Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku
a technologii na fakultě strojní ČVUT v P raze v roce 2009
pokračovalo řešení projektu „Výzkum strojírenské výrobní
techniky a technologie”- 1M0507, významně podporovaného
Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR.
Výzkum, jak známo, zde probíhá ve třech tematických
okruzích a v nich celkem v 15 tématech. V jednotlivých
tématech projektu je potom celkem 25 dílčích projektů.
Téma 1.4.
Virtuální prototypování
strojů a jejich
uzlů i komponentů
(matematické modelování)
Hlavní cíl: Jde o vybudování
know-how k vytváření věrohodných
a spolehlivých simulačních
modelů nosných struktur, konstrukčních
skupin a komponent
obráběcích strojů.
V tomto tématu jsou řešeny tři projekty.
Jedním z nich je „Modelování
nosných struktur obráběcích strojů,
jejich uzlů a komponent“, ve kterém
v roce 2009 pokračoval vývoj metodik
pro detailní matematické modelování
komponent a uzlů OS a metod pro
experimentální výzkum jejich vlastností
(testy hydrostatického vedení
na STD-21, výzkum vřetenových
jednotek, svarových spojů a rotačních
ložisek). Probíhala i konstrukce
nových zařízení pro experimentální
testy komponent, měření vlastností
komponent, porovnání s výpočtovými
modely. Byla dokončena i realizace
modifikace STD-30 pro potřeby
testů integrovaného vedení. Bylo
provedeno zobecnění a využití vyvinutých
postupů při aplikacích v průmyslu
a v rámci projektu 1.4.3.
V projektu „Matematické modelování
sdílení tepla a tepelných
deformací v konstrukcích obráběcích
strojů“ bylo provedeno kalibrační
a ověřovací měření (teplotní,
teplotně-deformační a deformační
přenosové funkce - PF) na reálných
strojích. Byla provedena formulace
zásad a směrnic pro konstrukci
tepelně stabilních rámů a experiment
pro identifikaci tepla produkovaného
v motoru a kuličkové matici.
Proběhl výzkum vlivu nelinearit
v teplotně mechanickém modelu
pinoly (ohřev/chladnutí) a následná
kompenzace úhlových deformací
pomocí topných manžet. Byla provedena
kalibrace měřidla součinitele
přestupu tepla (na povrchu) při volné
konvekci.
V tomto tématu se řeší i projekt
„Optimalizace návrhu obráběcích
strojů s ohledem na zvýšení výkonnosti
a přesnosti obrábění“. V něm
probíhaly práce v roce 2009 následovně:
Metoda tvorby propojených
modelů poddajných těles ve stavovém
prostoru se ověřovala na příkladu
modelu skutečného stroje. Byla
zjištěna vyhovující shoda vlastností
propojených modelů s plným MKP
modelem, umožňující uvažovat
o využití metody pro modelování soustav
skutečných struktur obráběcích
strojů (OS). Postup tvorby propojených
modelů byl aplikován rovněž na
úlohu modelování soustavy vřetena
a nosné struktury stroje a na příkladu
skutečného stroje byla provedena
verifikace dynamických vlastností
propojeného modelu s citlivostní
analýzou vlivu jednotlivých parametrů
na výsledné vlastnosti. Vhodnost
různých metod redukce MKP modelů
OS pro transformace do stavového
prostoru byla ověřována prostřednictvím
porovnávací studie na příkladu
zjednodušeného modelu struktury
OS. Výsledkem studie je doporučení
pro volbu optimální metody redukce
pro aplikace v komplexních modelech
pohybových os OS. V tématu tvorby
systému „Hardware in the loop” bylo
vytvořeno řešení komunikace mezi
systémem MEFI a prostředím Matlab/
Simulink s modelem mechanické
stavby pohybové osy a modelem
rychlostní smyčky. Vytvořily se rovněž
postupy využití řídicích systémů
Heidenhain a Siemens pro odbavení
NC kódů a získání žádáných hodnot
dráhového řízení pro provádění simulací
v rámci virtuálních modelů strojů.
Pokračuje vývoj původní metody
pro simulace kvality obrobeného
povrchu a výpočty objemu odebíraného
materiálu v průběhu obrábění.
V prostředí Matlab/Simulink byla
vytvořena vývojová verze grafického
rozhraní pro rychlou analýzu vlastností
pohonů s připojenou strukturou
stroje. Metoda tvorby komplexních
modelů OS byla aplikována na příkladech
pohybových os skutečných
strojů.
Téma 1.5.
Programování a příprava
výroby pro CNC stroje
Hlavní cíl: Zvýšení přesnosti
a produktivity obrábění tvarově
složitých dílů.
V prvé části tématu „HSC a víceré
obrábění“ proběhlo v roce 2009
v prvé řadě studium aparátu teoretického
výpočtu a tvorby NURBS
a ostatních matematicky definovaných
prostorových křivek, využívaných
v současné strojírenské praxi.
Získané poznatky se bezprostředně
porovnávaly s počítačovou tvorbou
křivek a volných ploch v prostředí
systému NX CAD. Následně byla
provedena analýza problematiky
a ověření možností tvorby spline
trajektorií řezného nástroje v CAM
modulu systému NX, s cílem otestovat
účinek ovlivnění tvarovacích
parametrů obráběcího procesu z hlediska
programátora CNC stroje na
výslednou dráhu nástroje. Uvedeným
možnostem CAM systému byly
posléze podrobeny dva typy lopatek,
reprezentující průtočné profily
proudových strojů. Prostřednictvím
modulu Post Builder byly optimalizovány
postprocesory pro řídící systémy
Sinumerik a Heidenhain iTNC,
navíc byl vytvořen postprocesor
s výstupem NURBS pro řídicí systémy
obráběcích strojů Mazatrol a Fanuc.
Všechny výše uvedené poznatky
a závěry byly bezprostředně ověřeny
při spolupráci s průmyslem, konkrétně
při výrobě lopatek natáčecího
zařízení z chromové oceli.
V části „Aplikace programovacích
metod pro víceosé obrábění“
na základě provedených měřeních
se nejprve ověřil způsob rozdělování
posuvových rychlostí řídicím systémem
iTNC 530 (Heidenhain) při
součinnosti lineárních a rotačních
strojních os při lineární interpolaci.
Potom byl postprocesor pro víceosé
obrábění programovaný podle
vytvořené metody tvorby postprocesorů
rozšířen o algoritmy, generující
např. pevné cykly a poloměrové
nástrojové korekce v NC programu.
Rozšířený postprocesor byl včetně
víceosé interpolace ověřen ve spolupráci
s průmyslem při obrábění reálného
tvarově složitého dílce. Dále
byl vytvořen nadstandardní algoritmus,
jehož prostřednictvím lze postprocesorem
predikovat výslednou
relativní posuvovou rychlost mezi
nástrojem a obrobkem při součinnosti
lineárních a rotačních strojních
os. Pro grafickou interpretaci predikovaných
posuvových rychlostí
v podobě prostorových vektorů bylo
vytvořeno propojení mezi postprocesorem
a SW GNUPLOT.
Dále byl vytvořen nadstandardní
algoritmus pro výpočet posuvových
rychlostí podél osy řezné části nástroje
pro analýzu řezných parametrů
při pětiosém meridiánním obrábění
tvarově složitých ploch. Pro měření
posuvových rychlostí se využila
zkonstruovaná měřicí sonda, obsahující
laserový senzor (z PC myši)
a přípravek pro upnutí do nástrojového
držáku a vycentrování senzoru.
Po provedených kalibračních měřeních
a měřeních při 5osém řízení
byly naměřené hodnoty analyzovány
a porovnáním s predikovanými
posuvovými rychlostmi byla ověřena
shoda a aplikovatelnost vytvořeného
algoritmu pro predikci posuvových
rychlostí při víceosé interpolaci.
V projektu „Optimalizace technologického
programu“ jsme zpracovali
studii možností časové optimalizace
při opracování tvarově složitých
ploch se zřetelem k dynamickému
řízení posuvů. Získané poznatky
byly použity při tvorbě technologické
části postprocesoru pro řízení
posuvové rychlosti v průběhu pětiosého
řízení při výrobě lopatkování
radiálního kompresorového kola,
na základě konstatních technologických
podmínek, definovaných na
konci kuželového nástroje. Pomocí
modulu Post Builder byla vytvořena
technologická nástavba pro řídicí
systém Heidenhain iTNC. Dále byly
zjišt’ovány technologické podmínky
pro výrobu kompresorových kol
z těžkoobrobitelných materiálů -
nerez. Pro tento druh materiálu byly
navrženy speciální tvary nástrojů
a bylo nezbytné vytvořit novou verzi
technologie, respektující zásadní
podmínky výroby tvarově složitých
dílu z chrom-niklových ocelí při
respektování vlastností nově definovaných
tvarových nástrojů.
Tematický okruh č. 2
Výzkum vlastností obráběcích
strojů, jejich měření, monitorování
a hodnocení
Řešená témata:
2.1. Přesnost CNC obráběcích strojů
2.2. Postprocesní a inprocesní
kontrola
2.3 Výkonnost, spolehlivost
a diagnostikovatelnost CNC
obráběcích strojů
2.4. Analýza rizik
a bezpečnost strojů
Téma 2.1.
Přesnost CNC obráběcích
strojů
Hlavní cíle:
1. Zvýšit produktivitu současných
metod měření prostorové přesnosti
frézovacích center za neustáleného
teplotního stavu stroje i okolí
2. Formulovat požadavky na konstrukci
termicky stabilních rámů
přesných obráběcích strojů
3. Vyšetřit podmínky zvýšení
přesnosti frézovacích a soustružnických
vřeten za rotace
V roce 2009 zde byla vyhotovena
komplexní analýza tepelného
chování stroje MCV 1000 (tepelné
působení všech pohonů a okolního
prostředí) a byly vypracovány konkrétní
návrhy pro řešení neuspokojivých
aspektů teplotně - mechanických
vlastností konstrukce.
Jednalo se o konstrukční doporučení
pro dodatečnou implementaci
lokálního chlazení, resp. teplotní
stabilizaci jednotlivých pohonů,
jejich uložení a částí nosné struktury.
Dále šlo o návrh řízení zmíněných
chladicích okruhů (systém
ACC; Adaptive Cooling Control).
Byla provedenena revize dat
z dřívějších zkoušek systému
ACC a na jejím základě navržena,
vyrobena a odzkoušena vylepšená
verze regulátoru sít’ového napětí,
resp. propojení mezi silovou částí
a řídicím signálem. Rovněž byla
realizována implementace programu
MKM (Multiregresní Kompenzační
Mechanismus; pokročilý způsob
SW kompenzace teplotních chyb)
do řídicího systému stroje LM1 spolu
s jeho testováním. Vypracována
a aplikována byla i metoda absolutního
měření teplotních deformací
jednotlivých částí nosné struktury
potřebná pro sběr dat a tvorbu jednotlivých
regresních křivek MKM
(včetně návrhu a výroby měřicích
rámů). Proběhlo i dokončení a finální
analýza experimentů týkajících se
minimalizace vlivu třísek na výslednou
teplotní chybu. Bylo provedeno
vyšetření podmínek zvýšení přesnosti
chodu vřeten komplexní analýzou
výsledků z databáze, a to z výsledků
měření vřetenových jednotek frézovacích
a soustružnických obráběcích
strojů (celkem 24 strojů).
Prof. Ing. Jaromír Houša, DrSc.
vedoucí VCSVTT
