Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Výzkum využitelný zejména při konstruování strojů je veden na pracovišti odboru mechaniky a mechatroniky, který je součástí ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze. Předmětem zkoumání je kinematika a dynamika prostorových i rovinných soustav mnoha těles, diagnostika vibrací strojů, vyvažování strojů a mechanismů a vibrační technika. Při navrhování nových řešení je využíván mechatronický přístup, který vychází ze synergie mechaniky s elektronikou a řízením. To umožňuje vytvářet aktivní komponenty s vlastnostmi za hranicemi vlastností existujících pasivních materiálů a parametrů konstrukcí. Výsledkem jsou zajímavá zařízení jako např. nekývající se jeřáb, jehož použitím se podstatně zkracuje demontáž turbín při opravě, poloaktivní pérování nákladního automobilu, jehož prostřednictvím se snižuje poškozování vozovek, aktivní hltič vibrací vřeteníku nebo mechatronická pinole, jejíž dynamická tuhost je desetkrát zvýšena vytvořením Archimédova pružného bodu v prostoru.
Paralelní kinematika strojů
Úspěšný výzkum byl na tomto pracovišti veden v oblasti paralelních kinematických struktur používaných v konstrukci obráběcích strojů a robotů v reakci na pokroky v technologii obrábění. Jakmile se začalo používat vysokorychlostní obrábění HSC (High Speed Cutting), přestaly vyhovovat obráběcí stroje standardní konstrukce se sériovou kinematickou strukturou, která využívá řetězec rotačních a translačních pohybů. Rámy takto konstruovaných strojů jsou namáhány ohybem způsobeným těžkými pohybujícími se pohony. Navíc se v sériovém řetězci sčítají nepřesnosti.
Obě uvedené nevýhody byly odstraněny použitím paralelních kinematických struktur, u nichž vzniká namáhání tahem nebo tlakem a všechny pohony mohou být umístěny nepohyblivě na rámu stroje. Zkracuje se tím délka řetězců se sčítanými chybami. Kinematické struktury se však v praxi příliš neuplatnily, protože jejich pracovní prostor je omezen singulárními polohami a kolizemi a také proto, že tuhost většinou používaných sférických kloubů je menší než u posuvných nebo rotačních kloubů. Nevýhodou rovněž je vliv nelineární kinematické transformace mezi pohony na periodu vzorkování pro dosažení přesnosti pohybu, která se zkracuje. Mnoho strojů s paralelní kinematickou strukturou sice má větší dynamiku, ale současně poklesla jejich tuhost, tolik potřebná k využití zvýšené dynamiky.
Všechny tyto nevýhody eliminují redundantně poháněné paralelní kinematické struktury, např Sliding Star (obr. 1; vystavena na MSV 2007 v Brně), která je funkčním modelem pro stavbu obráběcího stroje s novými vlastnostmi. Základy konstrukce tohoto řešení však byly využity již dříve v horizontálním obráběcím stroji Trijoint 900 H, vyvinutém firmou Kovosvit MAS a. s. Sezimovo Ústí právě ve spolupráci s odborem mechaniky a mechatroniky, který vede Michael Valášek. U stroje Trijoint 900 H se tím dvojnásobně zlepšily všechny mechanické vlastnosti. Prof. Ing. Michael Valášek, DrSc., a Ing. František Petrů získali za tento projekt v roce 2003 ocenění Česká hlava v kategorii Invence, v níž jsou oceňovány objevy uskutečněné s přihlédnutím k perspektivám využitelnosti v praxi.
Nová metodika pro návrh obráběcích strojů
Na pracovišti byla vyvinuta nová metodika vypracovávání návrhu, která umožňuje vybírat vhodné řešení až z desetinásobného počtu variant. Tradiční postup navrhování s dlouhými iteračními smyčkami, které se uzavírají postupně, byl nahrazen přístupem vedoucím k rozkladu prostoru návrhu do bloků, v nichž probíhá většina iterací lokálně. Dále byly vyvinuty tzv. globální výpočtové nástroje, které místo řešení vlastností v jednom bodě pracovního prostoru určí mapu vlastností celého pracovního prostoru.
Redundantní kalibrační a měřicí stroj pro šest stupňů volnosti
Obráběcí stroje, roboty a měřicí stroje musí být polohovány s tak velkou přesností, jaké nelze dosáhnout při výrobě jednotlivých částí. U obráběcích strojů je požadována přesnost polohování přibližně 10 μm a u robotů okolo 100 μm. Kalibrace stroje spočívá v kompenzaci výrobních odchylek jednotlivých částí stroje pomocí řídicího systému, do kterého jsou tyto odchylky zadány. Tím se zpřesní polohování o jeden až dva řády. Kalibrace sériových kinematických struktur je snadná – jednotlivé části řetězce se kalibrují nezávisle.
Nicméně s přechodem na pětiosé obrábění je postupný rozklad na dílčí rozměry velmi obtížný, u paralelních kinematických struktur dokonce nemožný. Proto je nutné kalibrovat všechny části (rozměry) současně. K tomu bylo vyvinuto zařízení RedCaM (obr. 2, vystaveno na MSV 2008 v Brně). Tento redundantní měřicí stroj pro šest stupňů volnosti je založen na paralelní kinematické struktuře s nadbytečným počtem čidel v jejích kloubech. Přesnost určení výrobních nepřesností lze totiž zmenšit, jen když jsou měření přeurčena. Pak lze využít i vlastnost samokalibrace měřicího stroje.
Tři hlavní varianty zařízení RedCaM (posuvná, výsuvná a kloubová) po optimalizaci určují polohu platformy v šesti stupních volnosti v prostoru použitím devíti čidel. Přesnost kalibrace se blíží přesnosti každého jednotlivého čidla – nesčítají se tedy chyby. Zařízení RedCaM může být použito jako kalibrační stroj pro běžné, netradiční i paralelní obráběcí stroje v šesti stupních volnosti i pro jiné výrobní stroje, průmyslové roboty a měřicí stroje.
Eva Vaculíková, Michael Valášek
Obr. 1. Redundantně poháněná paralelní kinematická struktura Sliding Star
Obr. 2. Redundantní kalibrační a měřicí stroj pro šest stupňů volnosti: konstrukční návrh a funkční model