Správným uložením přesného obráběcího stroje se rozumí jeho připojení k vhodnému základu pomocí vhodného počtu optimálně rozmístěných upínacích prvků. Základ samotný musí být schopen bez deformace snášet zatížení statickými i dynamickými silami, musí zabránit změnám polohy upínacích prvků (patek), které způsobují chyby polohování (obr. 1). Musí také absorbovat dynamické účinky vznikající při provozu stroje, zamezit přenosu chvění a vibrací na okolní stroje a současně bránit přenosu chvění i vibrací z okolí. Obr. 1: Chyba polohování v důsledku deformace základuNevhodné uložení stroje má negativní dopad na jeho statickou a dynamickou tuhost, a tím i na možnost dosažení takových výsledků obrábění, které výrobce stroje i jeho uživatel předpokládají. Vlivem nevhodného uložení dochází k nežádoucím deformacím od pohyblivých hmot, snižuje se přesnost polohování a kvalita obrobeného povrchu a možnost nasazení špičkových řezných parametrů se stává problematickou. Zejména při obrábění větších rotujících nevyvážených dílců je odpovídající uložení stroje naprosto nezbytné. Přenos vibrací a chvění na okolní stroje ovlivňuje i jejich přesnost a produktivitu; přenos vibrací a chvění na nevhodně uložený stroj z okolí násobí negativní účinky vibrací, generovaných strojem samotným. Lože běžných a zejména menších obráběcích strojů mají dostatečnou tuhost k zachycení provozního zatížení i běžných vibrací. U přesných strojů, strojů velkých a zejména strojů s dlouhým ložem je nezbytné provést uložení na takový základ, který zvýší jejich tuhost, a v tomto případě je nevyhnutelná kvalifikovaná spolupráce výrobce stroje a jeho uživatele. PRÁCE PROBÍHAJÍCÍ V RCMT V letech 2012 až 2014 se ve spolupráci se společností TAJMAC-ZPS a s finanční podporou Technologické agentury ČR v rámci programu ALFA řešil úkol Kompenzace dynamických účinků obráběcích strojů, jehož cílem bylo vypracovat návrh technologie ukládání obráběcích strojů, návrh autonomních zařízení a metod, sloužících pro tlumení vibrací. Při řešení úkolu se pro modelování uložení strojů využily pokročilé matematické metody; řešení zahrnovalo vliv patek stroje včetně optimalizace jejich počtu a rozmístění, modelování podloží stroje, modelování základu a propojení základu i podloží s virtuálním modelem stroje. Mechatronický model stroje byl upraven pro budoucí implementaci zařízení, pohlcujících vibrace, a je vybaven exportem sil do patek stroje pro jeho propojení se stavovým popisem základu. Podmínkou bylo, že návrh základů stroje musí zajistit, aby poddajnost základů nezvýšila jeho celkovou poddajnost. O VLIVU PATEK STROJE Patky tvoří propojení mezi vlastním strojem a základem; jejich počet a rozmístění ovlivňují chování stroje. Cílem optimalizace jejich návrhu bylo maximální možné zvýšení vybraných vlastních frekvencí stroje, při čemž omezení představoval počet a přístupnost patek. Pro vlastní optimalizaci byla zvolena metoda topologické optimalizace, zohledňující tok síly v mechanické struktuře. MODELOVÁNÍ PODLOŽÍ Pro optimální návrh uložení stroje je nutno vycházet i z rozboru vlastností podloží. Při zkoumání vlastností jednotlivých vrstev podložní zeminy se vycházelo z její vlastní tíhy a s využitím dostupných informací, získaných např. z geofondu nebo ze zkušebního vrtu, lze pro jednotlivé vrstvy získat křivku charakterizující vztah napětí a deformace a simulovat její sesednutí. Pro účely simulace byla sestava vrstev posuzována jako série pružin; po následném zohlednění tíhy betonového základu a stroje byl získán pracovní bod na konečné křivce vztahu napětí a deformace. Po linearizaci křivky v tomto bodě bylo možné využívat zjištěnou konstantní tuhost jako náhradu zeminy při simulaci dynamiky stroje. Vzhledem k charakteru tlumení v zemině neměla setrvačnost vrstev zeminy vliv na dynamiku stroje. Pokud je převažující dynamické zatížení charakterizováno malými amplitudami a vysokými frekvencemi, postačí většinou utužit zeminu pod základem pro zvýšení jejího součinitele stlačitelnosti; pokud jsou však frekvence nižší než 20 Hz a vyskytují se vysoké amplitudy nebo silné otřesy, je nutno vytvořit i armovanou základovou vanu, kde horizontální pruty zachycují ohybová namáhání a vertikální pruty smyková napětí. V extrémním případě velmi málo únosných zemin je nutno uložit základový blok na piloty. Někdy může být účelné použít hltič rázů a nízkofrekvenčních vibrací. MODELOVÁNÍ ZÁKLADU STROJE Cílem bylo navrhnout základ, aby se zachovaly takové dynamické vlastnosti stroje jako při jeho uložení na dokonale tuhém povrchu; nepovšimnuty nemohly zůstat ani náklady na zhotovení, které lze vyjádřit jeho mezní vahou. Návrh betonového základu lze provádět na základě zkušeností a formou citlivostní analýzy sledovat vliv jednotlivých variant na chování stroje. Pro tuto cestu byl v rámci řešení úkolu vyhotoven model základu včetně všech připojovacích bodů pomocí metody konečných prvků a vypracován model jeho propojení s MKP modelem stroje. Druhou možností je využití nástrojů parametrické optimalizace, která do návrhu zavádí zvolené cílové funkce. Optimalizace základu probíhá pro několik vybraných vlastních frekvencí stroje a výsledek optimalizace v posuzovaném případě prokázal nutnost rozšiřování podstavy základu pro zvětšení stability stroje a zvýšení jeho hloubky pro dosažení žádoucího zvýšení vlastní frekvence sestavy stroje a základů. Obr. 2: Obráběcí centrum TAJMAC TM2000Obr. 3: Mechatronický model stroje PROPOJENÍ ZÁKLADU A PODLOŽÍ S VIRTUÁLNÍM MODELEM STROJE Komplexní model stroje včetně pohonů a základů vznikl řetězením jednotlivých poddajných skupin na sebe a uzavíráním silových toků strukturou. Sériovým a sérioparalelním způsobem tak bylo možno vrstvit stavové popisy součástí a upravovat mezi nimi hodnoty tuhosti a tlumení. Logicky související komponenty byly sdružovány do subsystémů a obdobně byly sdružovány informace o silových účincích; výsledkem je zvýšená přehlednost. Z takto propojeného modelu stroje a základu lze například odečíst zatížení jednotlivých patek, identifikovat ty nadměrně zatížené a navrhnout opatření k rozložení síly od dynamiky stroje nebo posoudit vhodnost navržené třídy betonu pro zhotovení základů. PŘÍKLADY PRACÍ A DOSAŽENÉ VÝSLEDKY K hlavnímu výsledku prací patří návrh metodiky, shrnující poznatky z oblasti matematického modelování ověřených strojů a řada doporučení, týkajících se provedení základů či kotvicích prvků - vhodně navrženým základem stroje se tuhost nekotveného lože zvýší dvakrát a ukotvením na správný základ až čtyřikrát. Návrh metodiky byl odzkoušen na stroji TAJMAC-ZPS TM2000, což je portálové víceprofesní obráběcí centrum s průměrem upínací desky 2000 mm (obr. 2, 3). Vlastní metodika představuje standardní nástroj, využívaný ve vývoji nových strojů TAJMAC-ZPS. Obr. 4: Optimální rozmístění patek pro úlohu s 35 patkamiObr. 5: Optimalizovaný tvar základu stroje Pro jmenovaný stroj je výsledkem optimalizovaný počet patek a jejich rozmístění (obr. 4), v jehož důsledku se 5 vybraných vlastních frekvencí zvýšilo o 5 až 13 % v případě užití 35 patek. Proběhla parametrická optimalizace tvaru základu stroje (obr. 5) pro vybrané vlastní frekvence a docílen je žádoucí posun 1. vlastní frekvence sestavy stroj – základy ze 78 na 95 % vlastní frekvence samotného stroje při současné minimalizaci potřebného objemu základu. Byla provedena citlivostní analýza pro různé velikosti základů, pro různé materiálové vlastnosti základů a porovnány vlastnosti stroje se základy různých velikostí. Analyzovaly se rovněž metody pasivního potlačování vibrací a vypracoval se návrh prototypu aktivního a pasivního hltiče vibrací pro smykadlo stroje TM2000. Ing. Petr Borovan
