Seizmicky vyvážený obráběcí stroj H 80
Konvenční technická a koncepční
řešení stavby obráběcích strojů dosahují
v současnosti svých fyzikálních limitů.
Tlak uživatelů obráběcích strojů na zvyšování
jejich parametrů a dosažitelných
výsledků na obrobku neustále roste. Další
zvyšování dynamiky obráběcích strojů
je v budoucnosti možné pouze při zásadní
koncepční změně stavby a řízení stroje
při současném uplatnění nejnovějších
technologií a materiálů.
Jednou z perspektivních možností
koncepčně nového řešení vysoce dynamických
pohybových os je tzv. plovoucí
princip. V období let 2004 až 2006
společnost TAJMAC-ZPS ve spolupráci
s ČVUT v Praze, VCSVTT, řešila
výzkumný a vývojový projekt 1H-PK/60
v rámci dotačního programu POKROK,
zaměřeného na ověření funkčnosti a přínosu
plovoucího principu pro zlepšení
dynamických vlastností středně velkého
horizontálního obráběcího centra H 50
s hmotností obrobku do 800 kg. Závěrečné
oponentní řízení MPO konstatovalo
dosažení velmi dobrých výsledků řešení
s hodnocením „V - vynikající výsledky“
a doporučilo pokračovat ve výzkumu
a vývoji uplatnění plovoucího principu
ve stavbě velkých strojů s vysokou dynamikou.
Na tuto výzvu oponentní komise a také
na vlastní zájem firmy TAJMAC-ZPS
pokračovat ve výzkumu a ověřování
nových koncepcí stavby a řízení a rozšíření
řady obráběcích strojů reagoval projekt
seizmicky vyváženého obráběcího
stroje. Projekt byl schválen MPO k realizaci
se státní podporou pod označením
„FI-IM5/081 Seizmicky vyvážený obráběcí
stroj“ v roce 2008 a bude ukončen
v roce 2010. Cílem je rozšířit plovoucí
princip z pouze jedné pohybové osy, jak
je tomu na experimentálním prototypu
stroje H 50 FLOAT, na dvě pohybové
osy a přiblížit se tak koncepčnímu řešení
seizmicky vyváženého obráběcího stroje.
Navrhované koncepční řešení předpokládá
zdvojení pohonu v příčné pohybové
ose X. Toto zdvojení označujeme
v dalším jako tzv. řešení „DoubleDrive“
nebo také „DD“. Zdvojení pohonu přináší
významný efekt vysokého poměru
zástavbové šířky stroje k dosažitelnému
příčnému zdvihu v ose X. Přínosy plovoucího
principu jsou výrazné především
pokud je užit u pohybových os s velkou
hmotností a obdobně přínos redukce
příčného rozměru zdvojeného pohonu je
významnější u os s větším zdvihem.
Plánovaný projekt předpokládá realizaci
konceptu seizmicky vyváženého
obráběcího stroje na frézovacím centru
větší velikosti 80 (paleta 800 mm)
s hmotností obrobku do 2500 kg, kde by
se měly přínosy konceptu projevit velmi
výrazným způsobem. Dynamické a geometrické
vlastnosti stroje budou dále
zdokonaleny uplatněním topologické
optimalizace nosných dílců, pokročilým
způsobem řízení, aktivním tlumením vibrací
a pokročilými kompenzacemi teplotních
deformací rámu stroje. Výsledkem
bude prototyp obráběcího centra se zcela
novou koncepcí stavby a řízení stroje
umožňujícího dosažení výrazně lepších
dynamických výsledků dráhového řízení
než tradiční konvenční řešení.
Z veřejně dostupných pramenů není
známo, že by obdobné řešení bylo ve světě
představeno a potenciál novosti řešení
je tedy velmi významný. Pro průkaznost
a možnost relevantního vyhodnocení
přínosů a vlastností tohoto prototypu frézovacího
centra s uplatněním konceptu
seizmicky vyváženého stroje (prototyp
H80DD) bude vyvinut a vyroben také
jeden prototyp frézovacího centra konvenční
koncepce shodných parametrů
- prototyp H 80 STANDARD.
Základní významné znaky
prototypu H 80 DD
1. Užití koncepce DoubleDrive umožní
vytvoření stroje velikosti H 80 (X =
1400 mm, Y = 1050 mm) na půdorysu
stroje velikosti H 50 (2400 x 4500 mm),
nebot’ je využito efektu relativní změny
polohy obrobku vůči vřetenu v příčné ose
X, kde konají inverzní pohyb dva pohony
(X1 a X2 - stůl i stojan, každý by měl poloviční
zdvih a poloviční rychlosti). Tím se
dosáhne významného zmenšení půdorysu
stroje a klesne buzení stroje posuvovými
silami osy X.
2. Užití metody aktivního tlumení
vibrací na ose X1 (stojan s vřeteníkem)
- významné zlepšení dynamiky osy X.
3. Konstrukce stojanové a vřeteníkové
skupiny plně topologicky a materiálově
optimalizované - nižší hmotnost a vyšší
první vlastní frekvence ve směru osy X
o 20-35 %.
4. Aplikace pohonu s průvlakovým
motorem (elektromaticí) na ose Z s cílem
dosažení maximálních dynamických
vlastností pohonu.
5. Výzkum a experimenty v oblasti
pokročilých metod kompenzací teplotních
deformací na bázi využití inverzní
teplotní funkce.
6. Výzkum, optimalizace a technické
řešení nekonvenčního řízení stroje
kombinujícího plovoucí princip v ose
Z a zdvojený pohon v ose X včetně řešení
problému zcela nestandardního zpracování
signálů polohy.
Konstrukce stroje H 80 DD
H 80 DD je obráběcí centrum pro
obrobky do 2500 kg. Stroj má 3 lineární
osy s pohony kuličkovými šrouby a jednu
rotační osu – stůl s prstencovým motorem.
Plovoucí princip je aplikován na ose
Z. Pro dosažení vyšší tuhosti je v této ose
použito pohonu se dvěma kuličkovými
šrouby a s gantry regulací (oba pohony
jsou řízeny samostatně). V příčné ose X
je zdvojený pohon X1 a X2.
Základem konstrukce stroje je robustní
litinové lože se zalitými pískovými
jádry v celém objemu základny. Na loži
jsou umístěny čtyři rovnoběžné kolejnice
valivého vedení, které vedou přes celou
délku lože. Dále jsou zde integrovány dva
šnekové dopravníky pro vynášení třísek
z pracovního prostoru.
Po vedeních umístěných na loži se vůči
sobě pohybují „plovoucí lože“ se stojanem
a „plovoucí lože“ s otočným stolem.
Plovoucí lože je součást, která plní funkci
křížových saní, po nichž se pohybuje
v ose X 1 - stojan a v ose X 2 - otočný
stůl. Obě lože jsou s ohledem na dosažení
maximální tuhosti a minimální hmotnosti
konstruovány jako bohatě žebrované
ocelové svařence. Lože jsou spojeny
kuličkovými šrouby pohonu osy Z.
Obě plovoucí platformy jsou vybaveny
nejen dostatečným počtem valivých hnízd,
ale též tzv. clamping hnízdy. Jedná se
o speciální svěrné vozíky, s jejichž pomocí
lze vybranou plovoucí část hydraulicky
zafixovat ke kolejnicím valivého vedení
a simulovat tak chování osy v klasickém
uspořádání. Tato možnost umožňuje získat
představu o tom, jakého přínosu se získalo
aplikací plovoucího principu. Použití
svěrných hnízd umožňuje též polohování
s nezafixovanou soustavou vůči rámu. To
může být žádoucí např. při výměně palet
či nástrojů při požadavku bezobslužného
plně automatizovaného provozu.
Konstrukce stroje
H 80 STANDARD
Základem stroje H 80 STANDARD
v klasickém uspořádání je robustní litinová
základna ve tvaru písmene T. V příčné
ose X se pohybuje stojan, uvnitř kterého
se pohybuje v ose Y skupina vřeteníku
s vřetenovou jednotkou. V podélné ose
se posouvá otočný stůl – osa B - s paletou
o rozměrech 800 x 1000 mm.
Stroj je vybaven automatickým výměníkem
palet se dvěma paletami a zásobníkem
nástrojů s automatickou výměnou.
Zásobník má v základním uspořádání
76 nástrojů, na přání může být osazen
96 nástroji, popřípadě velkokapacitním
zásobníkem s 244 místy. Všechny zásobníky
umožňují používat různé typy upínacích
držáků.
K dispozici je několik vřetenových
jednotek s řemenovým převodem a planetovou
převodovkou – s vysokým
krouticím momentem až 1000 Nm
nebo řada elektrovřeten pro vysoké otáčky
– až 18 000 ot/min.
Spolupráce společnosti
TAJMAC - ZP S a výzkumného
centra VC SVTT
Vývoj nového stroje H 80 STANDARD,
a především stroje H 80 DD,
probíhá v těsné spolupráci Výzkumného
centra pro strojírenskou výrobní techniku
a technologii (VCSVTT) při fakultě strojní
ČVUT a výrobce obou strojů společností
TAJMAC-ZPS. VCSVTT je spoluřešitelem
MPO projektu „Seizmicky
vyvážený obráběcí stroj“ a hlavní myšlenka
konceptu seizmicky vyvážených
strojů pochází od Ing. Jaromíra Zeleného,
CSc., pracovníka VCSVTT.
Při vývoji odlitku vřeteníku a svařence
stojanu byla užita velmi moderní a perspektivní
metoda topologické optimalizace
umožňující hledat optimální tvar
dílců a jejich žebrování.
Návrh a následná optimalizace pohonů
pohybových os byla na obou strojích
provedena s využitím pokročilých komplexních
modelů pohybových os, spadajících
do oblasti virtuálních prototypů.
Konstrukčně a výpočtově byly zpracovány
ze strany VCSVTT - skupiny hlavního
základového lože, plovoucích loží,
pohonu os X1 a X2, pohon v ose s elektromaticí,
svařence stojanu, návrh aktivního
tlumení v ose X, a dalších souvisejících
dílců. VCSVTT bude hrát významnou
roli ve fázi realizace prototypu
H 80 DD v oblasti ladění pohonů, měření
charakteristik stroje a implementace
metody pokročilé teplotní kompenzace.
Tento projekt je řešen za finančního
přispění Ministerstva průmyslu
a obchodu ČR.
Pavel Šoustek, vedoucí projektu,
TAJ MAC -ZPS, a.s.
J. Smolík, vedoucí odd.
vývoje VCSVTT, ČVUT