4/1 Technologa Automatyzacja Montażu MOŻLIWOŚCI KSZTAŁTOWAIA POWIERZCHI OBRABIAYCH A TOKARKACH CC WYIKAJĄCE ZE ZŁOŻEIA RUCHÓW TECHOLOGICZYCH Robert JASTRZĘBSKI, Tadeusz KOWALSKI, Paweł OSÓWIAK, Anna SZEPKE Jednym z ważnejszych kerunków rozwoju unwersalnych obrabarek CC jest zwększane ch wydajnośc oraz wprowadzane możlwośc obróbk, zarezerwowanych dotychczas dla obrabarek specjalzowanych, przy jednoczesnym zachowanu unwersalnośc. Od unwersalnych tokarek CC poza typową obróbką wymaga sę coraz częścej dodatkowych możlwośc obróbkowych kształtowana powerzchn obrabanych. Wynka to z oferowanych coraz wększych możlwośc układów sterowana oraz dostępnośc różnych rodzajów modułów konstrukcyjnych do budowy tokark. Możlwośc układów sterowana dotyczą ne tylko zwększana lośc os sterowanych numeryczne, lecz także możlwośc złożena różnych rodzajów zadanych ruchów technologcznych, jako złożonych ruchów nterpolowanych lub synchronzowanych. Przykładowo możlwe stają sę take operacje obróbkowe, jak: w pełn automatyczna obróbka obustronna przedmotu z podawanego pręta, wykorzystująca przechwyt przedmotu podczas obrotów przez dodatkowe wrzecono przechwytujące zamontowane w mejscu konka (z zastosowanem funkcj synchronzacj obrotów tych wrzecon), wysokowydajne toczene welokątów (wykorzystujących synchronzację stałego przełożena obrotu wrzecona narzędza obrotowego), obróbk gwntów falstych metodą jednego przejśca (wg oblczonej trajektor ruchu nterpolowanego złożena obrotów wrzecona z cyklcznym ruchem nawrotnym os X posuwem os Z). Obróbk tego typu realzowane mogą być przez tokark specjalzowane poprzez sprzężene mechanczne obrotów, zastosowane kopałów, noży kształtowych tp. Ograncza to znaczne zastosowana takej tokark oraz szybkość elastyczność dostosowana do zman kształtu obrabanego przedmotu. Przykładowo, każda zmana kształtu gwntu falstego powoduje koneczność wykonana nowego kopału, noża kształtowego. Wykorzystując funkcje synchronzacj nterpolacj ruchów, mamy możlwość zastąpć sprzężena mechanczne programowym, zachowując przez to unwersalność tokark CC. Celem tego etapu pracy była ocena możlwośc kształtowana powerzchn obrabanych z wykorzystanem ruchów złożonych w zakrese wydajnośc analzy czynnków wpływających na dokładność takch typów obróbk na unwersalnych tokarkach CC. 1. Błędy realzacj ruchów technologcznych Dla rodzajów obróbk wykorzystujących złożene ruchów technologcznych, nawet przy zachowanej wysokej dokładnośc geometrycznej pozycjonowana tokark, mogą powstać znaczne błędy obróbk, wynkające z dynamk ruchu możlwośc dzałana układów sterowana rucham, gdyż decydującym o dokładnośc obróbk czynnkem może być utrzymane zadanych parametrów trajektor ruchów technologcznych bezpośredno wpływających na realzowaną trajektorę skrawana (styku narzędza z przedmotem obrabanym). Zadając określone wartośc posuwów obrotów, oczekujemy, że welkośc te będą realzowane, zapewnamy wtedy właścwą trajektorę styku narzędza przedmotu obrabanego, kształtującą przedmot obrabany. W wynku nedokładnośc wykonana, oddzaływana sł oraz dynamk ruchów na tokarkę o określonych właścwoścach, powstają błędy realzacj oczekwanych trajektor ruchów narzędza przedmotu, które w sume powodują błąd realzacj trajektor styku narzędza przedmotu przy skrawanu, który przekłada sę na błędy obróbk (rys. 1). Rys. 1. Schemat powstawana błędu obróbk jako wynk sumy błędów oczekwanych trajektor ruchów technologcznych narzędza przedmotu Rozpatrując błędy realzacj oczekwanej trajektor ruchów technologcznych w tokarce, okazało sę, że dla ruchów obrotowych posuwowych możemy wyodrębnć te same rodzaje błędów w zależnośc od przyczyn ch powstawana, co przedstawa schemat na rys.. Jednak błędy te w różny sposób przekładają sę na dokładność obróbk, w zależnośc od tego, czy występują w ruchu ob- 54
Technologa Automatyzacja Montażu 4/1 Rys.. Klasyfkacja możlwych błędów ruchów realzowanych na tokarce unwersalnej ze sterowanem CC rotowym, czy posuwowym oraz w zależnośc od rodzaju obróbk. Dlatego też należy je rozpatrywać w stosunku do rodzaju obróbk. Powyższy sposób rozpatrywana błędów jest unwersalny dla każdego rodzaju obróbk, także przy rozpatrywanu obróbk wykorzystującej ruchy nterpolowane synchronzowane. a rys. 3 przedstawono punkty charakterystyczne dla typowych modułów konstrukcyjnych tokark ustalających wzajemne oczekwane położena narzędza przedmotu. Rys. 3. Podstawowe moduły konstrukcyjne tokark realzujące ruchy technologczne ustalające wzajemne położene narzędza przedmotu A punkt przecęca os wrzecona głównego z płaszczyzną prostopadłą do nej określoną przez płaszczyznę czoła wrzecona punkt ten ustala oczekwane położene przedmotu obrabanego zamocowanego w uchwyce oś obrotu przedmotu, B punkt określony przez teoretyczną końcówkę ostrza narzędza skrawającego poruszający sę wraz z suportem w płaszczyźne obróbk XZ (w tokarkach przestrzeń obróbkowa ograncza sę do płaszczyzny XZ) punkt ten określa zadane położena narzędza względem przedmotu obrabanego, C punkt określony przez teoretyczną końcówkę kła konka, leżący w os wrzecona poruszający sę wzdłuż tej os punkt pomocnczy ustalający także położene przedmotu obrabanego, teoretyczne leżący na wspólnej os z osą wrzecona. Wymenone na schemace z rys. błędy ruchów technologcznych powodują stałe lub chwlowe zmany oczekwanych położeń narzędza przedmotu obrabanego: Błędy odwzorowana statycznego realzowanego zarysu (konturu) odzwercedlają błędy geometryczne, pozycjonowana lub zastosowanego modelu oblczenowego, określającego pozycję zadaną, wpływające na wzajemne usytuowane punktów A,B,C na danej pozycj w stane ustalonym (po zatrzymanu ruchu dojśca do tej pozycj). Błędy wartośc średnch zadanych prędkośc odzwercedlają najczęścej błędy knematyczne prze- 55
4/1 Technologa Automatyzacja Montażu łożeń zastosowanych w konstrukcj napędów. Dla nektórych rodzajów obróbk (np. gwntowana) powodują narastający błąd oczekwanej pozycj kątowej przedmotu obracanego względem punktu A lub lnowej narzędza (punktu B). Są szczególnym rodzajem błędów nadążana. Błędy nadążana odzwercedlają zbyt wolną (szybką) realzację zadanej wartośc ruchu, rozpatruje sę je w funkcj czasu, wynkają najczęścej z własnośc, możlwośc nastaw układów serwonapędowych w stosunku do zadanych wartośc, powodując zmany chwlowych położeń narzędza przedmotu względem wartośc oczekwanych. Błędy przemeszczeń dynamcznych są wynkem oddzałujących sł powstających na skutek zadawanych ruchów własnośc tokark (sztywnośc, wbrostablnośc, knematycznych). Typowe dagnozowane błędy zadanych pozycj chwlowych wynkają z drgań, luzów zwrotnych, tarca tp. Błędy temperaturowe wynkają ze zman warunków otoczena nagrzewana sę elementów tokark na skutek wydzelanego cepła podczas realzacj jej ruchów. Powodują dryfty temperaturowe punktów A, B, C powodując zmany oczekwanej wzajemnej pozycj narzędza przedmotu. Zmany te w odróżnenu do błędów nadążana są zmanam stosunkowo wolnozmennym w czase. Welkość tych zman zależy w dużym stopnu od własnośc konstrukcyjnych maszyny welkośc zadawanych ruchów. Rozwązań konstrukcyjnych tokarek jest bardzo wele. a rys. 4 przedstawono schemat pęcoosowej tokark unwersalnej o zwększonych możlwoścach technologcznych. Posada ona dodatkową głowcę narzędzową z wymennym narzędzam obrotowym do frezowana przy skojarzonym ruchu nterpolowanym os C wrzecona posuwowym oraz do wysokowydajnego toczena welokątów metodą wykorzystującą synchronzację stałego przełożena obrotu wrzecona narzędza obrotowego. a wrzecone tokark zamontowano dodatkowy suport odcnający. Tokarka ta umożlwa różne rodzaje obróbk wykorzystujące złożene ruchów technologcznych, przykładowo opsane w p.. Dla oceny dokładnośc wymenonych typów obróbk należy analzować możlwy wpływ poszczególnych, wymenonych rodzajów błędów ruchów technologcznych.. Przykłady obróbk wykorzystującej złożene ruchów technologcznych w tokarce Przykład I: Toczene welokątów Rys. 5. Toczene welokąta metodą skojarzonych obrotów narzędza przedmotu o stałym przełożenu prędkośc obrotowych Rys. 4. Schemat pęcoosowej tokark unwersalnej o zwększonych możlwoścach technologcznych do wykonywana obróbk z wykorzystanem ruchów złożonych Toczene welokątów foremnych, a ścślej mówąc toczene pseudowelokątów, gdyż w rzeczywstośc wytoczone powerzchne ne są powerzchnam płaskm, lecz neco wypukłym, jest technologą znaną od dawna. Urządzena take były wyposażone w przekładnę mechanczną, która zapewnała dokładny stosunek prędkośc obrotowej narzędza, a dokładnej obrotowej głowcy narzędzowej z klkoma ostrzam na obwodze, do prędkośc obrotowej przedmotu obrabanego. Ta synchronzacja obrotów umożlwała toczene różnych welokątów w zależnośc od lczby ostrzy głowcy narzędzowej stosunku prędkośc obrotowej narzędza do prędkośc obrotowej obrabanego przedmotu. Przy czym loczyn lczby ostrzy głowcy stosunku prędkośc obrotowej narzędza do przedmotu jest lczbą wytoczonych ścanek welokąta. Obecne ne ma konecznośc posadana specjalnych urządzeń do stosowana tej technolog. Unwersalna tokarka CC wyposażona w obrotową głowcę narzędzową do toczena welokątów posadająca możlwość synchronzacj prędkośc obrotowej głowcy narzędzowej przedmotu umożlwa toczene praktyczne dowolnych welokątów. 56
Technologa Automatyzacja Montażu 4/1 Potoczne dla tej technolog wykonywana welokątów przyjęła sę, z języka angelskego, nazwa toczene polgonowe. Przy analze toczena polgonowego według modelu matematycznego przedstawonego w [1], napotykamy zdecydowane trudnośc, albowem założene, że oś obrotu narzędza znajduje sę na końcu promena obrabanego przedmotu, powoduje, że narzędze o promenu wększym od średncy obrabanego przedmotu ne ma w ogóle kontaktu z przedmotem. W tej sytuacj można tym modelem analzować jedyne przypadk, w których promeń narzędza jest mnejszy od promena przedmotu. Jednak w praktyce takch przypadków ne stosuje sę, gdyż występują wtedy znaczne nepłaskośc obrabanych ścanek welokąta. Opracowano nowy model matematyczny [], przedstawający zasadę toczena polgonowego, który opera sę na rzeczywstej odległośc os obrotu głowcy narzędzowej os obrotu przedmotu. W modelu tym obrót przedmotu ω P = ω / powoduje unoszene środka obrotu z prędkoścą obrotów głowcy narzędzowej w kerunku przecwnym do obrotu narzędza po łuku o promenu A z prędkoścą ω P. W modelu tym przykładowo dla kwadratu współrzędne punktów trajektor styku narzędza przedmotu są następujące: X Y P P = R sn( α ω t ) cos ω t [ A R cos( α ω t )]sn ω t = R sn( α ω t ) sn ω t + [ A R cos( α ω t )]cos ω t przy czym: ω t α ; ω =, R promeń narzędza, r promeń przedmotu, promeń opsany na wytoczonym welokące, A odległość os narzędza przedmotu, ω prędkość obrotowa narzędza, ω P prędkość obrotowa przedmotu, α kąt wynkający z zależnośc pomędzy R, r A. Przy wykorzystanu do toczena polgonowego unwersalnych tokarek CC brak bezpośrednego mechancznego sprzężena obu tych prędkośc obrotowych, co powoduje, że stosunek ω zmena sę cyklczne podczas obróbk. Przeprowadzone badana wskazują, że prędkość obrotowa przedmotu (wrzecona głównego) ne ulega wyraźnym zmanom, natomast prędkość obrotowa narzędza zmnejsza sę podczas skrawana, a w czase begu jałowego wzrasta do wartośc powyżej zadanej, zachowując średną prędkość. W modelu matematycznym zjawsko to możemy uwzględnć, zakładając, że podczas skrawana prędkość obrotowa narzędza jest jednostajne malejąca. Otrzymamy wówczas następujące wzory na współrzędne odwzorowana trajektor styku narzędza przedmotu podczas skrawana [3]: X P = R sn( α ω maxt + ) cosω Pt [ A R YP = R sn( α ω maxt + )sn ω Pt + [ A R cos( gdze: ε opóźnene prędkośc obrotowej narzędza na drodze P o P K, ω max prędkość obrotowa narzędza w punkce P o. a rys. 6 przedstawono wpływ chwlowych zman prędkośc narzędza na płaskość ścank toczonego kwadratu dla R = 6 mm; r = 5 mm; ω = oraz chwlowej ω =, 1,8, czyl ε, wg zmodyfkowanych wzorów trajektor styku narzędza przedmotu dla przyjętego opóźnena ε, ruchu obrotowego narzędza podczas skrawana. Rys. 6. Wpływ zman prędkośc narzędza podczas skrawana na kształt ścęca cos( α ω α ω max t + )]sn ω t t + )]cosω Pt max W przedstawonym przykładze podstawowe czynnk wpływające na błąd płaskośc obrabanej ścank welokąta to trajektora styku narzędza przedmotu wynkająca z modelu tej obróbk złożonej oraz błędy cyklcznej nestablnośc prędkośc narzędza (nadążana), wynkające z możlwośc układu regulacj prędkoścą obrotową narzędza przy występujących obcążenach cyklcznych (czas wykonana jednego przejśca skrawającego przy stosunku prędkośc :1 prędkośc narzędza obr/mn wynos ok. 3 ms). Typowe błędy obrabark wpływające na dokładność obróbk ne mają tu stotnego znaczena. Przykład II. Obróbka gwntów falstych metodą jednego przejśca Gwnty falste (rys. 7) trapezowe są wysokowytrzymałoścowym gwntam o dużym skoku do szybkego montażu wykorzystywanym w narzędzach w przemyśle górnczym. Typowo wykonywane są przez tokarko- -kopark. edogodnoścą tej obróbk jest fakt, że każda zmana welkośc zarysu tych gwntów wymaga wykonana nowego wzornka nowego noża kształtowego. W CBKO podjęto próbę wykonana prototypu unwersalnej tokark wykorzystującej typowe płytk narzędzowe obróbkę tych gwntów metodą jednego przejśca, polegającą na zadanu ruchu nterpolowanego złożonego z 3 ruchów technologcznych: stałego posuwu os Z, stałych obrotów wrzecona ruchu posuwsto-zwrotnego os poprzecznej X odwzorowującej zarys gwntu w każdym obroce. Możlwe jest to po oblczenu wygenerowanu zadanej trajektor ruchu nterpolowanego. 57
4/1 Technologa Automatyzacja Montażu Rys. 7. Gwnt falsty Problem utrzymana dokładnośc zarysu gwntu wynka tu główne z dynamk zadanych ruchów technologcznych zmennych obcążeń ze względu na zmany głębokośc skrawana, cyklczne dla każdego obrotu wrzecona. Aby wydajność tej obróbk była porównywalna z wydajnoścą tokarek-koparek, należy obrabać z prędkoścą co najmnej 8 1 obr/sek. ajwększe wymagana dotyczą os X, która mus odtworzyć w czase każdego obrotu wrzecona zarys gwntu wg zadanej trajektor oraz szybkośc dzałana układu sterowana. Dla zachowana wymaganej dokładnośc gwntu, kolejne punkty generowanej trajektor ruchu nterpolowanego pownny pojawać sę co ok. 15º. Przy prędkośc obrotowej wrzecona np. 6 obr/mn, jesteśmy na grancy szybkośc dzałana układu CC, generowana nowego punktu trajektor (,5 ms), przy maks. szybkośc dzałana układów sterowana ms. Występują tu dwe podstawowe przyczyny błędów zadanej trajektor ruchu nterpolowanego odtwarzającego zarys gwntu: szybkość dzałana układu sterowana dynamka przemeszczeń os posuwowej X powodująca znaczne sły bezwładnośc przy rozpędzanu hamowanu poruszanej masy suportu z głowcą narzędzową w każdym obroce [4]. Obe te przyczyny powodują błędy nadążana za zadaną trajektorą ruchu odtwarzającego zarys gwntu. Metody zmnejszana tego błędu to stosowane modułów konstrukcyjnych o zwększonej dynamce ruchu odpowedne nastawy parametrów regulacyjnych dostępnych w układze sterowana. W badanym prototype tokark zastosowano slnk lnowy w os X oraz specjalny moduł regulacj, generujący z wyprzedzenem kolejne punkty trajektor, zmenono nastawy parametrów regulacyjnych ruchu os serwonapędów. Dało to wstępne pozytywne wynk obróbk. a rys. 8 przedstawono wykres odtwarzana ruchu os X prototypu tokark do tej obróbk, przed regulacją nastaw. Wdać typowe przeregulowana ampltudy odtwarzanego ruchu. Przy opsanym rodzaju obróbk nne błędy tokark są co najmnej o rząd welkośc mnejsze ne mają stotnego znaczena. Rys. 8. Błędy nadążana trajektor ruchu przy toczenu gwntu trapezowego przeregulowane: OX czas = 1 [s], OY ampltuda [μm] Podsumowane Przy obecnych możlwoścach dążenu do zwększana wydajnośc obróbk błędy obróbk wynkające z dokładnośc utrzymana nastawonych ruchów technologcznych są coraz wększym problemem. Typowe zapewnene dokładnośc geometrycznej pozycjonowana obrabarek ne gwarantuje w przypadkach obróbk wykorzystującej złożene ruchów technologcznych wystarczającej dokładnośc obróbk. Wydaje sę, że przy obecnym rozwoju metod obróbk skrawanem kontynuowane prac nad rozwojem dostosowywanem metod badań do dynamk ruchu w obrabarkach jest nezbędne. Przedstawony sposób oceny dokładnośc kształtowana powerzchn obrabanych w postac analzy dokładnośc realzacj zadanych trajektor ruchów technologcznych wydaje sę być dosyć unwersalny. LITERATURA 1. Toczene polgonowe, rozdz. 19.1. Podręcznk obsług układu sterowana Fanuc sera 16-TB, 1.. Jastrzębsk R., Madej L.: Wpływ cyklcznej nestablnośc prędkośc obrotowej narzędza na płaskość powerzchn obrobonej przy toczenu welokątów. VII Mędzynarodowa Konferencja Inżynera Produkcj 11. Materały konferencyjne. Wrocław 3.5-1.6.11. 3. Marchelek K.: Dynamka obrabarek. WT, Warszawa 1997. 4. Jastrzębsk R., Kowalsk T., Osównak P., Szepke A.: Metody badań błędów ruchów technologcznych precyzyjnych centrów tokarskch CC. Pomary, Automatyka, Robotyka, nr 1/1, s. 67 73. Dr nż. Tadeusz Kowalsk jest konsultantem naukowym Centrum Badawczo-Konstrukcyjnego Obrabarek Sp. z o.o. adunktem Wydzału Inżyner Produkcj Poltechnk Warszawskej. Mgr nż. Robert Jastrzębsk, mgr nż. Paweł Osównak mgr nż. Anna Szepke są pracownkam Centrum Badawczo-Konstrukcyjnego Obrabarek Sp. z o.o. w Pruszkowe. 58