Výzkum strojírenské výrobní techniky na ČVUT Praha v roce 2010

VIRTUALNI PROTOTYPOVANI OBRABĚCICH A TVAŘECICH STROJŮ I JEJICH UZLŮ A KOMPONENTŮ (MATEMATICKE MODELOVANI) Téma se řešilo v tomto členění: Submodeling komponentů a uzlů obráběcích strojů V roce 2010 pokračoval vývoj metodik pro detailní matematické modelování komponent a uzlů OS a metod pro experimentální výzkum jejich vlastností. Konkrétně to byly testy hydrostatického vedení na STD-21 a STD-30 a výzkum vřetenových jednotek i rotačních ložisek. Dále pak probíhala konstrukce nových zařízení pro experimentální testy komponent, měření jejich vlastností a porovnání s výpočtovými modely. Probíhalo také zobecnění vyvinutých postupů a jejich aplikace v průmyslu. Submodeling spojení komponentů a uzlů strojů V úvodní části projektu byla provedena rešerše možností simulací šroubových spojení v programech MKP a konstatovala se dostatečná úroveň nabízených lineárních submodelů popisujících šroubové spoje. Dílčím výsledkem projektu je také inovace výpočtového programu, který může sloužit k dimenzování komplexních šroubových spojení s rovinným stykem. V další části projektu se pozornost soustředila na spojení kovových dílců se součástmi z nekonvenčních materiálů a provedena rešeršní práce zaměřená na možnosti spojování nekonvenčních materiálů s kovem. Užší zaměření výzkumu problematiky spojování směřovalo na lepení a vlepování závitových inzertů do kompozitních materiálů. Jako aplikace se řešilo spojení uhlíkového kompozitového vřeteníku s keramickým čelem a spojení pojezdové kolejnice valivého vedení kompozitového vřeteníku s pomocí vlepených šroubových inzertů. Zkoumaný nový typ spojení je podán jako užitný vzor. Teplotně-mechanické simulace obráběcích strojů Uskutečnilo se zpřesnění teplotněmechanických MKP modelů obráběcích strojů a komponent zahrnutím konvektivní složky přenosu tepla. Realizovaly se experimenty v aerodynamickém tunelu k ověření funkčnosti senzoru součinitele přestupu tepla. Identifikace kalibračních přenosových funkcí pro tyto senzory. Modelování teplotně-mechanického chování základních tvarů obráběcích strojů v ustáleném i přechodovém stavu a následná citlivostní analýza vybraných případů. Dále proběhla identifikace zdrojů tepla (produkce tepla ložisky a v kuličkové matici). Začal výzkum termotronického konceptu kompenzace směrových a úhlových deformací pomocí vhodně řízených akčních členů (experimenty na pinole, tvorba kompenzačního algoritmu). Byl zahájen výzkum vhodného redukovanéhopopisuteplotně-mechanických modelů. Simulace dynamických vlastností propojených poddajných soustav V roce 2010 byl navržen a vyroben zkušební stand pinoly a zjednodušené náhrady vřetene pro verifikaci vlastností modelů propojených poddajných systémů. Vytvořeny a verifikovány byly výpočetní modely soustavy. Dále byl vytvořen propojený model pohonů, rámu skutečného stroje a vřetene s nástrojem (viz obr. 5) pro výzkum vlivu pohonů na dynamické vlastnosti vyšetřované na nástroji. Proběhlo porovnání dynamických vlastností s modelem se zjednodušenou náhradou pohonů tuhostními prvky. Vytvořil se rovněž výpočetní systém a GUI pro tvorbu identifikovaných modelů měřených dynamických vlastností soustav. Proběhlo i studium metody Receptance coupling pro tvorbu popisu vlastností propojených soustav stroj – vřeteno – nástroj s kombinací měřených a simulovaných charakteristik. Vývoj a zpřesňování komplexních mechatronických modelů celých strojů V této části je vyvíjen systém s GUI pro rychlé simulace dynamických vlastností řízení pohonů s volbou řídicích schémat „Vlastní”, “„Siemens” a „Heidenhain”. Provedeno bylo studium skutečných schémat řízení jednotlivých systémů a převodů jednotlivých parametrů do systému „Vlastní”. Byl vyvinut program pro komplexní vyhodnocování vlastností spojek. Se spojkami s experimentálně vyšetřenými tuhostmi proběhla měření na zkušebním standu STD-3 a simulace pro studium vlivu prvků pohonu s torzní poddajností na predikci frekvenčních charakteristik pohonů. Dále je vyvíjen systém pro rychlou extrakci velkých matic M a K s počtem stupňů volnosti v řádu 106 z MKP modelů strojů a byla vyvinuta metoda pro redukci MKP modelů s vylepšenou korekcí na vypuštěné vlastní frekvence s využitím plné matice tuhosti výchozího modelu. Systém Hardware in the loop Zde je vyvíjena aplikace „SinSimul” pro přímou kosimulaci jádra řídicího systému Siemens VNCK s prostředím Matlab/Simulink. Vyřešily se otázky možností komunikace a časové synchronizace. Pro provádění off-line simulací virtuálního obrábění se vytvořily datové výstupy odbaveného NC kódu v časové synchronizaci s taktem CNC interpolátoru. Simulace virtuálního obrábění Proběhly skutečné a virtuální testy obrábění s využitím jádra řídicího systému VNCK a komplexního propojeného modelu pohybových os stroje LM-2 a zkoumal se vliv parametrů nastavení CNC systému a řízení pohonů na kvalitu obrobeného povrchu. Dále byl navržen nový způsob matematického popisu ploch vzniklých průnikem obálky nástroje a materiálu obrobku. Metoda zprostředkovává reálný pohled na kvalitu obrobeného povrchu. Hledány jsou možnosti optimalizace časové náročnosti tvorby vizualizace výsledků virtuálního obrábění. TEMA 1.5 VYZKUM TVAŘECICH STROJŮ Poprvé je ve výzkumném programu VCSVTT zařazen i výzkum tvářecích strojů, který provádí pracoviště na ZČU v Plzni s dále popsanými výsledky. Prvním řešeným projektem v této oblasti je Uplatnění nekonvenčních materiálů v konstrukci tvářecích strojů. Práce se zde v roce 2010 zaměřily především na mechanické a hydraulické lisy. Tyto typy se vybíraly proto, že jsou v současné době jedny z nejpoužívanějších a je tedy velký zájem o jejich vývoj. V rámci řešení bylo nutné provést průzkum v oblasti nekonvenčních materiálů, srovnání jejich užitných vlastností a vytipování nejvhodnějších představitelů pro okruh tvářecích strojů. Jak pro mechanické, tak pro hydraulické lisy byl proveden rozbor namáhání jejich nosných částí. Tento rozbor je zásadní pro možnost aplikace využití nekonvenčních materiálů nebo pro konstrukční úpravy, které by umožnily tyto materiály aplikovat. Pro využití nekonvenčních materiálů byl z mechanických lisů vybrán klikový lis s děleným rámem předepnuté konstrukce, u kterého byla navržena náhrada rozpěrných sloupů z polymerbetonu. U hydraulických lisů se vytipoval hydraulický lis CJB s rámem lamelové konstrukce, kde byly navrženy lamely z vláknového kompozitu. U obou řešených příkladů se předpokládá, že předložené výsledné varianty nejsou konečné a v následujícím roce dojde na základě hodnocení k úpravám, za účelem zvýšení užitné hodnoty. V závěru roku byly shrnuty další možné úpravy rámů tvářecích strojů, sebrané z různých zdrojů. Jako velký přínos práce v roce 2010 je rešerše přes mechanické vlastnosti nekonvenčních materiálů, se zaměřením na možnosti jejich využití v konstrukci tvářecích strojů. Velmi přínosné je provedení analýzy namáhání jednotlivých komponent jednotlivých tvářecích strojů a jejich zhodnocení pro možnost využití nekonvenčních materiálů v jejich konstrukci. Konkrétní příklady konstrukčních řešení s využitím nekonvenčních materiálů vhodně doplňují provedené práce (viz obr. 6). Dalším projektem, řešeným v Plzni, bylo Virtuální modelování a optimalizace konstrukce tvářecích strojů, jejich uzlů a komponent. Práce zde provedená v roce 2010 není shrnutím poznatků z konkrétních konstrukčních řešení, ale jedná se o nadstavbu, která si klade za cíl prozkoumat problematiku více do hloubky, objevit a popsat fungující závislosti a vazby a v neposlední řadě i vytvořit základnu pro potřeby uživatelů. Nejprve byla popsána specifika v konstrukci tvářecích strojů. Pochopení specifičnosti tvářecích strojů je pro řešení zcela zásadní, protože pouze se znalostí rozdílnosti mezi jednotlivými stroji lze správně přistupovat k jejich konstrukci. Tvářecí stroje jsou obecně závislé na prováděné technologii, jako příklad lze uvést rozdílnost mezi lisy pro volné a zápustkové kování. Hlavními parametry tvářecích strojů jsou zajisté tuhost a pevnost, což jsou ale parametry, které pro různé technologie mají různou váhu. Dále byl proveden popis přípravy virtuálních modelů. Větší část práce se věnovala lisům mechanickým, protože je jejich problematika hlubší ve vazbě na vyšší výrobní přesnost, ale ani oblast lisů hydraulických nebyla opomenuta. Pozornost byla stále věnována i problematice okrajových podmínek. Správnost a kvalita okrajových podmínek je pro kvalitu výsledku naprosto zásadní. Třetí projekt z této oblasti měl název Energetická analýza tvářecích strojů a návrhy na snižování energetické náročnosti tvářecích strojů. Postup při zpracovávání tématu energetické bilance je metodicky uspořádán tak, aby byl nejprve proveden důkladný průzkum a shrnutí současných přístupů společnosti k řešení energetické náročnosti strojů. Tento průzkum je rozdělen do několika oblastí: přístup a zaměření státních institucí a EU, již vzniklá řešení výrobců strojů, literární rešerše tohoto tématu a přímé dotazování vybraných výrobců. Po přiblížení teorie energetické bilance, jakožto základního kamene pro řešení dané problematiky, byl proveden rozbor používaných převodových mechanismů mechanických lisů a četnosti jejich použití s ohledem na další směřování a výpočty. Neméně důležité pro výpočty je následující představení a analýza typických způsobů zatěžování mechanických lisů. Na základě předchozích kroků byl proveden rozbor energetické bilance konkrétního klikového lisu, na který navázala analýza možností úspor a ovlivnění energetické spotřeby. Byl proveden jeden z prvních kroků v našem řešení energetické bilance v oblasti tvářecích strojů. Na uvedené rozbory, výpočty a analýzy navážou v příštích obdobích řešení energetické spotřeby dalších a také koncepčně jiných zařízení. Tematicky okruh č.2: Vyzkum vlastnosti obraběcich strojů a jejich monitorovani, inteligence strojů Řešená témata: 2.1. Přesnost 2.2. Monitorování funkcí a procesů 2.3 Výkonnost 2.4. Bezpečnost obráběcích a tvářecích strojů TEMA 2.1. PŘESNOST V roce 2010 byly v prvém podprojektu tohoto tématu s názvem Adaptivní řízení chladicích systémů a eliminace teplotních deformací OS na základě výsledků experimentů na reálném stroji a jeho nosné struktuře stanoveny parametry systému ACC (Adaptive Cooling Control) a byl sestaven časově reálný model stroje sloužící k řízení systému ACC. Na reálném stroji proběhla měření ke zjištění efektivity působení systému ACC při eliminaci teplotních deformací. Postup stanovení výkonových parametrů systému ACC, stejně jako postup a způsob sběru dat pro sestavení modelu (založeném na teplotních a teplotně-mechanických přenosových funkcích) spolu s následným určením nároků na výkon řízení systému ACC byly zobecněny do příslušné metodiky. Dále byly provedeny experimenty mající za cíl prověření robustnosti jednotlivých přenosových funkcí modelu při působení poruchových vlivů. V dalším podprojektu s názvem Nové metody kompenzace tepelných deformací OS byla vypracována komplexní obsáhlá rešerše na téma přesnost 5osých strojů. Vybraly se klíčové práce a detailně prozkoumaly. Rešerše je doplněna o měření přesnosti a kompenzování odchylek 5osých strojů moderními aparaturami MT-Check a Axis Set na strojích předního světového výrobce obráběcích strojů. Dále byl realizován výzkum a vývoj zpřesněné metody polynomického kompenzačního mechanismu pro kompenzaci teplotních odchylek obráběcích strojů – zahrnuty dosud opomíjené zdroje tepla (viz obr. 7), zahájen výzkum vlivu řezného procesu na tepelnou deformaci nástroje a vývoj nového teplotního čidla se snadnou instalací. Zahájena aplikace na sériových strojích z produkce českého výrobce. TEMA 2.2 MONITOROVANI FUNKCI A PROCESŮ. V dílčím projektu Měření a diagnostika obráběcích strojů probíhaly v roce 2010 tyto činnosti: Praktická měření – simulace vibračních poruch na standu SDV Během měření se zjistilo, že vnější kroužek zadních ložisek v některých režimech prokluzuje, a proto nejsou signály ze snímačů jednoznačné. Přesto byly realizovány dlouhodobé testy běhu vřetene bez mazání jednotlivých ložisek a byl sledován vliv zapnutí/ vypnutí profuku vřetenových ložisek a zapnutí/vypnutí chlazení. Prof. Ing. Jaromír Houša, DrSc. vedoucí VCSVTT