8 Synergický efekt při aplikaci mechatroniky v provozu CNC OS
Složitost produktů, zejména pak obráběcích strojů, roste exponenciálně. Uživatelé se doslova nestačí ani správně orientovat a rozeznávat co je pro ně to pravé. Každý rok jsme svědky stále nových a dokonalejších řešení, které výrobci uvádějí na trh. Je pro ně charakteristická synergie (neboli spolupůsobení) poznatků z několika různých oborů. I obráběcí stroje jsou poznamenány tím, čemu se říká mechatronika.
CO JE VLASTNĚ MECHATRONIKA
Uvést v současné době nějakou univerzální definici mechatroniky nelze. Je to dáno jednak tím, že tento obor se neustále rozvíjí, jednak tím že v zájmu „aplikované vědeckosti a získáváním studentů a akademických vědeckých titulů“ je tento pojem zatemňován a pravá podstata někdy uniká. Stačí se podívat na web a zadat heslo mechatronika. Tento výraz poprvé použil v roce 1969 japonský inženýr Tesuro Mori z firmy Yaskawa Electric Company. Vzniklo spojením slov mechanika a elektronika, když ve firmě řešili problémy pro výrobce obráběcích strojů. Od té doby byla mechanika a elektronika postupně doplněna o řízení a výpočetní techniku (obr. 1). Tyto čtyři samostatné obory velmi zjednodušeně řečeno spolupůsobí vzájemně tak, že vznikne nový produkt – např. obráběcí stroj. Nemusí to však být jenom obráběcí stroj, ale vznikne i řada dalších produktů, jak je patrno z obr. 2.
Faktem zůstává, že
mechatronikou se otevřely různé možnosti při tvorbě zejména obráběcích strojů, protože stroj již není jenom hromadou litiny a oceli. Ukážeme však dále v textu, že znalí kupující obráběcích strojů si někdy dávají pozor na tyto technické výdobytky mechatroniky.
SYSTÉMOVÉ MYŠLENÍ MECHATRONIKŮ
Po tzv. mechatronicích se požaduje, aby měli systémové myšlení a schopnost práce se specialisty z uvedených oborů. Málokdo ví co je systémové myšlení, proto krátce osvětlíme, o co jde. Systémové myšlení je specifický způsob přemýšlení, který při řešení problémových situací na systémových objektech respektuje atributy systémového přístupu. O jaké atributy (vlastnosti) se jedná? Je to 5 skupin atributů. První skupina je charakterizována tím, že objekt by měl mít předpoklady k aplikaci systémového přístupu (pojmová čistota, správné vymezení poznatků vědy a techniky (progresivní a heuristické přístupy, algoritmizace činností, analýza výsledků řešení). Poslední, pátá skupina systémových atributů se zabývá etickými aspekty řešitelů k objektům (odpovědnost, dodržování etických norem, sledování implementace výsledků).
OBRÁBĚCÍ STROJ JAKO MECHATRONICKÁ SOUSTAVA
Obráběcí stroj se skládá jako mechatronická soustava z několika částí. První jsou pohybové osy jak v nástroji, tak i v obrobku, a to podle typu stroje. Prakticky se jedná o nosnou soustavu (rám), na které jsou uzpůsobeny plochy pro upevnění vedení, náhonového mechanismu včetně jeho uložení (kuličkového šroubu nebo pastorku a hřebene) a servomotoru. O poloze pohyblivých částí os obráběcího stroje (saně, smykadlo) nás informují snímače polohy. Mechanické části pohybových os, výkonové členy (servomotory) a snímače polohy tvoří tzv. mechatronickou soustavu. Tu řídí CNC řídicí systém, který se využívá k řízení toho, k čemu je obráběcí stroj určen – tedy obrábění obrobků (obr. 3) pomocí technologie třískového obrábění. Z řídicího systému jsou na jednotlivé akční členy pohybových os předávány řídicí veličiny. PLC (Programable Logic Controller) slouží k řízení a hlídání akčních členů, k čemuž používá vedle logických a blokovacích funkcí také časovou kontrolu. Pokud je obráběcí stroj doplněn o schopnost přizpůsobit se měnícím se požadavkům a situacím během obrábění, pak jde o nejvyšší formu mechatroniky v obráběcích strojích.
SYNERGICKÝ EFEKT MECHATRONIKY V CNC OBRÁBĚCÍCH STROJÍCH
Častou úlohou pro uplatnění mechatroniky v CNC obráběcích strojích je zlepšení funkčnosti mechatronické soustavy. Toho se dosahuje přídavnými senzory, různými aktuátory apod. Komponenty nosné soustavy (rámu) jsou rozhodující pro statickou, dynamickou a tepelnou stabilitu obráběcího stroje. Tyto atributy jsou vylepšovány pasivními a aktivními tlumiči. Dále např. u horizontálních vyvrtávacích strojů je gravitační účinek při výsuvu smykadla s pracovním vřetenem a současně vliv nechtěného naklánění vysokých stojanů kompenzován aktuátorem. Je vestavěn do smykadla, které „narovná“ v závislosti na poloze. Ve vodicích plochách je zejména vylepšováno jeho tlumení, například integrací přídavných tlumicích prvků, to stejné platí rovněž o uložení vřeten. Jak si technická veřejnost běžně uvědomuje, toto nemusí být aplikováno u hydrostatických uložení lineárních i rotačních pohybů obráběcích strojů z důvodů vysokého tlumení. Výsledná funkčnost posuvů obráběcích strojů je závislá na vlastnostech rámů, uložení a náhonových mechanismů. Tedy jinými slovy je velmi odvislá od toho, jakým způsobem je proveden konstrukční návrh, vlastní výroba dílů a v neposlední řadě montáž této elektromechanické soustavy. Čím pečlivěji a přesněji je toto provedeno, tím lépe pro budoucího uživatele obráběcího stroje. Jednou z velkých možností mechatroniky je právě tyto případné nedostatky v elektromechanickém provedení tzv. vykompenzovat. Jenže provozování obráběcích strojů s nepříliš dokonalým provedením „železa“ se později více či méně projeví.
ZÁVĚREM
Mechatronika a její aplikace v oboru CNC obráběcích strojů jsou logickým vyústěním vývoje. Nicméně každý „chytrý“ uživatel si při koupi tohoto technického objektu „nechá předvést“ stroj bez těchto aplikací, čímž pozná jeho kvalitu. Elektronické kompenzace mají vždy svoji nepřekročitelnou mez.
Prof. dr. Ing. Jiří Marek, technický ředitel TOSHULIN