Vynález plzeňských vědců: konec problémů s tepelnou roztažností při obrábění

Díky vynálezu plzeňských vědců je odvětví o krok blíže k bezproblémovému a pohodlnému obrábění. Zdá se, že vyřešili problém s tepelnou roztažností. Díky tomu půjde obrábět s vysokou přesností.

Obráběcí stroj, ilustrační foto
RICE

Děkan Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni Zdeněk Peroutka ukazuje na asi metr a půl dlouhý přístroj: „Uvnitř tohoto železného válce jsou schované teplotní senzory, které jsou rozmístěny podél celého vřetene a umožňují nám velice přesně detekovat teplotu v jednotlivých částech vřetene.“ Stojím s ním ve velké hale výzkumného centra Research and Innovation Centre for Electrical Engineering (RICE), které fakulta provozuje.

„Tady pracujeme na tom, jak dosáhnout významných technologických pokroků a přijít s úplně novými technologiemi. To, co je v průmyslu nejběžnější, je inovace, tedy drobné technické posunutí. My ale vyvíjíme zcela nové technologie, které umožňují výrobu úplně nových výrobků,“ hrdě popisuje děkan.

A jednu takovou novou technologii prý máme před sebou. Jde o technologický demonstrátor, tedy zmenšený, ale plně funkční model budoucího stroje. Právě ten by měl obrábění výrazně zjednodušit. „Pokud stroj nemá kompenzaci tepelné dilatace, obsluha ho při komplikovaném obrábění musí třeba celý den temperovat na nějakou provozní teplotu, potom zkompenzují souřadné systémy a teprve potom můžou obrábět,“ přidává se Tomáš Glasberger, další vědec, který se na vývoji patentu podílel. Tento složitý postup prý podle něj bude díky zdejšímu vynálezu minulostí.

Patent je výjimečný tím, že funguje

Snah o to, jak vyzrát na tepelnou roztažnost při obrábění, je celá řada. A tak mě zajímá, čím je zvláštní právě ten plzeňský patent. Zdeněk Peroutka se pousměje: „Ono je hodně nápadů, jakým způsobem se jednotliví vynálezci snažili tento problém vyřešit. I my jsme prošli minimálně deseti dvanácti nápady, jak najít spolehlivé technické řešení. Ale ten rozdíl oproti ostatním konkurenčním patentům je jednoduchý – tohle funguje. Ostatní patenty jsou sice udělené, ale my v současnosti nevíme o žádném zařízení, kde by byly úspěšně nasazeny.“

Stroj funguje tak, že čidla změří, jak se mění teplota ve vřeteni. Údaje pošle do počítače a ten na základě matematických modelů vypočítá, jak vřeteno mění svou velikost, a to s přesností na mikrometry. Podle toho se upraví poloha obráběcí hlavice.

Tady na Fakultě elektrotechnické stojíme u poměrně drobného technologického demonstrátoru. Už se ale připravuje prototyp velkého obráběcího stroje, jehož vřeteno bude měřit několik metrů.

Hotový by měl být asi za rok. „Není vůbec jednoduché při rychlostech, kterými se rotor toho obráběcího stroje točí, tedy několik tisíc otáček za minutu, vyhodnotit teplotní dilataci, která je v řádu stovek mikrometrů. Přední světoví výrobci se o to snaží už několik desítek let,“ líčí Peroutka a zdůrazňuje, že i u několikametrového stroje je každý mikrometr důležitý: „Když frézujete nějakou drážku, ale stroj máte posunutý o sto mikrometrů, tak tu drážku máte o sto mikrometrů jinde.“

Bezdrátové napájení čidel

Změřit teplotu na různých místech vřetene a z toho odvodit změnu jeho velikosti je jedna věc. Druhá věc je, jak údaje z čidel přečíst. Data se musí zpracovat v počítači, který bude součástí obráběcího stroje. Jenže dráty pro přenos použít nejdou – vždyť čidla jsou na rotujícím vřeteni a počítač bude zabudovaný v pevné části stroje.

Zdeněk Peroutka mě tak upozorňuje na část zeleně zbarveného materiálu ve tvaru mezikruží se zvláštně uspořádanými měděnými pásky, kterou vidíme mezi vřetenem a motorem: „Toto zařízení slouží pro bezdrátový přenos energie mezi rotující a stacionární částí. Vidíte systémy antén a jsme schopni bezdrátově přenést informaci ze všech teplotních senzorů umístěných v rotoru obráběcího stroje na tu statorovou část. Tam pak spočítáme tepelnou dilataci vřetene a podle toho upravíme souřadný systém při obrábění a dokážeme kompenzovat tepelnou dilataci a obrábět s extrémně velkou přesností.“

Čidla ve vřeteni ke svému provozu samozřejmě potřebují elektrickou energii. A právě i k tomu tato soustava antén slouží. Takže bezdrátově se přenášejí nejen naměřená data, ale i energie potřebná k napájení senzorů. Toto všechno si Fakulta elektrotechnická Západočeské univerzity nechala patentovat. Tedy bezdrátový přenos dat ze senzorů, jejich bezdrátové napájení elektřinou i jejich rozmístění. „Podél vřetene, tedy v axiální ose vřetene, je rozmístěno několik sad senzorů,“ popisuje Peroutka a pokračuje: „Vřeteno musí být přesně vyváženo, a tak jsme senzory rozmístili tak, abychom nezpůsobili nějaké nevyvážení, což by vyvolalo vážné problémy, zejména vibrace ve vysokých otáčkách.“

Na světové špičce

Už samotný bezdrátový přenos energie je jedním z dalších výrazných počinů plzeňských vědců. Zdeněk Peroutka mi líčí, že plzeňští vědci v tomto oboru patří ke světové špičce. „Bezdrátový přenos energie využíváme v několika výkonových třídách. Tomu, co vidíte tady, říkáme malý až střední výkon. Ale dnes už disponujeme technologií, která nám umožňuje bezdrátový přenos energie až do výkonu nad sedmdesát kilowattů, do frekvencí řádově 200 kilohertzů, s účinností nad 95 procent. To má obrovské dopady například do konstrukce nových nabíječek.“ Taková technologie podle Peroutky dokáže nabít osobní auto nebo i vozidla městské hromadné dopravy.

„Přijedete nad napájecí cívku a v tom okamžiku začne bezdrátový přenos energie, a vaše vozidlo se začne nabíjet,“ popisuje děkan. V praxi to může fungovat třeba v nákupních centrech. Baterie ve vozidle se znatelně nabije během nákupu.

Pokud se vám teď vybavily nápisy na stožárech vysokého napětí, které varují před smrtelným nebezpečím, jež hrozí při styku s dráty, a představili jste si, jak třeba nějaké zvíře hledá azyl pod autem, bát se nemusíte. Ve chvíli, kde se mezi vysílací a přijímací anténu dostane cizí předmět – třeba právě to zvíře – přenos energie se okamžitě vypne. Smrtelné nebezpečí v tomto případě tedy nehrozí.

Převzato z časopisu Komora. Autor článku: Daniel Mrázek




• Témata: Inovace a byznys