Výzkum strojírenské výrobní techniky na ČVUT Praha v roce 2010

Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii se na fakultě strojní ČVUT v Praze v roce 2010 pokračovalo v řešení projektu „Výzkum strojírenské výrobní techniky a technologie”- 1M0507, jehož řešení MŠMT prodloužilo o dva roky, tedy do konce roku 2011. K prodloužení projektu došlo v souvislosti s prodloužením celého programu „Výzkumná centra 1M“ po kladném vyřízení naší žádosti na MŠMT, jejíž součástí byl i navazující výzkumný program Centra na roky 2010 a 2011. Tento program byl vytvořen jako pokračování programu předchozího v letech 2005 – 2009 s doplněním některých témat, která vyplynula ze strategie oboru do roku 2015. V oboru obráběcích strojů jde o položení většího důrazu na výzkum metod zvyšování užitných vlastností strojů (přesnosti, výkonnosti, spolehlivosti, hospodárnosti a ekologičnosti strojů), výzkum inteligentních systémů strojů, vývoj a aplikaci nových metod 5osého obrábění, obrábění těžko obrobitelných materiálů, zdokonalování řezných nástrojů a na výzkum zvyšování přesnosti a jakosti broušení. Od roku 2010 je ve výzkumném programu Centra prostor i pro výzkum tvářecích strojů, který provádělo rozšířené pracoviště Centra na ZČU v Plzni. V obou částech výzkumného programu (pro obráběcí i tvářecí stroje) jde potom zejména o výzkum energetické náročnosti strojů a jejich uzlů, o zdokonalení metod virtuálního prototypování strojů, o výzkum monitorování a diagnostiky strojů a o vývoj dokonalejších metod analýzy rizik strojů obráběcích i tvářecích. Výzkumný program je i nadále rozčleněn do tří tematických okruhů, ve kterých v roce 2010 probíhal výzkum v celkem 27 dílčích projektech. Tematicky okruh č.1: Zde probíhalo řešení témat: 1.1. Stroje nových koncepcí 1.2 Komponenty strojů (zejména nosných soustav) 1.3. Pohony a řídicí technika 1.4. Virtuální prototypování obráběcích a tvářecích strojů, jejich uzlů a komponentů (matematické modelování) 1.5. Výzkum tvářecích strojů TEMA 1.1. STROJE NOVYCH KONCEPCI V roce 2010 probíhal výzkum ve třech dílčích projektech. V prvním s názvem Měření chyb v pracovním prostoru strojů bylo navrženo, zkonstruováno a vyrobeno dvoudílné měřicí zařízení s vlastním odměřováním ve třech osách (dvě rotační a jedna lineární souřadnice), (viz obr. 1). Byl sestaven potřebný elektronický vyhodnocovací modul pro snímání použitých odměřovacích prvků měřicího zařízení. Navrhl se způsob aktivace snímání dat měřicího zařízení a jejich synchronizace vůči hodnotám ze souřadného systému stroje. Začalo testovací měření na zvoleném stroji (LM-2). V tomto tématu se také řeší tzv. Seizmické vyvažování obráběcích strojů. Jedná se o zcela nový princip řešení obráběcích strojů tak, aby stroje nebyly zdrojem vibrací a měly menší rozměry i hmotnost při významném zlepšení podmínek pro práci pohonů řízených os. V roce 2010 se prováděly testy kruhové interpolace na zkušebním standu STD1, měření dynamických vlastností rychlostních smyček na STD1, proběhly dílčí testy obrábění na seizmicky vyváženém stroji H80DD (viz obr. 2), sestavily se potřebné simulační modely a proběhlo měření modálních vlastností STD1. Předmětem řešení v tomto tématu je i další výzkum nové metody modelování samobuzených kmitů. V roce 2010 pokračoval výzkum verifikací komplexního modelu frézování. Byl navržen a odladěn model soustružení stranovým nožem a model uvažující vliv tření na čele a hřbetu nástroje a částečně i vliv geometrie nástroje. Dále byl sestaven jednoduchý model frézování uvažující současný záběr více břitů, který vychází ze zmiňovaných modelů. Některé výsledky se publikovaly na konferenci ČVUT WORKSHOP 2010 a STČ 2010. TEMA 1.2. VYSOCE VYKONNE KOMPONENTY STROJŮ (ZEJMENA NOSNYCH SOUSTAV) I v tomto tématu se řešily dle plánu výzkumu tři projekty. První z nich měl název Stavba pokročilých komponentů a uzlů a jejich energetická náročnost. V roce 2010 byla v rámci projektu řešena problematika návrhu a technického zpracování komponentů a odměřovacích prvků moderních strojů. V rámci práce na tomto tématu bylo zdokonaleno optické odměřovací zařízení pro měření deformace obráběcích strojů a byl vyvíjen algoritmus samokalibrace a měření přesnosti obráběcího stroje pomocí navrženého zařízení Quatro. V rámci řešení tohoto úkolu se podala žádost o udělení užitného vzoru „Zařízení pro optické odměřování přesnosti pohybu a/nebo deformace obráběcího stroje“ a žádost o udělení patentu „Způsob a zařízení pro měřění a/nebo kalibraci polohy tělesa v navazujících prostorech“, společně s Ústavem mechaniky FS ČVUT. Dále bylo v rámci projektu řešeno téma energetické náročnosti provozu obráběcích strojů. Byla provedena řada měření energetické náročnosti obráběcích strojů a návrh a testování měřicí aparatury. Byla zkoumána metodika hodnocení energetické náročnosti obráběcích strojů a provedena analýza pomocné mechanické vazby pro vyztužení nosné struktury obráběcího stroje v pracovním prostoru nazvaná „CLEPETO”. Proběhlo její simulační testování na zjednodušeném matematickém modelu. V rámci řešení úkolu „Návrh stavby a konkrétního provedení výkonných aktuátorů a mechatronických komponentů” byl experimetálně testován aktivní dynamický hltič určený k tlumení vibrací obrobku a byly řešeny technické možnosti stavby a provozu otočných stolů pro multifunkční stroje včetně rešerše současných technických řešení. Byl navržen a sestaven stand Siemens s řídicím systémem Siemens Sinumerik 840D sl pro experimentální testování komunikace navržených přídavných odměřování přímo s komerčním řídicím systémem a pro implementaci a výzkum regulace na reálných strojích. Podaly se dvě disertační práce. Další dílčí projekt se zabýval nekonvenčními materiály a jejich využitím ve stavbě obráběcích strojů. V roce 2010 se tento projekt řešil opět na dvou pracovištích Centra. Na pražském pracovišti byla provedena experimentální měření na hybridním zkušebním stojanu horizontálního obráběcího stroje, vyrobeném 2009. Stojan na bázi ocelového svařence, vlepované hliníkové pěny a vnějších ocelových bočnic (viz obr. 3) se experimentálně porovnal se stojanem stroje PRIMA. Experimenty s oběma stojany pro zjištění statické tuhosti a modálních vlastností proběhly na sestavě stroje PRIMA. Zároveň byly provedeny výpočtové práce na tělese hybridního stojanu a konstatována velmi dobrá shoda s experimentálními výsledky stojanu. Proběhla výpočetní studie několika variant hybridních kompozitně-ocelových verzí prototypu smykadla, kdy se za základ použilo kompozitně-korkové těleso s vysokým vlastním tlumením. Technologicky výhodná varianta vnitřní ocelové výztuže byla výsledně vyrobena a na zkušebním dílci byla provedena měření modálních vlastností. Výzkum tuhostní degradace vlivem cyklického zatížení se zaměřil na silnostěnná tělesa z vláknových kompozitů. Byla provedena rešerše únavového chování kompozitu. Na zkušebním tělese celokompozitního smykadla se uskutečnila únavová zkouška, kdy těleso bylo v místě náhrady vřetena buzeno cyklickou silou. Na pracovišti v Plzni řešili v roce 2010 vývoj komůrkového vřeteníku s aplikací keramických dílů. Vřeteníkové těleso bylo optimalizováno, aby se dosáhlo minimální hmotnosti a zvýšené tuhosti dílu oproti ocelovému etalonu. Pro optimalizace se využil systém OptiSlang, Matlab, NX. Vývoj vřeteníku byl provázen verifikačními zkouškami materiálových vlastností kompozitu a výrobní technologie se konzultovala s výrobcem. Virtuální prototyp vřeteníku vykazuje čtyřnásobné snížení hmotnosti a dvojnásobné navýšení ohybových tuhostí. Do vřeteníku jsou aplikovány díly z technické keramiky, jejíž vlastnosti byly rovněž ověřeny experimentálně. Výrobní dokumentace vřeteníku byla předána výrobci. V rámci navrhování vřeteníkového tělesa se provedla rešeše možných způsobů spojení mezi vřeteníkovým kompozitním tělesem a dalšími dílci, pozornost byla zaměřena na lepení. Dále se zde zabývali homogenizací kříženého kompozitu. Křížení vláken kompozitu v rámci jedné vrstvy ovlivňuje mechanické chování výsledného dílu, a běžné virtuální modely tuto skutečnost nepostihují. Homogenizace kříženého kompozitu je metoda jak křížené vrstvy pomocí opravných koeficientů v reálných výpočtových modelech kompozitových těles řešit a modelovat coby prosté vrstvy běžným způsobem. Pro ověření vyvíjené metody homogenizace je vypracována detailní mikromechanická buňka kříženého kompozitu a ověřována experimentálně. TEMA 1.3. POHONY A ŘIDICI TECHNIKA V roce 2010 byl sestaven a verifikován matematický jednohmotový model pohonu posuvu osy X stroje MCFV5050LN. Do matematického modelu samobuzeného kmitání se zavedla dynamická poddajnost tohoto pohonu i poddajnost fiktivního dvojhmotového modelu. Dále byl simulován vliv tečného kmitání na velikost dopravního zpoždění při regenerativním kmitání a zjištěny odchylky od otáčkového diagramu stability, vypočteného klasickým způsobem. Simulacemi byly potvrzeny některé anomálie v diagramu, hlavně výskyt tzv. podmíněné stability a projevil se dominantní vliv nastavení rychlostního regulátoru. V oblasti řízeného potlačování vibrací proběhla realizace koncepce hltiče navrženého ve VCSVTT v letech 2005–2009, a to na stroji H80DD (Tajmac ZPS), (viz obr. 4). Byla vyvinuta i metodika ladění regulátoru hltiče s využitím genetických algoritmů (optimalizace odezvy systému na impulz zrychlení). Teorie silového impulzního buzení dynamických systémů se rozšířila na buzení kinematické a buzení přechodovou funkcí ve tvaru obecného skoku. Proběhl test kompenzace kvadrantových chyb pozorovatelem. Podal se návrh na zapsání užitného vzoru PUV 2010-23455 (skupina Liberec). Dále byla sestavena aparatura k identifikaci měření modálních vlastností strojů. Byla navržena a testována metodika přesného měření frekvenčních přenosových funkcí a následná identifikace metodou state-space. Sestavena je metodika pro automatické ladění parametrů proudového a rychlostního regulátoru pomocí vícekriteriální optimalizace genetickými algoritmy. Byl vytvořen a testován simulační model pro adaptivní přizpůsobování parametrů kompenzace nerovnoměrnosti chodu pohonů. Jsou provedeny práce na tématu kompenzace silového ovlivňování interpolujících os a testy kompenzace nevývahy na standu ETB1. Proběhlo seznámení se se simulačními jádry systému Siemens (VNCK) a Heidenhain (VirtualTNC), parametrizace, realizace testů obrábění s využitím VNCK. Vypracoval se algoritmus pro porovnávání dráhové chyby mezi žádaným NC kódem a realizovaným profilem a byl provedeno simulační testování adaptivní regulace na standu ETB-1 ve smyslu přelad’ování zesílení regulačních smyček. Připraveno je experimentální testování adaptivní regulace. Prof. Ing. Jaromír Houša, DrSc