IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH OSI POSUWU W TOKARCE CNC ZE ŚRUBĄ TOCZNĄ

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2016 nr 58, ISSN X IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH OSI POSUWU W TOKARCE CNC ZE ŚRUBĄ TOCZNĄ Jacek Zapłata 1a, Mirosław Pajor 2b, Kamil Stateczny 2c 1 Katedra Mechaniki i PKM, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie 2 Instytut Technologii Mechanicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie a jacek.zaplata@zut.edu.pl, b miroslaw.pajor@zut.edu.pl, c kamil.stateczny@zut.edu.pl, Streszczenie W artykule przedstawiono bezprzewodowy system kompensacji odkształceń cieplnych śrub pociągowych zaimplementowany w tokarce typu Avia Turn. Funkcjonowanie systemu opiera się na pomiarze rozkładów temperatur za pomocą czujników umieszczonych we wnętrzu śrub pociągowych. Wykorzystano czujniki z wbudowanym interfejsem cyfrowym. Dane, zawierające wartości temperatur, przesyłane są do układu PLC obrabiarki za pomocą energooszczędnego, bezprzewodowego interfejsu. Zastosowanie opracowanych procedur obliczeniowych pozwala określić wartość poprawki redukującej wpływ odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania osi. Wartość ta jest zależna od pozycji oraz aktualnego stanu temperaturowego. W pracy przedstawiono zarejestrowane doświadczalnie temperatury, odchyłki położenia osi napędowych oraz obliczone poprawki potwierdzające skuteczność działania opracowanego systemu kompensacji. Słowa kluczowe: błąd cieplny, odkształcenia cieplne, śruba toczna, obrabiarka CNC IMPLEMENTATION OF THE WIRELESS SET FOR THERMAL ERROR COMPENSATION OF A CNC LATHE AXIS DRIVEN BY A BALL SCREW Summary The paper presents a wireless set for compensation of the thermal error of CNC axes installed in Avia Turn. The set uses temperature sensors installed inside ball screws for measuring the thermal state of CNC axes. The sensors have build-in digital interfaces. Thermal data are sent to the PLC of a CNC lathe by means of an energyefficient wireless interface. The developed mathematical model allows to compute correction values reducing the influence of the positioning thermal error. The correction values are position- and temperature-dependent. The measured temperatures, positioning thermal errors and evaluated correction values have been shown validating the functionality of the set. Keywords: thermal errors, thermal deformation, ball screw, CNC machine tool 1. WSTĘP Osie napędowe maszyn obróbczych realizują ruch narzędzia względem przedmiotu obrabianego. Jednym z głównych wymagań stawianych osiom posuwu nowoczesnych maszyn obróbczych CNC jest wysoka dokładności realizacji tego ruchu w trakcie procesu obróbki. Dokładność ta jest pogarszana m.in. przez niekompensowane odkształcenia cieplne. W przypadku osi posuwu maszyn CNC napędzanych za pośrednictwem śrub tocznych przyczyną powstawania odkształceń cieplnych jest głównie tarcie generowane przez elementy toczne poruszające się w łożyskach oraz nakrętce śruby tocznej. Wartość generowanych strumieni cieplnych jest zwiększona, gdy w maszynie obróbczej dla poprawienia jej sztywności zastosowano napięcie wstępne śrub oraz gdy 145

2 IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ( ) w celu polepszenia wydajności pracy maszyny stosuje się duże prędkości ruchów pomocniczych. Ograniczenie wpływu odkształceń cieplnych osi na dokładność ruchu może zostać osiągnięte przez zastosowanie systemów chłodzących. Autorzy [9, 10] przedstawili układ chłodzenia powietrzem śruby oraz nakrętki. Autorzy [6, 2, 8] są zgodni, iż skutecznym i ekonomicznie uzasadnionym sposobem podniesienia dokładności pracy maszyn obróbczych CNC jest wprowadzenie w ich układzie sterowania poprawek kompensujących wpływ odkształceń cieplnych śrub pociągowych na dokładność pozycjonowania. W artykule [7] badacze przedstawiają teoretyczny model rozkładu temperatury śruby tocznej. Odnotowują oni, że jego wykorzystanie do celów kompensacji jest problematyczne ze względów obliczeniowych. Autorzy [2] zauważają, iż w wykonanych przez nich eksperymentach rozkład temperatury wzdłuż śruby jest praktycznie jednolity, a zmianę temperatury śruby w czasie można przybliżać funkcją eksponencjalną. Stosują opracowany przez siebie model do obliczania wartości odkształceń cieplnych śruby. Dane zarejestrowanych przez innych badaczy [1] pokazują, że wspomniane wcześniej uproszczenie rozkładu temperatury śrub jest słuszne jedynie w szczególnych przypadkach. W publikacji [1] autorzy zwrócili uwagę, że, aby model rozkładu temperatury osi napędowej był poprawny, musi on uwzględniać zmienność warunków pracy osi napędowej, tj. zmienność siły obciążającej oraz prędkości ruchu. Nie uwzględnili oni jednak zmiany zakresów ruchu. Autorzy niniejszej publikacji doszli do wniosku, że niezawodnym sposobem na ustalenie rozkładu temperatury śruby jest bezpośredni pomiar. Przedstawione w zaprezentowanym referacie postępy są kontynuacją prac prowadzonych w tej tematyce przez autorów [3, 4, 11]. W artykule przedstawiono system kompensacji odkształceń cieplnych śrub pociągowych obrabiarek z bezprzewodową transmisją sygnałów zaimplementowany w tokarce typu Avia Turn. Przedstawiono zarejestrowane: rozkłady temperatury śrub tocznych, odchyłki położenia osi napędowych wynikające ze zmiany stanu temperaturowego oraz odchyłki położeń osi napędowych po wprowadzeniu kompensacji. Zasada działania systemu kompensacji odkształceń cieplnych śrub tocznych opiera się na pomiarze temperatur śrub tokarki za pomocą czujników inteligentnych zainstalowanych we wnętrzu śrub. Czujniki wysyłają dane do układu PLC obrabiarki za pomocą bezprzewodowego interfejsu. Zastosowanie opracowanych procedur obliczeniowych [3, 4, 11] pozwala określić wartość poprawki redukującej wpływ odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania dla aktualnej wartości położenia osi posuwu. Korekta obliczana jest na podstawie aktualnie rejestrowanego stanu temperaturowego osi napędowej. Bezprzewodowa komunikacja pomiędzy obracającą się śrubą a nieruchomym układem sterowania zapewnia podwyższoną trwałość oraz łatwy montaż. 2.1 UKŁAD POMIARU TEMPERATURY ŚRUB TOCZNYCH Czujniki temperatury IST-AG TSic 716 wklejono za pomocą kleju termoprzewodzącego do otworów wykonanych w poprzek śruby tocznej (rys. 1). Czujniki te posiadają wbudowany przetwornik pomiarowy oraz interfejs cyfrowy. Okablowanie czujników wyprowadzono otworem poosiowym do układu transmisji danych wykorzystującego energooszczędny moduł Bluetooth. Rys. 1. Schemat montażu czujników temperatury w śrubie pociągowej 2. UKŁAD KOMPESANCJI ODSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH ŚRUB POCIĄGOWYCH Rys. 2. Moduł transmisji bezprzewodowej danych temperaturowych oraz śruba toczna z miejscem mocowania modułu Łatwy demontaż układu transmisji danych umożliwia złącze elektryczne oraz połączenie gwintowe (Rys. 2). Ograniczenie poboru mocy poprzez przechodzenie ukła- 146

3 JACEK ZAPŁATA, MIROSŁAW PAJOR, KAMIL STATECZNY du w stan uśpienia w okresach pomiędzy pomiarami umożliwiło zaimplementowanie zasilania bateryjnego. 2.2 MODEL ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH rejestrujące zmianę temperatury korpusu obrabiarki (rys. 3). Zainstalowano je odpowiednio w pobliżu ułożyskowania osi X (czujnik Tk1), ułożyskowania osi Z (czujnik Tk2) oraz w pobliżu głowicy wrzeciona (czujnik Tk3). Wartość odchyłki pozycjonowania powstającej na skutek odkształceń towarzyszących nagrzewaniu się śruby pociągowej osi napędowej zależna jest od rozkładu temperatury wzdłuż śruby tocznej, bieżącego położenia osi posuwu oraz od sposobu ułożyskowania tej osi: δ=f(x,t(x),u) (1) gdzie: δ - odchyłka pozycjonowania osi, xn - nominalne położenie osi, T(x) rozkład temperatury wzdłuż śruby pociągowej, U sposób ułożyskowania osi napędowej. Tokarka AVIA Turn posiada dwie osie posuwu liniowego: X i Z, których ułożyskowania zostały napięte wstępnie. Model użyty do obliczenia korekty ograniczającej wpływ odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania ma postać [11]: δ=α θ(x)dx C α θ(x)dx C α θ(x)dx (2) gdzie: α - współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału, z którego wykonano śrubę toczną, xn nominalne położenie nakrętki, L długość śruby pomiędzy ułożyskowaniami, θ(x) nadwyżka temperatury śruby T w stosunku do temperatury początkowej To, aproksymowana na podstawie danych z czujników temperatury: θ(x)=(x) (3) Współczynniki C1, C2 zależne są od rodzaju łożysk, siły z jaką napięte zostały ułożyskowania oraz sztywności wzdłużnej śruby. Współczynniki te zostały wyznaczone doświadczalnie [11]. Model korekty dla śruby tocznej napiętej wstępnie wykorzystującej sieci neuronowe opisano w publikacji [3]. Model korekty dla śruby ułożyskowanej w układzie łożysko ustalające łożysko łożysko pływające przedstawiono w publikacji [11]. 3. BADANIA DOŚWIADCZALNE 3.1 UKŁAD POMIARU DOKŁADNOŚCI POZYCJONOWANIA Do zweryfikowania dokładności funkcjonowania układu kompensacji wykorzystano interferometr laserowy Renishaw XL80. Na zdjęciu (rys.3) przedstawiono interferometr zamocowany w układzie umożliwiającym pomiar dokładności ruchów osi Z. Dla pomiaru dokładności przesuwu osi X układ zestawiono analogicznie. Na maszynie umieszczono dodatkowo trzy czujniki Rys. 3. Układ pomiaru temperatury i dokładności pozycjonowania zainstalowany dla osi Z tokarki AVIA TURN 3.2 PRZEBIEG POMIARÓW - OŚ Z Aby zmierzyć dokładność działania systemu, wykonano cykl doświadczeń, w których oś Z przemieszczała się w zróżnicowanych zakresach, z różnymi prędkościami (tabela 1.). Pomiędzy kolejnymi seriami ruchów cyklicznych wykonywano serie pomiarów dokładności pozycjonowania. Seria pomiarowa 0 została wykorzystana w celu usunięcia wpływu błędów geometrii obrabiarki na wyniki pomiarów. Tabela 1. Przebieg czynności pomiarowych - oś Z Czynność Seria pomiarowa 0 Seria pomiarowa 1 Seria pomiarowa 2 Seria pomiarowa 3 Seria pomiarowa 4 Opis Zakres: mm Prędkość: 30 mm/s Czas trwania: 30 min Zakres: mm Czas trwania: 20 min Zakres: mm Czas trwania: 20 min Pomiar dokładności pozycjono- 147

4 IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ( ) Seria pomiarowa 5 Seria pomiarowa 6 Seria pomiarowa 7 wania, Zakres: mm Czas trwania: 25 min Zakres: mm Prędkość: 80 mm/s Zakres: mm Prędkość: 80 mm/s 3.3 ZAREJESTROWANE TEMPERATURY OŚ Z W czasie przeprowadzanych pomiarów maksymalna zarejestrowana temperatura śruby osi Z (rys. 4) osiągnęła wartość 40 C w pobliżu ułożyskowań śruby tocznej umiejscowionych po przeciwnej stronie niż silnik. W obszarach ruchu nakrętki po śrubie tocznej odnotować można wyraźne maksima temperatury wynikające z wnikania do śruby strumienia ciepła generowanego przez elementy toczne poruszające się w nakrętce. Maksima te zmieniają swoje położenie wraz ze zmianą zakresów ruchu osi posuwu. Zakres ruchów wykonywanych przez oś Z wynosił ok. 650 mm. Całkowita długość śruby tocznej osi Z wynosiła 1510 mm. Odchyłki pozycjonowania rejestrowano w każdej serii pomiarowej w 7 punktach pomiarowych podczas 3 przejazdów w każdą stronę (). Rozkład odchyłek przedstawia rys. 5. Wartość maksymalnej zarejestrowanej odchyłki pozycji dla osi Z wyniosła 100 µm. Rys. 5. Odchyłki pozycjonowania osi Z bez kompensacji. Zastosowanie układu kompensacji odkształceń cieplnych pozwoliło znacznie ograniczyć wpływ odkształceń cieplnych osi na dokładność pozycjonowania. W przeprowadzonych pomiarach maksymalną odchyłkę wynoszącą ok. 100 µm zredukowano do wartości poniżej 10 µm. Wykres odchyłek po kompensacji przedstawia rys. 6. Rys. 6. Odchyłki pozycjonowania osi Z z kompensacją 3.5 PRZEBIEG POMIARÓW - OŚ X Rys. 4. Temperatury zarejestrowane podczas badań przez czujniki umieszczone w śrubie tocznej osi Z 3.4 ZAREJESTROWANE ODCHYŁKI POZYCJONOWANIA OŚ Z Analogiczny cykl doświadczeń przeprowadzono także dla osi X tokarki. Całkowita długość śruby tocznej osi X wynosiła 910 mm. Zakres prędkości i zakresów ruchów wykonywanych podczas pomiarów przestawiono w tabeli 2. Seria pomiarowa 0, została wykonana w celu usunięcia wpływu błędów geometrii obrabiarki na wyniki pomiarów. Tabela 2. Przebieg czynności pomiarowych - oś X Czynność Seria pomiarowa 0 Seria pomiarowa 1 Opis Pomiar dokładności pozycjonowa- 148

5 JACEK ZAPŁATA, MIROSŁAW PAJOR, KAMIL STATECZNY nia, Seria pomiarowa 2 Seria pomiarowa 3 Seria pomiarowa 4 Seria pomiarowa 5 Seria pomiarowa 6 Seria pomiarowa 7 Zakres ruchów: mm Zakres ruchów: mm Zakres ruchów: mm Zakres ruchów: mm Prędkość: 20 mm/s Czas trwania: 10 min Zakres ruchów: mm Prędkość: 80 mm/s Czas trwania: 10 min Zakres ruchów: mm Prędkość: 120 mm/s Czas trwania: 10 min Rys. 7. Temperatury zarejestrowane podczas badań przez czujniki umieszczone w śrubie tocznej osi X 3.7 ZAREJESTROWANE ODCHYŁKI POZYCJONOWANIA OŚ Z Zakres ruchów wykonywanych przez oś X wynosił ok. 300 mm. Odchyłki pozycjonowania rejestrowano w każdej serii pomiarowej w 9 punktach pomiarowych, w 3 przejazdach w każdą stronę (). Rys. 8 przedstawia zarejestrowane odchyłki pozycjonowania dla osi X. Aby zapewnić czytelność tego rysunku, przedstawiono na nim wyłącznie dane z pierwszego przejazdu w każdej z serii. Maksymalna zarejestrowana odchyłka pozycjonowania wynosiła ok. 35 µm. A maksymalna rozpiętość odchyłek wynosiła 45 µm. 3.6 ZAREJESTROWANE TEMPERATURY OŚ X Na rys. 7 przedstawiono temperatury zarejestrowane w czasie wykonywania pomiarów dokładności pozycjonowania dla osi X. Maksymalna zarejestrowana temperatura dla śruby tocznej tej osi osiągnęła wartość ok. 50 C w pobliżu ułożyskowań śruby tocznej umiejscowionych po przeciwnej stronie niż silnik. Rys. 8. Odchyłki pozycjonowania osi X bez kompensacji Odchyłki pozycjonowania po zastosowaniu układu kompensacji odkształceń cieplnych przedstawia rys. 9. Wprowadzenie kompensacji pozwoliło ograniczyć wpływ odkształceń cieplnych osi na dokładność pozycjonowania z poziomu ok. 35 µm do wartości poniżej 5 µm. 149

6 IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ( ) procesem montażu. Zademonstrowano, iż użycie opracowanego układu kompensacji pozwoliło ograniczyć rozpiętość wartość odchyłek pozycjonowania wynikających z odkształceń cieplnych dla osi Z z wartości ok. 100 µm do poziomu ok. 18 µm, przy zakresie ruchu 650 mm. Zaś dla osi X pozwoliło graniczyć wartość rozpiętości odchyłek pozycjonowania wynikających z odkształceń cieplnych z poziomu ok. 45 µm do poziomu ok. 7 µm, przy zakresie ruchu 300 mm. Rys. 9. Odchyłki pozycjonowania osi X z kompensacją 4. WNIOSKI W artykule zaprezentowano bezprzewodowy układ kompensacji odkształceń cieplnych śrub pociągowych obrabiarek CNC. Układ ten cechuje się wygodnym Wykazano doświadczalnie, że w przypadku osi posuwów maszyn obróbczych rozkład temperatury śrub tocznych wzdłuż ich osi może być daleki od jednolitego. Pokazano, że w zakresie ruchu nakrętki po śrubie może być obserwowane lokalne maksimum rozkładu temperatury wynikające z wnikania do śruby strumienia ciepła powstającego w wyniku tarcia elementów tocznych w nakrętce. Literatura 1. Jin C., Wu B., Hu Y.: Temperature distribution and thermal error prediction of a CNC feed system under varying operating conditions. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2016, Vol. 77, p Li Z., Fan K., Yang J., Zhang Y.: Time-varying positioning error modeling and compensation for ball screw systems based on simulation and experimental analysis International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2014, Vol. 73, p Pajor M., Zapłata J.: Intelligent machine tool: a thermal diagnostic system for a CNC pretensioned ball screw. Solid State Phenomena 2014, Vol , p Pajor M., Zapłata J.: Supervising and compensation of thermal error of CNC feed ball screw. Diagnostyka 2013, Vol. 14, p Ramesh R., Mannan M.A., Poo A.N.: Error compensation in machine tools: a review. P.2. Thermal errors. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2000, Vol. 40, p Shi H., Zhang D., Yang J., Ma C., Mei X., Gong G.: Experiment-based thermal error modeling method for dual ball screw feed system of precision machine tool. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2016, Vol. 82, p Shi H., Ma C., Yang J., Zhao L., Mei X., Gong G.: Investigation into effect of thermal expansion on thermally induced error of ball screw feed drive system of precision machine tools. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2015, Vol. 97, p Xu Z.Z., Choi C., Liang L.J., Li D.Y., Lyu S.K.: Study on a Novel Thermal Error Compensation System for High-Precision Ball Screw Feed Drive (1std Report: Model, Calculation and Simulation). International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing 2015, Vol. 16, No. 10, p Xu Z.Z., Liu X.J., Lyu S.K.: Study on Thermal Behavior Analysis of Nut/Shaft Air Cooling Ball Screw for High-Precision Feed Drive. International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing 2014, Vol. 15, No. 1, p

7 JACEK ZAPŁATA, MIROSŁAW PAJOR, KAMIL STATECZNY 10. Xu Z.Z., Liu X.J., Lyu S.K.: Study on Positioning Accuracy of Nut/Shaft Air Cooling Ball Screw for High- 2014, Vol. 15, No. 1, precision Feed Drive. International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing p Zapłata, J.: System kompensacji odkształceń cieplnych tocznych śrub pociągowych obrabiarki sterowanej nume- rycznie. Szczecin: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, 2014 Ten artykuł dostępny jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. Pewne prawa zastrzeżone na rzecz autorów. Treść licencji jest dostępna na stronie /pl/ 151