Cesty ke zvýšení produktivity při obrábění složitých obrobků
Nezbytný vzájemný pohyb jednotlivých uzlů obráběcího stroje je řešen pomocí vedení koncipovaných jako kluzná, valivá, či hydrostatická, která se liší cenou i charakteristickými vlastnostmi. Zejména pro vzájemný pohyb těžkých skupin velkých obráběcích strojů se prosazují vedení hydrostatická. Jejich základem je vtlačování kapalného média mezi dvě po sobě se pohybující plochy, kde proto nedochází k jejich mechanickému kontaktu. V jedné ploše je vytvořena řada kapes (hydrostatických buněk), do nichž se dodává tlaková kapalina, která následně z kapsy uniká definovanou škrticí mezerou mezi oběma plochami. Tlak kapaliny v kapse určitého rozměru, a tedy i její únosnost, resp. tuhost, je dán množstvím dodávané kapaliny, její viskozitou a hydraulickým odporem ve zmíněné mezeře. Protože plochy nejsou v mechanickém kontaktu, vzniká pouze kapalinné tření; koeficient tření se zde pohybuje mezi 0,0001 až 0,00001; je tedy 1000 až 10 000krát menší než u kluzných vedení! K nejdůležitějším výhodám hydrostatických vedení patří vysoká únosnost, klidný chod, bezvůlové uložení, vysoká regulovatelná tuhost, tlumení vibrací, extrémně nízké pasivní odpory proti pohybu a tedy stabilita při malých rychlostech – žádné stick-slip pohyby, minimální polohovací krok, nulové opotřebení vodicích ploch a vhodnost použití při vysokých nárocích na přesnost dráhového řízení stroje. Nevýhody představují vyšší cena, vysoké nároky na použité hydraulické médium, jeho filtraci a teplotní stabilizaci a v neposlední řadě i skutečnost, že ačkoliv je princip hydrostatického uložení znám již více než 40 let, stále ještě nejsou dostatečně prozkoumány všechny jeho aspekty a jejich vzájemné souvislosti, které mají vliv na funkci a trvalou přesnost celého systému. Výzk umn é práce v RCMT Z uvedených důvodů se problematice hydrostatického uložení začalo věnovat Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) při ČVUT v Praze s cílem zvyšovat technickou úroveň obráběcích strojů, dodávaných českými výrobci, a tím zvýšit i jejich exportní potenciál. V rámci výzkumného programu, řešeného v Centru kompetence a ve vybraných projektech TIP Ministerstva průmyslu a obchodu, byly ve spolupráci s firmami TOS Kuřim, ČKD Blansko a VTL Blansko rozvíjeny aktivity související s problematikou hydrostatických vedení a jejich chování jak pro uložení lineárních posuvových os, tak rotačních os těžkých otočných stolů se zaměřením především na výzkum chování uložení za vysokých rychlostí a s tím související teplotní stability. Komplexní řešení problematiky zahrnuje analýzu variant dílců nosné struktury a jejich optimalizaci, výzkum variant hydrostatického uložení, zkoumání způsobů regulace a řízení výšky škrticí mezery i analýzu teplotních deformací od vnitřních zdrojů tepla a vlivu změn teploty kapaliny na vlastnosti systému a velikost ztrátového výkonu. Pro konkrétní typy otočných stolů bylo navrženo hydrostatické uložení s přihlédnutím k poddajnosti nosné struktury, vyhodnoceny vlastnosti hydrostatických vedení pro různé metody řízení průtoku a tlaků v kapsách a provedena optimalizace návrhu uložení pomocí propojeného modelu hydrostatických buněk a nosné struktury stroje, modelované s využitím MKP s výpočtovým porovnáním jednotlivých druhů regulace. V zásadě je možná regulace na konstantní průtok, regulace konstantním odporem (kapilárou) a regulace pomocí PM regulátoru, vybaveného frekvenčním měničem, kde se při zvyšování zátěže zvyšuje průtok a je snaha udržet konstantní škrticí mezeru (obr. 1). Rozbor teplotních deformací a deformací vlivem zatěžujících sil (obr. 2), zohledňující i excentrické zatížení stolu včetně různě umístěných upínacích bodů opracovávaného dílce a vliv předepnutí axiálního ložiska stolu s pomocí sofistikovaných výpočetních metod umožnil zkoumání následné změny tvaru a polohy kapsy (obr. 3) a z toho vyplývajících změn jejích vlastností. Ze zjištěných změn vlastností kapsy byly vyvozeny dopady na schopnost jednotlivých metod regulace na tyto změny adekvátním způsobem reagovat. Přík lady prací a dosažené výsledky RCMT používá stávající a vyvíjí nové techniky pro matematické modelování hydrostatických vedení. Protože provozní stavy v hydrostatických buňkách jsou výsledkem interakce hydrostatických buněk s poddajnou stavbou nosné struktury pohyblivých částí stroje, jejichž matematický popis je velmi komplikovaný, byl pro optimalizovaný návrh parametrů hydrostatického uložení vyvinut iterační postup. Využívá metodu konečných prvků (MKP) spolu s víceparametrickou a vícekriteriální optimalizací. Tento postup s využitím propojeného MKP modelu nové struktury stroje a hydrostatických buněk dovoluje stanovit přípustné kombinace všech možných zátěžových stavů a otáček stolu, které v provozu mohou nastat s ohledem na celkové deformace a výšky škrticích mezer buněk. Konečným výsledkem iteračního postupu je souhrn nutných informací pro konkrétní návrh hydrostatického uložení. Aktuální aplikace představují velké otočné stoly pro svislé soustružení typu KES 100, KES 300 a KEP 100, určené pro obrobky s hmotností do 100 tun, z produkce TOS Kuřim (obr. 4) a ČKD Blansko a nová generace otočných stolů RT 6300-C pro těžké obráběcí stroje z VTL Blansko. Na nich spolupracovali specialisté z Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii s odborníky z jmenovaných firem. Konkrétní návrh hydrostatického uložení a optimalizovaný návrh struktury stolu, kde pomocí cílového kritéria optimalizace byla určena minimální velikost škrticí mezery každé kapsy, byl završen kontrolou silových reakcí a celkových deformací s využitím detailního MKP modelu celého stroje, konečným testováním a verifikací vlastností navrženého hydrostatického vedení. Jen úpravou nastavení hydrostatického systému uložení otočného stolu KES 300 se snížila spotřeba elektrické energie o 40 %. Za původní řešení hydrostatického uložení lineární osy s pohonem, vyvinuté v RCMT, které kombinuje lineární motor s hydrostatickým uložením, byl RCMT udělen patent. Řešení se vyznačuje integrací sekundárního dílu lineárního motoru do lišty hydrostatického vedení a rozmístěním hydraulických buněk na primárním vinutí motoru, což snižuje setrvačné hmoty se všemi pozitivními důsledky, které z toho vyplývají. Významným přínosem prováděných aktivit v oblasti hydrostatického vedení je skutečnost, že své znalosti a zkušenosti, které v průběhu řešení uvedených rozměrných strojních komponent získali specialisté RCMT, mohou nabídnout i dalším průmyslovým subjektům, které zamýšlejí výhod hydrostatických vedení využívat (obr. 5). Lze navrhnout adaptivní řízení výšky škrticí mezery nebo vyvažování excentrického obrobku, vytvářet provázané simulace poddajné struktury a hydrostatického uložení, provádět optimalizace hydrostatického vedení, kapes a parametrů regulátoru. Pomocí pokročilých výpočetních modelů je možno zjišťovat vliv naklopení hydrostatických kapes, vliv vysokých rychlostí na rozložení tlaku v kapse i působení teplotních zdrojů v hydrostatickém vedení s možností predikce teplotní stability provozu otočných stolů. Pro ty, kteří již hydrostatická vedení používají, je RCMT v rámci diagnostiky schopno měřit a vyhodnocovat průběh všech veličin hydrostatického systému (čerpadlo, regulační prvky, tlaky, průtoky, teploty, rozměry) v laboratoři nebo za provozu s cílem verifikovat a optimalizovat chování systému. Ing. Petr Borovan
