Ve Výzkumném centru pro strojírenskou
výrobní techniku a technologii
(VCSVTT) na Fakultě
strojní ČVUT v Praze pokračovalo
v roce 2006 řešení projektu
Výzkum strojírenské výrobní techniky
a technologie. Výzkum probíhá
ve třech tematických okruzích
a celkem v 15 tématech. V jednotlivých
tématech projektu je pak 27
dílčích projektů.
STROJE NOVÝCH KONCEPCÍ
Hlavním cílem úkolu je zvýšit přesnost
a produktivitu vysokorychlostních
obráběcích strojů na bázi nových
původních řešení a principů s ohledem
na zachování kvalitního životního
prostředí. V roce 2006 byly předmětem
zkoumání čtyři nové principy
ve čtyřech projektech, z nichž dva
byly zaměřeny na problematiku zvyšování
přesnosti strojů. Zde v prvé
řadě jde o výzkum nového principu
vyrovnávání poklesu vodorovných
pinol při jejich výsuvu. Jde o mechatronické
řešení, které pokles pinoly
automaticky stále měří a okamžitě
vyrovnává (eliminuje). V roce 2006
byla rovněž rozpracována i průmyslová
aplikace. Autoři principu podali
žádost o udělení patentu i průmyslového
vzoru. Výsledky řešení projektu
tvoří také základ jedné doktorské
disertační práce.
Zvyšováním přesnosti práce obráběcích
strojů se dále zabýval projekt
Měřicí rámy a prvky pro vyrovnávání
deformací obráběcích strojů.
Již proběhlo studium stávajících
metod a systémů vyrovnávání deformací
rámů obráběcích strojů, způsobených
tepelnými vlivy, řeznými
silami i tíhou přestavovaných hmot.
Uskutečnila se analýza nedostatků
známých metod a studium nových
možností měření odchylek od referenčních,
tepelně stabilizovaných
měřicích rámů. Bylo navrženo rozmístění
senzorů a možných provedení
prvků valivých i hydrostatických
vedení, které by vyrovnávání
odchylek od měřicích rámů umožnily.
Uskutečnil se konstrukční návrh
experimentálního standu s měřicím
rámem podle nově vypracované
koncepce virtuálního rámu stojanu
horizontálních frézek a vyvrtávaček.
V rámci tématu se také řeší tzv.
Seismické vyvažování obráběcích
strojů. Jde o zcela nový princip řešení
obráběcích strojů tak, aby stroje
nebyly zdrojem vibrací při významném
zlepšení podmínek pro práci
pohonů řízených os. Dosud se podařilo
dokončit studium známých řešení
útlumu vibrací strojních struktur
a základů obráběcích strojů, proběhla
analýza nedostatků existujících řešení,
návrh vlastních původních principů,
konstrukční úpravy a výrobní
realizace ověřovacího a měřicího
standu, zkoušky, oživení a ověření
správné funkce nového principu.
Proběhlo stanovení nových, náročnějších
cílů projektu, nalezení jejich
řešení a podařilo se vytvořit počítačovou
simulaci řízení standu. Pokračovala
stavba standu STD-1 v nové
modifikaci.
Předmětem řešení byla i nová
metoda modelování samobuzených
kmitů. Po studiu známých lineárních
metod modelování samobuzených
kmitů řezných procesů obrábění
se uskutečnila analýza nedostatků
lineárních frekvenčních metod,
studium možností vyšetřování
nelineárních jevů, nalezení vlastní
metody interpretace samobuzených
kmitů jako zpětnovazebně řízeného
polohového servosystému, osvojení
si modelování v programech Matlab/
Simulink, sestavení blokových
schémat a simulace základních
přechodových dějů se zahrnutím
nelinearit. Podařilo se nalézt novou
metodu vyhodnocení stupně útlumu
stabilních i nestabilních systémů
z průběhu simulovaných přechodových
jevů v časové doméně. Byl
nalezen způsob vykreslení lobových
diagramů pro zvolený stupeň
útlumu, tj. pro zvolený stupeň
bezpečnosti systému proti vzniku
samobuzených kmitů.
KOMPONENTY STROJŮ (ZEJMÉNA
NOSNÝCH SOUSTAV)
Pracuje se na zdokonalení vlastností
a možností komponentů a skupin,
zejména u vysoce dynamických
výrobních strojů. Cílem je zvýšit
potenciál pro jejich nejvhodnější
uplatnění, analyzovat jejich možnosti
a omezení, a vytvořit vlastní řešení
či modifikace. Snahou je také otevřít
možnost stavby vysoce přesných
strojů pro mikroobrábění.
První projekt řešený v tomto tématu
nese název Vysoce dynamické
a přesné pohybové skupiny. V roce
2006 zde pokračovala tvorba databáze
údajů o vysoce dynamických
a přesných pohybových skupinách
a tvorba CAD databáze samotných
pohybových skupin. Proběhly také
experimenty se získáním signálu
rychlosti pokročilou derivací signálu
polohy a integrací ze signálu zrychlení
a experimenty se stavovým řízením
reálné pohybové osy,
Další dílčí projekt se zabýval nekonvenčními
materiály a materiálovými
strukturami. Zde proběhlo zdokonalování
MKP modelů sendvičových
struktur, verifikace výpočtů realizací
mnoha experimentů, založení databáze
nekonvenčních materiálů a materiálových
struktur a rešerše možností
spojování nekonvenčních materiálů.
Na základě získaných poznatků se
uskutečnilo několik případových studií
možných náhrad kovových částí
stroje nekonvenčními materiály. Řeší
se také nové principy a způsoby užití
hydrostatických a integrovaných
vedení. Již je dokončena výroba
mechanické i elektrické části experimentálního
standu pro výzkum hydrostatických
lineárních i otočných
uložení. Proběhlo i oživení a montáž
standu včetně elektročásti, osazení
a oživení diagnostického a měřicího
systému.
V rámci tématu se řeší také problémy
rychlé automatické manipulace
s nástroji a obrobky. Již proběhla
příprava výrobní dokumentace pro
zkušební stand včetně zadání do
výroby, dále výroba zkušebního
standu a tvorba obecného dynamického
modelu dvouramenného manipulátoru.
Dokončila se knihovna 3D
modelů známých mechanismů AVN
a jejich konstrukčních a provozních
charakteristik. Vznikl dynamický
model servopohonů s regulací a jeho
vazba na dynamický model manipulátoru.
POHONY A ŘÍDICÍ TECHNIKA
V rámci tématu Pohony a řídicí
technika proběhl v loňském roce
vývoj algoritmu PLC pro plovoucí
princip a řešení odměřování. Dále
došlo k oživení laseru a bylo možné
realizovat úvodní experimenty
s odměřováním. Dále se pracovalo na
digitální komunikaci s pohony (řízení
přes CAN Bus), na oživení a úvodních
experimentech s průvlekovým
motorem, realizaci a oživení standu
s piezoaktuátorem pro potlačení vibrací.
Uskutečnily se také teoretické
práce v oboru potlačování vibrací
pohybových os aplikovaných na stroji
LM2. Výzkumníci získali užitný
vzor na zařízení pro zlepšení vlastností
regulace pohonů pohybových
os strojů. Vznikla teorie pro výpočet
energetické bilance tlumených soustav.
Byl vytvořen software pro návrh
posuvových os s kuličkovými šrouby
včetně optimalizace na maximální
zrychlení a potlačení vibrací.
V oboru zvyšování přesnosti dráhového
řízení při interpolaci vysokými
rychlostmi probíhalo modelování
servomechanismů v prostředí
Matlab-Simulink, proběhly výpočty
modelů mechaniky stroje na základě
metody konečných prvků, uskutečnilo
se měření na zkušebním stavu
TU Liberec a měření na stroji LM1
v laboratoři Centra v Praze. Proběhlo
i zpřesnění modelu pohonů posuvů
propojením modelu stroje (metoda
konečných prvků) a modelu regulace
(Simulink). Model byl částečně ověřen
na stroji LM1. Dále se podařilo
na stroji LM1 zredukovat dynamické
kvadrantové chyby při interpolaci na
50 %. Byl rovněž sestaven zpřesněný
model pohonu posuvu stroje Varia
(TOS Varnsdorf).
VIRTUÁLNÍ PROTOTYPOVÁNÍ
STROJŮ A JEJICH UZLŮ
A KOMPONENTŮ (MATEMATICKÉ
MODELOVÁNÍ)
Cílem je vybudovat know-how pro
vytváření věrohodných a spolehlivých
simulačních modelů nosných
struktur, konstrukčních skupin a komponent
obráběcích strojů. V tématu
se nyní pracuje na třech projektech.
Jedním z nich je projekt Modelování
nosných struktur obráběcích strojů,
jejich uzlů a komponent, v rámci
kterého se loni řešil vývoj simulačních
submodelů (na bázi MKP)
komplikovaných součástí a uzlů
OS (přírubových spojů, valivých
a hydrostatických vedení, svarových
spojů, krytování, piezoelektrických
aktuátorů). Dále zde proběhl vývoj
a aplikace metod pro tvorbu přesných
náhrad uzlů - zjednodušených členů
s vlastnostmi identickými s detailní
předlohou, stavba experimentálního
standu STD-12 a příprava a zahájení
experimentů pro ověření vyvinutých
postupů.
V projektu Matematické modelování
sdílení tepla a tepelných deformací
v konstrukcích obráběcích strojů
byl řešen vývoj a verifikace simulačních
modelů na bázi kombinace MKP
a analytických postupů, vývoj a aplikace
postupů pro modelování systémů
se vzájemnou vazbou teplotních
a mechanických dějů a stavba experimentálního
standu. Probíhal i rozvoj
metod inverzní analýzy teplotních polí
pro určení tepelných zdrojů a součinitelů
přestupu tepla v konstrukci strojů,
experimentální ověření metod inverzní
analýzy a výpočty chladicích soustav.
Třetím projektem byla Optimalizace
návrhu obráběcích strojů
s ohledem na zvýšení výkonnosti
a přesnosti obrábění. Zde vznikl
výpočetní postup popisu dynamických
vlastností mechanické stavby
stroje na základě modální analýzy
a redukce modálních souřadnic,
navrženy a otestovány na příkladech
reálných strojů postupy citlivostní
analýzy vlivu jednotlivých parametrů
pohonu na jeho dynamické vlastnosti
a provedeny první verifikace simulačních
výsledků s výsledky měření
na reálném stroji. Pro modelování
systémů s přelaďujícími se dynamickými
vlastnostmi v časové oblasti byl
rozpracován návrh možného přístupu
založeného na metodice modálního
rozkladu. Byly dále získány zkušenosti
z práce s pokročilými systémy,
které disponují nástroji pro topologickou
optimalizaci, zohledňující reálná
výrobní a konstrukční omezení.
PROGRAMOVÁNÍ A PŘÍPRAVA
VÝROBY PRO CNC STROJE
Proběhly studie a praktické zkoušky
užití interpolací na CNC stroji,
podařilo se vygenerovat a ověřit
postrprocesor na multifunkční soustružnické
centrum Multicut, vznikl
návrh dílu pro kontrolu funkční
schopnosti a pracovní přesnosti na
multifunkční soustružnická centra.
Byla zpracována TPV pro opracování
geometricky složitých lopatek
proudových strojů s přímou návazností
na potřeby průmyslu a proběhlo
měření přesnosti s využitím tenzometrické
sondy.
V části Aplikace programovacích
metod pro víceosé obrábění se
uskutečnila aktivace, ověření a užití
systému NX4 včetně postrocesorových
aplikací, zpracování variantních
kinematik pro 5osé stroje včetně
vizualizace a aplikace pro kontrolu
kolizních stavů a aplikace systému
CATIA. Podařilo se zvládnout aplikaci
softwaru pro měření při víceosém
řízení. Poznatky se aplikovaly
při reálné spolupráci s průmyslem
(pro První brněnskou strojírnu, aplikace
pro potřeby kosmických technologií
a pro Český metrologický
institut atd.).
Pracovalo se také na optimalizaci
technologického programu. Vznikla
studie optimalizací trajektorií nástrojů
při opracování tvarově složitých
dílů pro potřeby leteckého průmyslu,
kde odběr materiálu převyšuje 90 %
hmotnosti polotovaru. Zde se zvažovala
možnost využití trochoidního
způsobu vedení nástroje při hrubování
dutin. Metoda byla aplikována
při realizaci dílů mikroakcelerometru
pro kosmický program. Při spolupráci
s AERO Vodochody se dosahlo prokazatelných
úspor. Tak byl realizován
přenos poznatků nového pojetí TPV
pro frézování tvarově složitých dutých
obrobků do průmyslové praxe.
PŘESNOST CNC OBRÁBĚCÍCH
STROJŮ
Hlavním cílem projektu je zvýšit
produktivitu současných metod
měření prostorové přesnosti frézovacích
center za neustáleného teplotního
stavu stroje i okolí. Dále pak
formulovat požadavky na konstrukci
termicky stabilních rámů přesných
obráběcích strojů a v neposlední řadě
vyšetřit podmínky zvýšení přesnosti
frézovacích a soustružnických vřeten
za rotace.
Loni se pracovalo především na
zvyšování produktivity současných
metod měření prostorové přesnosti
frézovacích center za neustáleného
teplotního stavu stroje a okolí. Dále
na verifikaci výpočtů teplotních
polí nosných soustav frézovacích
strojů, na bilanci tepelných výkonů
a řešení problematiky stabilizovaných
rámů. Proběhla zde i verifikace
výpočtů chladicích soustav, pracovalo
se s modely kompenzace teplotních
deformací a probíhal teoretický
a experimentální výzkum chlazených
kuličkových šroubů.
POSTPROCESNÍ A INPROCESNÍ
KONTROLA
Je nutné podporovat a ulehčovat
realizaci postprocesní kontroly
jakosti v interakční soustavě strojnástroj-
obrobek, a tak zabezpečit
stále rostoucí požadavky na přesnost
výrobků. V roce 2006 stále ještě probíhaly
rešeršní práce, získávaly se
informace ohledně možností zpracování
signálů, probíhalo zaškolování
řešitele projektu do způsobu práce
úhlových odměřovacích senzorů. Byl
navržen měřicí přípravek pro připojení
úhlového odměřování na vřeteník
soustružnického centra SPM16
a proběhlo měření výstupního signálu
při různých otáčkách a různých
nastaveních. Dále se podařilo navrhnout
zařízení pro úpravu výstupního
signálu pro vysoké otáčky na bázi
jednočipového mikroprocesoru, byl
rozpracován program a uskutečnilo
se jeho testování. Započala analýza
problému a rozpracovaly se programové
moduly pro rychlé nastavování
soustružnických nástrojů. Spolupracovalo
se s firmou RENISHAW.
VÝKONNOST, SPOLEHLIVOST
A DIAGNOSTIKOVATELNOST CNC
OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
V daném tématu probíhal výzkum
stability obrábění titanových slitin,
zpracovala se dokumentace, realizovala
výroba a montáž diagnostického
vřetena, proběhla částečná montáž
řídicího systému diagnostického vřetena.
Proběhlo modelování vřetena
vlastním softwarem. Výzkumníci
se rovněž věnovali měřením frekvenčních
přenosů strojů při obrábění
a dále vývoji diagnostické monitorovací
jednotky a expertního systému
pro obráběcí stroje.
Analýza rizik a bezpečnost strojů
Dokončovaly se rešeršní práce,
uskutečnilo se studium bezpečnostních
a ergonomických normativů,
probíhala odborná školení a navazování
spolupráce s národními i evropskými
institucemi zabývajícími se
problematikou bezpečnosti strojů.
Podařilo se vypracovat systémovou
metodiku pro stanovení preventivních
opatření k předcházení potenciálních
rizik s využitím standardních
metod a nástrojů pro řízení jakosti
v konstrukci, výrobě, montáži a provozu
výrobních strojů. Navíc se řešila
témata: management rizik, analýza
nebezpečí u soustružnických strojů
na obrábění kovů a proces posuzování
rizik při hodnocení bezpečnosti
strojů dle platné legislativy EU a ČR.
Podařilo se složit certifikační zkoušku
u TÜV Österreich Akademie.
TVRDÉ OBRÁBĚNÍ
Navzdory skutečnosti, že podle celkového
plánu výzkumu měl být projekt
Tvrdé obrábění řešen až v období
2007-2009, započali výzkumníci
s pracemi již v roce 2006. Nyní je již
hotova literární rešerše na téma Obrábění
těžkoobrobitelných materiálů.
Uskutečnila se příprava měření vlivu
řezných podmínek na velikost řezných
sil při zpracování těžkoobrobitelných
materiálů a proběhlo i experimentální
odladění parametrů a kalibrace dynamometru
pro konkrétní měření. Řešilo
se i měření vlivu řezných podmínek na
velikost řezných sil u těžkoobrobitelných
materiálů a vyhodnocoval se vliv
řezných podmínek na velikost řezných
sil u těžkoobrobitelných materiálů.
Jsou připravena také měření vlivu
řezných podmínek na trvanlivost břitu
nástroje (realizace 2007).
EKOLOGICKÉ OBRÁBĚNÍ
Experimentální výzkum procesů
probíhajících při suchém obrábění
bez chlazení, s chlazením studeným
vzduchem a s chlazením s minimálním
množstvím kapaliny (MQL).
Zde byl stanoven vliv řezných podmínek
na velikost řezných sil, měřila
se drsnost obrobeného povrchu, mikrotvrdost,
zbytková napětí, teplota
řezání a teplota obrobeného povrchu
obrobku při obrábění etalonové oceli
12 050. Zpracoval se i závěr o vhodnosti
použití jednotlivých způsobů
chlazení pro dané konkrétní podmínky
a navrženo je optimální pracovní
prostředí pro obrábění oceli 12 050
nástrojem z povlakovaného SK z hlediska
výše uvedených parametrů.
VYSOKORYCHLOSTNÍ OBRÁBĚNÍ
Výzkum proběhl při vysokorychlostním
frézování duralu. Měřil se
a vyhodnocoval vliv řezných podmínek
v režimu HSC na teplotu řezání
a teplotu obrobeného povrchu obrobku.
Dále bylo možné sledovat vliv
řezných podmínek na drsnost obrobeného
povrchu, tvar odcházející
třísky, velikost řezných sil a proběhla
simulace na software AdvantEdge.
Uskutečnilo se také měření řezných
sil a momentů při řezání materiálů
kotoučovou pilou (realizace u firmy
BOMAR).
MIKROOBRÁBĚNÍ
Hlavním cílem je optimalizace sledovaných
procesů, měření a objektivizované
vyhodnocení dosažených
výsledků včetně jejich prezentace.
Zpracování obecných zásad pro aplikaci
těchto technologií. V roce 2006
probíhal výzkum mikrofrézování při
souvislém řízení v 5 osách s využitím
pro tvorbu tvarově složitých
mikroforem a dílů. Proběhly aplikace
mikroobrábění při opracování tvarově
složitých dílů. Při tom se sledovaly
výsledky dosahovaných jakostí
povrchu a dynamické jevy na mikronástroji.
Vznikl prototyp brzdy pro
měření krouticího momentu vysokootáčkového
vřetena pracujícího
do cca 80 000 ot.min-1. Poznatky se
bezprostředně promítly do realizovaných
prací pro průmysl. Uskutečnil se
také výzkum kombinací opracování
a speciálních technologií s využitím
obrábění, mikroobrábění a laserových
technologií při víceosém řízení
a opracování speciálních materiálů.
Technici studovali možnosti použití
laserových technologií při víceosém
řízení. Jako možná cesta se zvažovalo
použití laseru pro leštění tvarově
složitých ploch. Jako aplikační možnost
byl zvolen artefakt se souvislou
sinusovou plochou (dle požadavku
Českého metrologického institutu).
LASEROVÉ TECHNOLOGIE
V části tématu obráběcí stroje
s laserem byl ve spolupráci s firmou
KOVOSVIT MAS vybrán vhodný
soustruh (SPU 16) a uskutečnilo se
proměření pracovního prostoru stroje.
Zvolil se vhodný typ laseru: diodový
laser o výkonu 3 kW, který potřebuje
malý zastavěný prostor a má vhodný
tvar stopy paprsku pro kalení (obdélník).
Výzkumníci navrhli tři varianty
umístění laseru, včetně optické cesty
paprsku laseru. Vzhledem k nezájmu
podniků o realizaci soustruhu pro
kalení laserem, zaměřilo se řešení
úkolu na vytipování vhodné technologie
Rapid Prototyping pro kombinaci
s obráběcím strojem. Vznikla rešerše
zaměřená na stanovení možností
a účelnosti kombinace technologie
Rapid Prototyping a obrábění. Druhá
část tématu se věnovala výzkumu
laserových technologií. Zde vzniklo
6 nových technologií, z nichž byly tři
realizovány v průmyslu: výroba přesných
zápichů (tři tvary) o rozměrech
0,04, 0,06 a 0,08 mm (realizováno
ve firmě VISTEON – AUTOPAL),
technologie texturování povrchů
rovinných i prostorových laserem -
realizováno ve firmě BARUM CONTINENTAL).
Svařování obtížně svařitelných
materiálů (ocel - Nimonic):
realizováno ve firmě ČZ Strakonice,
divize Turbo. Technologie leštění
rovinných i prostorových ploch ocelových
součástí laserem. Technologie
výroby kolmých stěn i stěn se záporným
úhlem (rybiny). Svařování Mg,
Al a oceli 19 312.
Dále byla vyvinuta metodika stanovení
obrobitelnosti železných materiálů
laserem podle jejich chemického
složení. Na zapůjčeném diodovém
laseru o výstupním výkonu 3,1 kW
se podařilo ověřit jeho vhodnosti pro
kalení a svařování strojních součástí.
Byly zpracovány a předány podklady
pro autorské osvědčení Řezný nástroj
využívající externí zdroj energie pro
zvýšení řezného výkonu.
VÝROBNÍ NÁKLADY
Cílem je vypracovat metodiku
pro stanovení optimálních řezných
podmínek a minimalizaci výrobních
nákladů. Je zpracována metoda kalkulace
výrobních režijních nákladů
a dalších nákladových položek pro
obráběcí pracoviště. Metoda byla
nasazena v praxi při optimalizaci řezných
podmínek ve firmách KOVOSVIT
MAS a Barum Continental.
Výstupem VCSVTT za rok 2006
bylo také 90 publikací, 62 výzkumných
zpráv, 21 realizací (zejména
realizace v průmyslu), 3 užitné vzory
a 3 uspořádané kurzy pro pracovníky
průmyslu. V loňském roce také
Centrum pokračovalo ve spolupráci
na dvou evropských projektech,
podporovaných z prostředků 6. rámcového
programu. Jde o projekty
Ecofit a HardPrecision. Centrum
spolupracuje rovněž s průmyslovými
podniky na řešení několika projektů
podporovaných MPO. Hlavní
pracoviště Centra je na ČVUT v Praze
(49 osob) a další 3 spoluřešitelská
pracoviště jsou na VUT v Brně
(6 osob), TU v Liberec (4 osoby)
a ZČU v Plzni (5 osob). Centrum
opět splnilo jednu z hlavních podmínek
soutěže 1M Výzkumná centra
a získalo na podporu projektu 10 %
uznaných nákladů z komerční sféry.
Celkový objem spolupráce Centra
s průmyslem od roku 2003 neustále
stoupá. Rostoucí zájem o kooperaci
s Centrem je pravděpodobně odrazem
správně zaměřeného výzkumného
programu, který vznikl v těsné
spolupráci s průmyslem strojírenské
výrobní techniky. Podrobnější informace
o VCSVTT včetně nabídky
spolupráce Centra průmyslu a kontaktů
na Centrum je možno získat
na internetové adrese: www.rcmt.
cvut.cz.
PROF. ING. JAROMÍR HOUŠA, DRSC.,
