložiska vloženého do elastomerického prstence a svým spodním koncem byl spojen s rámem pomocí zkoumaného magnetického ložiska. Rotor byl zatížen vlastní tíhou a při rotaci buzen svou nevývahou. Permanentní magnety byly ve výpočtovém modelu nahrazeny elektrickými cívkami. Velikost složek magnetické síly byla počítána numericky s využitím Ampérova a Biot-Savart- -Laplaceova zákona. Ke stanovení ustálené složky řešení pohybových rovnic byla použita metoda trigonometrické kolokace. Výsledky počítačových simulací ukázaly, že zkoumané magnetické ložisko významně snižuje amplitudu kmitání vertikálního rotoru zejména v oblasti nízkých úhlových rychlostí. Z hlediska konstrukčního provedení lze ložisko charakterizovat jako bezkontaktní (nulové mechanické ztráty a nulové mechanické opotřebení) a pasivní (nepotřebuje ke svému provozu řídicí systém, což zvyšuje jeho spolehlivost). Protože počítačové simulace prokázaly, že ložisko se chová v souladu s očekáváním, bylo navrženo a vyrobeno testovací zařízení pro návazný experimentální výzkum,“ informoval účastníky konference profesor Zapoměl.
Zvyšování spolehlivosti a přesnosti karuselů Ing. Aleš Richter, který se ve VUTS Liberec řadu let zabývá vysoce přesnými a rychlými polohovacími mechanismy, přednášel o vyhodnocování spolehlivosti vysoce přesného a rychlého karuselu po dobu jeho předpokládané životnosti. Popsal postupy ve vývoji a konstrukci, které vedly k postupnému zvyšování spolehlivosti a přesnosti karuselových otočných stolů. Zdůraznil, že celková životnost je dána nejslabším členem převodového mechanismu, tedy rotační pohyblivou částí převodovky, respektive její kontaktní plochy. „Pomocí speciálně vyvinutých zkušebních zařízení lze přibližně simulovat míru zatížení, kterému budou součásti karuselu vystaveny v běžných provozních podmínkách. Výsledky nashromážděné z provedených testů nám umožní upravit budoucí návrhy karuselů tak, abychom dosáhli stanovených hodnot polohovacích cyklů — životnosti,“ řekl Aleš Richter a zdůraznil, že další nedílnou součástí při zvýšení konkurenceschopnosti výrobku je jeho přesnost. Ta je dána konstrukcí otočného stolu, výrobou a následnou odbornou montáží. „Přesnost karuselu by se neměla během doby provozu výrazně měnit. Je potřeba ji zohlednit jako jeden z monitorovaných faktorů v průběhu kvalitativních zkoušek. Ale ani nejpřesnější simulace nemůže stoprocentně nahradit reálná data získaná z již nainstalovaných stolů v průmyslové výrobě. Tato data máme také k dispozici a jako zpětná vazba dotvářejí komplexní optimalizační proces koncového produktu,“ dodal Aleš Richter, když uvedl výsledky měření celkové vůle mechanismu, dlouhodobých zkoušek opotřebení kontaktních ploch rolen a šneku. „To vše je ověřené výsledky získanými v rámci průběžného monitoringu jednoúčelového stroje s implementovaným karuselem z výrobního procesu,“ konstatoval.
Alternativní cesty řešení výrobních procesů a bezpečnost Teorii strojů a mechanismů v poslední době rozšířila výrazně robotika, a vědci proto věnují čím dál větší pozornost nekonvenčním výrobní metodám, které představují alternativní cesty k řešení široké škály výrobních procesů. Jednou z takových cest, a sice využití angulárního průmyslového robotu v procesu třískového obrábění, se zabývají doktoři Marie Stará a Ondřej Matúšek z FS TUL. Ve své přednášce prezentovali konkrétní technické řešení obráběcího pracoviště s důrazem na koncový efektor na praktickém příkladu frézování formy difuzoru chladiče pro studentskou formuli. Podrobně rozebrali příslušnou problematiku, doložili optimální nastavení výrobního procesu, včetně příslušných výrobních parametrů a shrnuli přínosy aplikované technologie a získané dílčí poznatky. „Průmyslové roboty se sériovou kinematikou se uplatňují v řadě technologických operací včetně robotického obrábění. Robotické obrábění nabízí mnohem větší flexibilitu, a především pracovní dosah, zejména při usazení robotu na pojezdové ústrojí, oproti stávajícím způsobům třískového obrábění. Nejčastěji je aplikováno například při 3D či 5D frézování různých materiálů od neželezných kovů a dřeva až po plasty či polystyren. Osvědčilo se při obrábění modelů, jako jsou makety automobilů v měřítku 1 : 1, ale také při odjehlování odlitků slitiny hliníku a litiny, při broušení, leštění, zabrušování a ořezávání tvarově komplikovaných plastových či kompozitních materiálů. Robot může pracovat jako automatický měnič nástrojů a měnit nástroje během obrábění. Existuje řada aspektů, které upřednostňují použití robotů — v první řadě asi cenově dostupnější 5D obrábění v porovnání s CNC (computer numerically controlled). Mezi další výhody patří obrábění velkých, rozměrných dílů, značná variabilita v užití obráběcích technologií (fréza, laser, vodní paprsek, plazma…) a v neposlední řadě off-line programování drah ramene robotu,“ uvedla doktorka Stará. Roboty samozřejmě přinášejí řadu výhod, ale také určitá rizika. Ing. Jaroslav Antoš z VUTS Liberec hovořil o prevenci nebezpečných kolizí při sériové výrobě vzduchových filtrů pro brzdový systém nákladních automobilů. Důležitou operací je vyzvednutí a odložení čtyř vyprázdněných krabic od polotovarů z montážního prostoru, kterou je nutné z důvodu předepsaného výrobního taktu provést v jednom kroku. Vyprázdněné krabice však nelze aretovat a není tedy možné definovat předem jejich polohu. Nutností je proto implementovat specializovaný kamerový systém, který odhalí různé polohy a tvary krabic. „Současný vysoký požadavek na výrobní takt a omezení pohybu robotu je důvodem nasnímání pouze jedné krabice z uvedené čtveřice vision systémem. To může vést k nebezpečným kolizím mezi chapadlem robotu a odebíranými krabicemi. Ve svém výzkumu se zabýváme zdokonalením robotického pracoviště tak, aby se těmto kolizím zabránilo. Úpravy spočívají v doplnění pracoviště inspekčními optickými branami, implementacemi speciálních algoritmů do systému robotu, nadřazeného řídicího systému výrobní linky a vizualizace HMI (human- -machine interface). Celá aktualizace je provedena s ohledem na vysoké bezpečnostní standardy a požadavky automobilového průmyslu,“ řekl ve své přednášce Ing. Antoš.
Uplatňování nových materiálů Výrazný posun materiálového výzkumu přinesl další rozvoj a možnosti oboru díky výzkumu, vývoji a použití nových chytrých materiálů. Na relaxační chování izotropních magnetoreologických elastomerů (MRE), které řadíme k takzvaným „chytrým“ materiálům, pro schopnost měnit své vlastnosti v závislosti na působícím vnějším magnetickém poli, se v příspěvku zaměřila docentka Iva Petríková, vedoucí katedry mechaniky, pružnosti a pevnosti FS TUL. Účastníky konference seznámila s výsledky dlouhodobého výzkumu, ve kterém se vědecký tým katedry pod jejím vedením zaměřuje na řízení viskoelastických vlastností a útlumu těchto kompozitů. Tyto kompozity mají poddajnou matrici většinou ze silikonové pryže, která je ve vhodném poměru naplněna mikročásticemi karbonylového železa. „Nejsou magnetické samy o sobě, ale působením vnějšího magnetického pole se vytváří na mikročásticích železa magnetické dipóly a dochází k restrukturalizaci kompozitu a změně jeho vlastností. Výsledky výzkumu ukázaly, že relaxace napětí a viskoelastické vlastnosti závisejí nejen na rychlosti zatěžování, ale jsou výrazně závislé na velikosti deformace a na intenzitě magnetického pole. Smykové napětí a relaxační modul MRE se zvyšuje s rostoucí deformací a intenzitou magnetického pole. Pro teoretický popis relaxačního chování byl navržen čtyřparametrický reologický model Zenerova typu popsaný diferenciální rovnicí s derivací necelého řádu. Parametry modelu jsme stanovili na základě naměřených dat pomocí optimalizačních metod. Zkoumaný viskoelastický model materiálu se proto může použít k předpovědi relaxačního chování izotropních MRE při dlouhodobém zatížení,“ prezentovala práci svého týmu docentka Petríková. Mezinárodní konference o teorii strojů a mechanismů pořádaná Technickou univerzitou v Liberci je jednou ze tří nejstarších konferencí ve strojírenství. Třináctý ročník se měl konat v pravidelném intervalu již vloni. Covidová pandemie však všechny podobné akce znemožnila a vlastně poznamenala i letošní organizaci: konference se konala hybridní formou — částečně prezenční a částečně on-line. Přičemž on-line se zúčastnila většina zahraničních odborníků. Na úroveň příspěvků se to ale podle organizátorů nijak negativně nepromítlo. Přijaté příspěvky jsou zveřejněny v Knize sborníku. Příspěvky z předchozích konferencí jsou zahrnuty v knižní sérii Springer a jsou indexovány společnostmi Scopus a Google Scholar. /Jaroslava Kočárková/
