Již v minulém díle seriálu, věnovaného aktivitám RCMT, jsme uvedli, že teplotní deformace se podílejí více než 50 procenty na chybách přesnosti stroje, resp. obrobku. Pro jednoduchost bude přesnost nadále hodnocena jako velikost odchylky polohy špičky nástroje od požadované polohy. I při dodržení zásad vhodné konstrukce stroje, která zahrnuje teplotně symetrickou koncepci, minimalizaci zdrojů tepla, jejich vhodné umístění, resp. odizolování a řadu dalších souvisejících opatření, jsou podmínky činnosti obráběcího stroje natolik různorodé, že samotným návrhem koncepce obráběcího stroje nelze vliv teplotních chyb plně eliminovat a je nutno sáhnout k více či méně komplikovaným softwarovým (SW) řešením minimalizace teplotních chyb (obr. 1). Výrobce stroje i jeho uživatel potom stojí před rozhodnutím, jaká SW řešení použít, protože jako v jiných případech je nutno volit kompromis mezi účinností zvoleného řešení a náklady s ním spojenými. Používané metod y SW ko mpenzace teplotních chyb SW metody eliminace teplotních chyb (teplotní kompenzace) jsou metody nepřímé, nutné korekce vycházejí z matematického modelu, který je implementován do řídicího systému obráběcího stroje. Není možný přesný teoretický výpočet, a proto je nutné k vytvoření tohoto modelu vycházet z výsledků kalibračních měření přímo na stroji. SW metody jsou relativně levné, nevyžadují drahé přídavné měřicí senzory ani přerušování výrobního procesu pro potřeby měření. Používaná metoda SW teplotní kompenzace obecně predikuje nutnou délkovou korekci na základě určitého matematického modelu; tato korekce je potom superponována k požadované poloze v dané ose. V současnosti nejběžnější typ SW teplotní kompenzace vychází z vícenásobné regresní analýzy (zpravidla polynomická rovnice s konstantními koeficienty). Používá se poměrně jednoduchý matematický aparát a běžné řídicí systémy strojů tuto funkci standardně nabízejí. Kompenzační algoritmus je pro daný stroj získán poměrně rychle, protože model je často sestaven na základě empirických dat z pouze jednoho konkrétního měření pro jeden pracovní režim – například při konstantních otáčkách vřetena a bez pohybu lineárních os. Zatímco čas tvorby tohoto modelu je krátký, přesnost a spolehlivost odhadu teplotních odchylek je obecně nízká. Je vyhovující pouze v úzkém pásmu pracovních podmínek, pro které byl model kalibrován. Běžné modely SW teplotních kompenzací tak neposkytují uspokojující výsledky, neboť plně neodpovídají realitě. Jedná se o statickou metodu, která nezohledňuje proměnlivé otáčky vřetena a jeho výkon, aktuální posuvové rychlosti a zrychlení v jednotlivých osách. Empiricky stanovené modely nerespektují principy vedení tepla konstrukcí konkrétního stroje a postrádají informace z míst, kde nejsou umístěny teplotní senzory. S počtem vhodně umístěných teplotních čidel sice může růst přesnost kompenzace, ale rostou i náklady a především časová náročnost na zavedení, a proto je snaha počet teplotních senzorů limitovat. Všechny tyto vlivy se podílejí na nízké spolehlivosti odhadů velikosti teplotních odchylek. S vědomím těchto nedostatků a s cílem snížit je na minimální možnou úroveň, byly na půdě ČVUT ve Výzkumném centru pro strojírenskou techniku a technologii (RCMT) dlouhodobě vyvíjeny pokročilé metody SW kompenzace teplotních chyb na základě přenosových funkcí (PF). Přenosová funkce popisuje vztah mezi teplotou v určitém místě a změnou polohy špičky nástroje, způsobenou teplotní deformací stroje; dovoluje dosažení výrazně vyšší přesnosti stroje v širokém rozsahu pracovních podmínek. Metoda počítá s teplotní historií, čímž se rozumí změna teploty v čase v závislosti na měnícím se zatížení stroje; jedná se tedy oproti běžně používaným metodám teplotní kompenzace o model dynamický. V důsledku toho jsou výsledky predikce dosahované metodou PF, vyvinutou v RCMT, podstatně přesnější. Porovnání přesností, dosažených pomocí kompenzačního algoritmu s PF, cestou metod regresní analýzy a přesnosti nekorigovaného stroje je znázorněno v grafu (obr. 2). Graf znázorňuje průběh teplotních deformací naměřený v ose Z (odchylky v μm – viz svislá osa grafu) dosažený za příslušných podmínek v průběhu pěti dnů v pracovním režimu stroje; na vodorovné ose je vynášen čas. Ve všech případech byly měřeny teploty v 6 místech stroje, v blízkosti tepelných zdrojů. Výrazně lepší výsledky, dosažené pomocí PF, jsou zřejmé. Vstupem pro vytvoření modelu s přenosovými funkcemi jsou teploty u zdroje tepla a aktuální NC data stroje. Výstupem, který charakterizuje velikost chyby, resp. přesnost stroje, je posunutí špičky nástroje. Výpočet modelu s PF je časově nenáročný a proto je možno jej přímo využít pro výpočty kompenzačních korekcí v reálném čase. Umožňuje individuálně zohlednit každý vliv, který se na teplotní chybě podílí (viz obr. 3 nahoře) a jeho superponování do výsledné teplotní chyby. K tvorbě kompenzačního algoritmu s PF a jeho implementaci do řídicího systému stroje (obr. 3) se využívá program Matlab, pro sběr dat při experimentech a verifikaci modelu se zpravidla používají zařízení firmy National Instruments a software LabVIEW. Následná implementace modelu do stroje (obr. 4) může být realizována několika způsoby. Pomocí zařízení od National Instruments (například řídicími kontroléry CompactRIO) nebo jiným průmyslovým externím zařízením (PLC), např. od firmy Teco. Kompenzační algoritmus je možné naprogramovat přímo do řídicího systému stroje – strojního PLC (v případě řídicího systému Siemens pomocí programu STEP 7 nebo Heidenhain pomocí programovacího jazyka Python). Příklady prací a dos ažené výsledk y Výzkum v RCMT při ČVUT v Praze se zásadně neodehrával pouze v teoretické rovině; na základě těsné spolupráce se společnostmi Kovosvit MAS, TAJMAC-ZPS a TOS Kuřim vznikla řada kompenzačních modelů teplotních chyb využívajících PF přímo na strojích z produkce těchto firem. Po prvních aplikacích této metody na horizontálních obráběcích centrech TAJMAC-ZPS H500 a H80 DD byly výsledky úspěšně použity na dalších obráběcích strojích. Na portálovém centru Kovosvit MAS MMC 1500 byla jednoduchou kalibrací parametrů PF dosažena kompenzace všech os X, Y a Z; přesnost byla zlepšena v průměru o 75 %. Šest teplotních čidel a aktuální hodnota otáček vřetene se prokázaly pro spolehlivé a robustní fungování modelu jako dostačující, a to i při zahrnutí vlivu okolí. Byla potvrzena přenositelnost modelu kompenzace teplotních chyb i na další stroje téže typové řady. Výsledky kompenzací na základě regresní analýzy byly nedostačující (viz obr. 2) a tuto skutečnost, s ohledem na širší spektrum pracovních cyklů, nemohlo zlepšit ani zvýšení počtu měřených míst. Dalším příkladem je kompenzační model teplotních chyb vertikálního obráběcího centra Kovosvit MAS MCV 1000, který byl navíc částečně rozšířen i o vliv samotného řezného procesu. Spolupráce s Kovosvitem MAS je nyní zaměřena na zvýšení přesnosti 5osých obráběcích center řady MCU. Připravené kompenzační algoritmy teplotních chyb budou v letošním roce verifikovány a začne jejich průmyslová implementace. Cílem prací na vícevřetenovém soustružnickém automatu TAJMAC- ZPS TMZ 642 CNC bylo zvýšení stability přesnosti v náběhovém období při snížení času potřebného k temperaci stroje. Jsou vytvořeny kompenzační algoritmy na principu PF pro dva charakteristické pracovní režimy, kompenzováno bylo 6 vřeten v komplexním pracovním cyklu s vlivem řezného procesu. Byla ověřena funkčnost teplotní kompenzace po zapnutí studeného stroje a prokázána opakovatelnost kompenzace teplotních deformací během jednoho pracovního režimu. Vstup do algoritmu představovala tři teplotní čidla a zátěž motorů pro pohon osy X. Model s PF byl ověřen pomocí externího PLC a v současné době se připravuje přímá implementace do řídicího systému stroje. Příkladem aplikace pokročilého modelu SW teplotních kompenzací na větší obráběcí stroje je vývoj modelu pro obráběcí centrum s posuvným stojanem FUEQ Efektiv z produkce TOS Kuřim. Ing. Petr Borovan
