Další cesta k úsporám ve výrobě - Vyvažování vertikálně se pohybujících hmot

Zájmem výrobců jakéhokoliv zařízení je snaha o úspory nákladů nejen vlastních, ale i těch u koncového zákazníka. Sledovaná data o snižování spotřeby ve výrobě strojů lze, díky trendování směrodatných veličin pomocí cloudových služeb, prokazatelně pezentovat.

Pohony jsou dimenzovány bez nadbytečné rezervy, což s sebou přináší úsporu na straně opcí, konkrétně velikostí frekvenčních měničů napájecích modulů. Obdobně je tomu i v případě komponent pohybových mechanismů. Při takovém způsobu úspor zůstává otázkou životnost komponent. Na stroji lze pozorovat mnoho uzlů, které mohou být zdrojem zbytečně vysoké spotřeby energie za provozu stroje. Touto problematikou se zabývá odvětví Ecodesign. Velká pozornost je věnována periferiím typu chlazení, jako jsou například čerpadla řezných kapalin, ale i dalším hydraulickým agregátům zajišťujících dodávku oleje pro hydrostatická vedení, ztrátové mazání, upínání nástrojů nebo technologických palet. Dalším hydraulickým okruhem stroje může být vyvažovací mechanismus.  

Disertační práce Ing. Štěpána Fialy z Ústavu výrobních strojů a zařízení, Fakulty strojní ČVUT v Praze, „Problematika vyvažování vertikálně se pohybujících hmot pomocí rotačního hydromotoru“, se zabývá metodami a přístupy snižování nároků kladených na elektrické pohony vertikálních pohybových os obráběcích strojů. Autor přehledným způsobem analyzuje používané průmyslové mechanismy a hlavní pozornost věnovuje principu vyvažování, využívajícího jako zdroj síly rotační hydromotor. Důvodem pro využívání principu vyvažování je možnost šetřit elektrickou energii na kompenzaci gravitačního zatížení. To je umožněno dodáním síly k udržení břemene, v tomto případě vřeteníku, v dané poloze jiným a levnějším způsobem. Další výhodou, mimo úsporu elektrické energie za běhu stroje, je stabilnější chování stroje z hediska teplotně deformačních vlastností. Pokud motorem neprotéká proud, nedochází ani k teplotnímu ovlivnění jeho okolí. Podstatnou část práce proto autor věnuje “odhalování” negativního chování stroje a prezentaci propojené sestavy pohonu servoelektrického pohonu a servohydraulického pohonu, který zmíněné neduhy odstraňuje. 

Velké obráběcí stroje, například horizontální vyvrtávačky, jsou standardně vybaveny minimálně jednou vertikálně se pohybující pohybovou osou a na servopohon jsou kladeny velké dodatečné nároky. Běžně se servomotor u vodorovných os dimenzuje takovým způsobem, aby byl schopen urychlit celou pohybovou skupinu požadovaným zrychlením. Mimo sílu k dosažení tohoto zrychlení musí vertikální pohybové osy silově působit proti smyslu gravitace, čili vyvažovat komponenty. Servopohon dodává sílu, která odpovídá hmotě pohyblivých komponent, a navíc musí být dimenzován k dodání síly potřebné k požadovanému zrychlení při pohybu směrem vzhůru a zároveň k zachycení síly od zabrzdění pohybové skupiny při pohybu směrem dolů. Proto je důležité zabývat se problematikou snižování gravitačních účinků na vertikálně se pohybující hmoty. V současné době existuje více přístupů, jakým způsobem lze redukovat gravitační účinky na pohyblivé komponenty strojů. Výrobci obráběcích strojů snižují hmotnost pohyblivých komponent například užitím nekonvenčních materiálů vřeteníků, topologickou optimalizací komponent, užitím neobvyklých kinematických i hybridních kinematických struktur nebo užitím vyvažovacích mechanismů.

Jednou z variant řešení vyvažování pomocí rotačního hydromotoru byla i varianta s motorem s pevným geometrickým objemem. Sérií testů na horizontálním obráběcím centru, standu koaxiálně propojených motorů a na modelovém zařízení s vertikální pohybovou osou byly popsány a zobecněny vlastnosti, které při vyvažování svislých os obráběcích strojů nelze akceptovat. Dílčím výsledkem je přepracovaný koncept vyvažovacího mechanismu s rotačním hydromotorem, který minimalizuje zjištěné negativní vlastnosti. Úpravou konceptu se podařilo kompletně eliminovat  problém naklápění  vřeteníku daný rozdílným momentem hydromotoru v motorovém a generátorovém režimu. Výsledkem je potvrzení užití hydromotoru s pevným geometrickým objemem pouze pro méně náročné aplikace typu manipulační a transportní techniky. V dalším kroku autor ověřil možnost využít k vyvažovacím účelům rotační hydromotor  s proměnným geometrickým objemem a navrhl nový způsob využití regulačního rotačního hydromotoru v oblasti pohonů obráběcích strojů. Pro vyvození síly se využívá princip tzv. sekundární regulace hydromotoru, který ve výsledku generuje konstantní vyvažovací sílu v rámci celého zdvihu pohybové osy. Kolísání napájecího tlaku v akumulátoru vstupuje do regulace pouze jako poruchová veličina a na výstupný moment nemá vliv. Výsledkem je kvalitní regulace momentu  hydromotoru, což s sebou přináší možnost využití hydromotoru v podobě asistenčního – vyvažovacího pohonu pohybové osy stroje. Závěrečné experimenty a simulace s kaskádní regulací geometrického objemu hydromotoru potvrdily navržené řešení. Experimenty vyvrátily možnost využít regulační hydromotor jako pohon slave v režimu regulace motorů master-slave.

Návrhu nového mechanismu řízení vyvažování svislé posuvové osy s využitím regulačního rotačního hydromotoru předcházelo několik variant řízení se zpětnou vazbou odvozenou od snímače naklopení desky hydromotoru a snímače momentu. Varianty byly simulačně ověřené a úspěšně potvrzené experimentem. Během experimentu s paralelně uspořádanými pohony a se zpětnou vazbou odvozenou od snímače výstupního momentu hydromotoru bylo docíleno kvalitního řízení vyvažovací síly. Přínos mechanismu prokázalo měření referenčních pohybů za účelem porovnání stavů bez vyvažování a s vyvažováním. Výsledky testů potvrdily, že mechanismus je plně funkční, tudíž že nadlehčuje a neovlivňuje negativně dráhové řízení. Tak bylo oproti koncepci, jejímž autorem je Ing. Hovorka, docíleno i podstatného zlepšení v rovnoměrnosti chodu pohybové osy. Na frekvenčních spektrech měření rovnoměrnosti pohybu se sice pro všechny měřené rychlosti objevila amplituda na pístové frekvenci hydromotoru, avšak cca 1,5 až 2 krát nižší než dominantní frekvence zubů dvojice pastorek –  hřeben.

Změnou vyvažovacího momentu na základě znaménka rychlosti je možné kompenzovat pasivní odpory pohybové osy, a tím dále snížit proud protékající servomotorem. Při znalosti průběhů pasivních odporů při pohybu lze zasílat různou žádanou hodnotu momentu do hydromotoru a tím udržovat proud servomotoru blízko nulové hodnotě.

Teoretický přínos disertační práce Ing. Štěpána Fialy spočívá zejména ve vytvoření originálního konceptu vyvažování svislých pohybových os s použitím regulačních hydromotorů řízených tzv. sekundární regulací. Problematika si však zasluhuje další zkoumání. Výsledkem může být varianta pohonu, která by dokázala zpracovat informaci o velikosti případné nevývahy z pohonu. Elektrický servomotor, potažmo měnič, je schopen poskytnout informaci o hodnotě okamžitého proudu servomotoru, kterou by bylo možné použít k adaptivní změně požadované hodnoty vyvažovací síly. Ta se může měnit například v důsledku změny hmotnosti břemene, například výměnou nástrojových hlav nebo obrobků. Dalším zkoumaným hlediskem by mohly být i jiné kinematické varianty pohonů, které by mohly využívat výhod řízeného vyvažovacího mechanismu s rotačním hydromotorem pro snadné ukládání potenciální energie a přenos vysokých výkonů v kompaktním provedení pohonu. Dalšími výhodami mohou být například neměnné síly v závislosti na aktuálním zdvihu, možnost kompenzace pasivních odporů pohybové osy a možnosti využít vlastní tíhu osy pro technologické operace. Autor uvádí možnou konstrukci s koaxiálně propojenými pohony, kterou by bylo možné využít při pohonu osy pomocí kuličkového šroubu. Samotný elektrický pohon by v sobě obsahoval vyvažovací mechanismus a další mechanizmus by nebylo nutné na stroj umisťovat. Dimenzování kuličkového šroubu musí zahrnovat i trvalé tíhové síly pohyblivých komponent. Je evidentní, že taková varianta neušetří náklady na komponenty pohybové osy.

Disertační práce bude užitečná i pro praxi. Prezentuje nový způsob vyvažování svislých os obráběcích strojů využívající regulační hydromotor, který je uplatnitelný pro většinu obráběcích strojů, zejména v kategorii horizontálních vyvrtávacích center. Výhodami prezentovaného řešení je konstantní nebo řízená vyvažovací síla nezávislá na aktuálním zdvihu pohybové osy, možnost konstrukce libovolné délky pohybové osy, kompaktní rozměry pohonné jednoty a úspora energie za provozu stroje. Navrhované řešení  prezentuje možnou alternativu ke standardně používaným mechanismům vyvažování, jejichž hlavní nedostatky beze zbytku odstraňuje. Mechanismus včetně regulace je plně autonomní, protože  nevyžaduje připojení do řidicího systému stroje. Přidanou hodnotou může být i schopnost reakce na silové účinky s mechanismem explicitně nesouvisejícími. Možnosti nasazení v praxi jsou velké, aplikaci nic nebrání.

 

Kontakt na autora: Ing. Štěpán Fiala, Ph.D.; e-mail: stepan.fiala@fs.cvut.cz ; Tel.: 733 674 322 a 221 990 975

Odkaz na disertační práci