V akom zmysle možno konštruovanie považovať za vedu? V samotnom procese konštruovania je potrebné dodržiavať postupnosť krokov pri konštruovaní, využívať určité metódy vedeckej a technickej tvorivosti, aplikovať znalosti z rôznych oblastí vedy a techniky. Teda v dôsledku dodržania uvedeného postupu možno vytvoriť úspešné konštrukčné riešenia. Aké vlastnosti konštruovania sú blízke umeniu? Dosiahnutie kvalitatívne nových výsledkov založených na určitom skoku pri prechode od tradičného k neobvyklému. V tomto zmysle je inžinierska tvorivosť viac vynálezectvom ako výskumom. Preto nie všetci konštruktéri, disponujúci hlbokými vedomosťami, sú aj talentovaní. Zdá sa, že konštruovanie, tak, ako čierna skrinka, sa nikdy nedá úplne logicky vysvetliť.

Existuje názor, že konštruovanie sa nedá naučiť, možno len rozvíjať vrodené schopnosti, teda že konštruktérom sa človek musí narodiť. Nebudeme spochybňovať tento pomerne logický názor, pokúsime sa však poukázať na niektoré z princípov racionálneho (rozumovo odôvodneného) konštruovania strojov, ktoré môžu pomôcť pri rozvíjaní vrodených schopností konštruktérov.

 

Racionálne konštruovanie strojov

Racionálne konštruovanie predpokladá neustále vylepšovanie funkčných vlastností strojov a súčasne vhodné kombinovanie nového so starým v konštrukciách strojov. Konštrukciu strojov môžeme pokladať za racionálnu, keď vyhovuje základnej podmienke, týkajúcej sa funkčnej spôsobilosti stroja a zároveň čo najlepšie spĺňa podmienky výroby a prevádzky. Týka sa to predovšetkým:

- voľby schémy pohybov (kinematiky), realizujúcej danú metódu obrábania,

- koncepcie stroja, ktoré je závislá od schémy pohybov,

- racionálnej schémy zaťaženia.

Vychádzajúc zo schémy pohybov, ako príklad výrobného stroja novej koncepcie s využitím mechatronických systémov, sú stroje zostavené z priestorových mechanizmov paralelnej štruktúry, pričom všetky prvky použité v kinematickom mechanizme sú rotačné [2]. Výstupný prvok je spojený s nosným systémom viacerými paralelnými kinematickými reťazcami. Tým je vytvorená nosná priestorová štruktúra, vďaka čomu sa zvyšuje tuhosť konštrukcie stroja. Obrábací stroj na obrábanie výrobkov zložitého tvaru (obr. 1) pozostáva z dvoch päťčlenných mechanizmov pre pohyb polovýrobku a nástroja. Riadiaci systém pracuje v reálnom čase, zabezpečuje kompenzáciu pružných deformácií a realizuje ďalšie optimalizačné úkony. Tým, že nie sú priamočiare vedenia, ako aj využitie modulárneho princípu, pozostávajúceho z neveľkého počtu prvkov, zvyšuje sa presnosť výrobného stroja a zjednodušuje sa proces jeho stavby.

Ďalšie výhody použitia mechatronických systémov:

- pomerne nízka cena vďaka vysokému stupňu integrácie, unifikácie a štandardizácie ich prvkov,

- vysoká presnosť realizácie zložitých pohybov výkonných orgánov v dôsledku použitia metód intelektuálneho riadenia,

- vysoká spoľahlivosť a životnosť,

- kompaktnosť konštrukcie,

- menšie rozmery a hmotnosť stroja v dôsledku zjednodušenia kinematiky.

 

Voľba koncepcie výrobného stroja

Pri racionálnom konštruovaní treba vybrať z množiny možných koncepčných riešení stroja tie, ktoré najlepšie vyhovujú konkrétnym pracovným podmienkam. Samozrejme, rozhodujúci vplyv na voľbu koncepcie stroja majú požadované hodnoty presnosti, konfigurácie obrobkov a podobne. V každom konkrétnom prípade je však potrebné zohľadňovať určité pravidlá [5]. Napríklad, pri navrhovaní vysoko presného výrobného stroja na opracovanie otvorov v skriňových obrobkoch (obr. 2 ) je potrebné:

- vylúčiť možnosť zmeny vyloženia nástroja pri obrábaní. Napríklad, pri vodorovnej vyvŕtavačke má zmena vyloženia nástroja pri nepohyblivom vretenníku za následok nesúosovosť otvorov. Racionálnejšia je schéma pohybov na obr. 1. V tomto prípade je pri obrábaní zabezpečené konštantné vyloženie vretena, nakoľko posuv nástroja nevykonáva vreteno 1, ale obrobok 2, uložený na stole 3;

- podľa možnosti vylúčiť vplyv váhy vretenníka na jeho deformáciu. Tejto podmienke najlepšie vyhovujú zvislé koncepcie vyvrtávačiek.

 

Je zrejmé, že sa nedá jednoznačne uprednostniť konkrétna koncepcia stroja, každá z nich má svoje výhody v určitých konkrétnych podmienkach. Napríklad:

- pri vodorovnej koncepcii vyvŕtavačiek je prakticky možné obrábať obrobky s neobmedzenou výškou a má aj značné technologické prednosti,

- zvislá jednostojanová koncepcia vyvŕtavačiek zabezpečuje dobrý prístup k obrobku,

- portálová koncepcia vyvŕtavačiek z hľadiska symetrickej koncepcie má menšie tepelné deformácie a vyznačuje sa stabilitou tuhosti nosného systému, vďaka čomu sa dosahuje vysoká presnosť obrábania.

Na presnosť strojov vo veľkej miere vplývajú nosné deformácie nosného systému pôsobením vonkajších síl, váhy pohyblivých výkonných orgánov (zmenou ich vzájomnej polohy), upínacích síl, pričom sa tieto deformácie menia od niekoľkých μm do tisícich μm. Pre zvýšenie presnosti v tomto prípade treba kompenzovať pružné deformácie napríklad [3]:

- zvýšením tuhosti prvkov nosného systému obrábacích strojov,

- vytvorením priehybu vedenia, ktorý je v opačnom smere ako pri zaťažení,

- odľahčením obrábacích strojov od hmotnosti ich výkonných orgánov.

Okrem uvedených riešení je rad ďalších možností, pričom je dôležité zvoliť racionálnu schému zaťaženia.

 

Využitie fyzikálnych javov a vlastností materiálov pri riešení konštrukčných úloh

Pri riešení konštrukčných úloh je možné veľmi efektívne využiť rôzne fyzikálne javy (odstredivé sily, zotrvačné sily, hydrostatické javy, trenie, zákonitosti prúdenia kvapalín a ďalšie), pričom ich kombinácia v jednom mechanizme výrobných strojov prináša prakticky neobmedzené možnosti [4] .

Využitie zotrvačných síl je využité v konštrukcií pohonu vretena špeciálneho sústruhu  pre veľmi presné sústruženie diamantovými nástrojmi (obr. 3).

Sústruženie obrobku 1 sa vykonáva diamantovým nástrojom 2 pri jeho radiálnom posuve. Vreteno 3 je uložené na aerostatickom ložisku 4. Vreteno sa roztočí na pracovnú frekvenciu otáčania ω 0 a po jej dosiahnutí sa vypne pohon vretena. Zotrvačnosť otáčania vretena je postačujúca na obrobenie povrchu obrobku načisto posuvom nastroja. Keď zanedbáme trenie vretena o vzduch, potom trecí moment v ložisku je úmerný uhlovej rýchlosti, pričom sa táto mení podľa exponenciálneho zákona. Takáto konštrukcia pohonu umožňuje vylúčiť vplyv kmitania pohonu na presnosť otáčania vretena (90 – 95 % celkovej chyby) a dosiahnuť hodnoty mikronerovností obrobeného povrchu menšie ako 0,005 mkm.

Predložený článok je príspevkom k riešeniu grantového projektu KEGA č. 023TUKE-4/2012 – Tvorba komplexného edukačno-didaktického materiálu pre predmet Výrobná technika s využitím kombinácie klasických a moderných informačných technológií a e-learningu.

 

Literatúra

[1]  Čerpakov, B.I. a kol. Rasčot i konstruirovanija mašin. Tom IV-7. Moskva, Mašinostrojenije 2002, ISBN 5-217-01949-2.

[2]  Demeč, P., Varchola, M., Svetlík, J.: Useing of mechatronics systems in designing of manufacturing machines, 2010., In: Metalurgija. Vol. 49, no. 2 (2010), p. 604-608., ISSN 0543-846.

[3]  Svetlík, J., Varchola, M.: Compensation elastic deformations of the support system for machine tools, 2011. In: Strojárstvo. Č. 12 (2011), s. 13-14., ISSN 1335-2938.

[4]  Varchola, M.: Utilization of physical phenomena and properties of materials in solving of design tasks. In.: International scientific herald. Vol.4, no 2/2012, ISSN 2218-5348.

[5]  Varchola,M., Svetlík, J., Stejskal, T.: Determination of the main tasks in designing of production machinery.In.: International scientific herald. Vol.4, no 2/2012, ISSN 2218-5348.

 

TEXT prof. Dr.h.c. Ing. Michal Varchola, PhD., KVTaR, Strojnícka fakulta, TU v Košiciach FOTO archív redakcie