POPRAWA DOKŁADNOŚCI PROFILI KRZYWOLINIOWYCH OBRABIANYCH NA FREZARKACH CNC. Streszczenie

Transkrypt

1 DOI: /mechank Dr nż. Andrzej WERNER, dr hab. nż. Małgorzata PONIATOWSKA (Poltechnka Bałostocka): POPRAWA DOKŁADNOŚCI PROFILI KRZYWOLINIOWYCH OBRABIANYCH NA FREZARKACH CNC Streszczene Zaprezentowano metodykę poprawy dokładnośc frezowana profl krzywolnowych polegającą na korekcj błędów obróbk. Korekcja jest przeprowadzana off-lne przez wprowadzene do nomnalnego modelu CAD ( w konsekwencj do programu obróbkowego) poprawek kompensujących wpływy obróbk. Podstawą do przeprowadzena korekcj są odchyłk powerzchn wyznaczone w pomarach współrzędnoścowych. Wartośc odchyłek proflu po korekcj zawerały sę w grancach 0,0124 od do +0,0144 mm. Słowa kluczowe: profl krzywolnowy, model CAD, frezowane, odchyłka, korekcja programu obróbkowego IMPROVING ACCURACY OF CURVILINEAR PROFILES MACHINED ON CNC MILLING CENTRES Abstract The paper presents a methodology of mprovng accuracy of curvlnear profles obtaned n the mllng processes. The methodology conssts n correcton of machnng errors. Such correcton s performed off-lne by ntroducng to nomnal CAD model alteratons compensatng these nfluences. The bass for performng the correcton are surface devatons determned durng coordnate measurements. The values of devatons observed on the profle machned after the correcton accordng to the methodology had been ntroduced, were wthn the range of ( ) mm. 338

2 POPRAWA DOKŁADNOŚCI FREZOWANIA PROFILI KRZYWOLINIOWYCH OBRABIANYCH NA FREZARKACH CNC Andrzej WERNER 1, Małgorzata PONIATOWSKA 1. WPROWADZENIE Osągnęce wymaganej dokładnośc powerzchn wymaga często przeprowadzena kompensacj błędów obróbkowych. Jednym z przypadków stawającym szereg wyzwań z tym zwązanych jest wytwarzane na frezarskch centrach obróbkowych obektów opsanych za pomocą złożonych profl krzywolnowych. Stosowane są różne podejśca mające na celu podnesene dokładnośc frezowanych elementów. W lteraturze opsano metody kompensacj błędów geometryczno-ruchowych obrabarek uwzględnające ugęce narzędza w trakce obróbk oraz metody wykorzystujące wynk pomarów współrzędnoścowych w korekcj programów obróbkowych [1,2,3]. W ocene dokładnośc zarysów krzywolnowych najczęścej stosuje sę sterowane numeryczne współrzędnoścowe maszyny pomarowe (WMP) ze względu na ch unwersalność oraz wysoką dokładność. Jedną z metod kompensacj błędów obróbkowych jest metoda off-lne, w której dane do przeprowadzena korekcj uzyskuje sę na WMP. W artykule [4] zaproponowano przetestowano schemat poprawy dokładnośc powerzchn kształtowych wykorzystujący pomary off-lne. Aby określć rozkład odchyłek dane pomarowe były dopasowywane do proflu nomnalnego obrabanej powerzchn. Następne dokonano dekompozycj odchyłek na składową zdetermnowaną losową, które skojarzono odpowedno z falstoścą chropowatoścą obrabanego proflu. Informacje te posłużyły do kompensacj falstośc obrabanej powerzchn. Podobne podejśce zastosowano w pracy [5]. Prezentowana w nej metodyka sprawdzona została na przykładze płaskch profl krzywolnowych opsanych za pomocą NURBS [6]. 1 Poltechnka Bałostocka, Bałystok, ul. Wejska

3 Referat pośwęcono metodyce, w której korekcja błędów frezowana proflu krzywolnowego odbywa sę na podstawe wynków pomarów off-lne. Metodyka wymaga ntegracj takch zagadneń jak systemy CAD/CAM oraz współrzędnoścowa technka pomarowa. Na podstawe danych otrzymanych w pomarach wyznacza sę poprawk kompensujące wpływy obróbk, a następne koryguje śceżkę narzędza. W przypadku oceny odchyłek względem układu baz dużym wyzwanem jest zapewnene powtarzalnośc pozycjonowana przedmotu podczas obu etapów obróbk. 2. OCENA DOKŁADNOŚCI ZARYSÓW W ocene dokładnośc stotne jest sprawdzene, czy wyznaczona powerzchna zawera sę w polu tolerancj odpowednm dla badanej cechy. Pole tolerancj kształtu wyznaczonego zarysu jest zdefnowane mędzy dwema lnam, będącym obwednam położeń zboru okręgów o średncy t, przy czym wszystke te okręg leżą w jednej płaszczyźne, a ch środk na zaryse nomnalnym (rys. 1a). Inny przypadek pokazano na rys. 1b. Pole tolerancj ma analogczną defncję jak na rys. 1a ale powerzchna teoretyczna jest tu w określonym położenu kerunku względem elementu bazowego. W takm przypadku pole tolerancj kształtu obejmuje równeż odchyłk położena kerunku. a) b) Rys. 1. Pole tolerancj kształtu zarysu: a) bez elementu bazowego, b) względem elementu bazowego [7] W pomarach współrzędnoścowych na baze modelu CAD geometrę nomnalną reprezentuje wrtualna powerzchna modelu. Aby porównać otrzymane dyskretne dane pomarowe z modelem CAD, należy umeścć je we wspólnym układze współrzędnych. Wynk pomaru w zasadnczy sposób zależy od sposobu zdefnowana układu współrzędnych przedmotu. Do oceny odchyłk kształtu bez elementu bazowe- 340

4 go należy zlokalzować układ współrzędnych poprzez dopasowane danych pomarowych do modelu CAD (uwzględnając przesunęce obrót). Ta procedura powoduje rozdzelene odchyłek kształtu, położena kerunku. Jeśl wstępny układ współrzędnych przedmotu zdefnowano na elementach bazowych do oceny odchyłek położena kerunku, wówczas wartośc tych odchyłek można określć z wartośc parametrów dopasowana. Z procedurą dopasowana danych do modelu, z powodu natury danych, zwązana jest nepewność położena proflu zaobserwowanego względem modelu, a tym samym względem pola tolerancj, z czego wynkają stotne problemy zwązane z oceną dokładnośc zarysów krzywolnowych na baze modelu CAD. Planując pomar współrzędnoścowy należy odpowedno dobrać parametry pomaru krok próbkowana powerzchn średncę końcówk pomarowej, gdyż oba te parametry powodują fltrację geometryczno-mechanczną nerównośc, czyl decydują o zakrese nformacj o nerównoścach powerzchn reprezentowanych w danych pomarowych. Podstawą doboru pownny być m.n. chropowatość powerzchn oraz wartość tolerancj kształtu [8]. 3. METODYKA POPRAWY DOKŁADNOŚCI FREZOWANIA Założenem metod off-lne jest korekcja śceżk narzędza lub parametrów obróbk oparta na zaobserwowanym rozkładze odchyłek powerzchn. W perwszym etape zastosowanej metodyk opracowuje sę model CAD obrabanego przedmotu reprezentujący geometrę nomnalną. Na jego podstawe generuje sę program obróbkowy w środowsku CAD/CAM. Program ten realzowany jest na frezarce CNC, po czym przeprowadzane są pomary obrobonej powerzchn. Pomary wykonuje sę na WMP, co wąże sę ze zdjęcem przedmotu z obrabark, umeszczenem go na maszyne, odpowednm zamocowanu zdefnowanu jego układu współrzędnych, a następne wygenerowanem punktów pomarowych na modelu CAD. W pomarach otrzymuje sę dane o lokalnych odchyłkach powerzchn, czyl odległoścach punktów pomarowych od odpowadających m punktów na modelu nomnalnym CAD. Dane te są podstawą do wyznaczena wartośc rozkładu odchyłek. Jeśl wartośc odchyłek meszczą sę w polu zgodnośc ze specyfkacją, a węc dokładność obróbk jest zgodna z założoną, korekcja programu ne jest koneczna. W przecwnym wypadku należy wyznaczyć poprawk kompensujące wpływy obróbk (wartośc odchyłek ze znakem przecwnym), na ch podstawe przebudować model geometryczny CAD, następne wygenerować skorygowany programu obróbkowy ponowne zrealzować obróbkę. Ocenę dokładnośc powerzchn otrzymanej po korekcj programu obróbkowego przeprowadza sę stosując opracowany wcześnej program pomarowy. Należy przypomneć, że procedura pomaru na WMP mus być zgodna ze specyfkacją geometryczną. Pomary można wykonać w odnesenu do układu baz, bądź bez odnesena do układu baz, co opsano w rozdz

5 4. BADANIA DOŚWIADCZALNE Metodę weryfkowano próbce wykonanej ze stopu alumnum PA6. Profl opsano krzywą NURBS trzecego stopna zbudowaną na weloboku kontrolnym o pętnastu punktach kontrolnych (rys. 2). Długość krzywej wynosła 213,64 mm. Rys. 2. Krzywa NURBS wraz z łamaną kontrolną Obróbkę przeprowadzono na frezarskm centrum obróbkowym VMC-1020S/A OMNIS. Próbkę zamocowano w precyzyjnym madle. Powerzchn bazowe do były każdorazowo obrabane, aby zmnmalzować różnce w pozycjonowanu podczas obróbk pomarów. Zastosowano frez walcowo-czołowy o średncy 12 mm, prędkość obrotową 5000 obr/mn oraz posuw 500 mm/mn. Obrobony przedmot pokazano na rys. 3. Rys. 3. Obrobony przedmot 342

6 4.1. AKWIZYCJA DANYCH POMIAROWYCH Pomary przeprowadzono na WMP GLOBAL Performance z głowcą SP25M (oprogramowane PC DMIS, MPE E =1,5+L/333 µm). Zastosowano trzpeń pomarowy 20 mm z końcówką d = 2 mm. W opcj UV Scan, zmerzono współrzędne 200 równomerne rozmeszczonych punktów pomarowych, odległość mędzy punktam pomarowym wynosła w przyblżenu 1 mm. Pomary wykonano względem układu baz rozkład punktów pomarowych oraz elementy geometryczne bazowe przedstawono na rys. 4. Wartośc odchyłek prezentuje wykres na rys. 5. Rys. 4. Rozkład punktów pomarowych w programe PC DMIS Rys. 5. Wartośc odchyłek proflu po obróbce wstępnej Analza wykresu (rys. 5) wskazuje, że rozkład odchyłek jest nerównomerny na jednej połowe proflu sęgają one do -0,1356 mm, a węc bardzo dużo jak na ten rodzaj obróbk z wykorzystanem obrabark CNC, natomast pomędzy 120. a 200. punktem pomarowym maksymalna wartość odchyłek to +0,0307 mm. W tym przypadku ne jest możlwe uzyskane mnejszych odchyłek przez regulację tzw. offsetu narzędza czy zmanę parametrów obróbkowych. W tej sytuacj jedyną możlwą metodą uzyskana mnejszych odchyłek jest korekcja programu obróbkowego z wykorzystanem proflu skorygowanego. 343

7 4.2. WYZNACZENIE PROFILU SKORYGOWANEGO Z programu pomarowego wydzelono przenesono do arkusza kalkulacyjnego współrzędne nomnalnych punktów pomarowych, cosnusy kerunkowe oraz wartośc odchyłek zaobserwowanych. Na podstawe danych z pomarów oblczono składowe odchyłek zaobserwowanych w każdej z os układu współrzędnych. Skorzystano z zależnośc: T = T cos β x y T = T cosα gdze: numer punktu pomarowego, T wartość odchyłk zaobserwowanej w punkce pomarowym, T x, T y składowe odchyłk zaobserwowane, cosα ι, cosβ ι cosnusy kerunkowe w punkce pomarowym. Składowe odchyłek posłużyły do wyznaczena współrzędnych punktów skorygowanych. Oblczono je, korzystając ze wzoru: (1) x kor y kor = x = y gdze: nom nom x, y współrzędne punktów nomnalnych, kor kor x, y współrzędne punktów skorygowanych. Uzyskane współrzędne posłużyły do wyznaczena proflu skorygowanego. W tym celu wprowadzono nowe współrzędne do programu MasterCAM, po czym nterpolowano przez ne nową krzywą NURBS. Wygenerowano skorygowany program obróbkowy korzystając z poprzedno wprowadzonych parametrów obróbk, zamenwszy jedyne profl nomnalny na profl skorygowany, a następne przeprowadzono obróbkę. nom nom T x T y (2) 4.3. OCENA DOKŁADNOŚCI POWIERZCHNI PO KOREKCJI W ocene dokładnośc powerzchn zastosowano tę sama procedurę pomaru, co po obróbce wstępnej. Wynk pomarów pokazano na rys. 6. Dla porównana zameszczono równeż wykres odchyłek przed korekcją. W tab. 1 porównano wartośc odchyłek z uwzględnenem ch znaku oraz średnch arytmetycznych odchyłek przed po korekcj. Dla proflu skorygowanego ocenono odchyłkę kształtu zarówno w odnesenu do układu baz, jak równeż po dopasowanu danych do modelu CAD, czyl po oddzelenu odchyłek kerunku położena (patrz rozdz. 2) 344

8 Rys. 6. Wartośc odchyłek proflu po korekcj programu Tab. 1. Parametry statystyczne odchyłek po korekcj mm Odchyłk przed korekcją Odchyłk po korekcj Dane względem baz Odchyłk po korekcj Dane po dopasowanu do modelu CAD Średna arytmetyczna -0, ,0014 0,0014 Mn./Max. -0,1356/+0,0073-0,0124/+0,0144-0,0098/0,0130 Wysokość proflu 0,1429 0,0268 0,0228 Odchyłka kształtu 0,2712 0,0288 0,0196 Analza wykresu (rys. 6) wskazuje, że wartość bezwzględna najwększej odchyłk przed korekcją to 0,1356 mm, natomast po korekcj to 0,0144 mm. Oznacza to, że wartośc odchyłek kształtu wynoszą odpowedno 0,2712 mm oraz 0,0288 mm. Osągnęto węc redukcję odchyłek o ok. 90%. Ponadto można zaobserwować, że po korekcj rozkład odchyłek proflu jest równomerny. Po oddzelenu odchyłek położena kerunku odchyłka kształtu proflu wynosła 0,0098 mm, odchyłk położena względem baz w kerunkach x y (rys. 5) wynosły odpowedno 0,0023mm oraz 0,0083 mm. 5. WNIOSKI W referace przedstawono procedurę poprawy dokładnośc frezowana profl krzywolnowych polegającą na wyznaczenu poprawek kompensujących na podstawe wynków pomarów a WMP, modyfkacj nomnalnego modelu CAD, następne korekcj programu obróbkowego oraz ponownej obróbce na podstawe zmodyfkowanego modelu CAD. Umożlwa ona kompensację błędów obróbk różnego pochodzena. Ingerencja w program obróbkowy umożlwa trwałe wprowadzene poprawy dokładnośc do obróbk konkretnego detalu, bez względu na welkość ser. Sam proces korekcj można przeprowadzać klkukrotne, aż do uzyskana pożądanej dokładnośc 345

9 wymarowo-kształtowej. Skuteczność wybranej metody korekcj potwerdza analza wynków pomarów. Wynk weryfkacj dośwadczalnej wskazały znaczną redukcję odchyłk kształtu proflu, z wartośc 0,2712 mm na 0,0288 mm, czyl o ok. 90%. Take wynk były możlwe dzęk welkej starannośc w pozycjonowanu próbek podczas obróbk pomarów. LITERATURA [1] CHOI J.P., MIN B.K., LEE S.J., Reducton of machnng errors of a three-axs machne tool by onmachne measurement and error compensaton system. W: Journal of Materals Processng Technology, vol , 2004, pp [2] CHO M.-W., KIM G.-H., SEO T.-I., HONG Y.-C., CHENG H., Integrated machnng error compensaton method usng OMM data and modfed PNN algorthm. W: Internatonal Journal of Machne Tools & Manufacture, vol. 46, 2006, pp [3] CHEN Y., GAO J., DENG H., ZHENG D., CHENA X, KELLY R., Spatal statstcal analyss and compensaton of machnng errors for complex surfaces. W: Precson Engneerng, vol. 37, 2013, pp [4] YANG B.D., MENQ C.H., Compensaton for form error of end-mlled sculptured surfaces usng dscrete measurement data. W: Internatonal Journal of Machne Tools and Manufacture, vol. 33, Issue 5, 1993, pp [5] LECHNIAK Z., WERNER A., SKALSKI K., KĘDZIOR K., Methodology of off-lne software compensaton for errors n the machnng process on the CNC machne tool. W: Journal of Materals Processng Technology, vol. 76, 1998, pp [6] PIEGL L., TILLER W., The NURBS book, 2nd ed. New York, Sprnger-Verlag, [7] PN-EN ISO 1101:2006. Specyfkacje geometr wyrobów (GPS) Tolerancje geometryczne: Tolerancje kształtu, kerunku, położena bca. [8] PONIATOWSKA M., Pomary współrzędnoścowe analza odchyłek geometrycznych powerzchn swobodnych. Monografa. Ofcyna Wydawncza Poltechnk Bałostockej, Bałystok