WYZNACZANIE DOKŁADNOŚCI URZĄDZEŃ TECHNOLOGICZNYCH METODĄ INTERPOLACJI KOŁOWEJ

Transkrypt

1 2/2010 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU WYZNACZANIE DOKŁADNOŚCI URZĄDZEŃ TECHNOLOGICZNYCH METODĄ INTERPOLACJI KOŁOWEJ Tadeusz KOWALSKI, Robert JASTRZĘBSKI, Anna SZEPKE, Paweł OSÓWNIAK ZAKRES ZASTOSOWANIA TESTU INTERPOLACJI KOŁOWEJ W teście interpolacji kołowej ruch po okręgu uzyskuje się przez złożenie dwóch ruchów prostoliniowych posuwisto-zwrotnych w dwóch prostopadłych do siebie osiach sterowanych numerycznie. Metoda opiera się na tym, że poszczególne błędy maszyny powodujące odchyłki od zadanej trajektorii ruchu punktu po okręgu w różny sposób wpływają na kształt uzyskiwanego przebiegu ruchu względem okręgu wzorcowego. Test ten znalazł szczególnie szerokie zastosowanie w sprawdzaniu obrabiarek skrawających, gdzie wymagana dokładność obróbki jest najczęściej znacznie wyższa niż w innych maszynach technologicznych. Pomiary te dla obrabiarek opisuje norma PN-ISO 230-4:1999 [1]. W normie opisano także wpływ typowych błędów maszyny na realizowany ruch po okręgu. Norma nie definiuje obrabiarek, do jakich test okrągłości można czy należy stosować, ograniczając się do stwierdzenia, że można stosować do każdej obrabiarki NC, gdzie jest możliwe wykonanie okręgu podczas równoczesnego ruchu w dwóch osiach liniowych. Badania testem okrągłości w obrabiarkach sterowanych numerycznie opisują także normy zagraniczne ANSI/ASME B , ASME B5.57M 1997 i JIS 6194:1997 (identyczna z PN-ISO 230-4:1999). W wyniku testu wyznaczane są różne wskaźniki sumaryczne dokładności. Norma PN-ISO rozróżnia trzy wskaźniki okrągłości: odchyłkę okrągłości G, histerezę okrągłości H, odchyłkę promienia R. Dodatkowo, w zależności od oprogramowania konkretnego wyposażenia pomiarowego, obliczane są inne wskaźniki ogólne dokładności maszyny oraz definiowane jest co najmniej kilkanaście różnych błędów, które są przyczyną odchyłek rzeczywistego ruchu od okręgu wzorcowego. Jako przykład zastosowania testu wybrano tokarki, gdyż zebrano dużą ilość wyników z rzeczywistych badań tej grupy maszyn. Tokarki posiadają dwie osie posuwu X i Z tworzące płaszczyznę pracy tokarki XZ, w której można przeprowadzić test interpolacji kołowej (w odróżnieniu do frezarek i centrów obróbkowych, gdzie test jest przeprowadzany w trzech prostopadłych płaszczyznach). Na rys. 1 przedstawiono test interpolacji kołowej dla tokarki. Punkt środka okręgu wykonywanego w teście znajduje się na końcu trzpienia mocowanego w uchwycie tokarki. Czujnik mocowany jest na magnetycznych przegubach kulowych. Druga końcówka czujnika pomiarowego związana jest przegubem magnetycznym ze wspornikiem mocowanym w głowicy narzędziowej suportu, wykonującego w czasie testu ruch po okręgu. W typowym teście wykonywany jest jeden obrót pomiarowy w obie strony z dodatkowym dobiegiem i wybiegiem. Rys. 1. Test interpolacji kołowej wykonywany na tokarce Przy analizie i interpretacji wyników należy pamiętać, że dla tokarek: dokładność interpolacji kołowej w płaszczyźnie XZ nie ma nic wspólnego z okrągłością przedmiotu obrabianego, podczas gdy w innych obrabiarkach przekłada się bezpośrednio na błąd okrągłości obrabianego przedmiotu (centra, frezarki, wytaczarki), kierunek X jest bardziej wrażliwy na błędy maszyny niż kierunek Z (wzdłuż osi wrzeciona tokarki), tzn. te same błędy geometryczne maszyny powodują dwukrotnie większe błędy wykonania detali (toczenie średnic). Do wykonania testów interpolacji kołowej służy teleskopowy pręt kulowy, wymieniony w normie PN-ISO [2]. Jest to jeden z przyrządów do pomiaru ruchu po okręgu, opisanych w tej normie. Zagadnienie przydatności testu do diagnostyki tokarek Venus opisano w [3]. Badania przeprowadzono dla typowielkości tokarek o średnicach toczenia: 200, 250, 350 i 450 mm. Do testów używano wyposażenia firmy Renishaw typu QC10, o zakresie mierzonych odchyłek ± 1 mm od wykreślanego okręgu. Podstawowa długość czujnika wynosi 100 mm, rozdzielczość pomiaru 0,0001 mm. Do wyposażenia pomiarowego dołączone jest oprogramowanie diagnostyczne, pozwalające z wyników testu wyodrębnić kilkanaście różnych błędów maszyny, w tym wszystkie wymienione w normie PN-ISO 230-4:1999 [1], oraz wyznaczyć różne wskaźniki sumarycznej oceny dokładności maszyny. Dla przyrządu QC10 obliczany jest, poza wskaźnikami wg norm, wskaźnik 14

2 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU 2/2010 ogólny nazwany tolerancja pozycjonowania. Szacuje on maksymalne błędy pozycjonowania w płaszczyźnie testu. Na rys. 2 przedstawiono przykładowy dobry wynik testu okrągłości z tokarki. U L3 dokładność kalibratora U L4 wpływ temperatury U L5 pasmo przenoszenia czujnika - ± 1 µm i ± 1,5 µm (300 mm) - ± 0,1 µm / ºC (pomiar) - szacujemy nie więcej niż ± 0,1 µm do 100 Hz Niepewność pomiaru długości wyznacza się wg wzoru U L = ± U L1 + U L2 + U L3 U L4 (1) Rys. 2. Wykres testu interpolacji kołowej Zwraca uwagę fakt, że wskaźnik tolerancji pozycjonowania jest trzykrotnie większy od odchyłki okrągłości. Odchyłkę okrągłości odnosi się do okręgu najlepiej dopasowanego do wykresu, który w tym przypadku ma promień mniejszy o ok. 5 µm od promienia (100 mm) reprezentowanego przez kalibrowaną długość czujnika. Tolerancja pozycjonowania odnosi się do okręgu nominalnego, ujmując błędy pozycjonowania, natomiast całkowicie pomija błędy dynamiczne. Z kolei odchyłka promieniowa uwzględnia wpływ wszystkich błędów, natomiast nie widać z niej bezpośrednio, jakie czynniki najbardziej wpływają na dokładność maszyny. W przedstawionym przypadku wpływ różnych diagnozowanych błędów na odchyłkę okrągłości jest zrównoważony i jest ona stosunkowo niewielka, natomiast z dosyć dużej wartości wskaźnika tolerancji pozycjonowania widać, że największy wpływ na dokładność maszyny mają błędy pozycjonowania. NIEPEWNOŚĆ POMIARÓW I WYZNACZANIA WSKAŹNIKÓW SYSTEMU TESTU OKRĄGŁOŚCI Poniżej przedstawiono analizę niepewności pomiarów w teście interpolacji kołowej, dla oszacowania, jakiej dokładności wyznaczania błędów i wskaźników można się spodziewać w tym teście. Niepewność pomiaru długości Przedstawiono składniki wg danych z wzorcowania i danych technicznych przyrządu QC10: U L1 U L2 rozdzielczość przetwornika dokładność przetwarzania - 0,1 µm - ± 0,5 µm (w temperaturze 20ºC) Błędy metody Błędy metody zależą od błędów wykonania testu oraz od błędów wynikających z ustawienia parametrów testu. Błędy wykonania testu to: zmiana promienia, np. od temperatury w czasie trwania testu dla ruchu w przeciwnym kierunku, zmiana offsetu, czyli przesunięcie środka okręgu dla testu w przeciwnym kierunku ruchu, trójwypukłość spowodowana zanieczyszczeniami połączeń lub zużyciem końcówek, błąd spirali wynikający z błędu mocowania, błąd nieciągłości (należy sprawdzić połączenia elektryczne i możliwości komputera), błąd synchronizacji obrotów ze względu na nieprawidłowe dane wstępne. Błędy metody po wyeliminowaniu pomyłek grubych w przeprowadzonym teście należy oceniać na podstawie powtarzalności wykonania testu w tych samych warunkach. Błędy wynikające z ustawionych parametrów testu to: Błąd przyspieszeń osiowych [1]. Na skutek tego błędu przy większych prędkościach posuwu wykreślany jest okrąg o mniejszym promieniu, niż wynika z dokładności pozycjonowania. Wpływ tego błędu sprawdzono na podstawie wyliczanego tzw. najlepszego promienia wykonywanego okręgu dla tej samej tokarki i różnych prędkości zadanych ruchu po okręgu. Błąd ten wpływa także na sumaryczne wskaźniki oceny, jak kołowość lub tolerancja pozycjonowania, gdyż nie jest to równomierna zmiana promienia. Częstość zbierania punktów pomiarowych. Program firmy Renishaw w zależności od ustawionych parametrów automatycznie dobiera częstość próbkowania, aby uzyskać 250 pkt/sek. Dla badanych tokarek Venus było to zawsze około 1500 próbek na okrąg, daje to częstość próbkowania co 0,2 0,3 stopnia przemieszczenia kątowego, co np. odpowiada odstępowi kolejnych punktów około 0,4 mm na promieniu 100 mm. Jeżeli częstość próbkowania będzie zbliżona do częstości np. 15

3 2/2010 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU drgań, to mogą powstać dodatkowe niepewności pomiarów, dla szybkich nawrotów odchyłka nawrotu może być wyznaczona ze znacznym błędem. Z opisu możliwych składowych niepewności pomiarów i wyznaczania wskaźników wynika, że dla uniknięcia dużych błędów badań należy: dane parametry oceniać przy odpowiednio dobranych warunkach przeprowadzania testu, zawsze potwierdzać powtarzalność testu, zawsze kalibrować czujnik i uwzględniać temperaturę otoczenia w trakcie badań, unikać przetrzymywania czujnika w ręku, gdyż powinien mieć temperaturę otoczenia. Przy tych założeniach niepewność wyznaczania parametrów można przyjąć jako sumę geometryczną odchyłki od pomiaru długości U L i błędów metody U M, przy przyjętym współczynniku niepewności k. Niepewność metody U M możemy wtedy określić odchyleniem standardowym średniej dla danych warunków pomiaru, z co najmniej trzech powtórzeń testu. U M = n 1 ( x x i sr n( n 1) ) 2 Jeżeli chcemy wyznaczyć oddzielnie niepewność pomiaru długości i niepewność metody, należy U L lub U M przemnożyć przez wybrany współczynnik k (najczęściej przyjmuje się wartość k = 2). Przykład: Wyznaczyć niepewności pomiaru tolerancji pozycjonowania. Temperatura badań 15ºC, test 1 i 2: v = 300 mm/min, test 3 i 4: v = 1000 mm/min. Wyniki poszczególnych testów (nr 1, 2, 3 i 4 z badań tokarki V350 nr ): 84,6 µm, 80,2 µm, 86,7 µm, 84,6 µm tolerancja pozycjonowania x sr = 84,025 µm. U L = ± U M = ± = ± 1,37 [µm] 0, , (5 0,1) = ± 1,23 [µm] 0, ,63+ 7, , Niepewność rozszerzona U R wyznaczania wartości wskaźnika tolerancji pozycjonowania wynosi: U R = ± ,23 + 1,37 = ± 3,68 [µm] Niepewność pomiarów oszacowano wg zasad podanych w [4] i [5]. BŁĘDY WYSTĘPUJĄCE W ZESPOLE SUPORTU TOKAREK DIAGNOZOWANE TESTEM INTERPOLACJI KOŁOWEJ Błędy, które analizuje system pomiarowy Ballbar QC10: luz poosiowy Z i X, błąd nawrotu Z i X, luz poprzeczny Z i X, błąd cykliczny Z i X, błąd nadążania, prostopadłość osi, prostoliniowość Z i X, różnica skali (Z-X), błąd skali Z i X, amplituda drgań Z, poddano statystycznej analizie, aby ocenić powtarzalność i wpływ poszczególnych błędów na sumaryczną dokładność dla ponad 150 tokarek o podobnej budowie. Dodatkowo poddano analizie występujące drgania (których program QC10 nie analizuje), jako błędy wyraźnie występujące w części maszyn, związane z optymalizacją serwonapędów. Do statystycznej oceny błędów wybrano wyniki badań nowych maszyn, bezpośrednio po montażu i docieraniu, aby uchwycić, jakie rodzaje błędów i ich wartości występują w produkcji. Ponieważ badano tylko tokarki nowe, nie występują błędy zużycia, które mogą pojawić się w czasie eksploatacji maszyn. Na podstawie analizy rozpatrywanych danych można stwierdzić: praktycznie wszystkie błędy analizowane przez oprogramowanie systemu pomiarowego mogą wystąpić w badanych tokarkach w wielkościach znaczących, duże rozrzuty błędów (minimum / maksimum) w stosunku do wartości średniej świadczą o słabej powtarzalności montażu i pewnej przypadkowości regulacji, stąd wynika konieczność sprawdzania każdej tokarki, udział poszczególnego błędu i miejsce w stosunku do innych błędów w odchyłce okrągłości podawane przez oprogramowanie QC10 potwierdza duże rozrzuty wyników (ten sam błąd dla różnych tokarek raz jest najbardziej znaczący w odchyłce okrągłości, innym razem prawie się nie liczy). W tab. 1 podano przykładowe wyniki pięciu wyznaczonych wskaźników dla trzech badanych tokarek przy różnych parametrach testu. Jak widać, wskaźniki ogólne zależą od parametrów testu (prędkość, promień), różnego wpływu poszczególnych błędów na dany wskaźnik oraz wpływu sumowania się błędów. W tab. 2 podano uproszczone jakościowe oszacowanie wpływu poszczególnych błędów na dokładność obróbki i wskaźniki sumaryczne testu. Ogólnie błędy geometryczne mają największy wpływ na dokładność obróbki. Luzy mają największy wpływ na powtarzalność obróbki. Błędy dynamiczne mają największy wpływ na jakość powierzchni obrabianej. 16

4 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU 2/2010 Tabela 1. Wskaźniki sumaryczne testu w zależności od parametrów dla trzech przykładowych tokarek Tokarka Wielkość 200 Wielkość 450 Prędkość posuwu [mm/min] ISO ASME B5.54 Renishaw Renishaw ASME B5.54 Renishaw ISO Najlepszy Tolerancja Odchyłka promieniowa *) wyznaczony pozycjonowania promień min max [µm] [µm] [µm] [µm] [µm] [µm] Odchyłka okrągłości *) Histereza okrągłości ,9 47,9 50, ,4-1,3 16, ,6 40,5 50, ,5-3,8 17, ,3 40,4 100, ,4-13,9 29, ,9 41,8 99, ,5-31,4 62,8 Wielkość 350 (wyraźnie widoczny opisany błąd przyspieszenia osiowego) ,4 72,7 100, ,0-2,6 9, ,7 56,6 100, ,9-9,0 32, ,3 403,3 99, ,3-85,4 18,2 *) - maksymalne odchyłki niezależnie od kierunku obrotu Tabela 2. Rodzaje błędów i ich wpływ na wskaźniki sumaryczne oraz dokładność tokarki Wrażliwość wskaźnika ogólnego testu okrągłości na poszczególne błędy Rodzaj (grupa) błędów Nazwa błędu Prostoliniowość Odchyłka okrągłości Tolerancja pozycjonowania Histereza okrągłości Najlepszy wyznaczony promień [%] [%] [%] [%] [%] min 50 Dokładność wymiarowa bardzo duży Wpływ błędu na dokładność obróbki na tokarce Odchyłka promieniowa Powtarzalność wymiarowa Jakość powierzchni Błędy geometryczne Błędy skali Prostoliniowość osi Z Prostopadłość X-Z Błąd cykliczny Błąd cykliczny Błąd skali Błąd skali osi Z Różnica skali X-Z Luz zwrotny min 50 duży min min 100 bardzo duży bardzo duży min 100 duży zależy od różnicy skali zależy od różnicy skali bardzo duży średni (niepowt.) duży średni jak błędy skali min 1 80 jak błędy skali min 100 mały duży mały Luzy Błędy dynamiczne Luz zwrotny osi Z Luz poprzeczny Luz poprzeczny osi Z Wibracje pk-pk Błąd nadążania X-Z min 100 mały duży mały min 100 średni duży mały min 100 duży duży mały 110 ~ mały mały duży duża *) duża *) duża *) mały mały Błąd nawrotu ~90 90 min 100 mały mały mały 17

5 2/2010 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU Analizując dane zawarte w tab. 1 i 2, można stwierdzić, że: Wskaźnikiem najbardziej wrażliwym na błędy geometryczne, błędy skali i luzy jest tolerancja pozycjonowania. Wymienione rodzaje błędów wpływają znacząco na dokładność i powtarzalność wymiarową. Najbardziej wrażliwym wskaźnikiem na błędy dynamiczne jest odchyłka okrągłości. Wymieniony błąd wpływa najbardziej na jakość powierzchni (chropowatość). Błędy dynamiczne nie wpływają na wskaźnik tolerancji pozycjonowania. Odchyłka okrągłości nie ujawnia błędów skali, jeśli są one podobne w obu osiach, natomiast błędy skali mają bardzo duży wpływ na wskaźnik tolerancji pozycjonowania. Tylko odchyłka promieniowa jest wrażliwa na każdy rodzaj błędów maszyny, natomiast jest to wskaźnik niosący mało informacji co do interpretacji, gdzie leży główny problem w dokładności maszyny. MOŻLIWOŚCI ELEKTRONICZNEJ KOREKCJI BŁĘDÓW MONTAŻOWYCH Korekcja luzu zwrotnego Jest to najprostsza do wprowadzenia korekcja eliminująca błąd pozycjonowania przy nawrocie. Praktycznie każdy układ sterowania ma możliwość jej wprowadzenia dla każdej osi posuwowej. Należy pamiętać, że błąd ten popularnie nazywany luzem zwrotnym przy poprawnym montażu jest wartością zwrotną, która nie ma nic wspólnego z rzeczywistym luzem, a wynika z oporów tarcia w układzie przenoszenia napędu. Występuje napinanie się pasków, skręcenie śruby itp., zanim obrót silnika spowoduje przemieszczenie w osi posuwowej. Powinno się unikać elektronicznego korygowania rzeczywistych luzów, należy je usuwać, a korygować należy wartości zwrotne wynikające z odkształceń elementów przenoszenia napędu powodowanych zmianami kierunków działania sił i momentów przenoszenia ruchu przy nawrocie. Korekcję tę powinno się wprowadzać dla nowych maszyn po docieraniu lub po sprawdzeniu, czy przyczyną nie jest zbyt małe napięcie pasów. Często wartość zwrotna dla przeciwnych kierunków nawrotu jest różna, a układ sterowania posiada możliwość wpisania jednej wartości. Należy wówczas wybrać wartość korekcji w zależności od przewidywanej obróbki oraz występującej różnicy tych wartości. Korekcja błędów skali Wyznaczane błędy skali są bardzo podatne na nagrzewanie się maszyny, temperaturę otoczenia, parametry testu, wielkości innych błędów, których duże wartości wpływają na wyznaczone wielkości skali. Nie wiemy, na ile ten błąd jest nierównomierny pomiędzy wyznaczonymi dwoma punktami w odległości wyznaczonej przez średnicę okręgu testu na danej osi. Dlatego też korekcję tę należy przeprowadzać z dużą ostrożnością i dla powtarzalnych warunków. Korekcja błędów dynamicznych Korygując błędy dynamiczne, można zmniejszyć: błędy nawrotu ( reversal spike ), błędy nadążania ( servo mismatch ) oraz drgania. Znacznej poprawie podlegają ogólne wskaźniki dokładności. Korekcja ta nie jest korekcją wprost. Zwiększenie wzmocnienia prędkościowego czy położeniowego wręcz może zwiększyć błędy nawrotu i drgania. Przy dużych błędach nadążania można podnieść wzmocnienie, jeśli nie pogarsza to innych parametrów, lub odwrotnie można zmniejszyć wzmocnienie, jeśli nie powiększa to błędów nadążania. Jednak poprawna korekcja błędów dynamicznych polega na optymalizacji parametrów pracy tokarki, przy rzeczywistych obciążeniach wynikających z oporów ruchu danej maszyny. Zauważono przy tym prawidłowość, że dla każdej tokarki, gdzie wystąpiły duże błędy nawrotu, znacznie zwiększone są drgania. Oba te błędy związane są z napędami. Rys. 3. Przykład elektronicznej korekcji błędów dynamicznych Test okrągłości daje duże możliwości poprawy dokładności wykonania tokarek NC, np. Venus, gdyż: zostają zidentyfikowane i oszacowane wielkości błędów, 18

6 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU 2/2010 umożliwia elektroniczną korekcję niektórych błędów i sprawdzenie działania wprowadzonej korekcji, umożliwia poprawę dokładności geometrycznej przez zmianę naciągów pasków zębatych napędów osi, istnieją możliwości diagnostyki poprawności montażu przez odpowiednią interpretację wyników. W przytoczonych przykładach korekcji elektronicznej uzyskano dużą poprawę wskaźników dokładności. Po przeprowadzeniu korekcji elektronicznych w 75% badanych maszyn uzyskano pozytywne wartości wskaźników przyjęte do WOT. W czterech z szesnastu maszyn należało poprawić błędy montażowe, aby spełnić narzucone wymagania. Powstały zbyt duże błędy prostopadłości osi i błędy cykliczne wynikające z luzów. PRZYKŁADY DIAGNOSTYKI PRZYCZYN BŁĘDÓW TOKAREK NC TESTEM OKRĄGŁOŚCI W wyniku przeprowadzenia testu interpolacji kołowej maszyn sterowanych numerycznie otrzymujemy informację o wskaźnikach ogólnych, takich jak: odchyłka okrągłości, odchyłka promieniowa i histereza oraz informacje o kilkunastu błędach geometrycznych i dynamicznych obrabiarki. W ujęciu diagnostycznym informacje te należy analizować dodatkowo, uwzględniając promień okręgu, prędkość ruchu po okręgu, współczynniki rozszerzalności i temperatury, stan nagrzania maszyny, współrzędne, rozwiązania konstrukcyjne maszyny, ograniczenia metody itp. Błędy dynamiczne maszyny ujawniają się w tym teście mocniej przy dużych prędkościach, a geometryczne przy małych. Wymagane jest przeprowadzenie testu dla dwu znacznie różniących się prędkości interpolacji, oraz w stanie zimnym i rozgrzanym maszyny. W praktyce CBKO przyjęto dwie prędkości obwodowe: 1000 mm/min i 300 mm/min. Przykłady analizy Diagnostyka przyczyn dużego błędu cyklicznego Błąd cykliczny pojawiający się w teście interpolacji kołowej może być spowodowany wieloma przyczynami, stąd diagnostyka w tym przypadku może być trudna, tym bardziej że kilka błędów jednocześnie może nałożyć się na siebie, dając jeden efekt duże błędy cykliczne. Najczęściej przyczyn powstawania tego błędu należy szukać w układzie przenoszenia napędu osi. Typowy układ w tokarce to śruba kulowa z nakrętką, na którą przenoszony jest napęd z silnika przez pasek zębaty. Przetwornik obrotowy związany jest z osią silnika. W tym układzie przyczynami mogą być: duże lub zmienne napięcie paska przenoszącego napęd z silnika na śrubę zbyt duże napięcie paska powoduje odkształcenia osi i bicie cykliczne na obrót, ten sam efekt powoduje nierównoległość osi obrotu silnika do osi obrotu śruby, błąd cykliczny najczęściej może być o okresie równym skokowi śruby, obciążenie silnika napędowego jest zmienne z błędem cyklicznym. Jeśli pomiędzy wałkiem silnika a śrubą jest przełożenie różne od 1:1, to cykl błędu może być różny i zależy od skoku śruby. W tab. 3 pokazano przykładowy wpływ naciągu paska zębatego napędów osi na wyniki testu. Naciąg ten nie ma wpływu na błędy dynamiczne, natomiast znacznie wpływa na błędy geometryczne i kinematyczne (luzy). Tabela 3. Wpływ naciągu pasków zębatych na wyniki testu Wskaźniki Nr testu / nr maszyny Warunki testu (v = 300 mm/min) Okrągłości Tolerancja pozycjonowania Skala Z Skala X Przykładowe błędy Prostopadłość osi Luz zwrotny oś X Luz boczny oś Z Błąd cykliczny oś X [µm] [µm] [µm/m] [µm/m] [µm/m] [µm] [µm] [µm] 4 / Za duży naciąg pasków i Z 51,6 278,4! + 85,3 108,2-27,6 7,2-12,9! 4,2 3,6 5 / Zmniejszony naciąg pasków i Z do typowej wartości montażu ,8 171,5 + 20,9 9,9-4,9 1,4 3,1 3 / Za duży naciąg pasków i Z 103,6 135,7-59, ,3 16,9 35,8 +8,7-14,4 18,3 51,6 5 / Optymalny naciąg pasków i Z 38,3 59,7-51,2 + 49,3 52,8 12,2 10,5-5,1 +0,1 8,1 17,1 19

7 2/2010 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU luz łożyska oporowego śruby napędowej występuje błąd cykliczny o okresie równym skokowi śruby, najczęściej o zmiennej amplitudzie, w zależności od kierunku ruchu w danej osi, obciążenie silnika nie wykazuje znaczących zmian w cyklu, luz pary nakrętka śruba kulowa występuje błąd cykliczny o okresie równym skokowi śruby, najczęściej o stałej amplitudzie niezależnie od kierunku ruchu w danej osi, obciążenie silnika nie wykazuje znaczących zmian w cyklu, niesymetria osi mocowania śruby względem prowadnic występuje błąd cykliczny o okresie równym skokowi śruby, o wzrastającej amplitudzie oraz wzrastającym obciążeniu silnika napędowego, gdy nakrętka śruby zbliża się do punktu mocowania, błąd cykliczny skoku śruby występuje błąd cykliczny o skoku śruby o stałej amplitudzie, obciążenie silnika napędowego nie wykazuje znacznych zmian w cyklu, niecentrycznie zamocowany przetwornik kąta obrotu występuje błąd cykliczny związany z obrotem przetwornika, skok tego błędu zależy od przełożenia pomiędzy obrotem przetwornika a obrotem śruby, błąd ten nie wpływa na obciążenie silnika osi. Jeśli okres błędu cyklicznego nie jest związany ze skokiem śruby, przyczyny leżą w zmiennych siłach od ciążenia lub zmiany kierunku ruchu. Najczęściej wtedy okres tego błędu wynosi ¼ obrotu wykonywanej interpolacji. Jeśli jest to znaczny błąd, przyczyn należy szukać najczęściej w stosunkowo niskiej sztywności prowadnic. Rys. 4. Przykład dużych błędów cyklicznych w osi Z oraz błędów skali Stwierdzono (rys. 4), że okres błędu cyklicznego w osi Z jest równy skokowi śruby. Amplituda błędu jest podobna w każdej ćwiartce wykonywanego okręgu, obciążenie silnika osi Z nie wykazuje znaczących zmian w cyklu i od położenia na tej osi. Kierując się ww. wytycznymi, zdiagnozowano przyczynę błędu było to nieprawidłowe wykonanie pary śruba nakrętka przez producenta. Po wymianie śruby kulowej test nie wykazał znaczącego błędu cyklicznego. Przy diagnostyce błędów cyklicznych należy pamiętać, że oprogramowanie QC10 podaje tylko błąd cykliczny o okresie, dla którego wystąpiła największa amplituda. Jeśli widać, że dodatkowo występuje widoczny błąd np. o okresie równym skokowi śruby, jego amplitudę można oszacować z wykresu. Często także jest tak, że na występujący błąd cykliczny może się składać kilka wymienionych przyczyn jednocześnie. Testem okrągłości można wtedy weryfikować efekty kolejnych napraw lub regulacji. Diagnostyka błędów skali Na rys. 4 poza błędem cyklicznym widać także, że na błąd okrągłości największy wpływ ma różnica skali pomiędzy osią X i Z, oraz że wskaźnik tolerancji pozycjonowania jest wysoki. Wskazuje to na błędy pozycjonowania osi. W teście interpolacji kołowej wyznaczany jest dla każdej osi (po kalibracji czujnika) błąd skali. Jest on błędem pozycjonowania pomiędzy dwoma punktami wyznaczonymi przez pomiar średnicy wykonywanego w teście okręgu na kierunkach osi posuwowych. Na wartość tego błędu mogą mieć znaczący wpływ: rzeczywiste błędy pozycjonowania osi, błąd przyśpieszeń osiowych serwonapędów, błędy temperaturowe, napięcie paska przenoszącego napęd na śrubę. Wnioskowanie może być następujące: jeśli zweryfikowaliśmy kalibrację czujnika przed i po pomiarze i pomiar wykonywany był w tej samej temperaturze co kalibracja, oraz prawidłowo wpisano temperaturę i współczynnik temperaturowy materiału, nie przetrzymano zbyt długo czujnika w ręku przed założeniem na maszynę, to należy przyjąć, że uniknięto błędów temperaturowych, jeśli przy dużej prędkości błąd skali zmienia się na minus (na obu osiach) względem tego błędu dla małej prędkości, tzn., że ma tu wpływ tzw. błąd przyśpieszeń osiowych serwonapędów można określić z testu granicę, powyżej jakiej prędkości dla danej maszyny błąd ten ma znaczący wpływ na dokładność ruchu po łuku (przy obróbce powierzchni krzywoliniowych), jeśli występują znaczące różnice błędów skali dla maszyny zimnej i rozgrzanej, to przyczyną może być zbyt duże napięcie pary śruba nakrętka, powodujące zbyt mocne nagrzewanie się śruby (jeśli pozycjonowanie realizowane jest przez śrubę, a nie np. liniał), jeśli dodatkowo regulacja napięcia paska zębatego przenoszącego napęd nie zmienia błędów skali, lub jeśli to napięcie jest prawidłowe, czy też nie można go z innych przyczyn zmienić, to dopiero wtedy możemy zakładać, że błędy skali wynikają z układu pozycjonowania danej osi, błąd skali wyznaczany testem okrągłości nie mówi nic o nieliniowości skali pomiędzy punktami wyznaczającymi ten błąd, można to zweryfikować, jeśli jest taka możliwość, testem o innym promieniu lub przesuniętych współrzędnych środka okręgu testowego, lub wykonać pomiary dokładności pozycjonowania, 20

8 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU 2/2010 jeśli błąd pozycjonowania jest powtarzalny, to można go korygować przez korekcję elektroniczną, jeśli błędy pozycjonowania są liniowe i stosunkowo duże, to należy sprawdzić, czy przyczyna nie leży w źle dobranym współczynniku przetwarzania (często przyczyną jest tu wprowadzony nominalny współczynnik przełożenia przekładni pasowej. Przy błędzie wykonania kół pasowych może on wynosić np zamiast zakładanej wartości nominalnej 1.5). W przypadku błędów skali z rys. 3 stwierdzono dodatni równomierny błąd pozycjonowania ok. 20 µm/100 mm. Można go było skorygować współczynnikiem przełożenia. Analiza podobna jest niezbędna dla każdego z diagnozowanych błędów wyznaczanych za pomocą testu interpolacji kołowej, o wartościach większych niż typowe i jak widać wymaga doświadczenia i wiedzy, jak prawidłowo zastosować tę metodę badań, aby uniknąć błędnego diagnozowania. WNIOSKI 1. Test interpolacji kołowej jest przydatną metodą do wszechstronnej oceny zespołu suportu tokarek w zakresie dokładności geometrycznej, błędów dynamicznych, montażu, diagnostyki oraz weryfikacji wprowadzonych zmian i korekcji. 2. Przy wysokich wymaganiach dokładności pozycjonowania tokarek (powyżej 0,01 mm) urządzenie Ballbar nie pozwala na wprowadzenie dokładnej korekcji błędów skali (pozycjonowania). Możliwe do uzyskania są tylko dwa punkty skali z jednego okręgu i istnieją ograniczenia mechaniczne ustalenia środka okręgu do przeprowadzenia testu. 3. Na podstawie testów okrągłości można dokonać znacznej poprawy dokładności tokarek, stosując tylko korekcje elektroniczne. 4. Przez wskazanie błędów test daje także możliwość regulacji: np. naciągu paska zębatego napędu, prostopadłości osi lub luzu oraz weryfikację skuteczności tej regulacji. 5. W zastosowaniu do tokarek najbardziej przydatnym do całościowej oceny geometrii jest wskaźnik tolerancji pozycjonowania, a do oceny poprawności dynamiki ruchu jest wskaźnik odchyłki okrągłości (przy nieprawidłowej dynamice odchyłka ta znacznie wzrasta dla większych prędkości). Najbardziej uniwersalnym wskaźnikiem oceny dokładności jest odchyłka promieniowa, natomiast nie wskazuje ona na prawdopodobne przyczyny niedokładności. 6. Żaden ze wskaźników ogólnych nie przekłada się wprost na dokładność obróbki na tokarce. W ramach projektu badawczego własnego CBKO pracuje m.in. nad opracowaniem wskaźników bardziej odpowiednich do oceny zdolności technologicznej tokarki na podstawie testu okrągłości wskaźników dokładności średnicowej i wzdłużnej. LITERATURA 1. PN-ISO 230-4:1999. Przepisy badania obrabiarek - Badania okrągłości w obrabiarkach sterowanych numerycznie. 2. PN-ISO 230-1:1998. Przepisy badania obrabiarek - Dokładność geometryczna obrabiarek pracujących bez obciążenia lub w warunkach obróbki wykańczającej. 3. Jastrzębski R.: Ocena dokładności tokarek na podstawie wyników testów interpolacji kołowej wg normy PN-ISO 230-4:1999, Sprawozdanie CBKO NH/B , grudzień Arendarski J.: Niepewność pomiarów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Piotrowski J., Kostyrko K.: Wzorcowanie aparatury pomiarowej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Dr inż. Tadeusz Kowalski jest konsultantem naukowym Centrum Badawczo-Konstrukcyjnego Obrabiarek Sp. z o.o., adiunktem Politechniki Warszawskiej, Wydział Inżynierii Produkcji. Mgr inż. Robert Jastrzębski, mgr inż. Anna Szepke, mgr inż. Paweł Osówniak są pracownikami Centrum Badawczo-Konstrukcyjnego Obrabiarek Sp. z o.o. ciąg dalszy ze str Włączanie indukcyjnego obciążenia według schematu szeregowego rezonansu. 13. Śruby, wkręty i śruby dwustronne wg GOST P SBORKA nr 12 (113), Systematyzacja technologicznego zabezpieczenia montażu wyrobów. 2. Cechy charakterystyczne montażu głównych pomp cyrkulacyjnych dla AES z reaktorami na szybkich neutronach. 3. Metody i środki zapewnienia geometrycznej zamienności jednostek montażowych montowanych na otworach. ciąg dalszy str