Krok směrem na výsluní – Trijoint 900H

11 Úno

V březnu roku 2002 byl vyhlášen projekt popularizace vědy a zvýšení společenské prestiže českých vědeckých a technických pracovníků zvaný Česká hlava. Jejím vyvrcholením je udělování národních cen pro nejvýznamnější osobnosti vědy a techniky v 8 kategoriích. V roce 2003 udělila porota první cenu v kategorii Invence za teorii, koncept, návrh a realizaci horizontálního obráběcího centra Trijoint 900H s hybridní paralelní kinematikou. Laureáty se stali prof. Ing. Michael Valášek, DrSc., z Ústavu mechaniky Strojní fakulty ČVUT v Praze a Ing. František Petrů, konstruktér Kovosvitu MAS, a. s., v Sezimově Ústí.

Pane profesore, v čem je ta invence?
Trijoint 900H je postaven v konceptu hybridní, paralelní kinematiky. Tradiční koncepty obráběcích strojů jsou se sériovou kinematikou. Znamená to, že jestliže použijeme rameno, tak na něj musíme postupně umístit pohony, které jeho jednotlivé části ohýbají. Proto má tradiční koncept z principu malou tuhost a také malou dynamiku. My jsme použili paralelní kinematiku, při které plošina nesoucí nástroj je unášena dvěma rameny, z nichž každé má na rámu stroje vlastní pohon. Pohony nejsou na plošině a nezvyšují její hmotnost. Vřeteno s obráběcím nástrojem je horizontální, tj. s vodorovně umístěným nástrojem, a se čtyřmi stupni volnosti. Nástroj je svisle a vodorovně unášen zmíněnou dvojicí ramen, třetí stupeň volnosti je pohyb stolu s obrobkem proti nástroji a čtvrtý je otáčení stolu. Systém je tedy hybridní, protože dva stupně volnosti jsou realizovány paralelní kinematikou a další dva nezávislým posuvem s pohonem opět na rámu stroje.

Paralelní kinematika je váš vynález?
Není, tento princip je známý již přes čtyřicet let, ale my jsme s ním poprvé realizovali průmyslově využitelný stroj, který podstatně zvýšil mechanické vlastnosti a je připraven do výroby. Je nutno chápat, že zařízení o hmotnosti 30 t s mimořádně velkou výrobní produktivitou nejsou polobotky a vyrábí se na zakázku. Jeho výrobce Kovosvit MAS již jedná s několika tuzemskými i zahraničními zájemci. Mělo by se vzpomenout, že stroj vznikl s finanční podporou MPO ČR a je přihlášen k patentování do sedmi teritorií ve světě. To je velmi nákladné. Přihlašovatelé jsou dva, ale Kovosvit MAS je vlastníkem patentů, protože nesl veškeré náklady. Na začátku vývoje jsme měli skromnější cíle, stanovili jsme však tzv. parametry snů a všechny byly dosaženy. Ten stroj je v mých očích důkazem, že myšlenky, koncepty a teorie, které za ním stojí, otevírají skutečně nový prostor. V roce 2002 byl vystaven na Mezinárodním veletrhu v Brně a v roce 2003 na EMO výstavě v Miláně.

Obráběcí stroje s paralelní kinematikou byly předmětem vašeho doktorátu?
Já jsem studoval na Strojní fakultě automatizované systémy řízení, moje kandidatura byla z oblasti optimálního řízení robotů a doktorát je spojen s teorií počítačové podpory inženýrské práce a intenzivním výzkumem v mechanice. Paralelní kinematika se objevila na scéně před deseti lety, kdy se zvýšil tlak na růst produktivity obráběcích strojů. Vznikla myšlenka použít koncept tzv. Stewartovy platformy s paralelní strukturou. V roce 1992 došlo k realizaci obráběcího stroje zvaného hexapod. Jeho jádrem byla platforma nesoucí vřeteno s obráběcím strojem zavěšená na šesti tyčích proměnných délek tvořících příhradovou konstrukci a zajišťujících platformě šest stupňů volnosti. Jednotlivé tyče jsou namáhány tlakem a tahem, což je příznivější v poměru hmotnosti k tuhosti. Navíc všechny pohony jsou na rámu stroje. Tenhle koncept vyvolal euforii. Deset let experimentálních prací se snažilo ukázat, že tudy skutečně vede cesta ke zvýšení produktivity. Tyto stroje dokázaly zvýšit dynamiku obrábění, ale současně jim poklesla tuhost. V důsledku toho se nedostaly do sériové výroby. Čím máme větší dynamiku, tím větší potřebujeme tuhost. Druhý vážný problém byl omezený pracovní prostor, protože vznikaly tzv. singulární polohy a kolize. Také většinou používané sférické klouby mají menší tuhost než posuvné nebo rotační.

Jaké tedy bylo východisko z dané situace?
My jsme v první polovině 90. let začali provádět výzkum paralelních kinematických struktur a dospěli jsme k principu tzv. nadbytečných (redundantních) pohonů, které odstraňují především problém singularit a tím pádem výrazně zvětšují pracovní prostor stroje. Posléze se ukázalo, že nejenom odstraní singularity, ale i nebývalým způsobem umožní nárůst dynamiky a tuhosti o 50 až 100 %. Práce byly ověřeny výpočty a byly postaveny i některé laboratorní modely.

Jak došlo ke spolupráci s tak mimořádným výstupem?
S tímto konceptem jsme udělali přednášku v Kovosvitu MAS Sezimovo Ústí, kde v té době zvažovali vývoj nového horizontálního obráběcího centra. Zahájení prací v Kovosvitu předchází vnitřní konkurzní řízení na nový koncept. Naše přednáška zaujala do té míry, že za námi přišel jeden z konstruktérů, Ing. Petrů, a řekl, že by chtěl představit také alternativu netradičního konceptu. Ten pak v soutěži do té míry zaujal, že management podniku se během dvou dnů pro tento koncept rozhodl. Zde je nutno ocenit především přínos technického ředitele Kovosvitu Ing. Vladimíra Čížka, který ve své funkci projevil maximální kompetenci. Spolupráce byla velice plodná, nicméně byla provázena celou řadou problémů. Prošli jsme čtyři naprosto rozdílné koncepce, možná 50 strukturních variant a v nich obrovské množství parametrických variant. Minuli jsme celou řadu slepých uliček nebo dílčích kompromisů, které by nevyústily do toho, co se nakonec podařilo. Po třech letech vznikl s nákladem 20 mil. Kč stroj Trijoint 900H, který vůči velmi dobrým konvenčním řešením zvedl veškeré podstatné parametry nejméně dvakrát.

Je redundantní kinematika ve stroji uplatněna?
Není. Stroj není redundantní, je pouze paralelní a ještě k tomu hybridní. My jsme měli vedle sebe variantu redundantní a neredundantní. Kovosvit chtěl přijít na trh se strojem, který se může sériově vyrábět. V českých podmínkách není příliš velký prostor pro experimentování s ne plně ověřenou nestandardní technologií. Tak jsme se nakonec v poslední chvíli rozhodli pro neredundantní paralelní řešení. Znamená to, že pohyb nástroje v rovině je zajišťován paralelní kinematikou pouze se dvěma rameny. Redundantní řešení by zlepšilo parametry ještě asi o 20 %, ale podobného výsledku se dosáhlo tzv. šikmou variantou, kdy vedení vozíků ramen se mírně sbíhají. Paralelní struktura je v tom, že posun a otáčení obrobku proti nástroji ve třetí souřadné ose jsou zajišťovány zvláštním pohonem.

Jaké jsou vlastnosti nového stroje?
Jestliže dobrý konvenční stroj má tuhost 50 až 60 N/mm, první vlastní frekvenci kolem 50 Hz, dynamiku 0,6 g, tak Trijoint je v uvedených parametrech nejméně dvakrát lepší. Jeho tuhost je 120 N/mm, první vlastní frekvence je 100 Hz a dynamika 1,2 g. Jde tedy o 100 N a 100 Hz stroj, který posunul Pareto hranici dynamika-tuhost podstatně výše. Tyto vlastnosti byly ověřovány jak rozsáhlými výpočty v době návrhu, tak i měřením na hotovém stroji. Je nutno dodat, že pohony ramen zajišťují servomotory, které kuličkovými šrouby pohánějí vozíky ramen po vedeních. S lineárními pohony bychom dosáhli dynamiku 3 g. Nejde jen o zrychlení, ale i o jeho derivaci určující, jak rychle dokáže stroj najet na patřičné zrychlení. Na testovacím výrobku byly porovnány výrobní časy. Jednou stroj pracoval se svými parametry a podruhé s parametry konvenčního stroje, pracovní cyklus našeho stroje trval 19 min., zatímco s parametry tradičního stroje 51 min.

Jak byl řešen problém kalibrace?
U strojů s paralelní kinematikou je výsledná přesnost polohy nástroje dána znalostí skutečných rozměrů mechanismu. U kartézské kinematiky lze relativně snadno laserovým měřením kompenzovat většinu výrobních odchylek. U paralelní kinematiky jsou skutečné rozměry stroje základem nelineární kinematické transformace v řídicím systému. Stroj s paralelní kinematikou je nutno kalibrovat sadou kontrolních měření, bez kterých by ho nebylo možno vůbec používat.

Nejdříve bylo laserovým interferometrem kompenzováno odměřování na pravítkách pohonů. Dále byla vyrobena velmi přesná deska s čepy v toleranci kalibrů. Na jednotlivé čepy této desky bylo polohováno vřeteno pomocí indikátorových hodinek. V každé poloze byly odečteny souřadnice pohonů a známé souřadnice poloh čepů. Tyto dvojice souřadnic, tj. kartézských a poloh pohonů, byly použity v nelineární kinematické transformaci. Iteračním výpočtem byly určeny skutečné rozměry stroje. Výsledkem je, že následné polohování kalibračních čepů dává odchylku od přímosti a kruhovosti do 10 mm, a opakovatelnost polohování je kolem 1 mm. Pak je tady systém nadbytečných měření umožňující za provozu on line měřit a kompenzovat teplotní deformace, takže tento strašák prakticky zmizel.

Zmíněné systémové práce jste dělal sám?
Ne, já i můj kolega chápeme, že to není ocenění jednotlivců, ale dvou týmů, které úspěšně spolupracovaly při vývoji stroje. Se mnou na Strojní fakultě ČVUT pracovali Ing. Václav Bauma, CSc., Ing. Zbyněk Šika, PhD., a Ing. Dr. Tomáš Vampola. Dělali jsme konceptuální část návrhu, výpočty a virtuální prototypování. Návrhová metodika navazuje na teoretické práce z mechatroniky a využívá výsledků výzkumu v oblasti integrovaného inženýrství. Při vývoji je nutno zkoumat pracovní prostor, kolize v pracovním prostoru, manipulovatelnost, přenos sil, tuhost, dynamickou schopnost, vlastní frekvence, vlastní módy kmitání, elastokinematiku, přesnost, dynamiku řízení a jeho přesnost. Bohužel nelze brát jednu vlastnost po druhé a uzavírat ji konstrukčně tak, aby vyhovovala nějaké modifikaci stroje. Je to příliš složité. Proto jsme rozložili návrh na tři úrovně: geometrický konflikt, strukturální konflikt a pohonový konflikt. Návrhový prostor se tak rozpadne na tři části, které lze řešit samostatně a přitom to všechno předchozí respektuje. Hierarchické rozdělení s novými výpočtovými nástroji snižuje složitost návrhu natolik, že lze během vývoje prozkoumat opravdu velké množství podstatných variant. Např. nástroj pro globální dynamiku je schopný rovnou z pohybových rovnic, aniž bychom je museli řešit, sestrojit hranici oblasti dosažitelných rychlostí a zrychlení a tím mapovat kinematiku.

A co realizace?
V týmu vedeném Ing. Františkem Petrů z Kovosvitu MAS Sezimovo Ústí byli Ing. Roman Šmíd, Karel Hodina a Ing. Martin Pazourek. Pracovali především na konstrukční části, na realizaci konceptů a na komplexu všech problémů spojených s vývojem zařízení, které pak ověřilo vypočtené hodnoty. Mimo to se jim podařilo vyvinout několik unikátních komponentů a bylo použito z české výroby to nejlepší, co se vyskytuje. Kuličkové šrouby Kuřim vyvinuly pro tento stroj zcela nové kuličkové šrouby. SLB Brno vyvinulo unikátní víceřadá ložiska, která pak vedla k unikátnímu rotačnímu kloubu se zvýšenou tuhostí a tlumením atd. Již v návrhu stroje byl kladen důraz na možnosti přizpůsobit stroj technologickým požadavkům zákazníka s cílem maximálního pracovního výkonu. Koncepce byla podřízena modularitě, spolehlivosti a záměnnosti jednotlivých komponent, snadnému nasazení do výroby a servisu. Byly respektovány požadavky ekologie a ergonomie. Bezpečnost obsluhy je zajištěna krytováním odolným proti průstřelu a řízeným přístupem do jednotlivých pracovních a servisních prostorů stroje. Kromě toho se podařilo vyvinout unikátní technologii montáže, která vede na zvýšenou přesnost výroby při snížených nákladech. Uspořádání se dvěma paletami na pracovišti obsluhy umožňuje paralelní práci obrábění v pracovním prostoru stroje, nakládání a vyjímání obrobků na stanovišti obsluhy a tím minimalizaci prostojů. Trijoint vznikl jako syntéza vyspělé moderní mechaniky doplněné spolehlivými komponenty a špičkovou elektronikou.

Kdo řešil řídicí systém?
Bez úspěšného zvládnutí této úlohy by stroj vůbec nemohl existovat. Byl použit řídicí systém Siemens 840 D s výkonnou řídicí jednotkou NCU 573.4 spolupracující s poslední generací řídicích modulů Performance 2. Servomotory jsou vodou chlazené motory Siemens 1FT6. Zdvojené odměřování v každé ose je integrováno do lineárních valivých vedení, nese s sebou vysokou tuhost servomechanismu a ta pak vysokou přesnost dosažené dráhy nástroje. Pro sběr dat a ovládání periferií je použita sběrnice ProfiBus umožňující decentralizované řízení. Stroj je monitorován digitální měřicí ústřednou s možností měření a záznamu energetických veličin. Jednotlivé osy jsou řízeny speciální SW opcí – gantry, která zaručuje správnou spolupráci obou motorů. Pro řízení nestandardní kinematiky byla vyvinuta firmou Siemens speciální opce – nůžková kinematická transformace.

Již jste se zmínil, že redundantní kinematika není ve stroji uplatněna. Není to škoda?
V případě Trijoint 900H jsme dosáhli srovnatelných výsledků i bez redundantní kinematiky. My jsme na výpočtech a modelech ukázali, že naše úvahy jsou podložené. Na tomto místě chci upozornit, že náš výzkum představuje možnosti vývoje široké škály variant obráběcích strojů s různými stupni volnosti a průmyslového zaměření. Při tom jejich parametry mohou představovat srovnatelný nebo výrazně vyšší skok s výsledky na stroji, který jsme právě dokončili. Je to jenom otázka odvahy nových podniků a jejich vedení. My jsme na další spolupráci připraveni a náš návrhový aparát potřebný pro vývoj je opravdu velmi výkonný. Redundantní kinematika pak umožní řešit problémy, které jsou v neredundantní kinematice obtížné nebo neřešitelné. Stejně tak i metoda redundantních měření za provozu posouvá hranici daleko za tradiční výsledky.

Jaký myslíte, že bude další osud vašeho stroje a celého oboru?
Na to byste se měl zeptat generálního ředitele Kovosvitu a jeho štábu, ne mne. Stroj je horizontální obráběcí centrum vhodné pro středně sériovou a vysoce sériovou výrobu, např. automobilový a letecký průmysl i jejich subdodavatele. Já věřím, že bude úspěšný. Vznikly tady myšlenky a koncepty pro celou řadu strojů. Otázka zní, jestli by všechny české firmy dokázaly tuto šíři vstřebat. Vlastníkem patentu je Kovosvit, se kterým je možno řešit licenční řízení. Nejde jenom o struktury uvedené v patentu, jde o další struktury, které jsou generovatelné těmito koncepty a to je otevřeno jakémukoli jinému podniku, který přijde. Záleží, kdo přijde a bude mít zájem. Pokud to budou české firmy, budu jedině rád. Na základě spolupráce by mohly vzniknout nové podniky, které by se tím dobře uživily.

Můžete říci něco na závěr?
Tento stroj otvírá ČR znovu cestu na výsluní s obráběcími stroji. Otázka je, zda to české podniky obchodně a organizačně dokážou. Nemám rád rozdělení vědy na základní a aplikovaný výzkum. Myslím si, že je nutno vzít problém ze syrové reality, zobecnit ho do abstraktní úrovně v této rovině vyřešit a dokázat řešení dotáhnout zpět až do syrové reality. Teprve když se cyklus uzavře, tak věda prokáže svoji užitečnost. Myslím, že za tímto strojem probíhal základní výzkum a ne jenom aplikovaný pro průmysl. Já jsem chtěl i tím, že jsem se do této soutěže přihlásil, ukázat, že i v českých podmínkách, z českých peněz, českým výzkumem na české vysoké škole a s českými podniky lze vytvořit výrobek, který je na světové úrovni.

Leave a Reply