__________________________________________________________________________________________
» Geometrická přesnost pětiosých strojů
__________________________________________________________________________________________
» Moderní metody měření přesnosti __________________________________________________________________________________________
Stejně jako v přírodě, kde evoluce začíná tím nejjednodušším a spěje ke stále složitějším formám, obdobně probíhá i proces vývoje výrobních prostředků. Začal přírodním, upraveným nástrojem a v té nejvyšší formě jsme jako lidstvo dospěli k víceúčelovým (multifunkčním, víceprofesním, done-in-one apod.) obráběcím strojům.
Výrobní zařízení schopná realizovat sama o sobě více způsobů odebírání třísky zcela jistě nepředstavují konec vývoje. Je to v současné době vrchol, který si vytkl za cíl každý z předních výrobců a představuje jakýsi etalon schopností kumulovaný do jediného výrobního zařízení. Bohužel cesta nahoru je velmi obtížná, ale pro mnohé je pak hledání cesty zpátky téměř nemožné.
Na vývoji multifunkčních strojů odvozených od soustruhů (vodorovných i svislých) se podílelo několik výrobců. Jedním z prvních byl i Kovosvit Sezimovo Ústí a konstruktér pan Ladislav Borkovec se strojem MCSY50/80. Zmínit bychom měli i společnosti WFL, Traub, Okuma a další, které se podílely na uvedení nového typu obráběcího stroje na trh.
Druhá cesta k Multifunkčním strojům vedla přes víceosá obráběcí centra úpravou stolu, který původně pracoval pouze v režimu C-osy, o možnost soustružení.
Multifunkční z hlediska obráběcích strojů jsou výhradně stroje řízené CNC systémy. Ruční obráběcí stroje, které jsou na trhu jako vybavení malých, převážně truhlářských dílen, mezi multifunkční obráběcí stroje nezahrnujeme.
DALŠÍ MOŽNOSTI A SMĚRY VÝVOJE
Pod pojmem „multifunkční“ se skrývá potenciál na další využití řízených rotačních os k vzájemným polohovým synchronizacím a jejich využití k novým procesům, jako jsou interpolované vyvrtávání i na šikmých osách, soustružení hranou destičky interpolací os Z a Y či obrábění ozubení nejen tradičním způsobem (odvalovací frézování, loupání odvalem), ale i odvalem jednoho boku dělícím způsobem za použití jednoduchého kotoučového nástroje. Využitím řízení rotace nástroje je možné automaticky korigovat záběr každého břitu rotačního nástroje a rovnoměrně zatěžovat všechny břity při frézování těžkoobrobitelných materiálů, měnit otáčky při řezání závitů a účinně tak potlačovat vznik vibrací. Multifunkční stroje tak jako vedlejší produkt vyššího stupně řízení nabízejí potenciál jeho efektivního využití pro zcela nové způsoby obrábění. 
Další vývoj řídicích systémů pracujících na stále se zvyšujících frekvencích a nové snímače s vysokým rozlišením dávají nové možnosti přesnějšího řízení při obrábění obecných prostorových ploch a dosažení vysokých jakostí povrchu. Zároveň vyzívají k dalšímu využití jejich vlastností pro automatické korekce geometrické přesnosti obráběcího stroje i automatickému nastavení optimálních parametrů servomechanismů v závislosti na aktuálním stavu stroje a jeho zatížení.
Pro vlastní uplatnění multifunkčních strojů je vytýčen koridor podílu na výrobě velmi složitých součástí vyráběných v menších sériích a navíc s požadavkem rychlého dodání. V takovém případě je koncentrace na jediný stroj a jeho multifunkční schopnosti velkou výhodou. Příkladem mohou být výroby prototypů, ověřování a další vývoj kompletu anebo zakázková výroba s variabilním provedením konečného obrobku. Ideálním prostředím pro tyto stroje jsou dílny vývojových pracovišť leteckého a kosmického průmyslu, automobilového průmyslu a výroba implantátů na míru v medicínském oboru. Určitě by těmito stroji nepohrdly ani další obory, ale tam se přeci jenom více oceňuje cena konečného produktu před schopností dodat jej o dny nebo týdny rychleji.
V mnohém připomíná situace s nasazením multifunkčních strojů rozvoj nového oboru aditivní výroby. S tou mimochodem vzájemně asimilují, neboť současný stav vývoje všech použitelných procesů aditivní výroby vyžaduje následné obrobení na přesnost a povrchovou jakost, a tam jsou multifunkční stroje optimálním řešením.
V každém případě spadají multifunkční stroje mezi ta výrobní zařízení, která mají potenciál podílet se na rozvoji technických oborů i na dalším vývoji výrobní techniky. Zatím nezodpovězenou zůstane otázka, zda také v České republice.
KONTROLA GEOMETRICKÉ PŘESNOSTI PĚTIOSÝCH STROJŮ
Pětiosá obráběcí centra představují z několika hledisek jeden z vrcholů vývoje v oboru výrobních strojů. Prvotní rozdělení je třeba učinit na stroje odvozené od soustruhů – zde hovoříme o multifunkčních soustružnických obráběcích centrech - a na stroje vzniklé původně rozšířením stavby klasických tříosých obráběcích center. Zde hovoříme o pětiosých frézovacích centrech. Postupem času dospěli výrobci strojů k závěru, že pětiosá frézovací centra je třeba vyvíjet jako samostatný produkt se specifickými prvky všech konstrukčních skupin. Dlužno poznamenat, že v posledních zhruba pěti letech jsme svědky zrodu a pozvolného rozšiřování dalšího vývojového stupně pětiosých frézovacích center, která jsou navíc schopna provádět i soustružnické operace. Oklikou okolo sousedního bloku se tak vracíme na stejné rozcestí, kde jsme opustili multifunkční soustružnická obráběcí centra.
Nejedná se ovšem jen o komplexnost a komplikovanost mechanické stavby stroje. Všechny dosud jmenované stroje se pohybují na špičce vývoje a poznatků i z hlediska pohonů všech (při vybraných operacích) souvisle řízených os a nelze zapomenout na celou oblast technologickou. Obrábění složitých prostorových ploch, součinnost frézovacích a soustružnických vřeten, vícekanálové řízení při současném záběru více nástrojů – to jsou jen vybrané úkoly stojící před vývojáři softwarové výzbroje řídicích systémů, lidmi připravujícími postprocesory, ale i programátory CAM systémů a v konečné instanci programátory v reálných provozech, jejichž úkolem je na základě zadaného 3D modelu a výkresové dokumentace odevzdat v požadovaném termínu a kvalitě hotový obrobek, či celou sérii obrobků, kterou navíc důsledně zavedený podnikový systém kvality podrobí podrobné a nekompromisní analýze způsobilosti procesu.
PROBLEMATIKA GEOMETRICKÉ PŘESNOSTI
V tomto příspěvku se dovolím omezit „jen“ na problematiku geometrické přesnosti pětiosých frézovacích strojů. Úvodem je třeba konstatovat - zopakovat, že geometrická přesnost obráběcího stroje je jednou ze základních podmínek jeho úspěšného nasazení v reálné výrobě. Seřízení geometrické přesnosti, ať již nově instalovaného stroje či stroje staršího, případně po kolizi představuje v případě pětiosých strojů kumšt, kterému je třeba se určitou dobu učit. Platí zde známá zásada, že čím propracovaněji, pečlivěji a obecně kvalitněji jsou provedeny všechny kroky předcházející seřízení geometrie na stroji, tím snáze je dosaženo požadovaného výsledku. Mezi ony zmiňované předchozí kroky patří zejména konstrukční fáze vývoje stroje, kvalita výrobní dokumentace strojních dílů a skupin, preciznost výroby a montáže nového stroje. V poslední době jsme svědky jednak rostoucí poptávky po pětiosých strojích, jednak rozšiřující se nabídky strojů na trhu od nejrůznějších výrobců. Je nám všem známo z každodenního osobního života jaká je síla marketingové masáže, která dokáže i z podprůměrného produktu na prospektu, v prezentaci či televizi vykonstruovat špičkový výrobek, bez kterého se vlastně ani nedá žít. O to větší poté může být rozčarování po zakoupení takového produktu a zjištění, že není schopen zdaleka dostát našim očekáváním. A o to větší je většinou i úsilí servisních techniků, kteří se snaží vydolovat z instalovaného stroje každou tisícinku milimetru úchylky tak, aby se alespoň přiblížili ke kýženým tolerancím!
Výše popsaná noční můra servisního technika nenechává pochopitelně spát ani tvůrce a výrobce měřicích zařízení a měřicích metod, které si kladou za cíl usnadnit práci při servisu, omezit možnost lidské chyby při měření i korigování chyb a ideálně přivést i koncové uživatele k závěru, že je třeba o své výrobní prostředky náležitě pečovat a provádět pravidelné prohlídky a navazující údržbu. Podívejme se ve značném zjednodušení a stručnosti na příkladu svislého pětiosého frézovacího centra s kolébkovým stolem na aktuálně používané metody kontroly geometrické přesnosti a progresivní moderní nástroje, které může nabídnout zkušená servisní organizace či špičková oborová výzkumná instituce.
PŘESNÁ LIBELA, ČÍSELNÍKOVÝ ÚCHYLKOMĚR, PŘESNÉ PRAVÍTKO A MĚŘICÍ TRN
Tyto měřicí nástroje již více než jedno století neodmyslitelně patří do základní výbavy každého servisního technika obráběcích strojů. Když pak v roce 1932 jistý pan Schlesinger vydal první soubornou knihu popisující doporučené metody měření přesnosti obráběcích strojů asi ani netušil, že právě položil systematické základy nové disciplíny, která až do dnešních dnů čerpá z jeho technické geniality a preciznosti. Základy měřicích metod i používaných nástrojů zůstaly zachovány dodnes, stroje se značně změnily! 
Prvotním prováděným úkonem je kontrola a seřízení ustavení stroje z hlediska vodorovnosti pomocí libel. Není-li stroj usazen vodorovně a nezachovává-li vodorovnost při pohybech lineárních os v rámci celého zdvihu, nemá smysl postupovat dále. Při ustavování stroje pracuje servisní technik zejména s kotevními prvky, kterými je spodní lože spojeno s betonovým základem výrobní haly. V některých případech se stává, že i velmi kvalitní stroj vodorovnost za pohybu nezachovává. Pak je vhodné zkontrolovat, zda-li je v pořádku struktura podkladové vrstvy, na níž stroj spočívá. V jiných případech je uživateli zatěžko vrtat otvory do podlahy pro umístění kotevních šroubů. Zásadním úkolem dodavatele je na základě nesporných argumentů přesvědčit uživatele o nutnosti ukotvení stroje, a to nejen z důvodu geometrické přesnosti, ale i s ohledem na dynamické chování stroje za pohybu a stabilitu obrábění obecně.
Dalšími úkony jsou kontrola rovinnosti upínací plochy stolu stroje či palety a kolmosti osy frézovacího vřetene k této ploše. Následuje kontrola kolmosti v jednotlivých souřadných rovinách a test obvodového házení vřetene na trnu.
Všechny výše uvedené zkoušky se prakticky neliší od postupu prováděného na jednodušších tříosých strojích. Nyní je třeba přistoupit ke kontrole a nastavení správné součinnosti os rotačních s osami lineárními. Velice důležitá je znalost skutečné polohy středů otáčení rotačních os v souřadném systému stroje. Pakliže je ve strojních parametrech zadána poloha středů jinde než jsou fyzicky na stroji, nemůže při součinnosti (interpolaci) těchto os stroj správně sledovat žádanou trajektorii. V případě svislé osy rotace stolu či palety je tato úloha jednoduchá a vystačíme si s pomocí měřicího trnu a číselníkového úchylkoměru. U osy naklápění celé kolébky již technik potřebuje větší zručnost a nejlépe excelovský program, který mu pomůže správně určit polohu středu, respektive o kolik je potřeba změnit odpovídající strojní parametr.
Tímto výčtem nekončí seznam zkoušek geometrické přesnosti, které je dle konkrétních zjištění třeba na stroji provést. Snažím se jen upozornit na komplexnost problematiky geometrické přesnosti u pětiosých strojů v některých případech přehlíženou či opomíjenou, jak ze strany dodavatelů strojírenské výrobní techniky, tak ze strany koncových uživatelů.
MODERNÍ METODY MĚŘENÍ PŘESNOSTI
Půjdeme-li opět do historie – tentokrát poněkud mladší – zjistíme, že v roce 1973 přišli dva britští inženýři (David McMurtry a John Deer) poprvé s myšlenkou dotykové sondy určené pro kontrolu vybraných geometrických charakteristik komponent špičkového výrobku své doby, proudového motoru nadzvukového dopravního letounu Concorde. Od té doby prodělaly dotykové sondy pro souřadnicové měřicí stroje a později i obráběcí stroje překotný vývoj. Zvýšila se jejich přesnost, spolehlivost a oblasti nasazení. Není tedy divu, že si v poslední době našly svou cestu i do moderních měřicích metod pro pětiosé stroje. V tomto příspěvku se stručně zmíním o dvou sofistikovaných měřicích systémech na bázi dotykových sond, které jsou využívány v České republice.
SAMOCENTROVATELNÁ HLAVA MT-CHECK
Výrobek, který je výstupem ze stejnojmenného Evropského projektu, si od začátku kladl vysoké cíle: v co nejkratším čase a s minimální nejistotou měřit přesnost polohování a vybrané další geometrické chyby tříosých až pětiosých strojů včetně dynamických úchylek za pohybu při součinnosti více os. Samocentrovatelná hlava je založena na měření výhradně přímočarých posunutí třech prostorově orientovaných plochých doteků. Snímacími elementy jsou v tomto případě vysoce přesné kapacitní sondy. Jednoduché kinematické uspořádání a celkové velmi kompaktní rozměry hlavy dávají dobré předpoklady pro jednoduché a minimálně prostorově omezené nasazení při měřeních na strojích. Jednoduchý kinematický a navazující kalibrační model zaručují vysokou absolutní přesnost i opakovatelnost měřidla. Pro potřeby měření přesnosti pětiosých strojů je samocentrovatelná hlava využívána v kombinaci s jedním kulovým artefaktem, který je umístěn na upínací ploše měřeného stroje.
Dodávaný software je koncipován jednak pro měření polohy středů rotačních os stroje (polární zobrazení získaných dat společně s vyčíslením odchylek ve směru relevantních lineárních os stroje), jednak pro dynamická měření součinnosti lineárních a rotačních os při transformaci souřadnic používané při souvislém pětiosém obrábění. Velice dobře lze také díky vysoké vzorkovací frekvenci kapacitních snímačů postihnout přechodové děje při rozjezdech pohybu nebo zastavení včetně vyhodnocení vlivu zpevňování os při najetí do polohy. Samocentrovatelná hlava je tak neocenitelným pomocníkem při diagnostice příčin nepřesností odhalených na reálných obrobcích, respektive kdekoliv tam, kde dochází k součinnosti lineárních a rotačních os při pracovním posuvu. V České republice poskytuje veškeré služby spojené s měřením samocentrovatelnou hlavou (příprava měření, vlastní realizace měření v podniku, analýza výsledků, vyslovení závěrů) zkušební laboratoř při Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii v Praze.
MĚŘICÍ SADA RENISHAW AXI-SET
Měření na pětiosých obráběcích centrech je v tomto případě založeno na využití obrobkové sondy Renishaw (výrobcem je doporučena přesná tenzometrická sonda) v kombinaci s prostorovým artefaktem. Artefakt sestává ze dvou prostorově orientovaných kulových ploch a jedné kulové plochy umístěné na základně artefaktu. Obrobková sonda musí být vybavena dlouhým dotekem, aby bezpečně dosáhla na spodní kulovou plochu při všech polohách naklonění kolébky stroje. Společně s měřidlem je dodávána sada připravených partprogramů, ve kterých se formou zadávaných proměnných konfiguruje konkrétní měření. Jednotlivé partprogramy tedy realizují měření jedné úlohy. Axi-set je koncipován tak, aby byl schopen pokrýt jak často vyžadované měření polohy středů rotačních os, tak měření vybraných geometrických úchylek pětiosých strojů. Výstupem z jednotlivých, výrobcem pečlivě předpřipravených zkoušek, jsou například úchylky uložení kolébky a otáčení stolu v jednotlivých souřadných rovinách, úchylky nastavení základních poloh kolébky (svislá, vodorovná), určení středů otáčení rotačních os a 
další. Výsledky testů jsou zaznamenávány do textového souboru uloženého na pevném disku řídicího systému stroje. Důležitým aspektem je existence přímé vazby na daný typ řídicího systému, kdy výsledky jsou rovněž tisknuty ve formě úpravy konkrétních strojních parametrů. Takto lze jednoduše provést efektivní servisní zásah na diagnostikovaném stroji. Veškeré služby spojené s měřením a seřízením stroje pomocí aparatury Axi-set poskytuje pro stroje Okuma firma Misan s.r.o. Nabízeny jsou jak pravidelné preventivní prohlídky, tak servisní zásahy vynucené například po kolizi stroje. Výhody tohoto způsobu měření si plně uvědomuje i výrobce strojů Okuma, který u nově dodávaných pětiosých center implementoval veškerá měřicí makra jako nedílnou součást vybavení řídicího systému stroje. Servisní technik tak pouze vyvolá příslušný program a po nastavení artefaktu a dotykové sondy spouští měření.
Výše popsané progresivní měřicí metody geometrické přesnosti pětiosých strojů představují moderní trend, který se bude v budoucnu dále rozvíjet, neboť představuje neocenitelného pomocníka při ustavování a seřizování číslicově řízených obráběcích strojů. Navíc oproti metodám tradičním poskytuje vyšší uživatelský komfort ve smyslu přenesení realizace vlastních měřicích cyklů do formy předpřipravených maker a automatického vyhodnocení číselných výsledků zkoušek. Dlužno ovšem podotknout, že nejistota měření a tedy správnost výsledků je zajištěna pouze za předpokladu předchozího správného ustavení vodorovnosti stroje a seřízení všech lineárních os stroje, včetně geometrických vazeb mezi nimi (zejména kolmostí). Ergo vracíme se zpět k panu Schlesingerovi a jím zavedeným metodám a tradičním měřidlům. Moderní servisní technik obráběcích strojů je tedy vybaven znalostmi a měřicími aparaturami, jak veskrze tradičními, tak vysoce sofistikovanými, neboť jedině takto dokáže efektivně instalovat a seřizovat víceosé stroje.
Ing. Ondřej Svoboda, Ph.D.