Proces přípravy a realizace obrábění zahrnuje kroky tvorby CAD modelu obrobku, jeho interpretaci CAM systémem do NC dat, interpolaci CNC řídicím systémem stroje a konečně odbavení řízením pohonů s interakcí s mechanickou stavbou stroje a řezným procesem. Jakýkoliv vzájemný nesoulad těchto prvků, projevující se například v nedostatečné optimalizaci jejich návrhu, nastavení či funkce, má negativní dopad na efektivnost nasazení stroje. Všechny proto musí být vhodným způsobem vzájemně propojeny a sladěny tak, aby bylo možné dosáhnout žádoucího výsledku obráběcího procesu, představovaného optimálním kompromisem mezi přesností a kvalitou povrchu obrobku, časem potřebným na jeho výrobu a náklady, které vlastní obráběcí proces vyžaduje. Obr. 1: Posloupnost vazeb ovlivňujících přesnost dráhového řízení Vzhledem k vysoké ceně moderních strojů je logické, že existuje vysoký tlak na maximalizaci efektivity jejich nasazení a na vyhledávání metod, které je mohou zajistit. Efektivnost možného nasazení stroje rozhoduje o konkurenceschopnosti jeho výrobce i uživatele.Závažnost této problematiky stoupá s velikostí stroje a cenou obrobku, jeho velikostí a složitostí obráběné plochy. Snaha o řešení metodou pokus – omyl je zdlouhavá, drahá a nevede k žádoucímu výsledku; ani spoléhání se na dosavadní zkušenosti nezaručí úspěch. Ten je podmíněn komplexním přístupem, představujícím vyhodnocení a zohlednění celého řetězce prvků, které se na obráběcím procesu podílejí (obr. 1). Náklady na hodinu provozu moderního a velkého obráběcího stroje se pohybují v řádech tisíců korun a potenciál možných úspor se může pohybovat i v desítkách procent. Vyplatí se proto využívat komplexní simulace stroje a jeho jednotlivých komponent již ve fázi návrhu nového – například při volbě konstrukčního řešení a dimenzování pohonů. Při přípravě výroby náročného dílce mohou propojené simulace variant nastavení parametrů dráhového řízení přinést výrazné úspory času obráběcího procesu. VIRTUÁLNÍ MODELOVÁNÍ STROJŮ Pokročilé simulace obráběcího procesu a propojené modely rámu stroje, pohonů a vřetena pro konkrétní stroje s cílem zvýšit jejich užitnou hodnotu a efektivnost obráběcích operací na nich prováděných, stojí v centru pozornosti prací ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT) již několik let. Při těchto pracích se s výhodou využívají pokročilé matematické metody, které pracovníci Centra ovládají a bez jejichž znalostí je řešení pokročilých simulací nemyslitelné. Verifikace simulací a propojených modelů již hotového stroje, prováděné pro zjištění míry spolehlivosti užívaných postupů, prokázaly dostatečný soulad s naměřenými hodnotami. VIRTUÁLNÍ MODEL STROJE, PROPOJENÉ MODELY VŘETEN, POHONU A RÁMU Pro stanovení základních statických a dynamických vlastností stroje se vytváří model MKP nosné struktury stroje, který však neposkytuje dostatečně komplexní pohled na jeho chování, protože nezobrazuje dostatečně celkové dynamické chování (vlivy zrychlení pohybujících se hmot a vnějšího silového buzení, pasivní odpory apod.). Proto je zapotřebí vytvářet takové virtuální modely, které propojují mechanickou stavbu rámu stroje a stavbu pohonů s jejich řízením (obr. 2) Obr. 2: Virtuální model stroje a mohou zohledňovat i pasivní odpory, tepelné deformace a vlivy řezného procesu na reálnou polohu koncového bodu nástroje. Jejich pomocí lze simulovat dynamické vlastnosti řízení pohonů, nastavovat parametry jejich regulace i pro více řízených os na jednom stroji, predikovat kmitání koncového bodu nástroje a eliminovat event. chyby dráhového řízení s ohledem na použitý řídicí systém. Dovolují takové predikce kvality a přesnosti, které jsou velmi blízké realitě. Shoda simulovaných časů obrábění se skutečností se díky využití skutečných CNC řídicích systémů blíží 100 procentům. Na základě takovýchto propojených modelů lze hledat slabé články řetězce pohonu a rámu stroje, provádět pokročilé analýzy dynamických vlastností řízení pohonů a jejich optimalizaci s ohledem na rám stroje a mechanickou stavbu pohonů. Pomocí propojených modelů vřeten a nosných soustav obráběcích strojů lze hledat kritické části systému rám stroje-vřeteno-nástroj, a zvyšovat tak jeho výkonnost, jinak omezenou vznikem samobuzeného kmitání. VYUŽITÍ REÁLNÝCH ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ Data dráhového řízení, vytvořená CAM systémem na základě CAD modelu, jsou dále zpracována do podoby NC dat a interpolátorem CNC řídicího systému stroje převáděna do časově interpolovaných dat. Velké množství NC dat, vznikajících lineárním proložením křivky dráhy požadované CAD modelem, by však bez odpovídajících opatření řídicího systému znamenalo neúměrné prodloužení času a zhoršení kvality obrobeného povrchu. Proto pro vyhlazení drah, generovaných CAM systémem, využívají konkrétní řídicí systémy pokročilé funkce, které pracují se zadanou šířkou tolerančního pole, v němž lze dráhu projet nenulovou rychlostí (čím širší toleranční pásmo, tím je daná kontura realizována rychleji, ale s menší přesností). Pro účely simulace lze využít vlastností skutečného interpolátoru příslušného CNC systému (např. Siemens nebo Heidenhain) a následně velmi efektivně volit nejvhodnější strategii obrábění. VIRTUÁLNÍ SIMULACE OBRÁBĚNÍ Simulace obráběcího procesu nemusí znamenat jenom již všeobecně známou antikolizní kontrolu. Pomocí virtuální simulace obrábění, jejímž základem je propojený model pohonů a nosné struktury stroje, spolupracující s modelem řízení pohonů a virtuálním jádrem CNC systému lze analyzovat například vliv nastavení parametrů CNC řízení, řízení pohonů nebo kvality NC dat dráhového řízení. S využitím simulace dynamického chování stavby stroje lze simulovat např. kmitání jako odezvu na buzení pohonů nebo buzení vnějšími vlivy anebo změnu chování stroje vlivem změněné kinematické konfigurace či úpravou některé z komponent stroje. Obr. 3: Vizualizace odchylek obrobeného povrchuObr. 4: Vizualizace skutečného a simulovaného povrchu Součástí systému simulace je i původní softwarový nástroj, vyvinutý v RCMT pro vizualizaci kvality obrobeného povrchu se zobrazením stop po nástroji a geometrických odchylek povrchu, způsobených dynamickými vlivy (obr. 3, 4). Pomocí této simulace potom lze rychle analyzovat očekávané výsledky obrábění a nastavovat vhodné interpolační a regulační parametry dráhového řízení, což přispívá mimo jiné i k omezení vibrací pohybových os, a tím i ke zvýšení přesnosti obráběcího procesu. S cílem optimalizovat proces lze provádět eventuální nutné úpravy technologických parametrů, zadávaných pro dráhové řízení dosud pouze na základě zkušenosti technologa. UPLATNĚNÍ Obr. 5: Příklad komplikovaného dílceVyužití uvedených způsobů simulace přináší výrobci stroje znalosti, které by jinak mohl získat a uplatnit jen díky vyrobenému prototypu a jeho zkouškám a vynaložení nemalých nákladů. Uživateli pak nabízí způsob, jak plně využít potenciál drahého obráběcího stroje při výrobě komplikovaného dílce (obr. 5). Pokročilé simulační postupy již byly uplatněny u řady výrobců strojů – namátkou lze jmenovat TAJMAC-ZPS, TOS Varnsdorf, Kovosvit MAS, TOS Kuřim, Erwin Junker či STROJÍRNU TYC. Dalším zájemcům jsou dveře ve Výzkumném centru pro strojírenskou techniku a technologii otevřeny. Ing. Petr Borovan
