Zákazník od moderního obráběcího stroje vyžaduje, aby splňoval základní předpoklady pro dosažení vysoké produktivity – vysokou polohovací rychlost, vysoká zrychlení, dodržení úzkých tolerancí při simultánním obrábění ve více osách, a to i při měnícím se zatížení řeznými silami nebo při obrábění dílců s různými hmotnostmi, které mají za následek široké spektrum setrvačných sil. Přednosti přímých pohonů a stoupající znalosti problematiky jsou důvodem jejich nasazování v moderních obráběcích strojích. Plné využití jejich předností je však podmíněno optimálním vyladěním pohonového řetězce, respektive přizpůsobením jeho parametrů požadované úloze. STANDARDNÍ PŘÍSTUP K NAVRHOVÁNÍ POHONŮ Běžně užívaný přístup zvažuje pouze statické parametry, jako je životnost komponent pohonu, dimenzování odpovídající zatížení statickými silami, schopnost zajištění požadované rychlosti a zrychlení bez ohledu na tuhost souvisejících nepohyblivých komponent stroje a bez zohlednění charakteru kmitání daného tuhostí všech komponent a změnou budicích sil. Je zřejmé, že takto řešený pohonový řetězec nezaručí uspokojivé výsledky v přesnosti, a to negativně ovlivňuje i prodej stroje. Dosažení požadované přesnosti a kvality v úzkém pásmu povolené tolerance při velkých rychlostech posuvu, při požadovaném velkém zrychlení a měnících se hodnotách řezných sil a hmotnosti obrobku je komplexní a náročnou úlohou. Vyžaduje zohlednit dynamické vlivy a znalosti z oboru regulace. Je sice možné přiblížit se požadovanému optimu pomocí zhotovení řady variant a jejich následného vyhodnocení. Jedná se však o metodu značně drahou, časově náročnou a navíc, dovolující vyhodnotit jen malý počet variant, vyznačujících se nedostatečným počtem proměnných. Je proto nezbytné využívat různých metod simulace, které poskytnou výsledek rychleji a s menšími náklady. Zlepšením standardního přístupu je náhrada stroje idealizovaným tuhým modelem, který pracuje s vlivem měnící se setrvačnosti jednotlivých pohybujících se komponent; i v tomto případě stoupá složitost úlohy s počtem zvažovaných stupňů volnosti. Tento model lze vyhodnocovat buď pouze staticky – vyhodnocením tuhosti mezi nástrojem a obrobkem, anebo i dynamicky, s větší či menší přesností náhrady pružných členů systému pružinou. Cílem řešení je dosáhnout co nejvyšší první antirezonanční frekvence, která dovolí zvýšit parametry regulace pohonu. INTERAKCE POHONU S NOSNOU STRUKTUROU Bez zohlednění poddajnosti struktury stroje není možné řádně vyhodnotit dynamiku řízení pohonů. Výsledné chování stroje je určeno vzájemnou interakcí jeho nosné struktury, mechanické stavby pohonů, řízení pohonů, CNC řídicího systému, CAM modelu obráběného dílce a kvality NC kódu. Tato úloha je řešitelná pomocí sofistikovaných matematických metod, které dovolují popsat a vyhodnotit širokou škálu relevantních veličin a dospět k požadovanému výsledku jejich vzájemným přizpůsobením či eventuálními změnami. VÝVOJ A TVORBA PROPOJENÝCH MODELŮ POHONŮ Pomocí virtuálního modelu stroje, jemuž byl věnován minulý díl tohoto seriálu, lze řešit propojené modely pohonu a rámu stroje, modely soustav více poddajných těles, využití reálných řídicích systémů a simulaci poměrů při úběru materiálu (obr. 1). Smyslem prováděných prací je simulační přiblížení se reálnému chování stroje, tedy skutečnosti se blížící předpovědi dosažitelné přesnosti, kvality a času obrábění a potvrzení očekávaných vlastností nebo jejich požadovaného zlepšení pomocí účelného výběru, přizpůsobení a optimalizace jednotlivých vzájemně propojených prvků. Vývoj a tvorba propojených modelů pohonů spolu s jejich simulací tak dávají možnost již ve fázi návrhu obráběcího stroje efektivně navrhovat a účinně optimalizovat jeho komponenty (obr. 2). Obr. 1: Propojený model pohonů a nosné struktury strojeObr. 2: Propojený model mechaniky pohonu stroje Požadovaným výsledkem optimalizace dynamických vlastností pohybové osy stroje je strukturní optimalizace navazující části rámu stroje, hledání možného zvýšení její první vlastní frekvence, optimalizovaný návrh stavby pohonu a optimalizace jeho dynamických vlastností – zvýšení první antirezonanční frekvence a optimální nastavení parametrů řízení pohonu. Simulovat lze propojení mechanické stavby pohonu kuličkovým šroubem s nosnou strukturou stroje nebo přímý pohon, kde veškerá tuhost osy je soustředěna ve zpětnovazební regulaci a optimální seřízení osy se dosahuje vhodným seřízením proudové, rychlostní a polohové smyčky. Cílem je dosáhnout maximální možné zesílení zejména v rychlostní smyčce. Propojené modely pohonů tedy tvoří jeden z hlavních prvků virtuálního modelu stroje. APLIKACE PROPOJENÝCH MODELŮ Vyhodnocení propojených modelů dovoluje analýzu dynamických vlastností pohonů s připojenou strukturou stroje, zjednodušuje a urychluje vývoj strojů s vysokými požadavky na nastavení regulace pohonů a usnadňuje získání citlivostních analýz parametrů navrženého pohonu. Analýzou získané požadavky na regulaci poddajného systému (obr. 3) dovolují zohlednit hmotnost urychlovaných hmot, dynamické vlastnosti mechanické stavby stroje, pasivní odpory stroje (např. vliv krytování) a stanovit zesílení rychlostního regulátoru. Lze simulovat algoritmy řízení pro konkrétní řídicí systémy a optimalizovat nastavení řízení pohonu (obr. 4); je možné formulovat předpoklady ke spolehlivé predikci kmitání nástroje. Verifikace propojených modelů, provedená měřením charakteristik pohonů, prokázala výrazně lepší shodu predikce s naměřenou skutečností ve srovnání s idealizovaným tuhým modelem. Obr. 3: Regulace poddajného systémuObr. 4: Verifikace propojeného modelu pohonu SOFTWARE RCMT PRO AUTOMATIZOVANÝ NÁVRH MECHANICKÉ STAVBY POHONŮ Pro hledání optimálního návrhu a vyhodnocení možných variant byl ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii navržen software pro automatizovaný návrh mechanizované stavby pohonů. Lze jím během velmi krátké doby zpracovat a vyhodnotit takové množství variant, jejichž zpracování klasickou metodou by nebylo v reálném čase možné. Pro názornost lze uvést ukázku výpočtu osy Z malé frézky, se zdvihem 900 mm a vzdáleností mezi ložisky kuličkového šroubu 1200 mm. Zadání znělo na posouzení vlivu dvou velikostí vřeteníku, stanovení takové specifikace os, které by splňovalo požadavek životnosti 15 000 h, dosažení rychlosti zdvihu minimálně 45 m/min a zrychlení minimálně 5 m/s2 při minimální řezné síle 2500 N a následující provedení optimalizace s ohledem na cenu a maximální zrychlení. Celkem se posuzovalo 58 000 možných řešení, z nichž jako vhodných bylo stanoveno zhruba 100 paretooptimálních variant. Optimalizace proběhla na základě vyhodnocení 24 výsledných parametrů (moment setrvačnosti na šroub, maximální dovolená síla na šroubu vzhledem ke vzpěru, redukovaná hmotnost, frekvenční analýza, dosažitelné zrychlení aj.). Je zřejmé, že takovýto rozsah výpočetních operací se vymyká jakémukoliv „ručnímu“ zpracování. UŽIVATELSKÝ SOFTWARE PRO SIMULACE ŘÍZENÍ POHONŮ Obr. 5: Regulace konkrétního systému pohonu stroje s nosnou strukturou, reprezentovanou MKP modelemŘídicí systémy Siemens a Heidenhain patří k těm nejvíce používaným na CNC obráběcích strojích v České republice. Proto byl v RCMT navržen uživatelský software pro simulaci řízení pohonů strojů s více osami pomocí těchto systémů a pro potřebu jejich odladění pro konkrétní stroj a aplikaci přímo v uživatelské firmě. Lze posoudit vliv nastavení systému na kvalitu povrchu a export nastavení systému do parametrů stroje (obr. 5). UPLATNĚNÍ Využití možností uvedených způsobů simulace přináší výrobci stroje znalosti, které by jinak mohl získat a uplatnit jen díky vyrobenému prototypu a jeho zkouškám spolu s vynaložením nemalých nákladů. Propojené modely pohonů RCMT nacházejí v současnosti svoje uplatnění při vývoji strojů již standardně a pomáhají výrobcům strojů účinně navrhnout pohony pro řadu definovaných parametrů. Pouze s pomocí propojených modelů je možno odhalit, jaká je optimální volba komponent pohonu a jeho konstrukčního řešení. Lze tak výhodně předejít následným rozborům na již realizovaném prototypu a testování různých komponent. Výrobcům a uživatelům strojů tak dávají pokročilé modely, použité při vývoji, možnost plně využít potenciál drahého obráběcího stroje při výrobě komplikovaného dílce. Ing. Petr Borovan
