Výsledky výzkumu obráběcích strojů a obrábění ve VCSVTT při FS ČVUT v Praze za rok 2009

Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii na fakultě strojní ČVUT v P raze v roce 2009 pokračovalo řešení projektu „Výzkum strojírenské výrobní techniky a technologie”- 1M0507, významně podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR. Výzkum, jak známo, zde probíhá ve třech tematických okruzích a v nich celkem v 15 tématech. V jednotlivých tématech projektu je potom celkem 25 dílčích projektů. Hlavním cílem projektu, jehož řešení je prodlouženo a nyní se plánuje až do konce roku 2011, je: 1. Provádět výzkum nových perspektivních principů strojů, uzlů a technologií pro strojírenskou výrobu, vytvářet nové původní poznatky, iniciovat inovace a tak zabezpečit profesionální podporu inovačních kroků pro české výrobce strojírenské výrobní techniky a tím i spolupráci s nimi. 2. Vychovávat nové odborníky s nejvyšší kvalifikací v doktorském studiu a předávat nejnovější odborné informace technickým pracovníkům podniků formou konferencí, seminářů, kurzů a přednášek a také publikacemi. K prodloužení projektu došlo v souvislosti s prodloužením celého programu „Výzkumná centra 1M“ po kladném vyřízení naší žádosti na MŠMT, jejíž součástí byl i navazující výzkumný program Centra na roky 2010 a 2011. Tento program je vytvořen jako pokračování současného programu s doplněním některých témat, která vyplynula ze strategie oboru do roku 2015. V oboru obráběcích strojů jde o položení většího důrazu na výzkum metod zvyšování užitných vlastností strojů (přesnosti, výkonnosti, spolehlivosti, hospodárnosti a ekologičnosti strojů), výzkum inteligentních systémů strojů, vývoj a aplikaci nových metod 5osého obrábění, obrábění těžko obrobitelných materiálů, zdokonalování řezných nástrojů a na výzkum zvyšování přesnosti a jakosti broušení. Od roku 2010 je ve výzkumném programu Centra prostor i pro výzkum tvářecích strojů, který bude provádět rozšířené pracoviště Centra na ZČU v Plzni. V obou částech výzkumného programu (pro obráběcí i tvářecí stroje) potom půjde zejména o výzkum energetické náročnosti strojů a jejich uzlů, o zdokonalení metod virtuálního prototypování strojů, o výzkum monitorování a diagnostiky strojů a o vývoj dokonalejších metod analýzy rizik strojů obráběcích i tvářecích. Dále se však budeme věnovat jen výsledkům práce Centra v roce 2009 a průběhu řešení projektu v tomto roce. Tematický okruh č.1 Výzkum vysoce výkonných, přesných, spolehlivých a ekologických strojů a jejich komponentů Zde probíhalo řešení témat: 1.1. Stroje nových koncepcí 1.2 Komponenty strojů (zejména nosných soustav) 1.3. Pohony a řídicí technika 1.4. Virtuální prototypování strojů a jejich uzlů i komponentů (matematické modelování) 1.5. Programování a příprava výroby pro CNC stroje. Téma 1.1. Stroje nových koncepcí Hlavní cíl: Zvýšení přesnosti a produktivity vysokorychlostních obráběcích strojů na bázi nových původních řešení a principů s ohledem na zachování kvalitního životního prostředí Jedná se zde o vyhledávací výzkum. V roce 2009 pokračoval výzkum ve třech dílčích projektech. V prvním s názvem Mechatronické metody zvyšování přesnosti obráběcích strojů byla provedena analýza možností mapování chyb pracovního prostoru stroje pomocí artefaktů různých typů a vypracovány koncepční návrhy tří variant aktivních artefaktů a jednoho hybridního. Artefakty jsou navrhovány tak, aby je bylo možno použít k měření na víceosých strojích. Pro konstrukční zpracování byla vybrána varianta aktivního artefaktu se třemi lineárními osami a aerostatickým vedením, umožňujícím kontrolní měření v pracovním prostoru trojosých strojů nebo víceosých strojů s rotačními osami v nástrojové větvi. Byla navržena koncepce zpracování naměřených hodnot založená na dvojím určení polohy artefaktu v pracovním prostoru stroje, která vede ke zpřesnění naměřeného vektorového pole chyb polohy a která u aktivních artefaktů umožňuje jejich rychlejší instalaci do měřeného prostoru. V tomto tématu se také řeší tzv. Seismické vyvažování obráběcích strojů. Jde o zcela nový princip řešení obráběcích strojů tak, aby stroje nebyly zdrojem vibrací a měly menší rozměry i hmotnost při významném zlepšení podmínek pro práci pohonů řízených os. V roce 2009 se zkušební stand STD1 mechanicky a elektricky rozšířil o stojany s osou Y1 a Y2. Stojany byly namontované a elektricky oživené. Na všech pohonech proběhly testy a pohony byly optimálně naladěné vzhledem k mechanickým vlastnostem stojanu. Řízení standu STD1 systémem Mefi bylo připravené na adaptivní spojitou (bez nutnosti měřicích cyklů) regulaci změny hmotností jednotlivých stojanů, započala realizace a následné testy. Mimo to byl systém Mefi doplněný o diagnostický modul, který ulehčuje diagnostiku pohonů jednotlivých os. Předmětem řešení v tomto tématu je i další výzkum nové metody modelování samobuzených kmitů. V roce 2009 pokračoval výzkum samobuzených kmitů při soustružení a frézování. Vyhodnotil se vliv nelineárního prvku časového zpoždění v modelu soustružení na frekvenční charakteristiky a výsledný diagram stability. Byly provedeny jednoduché modifikace modelu soustružení s cílem ukázat vliv jednotlivých faktorů (typických pro frézování) na stabilitu řezného procesu. Další část podobných modifikací byla připravena koncepčně. Úpravou parametrů iteračního algoritmu pro nalezení meze stability se dosáhlo vyšší spolehlivosti vyhodnocení. Připravily a realizovaly se experimentální zkoušky obráběním. Získaná data byla použita k verifikaci komplexního modelu frézování. Téma 1.2. Komponenty strojů (zejména nosných soustav) Hlavní cíl: Zdokonalit vlastnosti a možnosti komponentů i skupin zejména vysoce dynamických výrobních strojů, zvýšit potenciál pro jejich nejvhodnější uplatnění, analyzovat jejich možnosti a omezení, vytvořit vlastní řešení a modifikace. Otevřít možnost stavby vysoce přesných strojů pro mikroobrábění I v tomto tématu se pokračovalo dle plánu výzkumu v řešení tří projektů. V prvním z nich s názvem Vysoce dynamické a přesné pohybové skupiny v roce 2009 pokračovaly zkoušky v oblasti potlačování vibrací na standech série STD-24 (STD-30, STD-1) a experimentální verifikace nekonvenčních metod řízení včetně metod identifikace. V rámci řešení projektu se také zkoumala možnost kompenzace pasivních odporů krytování pomocí jednoduchého pozorovatele. Celkem bylo v projektu 1.2.1 v roce 2009 realizováno 5 mezinárodních publikací. Další dílčí projekt se zabýval nekonvenčními materiály a materiálovými strukturami. V roce 2009 jsme tento projekt řešili na dvou pracovištích Centra. Na pražském pracovišti byly práce v tomto projektu vedeny ve dvou hlavních tématech. Prvním bylo pokračování výzkumu použití vláknových kompozitů pro stavbu těles smykadel či vřeteníků. Zde proběhly porovnávací experimenty s referenčním ocelovým vzorkem. Zároveň pokračovaly práce na zpřesnění výpočtových modelů. Pro tyto účely byly vyrobeny dílčí vzorky, které posloužily k identifikaci důležitých materiálových parametrů. Pro zvýšení smykové tuhosti kompozitních dílců začal výzkum hybridních ocelovo- kompozitních struktur. Na prototypu kompozitního smykadla byly provedeny výpočetní studie vlivu krytování. Zároveň se vyrobil experimentální vzorek s hybridní strukturou pro podporu výpočetních řešení. Druhým tématem byla výroba vzorku reálných rozměrů zkušebního stojanu se sendvičovými bočnicemi. Byly dokončeny konstrukční a technologické práce nutné pro výrobu stojanu. Stojan jsme úspěšně vyrobili včetně nejkritičtějších operací vlepování hliníkových pěn do bočnic stojanu. Na stojanu proběhly porovnávací experimenty s klasickým svařovaným stojanem vyztuženým ocelovými žebry. (viz obr. k projektu 1.2.2.) Na pracovišti v Plzni byly provedeny v roce 2009 následující práce: numerické simulace vlastností obdélníkové a čtvercové komůrky; měření mechanických vlastností základní stavební části tělesa - obdélníkové komůrky; vyhodnocování shody simulací a experimentu; měření vlastností základní stavební části tělesa - čtvercové komůrky, zkoumání vlivu integrovaných tlumicích členů do vinutého kompozitu; odladění numerických modelů sestavy vzorku celého vřeteníkového tělesa s komůrkovou strukturou; optimalizace skladby kompozitu v komůrkách a konzultace o proveditelnosti skladby z hlediska technologie jeho výroby; rozšíření řešerše a znalostní báze nekonvenčních materiálů a rozšíření řešerše a znalostní báze nekonvenčních materiálů - keramické kompozity, práškové oceli pro nástřiky ozubených kol. Dále proběhl výzkum vlivu technologie křížení vláken na výsledné mechanické vlastnosti kompozitu a experimentální prověřování vlastností, byly vytvořeny numerické modely vzorků s tkaninovou strukturou a provedena jejich homogenizace pro účely virtuálního prototypingu a byl proveden výzkum automatických smyček pro optimalizaci vlastností kompozitů s využitím provázaných softwarů NX - MatLab a Opti Slang. Problémy rychlé automatické manipulace s nástroji a obrobky jsou řešeny také v tomto tématu (na pracovišti VUT Brno). Zde byla navržena nová rychlá automatická výměna nástrojů, jejíž řešení je výsledkem rozsáhlé a důkladné analýzy dat získaných z experimentálních zkoušek prováděných na standu STD-25 a vačkovém standu. Nově navržená automatická výměna nástrojů byla posléze pomocí moderní technologie virtuální reality implementována ke konkrétnímu vytipovanému stroji. Dále bylo v rámci spolupráce s Útvarem transferu technologií VUT v Brně dořešeno finální podání patentové přihlášky a přihlášky užitného vzoru vyvinutou novou automatickou výměnu nástrojů založenou na užití jedné radiální vačky (viz obr. k projektu 1.2.4.) Téma 1.3. Pohony a řídicí technika Hlavní cíl: Posunout na vyšší úroveň současné teoretické a aplikační znalosti v oboru dráhového řízení NC strojů V roce 2009 probíhaly práce na dalším zdokonalování metody provázaných simulací NC strojů. Na toto téma byla obhájena jedna disertační práce. Dokončil se teoretický i experimentální rozbor regulace dvou motorů v paralelním chodu. Patentovým úřadem byl udělen užitný vzor na oboustranný náhon kuličkového šroubu a podáno rozšíření na patent. Dále bylo navrženo a experimentálně ověřeno použití rychlého tubulárního motoru, jako aktivního dynamického hltiče vibrací u posuvové osy s kuličkovým šroubem, na což byl rovněž udělen užitný vzor. Je sestaven matematický model k potlačení vlivu nevývahy rotačního prstencového motoru umístěného na lineární posuvové ose, proběhly první úspěšné testy na zkušebním standu. Navržen a ověřen algoritmus stavové regulace, minimalizující vibrace nelineárního systému (přímočarého hydromotoru). Bylo také ověřeno použití genetických algoritmů při ladění regulátorů posuvové osy. Dále byl zdokonalen a rozšířen původní software pro návrh posuvové osy a proběhl výzkum vlivu parametrů interpolace na přesnost dráhového řízení a kvalitu obrobeného povrchu. V oblasti prací na zvyšování přesnosti dráhového řízení při interpolaci vysokými rychlostmi (řeší pracoviště TU Liberec) se řešila přesnost interpolace ve třech kartézských a dvou rotačních osách. Byly ověřeny modely obrobeny na stroji Mazak Integrex. Proměřeny chyby interpolace na optickém měřicím stroji Atos. Shoda modelů a měření je dobrá. Proběhl i další vývoj zpřesněných modelů servomechanismů. Proběhlo testování vlastností pozorovatele a na zkušebním stavu bylo dosaženo pětinásobné snížení kvadrantové chyby. Pokračovaly práce na uživatelském rozhraní pro virtuální modely obráběcích strojů - pokračování prací v prostředí Santos a doplnění funkcí simulujících řídicí systém Sinumerik. Prof. Ing. Jaromír Houša, DrSc. vedoucí VCSVTT