Výzkumné centrum pro strojírenskou techniku a technologii

1.4.3 Optimalizace návrhu obráběcích strojů s ohledem na zvýšení výkonnosti a přesnosti obrábění

vedoucí Ing. Matěj Sulitka, Ph.D.

Cíle projektu


Cílem je vybudování know-how pro vytváření věrohodných a spolehlivých simulačních modelů nosných struktur, konstrukčních skupin a komponent obráběcích strojů.

Řešení projektu


2009

 

Cíle roku

Průmyslové aplikace vyvinutých metod optimalizace. Formulace zásad a směrnic pro konstrukci pohybových os s přímými pohony a pro konstrukci tepelně stabilních rámů a vřeten.

Průběh řešení

Metoda tvorby propojených modelů poddajných těles ve stavovém prostoru byla ověřována na příkladu modelu skutečného stroje. Byla zjištěna vyhovující shoda vlastností propojených modelů s plným MKP modelem, umožňující uvažovat využití metody pro modelování soustav skutečných struktur OS. Postup tvorby propojených modelů byl aplikován rovněž na úlohu modelování soustavy vřetena a nosné struktury stroje a na příkladu skutečného stroje byla provedena verifikace dynamických vlastností propojeného modelu s citlivostní analýzou vlivu jednotlivých parametrů na výsledné vlastnosti. Vhodnost různých metod redukce MKP modelů OS pro transformace do stavového prostoru byla ověřována prostřednictvím porovnávací studie na příkladu zjednodušeného modelu struktury OS. Výsledkem studie je doporučení pro volbu optimální metody redukce pro aplikace v komplexních modelech pohybových os OS. V tématu tvorby systému “Hardware in the loop” bylo vytvořeno řešení komunikace mezi systémem MEFI a prostředím Matlab/ Simulink s modelem mechanické stavby pohybové osy a modelem rychlostní smyčky. Vytvořeny byly rovněž postupy využití řídicích systémů Heidenhain a Siemens pro odbavení NC kódů a získání žádáných hodnot dráhového řízení pro provádění simulací v rámci virtuálních modelů strojů. Pokračuje vývoj původní metody pro simulace kvality obrobeného povrchu a výpočty objemu odebíraného materiálu v průběhu obrábění. Vytvořena byla v prostředí Matlab/Simulink vývojová verze grafického rozhraní pro rychlou analýzu vlastností pohonů s připojenou strukturou stroje. Metoda tvorby komplexních modelů OS byla aplikována na příkladech pohybových os skutečných strojů.

VaV výsledky

Publikace: 3
Oponované výzkumné práce: 2
Realizace v průmyslu: 6

2008

 

Cíle roku

Modely kompenzace teplotních deformací. Optimalizace rámů OS s ohledem na teplotní stabilitu.

Průběh řešení

Metodika tvorby komplexních modelů OS byla aplikována na příkladech řady pohybových os reálných strojů. Popis dynamických vlastností kuličkového šroubu byl zpřesněn o zahrnutí vlivu rozdílného vnějšího průměru a průměru jádra KŠ. Byl vytvořen kinematicky funkční model pohonu s KŠ, propojený s nosnou strukturou stroje, v MKP prostředí programu I-DEAS. Odvozen a ověřen na příkladu 3D těles byl postup sestavování soustav více poddajných těles, samostatně modelovaných a popsaných na základě redukce modálním rozkladem do stavového prostoru. Tato metodika umožňuje např. modelovat proměnné dynamické vlastnosti nosných rámů OS a vytvářet sestavy různých dílců ve fázi vývoje OS. Postup byl aplikován i na příkladu propojení vřetene a rámu reálného stroje. Model KŠ s proměnnými dynamickými vlastnostmi byl nově naprogramován v prostředí Matlab prostřednictvím s-funkcí, jejichž využití výrazně zkracuje výpočty simulací. Byl verifikován komplexní model pohybové osy s rotujcím KŠ standu STD-30. Zahájena byla spolupráce s Ústavem technické matematiky FS v tématu vývoje systému pro výpočet odebíraného objemu materiálu v průběhu obrábění a vizualizaci obrobeného povrchu. Výpočetní systém bude koncipován s ohledem na možnost budoucího záměru simulací řezných sil. Byl vytvořen matematematický model pohybové osy OS v systému “Hardware in the loop“, propojujícího virtuální model stroje s reálným řídícím systémem MEFI. Praktickým výstupem simulací je záznam trajektorie pohybu, na jejímž základě bude možno predikovat výslednou kvalitu obrobeného povrchu.

VaV výsledky

Publikace: 3
Oponované výzkumné práce: 2

2007

 

Cíle roku

Modelování procesu obrábění zaměřené na mechanismy jeho stability. Optimalizace dynamických vlastností vřetene a nosných dílů stroje s ohledem na maximalizaci řezného výkonu.

Průběh řešení

Na příkladech reálných strojů provedeny verifikace metodiky tvorby komplexních modelů strojů na základě odděleného modelování nosné struktury stroje pomocí MKP a diskretizovaného modelu pohonu s kuličkovým šroubem. Navržen a prakticky testován postup řešení pokročilého optimalizačního procesu k optimalizaci první antirezonanční frekvence stavby pohonu na základě propojení programů Ansys, Matlab a OptiSlang. V oblasti simulací řešeno chování soustav s proměnnými dynamickými vlastnostmi, vyvinut model pohonu s proměnnou tuhostí kuličkového šroubu a odvozena metoda spojování více poddajných těles do redukovaného popisu ve stavovém prostoru, který umožní rychlé výpočty vlastních frekvencí mechanické stavby stroje a implementaci do reálného řídícího systému. Provedeny simulace kruhové interpolace s modelem pasivních odporů implementovaným do komplexního modelu reálného stroje. Zahájen vývoj systému “Hardware in the loop“ propojujícího reálný řídící systému s virtuálním modelem stroje. Vytvořena koncepce komunikace ŘS s modelem řízené osy a započat vývoj pokročilé 3D vizualizace s detekcí kolizí. Na příkladu reálného stroje vytvořen jeho komplexní model a propojen s modelem vřetene pro modelování dynamických vlastností vřetene. Komplexní model stroje LM-2 implementován do modelu stability řezu. Postupy a metody komplexního modelování byly v průběhu roku 2007 aplikovány v řadě akcí pro průmysl v úlohách analýzy a optimalizace dynamických vlastností pohybových os.Na příkladech reálných strojů provedeny verifikace metodiky tvorby komplexních modelů strojů na základě odděleného modelování nosné struktury stroje pomocí MKP a diskretizovaného modelu pohonu s kuličkovým šroubem. Navržen a prakticky testován postup řešení pokročilého optimalizačního procesu k optimalizaci první antirezonanční frekvence stavby pohonu na základě propojení programů Ansys, Matlab a OptiSlang. V oblasti simulací řešeno chování soustav s proměnnými dynamickými vlastnostmi, vyvinut model pohonu s proměnnou tuhostí kuličkového šroubu a odvozena metoda spojování více poddajných těles do redukovaného popisu ve stavovém prostoru, který umožní rychlé výpočty vlastních frekvencí mechanické stavby stroje a implementaci do reálného řídícího systému. Provedeny simulace kruhové interpolace s modelem pasivních odporů implementovaným do komplexního modelu reálného stroje. Zahájen vývoj systému “Hardware in the loop“ propojujícího reálný řídící systému s virtuálním modelem stroje. Vytvořena koncepce komunikace ŘS s modelem řízené osy a započat vývoj pokročilé 3D vizualizace s detekcí kolizí. Na příkladu reálného stroje vytvořen jeho komplexní model a propojen s modelem vřetene pro modelování dynamických vlastností vřetene. Komplexní model stroje LM-2 implementován do modelu stability řezu. Postupy a metody komplexního modelování byly v průběhu roku 2007 aplikovány v řadě akcí pro průmysl v úlohách analýzy a optimalizace dynamických vlastností pohybových os.

VaV výsledky

Publikace: 3
Oponované výzkumné práce: 2

2006

 

Cíle roku

Modelování procesu obrábění zaměřené na mechanismy jeho stability. (řešeno v 1.1.4.) Rozvoj optimalizačních metod návrhu přímých i nepřímých pohonů. Výpočtová podpora výzkumu vzájemné interakce stroje a pohonů. Výpočty chladících soustav.

Průběh řešení

Sestaven výpočetní postup popisu dynamických vlastností mechanické stavby stroje na základě modální analýzy a redukce modálních souřadnic, navrženy a otestovány na příkladech rálných strojů postupy citlivostní analýzy vlivu jednotlivých parametrů pohonu na jeho dynamické vlastnosti, provedeny první verifikace simulačních výsledků s výsledky měření na reálném stroji. Pro modelování systémů s přelaďujícími se dynamickými vlastnostmi v časové oblasti byl rozpracován návrh možného přístupu založeného na metodice modálního rozkladu. Získány zkušenosti práce s pokročilými systémy, které disponují nástroji pro topologickou optimalizaci zohledňujícími reálná výrobní a konstrukční omezení.

VaV výsledky

Publikace: 4
Oponované výzkumné práce: 1

2005

 

Cíle roku

Rešerše problematiky. Zaškolení do práce s novými výpočetními programy. Výzkum možností tvarové a materiálové optimalizace nosných dílů výrobních strojů. Výpočtová podpora výzkumu vzájemné interakce stroje a pohonů.

Průběh řešení

Činnosti, metody, postupy: Rešeršní práce v problematice komplexního modelování a optimalizace, zaškolení řešitelů projektu do práce s pokročilými modelovacími a programovacími metodami v systému ANSYS, MSC.ADAMS a Matlab-Simulink, vývoj komplexních simulačních modelů a technologie tvorby těchto modelů, porovnání a analýza výsledků simulací a měření.

VaV výsledky

Publikace:
Oponované výzkumné zprávy:

© VCSVTT 2017
Kruhy
Technologie třískového obrábění Laserové technologie Řídicí a pohonová technika Vývoj strojů a elementů Zkoušení a diagnostika strojů Automatizace výrobních zařízení Programování CNC strojů