UKŁAD KOMPENSACJI ON-LINE ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH ŚRUBY POCIĄGOWEJ OSI POSUWU CNC

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 45, t. 4, rok 202 ISSN X UKŁAD KOMPENSACJI ON-LINE ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH ŚRUBY POCIĄGOWEJ OSI POSUWU CNC Mirosław Pajor a, Jacek Zapłata b Instytut Technologii Mechanicznej, Katedra Mechaniki i PKM, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie b jacek.zaplata@zut.edu.pl, a miroslaw.pajor@zut.edu.pl Streszczenie W artykule zaprezentowano układ umożliwiający kompensowanie odkształceń cieplnych śruby pociągowej obrabiarki. Opracowane rozwiązanie przeznaczone jest dla napędów konwencjonalnych ze sterowaniem numerycznym, obrotowo-impulsowym przetwornikiem obrotowym, śrubą toczną ułożyskowaną w układzie: węzeł ustalający węzeł swobodny. Przedstawiono schemat konstrukcyjny rozwiązania, ulepszony algorytm sterowania obrabiarki, stanowisko badawcze oraz wykonane na nim pomiary potwierdzające skuteczność funkcjonowania zaproponowanego układu. A SET FOR THE ON-LINE THERMAL ERROR COMPENSATION OF A CNC MACHINE FEED AXIS SCREW Summary The paper presents a novel set allowing to compensate the thermal error of a CNC machine feed axis screw. Invented solution is designed for a screw driven CNC axis, with encoder, in locating and non-locating bearing arrangement. Mechanical layout, modified control algorithm, test bed and results of conducted experiments proving correctness of introduced method were demonstrated.. WSTĘP Odkształcenia cieplne znacząco wpływają na dokładność realizacji procesów roboczych maszyn. Wpływ ten jest szczególnie istotny w przypadku obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC), gdzie wymagana jest wysoka dokładność w pozycjonowaniu narzędzia względem przedmiotu obrabianego. Powstały liczne opracowania dotyczące: źródeł ciepła [, 2, 3], modelowania rozpływu ciepła w zespołach korpusowych [4, 5] czy odkształceń cieplnych obrabiarek CNC [6, 7]. Negatywne efekty wynikające z rozszerzalności cieplnej nagrzewających się podczas pracy zespołów obrabiarki minimalizowane są metodami konstrukcyjnymi już na etapie projektowania. Dalsza poprawa dokładności pozycjonowania obrabiarek CNC w warunkach odkształceń cieplnych uzyskiwana jest poprzez zastosowanie układów diagnostycznych współpracujących z układem sterowania obrabiarki. Przykładem takiego rozwiązania, stosowanego w praktyce, jest cyklicznie realizowany pomiar współrzędnych końcówki narzędzia obróbkowego z zastosowaniem sondy dotykowej, w jednym wybranym punkcie przestrzeni roboczej obrabiarki [2,3]. Wspomniane rozwiązanie z uwagi na punktowy pomiar nie uwzględnia zmienności rozkładu błędu wolumetrycznego obrabiarki, wywołanego zjawiskami cieplnymi. Sposób realizacji pomiaru w stosunkowo odległych chwilach czasowych, nie odzwierciedla ciągłości zmian tego rozkładu w czasie. Ponadto wymagane jest cykliczne przerywanie procesu obróbki, co skutkuje obniżeniem jej wydajności. 6

2 Mirosław Pajor, Jacek Zapłata Opracowany, nowatorski układ kompensacji wpływu odkształceń cieplnych śruby pociągowej na dokładność pozycjonowania osi posuwu obrabiarki pozwala uwzględnić zmienność odkształceń cieplnych w czasie i przestrzeni (wzdłuż osi napędowej). Zaproponowana metoda kompensacji działa w czasie rzeczywistym, online, w sposób nie wymagający przerywania procesu obróbki skrawaniem. Wdrożona metoda bazuje na obliczaniu odkształcenia cieplnego śruby na podstawie oszacowania funkcji temperatury tej śruby wzdłuż jej osi. Oszacowanie funkcji temperatury odbywa się na podstawie danych pomiarowych z czujników rozmieszczonych wzdłuż osi śruby. Na podstawie informacji o wydłużeniu śruby i informacji o aktualnym położeniu stołu obliczana jest poprawka, zależna od bieżącej zadanej pozycji stołu. Poprawka ta, uwzględniona w systemie sterownia pozycją stołu, pozwala na redukcję wpływu odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania. 2. KONSTRUKCJA MECHANICZNA UKŁADU KOMPENSACJI Konstrukcja mechaniczna stanowiska jest analogiczna do w seryjnie produkowanych osi posuwu obrabiarek CNC. Węzły łożyskowe oraz śruba toczna pochodzą z komercyjnie produkowanej frezarki pionowej AVIA VC760. Śruba ułożyskowana jest w układzie węzeł A ustalający węzeł swobodny. Odczyt położenia ruchomego stołu dokonywany jest na podstawie pomiaru położenia kątowego wału silnika za pomocą obrotowoimpulsowego przetwornika kąta (ang. enkoder). Jest to pośredni pomiar położenia, z tego względu na jego dokładność istotny wpływ mają odkształcenia cieplne. Na rys.. przedstawiono schemat osi napędowej z zaznaczonym miejscem występowania tych odkształceń. x N(t) Rys.. Schemat osi napędowej posuwu Miniaturowe czujniki termistorowe (NTC) zamocowano w otworach Ø2mm wykonanych w równych odległościach, prostopadle do osi śruby. Niski termiczny opór kontaktowy oraz trwałość mocowania osiągnięto dzięki zastosowaniu do montażu cienkiej warstwy kleju termoprzewodzącego. Okablowanie czujników wyprowadzono otworem osiowym za pośrednictwem obrotowego konektora elektrycznego do przetwornika pomiarowego połączonego z komputerem czasu rzeczywistego. Akwizycja i przetwarzanie danych następuje on-line. Schemat rozwiązania zilustrowano rys. 2. Rys. 2. Schemat akwizycji, przesyłu i przetwarzania danych w układzie kompensacji odkształceń cieplnych śruby pociągowej 7

3 UKŁAD KOMPENSACJI ON-LINE ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH 3. INFORMATYCZNA WARSTWA UKŁADU KOMPENSACJI 3.. SPOSÓB OBLICZANIA POPRAWKI Na podstawie zbieranych pomiarów temperatury z poszczególnych czujników NTC, możliwa jest programowa, cykliczna kalkulacja korekty położenia stołu kompensującej odkształcenia termiczne śruby pociągowej. Obliczanie korekty odbywa się zgodnie z niżej przedstawionym algorytmem: kalkulacja nadwyżki θ(xi) temperatury poprzez θ( pomniejszenie zarejestrowanej przez i-ty czujniki temperatury T(xi) o temperaturę odniesienia wynoszącą Todnies 20ºC x i ) = T( xi ) T odnies () przybliżenie funkcji rozkładu temperatury sklejanymi funkcjami liniowymi θ( xi+ ) θ( xi ) θ aproks ( x) = ( x xi ) + θ( xi ), x ( xi; xi+ ) x x i+ i (2) 3.2. MODYFIKACJA ALGORYTMU STEROWANIA Uwzględnianie wartość obliczonej korekty w układzie sterowania ruchem osi napędowej wymaga dostępu do kodu źródłowego systemu sterowania. W przypadku popularnych na rynku programów wiąże się to z dodatkowymi wysokimi kosztami zakupu niezbędnej licencji. Alternatywą jest zastosowanie otwartego systemu sterowania, np. opracowanego w Centrum Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego otwartego systemu sterowania o nazwie O.C.E.A.N. [8, 9]. Wymagana jest modyfikacja tradycyjnego algorytmu sterowania poprzez zaimplementowanie bloku korekcyjnego (linia przerywana na rys. 3) dodającego poprawki pozycji zależnej od aktualnego zadanego położenie nakrętki. całkowanie aproksymowanej funkcji temperatury θaproks(x) w granicach od punktu położenia węzła łożyskowego ustalającego do punktu położenia nakrętki na śrubie tocznej, następnie, pomnożenie razy współczynnik rozszerzalności cieplnej x ( t ) Poprawka( x ( t)) = α θ ( x) d x (3) N N 0 aproks gdzie: xi współrzędna i-tego czujnika temperatury [mm] xn(t) aktualne zadane położenie nakrętki [mm] Todnies temperatura odniesienia, zgodnie z ISO- temperatura wynosząca 20ºC T(xi) temperatura zmierzona przez i-ty czujnik [ºC] θ(xi) nadwyżka temperatury zmierzona przez i-ty czujnik [ºC] θaproks (x) aproksymowana funkcja nadwyżki temperatury [ºC] α współczynnik rozszerzalności cieplnej. Zgodnie z normą ISO-:2002 standardową temperaturą odniesienia dla geometrycznej specyfikacji wyrobów jest 20ºC. Pomiary powinny być wykonywane w tej temperaturze, lub, jeśli jest to niemożliwe wyniki pomiarów wykonanych w innej temperaturze powinny być konwertowane do wartości odpowiadających pomiarom wykonanym w temperaturze 20ºC. Rys. 3. Metoda implementacji korekty położenia w układzie sterowania 3.3. IMPLEMENTACJA MODUŁU KOREKTY W SYSTEMIE STEROWANIA W zaproponowanym rozwiązaniu korekta obliczana jest w komputerze czasu rzeczywistego NI 9022, a następnie za pomocą protokołu ITP-UDP dane o funkcji odkształcenia termicznego wysyłane są do sterownika programowalnego B&R odpowiedzialnego za komunikację z falownikiem silnika PMSM. Obliczona w sterowniku poprawka jest uwzględniania w systemie sterowania pozycją stołu. Aplikacja obliczająca wartości korekty jest oddzielona strukturalnie od aplikacji odpowiedzialnej za sterowanie położeniem stołu. Pozwala to na pracę w różnych reżimach czasowych. Regulacja położenia stołu wymaga krótkich okresów trwania pętli na poziomie 200 μs, zmiany temperatury nie są tak gwałtowne. Wydłużenie okresu pętli aplikacji kalkulującej poprawkę pozwala na zaoszczędzenie zasobów obliczeniowych procesora. 8

4 Mirosław Pajor, Jacek Zapłata 4. WERYFIKACJA DOŚWIADCZALNA W celu weryfikacji poprawności funkcjonowania układu kompensacji przeprowadzono serię pomiarów, w których toku śruba była nagrzewana ruchami nakrętki wzdłuż osi śruby, a następnie samoistnie, konwekcyjnie chłodzona. W czasie chłodzenia się śruby wykonywano pomiary dokładności pozycjonowania interferometrem laserowym Renishaw XL80. Współpracujący z interferometrem kompensator XC80 został sprzęgnięty jedynie z czujnikiem ciśnienia, wilgotność i temperatury powietrza pomiar temperatury stanowiska został wyłączony. Rys. 4. Stanowisko pomiarowe, zintegrowane czujniki temperatury w śrubie pociągowej Zwierciadło półprzezroczyste umiejscowiono nieruchomo Tabela. Plan pomiarów nad węzłem łożyskowym. Drugie zwierciadło zamoco- Nr serii Czynność Opis wano na ruchomym stole osi posuwu. Stanowisko zaprezentowano na rys Pomiar. dokładności pozycjonowania Pomiar 2. dokładności pozycjonowania Pomiar 3. dokładności pozycjonowania Pomiar 4. dokładności pozycjonowania Pomiar 5. dokładności pozycjonowania Pomiar. dokładności pozycjonowania Pomiar 2. dokładności pozycjonowania Pomiar 3. dokładności pozycjonowania Pomiar 4. dokładności pozycjonowania Pomiar 5. dokładności pozycjonowania Pomiar. dokładności pozycjonowania Przed grzaniem zakres ruchów: mm;v = 30 mm/s; czas trwania 2h przed grzaniem zakres ruchów: mm; v = 50 mm/s; czas trwania 2h przed grzaniem 3 zakres ruchów: mm; v = 50 mm/s; czas trwania 2h Pomiar 2. dokładności pozycjonowania Pomiar 3. dokładności pozycjonowania Pomiar 4. dokładności pozycjonowania Pomiar 5. dokładności pozycjonowania Grzanie 2. poprzez ruchy nakrętki zakres ruchów: mm; v = 50 mm/s; czas trwania 2h Pomiar 6. dokładności pozycjonowania 2. Pomiar 7. dokładności pozycjonowania 2. Pomiar 8. dokładności pozycjonowania 2. Pomiar 9. dokładności pozycjonowania 2. przed grzaniem 4 zakres ruchów: mm; v = 50 mm/s; czas trwania 2h Grzanie 2. poprzez ruchy nakrętki zakres ruchów: mm; v = 40 mm/s; czas trwania 2h

5 UKŁAD KOMPENSACJI ON-LINE ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH Każdy cykl pomiaru dokładności pozycjonowania skłaprzejazdów (3 do pozycji końcowej i 3 do pozycji wyjściowej). W każdym przejeździe mierzono odchyłki pozycjonowania w 0 punktach pomiarowych. Zatem każdy pomiar składa się z 60 punktów. Plan dał się z 6 pomiarów przedstawiono w tabeli nr. Dodatkowo w czasie trwania pomiarów rejestrowano odczyty z czujników temperatury oraz wypracowane w układzie sterowania korekty. Sprawdzono niezawodność układu przy zmiennej temperaturze otoczenia, różnych zakresach położeń i prędkości ruchów posuwowych. Przykładowe wyniki pomiarów przedstawiono na rysunkach: 5a, 5b, 6 i 7 dla serii nr 3, której całkowity czas realizacji wynosił 6h (wyszczególniona w tab. ). Korekta w sterowaniau [μm] 20,0 00,0 80,0 Pomiar Pomiar 2 60,0 Pomiar 5 40,0 Pomiar 7 Pomiar 9 20,0 0, Położenie stołu [mm] Rys. 6. Korekty położenia dla wybranych pomiarów pozycjonowania, seria 3 0, Temperatura C pomiar 24 pomiar 2 pomiar 3 pomiar 4 pomiar 5 Odchyłka pozycjonowania [μm] 90,0 Pomiar 70,0 Pomiar2 50,0 Pomiar5 30,0 Pomiar7 Pomiar9 0,0 0-0, Położenie stołu [mm Rys. 7. Jednostronna odchyłka pozycjonowania kompensowanej osi napędowej zmierzona interferometrem laserowym, seria 3. Rys. 5. a) Temperatury zmierzone podczas serii 3, grzanie I, pomiar od do 5 Rys. 5. b) Temperatury zmierzone podczas serii 3, grzanie II, pomiar od 6 do Temperatura C pomiar 24 6 pomiar 7 pomiar 8 pomiar 9 Dla uwidocznienia skuteczności działania układu kompensacji, wykres wypracowanych przez układ sterowania korekt (rys. 6) oraz zmierzonych przez interferometr jednostronnych odchyłek pozycjonowania (rys. 7) przedstawiono w tej samej podziałce. Dla większej przejrzystości na rys. 7 przedstawiono jednostronną odchyłkę pozycjonowania pozbawioną składnika geometrycznego błędu poprzez zabieg numeryczny. Zmierzona dwukierunkowa dokładność pozycjonowania osi wynikająca z błędów geometrycznych, wynosiła 20 μm przy błędzie nawrotu 3 μm. Porównanie rys. 6 i 7 jednoznacznie dowodzi, iż osiągnięto bardzo dobry efekt redukcji składnika cieplnego błędu pozycjonowania wynikającego z odkształceń cieplnych śruby. Na prezentowanym wykresie (rys. 7) wartość Peak To Peak tego błędu wynosi 3,5μm przy maksymalnej wartości korekcji 4 μm (rys. 6). Maksy- 20

6 Mirosław Pajor, Jacek Zapłata malna zarejestrowana wartość tego błędu (Peak To Peak) na przestrzeni wszystkich serii (tab. ) wynosiła 7,5μm, przy maksymalnej wartości korekty wynoszącej 44 μm, oraz zakresie ruchu stołu 580mm. Maksymalna zmiana temperatury otoczenia w ciągu trwania pojedynczej serii wynosiła,5ºc. 5. WNIOSKI Dzięki zastosowaniu opisanego układu kompensacji odkształceń cieplnych śruby pociągowej możliwe jest skuteczne zredukowanie niekorzystnego wpływu ciepła, powstającego w czasie pracy osi napędowej, na dokładność pozycjonowania tej osi. W zaprezentowanym przykładzie jednostronna dokładność pozycjonowania w różnych stanach temperaturowych została poprawiona z 4μm do 4,5μm. Zaproponowana metoda podnosi dokładność osi napędowych wyposażonych w enkoder, które charakteryzują się niską ceną w porównaniu do osi wyposażonych dodatkowo w liniały optyczne bądź magnetyczne. Literatura. Różański L., Poloszyk S.: Zastosowanie termowizji w diagnostyce maszyn. Praca zbiorowa pod red. Henryka Madury: Pomiary termowizyjne w praktyce, Agenda Wydawnicza Pomiary Automatyka Kontrola, Warszawa 2004, s Jędrzejewski J.: Heat sources modeling and reduction in advance machine tools. In: Proc. of the VII Workshops on Supervising and Diagnostics of Machining Systems. Karpacz Winiarski Z., Kowal Z., Kwaśny W.: Modelowanie cieplnego zachowania się wrzeciennika ze złożonym napędem. Inżynieria Maszyn 200, R. 5, z. -2, s J. W. Li, et al.: Thermal-error modeling for complex physical systems: the state-of-arts review. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2009, 42, p Jong-Jin Kima, et al.: Thermal behavior of a machine tool equipped with linear motors. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2004, 44, p Wu C.-H., Kung Y.-T.: Thermal analysis for the feed drive system of a CNC machine. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2003, 43, p Alejandre I., Artes M.: Thermal non-linear behavior in optical linear encoders. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2006, 46, p Urbański Ł.: Układ sterowania o otwartej architekturze cyfrowego serwonapędu silnika PMSM. W: XII International PhD Workshop OWD 200, October. 9. Pietrusewicz K.: CNC open architectures. Control Engineering 2008,, p Majda P., Parus A.: Kompensacja cyklicznego błędu śruby pociągowej w obrabiarkach sterowanych numerycznie. Modelowanie Inżynierskie 20, nr 4, t. 0, s Pajor M., Zapłata J.: Compensation of thermal deformations of the feed screw in a CNC machine tool. Advances in Manufacturing Science and Technology 20, Vol. 45, No 4, p Renishaw: Tool setting probes Blum-novotest: Tactile tool setting, laser tool setting. 2