O vlivu vibrací na průběh a výsledky obráběcího procesu již bylo napsáno dost a jejich nežádoucí dopady na výsledky procesu jsou výrobcům i uživatelům obráběcích strojů dobře známy. Snaha zvyšovat produktivitu vyšší dynamikou stroje komplikuje dosažení požadované vysoké přesnosti dílce a kvality opracovaného povrchu. Dostatečnými důvody, proč se problematikou vzniku vibrací i jejich účinným potlačováním zabývat, jsou vibracemi podmíněná omezení parametrů řezného procesu, negativní vliv vibrací na obráběcí stroj a jeho spolehlivost, snížená životnost nasazených řezných nástrojů, zhoršení kvality opracovaného povrchu i rozměrové a geometrické přesnosti zhotovovaného dílce. Proto především u moderních, vysoce dynamických strojů, od nichž se očekává neomezené využití jejich potenciálu i možností, nabízených současnými řeznými nástroji, je nezbytné zabraňovat vibracím, vznikajícím v důsledku změny rychlosti pohybu v jednotlivých osách nebo řezným procesem samotným a v případech, kdy jejich vybuzení nelze zabránit, je nutné vzniklé vibrace účinně tlumit.
AKTUÁLNÍ STAV
Problematika stability obráběcího procesu a tlumení je dosud popisována na úrovni základního výzkumu,
k dispozici jsou jen omezené informace o aplikacích a systémy natolik vyzrálé, že by mohly být komerčně nabízeny, tím spíše na trhu nejsou. Snaha přispět k zaplnění této mezery se proto logicky promítla i do úkolů dlouhodobě řešených ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii při ČVUT.
V rámci projektu TE 01020075 Centrum kompetence – Strojírenská výrobní technika je řešena problematika přirozeného tlumení ve strukturách obráběcích strojů a vývoj modelů pro cílené využití informací o tlumení během návrhu strojů. Nedílnou součástí výzkumu možností, jak zlepšit stabilitu obrábění, je výzkum a vývoj řízených prostředků pro potlačování vlivu vibrací. Spoluřešiteli jsou Tajmac ZPS, TOS Hulín, TOS Varnsdorf
a Škoda Machine Tool, členové konsorcia řešitelských firem projektu.
Hledání možností ke zlepšení stability obrábění na hotovém stroji musí vycházet z analýzy charakteru budicích sil. |
MOŽNOSTI ZLEPŠENÉ STABILITY OBRÁBĚNÍ
Hledání možností ke zlepšení stability obrábění na hotovém stroji musí vycházet z analýzy charakteru budicích sil. Prvou výraznou skupinu představují vibrace, vybuzené vlastním pohonem osy, jmenovitě akcelerační a decelerační stavy nebo konstrukcí či výrobou stroje způsobená nerovnoměrná rychlost pohybu při konstantní zadané rychlosti. Jejich charakteristickým rysem je opakovatelnost a předvídatelnost. Druhou jsou vibrace vybuzené vnějšími silami, především náhodně se měnícím zatížením od řezného procesu (technologie obrábění, přerušovaný řez apod.).
Mechatronický přístup ke zlepšení dynamického chování obráběcích strojů zahrnuje metody zabraňující vybuzení vibrací a metody potlačení vibrací již vybuzených. Pro zabránění vybuzení vibrací se užívají především metody, které lze implementovat do řídicího systému stroje a které ovlivňují chod pohybových os (obr. 1). Jedná se například o metody řízení rozběhu posuvové osy takovým způsobem, aby nebyla do systému vkládána nadbytečná energie, která by mohla být využita pro vybuzení nežádoucích kmitů pohonu,
o metody kompenzace dynamického chování, využití přídavných signálů pro zpětnou vazbu, způsoby kompenzace nerovnoměrnosti chodu pohonů a pasivních odporů a další.
Mechatronické přístupy potlačující vibrace již vybuzené představují především přídavná zařízení, obsahující pasivní, poloaktivní či aktivní tlumicí prvky, mnohdy disponující vlastním řízením. Kombinací těchto přístupů lze dosáhnout dramatického zlepšení dynamických vlastností obráběcího stroje a pro optimální návrh a nasazení hardwarových i softwarových prvků byly ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii vypracovány a odzkoušeny příslušné nástroje a postupy.
Pasivní prvky se vyznačují neexistencí zpětnovazebního řízení. Příkladem je pasivní (laděný) dynamický hltič. Při správné volbě mechanických parametrů je schopen na sebe převzít kmitání mechanické soustavy a potlačit tak nežádoucí vibrace. Základem pro návrh parametrů hltiče je verifikovaný matematický model mechanické struktury stroje, kde probíhá ladění, volba parametrů dynamického hltiče (hmotnost, tuhost pružného prvku, tlumení) a určení frekvenčního pásma, kde je hltič schopen účinně pracovat (obr. 2). Výhodou pasivního hltiče je jeho relativní jednoduchost, nevýhodou schopnost práce jen ve velice úzkém frekvenčním pásmu a tudíž i citlivost na správné naladění parametrů.
Poloaktivní prvky jsou takové, které disponují zpětnovazebně řízeným zdrojem tlumicí síly (viskózní kapalinové tlumiče s plynule škrtitelným ventilem, tlumiče obsahující tekutinu s mikročásticemi, reagujícími na magnetické či elektrické pole tak, že výrazně mění svoji viskozitu).
Aktivní prvky fungují jako zpětnovazebně řízený zdroj tlumicí síly. Aktivní dynamický tlumič je mechatronické zařízení, které vykonává silovou reakci vůči kmitání dílce, na němž je umístěn. K řízení aktivního dynamického tlumiče se využívá akcelerometr nebo jiný vhodný snímač, integrační nebo jiná vhodná zpětná vazba a potřebné další softwarové funkce. Řiditelný akční člen, který převádí informace o charakteru vyskytujících se vibrací na příkazy, ovládající parametry hltiče, je ovládán v uzavřené regulační smyčce. Jeho silová akce se přizpůsobuje charakteru vyskytujících se vibrací.
Elektromagneticky nebo piezoelektricky vyvolává urychlující sílu na hmotu tlumiče, která tlumí kmitání dílce. Tím dochází k rozptylu energie kmitání a k výraznému poklesu mohutnosti kmitů. Výhodou aktivních dynamických tlumičů je jejich schopnost pracovat v širokém frekvenčním pásmu, resp. možnost přizpůsobení jejich funkce měnícímu se charakteru vibrací, danému např. řezným procesem.
PRAKTICKÉ APLIKACE
Výzkum zařízení, tlumících vibrace, probíhal na multifunkčních obráběcích centrech TurnMill, vyráběných společností Tajmac ZPS. Pro bočnice i pro smykadlo stroje TM 2000 je navrženo několik typů pasivních dynamických tlumičů a po jejich správném naladění se dynamická tuhost na konci smykadla zvýšila o 30
až 50 % a limitní velikost třísky vzrostla o 15 až 20 %; praktické zkoušky potvrdily teoretické předpoklady.
Pro stroj TM 1250 (obr. 3) byl navržen aktivní víceosý dynamický tlumič pro smykadlo a otestováno jeho optimální umístění na smykadle. Pomocí navrženého aktivního dynamického tlumiče bylo v ose X při dané poloze osy Z (250 mm) dosaženo potlačení rezonanční špičky o 7 dB. Smykadlo obráběcího stroje představuje štíhlý dílec (obr. 4), obzvláště citlivý na nežádoucí vibrace; proto výsledky získané na multifunkčních obráběcích centrech se svislým smykadlem lze použít, resp. extrapolovat pro jiné obráběcí stroje s obdobnou mechanickou strukturou – např. pro soustružnické karusely nebo vodorovné vyvrtávačky.
Jiným příkladem úspěšné aplikace je optimalizace polohování manipulátoru brusky, zhotovující malé součásti s krátkým kusovým časem. Základním problémem bylo neúnosné kmitání koncového bodu manipulátoru pro výměnu obrobků. Podkladem pro optimalizaci je analýza průběhu polohy a rychlosti, analýza nastavení parametrů pohybové osy a frekvenční analýza kmitání ramena s obrobkem.
Při řešení byla použita metoda tvarování vstupního signálu pohonu osy (Input Shaping). Zadání požadovalo vysokou dynamiku pojezdu manipulátoru při zachování vysoké přesnosti polohování koncového členu. Nerespektování prvého požadavku by snižovalo produktivitu stroje a v druhém případě by mělo za následek nespolehlivé upnutí dílce. Výsledek představuje snížení kritické výchylky na jedné ose na 40 % a na druhé ose na cca 50 % původní hodnoty, aniž by se snížila produktivita stroje.
Ing. Petr Borovan