Vývoj nového stroje je komplexní úloha, při jejímž řešení se musí zohlednit řada protichůdných názorů
a požadavků. Známým paradoxem je, že rozhodnutí, učiněná v úvodních fázích vývoje, mají nejvyšší vliv na výsledek. Například odhad požadavků potenciálních zákazníků v době uvedení stroje na trh, volba jeho koncepce a jeho kinematické struktury, parametry vřeten a pohonů, hospodárnost řešení a akceptovatelné náklady, byť v okamžiku, kdy jsou zohledňovány, je k dispozici nejmenší množství relevantních informací. Cílem je navrhnout takový stroj, který optimálně vyhovuje požadavkům uživatele z hlediska spektra dílců,
které se na něm budou zhotovovat, produktivity jejich výroby, jejich sériovosti, rozměrů, požadované kvality
a dalších parametrů a jehož dodací termín, cena i provozní náklady dovolí uživateli výrobu těchto dílců za tržně akceptovatelné ceny.
Úspěšnost vývoje tedy ve značné míře ovlivňuje volba použitých metod a postupů. Dovolují optimální výběr mezi jednotlivými návrhy na základě volitelných kritérií a funkčnost vztahů mezi výrobcem a uživatelem stroje, které nabízejí navrhovat vzájemně přijatelné varianty řešení v průběhu jednotlivých kroků vývojového řetězce.
INTEGROVANÝ VÝVOJOVÝ ŘETĚZEC
Volba koncepce nového stroje a jednotlivé kroky, vedoucí k optimalizaci jeho nosné struktury, mají zásadní význam na dosažení rozhodujících kvalitativních, výkonových i nákladových parametrů stroje. Jakákoliv chyba v této fázi vývoje mívá obvykle významné dopady jak pro výrobce, tak pro uživatele. Rychlá a spolehlivá volba návrhové varianty nosné struktury stroje podle zvolených kritérií umožňuje dosáhnout optimální řešení, zabrání nežádoucím omylům či časovým skluzům a dovoluje vyhodnotit vliv každého z řady předem zvolených kritérií na vybrané řešení. Významným
způsobem zkracuje vývoj nového stroje. Integrovaný vývojový řetězec nosné struktury obráběcího stroje
(obr. 1) zahrnuje řadu navzájem navazujících kroků, počínaje formulací zadání přes topologickou optimalizaci, první konstrukční návrhy a jejich parametrickou optimalizaci až po závěrečnou kontrolu vybraného návrhu dle zvoleného kritéria. Jako konstrukční vstupy lze zahrnout definici zástavbového prostoru, zvolenou kinematiku stroje, zdvihy pohybových os, maximální rozměry a materiálové informace; jako výstupní funkční parametry potom statickou a dynamickou tuhost nosné struktury, modální vlastnosti nebo dynamické vlastnosti pohonů.
Zadání
Zadání vývoje obecně stanoví požadavek na velikost pracovního prostoru stroje, disponibilní konstrukční prostor, formuluje existující platná omezení, specifikuje možné varianty řešení a hodnotící kritéria ve formě kritických parametrů (požadovaná směrová tuhost, vlastní frekvence, teplotně mechanické chování, požadované snížení hmotnosti dílce, event. změna jeho charakteristických rozměrů a další). Tato kritéria je nezbytné stanovovat na základě znalosti vývoje požadavků trhu a ve spolupráci s potenciálním uživatelem stroje; míra jejich splnění vyjadřuje úspěšnost vývoje.
Konceptuální topologická optimalizace
Původní výpočetní metodika, vyvinutá v RCMT, umožňuje v úvodní fázi vývoje stroje velmi účinně a rychle posoudit řadu možných koncepcí uspořádání nosné struktury. Cílem je vybrat vhodné kinematické uspořádání s ohledem na požadované strukturální vlastnosti. V rámci disponibilního konstrukčního prostoru jsou pomocí této metody, která matematicky vychází z postupu topologické optimalizace a aplikace metody konečných prvků, zjištěny limity dosažitelné tuhosti, hmotnosti nebo vlastních frekvencí. Při aplikaci tohoto přístupu je tak možno hned na počátku vývoje stroje zvolit koncepci, která poskytne nejlepší možné vlastnosti nosné struktury v komplexu uvažovaných kritérií. Výrazně se tím zvyšuje účinnost navazujících kroků optimalizačního procesu.
Topologická optimalizace
Stanovuje optimální prostorové rozložení zvoleného konstrukčního materiálu v rámci definovaného konstrukčního prostoru pro zvolené okrajové zátěžné podmínky a cílová kritéria optimalizace – například návrh žebrování stojanu frézky nebo horizontální vyvrtávačky. Obvyklým kritériem topologické optimalizace je minimalizace hmotnosti nebo zlepšování strukturálních vlastností; je možno definovat i výrobně-technologická omezení, podle nichž je zachováván materiál ve vyhovujících směrech (obr. 2).
Výsledky topologické optimalizace jsou následně zahrnuty do návrhu předkonstrukčního provedení nosných dílců se zohledněním vyrobitelnosti pro zvolené konstrukční řešení (odlitek, svařenec). Tyto návrhy lze provést jako parametrické, například s parametry šířky základny stojanu ve směru osy X nebo Y nebo šířky příčníku apod. pro další zpřesnění návrhu. Výsledkem je nakonec množina řešení optimálních variant, z nichž se podle váhy jednotlivých kritérií – typicky hmotnost, tuhost, vlastní frekvence – vybírá výsledná návrhová varianta. Matematický model umožňuje průběžně se vracet k zadání a zkoumat dopady eventuálně nutných změn na očekávané cílové vlastnosti – jinak řečeno, relativně snadno a rychle lze vyhodnotit jednotlivé konstrukční varianty.
První konstrukční návrhy
V další fázi lze přikročit k prvním konstrukčním návrhům, které interpretují výsledky optimalizačních modelů do skutečné struktury. Součástí úvodních konstrukčních návrhů je i volba možných kombinací materiálového provedení a jejich porovnání, jako například posouzení ocelové konstrukce jednoplášťové nebo s dvojitými stěnami bez výplní nebo s výplní hliníkovou pěnou.
Parametrická optimalizace
Na počátku je parametrický model známé topologie včetně okrajových podmínek, zahrnujících např. zatížení
a typ uložení; výsledkem je doporučení pro volbu optimálních parametrů konstrukce a doporučení pro rozmístění materiálu v pracovním objemu; poté následuje vypracování předkonstrukčního návrhu (obr. 3). Nezanedbatelnou výhodou tohoto postupu je možnost zohlednit modulární koncepci stroje či řešení malého
a velkého stroje.
Kontrola konstrukčního řešení
Zahrnuje například zjištění frekvenčních charakteristik jednotlivých zvažovaných variant (stávající ocelová konstrukce stojanu, nová konstrukce na bázi ocelových prvků, varianta s hybridními bočními stěnami), porovnání hmotnosti a strukturálních vlastností jednotlivých variant a konečně porovnání nákladů na výrobu jednotlivých konstrukčních variant stojanu.
APLIKACE POSTUPŮ POKROČILÉ OPTIMALIZACE NÁVRHU NOSNÝCH STRUKTUR STROJŮ V RCMT
Metodika
Byla vypracována metodika, dovolující rychlou a spolehlivou volbu optimální varianty návrhu konstrukčního uzlu nosné struktury obráběcího stroje na základě vyhodnocení řady předem zvolených kriteriálních parametrů. Využívá pokročilé matematické metody, vyvinuté v RCMT, které nabízejí nesrovnatelně rychlejší a komplexnější optimalizace oproti běžným, komerčně dostupným postupům; dovoluje rychle zhodnotit vliv každého kritéria, resp. jeho změny na charakter vybrané varianty. Tato metodika je k dispozici i dalším zájemcům o efektivní způsoby navrhování celých struktur nebo jejich uzlů. Konkrétní návrhy řešení S využitím uvedených metod byla provedena např. optimalizace hmotnosti lože obráběcího centra s posuvným portálem typu FRFQ z produkce TOS Kuřim. Bylo dosaženo 27% úspory hmotnosti při současném zvýšení tuhosti o 15 %. Pomocí metod topologické a parametrické optimalizace byl optimalizován příčník portálové frézky
(obr. 4). Výsledkem těchto prací je minimalizace hmotnosti pro varianty se zvětšeným průchodem mezi stojany (z 5600 na 9100 mm), návrh potřebných strukturálních změn pro možnost modulární stavby příčníků jednotlivých velikostí a optimalizace tloušťky stěn pro snížení hmotnosti při zachované tuhosti.
Jiným příkladem úspěšné optimalizace je návrh stojanu horizontálního vyvrtávacího stroje. Díky možnosti účinně nasadit celý optimalizační řetězec byl vytvořen nový nekonvenční návrh, plně vyrobitelný, u nějž bylo dosaženo 40% snížení hmotnosti proti stávajícímu provedení při současném zachování statické tuhosti
a snížení dynamické poddajnosti o 35 %. Těchto výsledků se dosáhlo při současném pojezdu ve směru
osy Y o 500 mm.
Ing. Petr Borovan