MECHANIK NR 3/

Transkrypt

1 MECHANIK NR 3/ Bogusław PYTLAK 1 toczenie, owierzchnia mimośrodowa, tablica krzywych, srzężenie osi turning, eccentric surface, curve table, axis couling TOCZENIE POWIERZCHNI MIMOŚRODOWYCH W racy rzedstawiono metodę toczenia owierzchni mimośrodowych. W tym celu wykorzystano zaawansowane funkcje układu sterowania SINUMERIK, jak srzężenie osi i tablice krzywych. W metodzie tej w sosób automatyczny jest generowana definicja tablicy krzywych oisującą drogę narzędzia odczas jednego obrotu owierzchni mimośrodowej. Obrobiona tą metodą owierzchnia mimośrodowa oddana została ocenie od względem dokładności, a średnia wartość odchyłki wyniosła mm. Przedstawiono także analizę ograniczeń odnośnie obróbki owierzchni mimośrodowych na tokarkach z osiami X i Z. THE TURNING OF ECCENTRIC SURFACES The aer resents the method of turning eccentric surfaces. To do this, the advanced functions of the SINUMERIK as axis couling and curves tables are used. In this method, it is automatically generated definition of curves table which describes the comlete ath of tool during one rotation of eccentric surface. The eccentric surface machined with this method was assessed in terms of accuracy and the average deviation was mm. Also was resented an analysis of constraints of machining eccentric surface on lathe with axes X and Z. 1. WSTĘP W raktyce w częściach klasy wałek, tuleja i tarcza sotyka się owierzchnie mimośrodowe których obróbka bywa często roblematyczna. Oczywiście istnieje wiele srawdzonych i stosowanych w raktyce rzemysłowej metod obróbki tego tyu owierzchni, jednak w większości rzyadków wymagają one dodatkowego secjalnego orzyrządowania [5]. W rzyadku rodukcji jednostkowej wytwarzanie takiego orzyrządowania jest na ogół nieołacalne, gdyż najczęściej jest ono dedykowane od konkretne rozwiązanie i nie może zostać wykorzystane owtórnie, n. w rzyadku obróbki mimośrodów o innych wymiarach. W racy zaroonowano metodę obróbki owierzchni mimośrodowych orzez odowiednie zarogramowanie toru ruchu narzędzia. Metoda ta ozwala na całkowite wyeliminowanie dodatkowego orzyrządowania oraz obróbkę części w jednym zamocowaniu. Oczywiście należy sobie zdawać srawę, iż metodę tę można stosować w ograniczonym zakresie na tokarkach osiadających tylko osie X i Z. W rzyadku tokarek wyosażonych w dodatkową oś Y ograniczenia te znikają, gdyż ojawia się możliwość ruchu narzędzia w rzestrzeni, a nie tylko w łaszczyźnie XZ. Artykuł jest kontynuacją badań rzedstawionych w racach [2, 3], gdzie toczono gwinty oraz obrabiano owierzchnie śrubowe o zmiennym skoku uniwersalnym narzędziem unktowym na tokarce CNC. W tym celu rogramowano tor ruchu narzędzia rzy użyciu zaawansowanych funkcji układu sterowania SINUMERIK. Uzyskane wyniki badań ozwalają skrócić czas obróbki rzy zachowaniu dokładności obróbki na zadowalającym oziomie. Celem oniższej racy jest analiza możliwości obróbki owierzchni mimośrodowych na tokarkach CNC z wykorzystaniem zaawansowanych funkcji układu sterowania SINUMERIK oraz ocena dokładności tego rocesu. 2. METODOLOGIA W rzyadku obróbki owierzchni mimośrodowych na tokarkach CNC osiadających tylko osie X i Z, wyznacza się ołożenie krawędzi skrawającej narzędzia w osi X w funkcji ozycji osi obrotowej C (rys. 1a). Natomiast w gdy tokarka osiada dodatkową oś geometryczną Y, jest możliwe utrzymanie krawędzi skrawającej narzędzia dokładnie na wysokości środka P owierzchni mimośrodowej. W tym celu wyznacza się ołożenie tejże krawędzi w osiach X i Y w funkcji ozycji osi obrotowej C (rys. 1b). 1 Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Bielsko-Biała, ul. Willowa 2

2 60 MECHANIK NR 3/2015 Rys. 1. a) wyznaczenie ołożenia narzędzia dla tokarek tylko z osiami X i Z, b) wyznaczenie ołożenia narzędzia dla tokarek z dodatkową osią Y; W oś wrzeciona tokarki, P środek owierzchni mimośrodowej, S unkt styczności krawędzi skrawającej narzędzia z obrabianą owierzchnią Położenie krawędzi skrawającej narzędzia w osi X (rys. 1a) w funkcji ozycji osi obrotowej C dane jest nastęującym wzorem: 2 ( ) ( sin ( C) ) 2 X = e cos C + r e (1) gdzie: e wielkość mimośrodu, r romień owierzchni mimośrodowej. Z kolei gdy tokarka osiada dodatkową oś Y (rys. 1b) ozycja krawędzi skrawającej narzędzia w osi X i Y, w funkcji ozycji osi obrotowej C jest dana nastęującymi równaniami: ( C) + r, Y = sin( C) X = e cos e (2) Analizę ograniczeń odnośnie obróbki owierzchni mimośrodowych na tokarkach osiadających tylko osie X i Z należy zacząć od kąta rzyłożenia α narzędzia skrawającego który w ołączeniu z romieniem r i wielkością mimośrodu e obrabianej owierzchni tworzących kąt δ skutkować może w niektórych rzyadkach kolizją owierzchni rzyłożenia narzędzia z obrabianym rzedmiotem (rys. 2a). Rys. 2. Skrajne rzyadki ołożenia narzędzia względem obrabianej owierzchni mimośrodowej: a) 1-sze skrajne ołożenie narzędzia dla C = 90, b) 2-gie skrajne ołożenie narzędzia dla C = 270 Ograniczenie to rzyjmuje nastęującą formę: należy srawdzić czy kąt δ wynikający z stosunku wielkości mimośrodu e do romienia mimośrodu r jest mniejszy, niż kat rzyłożenia narzędzia α : e arcsin = δ < α (3) r Drugim istotnym ograniczeniem odczas toczenia owierzchni mimośrodowej jest zmienność w układzie roboczym kąta rzyłożenia α u i natarcia γ u [1]. Otóż kąty te odczas jednego obrotu części z owierzchnią mimośrodową zmieniają się w zakresie:

3 MECHANIK NR 3/ α α δ, α + δ, γ = γ δ γ + δ (4) u = u, Do obróbki owierzchni mimośrodowych wykorzystano funkcję srzężenia osi oraz tablicę krzywych dostęne w układzie sterowania SINUMERIK. Funkcja srzężenia osi obrabiarki LEADON [4, 6] umożliwia realizację złożonych ruchów, a do jej aktywacji służą olecenia: LEADON(FAxis, LAxis,n) aktywacja srzężenia osi, LEADOF(FAxis, LAxis) odwołanie srzężenia osi, gdzie: FAxis oś nadążna, LAxis oś wiodąca, n numer tablicy krzywych. Natomiast tablica krzywych definiuje bezośrednio zależność omiędzy osią wiodącą i osią nadążną. Do jej definicji i kasowania wykorzystuje się olecenia [4, 6]: CTABDEF(FAxis, LAxis, n, alim) oczątek definicji tablicy krzywej, CTABEND koniec definicji tablicy krzywej, CTABDEL(n) kasowanie tablicy krzywej, gdzie: alim arametr określający okresowość tablicy (0 brak, 1 okresowa z unktu widzenia osi wiodącej, 2 okresowa z unktu widzenia osi wiodącej i nadążnej). Kasowanie wcześniej zdefiniowanych tablic jest niezbędne, gdyż jego brak może bardzo szybko dorowadzić do wyczerania limitu ich maksymalnej liczby. Oisane funkcje są dodatkową ocją (srzężenie osi LEADON zawierające tablice krzywych CTABDEF), układu sterowania SINUMERIK i aby móc z niej skorzystać należy ją wykuić. Do generowania tablicy krzywych oisującej ruch w osi X (ewentualnie dodatkowo w Y) w funkcji ołożenia osi C wykorzystano odowiednio równania (2) lub (3), instrukcję ętli FOR oraz instrukcję WRITE, która w osobnym liku rogramu zaisuje definicję danej tablicy. Pozwala to całkowicie zautomatyzować roces tworzenia tablicy krzywych rzez układ sterowania SINUMERIK. Składnia instrukcji WRITE ma ostać: WRITE(ERROR,nazwa_liku,tekst), gdzie: ERROR zmienna wyjściowa informująca o rawidłowości lub błędach wynikłych w czasie róby zaisu, nazwa_liku nazwa liku w którym zostanie doisany tekst; jeśli lik o takiej nazwie nie istnieje w bieżącym katalogu, zostanie on automatycznie utworzony, tekst dowolny alfanumeryczny tekst. Orócz olecenia WRITE wykorzystano olecenie ISFILE srawdzające czy istnieje lik o odanej nazwie, jak i olecenie DELE- TE go kasujące [4, 6]. Tablica krzywych dla owierzchni mimośrodowej została wyznaczona w sosób dyskretny, rzy założeniu danego rzyrostu kąta C oisując w ten sosób wielokąt o liczbie boków równej 360 / C. Rozwiązanie to wydaje się być najbardziej rzydatne w warunkach rzemysłowych, choć wymaga większej ilości elementów tablicy krzywych. W racy rozważano także możliwość aroksymacji równania (1) interolacją wielomianową POLY [6, 7]. Pozwoliło by to na znaczne ograniczenie liczby elementów tablicy krzywych. Jednak ze względu na konieczność określania wsółczynników ostaci wielomianu, n. rzy omocy metod numerycznych oraz znaczną niedokładność takiej aroksymacji rozwiązanie to będzie raczej mało rzydatne w raktyce. W rzeciwieństwie do [2, 3], gdzie dla toczenia owierzchni śrubowych używano funkcji G33 zaewniającej recyzyjne owiązanie ruchu w osi Z z osią obrotową C, to w rzyadku obróbki owierzchni mimośrodowych wystarczającą jest funkcja G1. Związane jest to z tym, iż kształt owierzchni mimośrodowej jest nie zmienia się wzdłuż osi Z. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Poniżej zamieszczono rzykładowy kod rogramów na toczenie owierzchni mimośrodowej z objaśnieniem kluczowych bloków rogramu. Po rawej dla tokarek tylko z osiami X i Z (dla HMI Advanced) oraz o lewej dla tokarki z dodatkowa osią Y (dla SinuTrain for SINUMERIK Oerate 4.5: Lathe with driven tool, Y axis and counter sindle): DEF INT ERROR,III,JJJ DEF INT ERROR,III,JJJ ;definicja zmiennych tyu Integer: błędu zaisu ERROR, lokalnych zmiennych indeksowych III i JJJ DEF REAL EEE=2,RRR=25,POZ_C,FFF=0.1, DEF REAL EEE=100,RRR=50,POZ_C,FFF=1, SSS=200,D_C=0.1 SSS=200,D_C=1 ;definicja zmiennych tyu Real: wielkości mimośrodu EEE, romienia owierzchni mimośrodowej RRR, ozycji w osi C POZ_C, osuwu FFF, rędkości obrotowej wrzeciona SSS, rzyrostu kąta w osi C D_C DIAMOF T="NOZ_GWINT_R2" D1 DIAMOF T="PLUNGE_CUTTER_3 A" D1

4 62 MECHANIK NR 3/2015 SPOS=0 SPOS=0 M70 M70 ;rzełączenie wrzeciona w tryb racy osi obrotowej C G56 G95 G90 G0 X=RRR+EEE Z0 C=0 G56 G95 G90 G0 X=RRR+EEE Y0 Z0 SP1=0 ;ustawienie się na oczątku owierzchni mimośrodowej (tablicy krzywych) M6 WORKPIECE(,,,"CYLINDER",0,0,-150,- 120,300) JJJ=(360)DIV(D_C) JJJ=(360)DIV(D_C) ; wyliczenie liczby elementów tablicy krzywych oisujących owierzchnię mimośrodową IF ISFILE("/_N_MPF_DIR/_N_TABLICA_MPF") IF ISFILE("/_N_MPF_DIR/_N_TABLICA_MPF") ;srawdzenie czy istnieje lik TABLICA.MPF DELETE(ERROR,"/_N_MPF_DIR/ DELETE(ERROR,"/_N_MPF_DIR/ _N_TABLICA_MPF") _N_TABLICA_MPF") ;kasowanie liku TABLICA.MPF ENDIF ENDIF _MPF","CTABDEL(1)") _MPF","CTABDEL(1)") ;zais do liku kasowania orzedniej tablicy krzywych nr 1 _MPF","CTABDEF(X,C,1,1)") _MPF","CTABDEF(X,SP1,1,1)") ;zais do liku oczątku definicji okresowej tablicy krzywych nr 1 omiędzy osią C (SP1) i X FOR III=0 TO JJJ-1 POZ_C=III*D_C ;wyliczenie aktualnej ozycji POS_C w osi C WRITE(ERROR,"/_N_MPF_DIR/ _N_TABLICA_MPF","X"<<EEE*COS(POZ_C)+ SQRT(POT(RRR)-POT(EEE*SIN(POZ_C)))<< " C="<<POZ_C) FOR III=0 TO JJJ-1 POZ_C=III*D_C WRITE(ERROR,"/_N_MPF_DIR/ _N_TABLICA_MPF","X"<<EEE*COS(POZ_C)+ RRR<<" SP1="<<POZ_C) ;zais do liku aktualnej ozycji w osi X wyliczonej na odstawie aktualnej ozycji POZ_C w osi C _MPF","X"<<EEE+RRR<<" C=IC("<<D_C<<")") _MPF","X"<<EEE+RRR<<" SP1=IC("<<D_C<<")") ;zais do liku końcowej ozycji w osi X oraz rzyrostu w osi C (SP1) do ełnych 360 _MPF","CTABEND") ;zais do liku końca definicji tablicy krzywych _MPF","CTABEND") _MPF","CTABDEL(2)") ;zais do liku kasowania orzedniej tablicy krzywych nr 2 _MPF","CTABDEF(Y,SP1,2,1)") ;zais do liku oczątku definicji okresowej tablicy krzywych nr 2 omiędzy osią SP1 i Y FOR III=0 TO JJJ-1 POZ_C=III*D_C ;wyliczenie aktualnej ozycji POZ_C w osi C WRITE(ERROR,"/_N_MPF_DIR/ _N_TABLICA_MPF","Y"<<EEE*SIN(POZ_C)<< " SP1="<<POZ_C) ;zais do liku aktualnej ozycji w osi Y wyliczonej na odstawie aktualnej ozycji POZ_C w osi C _MPF","Y"<<0<<" SP1=IC("<<D_C<<")") ;zais do liku końcowej ozycji w osi Y oraz rzyrostu w osi SP1 do ełnych 360 _MPF","CTABEND") ;zais do liku końca definicji tablicy krzywych

5 MECHANIK NR 3/ _MPF","M30") _MPF","M30") TABLICA TABLICA ;wywołanie rogramu TABLICA.MPF z wygenerowaną (wygenerowanymi) owyżej tablicą (tablicami) krzywych SPCON SPCON ;włączenie regulacji ołożenia wrzeciona FFWON FFWON ;włączenie sterowania wyrzedzającego LEADON(X,C,1) LEADON(X,SP1,1) ;włączenie srzężenia omiędzy osią C (SP1) i X wg tablicy krzywych nr 1 LEADON(Y,SP1,2) ;włączenie srzężenia omiędzy osią SP1 i Y wg tablicy krzywych nr 2 S=SSS M3 S=SSS M3 G1 Z-50 F=FFF G1 Z-50 F=FFF ;toczenie owierzchni mimośrodowej z interolacją G1 i osuwem FFF G1 Z=IC(0) F=FFF LEADOF(X,C) LEADOF(X,SP1) ;wyłączenie srzężenia omiędzy osią C (SP1) i X LEADOF(Y,SP1) ;wyłączenie srzężenia omiędzy osią SP1 i Y G0 X=IC(10) G0 X=IC(10) SPCOF SPCOF ;włączenie regulacji ołożenia wrzeciona FFWOF FFWOF ;wyłączenie sterowania wyrzedzającego M5 M5 M30 M30 Struktura rogramu jest w miarę rosta i rzejrzysta, a dzięki temu, że jest on naisany w sosób arametryczny wystarczy zmienić wartości arametrów oisujących wielkość e i romień mimośrodu r oraz ewentualnie arametry obróbki. W rzyadku tokarek tylko z osiami X i Z można na oczątku rogramu doisać kod srawdzający sełnienie nierówności (3) i w ten sosób wyeliminować ewentualne ryzyko kolizji owierzchni rzyłożenia narzędzia z obrabianą owierzchnią mimośrodową. Wyznaczone i zaisane w liku TABLICA.MPF rzy omocy olecenia WRITE rzykładowe tablice krzywych mają nastęującą ostać: CTABDEL(1) CTABDEF(X,SP1,1,1) X150 SP1=0 X SP1=1 X SP1=2 X SP1=359 X150 SP1=IC(1) CTABEND CTABDEL(2) CTABDEF(Y,SP1,2,1) Y0 SP1=0 Y SP1=1 Y SP1=2 Y SP1=359 Y0 SP1=IC(1) CTABEND M30 W kolejnym etaie badań na tokarce TUG56-MN z układem sterowania SINUMERIK 810D ( CCU3E+PCU50) osiadającej osie X i Z wykonano owierzchnię mimośrodową o wielkości mimośrodu e=2 mm i romieniu mimośrodu r=25 mm w aluminium gatunku EN AW-2017A. Zastosowano łytkę skrawającą GIP 4.00E-2.00 o kącie rzyłożenia α =7, zamocowaną w orawce GHDR 25-4 firmy Iscar. W celu zmniejszenia ilości elementów tablicy krzywych oisującej ozycję w osi X w funkcji ozycji osi obrotowej C rzerowadzono badania wływu wartości kąta dyskretyzacji C w osi C, na wartość mimośrodu e i maksymalną odchyłkę romienia mimośrodu r max (rys. 3). Do badań rzyjęto nastęujące wartości kąta dyskretyzacji C=0.1, 1, 5, 10, 20, 30, dla których wykonano identyczne owierzchnie mimośrodowe. Nastęnie zeskanowano zarys toczonych owierzchni mimośrodowych (nie zmieniając ich mocowania) na ełnym obwodzie 360 dokonując omiaru co 0,1 rzy omocy lasera omiarowego KEYENCE LK-H152 umieszczonego na suorcie orzecznym obrabiarki (odczas skanowania suort nie wykonywał żadnego ruchu).

6 64 MECHANIK NR 3/2015 Rys. 3. Wływ wartości kąta dyskretyzacji C w osi C na wartość maksymalnej odchyłki romienia mimośrodu r max Wartość maksymalnej odchyłki romienia mimośrodu r max wraz ze zmniejszaniem się kąta dyskretyzacji C (rys. 3) sada z wartości r max =0.099 mm dla C=30, do wartości r max =0.067 mm dla C=5 i nastęnie stabilizuje się na tym oziomie. Tak wiec dalsze zmniejszenie kąta dyskretyzacji C nie rzynosi orawy odnośnie dokładności obrobionej owierzchni mimośrodowej. Taka ustabilizowana wartość odchyłki r max na oziomie mm wynika rzyuszczalnie z luzu nawrotnego i dokładności obrabiarki. Wyznaczona wartość mimośrodu e metodą najmniejszej sumy kwadratów odchyleń zarysu mimośrodu rzeczywistego względem zarysu teoretycznego mieści się w rzedziale od mm. Przy czym nie obserwuje się żadnej wyraźnej zależności omiędzy wartością mimośrodu e i wartościami kąta dyskretyzacji C. Powyższe wyniki badań wskazują, iż wystarczy rzyjąć wartość kąta dyskretyzacji C=5 dla której liczba elementów tablicy krzywych wyniesie tylko 360 /5 +1=73 elementy. Jednak w raktyce bezieczniejszą wydaje się być wartość C=1 dla której tablica krzywych osiada 361 elementów. Natomiast nie ma raktycznego sensu stosowanie kąta dyskretyzacji C=0.1 z tablicą składającą się z 3601 elementów. Na odstawie zeskanowanych zarysów toczonych owierzchni mimośrodowych wykonano wykresy odchyłek rzedstawione na rysunku 4. Rys. 4. Porównanie teoretycznego i rzeczywistego zarysu toczonej owierzchni mimośrodowej dla różnych wartości kąta dyskretyzacji C; owiększenie odchyłek względem zarysu teoretycznego wynosi 50

7 MECHANIK NR 3/ Dla dużych wartości kąta dyskretyzacji C równego 30 i 20 obserwuje się charakterystyczne wzniesienia (lub zagłębienia) których liczba wynosi odowiednio: 12 i 18. Związane jest to z tym, iż tablica krzywych tak narawdę oisuje wielokąt, otwierdzeniem tego faktu była także obserwacja odczas obróbki odbicia światła od owierzchni mimośrodowej, która wykazywała charakterystyczne rążkowanie zwłaszcza dla C = 30. Dla wartości kąta dyskretyzacji C=5 i mniej głównymi składnikami mającymi istotny wływ na wartość odchyłki romienia mimośrodu r względem wartości zadanej romienia r jest luz nawrotny. Widać to szczególnie w ostaci wyraźnego wzniesienia i zagłębienia wystęujących o rawej (ozycja osi C = 0 ) i lewej (ozycja osi C=180 ) stronie zarysu. To właśnie w tych ozycjach (rys. 1) nastęuje zmiana kierunku ruchu w osi X. Szacuje się, że gdyby udało się całkowicie wyeliminować luz nawrotny to wartość maksymalnej odchyłki romienia mimośrodu r max mogła by saść nawet o 50 %, otwierdzając tym samym dużą dokładność zaroonowanej metody obróbki owierzchni mimośrodowych orzez toczenie. Oczywiście rzed rozoczęciem badań wartość luzu nawrotnego została zmierzona i wyeliminowana orzez odowiednie dostosowanie danych maszynowych w układzie sterowania SINUMERIK 810D. Przyuszczalnie ojawiający się w owyższych wynikach badań luz nawrotny wynika z dynamiki obróbki i sztywności samej obrabiarki, dlatego też metoda omiaru luzu nawrot-nego rzerowadzona rzed rozoczęciem badań jest w tym rzyadku mało efektywna. 4. PODSUMOWANIE Zaroonowana metoda toczenia owierzchni mimośrodowych na tokarkach CNC ozwala na całkowite wyeliminowanie dodatkowego orzyrządowania i obróbkę danej części na gotowo w jednym zamocowaniu. Oczywiście na tokarkach z osimi X i Z odlega ona znacznym ograniczeniom głównie od kątem wielkości mimośrodu e i kąta rzyłożenia narzędzia α. Kolejnym ograniczeniem jest zmienność odczas obróbki kątów natarcia γ u i rzyłożenia α u w układzie roboczym, które zmieniają się w zakresie ±δ, który to kąt wynika ze stosunku e/r (3). Imlementacja zaroonowanej metody obróbki owierzchni mimośrodowych na tokarkach z dodatkową osą Y eliminuje owyższe ograniczenia oraz umożliwia obróbkę utrzymując krawędź skrawającą narzędzia dokładnie na wysokości środka P owierzchni mimośrodowej. Wyniki rzerowadzonych badań wskazują, iż wystarczy zastosować kąt dyskretyzacji C na oziomie 5 aby uzyskać zadowalającą dokładność obrobionej owierzchni. Dalsze zmniejszanie tego kąta nie rzynosi orawy dokładności, gdyż głównym składnikiem niedokładności obróbki jest luz nawrotny, którego określenie i eliminacja ukierunkowuje dalsze badania. 5. BIBLIOGRAFIA [1] Grzesik W.: Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych, Warszawa, WNT, [2] Pytlak B.: Obróbka gwintów narzędziem unktowym na tokarkach CNC, Mechanik, 2014, 5-6, [3] Pytlak B.: Toczenie owierzchni śrubowych o zmiennym skoku, VIII Szkoła Obróbki Skrawaniem, ubl. Mechanik, [4] Stryczek R., Pytlak B.: Elastyczne rogramowanie obrabiarek, Warszawa, PWN, [5] Tymowski J.: Technologia budowy maszyn, Warszawa, WNT [6] Instrukcja użytkownika, SINUMERIK 840D sl/828d, Przygotowanie racy, 03/2013. [7] Instrukcja roducenta/serwisowa, SINUMERIK 840D sl, Secial functions, 03/2013.