Produktivní, spolehlivé a přesné stroje

Výzkum a vývoj strojů

Výzkum a vývoj strojů

Výzkum a vývoj produktivních, spolehlivých, přesných obráběcích strojů ve vazbě na jejich technologické využití.

V oblasti výzkumu a vývoje strojů se zaměřujeme na vývoj strojů a uzlů stavby strojů. Zabýváme se návrhy nových koncepcí strojů, výzkumem výpočetního modelování a simulacemi chování strojů a interakce stroje s výrobním procesem. Jedním ze specifických témat výzkumu je vývoj digitálních dvojčat strojů.

Aktivity se zaměřují jak na spolupráci s výrobci strojů v rámci řady projektů, tak na výzkum a vývoj moderních výpočetních metod a postupů, bez jejichž aplikací si dnes již vývoj pokročilých strojů nelze představit.

Vývoj stroje od prvního návrhu po realizaci prototypu

Vývoj strojů se specializuje na pokročilé modelování, konstrukční řešení strojů, přesnost a energetickou efektivitu strojů.

Pokročilé modelování a přesnost strojů zahrnuje především výpočetní a simulační podporu v oblasti vývoje, výzkumu a analýz vlastností strojů a komponent a chování strojů v obráběcím procesu.

Hlavní výzkumná témata představují:

Optimalizace nosných struktur strojů a modelování dynamického chování obráběcích strojů

Vývoj integrovaného přístupu k optimalizaci nosných struktur, zahrnující konceptuální topologickou optimalizaci, topologickou a parametrickou optimalizaci. Originální řešení konceptuální topologické optimalizace spočívá v návrhu optimálního dimenzování objemu nosných dílců struktury stroje, resp. porovnání různých koncepcí stavby nosné struktury stroje a ve výpočtu potřebné hmoty k dosažení určité tuhosti struktury. Úspěšné aplikace ukazují až 50% snížení hmotnosti stavby stroje při současném zvýšení dynamických vlastností.

Tlumení v konstrukci strojů, absorpce vibrací a aplikace nekonvenčních materiálů

Výzkum se zaměřuje na zdroje tlumení v konstrukci výrobních strojů, využití získaných zkušeností při optimalizaci nosné struktury strojů s ohledem na schopnost absorpce vibrací a formulace zobecněných doporučení. Hlavním cílem výzkumu je stanovení vhodných oblastí pro praktická zlepšení konstrukce pomocí aplikací laděných přídavných tlumičů, tlumicích výplní (např. ponechání jader v odlitcích apod.), změnou konstrukce, aplikací nekonvenčních materiálů, náhradou valivého vedení hydrostatickým apod.

Digitální dvojčata strojů a procesů

Výzkum je motivován vizí poskytnout výrobcům a uživatelům strojů spolehlivé prostředky, které umožní plnohodnotné virtuální testování a optimalizace procesů obrábění pro vyšší produktivitu, spolehlivost a přesnost. Digitální modely popisují stroj jako komplexní systém vazeb mezi CNC řízením, zpětnovazebním řízením pohonů, mechanickou stavbou stroje včetně pohonů a technologickým procesem obrábění. Unikátní vlastností SW systému je zahrnutí modelu dynamiky poddajného obrobku do simulace obrábění. Dlouhodobým cílem je využití digitálních dvojčat pro on-line monitorování stavu stroje a automatizované zásahy do řízení procesů na strojích v souladu s principy Průmyslu 4.0.

Výrobní výkonnost a modelování interakce stroje s procesem

Výzkum zahrnuje modelování dynamiky systému stroj – nástroj – obrobek a modelování procesních sil. Vyvíjeny jsou zpřesněné verifikované multiparametrické modely složek řezných sil, které umožňují provádět simulace procesních sil a stability obrábění na libovolných geometriích řezných nástrojů jak při soustružení, tak frézování. Výzkum se zaměřuje na tvorbu původních rozšířených modelů stability obrábění, které překonávají nedostatky běžně známých modelů a které umožňují řešit zejména složité úlohy víceosého obrábění a silové interakce ve vzájemně kmitající soustavě nástroj – obrobek. Novost modelů spočívá ve fyzikálně relevantním popisu procesního tlumení vlivem třecí složky sil se zahrnutím efektu proměnného opásání nástroje.

Softwarové kompenzace teplotně-mechanického chování strojů

Vývoj unikátní technologie zdokonalených kompenzací teplotních deformací strojů na základě přenosových funkcí. Žádaná poloha os stroje je v reálném čase upravena pomocí korekce vypočtené matematickým modelem. Struktura modelů je otevřena popisu různých zdrojů a propadů tepla (výměnné vřetenové hlavy, adaptivní chladicí systémy, změny okolního prostředí), kompenzaci prostorových chyb či zahrnutí víceúčelovosti strojů a umožňuje snadnou přenositelnost mezi stroji stejného typu. Modely využívají maximum informací z řídicího systému. Výzkum se zaměřuje na postupy automatické rekalibrace modelů a využití strojového učení pro zvyšování dlouhodobé stability a inteligenci stroje v souladu s principy Průmyslu 4.0.

Modelování tepelné zátěže od vlivu řezného procesu obráběcích strojů

Výzkum se zaměřuje na zahrnutí vlivu procesních kapalin, úběru materiálu, technologických podmínek, různých materiálů obrobků a použitých nástrojů do modelů pro minimalizaci dopadu procesu obrábění na přesnost soustavy stroj – nástroj – obrobek. K dosažení adekvátních výsledků je nezbytné zaznamenat, zpracovat a využít informace z těžko dostupných míst (teplota nástroje či obrobku, deformace na špičce nástroje a různých částí stroje) pomocí unikátních „smart“ senzorů. Účinnost kompenzačních přístupů je následně ověřena v praxi.

Modelování ztrát ve valivých ložiscích, modelování teplotně-mechanické stability a dynamických vlastností vřeten

Výzkum je orientován na validaci a verifikací modelů třecích ztrát (zdrojů tepla) ve valivých ložiscích. Tyto modely jsou společně s modely kinematiky valivých ložisek základem propojených modelů teplotně-mechanického chování vřeten s popisem změny vlastností ložisek jako funkce otáček. Pomocí uvedených propojených modelů jsou řešeny úlohy predikce teplotně-mechanické stability vřeten, konstrukčního řešení vřeten, teplotních chyb vřeten a predikce stavů porušení ložisek.

Modelování hydrostatických vedení

Výzkum a vývoj v oblasti modelování hydrostatických (HS) uložení pohybových os vedl ke vzniku původních modelů interakce hydrostatických kapes s poddajnými nosnými strukturami strojů se zahrnutím efektů zdroje tepla, tlumení, tuhosti, únosnosti s vlivem naklopení kapes a spotřeby energie. Výzkum se zaměřuje na vlastní řešení aktivního řízení výšky škrticí mezery HS buněk pro kompenzace geometrických chyb strojů, zejména angulárních chyb, které by jinak nebylo možné kompenzovat. Probíhá výzkum modelování tlumení HS buněk a vývoj nových pasivních i aktivních regulátorů průtoku a jejich řízení.

Vývoj technologického příslušenství obráběcích strojů (frézovacích hlav) se zdokonalenými parametry

Výzkum se zaměřuje na vývoj frézovacích hlav obráběcích strojů se zvýšenými parametry otáček. Aktivity v této oblasti jsou rozděleny do dvou směrů. Prvním směrem je výzkum teplotně mechanického stavu frézovacích hlav (pohon, uložení, předpětí, mazání, chlazení) a optimalizace konstrukce s cílem dosažení teplotní stability a symetrie. Druhým směrem je pak vlastní vývoj frézovacích hlav a jejich příslušenství ve spolupráci s průmyslovými partnery.

 

Pohony výrobních strojů

Vývoj nástrojů pro návrh a optimalizaci pohonů zahrnuje návrh algoritmů pro rychlý výběr vhodných komponent pohonů v závislosti na požadovaných parametrech stroje a životnosti, a také vývoj matematických modelů jednotlivých komponent pohonů a pohonu jako celku a jeho interakce s celkovým modelem mechanické struktury stroje a řídicím systémem. V oblasti pohonů jsou dále výzkumné aktivity zaměřeny na diagnostiku pohybových os a optimalizaci parametrů pro dosažení vyšší přesnosti pohybu.

Zkoušky výrobních strojů, simulace a měření vlastností strojů, provozní diagnostika

V oblasti zkoušení výrobních strojů se aktivity výzkumu i spolupráce s firmami dlouhodobě zaměřují na standardní i nestandardní metody zkoušení výrobních strojů. V případě standardních zkoušek se jedná zejména o zkoušky podle ISO230 (měření geometrické přesnosti obráběcích strojů; měření vibrací strojů a komponent, vibrodiagnostika; měření akustických veličin strojů a strojních provozů; měření statické tuhosti; měření tepelného chování strojů). Do skupiny nestandardních zkoušek patří zejména nestandardní metody měření přesnosti s využitím laserových optických metod, návrhy zákaznických zkoušek pro přejímku stroje, zkoušky chování prototypu stroje zkoušky provozního chování stroje.

Vibrodiagnostika a analýza dynamického chování strojů

Specifickou oblastí odborného zaměření je vibrodiagnostika pro zjištění příčin nežádoucích vibrací a hluku a návrhy nápravných opatření. Kromě analýzy chování konkrétního stroje v konkrétním stavu je tato oblast též výzkumně významná, protože řadu základních diagnostických znalostí lze aktuálně rozvíjet v oblasti strojového zpracování dat a konceptu Průmyslu 4.0. Do oblasti měření a analýzy dynamických vlastností stroje a jeho komponent patří hledání slabých míst konstrukce a verifikace výpočetních modelů. S tématem je úzce spojena dynamická interakce stroje s procesem (testy stability obrábění).

Kontakty

Ing. Matěj Sulitka, Ph.D.

M.Sulitka@rcmt.cvut.cz
+420 605 205 927
+420 221 990 944


Ing. Jan Smolík, Ph.D.

J.Smolik@rcmt.cvut.cz
+420 605 205 918
+420 221 990 918