Bezdrátový přenos elektrické energie ze ZČU ověřen v praxi Ve spolupráci výzkumných center Fakulty elektrotechnické a Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni vznikl prototyp technologického příslušenství obráběcího stroje s bezdrátově napájeným pohonem vřetena.
Už v TT 2021/8 jsme vás formou rozhovoru informovali o zrodu patentu fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity (ZČU) v Plzni na technologii bezkontaktního přenosu elektrické energie v rámci rotujících částí strojů. Nyní Tomáš Kavalír (RTI - Regionální technologický institut) a Vladimír Kindl (RICE - Research and Innovation Centre for Electrical Engineering), se kterými jsme tenkrát hovořili, pokročili společně s dalšími členy týmu výzkumníků ve složení Jan Hnátík (RTI), Michal Křížek (RTI) a Pavel Turjanica (RICE) dále a vyvinuli zařízení, díky jehož konstrukci je umožněn volný otáčivý pohyb rotorové části, což s sebou přináší množství technických výhod.
Mezi zásadní přínosy patří možnost regulace otáček a výkonu, možnost polohování vřetena a možnost automatické výměny nástroje (v závislosti na konstrukci). Unikátnost tohoto zařízení spočívá především v tom, že nabízí tyto technické výhody všechny zároveň, na rozdíl od jiných konstrukčních řešení.
DOSAVADNÍ TECHNOLOGIE BEZDRÁTOVÉHO PŘENOSU ENERGIE
Bezdrátový přenos energie (WPT — wireless power transfer) pomocí sériově-paralelní (S-P) rezonanční vazby je široce používán v aplikacích, kde je vyžadován spolehlivý přenos energie prostřednictvím rotujících částí. Často se používá v letectví, robotice a medicíně a v průmyslových strojích jako náhrada mechanických kroužkových sběračů v elektrických strojích. Zatímco využití WPT v medicíně, robotice a méně průmyslově zaměřených oblastech je častější, využití této metody v rámci strojírenství bylo doposud orientováno především na energeticky méně náročné aplikace, jako je napájení diagnostických senzorů. Poslední zmíněná oblast použití ve strojírenském průmyslu souvisí s unikátním využitím této metody umožňující napájení obráběcích vřetenových hlav určených pro úhlové vrtání a úhlové závitování.
Využití technologického příslušenství spojeného s vřetenem automatizovaného obráběcího stroje lze v současnosti realizovat mnoha způsoby. Obecně existují dvě možnosti připojení takového příslušenství. Jedním je využití rotace vřetenové hlavy stroje k ovládání technologického příslušenství a druhým externí pohon příslušenství.
UPÍNÁNÍ A OTÁČENÍ NÁSTROJŮ OTÁČENÍM VŘETENOVÉ HLAVY
V první skupině se příslušenství připojuje k vřetenu stroje standardním způsobem upínání a otáčení nástroje je realizováno otáčením vřetenové hlavy. Z tohoto důvodu je nutné zajistit těleso technologického příslušenství tak, aby se neotáčelo společně s vřetenovou hlavou. Mezi největší výhody této metody patří možnost využití automatické výměny nástrojů (ATC — automatic tool changer) a zároveň vysoký výkon a krouticí moment, který je přenášen z vřetena stroje. Nevýhodou tohoto způsobu je omezená rychlost příslušenství, která je dána mechanickou povahou (planetové převodovky) pohonu. Dále není možné další polohování příslušenství ve vřetenu (po upnutí je zajištěno ve výchozí poloze). Nutnost polohování je však někdy nezbytná pro dosažení polohy v případě obrábění komplikovaných prvků — např. vrtání a úhlové řezání závitů. To je důležité pro obrábění dílů v automobilovém a zejména leteckém průmyslu, kde je typické použití lehkých slitin na bázi hliníku. Tento typ slitiny se vyznačuje vysokou řeznou rychlostí, a proto vyžaduje vysoké otáčky vřetena. Otáčky vřetena výše popsaného příslušenství jsou však výrazně omezeny z důvodu mechanické koncepce.
PŘÍSLUŠENSTVÍ S EXTERNÍM POHONEM
Druhou skupinou příslušenství je zařízení, kde je upevněno vřeteno obráběcího stroje, a příslušenství má vlastní pohon. V tomto případě se pro pohon často používá externí napájecí zdroj. Technologická vřetena poháněná vlastním elektromotorem dosahují extrémních otáček (i více než 100 000 ot/min) a zároveň mají dostatečný výkon a krouticí moment. Je také možné ovládat rychlost nástroje, která je základní pro operace závitování a řezání závitů. Stroj musí upravit posuv ve směru osy nástroje na otáčky vřetena tak, aby odpovídal stoupání nástroje. Nevýhodou je však elektroinstalace, která napájí elektromotor z externího zdroje. Kabeláž snižuje možnost umístění vřetena, nutnost připojení kabelů navíc výrazně komplikuje nebo dokonce znemožňuje ATC.
(Celý článek naleznete v aktuálním vydání Technického týdeníku.)
Michael Málek s využitím materiálů ZČU