LABORATORIUM. Temat 11: Dokładność ustalania przesuwnych zespołów maszyn

Transkrypt

1 LABORATORIUM Temat 11: Dokładność ustalania przesuwnych zespołów maszyn 1. Wprowadzenie Szybki wzrost liczby maszyn sterowanych numerycznie oraz robotów przemysłowych zmusił producentów i uŝytkowników do stosowania jednoznacznych kryteriów oceny ich jakości. Z uwagi na stosunkowo niewielką pracochłonność, niski koszt badań oraz znaczną przydatność uzyskanych wyników do oceny jakości i stanu technicznego, jednym z najbardziej rozpowszechnionych testów jest sprawdzanie dokładności ustalania połoŝenia jej zespołów. Uzyskane w wyniku takich badań odchyłki ustalania połoŝenia oraz rozrzut poło- Ŝeń zespołów stanowią waŝne kryterium oceny stanu maszyny i jej zespołów. Aby umoŝliwić porównywanie wyników uzyskiwanych przez róŝnych producentów i uŝytkowników maszyn sterowanych numerycznie, w szeregu krajach opracowano zalecenia precyzujące tok postępowania przy prowadzeniu takich badań. Na świecie stosuje się kilka róŝnych norm związanych z kontrolą parametrów maszyn: NMTBA USA, VDI Niemcy, JIS Japonia, BSI Wielka Brytania, ISO Unia Europejska. W Unii Europejskiej, dla maszyn z grupy obrabiarki skrawające, podstawę stanowi norma ISO 230 część 1 oraz część 2. Część pierwsza obowiązuje w kraju jako PN-93/M-55580/01 Dokładność geometryczna obrabiarek pracujących bez obciąŝenia lub w warunkach obróbki wykańczającej Przyczyną występowania odchyłek połoŝenia zespołów przesuwnych są głównie błędy geometryczne wykonania maszyny, jej odkształcenia cieplne i odkształcenia pod wpływem sił: głównie tarcia, cięŝkości i związanych z samym procesem. Kompleksowa kontrola błędów geometrycznych maszyny obejmuje cechy: kształtu, połoŝenia oraz przemieszczenia linii lub powierzchni maszyny. Mogą to być takie cechy jak: prostoliniowość, płaskość, równoodległość, prostopadłość i obrót. Szczególnie istotnym zagadnieniem przy kontroli maszyny jest badanie przemieszczenia prostoliniowego zespołu maszyny wzdłuŝ osi ruchu. Przemieszczenie prostoliniowe zespołu ruchomego maszyny powoduje sześć elementów odchylenia (rys.1.), decydującego o połoŝeniu punktu materialnego w przestrzeni: jedno odchylenie pozycyjne w kierunku ruchu, dwa odchylenia liniowe trajektorii punktu ruchomego zespołu, trzy odchylenia kątowe zespołu ruchomego. Odchylenia we wszystkich sześciu stopniach swobody wpływają na błędy pozycjonowania, poniewaŝ wynikają one zarówno z niepoŝądanych ruchów kątowych jak i ruchów po-

2 2 stępowych i mogą być nawet większe od błędów pozycjonowania linowego w kierunku osi sterowalnych. Rys.1. Odchylenia przy przemieszczaniu liniowym 2. Odchyłki ustalania połoŝenia Odchyłki ustalania połoŝenia, moŝna podzielić na systematyczne i przypadkowe (rys.2). Odchyłki systematyczne, są spowodowane ograniczoną sztywnością elementów maszyny oraz błędami jej geometrii. Dokładność obróbki Odchyłki systematyczne Temperatura Odchyłki przypadkowe sztywność geometria odchyłka połoŝenia luz zwrotny rozrzut połoŝenia obcią- Ŝenie drgania Odchyłka ustalania połoŝenia Rys.2. Czynniki wpływające na dokładność obróbki i na odchyłkę ustalania połoŝenia Błędy przypadkowe są natomiast wynikiem zmiennego, co do wartości, obciąŝenia oraz drganiami. Zarówno na odchyłki systematyczne jak i na przypadkowe ma wpływ nagrzewanie się zespołów maszyny. Odchyłki te określają z kolei odchyłkę połoŝenia, odchyłkę występującą przy zmianie kierunku obciąŝenia lub kierunku ruchu, zwaną luzem zwrotnym oraz rozrzut połoŝeń przemieszczanego zespołu. Te trzy czynniki wyznaczają całkowitą odchyłkę

3 3 ustalania połoŝenia zespołu. Jak pokazano na rys.3 o wartości odchyłki ustalania połoŝenia decydują zarówno odchyłki systematyczne jak i przypadkowe. Ogólnie moŝna stwierdzić, Ŝe odchyłki systematyczne są wyznaczone przez warunki brzegowe pracy danej maszyny i dla kaŝdego punktu pomiarowego na długości drogi przesuwu zespołu mają określoną wartość i określony znak. Są one spowodowane głównie, błędami geometrycznymi prowadnic, błędami wykonania śruby tocznej, obciąŝeniami, a takŝe błędami układu do pomiaru drogi zastosowanego w maszynie NC. Z uwagi na stałą ich wartość moŝna je łatwo skorygować Na rys. 3 pokazano przykładowy efekt uzyskany dla frezarki pionowej w wyniku wprowadzenia do układu sterowania odpowiednich poprawek, uzyskanych z pomiarów odchyłek ustalania połoŝenia. Frezarka pionowa 1 AVIA 2 odchyłka połoŝenia [um] Analiza trendu - liniowa współrzędna w osi Y [mm] Rys.3. Zmniejszenie odchyłek pozycjonowania w wyniku korekcji. (linia 1 przed korekcją, linia 2 po korekcji) Odchyłki przypadkowe mogą mieć wiele przyczyn. Główne przyczyny to: zmienne warunki tarcia w parach kinematycznych, rozrzut czasów przełączania napędu, zmienna temperatura pracy obrabiarki, zmienne warunki zewnętrzne, zmienne obciąŝenia, drgania itp. Przypadkowe odchyłki połoŝenia zmieniają swą wartość, pomimo zachowania stałych sterowalnych warunków pracy i eksploatacji. Są one powodem występowania rozrzutu połoŝeń.

4 4 3. Opracowanie wyników pomiarów Występowanie nieuniknionego rozrzutu w pomiarach odchyłek ustalania połoŝenia wymusza posłuŝenie się metodami statystycznymi przy opracowywaniu wyników pomiarów. Zakłada się przy tym, Ŝe odchyłki połoŝenia od zadanego punktu są rozłoŝone zgodnie z rozkładem normalnym. Analizując rozkłady odchyłek przy najazdach lewo i prawostronnych dla kaŝdego połoŝenia kontrolnego moŝna przy załoŝonym poziomie ufności wyznaczyć: Odchyłkę połoŝenia, Rozrzut połoŝenia, Luz zwrotny Analizę taką dla jednego połoŝenia pokazano na rys.4. Rys.4. Krzywe normalnego rozkładu odchyłek połoŝenia Odchyłkę połoŝenia reprezentują średnie arytmetyczne odchyłek przy odpowiednich najazdach zaś luz zwrotny jest róŝnicą odchyłki lewo i prawostronnej. Jako rozrzut odchyłek połoŝenia podaje się najczęściej przedział 6σ, w którym mieści się 99,73% wszystkich pomiarów. Odchylenie standardowe σ dla n najazdów, oblicza się z zaleŝności:

5 5 n (x ji x j) 2 i=1 σ j =, n - 1 gdzie: x ji - i -ta odchyłka od punktu j, n 1 x j = x ji n - średnia arytmetyczna odchyłek od celu w punkcie j, i=1 n - liczna najazdów na punkt j. 4. Pomiary odchyłek ustalania połoŝenia Rosnąca ciągle dokładność maszyn wymaga, aby narzędzia pomiarowe cechowały się dokładnością przynajmniej o rząd wyŝszą. Dla większości obecnie wytwarzanych maszyn wymaganiom tym są w stanie sprostać tylko interferometry laserowe. Interferometry laserowy z róŝnego typu oprzyrządowaniem optycznym są najwyŝszej klasy przyrządami pomiarowym wykorzystywanym do kontroli geometrycznej maszyn. Ich zastosowania obejmują pomiary odchyłek pozycjonowania liniowego i kątowego, prostoliniowości, prostokątności, równoległości i płaskości. MoŜliwa jest teŝ automatyczna transmisja współczynników korekcji liniowej do popularnych sterowników CNC. Do pomiaru wykorzystuje się system laserowy w konfiguracji: głowica laserowa, układ kompensacji, optyka do pomiarów liniowych i komputer z. oprogramowaniem (rys.5). Kompute r PC Głowica laserowa Układ kompensacji Oprzyrządowanie optyczne Rys.5. Schemat blokowy laserowego systemu pomiarowego 4.1.Zasada działania Interferometria to technika pomiaru, która wykorzystuje długość fali świetlnej jako jednostkę pomiarową. Laser znajduje w niej zastosowanie, poniewaŝ stanowi źródło promieniowania spójnego, co oznacza, Ŝe wszystkie wysyłane przez źródło fale mają taką samą długość oraz są dokładnie w fazie. Długość fali lasera HeNe (światło czerwone) wynosi

6 µm, a w drodze kolejnych podziałów tej długości osiąga się rozdzielczość pomiarową nawet µm czyli 1 nm. Zasadę działania systemu laserowego ilustruje rysunek 6. Światło lasera (1) spolaryzowane w dwóch prostopadłych płaszczyznach dochodzi do zwierciadła płaskiego rozdzielającego wiązkę na dwie składowe spolaryzowane liniowo. Światło odbite (2) jest spolaryzowane prostopadle do przechodzącego (3). Obie wiązki są odbijane od odpowiednich pryzmatów i powracają do głowicy laserowej. Głowica laserowa Pryzma t Zwierciadł o płaskie Przesuw 5 System laserowy LSP-30 Rys.6. Zasada działania interferometru laserowego Nieruchomy układ optyczny znajduje się w stałej odległości od głowicy tworząc w ten sposób stałe ramie odniesienia interferometru. Drugie układ optyczny moŝe przemieszczać się względem głowicy tworząc razem z nią układ tak zwanego ramienia pomiarowego interferometru. System laserowy pozwala na dokładne wykrywanie róŝnic pomiędzy długością ramienia odniesienia i ramienia pomiarowego. Po odbiciu od pryzmatów wiązki (2) i (3) spotykają się i razem docierają do głowicy. Utworzona w taki sposób wiązka (4) składa się z dwóch składowych, które posiadają prostopadłe do siebie polaryzacje. Wiązka światła dochodzi następnie do detektorów (5) czułych na kierunek polaryzacji światła, które dają na wyjściu elektryczny sygnał o przebiegu zmiennym, sinusoidalnym, pozwalający na określenie kierunku przemieszczania się pryzmatu pomiarowego oraz określenie wielkości przesunięcia. Przy wykorzystaniu interferometru laserowego LSP-30 do pozycjonowania maszyny moŝna uzyskać następujące parametry pomiaru: - zakres pomiaru 0 do 30 m - rozdzielczość pomiaru 0,1 lub 0,01 µm

7 7 - dokładność pomiaru 1,5 µm/m Proces pomiaru pozycjonowania dla maszyn sterowanych numerycznie wymaga: - zaprogramowania układu sterowania maszyny; (wpisanie połoŝenia punków pomiarowych wzdłuŝ drogi przemieszczania; maszyna powinna zatrzymać się w punkcie pomiaru na ok. 1 sek), - wykonania co najmniej pięciu cykli pomiarów wg schematu pokazanego na rys. 7, (realizowany jest pomiar róŝnicy pomiędzy wpisanym do układu sterowania połoŝeniem punktu pomiarowego a połoŝeniem zmierzonym za pomocą systemu laserowego), - obróbki statystycznej wyników pomiarowych w komputerze PC dla wyznaczenia wartości rozrzutu, luzu zwrotnego i odchyłki połoŝenia. Rys.7. Cykle pomiarowe Przykład, opracowanych przez program komputerowy, rezultatów pomiarów dokładności ustalania połoŝenia pokazano na rys. 8.

8 8 Rys.8 Przykład rezultatów pomiarów dokładności ustalania połoŝenia. (wykres górny : średnie odchylenie dla połoŝenia, środkowy: luz zwrotny, dolny: rozrzut połoŝeń 5. Stanowisko dydaktyczne Pomiary rozrzutu połoŝeń, luzu zwrotnego oraz odchyłki połoŝenia wykonywane będą dla wybranych połoŝeń stołu frezarki uniwersalnej. Pomiary przemieszczeń liniowych stołu frezarki wykonuje się zgodnie ze schematem pokazanym na rys.9. Do pomiaru wykorzystuje się system laserowy w konfiguracji: głowica laserowa, układ kompensacji, komputer z oprogramowaniem, optyka do pomiarów liniowych Czynności przygotowawcze zestawienie układu pomiarowego; ustawienie i uruchomienie głowicy laserowej, zamocowanie interferometru liniowego na ruchomym stole maszyny, a retroreflektora (pryzmatu) do nieruchomego zespoły maszyny np. głowicy wrzecionowej, justowanie układów optyki liniowej na całej drodze przemieszczenia interferometru.

9 9 FWD 32J Laser Interferometr liniowy T1 Pryzmat T2 T3 Meteo 5.2. Pomiary: A. Rozrzut połoŝeń i luz zwrotny Rys.9. Układ do pomiaru przemieszczeń liniowych w osi maszyny Dla pierwszego wybranego połoŝenia stołu wykonać 10 dojazdów lewostronnych i 10 dojazdów prawostronnych zapisując wskazania systemu laserowego. Na podstawie zbioru wyników wyznaczyć rozrzut połoŝeń i wartość luzu zwrotnego Lp Dojazd lewostronny Średnia arytmetyczna XLsr PołoŜenie 1/ PołoŜenie 2 Dojazd prawostronny Średnia arytmetyczna XPsr Luz zwrotny XLsr-XPsr Rozrzut połoŝeń R wyznaczyć jako R = 6*σ lub w przybliŝeniu jako R = Xmax Xmin (po odrzuceniu błędów grubych).

10 10 B. Odchyłka połoŝenia Wyznaczyć przemieszczenie stołu C odpowiadające 1 obrotowi śruby pociągowej. Odchyłkę połoŝenia wyznaczyć dla trzech połoŝeń stołu, odpowiadających 2, 4 i 6 ciu obrotom śruby pociągowej. Dla kaŝdego z połoŝeń stołu pomiary powtórzyć trzy razy. 1 obrót śruby = C [mm] 2 obroty 4 obroty 6 obrotów Wartość zadana Z 2*C 4*C 6*C Wartość zmierzona M Odchyłka Z - M Średnia odchyłka połoŝenia Pomiar Nr Opracował: dr inŝ. Wojciech Kwaśny dr inŝ. Zbigniew Wasiak