Výrobní stroje obráběcí

Transkript

1 Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Výrobní stroje obráběcí prof. Dr. Ing. Josef Brychta doc. Ing. Robert Čep, Ph.D. Ing. et Ing. Mgr. Jana Petrů, Ph.D. Ostrava

2 Autoři: Katedra, institut: Název: Místo, rok, vydání: Josef Brychta, Robert Čep, Jana Petrů Katedra obrábění a montáže Výrobní stroje obrábění Ostrava, 2012, 1. vydání Počet stran: 140 Vydala: Tisk: Vysoká škola báňská-technická univerzita Ostrava Ediční středisko VŠB-TU Ostrava Náklad: ISBN

3 Obsah 1 Pracovní přesnost, spolehlivost a životnost obráběcích strojů Základní rozdělení konvenčních obráběcích strojů Dělení obráběcích strojů podle pracovního rozsahu Dělení obráběcích strojů podle rozhodující operace Činitelé ovlivňující volbu obráběcího stroje Posuzování obráběcích strojů Výkonnost obráběcího stroje Pracovní přesnost obráběcího stroje Provozní spolehlivost a životnost obráběcích strojů.11 2 Charakteristika tuhosti a její vliv na pracovní přesnost stroje Tuhost obráběcího stroje, základní pojmy Charakteristika tuhosti Tuhost styků Vliv tuhosti na pracovní přesnost obráběcího stroje Převodové mechanizmy klasických obráběcích strojů Stupňovité převody Plynule regulovatelné převody Potlačení impulsu síly do rámu stroje Zvyšování dynamické tuhosti regulace Vliv tlumení vřetena a statické tuhosti na stabilitu obrábění Stabilita obrábění Vliv tlumení vřetena na míru stability Vliv statické tuhosti na míru stability Tlumiče vřeten a nástrojů Dynamika frézovacích center Dynamika obráběcích center, statika tuhosti Ovlivňování stability frézování volbou otáček stroje.46 5 Vývoj NC strojů a technologií Vývoj číslicově řízených obráběcích strojů v 50. až 60. letech..52 3

4 5.2 Vývoj číslicově řízených obráběcích strojů v 70. až 80. letech Vývoj číslicově řízených obráběcích strojů v 90. letech až Vývoj řízení NC strojů a výrobních systémů v 50. až 60. letech Vývoj řízení NC strojů a výrobních systémů v 70. až 80. letech Vývoj řízení NC strojů a výrobních systémů v 90. letech až Světová výroba a spotřeba obráběcích strojů Hlavní trendy současné výroby obráběcích strojů Současná situace ve světové výrobě a spotřebě obráběcích strojů Vliv ekonomické situace na vývoj nových strojů Základní vlastnosti vysokorychlostních obráběcích strojů Organizační, technologické a technické dopady při nasazování vysokorychlostních obráběcích center Obráběcí stroje a technologie na přelomu tisíciletí Vliv ekonomických a technických požadavků na koncepci HSC center Vliv ekonomických a technických požadavků na jejich koncepční řešení Tuhost a tlumení a stabilita vysokorychlostních obráběcích strojů Odvození změny úhlu střižné roviny Ф (ČSN δ) Tepelné toky v pohonech posuvů obráběcích center Tepelné toky a jejich eliminace Integrovaná elektrovřetena s průtokově chlazeným statorem i rotorem Vliv víceosých technologií a strategií na řešení HSC strojů Pětiosé obrábění a jeho význam Vliv tří a pětiosých technologií a strategií na řešení vysokorychlostních strojů Požadované vlastnosti a technické parametry vysokorychlostních strojů Příklady provedení strojů a uzlů Vnitřní struktura obráběcích strojů a center Komponenty obráběcího stroje [8] Nosná soustava obráběcího stroje Typické konfigurace progresivních nosných soustav Klasifikace a skupinová technologie součástí Klasifikace rotačních součástí Klasifikace soustružnických operací rotačních součástí..89 4

5 11.3 Klasifikace obráběcích operací s rotujícími nástroji Soustružnická centra na rotační součásti Úhlové sklápění nástroj. vřeten pětios. obrábění Obráběcí stroje pro inverzně vertikální obrábění Požadavky na řešení nové generace obráběcích strojů Současný stav pohonné techniky Rozbor splnitelnosti požadavků Optimalizace polohy obrobku, nástroje a nosné části rámu Konstrukční a technologické varianty řešení pro rotační obrobky Obráběcí centra a klasifikace nerotačních součástí Z-CLASS systém klasifikace součástí Z-CLASS systém klasifikace součástí, operací a strojů Upínání nerotačních obrobků Problémy přesnosti paletizovaného obrábění Klasifikace nerotačních součástí obráběných na obráběcích centrech Hexapody a tripody Sériové a paralelní struktury rámů Hybridní hexapody a triody Přímočará vedení Pohony posuvů Pohony vřeten Systémy automatické výměny nástrojů a obrobků Výměna a zásobníky nástrojů, manipulace s technologickými paletami CNC řízení, adaptivní řízení řezných podmínek a aktivní řízení rozměrů Integrovaná vřetena, jejich uložení a konstrukční řešení.123 LITERATURA

6 1 Pracovní přesnost, spolehlivost a životnost obráběcích strojů Obor obráběcích strojů je značně rozšířen. Obsahuje nejen obráběcí stroje různých druhů, ale i vzájemně rozdílných velikostí. Při neutuchajícím rozvoji strojírenství, neustálým zvyšováním produktivity ( produkce ) práce a při rozmachu zavádění automatizace vznikají stále nové druhy obráběcích strojů a stávající se neustále inovují. Zejména z těchto důvodů se nelze zabývat celou šíří sortimentu stávajících obráběcích strojů, poloautomatů a automatů, ani jednoúčelovými obráběcími stroji, které se zařazují do obráběcích linek. Cílem této kapitoly je úvod do všeobecné problematiky obráběcích strojů. Je zde popsáno jejich rozdělení, pracovní rozsah a přednostní určení pro danou obráběcí operaci. Dále jsou zde uvedeny kritéria podle kterých můžeme vybírat nebo posuzovat daný obráběcí stroj a udělat si tak obrázek o této problematice. 1.1 Základní rozdělení konvenčních obráběcích strojů Obráběcí stroje pro třískové obrábění se dříve často dělily podle druhu hlavního pohybu na obráběcí stroje s hlavním pohybem přímočarým (hoblovky, obrážečky) a s hlavním pohybem rotačním (soustruhy, vrtačky, brusky, frézky). Se stále rostoucím rozvojem strojírenské výroby vznikla celá řada pracovních metod, u nichž se nedá z obou druhů pohybů výrazně odlišit (např. honování, lapování) kam daný stroj zařadit. Proto se zdá být vhodnější rozdělení dle: pracovního rozsahu obráběcího stroje, rozhodující operace. 1.2 Dělení obráběcích strojů podle pracovního rozsahu Jedná se zejména o obráběcí stroje univerzální, na kterých je možno obrábět součásti různých druhů a rozměrů různými operacemi. Tyto stroje lze dále dělit na obráběcí stroje velmi univerzální se širokým rozsahem operací (univerzální hrotový soustruh, vodorovná vyvrtávačka) a na stroje se zúženým rozsahem operací (konzolové frézky, vrtačky, produkční soustruhy). Dají se jimi obrábět obrobky různých druhů a velikostí, počet operací je však omezen. Velké obráběcí stroje (široce univerzální) zkonstruované k obrábění rozměrných a 6

7 značně hmotných obrobků, se vybavují širokým pracovním rozsahem, aby se na nich dalo provádět co možná nejvíce různých operací na jedno upnutí [1]. Stroje speciální, jsou zkonstruovány se záměrem obrábění jediné operace plochy (prvku) stejného druhu na obrobcích různých druhů a velikostí, jakými jsou např. stroje na výrobu ozubení, vaček, nábojnic apod. Stroje jednoúčelové (JUS) jsou konstruovány pro určité stálé operace a pro stejné obrobky. Patří zde velká skupina stavebnicových obráběcích strojů určených pro velkosériovou a hromadnou výrobu. Jednotlivé typy strojů se vyrábějí v různých velikostech, které zpravidla charakterizují maximální možnou velikost obrobku (třídníky obráběcích strojů). U soustruhu je to maximální průměr možného soustružení obrobku nad ložem nebo nad suportem, u frézek šířka stolu apod. Limitující rozměry jsou odstupňovány geometrickou řadou, nejčastěji řadou R 10. Pro plánování a přípravu výroby, inventarizaci apod. jsou vydávány třídníky obráběcích strojů (dnes již častěji v elektronické podobě) a zařízení ve strojírenství, kde bývají jednotlivé skupiny strojů technologicky i rozměrově blízké označeny tak (několikamístnými čísly či kódy), aby přesně určily obráběcí stroj. 1.3 Dělení obráběcích strojů podle rozhodující operace Obráběcí stroje dělící se dle operace, která při třískovém obrábění převažuje lze rozdělit na: soustružnické stroje frézovací stroje vrtací a vyvrtávací stroje hoblovací, obrážecí a protahovací stroje brousicí stroje stroje na dělení materiálu stroje na výrobu závitů a ozubení 1.4 Činitelé ovlivňující volbu obráběcího stroje Pro vybranou operaci je třeba zvolit nejvhodnější obráběcí stroj, na jehož volbu mají vliv zejména tito následující činitelé: 7

8 druh obrábění (soustružení, frézování, vrtání apod.), počet obráběných součástí, rozměry pracovního prostoru stroje, rozsah řezných podmínek, skutečný výkon obráběcího stroje, přesnost a tuhost obráběcího stroje, stupeň složitosti a obtížnosti obráběcího stroje stupeň využití pracovního času obráběcího stroje (jeho časové využití), stupeň využití výrobních možností obráběcího stroje cena obráběcího stroje specifické podmínky dané součásti, popřípadě obráběcího stroje Ve velkosériové a hromadné výrobě se zpravidla musí přihlížet zejména k pracovnímu taktu a k výkonnosti obráběcího stroje při dané operaci. Máme-li vybrat vhodný obráběcí stroj pro konkrétní výrobní zakázku musíme přihlížet zejména k produktivitě a hospodárnosti výroby, kterou bude obráběcí stroj realizovat. Pro volbu stupně automatizace z hlediska hospodárnosti lze uvažovat výrobní efektivnost definovanou jako poměr celkových výrobních nákladů, při výrobě na univerzálním stroji N cu, k celkovým nákladům při výrobě na stroji zvoleného stupně automatizace N caut N N cu (1.1) caut Hospodárné je použít stroj se zvoleným stupněm automatizace jen tehdy, bude-li 1. Mezní velikost dávky d k, při níž lze z hlediska hospodárnosti uvažovat stroj s vyšším stupněm automatizace, lze určit početně nebo graficky [1]. Pro d k musí platit [2]: N c1 = N c2 (1.2) V případě, že je počet vyráběných součástí v dávce menší než d k, je výhodnější obrábění na stroji 1, u většího na stroji 2. 8

9 1.5 Posuzování obráběcích strojů Obr.1.1 Určení mezní velikosti dávky Obráběcí stroje můžeme hodnotit z hlediska efektivnosti, výrobnosti a kvalitativních parametrů obrábění, které lze na nich dosáhnout. Efektivnost a výrobnost typu stroje (výkon hnacích elektromotorů pro pohon pracovních vřeten a posuvů, rozsah otáček a posuvů, tuhost základních částí a uzlů stroje) je nutno vztahovat k základnímu typu téhož druhu. Výrobnost spolu s efektivností souvisí se stupněm mechanizace čí automatizace pracovního cyklu stroje. Pracovní a tvarová přesnost obráběcího stroje se hodnotí dle hospodárnosti dosahované tvarové a rozměrové přesnosti obrobených ploch. Tato přesnost závisí na konstrukčním pojetí a tuhosti stroje (tuhost vřeten a suportů, nožových saní a koníků, tuhostí vedení konzol, pracovních stolů) a na jeho dílenském provedení. U CNC strojů nelze využívat souboru úchylek pro hodnocení přesnosti strojů. Zde nelze objektivně složit výslednou úchylku polohy mezi nástrojem a obrobkem. Přesnost těchto strojů musí být určena jako úchylka vzájemné polohy nástroje vůči obrobku v celém rozsahu pracovního prostoru stroje. V zájmu urychlení byly vypracovány automatizované zkoušky, při nichž se upíná na stroj referenční materiál resp. etalonový obrobek, a to vhodného tvaru. Hodnotí se též životnost, bezpečnost, snadnost obsluhy i design. 1.6 Výkonnost obráběcího stroje Výkonnost obráběcího stroje lze zpravidla posuzovat podle množství hodnot vyprodukovaných za časovou jednotku. Kupříkladu u obráběcích strojů předurčených pro hrubovací práce se výkonnost posuzuje podle množství odebíraného materiálu za jednotku času, kdy hovoříme o měrné výkonnosti obrábění Q [kg s -1 ]. Výkonnost je možné také 9

10 posuzovat podle objemu odebíraného materiálu v třískách za jednotku času, kdy se jedná o objemovou výkonnost obrábění Q [mm 3 s -1 ]. Výkonnost u obráběcích strojů, které zajišťují dokončovací operace třískového obrábění, zejména u brusek, se posuzuje velikost obrobeného povrchu požadované kvality opracování za jednotku času, což představuje tzv. plošnou výkonnost obrábění Q a [mm 2 s -1 ]. Jedná- li se však o obráběcí stroje, které pracují v krátkých pracovních cyklech (soustružnické automaty), udává se výkonnost počtem obrobených kusů za jednotku času (minuty, hodiny, směny, kvartály či roky). V tomto případě se jedná o kusovou výkonnost neboli produkčnost [1]. Chceme-li porovnávat výkonnost jednotlivých obráběcích strojů, je nezbytné výše uvedené údaje ověřovat v porovnatelných poměrech, a to řeznými podmínkami, tvarem, materiálem součásti, technologií obrábění, procesním prostředím apod. Vyšší výkonnost obráběcího stroje je dána větším množstvím vyprodukovaných hodnot v porovnané době, tzn. kratším čase t c pracovního cyklu. Platí, že t c t t t [s], (1.3) s v pz kde t s představuje strojní čas, t v čas vedlejší a t pz čas přípravy a zakončení. Jsou-li k tomu technické možnosti a odborné předpoklady, lze zkracovat kterýkoli z těchto uvedených časů. Strojní čas je ve své podstatě doba obrábění, kterou lze matematicky u soustružení či vrtání vyjádřit následujícím vztahem: t s 60. l [s], (1.4) n. f s kde l znamená délku (výšku či hloubku) rotační plochy v [mm], n otáčky obrobku nebo nástroje [mm ot -1 ], a f s posuv nástroje či obrobku [mm ot -1 ]. U obrábění nerotačních ploch, zvláště pak rovinných (frézování), lze strojní čas vyjádřit l ts [s]. (1.5) v t 10

11 Zde je celková dráha nástroje či obrobku zastoupena symbolem l a uvažuje se od okamžiku záběru třísky do okamžiku výběhu z obrobené plochy [mm], v f rychlost posuvu nástroje (obrobku) [mm.s -1 ]. Strojní čas (1.4) lze zkracovat zvyšováním otáček, tedy řezné rychlosti a zvyšováním posuvu na otáčku f s resp. posuvu na zub f z, a to zejména u HSCfrézování. Jedná se především o zvětšování průřezu odebírané třísky. Strojní čas (1.5) lze také zkracovat v současnosti podstatným zvyšováním rychlosti posuvu v f. 1.7 Pracovní přesnost obráběcího stroje Pracovní přesnost obráběcího stroje je především ovlivňována: a) kvalitou zpracování jeho funkčních částí a pečlivostí provedení dílčí i celkové montáže b) tuhostí celku i rozhodujících prvků jakými jsou pracovní vřeteno, ložiska, vodicí dráhy c) přesností nastavení nástroje vzhledem k obrobku d) tepelnými deformacemi Pracovní přesnost při obrábění ovlivňuje ještě celá řada dalších činitelů, především však nástroj, obráběná součást a strategie obrábění. Všechny uvedené vlivy jsou zpravidla mimo dosah konstrukce obráběcího stroje. Obráběcí stroje se při nasazování do výrobního procesu podrobují přejímacím zkouškám geometrické i pracovní přesnosti, a to dle předepsaných norem řady ISO 9000 apod. Zkoušky geometrické přesnosti mohou ověřit přesnost montáže stroje a jeho celkové seřízení. Jsou vhodně kombinovány tak, aby se podle naměřených výsledků daly určit příčiny nedostatků ve zpracování důležitých částí obráběcího stroje. Také zkoušky pracovní přesnosti mohou dodatečně odhalit nedostatky ve zpracování obráběcího stroje, zvláště pokud jde o vymezení vůlí a správnosti funkce ovládacích prvků za pracovních podmínek. Mimo nepřesnosti ve zpracování obráběcího stroje ovlivňuje jeho pracovní přesnost také kinematická nepřesnost, která pramení z úchylek v kinematické vazbě převodů mezi jednotlivými pohyby, jejichž složením vzniká výsledný pracovní pohyb. Tak např. chyba ΔZ v záběru ozubených kol 1 a 2 se přenese na ozubené kolo 3 v poměru vyjádřeném vztahem 11

12 z z 3 3 Z p Z. Z. (1.6) 2 v v 2 kde z 2, z 3 symbolizují počty zubů ozubených kol 2 a 3, v 2, v 3 jejich obvodové rychlosti uváděné v jednotkách [m min -1 ], tj. při přenosu chyby do místa s vyšší obvodovou rychlostí v 3 je úměrná větší chybě a naopak. 1.8 Provozní spolehlivost a životnost obráběcích strojů Provozní spolehlivost a životnost obráběcích strojů je velmi důležitou vlastností zejména u číslicově řízených strojů, kde pracovní cyklus není kontrolován obsluhou a kde vzniklé závady mohou způsobit nejen zastavení stroje a jeho dočasné vyloučení z provozu, ale v krajním případě i poškození obrobku či obráběcího stroje samotného. Spolehlivost je pravděpodobnost, že činnost zařízení bude během určité doby v daných provozních podmínkách přiměřená účelu zařízení. Spolehlivost je kvalitativní pojem, avšak při zkouškách a hodnocení stroje je spolehlivost nutno vyjádřit kvantitativně. K tomuto účelu nám slouží tzv. číselné charakteristiky. Spolehlivost je nutno uvažovat v závislosti na čase. Ani při znalostech všech číselných charakteristik spolehlivosti daného typu stroje nelze pro jeden vybraný stroj stanovit, bude-li pracovat ve stanoveném časovém intervalu bez poruchy. Je možno pouze určit jaká je pravděpodobnost bezporuchového chodu stroje v daném časovém intervalu [1]. Základními číselnými charakteristikami spolehlivosti jsou. a) intenzita poruch λ, b) střední doba mezi poruchami τ stř, c) pravděpodobnost bezporuchové činnosti P b Intenzita poruch λ je počet poruch a za časové období τ dle vztahu: a. (1.7) Průběh intenzity poruch v závislosti na čase f (τ) = λ znázorněný na obr.1.2. Úsek a charakterizuje záběh stroje, ve kterém intenzita poruch klesá až na určitou konstantní hodnotu. Tato konstantní intenzita poruch trvá v časovém intervalu b, vymezující období 12

13 normálního využití stroje. Po tomto období dochází ke zvyšování intenzity poruch vlivem dožívání součástí, které je znázorněno úsekem c. Obr.1.2 Časový průběh intenzity poruch Odvození dalších parametrů spolehlivosti platí pro časový úsek normálního využití stroje. Převrácená hodnota intenzity poruch udává tzv. střední dobu mezi poruchami: stř 1. (1.8) a S touto charakteristikou se nejčastěji operuje při hodnocení spolehlivosti obráběcích strojů. Čím větší je střední hodnota doby mezi poruchami, tím vyšší je i spolehlivost a obráceně. Pravděpodobnost bezporuchové činnosti P b v určitém úseku je závislá na intenzitě poruch. S rostoucím časem pravděpodobnost bezporuchové činnosti klesá a blíží se nule. Uvedená závislost byla odvozena prostřednictvím teorie matematické statistiky a ověřena četnými zkouškami velkých výběrů obrobků. U značného počtu sledovaných obráběcích strojů tato pravděpodobnost vyjadřuje podíl strojů, které v průběhu určité doby pracovaly bez závad, k celkovému počtu strojů. Tak například spolehlivost 0,5 (50%) znamená, že polovina strojů se v určitém čase porouchala, zatímco druhá polovina pracovala bezporuchově. Máme-li přehled o charakteristice spolehlivosti, lze pro daný počet strojů a časový úsek určit poměr strojů, které budou pracovat bez závad a strojů, u kterých se porucha vyskytne. Chceme-li naopak charakteristiky spolehlivosti určit ze zkoušek, je nutná podmínka sledování velkého počtu strojů. Je-li tedy při zkouškách prototypu k dispozici pouze jeden stroj, není reálné přesné zjištění charakteristik spolehlivosti. V tomto případě se 13

14 charakteristiky spolehlivosti pouze odhadují výpočtem, založeným na počtu pravděpodobnosti a ověřeným v praktickém provozu při zkouškách výběru. Životnost a trvanlivost obráběcího stroje úzce souvisí s jeho spolehlivostí. Požadavek potřebné životnosti ovlivňuje také pořizovací cena stroje, způsob jeho využití, ale v neposlední řadě technický pokrok. Proto také předpokládaná fyzická životnost různých druhů obráběcích strojů bývá odlišná a pohybuje se v rozmezí 3 až 8 let. U velkých a speciálních obráběcích strojů lze naopak počítat s delší životností (ve zvláštních případech až 20 let tj hod.). Vlivem narůstajících pořizovacích nákladů zejména u současných číslicově řízených obráběcích center, je požadováno jejich zvýšené časové využití, čímž se i jejich životnost v letech zkrátí. Rovněž to odpovídá i neustále se urychlujícímu morálnímu stárnutí, chceme-li ekonomickému opotřebení, které je způsobeno neustále expandujícímu technickému pokroku. Otázky ke kapitole: 1. Jak dělíme obráběcí stroje podle rozhodující operace? 2. Čím je především ovlivňována pracovní přesnost obráběcího stroje? 3. Co rozumíme pod pojmem výkonost obráběcího stroje? 4. Podle jakých hledisek můžeme posuzovat obráběcí stroje? 2 Charakteristika tuhosti a její vliv na pracovní přesnost stroje Cílem této kapitoly je popsat tuhost obráběcích strojů, proč je pro nás tak důležitá co ji ovlivňuje a na čem závisí. Dále jsou zde objasněny převodové mechanismy obráběcích strojů. jejich dělení, význam a vhodnost užití. Také je zde vysvětlena problematiky dynamické tuhosti stroje a s tím spojená kompenzace sil přenášejících se do rámu obráběcího stroje. 2.1 Tuhost obráběcího stroje, základní pojmy Deformace součástí obráběcího stroje, nástroje a obrobku, způsobené řeznou silou, mají vliv na přesnost rozměrů a tvaru obrobku. Měřítkem odolnosti proti deformaci je tzv. tuhost, která se definuje jako poměr mezi zatížením a přetvořením v místě zatížení. 14

15 Fyzikálně má tuhost význam pružnostní konstanty, vyskytující se v nauce o kmitání. V dynamice se obvykle tato pružnostní konstanta označuje c. Podle způsobu zatížení rozeznáváme tuhost statickou (je-li zatížení stálé) a tuhost dynamickou (je-li zatížení periodicky proměnné). Statická tuhost při kladném zatížení: zatížení stálé velikosti c p deformace Dynamická tuhost při kmitajícím zatížení: amplituda zatížení c p amplituda deformace závisí na statické tuhosti a na poměru mezi frekvencí kmitajícího zatížení a frekvencí kmitající soustavy. Podle druhu zatížení a deformace se dělí na: tuhost v posunutí kde: F - síla [N] F c p [N m -1 ] (2.1) s s - deformace posunutí [ m] tuhost v natočení M c n [N mm rad -1 ] (2.2) kde: M - moment síly [N mm] - deformace natočení (zkroucení) [rad -1 ] a) Tuhost dílčí je tuhost jednotlivých součástí (např. vřetena, ložisek, pohybového šroubu apod.) b) Tuhost celková je tuhost skupiny součástí spolu spojených (např. stojanu frézky s vřetenem). Celková tuhost je buď absolutní, měří-li se deformace vůči základu, 15

16 který se pokládá pro tento případ za absolutně tuhý nebo relativní, měří-li se relativní deformace dvou součástí vůči sobě, např. vřetena vůči suportu. U tuhosti v posunutí se většinou uvažuje posunutí ve směru zatížení (tuhost přímá). Měří-li se posunutí v jiném směru, než je směr zatížení (nejčastěji kolmém k opracované ploše), definuje se tuhost jako příčná, obecně tuhost orientovaná. Někdy je výhodné zavést poddajnost, což je reciproká hodnota tuhosti. Poddajnost v posunutí: b a v natočení s b n s 1 [ m N -1 ] (2.3) c F p [rad N -1 mm -1 ] (2.4) M Dynamická poddajnost se označuje pojmem receptace. Charakteristika tuhosti je grafické vyjádření závislosti mezi deformací a zatížením (obr.2.1). Dílčí tuhost součásti z materiálu pro nějž platí Hookeův zákon je konstantní (obr.2.1a). c p F tg p s konst. a) b) Obr.2.1 Konstantní (a) a proměnlivá tuhost (b) c n M tg t konst. 2.2 Charakteristika tuhosti Celková tuhost skupiny spolu spojených součástí a tuhost některých druhů součástí (např. kuliček) je proměnlivá (obr.2.1b). df c p (2.5) ds dm c n (2.6) d 16

17 Podle druhu zatížení a deformace rozeznáváme dílčí tuhost v tahu tlaku, ohybu, smyku a kroucení. Deformace smykové jsou obvykle zanedbatelné. Rovněž deformace tahové a tlakové jsou se zřetelem na tvary a rozměry součásti obráběcích strojů nepatrné a proto se tuhost v tlaku (tahu), až na některé zvláštní příznaky nevyšetřuje. Obr.2.2 Znázornění statické tuhosti v ohybu Podle obr.2.2 je statická tuhost v ohybu: F c o [N m -1 ] (2.7) y kde F - zatížení [N] y - deformace v místě zatížení [(m] Stejný vzorec platí i pro tuhost v tahu i tlaku. Dosadíme-li za deformaci (průhyb) y v místě působení známý vztah pro prismatický nosník EMBED Equation.3 (2.8) bude tuhost v ohybu: EMBED Equation.3 (2.9) kde ( - součinitel vyjadřující uložení nosníku [-] E modul pružnosti materiálu v tahu [MPa] J moment setrvačnosti průřezu nosníku [mm4] l volná délka nosníku [mm] Podle obr.2.3 je statická tuhost v kroucení dána vztahem: EMBED Equation.3 [N(cm(rad-1] (2.10) kde: M k - krouticí moment [N cm] 17

18 - úhel zkroucení v místě působení momentu [rad] Obr.2.3 Volně zkrucovaný nosník Dosadíme-li do vztahu (2.10) za úhel zkroucení M l k (2.11) G J k dostaneme pro tuhost v kroucení c k G J k (2.12) l kde: G - modul pružnosti ve smyku materiálu nosníku [N mm -2 ] J k - modul tuhosti v kroucení [mm 4 ] l - zkrucovaná délka [mm] Tuhost v kroucení závisí přímo na modulu pružnosti a nepřímo na zkracování délky nosníku. Pro tuhost v kroucení je nejvýhodnější uzavřený tenkostěnný dutý průřez. c) tuhost složených soustav jsou-li tělesa uspořádána lineárně za sebou (obr.2.4a) je výsledná poddajnost: b = b 1 + b 2 + b 3 (2.13) a výsledná tuhost b 1 c (2.14) c c 1 2 c c c c 1 c 3 c 2 c 3 Jsou-li tělesa uspořádána vedle sebe (obr.2.4b, c) je výsledná tuhost: c = c 1 + c 2 + c 3 (2.15) 18

19 a výsledná poddajnost b 1 c (2.16) b b 1 2 b b b b 1 b 3 b 2 b 3 Obr.2.4 Lineární soustava pružných těles; a) - pružiny za sebou; b), c) pružiny vedle sebe 2.3 Tuhost styků Styková deformace je dána deformací stýkajících se výstupků povrchových mikronerovností, které vznikají při předchozím obrábění jako stopy po nástrojích a po odlamování třísek. Účinek těchto deformací se zvětšuje tzv. makronerovností (vlnitostí) styčných ploch, které znemožňují styk v celém rozsahu ploch, což způsobuje místní vzrůst tlaku a tím zvětšení povrchových deformací. Vliv makronerovností je relativně tím větší, čím větší jsou jmenovité rozměry styčných ploch. Deformace výstupků povrchových mikronerovností se skládají z pružných a nepružných deformací. Při zatěžování převládají deformace nepružné, při druhém a dalším zatěžování deformace pružné. Při prvním zatěžování vzniká tedy určité zpevnění povrchových vrstev, čímž se styková tuhost zvyšuje. Velikost a charakter mikro a makronerovností stykových ploch závisí do značné míry na kvalitě jejich zpracování. Čím budou plochy kvalitněji obrobeny, tím budou výrobní nepřesnosti menší a tuhost styků větší. Na obr.2.5 je uvedena A charakteristika tuhosti styku pro hoblovanou plochu Ra = 6,4 m B charakteristika tuhosti styku broušené plochy Ra = 0,35 m 19

20 Obr.2.5 Charakteristika stykové tuhosti Z uvedeného obrázku je patrno, že s rostoucím tlakem ve styku, roste i tuhost styků. Ve stavbě obráběcích strojů nás zajímá tuhost styků v oblasti nižších tlaků. Pro malé rovinné plochy bylo na základě experimentálního měření zjištěno, že závislost mezi zatížením a deformací styků lze vyjádřit vztahem: m c (2.17) kde - pružné stlačení styku [MPa m -1 ] c koeficient závislý na kvalitě ploch styku [-] - střední jmenovitý tlak ve styku [MPa] m exponent [-] Vztah (2.17) je možno v určitém vymezení tlaku linearizovat, takže závislost mezi měrným tlakem a deformací styku má tvar: k (2.18) kde k koeficient stykové poddajnosti. Hodnoty koeficientu k se obvykle stanovují experimentálně. Značný podíl na celkové tuhosti styků mají makronerovnosti styčných ploch. Při zatěžování se makronerovnosti vyrovnávají, dokud se styčné plochy nedotýkají v plné ploše. 2.4 Vliv tuhosti na pracovní přesnost obráběcího stroje Působením řezných sil se deformují části obráběcího stroje (obrobku i nástroje), jehož výsledkem je změna nastavení vzájemné polohy ostří nástroje vůči obrobku (hloubka řezu) a tím porušení přesnosti požadovaných rozměrů a tvaru obrobené plochy. Výsledná tuhost soustavy stroj - nástroj - obrobek je v podstatě proměnlivou veličinou v závislosti na poloze nástroje vůči obráběcímu stroji resp. obrobku. Příkladem porušení přesnosti tvaru vlivem proměnlivé tuhosti soustavy stroj nástroj obrobek je obrábění válcové plochy na hrotovém soustruhu za předpokladu, že v dané soustavě jsou dokonale tuhé nástroj i obrobek a poddajnými jsou pouze vřeteník s koníkem 20

21 (schéma obrobku jako dokonale tuhého nosníku na dvou podporách o poddajnosti c v a c k viz literatura [1]. Působením řezné síly F ve vzdálenosti x od koníku se odchýlí hroty vřeteníku a koníku o hodnoty úměrné jejich poddajnostem [1]: y y vx kx x Rvx cv F cv l (2.19) l x Rkx ck F ck l (2.20) Odchýlení nástroje od obrobku lze určit úměrou y y x kx y y vx vx l x l po dosazení z (2.19) a (2.20) včetně úprav cv ck 2 c yx F x 2 l l k x c k, (2.21) což je rovnice paraboly o souřadnicích x, y. 2.5 Převodové mechanizmy klasických obráběcích strojů Obráběcí stroj musí dovolovat nastavení hospodárných řezných podmínek, umožňující efektivní využití stroje i nástroje. Základní pohyby využívané pro obrábění jsou rotační a přímočaré. Přímočarý se většinou odvozuje z pohybu rotačních. Změna rychlosti pohybu se obvykle provádí tak, že se mění rychlost rotačního pohybu, tzn. že se mění otáčky za jednotku času. Pro změnu rychlosti rotačního pohybu se používají převody stupňovité a plynule regulovatelné. 2.6 Stupňovité převody Při stupňovité změně rychlosti otáčení se jednotlivé otáčky odstupňují nejčastěji podle geometrické řady. Změna otáček je možná: 21

22 stupňovými řemenicemi výměnnými ozubenými koly přesuvnými ozubenými koly ozubenými koly s přesuvnými klíny ozubenými koly a spojkami přepólovatelnými elektromotory hydraulicky, ovládáním hydrogenerátorů nebo hydraulických odporů Poznámka: 1. Posuvy pro závity dle normalizovaných stoupání. 2. Otáčky pracovních vřeten i posuvy jsou odstupňovány v mezinárodních normalizovaných geometrických řadách, základní řada R 20 s kvocientem , Pro převod jsou přípustné odchylky + 3 a 2 %. 4. Mezi podílem geometrické řady j, počtem otáčkových stupňů p a rozsahem otáček A nebo posuvů platí vztah: log A p n 1 (2.22) log 5. Otáčkové stupně se rychle změní přesuvnými koly, přesuvnými dvojkolími, trojkolími na drážkových hřídelích v záběru s pevně nasazenými protikoly na dalším hřídeli. Rychlé změny otáčkových stupňů je možno dosáhnout ozubenými koly se spojkami, umístěnými na hnacím nebo hnaném hřídeli. Nevýhodou ozubených kol se spojkami proti přesuvným kolům je stálý záběr všech kol, tedy i těch co běží naprázdno. Výhodou při použití lamelových elektromagnetických nebo elektrohydraulických spojek je možnost jejich dálkového ovládání a zapínání i vypínání za chodu. 6. Předloh je zapotřebí k realizaci velkých převodových poměrů (8, 12, 16 i více), přímý převod činil rozměrové a konstrukční potíže. 7. Řemenové převody se používají u malých a středních velikostí OS. Jde o rychloběžné řemeny, s úzkými klínovými nebo drážkovými řemeny a s ozubenými koly. 8. Řetězové převody se u OS používají poměrně málo, jsou výhodné u velkých osových vzdáleností pro jeden pár a pro velké přenášení obvodové síly 22

23 Při tvorbě kinematického schématu se stupňovitou změnou otáček jsou základními parametry: výkon pohonného motoru P, jmenovité otáčky asynchronního motoru n, maximální a minimální otáčky vřetena a největší točivý moment Mom. Požadovaná životnost stroje je Ž = 15 let. Pro obvyklý podíl geometrické řady j = 1,26 vychází 12 otáčkových stupňů (převodových cest mezi hřídelem motoru a vřetenem). Nejprve je nutno sestrojit tzv. síť převodu (grafická pomůcka nejvhodnější kombinace řazení převodových systémů a stanovení potřebných párů ozubených kol). 2.7 Plynule regulovatelné převody Plynule regulovatelné převody je možno provést: mechanickými převody hydraulickými systémy elektrickými systémy a) Mechanické plynulé převodovky Na uskutečnění plynulé změny otáček mechanickým způsobem se používají tzv. mechanické měniče otáček - variátory řemenové nebo řetězové. Regulační rozsah otáček těchto měničů je ma1ý a proto se používají ve spojení se stupňovitými převodovkami. Pro stanovení výstupních regulovaných otáček variátoru platí: nmax n o Q r (2.23) a n min no (2.24) Q 3 kde n max - maximální otáčky n min - minimální otáčky Q r - regulovatelný rozsah otáček Variátory s převodem 1:3 až 1:5 lze pohánět otáčkami od 300 až 1000 min -1 převodů 1:6 od 500 až 800 min -1. Spojení variátoru se stupňovou převodovkou (obr.2.6) umožňuje přizpůsobit rozsah převodovky s plynulou změnou otáček požadavkům obrábění. u 23

24 1 - brzda 2 - elektromagnetická spojka 3 - tryskové šoupátko s tachodynamem 4 - řemenový variátor 5 - elektromotor Obr.2.6 Schéma převodové skříně s řemenovým variátorem b) Hydraulické systémy Podle druhu energie přenášená kapalinou se systémy dělí na hydrodynamické a hydrostatické. Hydrodynamické systémy využívají kinetické energie kapaliny a jsou obdobou odstředivých čerpadel. Tlaková energie je malá a přibližně konstantní. Hydrostatické systémy využívají tlakové energie kapaliny, přičemž kinetická energie je malá a v celém systému konstantní. Pro automatizaci v obráběcích strojích mají význam hlavně systémy hydrostatické. Tyto systémy se sestávají ze zdroje tlakové kapaliny (čerpadla) a ze spotřebiče (motoru). Mezi čerpadlo a motor jsou zařazeny další členy k řízení tlaku (pojistný ventil), směru pohybu (rozváděče) a rychlosti (škrtící ventil). Vzájemně jsou spojeny potrubím a doplněny pomocnými elementy (nádrž, filtr atd.) a tvoří tak hydraulický obvod. Z rovnice Q v [cm min -1 ] (2.25) S kde v - rychlost motoru [cm min -1 ] Q - množství kapaliny přivedené do motoru [cm min -1 ] S - plocha pístu motoru [cm 2 ] Z rovnice plyne, že rychlost motoru v, lze řídit změnou parametru (Q, S). Plynulé změny rychlosti lze dosáhnout změnou množství kapaliny a to buď škrcením nebo čerpadlem s proměnným průtočným množstvím. 24

25 Řízení otáček hydraulických motorů s otáčivým pohybem lze provádět s trojí charakteristikou: 1) při konstantním krouticím momentu 2) při konstantním výkonu 3) smíšené Hydraulické motory s otáčivým pohybem se dělí do dvou skupin: a) motory jejichž odebraný objem kapaliny na otáčku je konstantní a odpovídá čerpadlu s konstantním průtočným množstvím, b) motory, u kterých je odebíraný objem kapaliny na otáčku proměnný a odpovídá čerpadlu s proměnným průtočným množstvím. U typu ad a) se regulují otáčky škrcením. U typu ad b) se provádí regulace změnou výstřednosti motoru nebo změnou úhlu sklonu desky. 1. Regulace otáček pro konstantní krouticí moment M k kde M k P [N m] (2.26) n P - výkon motoru [kw] n - otáčky [min -1 ] Je-li množství kapaliny přiváděné do motoru Q, budou teoretické otáčky: kde n t Q 1 p 2 2 R R - odpor škrticího ventilu p - tlakový spád [Pa] (2.27) Při konstantním tlaku kapaliny zůstává M k konstantní. Výkon motoru roste lineárně s otáčkami. 2. Regulace otáček při konstantním výkonu 25

26 Otáčky při konstantním výkonu lze regulovat pouze u motoru s proměnlivým průtočným množstvím. Aby byl výkon konstantní musí platit: kde Q c p P c [kw] (2.28) 102 c p c - konst. tlak Q c - konst. množství přiváděné kapaliny c - celková účinnost čerpadla c) Elektrické systémy Elektrický pohon obsahuje jednak zařízení na přeměnu energie elektrické na mechanickou (motor), jednak nutné spínací přístroje, ovladače, regulátor a čidla. 1. Střídavý systém Jako nejjednoduššího způsobu přeměny elektrické energie na mechanickou práci lze použít asynchronních motorů. Jejich nevýhodou jsou prakticky konstantní asynchronní otáčky, jež není možno přímo řídit. Proto jsou mezi motor a řízenou soustavou vkládány buď mechanické převody s diskrétně řazenými převody, které umožňují stupňovitou změnu otáček, nebo variátory dovolující v malém rozsahu p1ynulou regulaci. Při regulaci rychlosti přímým řízením energetického toku je nutno vložit do některé transformační roviny subsystémy řídicího systému - regulátory. U střídavých pohonů bez komutátoru, asynchronních a synchronních motorů je možno řídit energetický tok před vstupem do motoru (na primární straně) změnou kmitočtu, nebo u kroužkového asynchronního motoru na straně indukovaného napětí (na sekundární straně) regulací skluzu. Při kmitočtové regulaci je řízen kmitočet a amplituda statorového proudu střídavého motoru. Plynulou změnu otáček vřeten obráběcích strojů lze provádět: a) Leonardovým soustrojím, které obsahuje stejnosměrný motor, asynchronní trojfázový motor, budič a dynamo. Stejnosměrný motor je hnacím motorem pro obráběcí stroj. Asynchronní motor je napájen ze střídavé sítě a přímo pohání dynamo a budič. Budič 26

27 dává stálé napětí pro napájení řídicího dynama a pro napájení magnetu stejnosměrného proudu. Regulace otáček bývá v rozsahu 1:2,5 až 1:3,5 při stálém výkonu a s celkovým rozsahem regulace 1:10 a s použitím amplydynu až 1:1000. Nevýhody: velké pořizovací náklady, poměrně malá účinnost vlivem trvalého chodu asynchronního motoru. Použití: Pro hlavní pohony karuselu, vodorovných vyvrtávaček, hoblovek a velkých hrotových soustruhů. b) Trojfázovými komutátorovými motory typu Schrage, provádějí regulaci otáček v rozsahu 1:3 až 1:5, pro větší výkony při stále klesajícím výkonu. S rostoucím rozsahem regulace otáček klesá účinnost. Pro plynulé posuvy nezávislé na otáčkách vřetena se používá trojfázových s celkovou regulací otáček 1:50 až 1:100 pro menší výkony. Motory jsou vyráběny o výkonech 4 až 12 kw. Nevýhody: Regulace se provádí při stále klesajícím výkonu, nelze přesně dodržet hodnoty nastavených otáček, hodí se jen pro menší výkony. 2. Stejnosměrný systém Pro pohon vřeten se jako nejvýhodnější jeví stejnosměrné motory s cizím buzením, pracující v regulační oblasti kotvy. Princip činnosti je následující: Vodiče kotvy se otáčejí v poli statoru tak rychle, aby se v nich vyindukovalo protinapětí, které je rovno napětí připojenému na kotvu. Komutaci stejnosměrného napětí přivedeného na svorky kotvy na střídavé, indukované v cívkách, mechanicky provádí komutátor. Rozdíl indukovaného napětí a napětí kotvy, připojeného na svorky vyvolá proud který vytvoří pole kotvy. Pole kotvy složené s polem budicího obvodu vytváří moment působící na vodiče kotvy. Tak vzniká mechanický výkon na hřídeli motoru. Regulace má dvě oblasti. Oblast konstantního momentu M při jmenovitém magnetickém toku statoru a proměnlivém napětí kotvy (U A ) a oblast konstantního výkonu P, je-li motor odbuzován při jmenovitém U A a požadavku vyšších otáček, než jsou jmenovité otáčky motoru. 27

28 S motory stejnosměrnými s cizím buzením se můžeme setkat téměř' u všech výrobců tyristory řízených pohonů pro vřetena. Protože však s konstantním výkonem může motor bez předimenzování pracovat jen do otáčkového rozsahu l:3, 1:4, kombinuje se motor s přepínatelnou tří až čtyřstupňovou mechanickou převodovkou. Současné vývojové tendence přecházejí na bezkomutátorové pohony obráběcích strojů a užívají asynchronní, ev. synchronní motory s elektronickými měniči frekvence, vedoucí k vyšší spolehlivosti pohonů. U střídavých pohonů bez komutátoru, asynchronních motorů a synchronních motorů je možno řídit energetický tok před vstupem do motoru (na primární straně) změnou kmitočtu nebo u kroužkového asynchronního motoru na straně indukovaného napětí v rotoru (na sekundární straně) regulací skluzu. Při kmitočtové regulaci je řízen kmitočet a amplituda první harmonické statorového proudu střídavého motoru. Vzhledem k potížím při malých rychlostech otáčení (asi do 5 Hz), jsou vyvíjeny jiné typy řízení i motorů. Dobré vlastnosti vykazuje asynchronní motor se snímačem polohy rotoru pro řízení optimálního napájení statoru. Lze předpokládat rozšíření střídavých motorů s rotorem z permanentního magnetu v některých případech i s polohovou zpětnou vazbou na rotoru. Tyto motory jsou známy pod názvem krokové motory. Cívky protilehlých pólových nástavců jsou zapojeny na svorky třífázového můstku. Otočení rotoru o 360 odpovídá 120 krokovacích taktů. Při skluzové regulaci je řízen synchronní motor s kotvou kroužkovou přivedením skluzového napětí do rotoru. Kmitočet rotorového napětí je přímo úměrný skluzu. Transformujeme střídavý proud ze sítě na kmitočet odpovídající požadovanému rozdílu mezi úhlovou rychlostí statorového pole a žádanou rychlostí rotoru. Přivedeme-li jej se správnou amplitudou do rotoru, ustálí se úhlová rychlost na hodnotě odpovídající tomuto kmitočtu. Na pohony posuvů jsou kladeny následující požadavky: malá mechanická a elektrická časová konstanta lineární závislost mezi proudem kotvy a momentem ( vysoká přetížitelnost (až do desetinásobku jmenovitého momentu) ( klidný chod i při nejnižší otáčkách ( rychlá odezva ( bezhlučný provoz ( široký otáčkový regulační rozsah 28

29 ( spolehlivost K pohonu posuvů se s ohledem na splnění výše uvedených požadavků v současné době používá převážně stejnosměrných servopohonů a to buď s permanentními magnety, nízkou setrvačnou hmotou (servomotory typu Axem Servalco ) nebo tzv. pomaloběžné pro přímý náhon (servomotory typu Poster, Inland aj.). Důvody použití stejnosměrných servomotorů v této aplikaci, spočívají v tom, že oproti střídavým motorům vykazují tyto větší regulační rozsah a jsou snáze regulovatelné. Pokud jde o výkonovou regulační část těchto pohonů uplatňují se nejčastěji tyristorové usměrňovače, a to buď dvoucestné jednofázové nebo trojfázové třípulsní v zapojení s kruhovými proudy, či šestipulsní v zapojení bez kruhových proudů. V posledních letech se ve spojení se servomotory pro pohony posuvů začínají uplatňovat rovněž tranzistorové stejnosměrné pulsní regulátory, pracují obvykle v rozmezí mezi 1 až 2,5 khz (mohou však pracovat až na 20 khz. V důsledku tohoto vysokého kmitočtu je výstupní průběh velmi hladký kmitočtový rozsah, na který je servomotor schopen reagovat je dostatečně velký, vibrace motoru jsou zanedbatelné a protože tranzistory pracují ve spínacím režimu je účinnost těchto měničů vysoká. Hlavní výhodou těchto stejnosměrných pulsních regulátorů je možnost použití menších motorů, než jakých by bylo nutno použít ve spojení s tyristorovými usměrňovači. Tyto menší motory mají menší hmotnost, což vede ke zvýšení dynamiky systému. Pokud jde o přímý náhon používá se stejnosměrných krokových motorů u obráběcích strojů s ohledem na malé krouticí momenty hlavně k polohování a pro různé pomocné náhony, jako např. pohony obstarávající přísuv brusného kotouče u brusek, pohony pro korekci nastavení nožů u automatických soustruhů apod. Jako posuvové hnací jednotky se krokové motory uplatňují zejména u menších přesných číslicově řízených frézek a vrtaček [1]. Poznámka 1. V současné době se pro plynulou regulaci rychlosti vřetena pohonného systému nejčastěji používá regulačního elektrického motoru s plynulou změnou otáček v určitém regulačním rozsahu. Rozsah je však menší, než rozsah rychlostí požadovaný z hlediska uskutečňované technologie na výstupním členu pohonného systému OS, proto je mezi motor a výstupní člen zařazována převodovka zabezpečující řadu cest, a 29

30 rozšiřující regulační rozsah motoru. Převodovka zabezpečuje potřebný finální převod pro snížení otáček a zvýšení točivého momentu na výstupním členu. 2. Variátory se pro plynulou změnu otáček používají méně často. 2.8 Potlačení impulsu síly do rámu stroje 1. Kompenzace zrychlujících sil, které se přenášejí do základů (alespoň ve směru, kde mají pohyby stroje největší zrychlení) lze dosáhnout zrcadlovým obráběním dvěma nástroji na dvou protiběžně se pohybujících suportech (např. u soustruhů). Reakční síly od obou pohonů se navzájem ruší, často je ale technologicky obtížné dosáhnout naprosté symetrie pohybů nebo plnohodnotně využít oba suporty. 2. Rozechvívání rámu stroje a následné poškozování regulace lze nejlépe omezit potlačením impulzu síly motoru do rámu stroje. Na dynamickém modelu z obr.2.7 je možno tento postup ověřit nejjednodušeji prostým změkčením pružiny k0. Vhodnou kombinací veličin k0, m0 může být systém naladěn na nízké propustné pásmo, takže není schopen rychlé změny budící síly zachytit. Realizace tohoto principu je též možná uložením sekundárního dílu motoru vůči rámu na další posuvné (valivé) vedení a jeho zavěšení na pružiny viz obr.2.8. Řešení využívá nezávislosti Maxwellových sil na rychlosti, takže síla lineárního motoru je dána pouze proudem a není ovlivněna vzájemným pohybem primáru a sekundáru. Pouze je nutno zajistit správnou komutaci proudů u vícefázových motorů. 30

31 Obr.2.7 Zjednodušený dynamický model pohybové osy s lineárním motorem Obr.2.8 Potlačení impulsu síly do rámu stroje pružným zavěšením sekundáru motoru (Siemens) Reakční síla F R přenášená do lože stroje L, roste postupně s deformací pružiny, čímž dojde k výraznému snížení impulsu reakční síly v okamžicích zrychlení či zpomalení. Odměřování polohy primáru (polohová zpětná vazba stroje) se děje vůči zpětnému loži. Pro komutaci slouží interní snímač motoru (nejčastěji Hallova sonda). Na pokusném stavu bylo při řízení v polohové vazbě tímto způsobem údajně dosaženo zrychlení až 50g. 2.9 Zvyšování dynamické tuhosti regulace Zvyšování dynamické tuhosti regulace (akcelerační zpětná vazba) sebou zákonitě přináší přístrojové nároky na realizaci regulačních algoritmů. Jak je dokázáno v lit. [3], podřízená rychlostní smyčka s PI regulátorem může dokonale eliminovat statickou poddajnost regulace rychlosti i polohy. U časových změn vnějších sil, které mají za následek časové změny rychlosti, však ze samotného matematického principu nemůže být zásah rychlosti PI regulátoru stoprocentně účinný. Omezený úspěch přináší zvětšování zesílení v rychlostní smyčce (hlavně konstanta K P ), přitom však hrozí nebezpečí nestability, tedy 31

32 překročení kritické hodnoty celkového zesílení K R. Vzroste-li hmotnost pohyblivých částí m, je možno při zachování K R zvětšit i K P dle vzorce pro celkové zesílení rychlostní smyčky (2.29) bez újmy na stabilitě a dynamická poddajnost klesne. Hlavní podíl na zesílení rychlostní smyčky se tím přesune na regulátor, což odpovídá zásadám výhodné regulace. K K K P FCELK R [s -2 ] (2.29) m TN Ze vzorce plyne, že se zvyšováním hmotnosti je možno bez újmy na stabilitě zvyšovat proporcionální zesílení rychlostního regulátoru. Velká hmotnost kotvy byla z hlediska dynamické poddajnosti skutečně předností starších kartáčových motorů pro konvenční NC stroje. (v ČR např. MEZOMATIC, typy SHAT a HG). U moderních rotačních motorů pro HSC technologie a zvláště pak u motorů lineárních je však obecnou snahou hmotnost naopak snižovat kvůli dosažitelnému zrychlení a zvyšování hodnoty K P je tím ztíženo. Pro snížení dynamické poddajnosti je tedy třeba přijmout kvalitativně jiná regulační opatření [3]. Podle klasické Newtonovy mechaniky je primárním důsledkem působení síly na hmotu zrychlení, takže největší vliv na dynamickou poddajnost lze očekávat od akcelerační zpětné vazby. Další kinematické veličiny pohonu (rychlost, poloha) již poskytují o změně působící síly pouze zprostředkovanou informaci, tj. s fázovým zpožděním a útlumem amplitudy způsobenými integrací. Ani kvalitní a rychlá regulace proudu nemůže být sama o sobě tak účinná, neboť požadavek na jeho změnu vyvstane až po změně pohybového stavu motoru vlivem vnějších sil, tj. po zásahu regulátoru příslušné kinematické veličiny. Dřívější pokusy s akcelerační vazbou (např. u lineárních hydromotorů v 70. letech) ztroskotávaly na vhodných snímačích. Klasické akcelerometry na principu hmota-pružina nevyhovují, neboť snímají i chvění okolí. Nevýhodou odvození zrychlení od údaje snímače polohy druhou derivací jsou diskutovány v literatuře [Souček]. Pro měření relativního zrychlení obou částí motoru může vyhovět ferrariský akcelerometr dle obr.2.9, pracující na dvojnásobném indukčním principu s vířivými proudy. Širší uplatnění tohoto známého principu je v poslední době umožněno použitím silných magnetů ze vzácných zemin. Dosažené citlivosti se pohybují okolo 0,25 V m -1 s -2, při větších rychlostech, ale hrozí přílišný ohřev pohyblivé části snímače vířivými proudy. 32

33 Obr.2.9 Princip ferrariského akcelerometru (BAUMÜLLER STEGMANN) Použití zmiňovaného akcelerometru lze doporučit i v rychlostní zpětné vazbě, neboť integrace signálu zrychlení se možná kvůli menšímu zašumění ukáže schůdnější než derivace polohy. Dokladem toho je měření na rotačním akcelerometru fy Hübner viz obr Čára (2) je záznam náběhu na rychlost 2000 min -1 se zrychlením 50 rad s -2 (doba 4,2 s), který byl sejmut tachodynamem. Čára (1) je odpovídající signál akcelerometru s citlivostí 10 mv rad -1 s -2 (průměr kotouče s vířivými proudy je cca 8 cm). Integrací signálu akcelerometru vzniká zpětně signál rychlosti (čára M3), který je svojí kvalitou zcela rovnocenný signálu tachodynama. Obr.2.10 Odvození rychlosti pomocí akcelerometru Hübner 33

34 U tohoto fyzikálního principu je nutno počítat s určitým poklesem citlivosti, při větších rychlostech, který ale pro použití v regulaci není podstatný (firma udává 3 db při 3200 min -1 ). Pro regulaci lineárních motorů jsou k dispozici lineární ferrariské akcelerometry, pracující na stejném principu. Současný stav snímačů kinematických veličin nám tedy nabízí následující možnosti realizace zpětných vazeb: poloha: přednostně přímé odměřování (lineární snímač na suportu) rychlost: zrychlení: a) u rotačních motorů tachodynamo b) u lineárních i rotačních motorů odvození rychlosti od polohy první derivací (u rotačních AC motorů lze využít komutační snímač) c) výpočet rychlostí integrací signálu akcelerometru d) algoritmus dvou polohových vazeb. a) akcelerometr b) odvození zrychlení druhou derivací polohy (potíže se zašuměním) c) algoritmus tří polohových vazeb Otázky ke kapitole: 1. Jak dělíme obráběcí stroje podle rozhodující operace? 2. Objasněte pojem tuhost styku? 3. Jak ovlivňuje tuhost obráběcího stroje jeho pracovní přesnost? 4. Základní dělení převodových mechanizmů u klasických obráběcích strojů? 5. Jak můžeme kompenzovat impuls síly do rámu obráběcího stroje. 3 Vliv tlumení vřetena a statické tuhosti na stabilitu obrábění Tato kapitola nás seznámí s oblastmi zkoušek, které se dnes v praxi našich výrobců obráběcích nejvíce používají (přesnost, termika, dynamika) a také diagnostikou. Jsou uvedeny metody testování, používané zkušebnou VCSVTT. Na příkladech jsou vysvětleny postupy měření a zpracování výsledků, včetně základních teorií měřicích metod. Je věnována pozornost faktorům, které mohou ovlivnit konstrukci strojů. 34