Paweł MAJDA 1 POMIARY I KOMPENSACJA BŁĘDÓW GEOMETRYCZNYCH OBRABIAREK CNC 1. IDEA KOMPENSACJI BŁĘDÓW OBRABIAREK CNC

Transkrypt

1 InŜnieri Msn R łęd geometrne klirj orirek Pweł MAJDA 1 POMIARY I KOMPESACJA BŁĘDÓW GEOMETRYCZYCH OBRABIAREK CC Zwięksenie dokłdnośi wtwrni predmiotów orinh tehniką skrwni moŝn osiągnąć międ innmi popre kompensownie łędów. Tpowm prkłdem tkih łędów są niedokłdnośi geometrne orirki. W rtkule predstwiono ideę kompensowni prestrennego łędu pojonowni orirki CC e wględu n jej niedokłdnośi geometrne. Zpreentowno wrne metod doświdlnej identfikji łędów or predstwiono prkłd ih wiuliji mpę łędu w prestreni oróej trójosiowej frerki. 1. IDEA KOMPESACJI BŁĘDÓW OBRABIAREK CC Jednm podstwowh dń funkjonlnh jkie powinn reliowć kŝd orirk jest dolność do odtwrni jednostki długośi pre element espołów wkonwh msn. W orirkh sterownh numernie CC dnie to musi ć dodtkowo reliowne w wrunkh dnminh tj. pods wkonwni progrmownej trjektorii ruhu nrędi wględem predmiotu orinego. Poprwność reliji tkiego dni moŝn shrkterowć i oenić popre wniki normliownh dń dokłdnośi i powtrlnośi pojonowni [11] or wniki pomiru sterownego numernie ruhu interpolją liniową kołową i/lu kątową li tw. pró kinemtne. sególną uwgę sługuje wkonnie testu kołowośi [12] li pró kinemtnej interpolją kołową uŝiem pręt teleskopowo kulowego [8]. Test tki jest stosunkowo prost w reliji i dostr wniki n podstwie którh moŝn identfikowć słe ogniw orirki e wględu n omwine dnie funkjonlne. Opró oen włśiwośi dnminh serwonpędu powl on identfikowć tkŝe kilk włśiwośi odnosąh się epośrednio do ukłdu konstrukjnego orirki np. lu w nkrętkh śru poiągowh prostoliniowośi or prostopdłośi osi łęd kline śru poiągowh łęd pojonowni. Omwin rodj dni stnowi disij podstwę oen eh uŝtkowh orirek skrwjąh 1 Zhodniopomorski Uniwerstet Tehnologin w Seinie Wdił InŜnierii Mehninej i Mehtroniki ITM Al. Pistów Sein e-mil: Pwel.Mjd@ut.edu.pl

2 Pomir i kompensj łędów geometrnh orirek CC 127 CC. Dl konstruktorów orirek jest sególnie enn o w rdo krótkim sie dostr oen serokiego spektrum włśiwośi msn i powl wtć kierunki segółowh dń jej podespołów. Prkłdem dni segółowego orirek CC jest dnie dokłdnośi i powtrlnośi pojonowni osi. Jest ono usdnione w stuji gdie minimliowno podstwowe źródł łędów wiąnh funkjonowniem serwonpędów. Wniki tkiego dni są podstwą klirji ukłdów reliująh premieseni liniowe i/lu kątowe. Klirję preprowd się popre wprowdenie do ukłdu sterowni orirki tli wrtośi n podstwie której lgortm w ukłdie sterowni oli skorgowne połoŝenie dne popre dodnie poprwki do wrtośi nominlnej połoŝeni. Usknie tli poprwek i hrkterstk pojonowni osi odw się njęśiej wkorstniem interferometru lserowego. Urądenie tkie jest drogie jednk powl uskć w wrunkh premsłowh wniki o duŝej dokłdnośi. MoŜn n dień disiejs rkowć stwierdenie Ŝe nie m n polskim rnku dostępnh innh sstemów pomirowh które powolił uskć więkse dokłdnośi pomiru premieseni prędkośi i prśpieseni osi orirek. Po eliminji łędów wiąnh diłniem serwonpędów o sprowd się do optmliji nstw regultorów e wględu n dokłdność pojonowni w wrunkh dnminh or po klirji osi e wględu n lu wrotne i dokłdność pojonowni moŝn prstąpić do tw. pełnej klirji orirki e wględu n łęd geometrne. Pre tego kresu są ktulnie w osre interesowń wielu ośrodków dwh [1-2][4][9-10][13][17][21-22]. Pełn klirj orirki poleg n roptreniu dl kŝdej osi liniowej treh odhłek trnsljnh tj. pojonownie or dwie odhłki prostoliniowośi i treh odhłek rotjnh pith w roll or wjemnh prostopdłośi osi. Dl orirki sterownej w treh osih mm łąnie 21 skłdowh tw. łędów kinemtnh [5]. podstwie njomośi tkih łędów mpuje się w łej prestreni rooej msn łąd pojonowni tw. łąd ojętośiow ng. volumetri error. Błąd tki jest podstwą kompensji trjektorii nrędi wględem predmiotu orinego e wględu n niedokłdnośi geometrne msn. Bdni orirki w omwinm kresie preprowd się w nstępująh etph: nli struktur kinemtnej oiektu dń. Etp ten powinien ć końon udowniem mtemtnego modelu łędu dl łej prestreni rooej msn pomir doświdlne które moŝn preprowdić n dw róŝne sposo e wględu n stosowne metod pomiru. Bepośrednie [16] pomir posególnh skłdowh łędów kinemtnh njęśiej interferometrem lserowm i poiomnimi elektroninmi lu tw. pośrednie pomir łędu ojętośiowego [16] pomoą róŝnego rodju worów mterilnh [2-3][21] lu wkorstniem interferometrów śledąh [14-15][17] wnenie w łej prestreni rooej msn łędu ojętośiowego implementj sstemu kompensji w orire. Osttni podpunkt powŝsej list w odniesieniu do kompensji łędu ojętośiowego reliown jest wg róŝnh sposoów. jprostsm podejśiem jest modfikownie progrmów orókowh. Skomplikowne trjektorie progrmownego

3 128 Pweł MAJDA ruhu nrędi wględem predmiotu orinego dskretuje się odinkmi prostoliniowmi którh współrędne koń i poątku są korgowne o poprwki wnikjąe olień łędu ojętośiowego. Konkretn egemplr orirki wposŝ się opjonlnie w postproesor słuŝą do modfikowni progrmów orókowh [18]. Inne podejśi proponują wkonwnie olień wrtośi korekjnh poji dnej w ukłdie sterowni orirki w sie rewistm. Algortm olieniowe ują n njomośi mp łędu w wrnh punkth prestreni oróej [20] lu n njomośi modelu łędu ojętośiowego wr hrkterstkmi łędów kinemtnh orirki [7]. Ideę kompensji łędów geometrnh orirki orowno n poniŝsej ilustrji: Rs. 1. Ide kompensji łędów geometrnh orirki CC Fig. 1. Geometri error of CC mhine tool ompenstion ide... PO S e... PO e PO S S e

4 Pomir i kompensj łędów geometrnh orirek CC PRZYKŁAD MAPOWAIA BŁĘDÓW OBRABIARKI CC jwŝniejsm etpem poprwnej klirji orirki e wględu n jej niedokłdnośi geometrne jest etp poskiwni hrkterstk doświdlnh posególnh łędów kinemtnh w tm tkŝe hrkterstk dokłdnośi pojonowni osi. PoniŜej predstwiono prkłdowe wniki dń doświdlnh dokłdnośi i powtrlnośi pojonowni studilnej konstrukji orirki utworonej pre korpus trójosiowego entrum frerskiego tonmi połąenimi prowdniowmi i prestreni oróej o wmirh Bdni te preprowdono w Insttuie Tehnologii Mehninej Zhodniopomorskiego Uniwerstetu Tehnologinego. Studiln orirk jest now i po dotriu. Posid on otwrt ukłd sterowni CC o stwr moŝliwość dni nowo oprownh lgortmów kompensji. Pred dnimi reliowno odpowiedni kl rogrewni orirki ustiliowć ją terminie. podstwie mieronh hrkterstk generowno tlię którą nstępnie wkorstno w ukłdie sterowni orirki do kompensji on-line poji dnej w osi. W tli kompensji uwględniono wrot reliownego połoŝeni phnie iągnięie o powoliło skompensowć tkŝe lu wrotne w posególnh osih. Dokłdność i powtrlność pojonowni mierono interferometrem lserowm. Według dnh produent interferometru dokłdność pomiru premieseń liniowh e uwględnini poprwek wnikjąh roserlnośi ieplnej mteriłu wnosi MPE±05ppm. Segółow nli niepewnośi tego pomiru powl osowć jego niepewność roseroną k2 n poiomie ok. 6µm n jeden metr długośi osi or pr róŝni tempertur 5 o C w stosunku do tempertur normlnej. Pods pomirów stosowno kompensję długośi fli świtł lserowego e wględu n temperturę iśnienie i wilgotność powietr o powoliło więksć dokłdność pomiru. PołoŜenie interferometru i reflektor wględem sieie or romiesenie ujników tempertur pods dni osi X predstwi poniŝs rsunek. Rs. 2. Widok orirki pods pomirów dokłdnośi i powtrlnośi osi X Fig. 2. View of mhine tool t the mesurement of ur nd repetilit of the X is

5 130 Pweł MAJDA Rsunki 3 i 4 predstwiją prkłdowe wniki pomirów dokłdnośi i powtrlnośi pojonowni. Wkres sporądono dl pomirów pred i po kompensji połoŝeni dnego w ukłdie sterowni orirki. Wskźniki widone w osre rsunków olino godnie leenimi norm [11]. Rs. 3. Chrkterstk dokłdnośi i powtrlnośi pojonowni osi X pred kompensją Fig. 3. Chrteristi of the ur nd repetilit of the X is efore ompenstion Rs. 4. Chrkterstk dokłdnośi i powtrlnośi pojonowni osi X po kompensji Fig. 4. Chrteristi of the ur nd repetilit of the X is fter ompenstion

6 Pomir i kompensj łędów geometrnh orirek CC 131 rs.4 widon jest hrkterstk której wnik Ŝe średni dwukierunkow dokłdność pojonowni orirki po kompensji poji dnej jest n poiomie 01µm. leŝ podkreślić Ŝe wnik tki moŝliw jest do uskni tlko w wrunkh lortorjnh. Bdni reliowno w klimtownm pomieseniu gdie utrmwno stłą temperturę pred i pods dń. Pondto orirk ł now. W rewisth wrunkh eksplotji hoiŝ e wględu n oddiłwni temperturowe i efekt uŝi orirki nleŝ spodiewć się nnie więksh wrtośi wskźników hrkterująh dokłdność jk i powtrlność pojonowni osi. Do udowni modelu tw. pełnej kompensji volumetri error orirki nieędn jest njomość opró odhłek trnsljnh tkŝe odhłek prostopdłośi osi or odhłek rotjnh. rs.5 predstwiono prkłdowe wniki pomirów dwukierunkowh odhłek rotjnh tpu shodenie kursu w otrmnh uŝiem interferometru lserowego or skoku pith otrmnh uŝiem poiomni elektroninh. Mierenie odhłek kątowh wg dnh produent interferometru lserowego odw się dokłdnośią wskń MPE±0.2%±0.5±0.1M µm/m gdie M jest dstnsem pomirowm w metrh. tomist ih mierenie poiomnimi elektroninmi moŝn preprowdić dokłdnośią wskń MPE±0.2%±2.5±0.1M. Powtrlność preentownh w niniejsej pr pomirów roumin jko predił 4σ kstłtowł się n poiomie ok. 2 6µm/m dl interferometru lserowego i 3 12µm/m dl poiomni elektroninh. Wdą poiomni elektroninh jest ih tendenj do rku stilnośi wskń. Wkują prpdkow drft płnięie nwet w stiliownh terminie wrunkh pomiru. Zletą uŝwni poiomni do dń orirek jest prostot preprowdni i krótki s reliji pomirów gdŝ nie wmgją justowni sstemu pomirowego. KŜd preentownh poniŝej wkresów predstwi ter wrint pomiru które wkonno dl róŝnh poji umiejsowieni prtur pomirowej n stole orirki pods dń tj. w tereh nroŝnikh stołu. Yw [µm/m] Rs. 5. Prkłdowe wniki pomirów odhłek rotjnh osi X interferometrem lserowm i poiomnimi elektroninmi Fig. 5. An emple of the mesurements of the ngulr error of the X is mesured with lser interferometer nd eletronil levels

7 132 Pweł MAJDA Mją do dspoji model łędu ojętośiowego or wniki dń dl treh osi tj. 18 hrkterstk łędów kinemtnh or 3 wrtośi odhłek prostopdłośi osi sporądono dl dnej orirki mpę łędu w łej prestreni oróej. Wiuliję tego łędu predstwiono n rs.6. jko stoŝki. StoŜki te odworowują wielkość wektorową jką jest łąd ojętośiow. Ih wsokość jest proporjonln do wrtośi olionego łędu oś stoŝk pokrw się kierunkiem łędu wpdkowego ntomist środek podstw pokrw się punktem prestreni rooej w którm olino łąd. Opró stoŝków n rs.6 predstwiono tkŝe wiuliję w posti powierhni któr twor ojętość. Wewnątr tej ojętośi wrtość łędu jest mniejs niŝ ritrlnie prjęte 2 5 i 10µm. Preentowne n rs.6 wiulije łędu ojętośiowego wgenerowno w konkretnie prjęth punkth prestreni oróej. tkiej smej sdie moŝn wgenerowć wrtośi łędu jko poprwki korgująe dl kŝdej osi nieleŝnie dl dowolnh punktów poji dnej w progrmie orókowm. Cli moŝn w ten sposó więksć dokłdność pojonowni orirki w jej prestreni oróej. Rs. 6. Wiulij łędu ojętośiowego trójosiowej orirki CC Fig. 6. The visulistion of the volumetri error of three is CC mhine tool Oenie w Insttuie Tehnologii Mehninej ZUT w Seinie trwją dni werfikjne którh elem jest ustlenie wpłwu kompensowni łędu ojętośiowego trójosiowej frerki nie tlko n dokłdność ruhu elementów wkonwh orirki le tkŝe n dokłdność kstłtowni predmiotów orinh.

8 Pomir i kompensj łędów geometrnh orirek CC WIOSKI Opisne diłni mją n elu poprwę dokłdnośi prestrennego pojonowni nrędi wględem predmiotu orinego o tm idie poprwę dokłdnośi kstłtowni predmiotów orinh tehniką oróki skrwniem. Kompensj łędu ojętośiowego jest stndrdem jki się stosuje w elu więkseni dokłdnośi pomiru wielkośi geometrnh n współrędnośiowh msnh pomirowh. dl jednk moŝliwośi ukłdów sterowni orirek skrwjąh mją ogrnione moŝliwośi w tm kresie [6]. Prewiduje się Ŝe do roku 2012 od 30 do 50% nowh orirek ędie posidło moŝliwość pełnej kompensji łędu ojętośiowego [16]. Dedująe nenie dl rowoju rnku i tehnologii wiąnej kompensją łędu ojętośiowego ędie mił dostęp do interfejsów wposŝeni metrologinego or dostęp do proedur kompensji posególnh łędów kinemtnh w ukłdh sterowni orirek. Pr nukow finnsown e środków n nukę w lth jko projekt dw. LITERATURA [1] BOHEZA E. L.J. ARIYAJUYAB B. SILAPEECHEEWAC S. CH. T. M. M. LAPD D. T. BELFORTEE T Sstemti geometri rigid od error identifition of 5-is milling mhines Computer-Aided Design 39/ [2] BRIGMA B. KAPP W Mhine tool lirtion: Geometri test unertint depends on mhine tool performne Preision Engineering 33/ [3] CHOI J.P. MIB B.K. LEE S.J Redution of mhining errors of three-is mhine tool onmhine mesurement nd error ompenstion sstem Journl of Mterils Proessing Tehnolog [4] DHUPIA J. POWAŁKA B. ULSOY G. KATZ R Dnmis of the rh-tpe reonfigurle mhine tool Interntionl Journl of Mhine Tools nd Mnufture 47/ [5] EKICI T.O. MAYER J.R.R Reltionships etween strightness nd ngulr kinemti errors in mhines Interntionl Journl of Mhine Tools & Mnufture 47/ [6] [7] Błędom orirek mówim IE. [8] [9] LEI W.T. PAUG I.M Totl llr dnmi tests for five-is CC mhine tools Interntionl Journl of Mhine Tools & Mnufture 49/ [10] MAJDA P Smuljne dni dokłdnośi geometrnej trójosiowej orirki skrwjąej MwTW mterił konferenjne ISB Ponń śerków [11] P-ISO Prepis dni orirek Wnnie dokłdnośi i powtrlnośi pojonowni osi sterownh numernie. [12] P-ISO Prepis dni orirek Bdnie okrągłośi w orirkh sterownh numernie. [13] RAKSIRI CH. PARICHKU M Geometri nd fore errors ompenstion in 3-is CC milling mhine Interntionl Journl of Mhine Tools & Mnufture 44/ [14] SCHEIDER C.T Lsertrer new tpe of self trking lser interferometer CER Genev 4-7. [15] SCHWEKE H. FRAKE M. HAAFORD J Error mpping of CMMs nd mhine tools single trking interferometer CIRP Annls - Mnufturing Tehnolog 54/1/ [16] SCHWEKE H. KAPP W. HAITJEMA H. WECKEMA A. SCHMITT R. DELBRESSIE F Geometri error mesurement nd ompenstion of mhines - An updte CIRP Annls - Mnufturing Tehnolog 57/

9 134 Pweł MAJDA [17] SCHWEKE H. SCHMITT R. JATZKOWSKI P. WARMAA C On-the-fl lirtion of liner nd rotr es of mhine tools nd CMMs using trking interferometer CIRP Annls - Mnufturing Tehnolog 58/ [18] SHE C. H. CHAG C. C.: 2007 Design of generi five-is postproessor sed on generlied kinemtis model of mhine tool Interntionl Journl of Mhine Tools & Mnufture 47/ [19] TUREK P. MODRZYCKI W. JĘDRZEJEWSKI J Anli metod kompensji łędów orirek InŜnieri Msn 15/ [20] WAG S.M. LIU Y.L. KAG Y. 2002An effiient error ompenstion sstem for CC multi-is mhines Interntionl Journl of Mhine Tools & Mnufture 42/ [21] WOODY B. A. SMITH K. S. HOCKE R. J. MILLER J. A A Tehnique for Enhning Mhine Tool Aur Trnsferring the Metrolog Referene From the Mhine Tool to the Workpiee ASME 636/129 June [22] ZARGARBASHI S.H.H. MAYER J.R.R Assessment of mhine tool trunnion is motion error using mgneti doule ll r Interntionl Journl of Mhine Tools & Mnufture 46/ GEOMETRIC ERROR MEASUREMET AD COMPESATIO OF MACHIE TOOL CC The enhnement of mhining preision of workpiee n e hieved in emple error ompenstion. The tpil emple of suh errors n e geometri inuries of mhine tool. This pper presents n ide of volumetri error of CC mhine ompenstion due to its geometri inuries. The methods of eperimentl errors identifition hs een presented long with its visulition mpping errors in tri-il milling mhine workspe.