KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 8 nr Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 008 WOJCIECH PTASZYŃSKI *, ROMAN STANIEK ** BADANIE SILNIKA LINIOWEGO W SUPORCIE POPRZECZNYM ZATACZARKI W artykule opisano kinematykę procesu zataczania frezów, założenia konstrukcyjne i konstrukcję suportu poprzecznego zataczarki z silnikiem liniowym oraz przedstawiono doświadczalne wyniki badań dokładności, dynamiki i sił występujących w czasie ruchu suportu poprzecznego zmodernizowanej zataczarki. Słowa kluczowe: zataczarka, bezpośredni napęd liniowy, badania doświadczalne 1. WPROWADZENIE W ostatnich latach szybki rozwój przemysłu doprowadził do wypierania klasycznych mechanicznych napędów w obrabiarkach przez rozwiązania sterowane numerycznie. Ruch liniowy sterowany numerycznie jest w przeważającej większości uzyskiwany za pomocą silnika obrotowego i przekładni śrubowo-tocznej. W przypadku maszyn o zmiennym kierunku ruchu z dużą dynamiką takie układy zużywają się bardzo szybko. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest zastosowanie silnika liniowego. Podstawowym zadaniem zataczarek jest obróbka (zataczanie) powierzchni przyłożenia narzędzi wieloostrzowych, najczęściej frezów walcowych. Spotyka się dwa rodzaje zataczarek [, 13]: uproszczone, bez posuwu wzdłużnego suportu narzędziowego, uniwersalne, z możliwością posuwu wzdłużnego suportu narzędziowego, umożliwiającego zataczanie frezów ślimakowych, zarówno walcowych jak i stożkowych, frezów kształtowych, czołowych, a także gwintów. Na rysunku 1 przedstawiono schemat zataczania frezu tarczowego o liczbie ostrzy z [13]. Powierzchnia przyłożenia takiego frezu ma najczęściej zarys spirali Archimedesa. W celu obróbki takiej powierzchni wymagane jest sprzężenie obrotów zataczanego frezu z przesuwem suportu narzędziowego. W zataczar- * Dr inż. ** Dr hab. inż. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej.
118 W. Ptaszyński, R. Staniek kach konwencjonalnych ruch przesuwu narzędzia wymuszany jest krzywką. Przy obrocie frezu zataczanego o 1/z obrotu suport narzędziowy musi wykonać jeden cykl roboczy, to znaczy krzywka musi wykonać jeden obrót. Rys. 1. Schemat procesu zataczania frezu tarczowego na zataczarce krzywkowej: 1 zataczany frez, nóż tokarski, 3 suport narzędziowy, 4 sprężyna dociskowa, 5 krzywka, 6 dźwignia, 7 mechanizm ustawiania wartości skoku zataczania, 8 tłumik hydrauliczny Fig. 1. The scheme of cutter relieving on cam relieving lathe: 1 relieved cutter, cutting tool, 3 tool slide, 4 adjusting spring, 5 cam, 6 lever, 7 mechanism for adjusting the relieving value h z, 8 hydraulic suppressor Krzywka 6 ma za zadanie dosuwanie narzędzia do przedmiotu obrabianego 1. Sprężyna 4 natomiast powoduje szybkie odsunięcie narzędzia od przedmiotu. Krzywki w zataczarce są ukształtowane tak, jak to pokazano na rys. 1. Uderzeniowy charakter współpracy rolki suportu z bieżnią prowadzącą krzywki powoduje szybkie zużywanie się obu tych części, dlatego aby złagodzić uderzenia rolki o bieżnię krzywki, stosuje się regulowany tłumik hydrauliczny 8. Nastawienie tłumika zależy od prędkości obrotowej wrzeciona, wielkości skoku oraz od liczby zębów narzędzia zataczanego. Nastawienia tłumika dokonuje się doświadczalnie, osobno dla każdego zataczanego narzędzia []. Jest to proces dość uciążliwy i tym trudniejszy, im większa jest prędkość obrotowa wrzeciona, dlatego obróbka bardzo często odbywa się z prędkością mniejszą od dopuszczalnej. Suport narzędziowy powinien mieć również niezależny ruch wgłębny, niezbędny do ustawienia średnicy zataczanego narzędzia i do stopniowego zagłębiania się narzędzia w materiał w celu ukształtowania powierzchni zataczanej. Wzrost wydajności procesu zataczania narzędzi jest możliwy przez zwiększenie parametrów obróbki, zwłaszcza prędkości obrotowej wrzeciona, a także
Badanie silnika liniowego w suporcie poprzecznym zataczarki 119 skrócenie czasu przestawiania maszyny. W zataczarkach konwencjonalnych maksymalną prędkość obrotową wrzeciona ogranicza wytrzymałość mechaniczna układu krzywkowego, a także wytrzymałość narzędzia kształtującego, które pracuje w niezwykle trudnych warunkach skrawania [7, 13]. Jednym ze sposobów zwiększenia wydajności procesu zataczania jest zastąpienie mechanizmu krzywkowego napędu ruchu zataczania bezpośrednim silnikiem liniowym. Schemat zataczania na takiej zataczarce przedstawiono na rys.. W tym przypadku ruch obrotowy przedmiotu obrabianego z ruchem zataczania jest sprzężony elektronicznie. Na wrzecionie zataczarki zamontowany jest przetwornik obrotowo-impulsowy, który określa położenie kątowe wrzeciona. Układ sterowania z funkcji krzywki elektronicznej na podstawie informacji o kącie obrotu wrzeciona oraz liczbie ostrzy zataczanego frezu oblicza wymagane położenie suportu. Układ napędowy, zintegrowany z układem sterującym, tak steruje silnikiem, aby uzyskać wymagany ruch zataczania. Dodatkowo układ sterowania umożliwia uzyskanie stałego dosuwu wgłębnego noża tokarskiego za pomocą tego samego silnika, bez konieczności stosowania dodatkowego suportu, koniecznego w zataczarce konwencjonalnej []. h z 1 3 4 ϕ P υ Rys.. Schemat procesu zataczania na zmodernizowanej zataczarce: 1 zataczane narzędzie, nóż tokarski, 3 suport, 4 silnik liniowy Fig.. The scheme of relieving process carried out on the modernized lathe: 1 the relieved cutter, cutting tool, 3 slide, 4 direct drive Kąt obrotu wrzeciona Ukłąd Układ Sterowania sterowania Układ napędowy. KINEMATYKA PROCESU ZATACZANIA Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy specjalny frez wykonywany na zataczarce, a na rys. 4 geometrię jego ostrza z zaznaczoną drogą narzędzia względem zataczanej powierzchni.
10 W. Ptaszyński, R. Staniek Rys. 3. Parametry techniczne przykładowego frezu obrabianego na zataczarce; z = 15, wartość h z = mm Fig. 3. Exemplary parameters of the tool machined on the relieving lathe; z = 15, the height of relieving h z = mm Rys. 4. Schemat geometryczny ruchu zataczania: 1 zataczane narzędzie, nóż tokarski, 3 droga narzędzia Fig. 4. The geometric scheme for cutting tool trajectory: 1 the relieved cutter, cutting tool, 3 cutting tool trajectory Tablica 1 Dane wejściowe do obliczeń parametrów procesu zataczania i zataczarki The entry data for calculating the relieving process and for setting up the relieving lathe parameters Nazwa parametru Oznaczenie i jednostka Wartość Maksymalna częstotliwość cykli zataczania f [Hz] 15 Maksymalna wartość skoku zataczania h z [mm] 3,5 Maksymalna średnica zewnętrzna narzędzia zataczanego D [mm] 10 Udział czasu zmiany prędkości i kierunku ruchu narzędzia w w 1 1/8 ogólnym czasie jednego cyklu Udział czasu wycofania narzędzia w ogólnym czasie jednego w 1/8 cyklu Masa suportu i części ruchomej silnika m [kg] 80 Współczynnik tarcia w prowadnicach (tocznych) suportu μ 0,05 Siła odporowa w czasie zataczania F P [N] 1000 Maksymalne przyspieszenie ruchu zataczania a [m/s ] 60 Maksymalna prędkość ruchu wycofania narzędzia v e [m/min] 5
Badanie silnika liniowego w suporcie poprzecznym zataczarki 11 Na podstawie analizy dotychczas wykonywanych procesów zataczania i parametrów geometrycznych zespołu suportu istniejącej zataczarki oraz zakładanych nowych parametrów możliwych do osiągnięcia na zmodernizowanej zataczarce określono dane wejściowe do dalszych obliczeń parametrów procesu zataczania i zataczarki. Dane te przedstawiono w tablicy 1. Na podstawie danych z tablicy 1 oraz rys. 4 można obliczyć następujące wartości parametrów ruchu zataczania: czas jednego cyklu zataczania: podziałkę kątową ostrzy: 1 T =, (1) f π α =, () z kąt obrotu narzędzia zataczanego przy zmianie kierunku i prędkości ruchu suportu: π α 1 = w1 α = w1, (3) z kąt obrotu narzędzia zataczanego przy wycofaniu narzędzia: π α = w α = w, (4) z kąt obrotu narzędzia zataczanego podczas głównego ruchu zataczania: π α 3 = α α α1 = ( 1 w w1 ). (5) z Z tych równań można wyznaczyć czasy poszczególnych faz zataczania narzędzia: czas zmiany prędkości t3 = T w 1, (6) czas wycofania narzędzia t = T w, (7) czas zagłębiania (zataczania) t1 = T ( 1 w w1 ). (8) Prędkość ruchu w fazie zagłębiania i wycofania narzędzia będzie wynosić: prędkość ruchu zagłębiania hz hz v1 = =, (9) t T 1 w w 1 ( ) 1
1 W. Ptaszyński, R. Staniek prędkość ruchu wycofania v hz hz = =. (10) t T w Natomiast przyspieszenie i opóźnienie przy zmianie prędkości i kierunku ruchu a v v t 3 1 =. (11) Rys. 5. Wykresy przemieszczenia, prędkości, przyspieszenia i siły działania silnika w procesie zataczania zmodernizowanej zataczarki Fig. 5. Displacement, velocity, acceleration and forces of the direct drive in modernized relieving lathe Zgodnie z przyjętymi danymi wejściowymi procesu zataczania oraz zakładanymi parametrami modernizowanej zataczarki (tabl. 1) wartości poszczególnych parametrów ruchu będą następujące: czas jednego cyklu zataczania T = 0,067 s, prędkość ruchu zagłębiania v 1 = 5,04 m/min, prędkość ruchu wycofania v = 5,3 m/min, przyspieszenie a = 60 m/s. Wykresy przemieszczeń, prędkości, przyspieszeń i siły działania silnika liniowego dla analizowanego procesu zataczania przedstawiono na rys. 5.
Badanie silnika liniowego w suporcie poprzecznym zataczarki 13 3. KONSTRUKCJA I BUDOWA SUPORTU POPRZECZNEGO ZATACZARKI Z SILNIKIEM LINIOWYM W założeniach konstrukcyjnych modernizowanej zataczarki przyjęto, że nowy suport będzie zamocowany w miejscu dotychczasowego bez zbędnych przeróbek suportu wzdłużnego zataczarki. Suport ten można skręcać pod kątem ±45º względem osi wrzeciona obrabiarki. W celu zmniejszenia masy elementów ruchomych suportu poprzecznego do ich wykonania wykorzystano lekki stop aluminium o handlowej nazwie fortal [4]. Stop ten charakteryzuje się małą gęstością właściwą (ρ =,79 g/cm 3 ) przy stosunkowo dużej wytrzymałości (Rm = 500 MPa). Opierając się na obliczonych wartościach parametrów ruchu zataczania oraz korzystając z literatury [5, 8], obliczono efektywną siłę działania silnika F eff = = 385 N. Na tej podstawie dobrano silnik liniowy MLP140C-0050 firmy Bosch Rexroth, który ma następujące podstawowe parametry [8]: siła przyciągania części wtórnej i pierwotnej F ATT = 14400 N, maksymalna siła silnika F max = 10000 N, maksymalna siła ciągła F dn = 3150 N, maksymalna prędkość przy sile maksymalnej F max v Fmax = 50 m/min, nominalna prędkość ruchu v N = 110 m/min. Do pomiaru położenia suportu poprzecznego zastosowano absolutny liniał pomiarowy LC181 firmy Heidenhain [3]. Na rysunku 6 pokazano widok nowego suportu poprzecznego zamocowanego na suporcie wzdłużnym zmodernizowanej zataczarki. 1 3 4 5 Rys. 6. Widok zmodernizowanego suportu zamocowanego na zataczarce: 1 ruchoma część suportu poprzecznego, wózek prowadnicy tocznej, 3 nieruchoma część suportu poprzecznego, 4 korpus zataczarki, 5 silnik liniowy Fig. 6. View of the modernized support fixed on the lathe: 1 movable part of cross slide, block of linear guideway, 3 immovable part of cross slide, 4 reliving lathe, 5 direct drive
14 W. Ptaszyński, R. Staniek 4. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH Wykonany nowy suport poprzeczny z silnikiem liniowym poddano badaniom doświadczalnym w celu określenia wpływu częstotliwości ruchów zataczania i wartości skoku poprzecznego na dokładność ruchu zataczania. Badania te miały również na celu określenie parametrów granicznych procesu zataczania i pracy zataczarki. a) 3,0 0,05 Przemieszczenie [mm] 31,5 31,0 30,5 30,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 Uchyb w fazie powrotu Ruch powrotny Uchyb w fazie zataczania Ruch zataczania Przemieszczenie Uchyb -0,01-0,0-0,03-0,04 7,0-0,05 100 00 300 400 500 0,04 0,03 0,0 0,01 0 Uchyb [mm] b) 3,0 31,5 31,0 Czas [ms] 10000 8000 6000 Przemieszczenie [mm] 30,5 30,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 Przemieszczenie Siła 4000 000 0-000 -4000-6000 -8000 Siła [N] 7,0-10000 100 00 300 400 500 Czas [ms] Rys. 7. Przemieszczenie suportu w cyklu zataczania (zataczanie i powrót) dla wartości zataczania h z = 3 mm i częstotliwości ruchów f = 6 Hz: a z przebiegiem uchybu położenia, b z przebiegiem siły silnika liniowego Fig. 7. Exemplary graph with the obtained position and following error and force for the given parameters: relieving depth h z = 3 mm, and relieving frequency f = 6 Hz
Badanie silnika liniowego w suporcie poprzecznym zataczarki 15 a) b) Uchyb w fazie wycofania [μm] Uchyb w fazie wycofania [μm] 50 40 30 0 10 0 14 1 10 8 f [Hz] 6 4 1 3 4 5 6 7 8 9 hs z [mm] Uchyb Uchyb w fazie w zataczania [ μm] [μm] 50 40 30 0 10 0 14 1 10 8 f [Hz] 6 4 1 3 4 5 6 7 8 9 hhs z [mm] Rys. 8. Maksymalny uchyb położenia suportu w zależności od wartości skoku i częstotliwości ruchów zataczania: a w fazie wycofania, b w fazie zataczania Fig. 8. The summarized values of the following error measured during the back motion and the relieving motion related to the relieving depth and relieving frequency Badania prowadzono bez obróbki. W czasie badań korzystano z oscyloskopu napędu i mierzono: położenie, prędkość, siłę silnika oraz uchyb położenia. Pomiary wykonano dla każdej wartości skoku zataczania, zwiększając stopniowo częstotliwość ruchów zataczania aż do momentu uzyskania informacji o przeciążeniu silnika (80% maksymalnej siły silnika F max =10000 N m). Na rysunku 7a przedstawiono czasową zależność przemieszczenia suportu poprzecznego oraz przebieg jego uchybów w fazie zataczania i powrotu, a na rys. 7b zależność przemieszczenia suportu oraz wykres zmiany siły silnika w fazie zataczania i powrotu dla wartości skoku zataczania h z = 3 mm i częstotliwości ruchu zataczania f = 6 Hz. Dla jakości obróbki powierzchni zataczanej ważny jest uchyb w fazie zataczania, a mniej ważny w fazie wycofania. Zasadnicze badania polegające na rejestracji uchybów położenia i wartości sił w fazie zataczania i wycofania suportu poprzecznego przeprowadzono dla następujących parametrów procesu: częstotliwości zataczania f [Hz]: ; 4; 6; 8; 10; 1; 16, wartości skoku zataczania h z [mm]: 1; ; 3; 6; 9. Na podstawie zarejestrowanych wykresów sporządzono zbiorcze wykresy zależności maksymalnego uchybu położenia w fazie zataczania (rys. 8a) i maksymalnego uchybu położenia w fazie wycofania (rys. 8b) od częstotliwości oraz wartości skoku zataczania. Natomiast na rys. 9 przedstawiono wykres maksymalnej siły silnika w zależności od częstotliwości i wartości h z w cyklu zataczania. Ta maksymalna siła występuje w pierwszej fazie ruchu wycofania (szarpnięcie) i jest około 3-krotnie większa od maksymalnej siły w fazie zataczania (rys. 7b).
16 W. Ptaszyński, R. Staniek 10000 9000 8000 7000 Siła [N] 6000 5000 4000 3000 000 1000 0 14 1 10 8 f [Hz] 6 4 1 3 4 5 6 7 8 9 hhs z [mm] Rys. 9. Wykres maksymalnej siły silnika w jednym cyklu zataczania (faza wycofania) w zależności od częstotliwości i skoku zataczania Fig. 9. Summarized values of the maximum motor force in one relieving cycle 5. PODSUMOWANIE Zastąpienie tradycyjnego mechanizmu krzywkowego układem z bezpośrednim silnikiem liniowym w znaczący sposób zwiększyło wydajność procesu zataczania dzięki znacznemu zwiększeniu częstotliwości ruchów zataczania. Ponadto, zwiększyła się bardzo żywotność zataczarki, gdyż nie występuje zjawisko uderzania palca wodzącego o krzywkę, co było nie tylko przyczyną częstych uszkodzeń zataczarki, ale wymagało okresowej regeneracji części współpracujących. Zastosowanie napędu bezpośredniego przyczyniło się również do znacznego skrócenia czasu przygotowawczego, ponieważ każdorazowo nie trzeba nastawiać tłumika w zależności od prędkości obrotowej wrzeciona, wielkości skoku oraz od liczby zębów zataczanego narzędzia. Analizując otrzymane wyniki badań, można stwierdzić, że wzrost wartości skoku zataczania i wzrost częstotliwości ruchów zataczania powodują wzrost wymaganej siły silnika do wykonania cyklu zataczania. Jest to spowodowane tym, że zarówno wzrost częstotliwości ruchów zataczania, jak i wzrost wartości skoku zataczania, przy stałym stosunku czasu zmiany prędkości ruchu do całkowitego czasu cyklu, powodują wzrost wartości przyspieszenia ruchu, a co za tym idzie, wzrost wymaganej siły silnika. Można także zauważyć wzajemną zależność pomiędzy częstotliwością ruchów i wartością skoków (im mniejszy skok zataczania, tym większa częstotliwość zataczania i odwrotnie, oczywiście przy stałej sile). Dokładnych badań w zakresie wydajności oraz jakości powierzchni zataczanej jeszcze nie prowadzono. Przykładowo, na zmodernizowanej zataczarce uzyskano skrócenie czasu wykonania frezu o liczbie zębów 4 na poziomie 40%. Można także stwierdzić, że jakość zataczanych frezów oceniana według procedur firmy, w której dokonano wdrożenia, jest zadowalająca. Modernizacja zataczarki, polegająca na zastosowaniu silnika liniowego w suporcie poprzecznym, wpłynęła bardzo korzystnie na jej konkurencyjność, szcze-
Badanie silnika liniowego w suporcie poprzecznym zataczarki 17 gólnie w zakresie wydajności i żywotności, w stosunku do dotychczas stosowanych zataczarek z klasycznym krzywkowym rozwiązaniem suportu. LITERATURA [1] Benefits of using direct drive technology, Brochure of Kollmorgen, http://www.danahermotion.com, 00. [] Dokumentacja techniczna zataczartki DH50/III. [3] Encoders for feed axes with direct drives, Technical information, Heidenhain, http://www.heidenhain.com, dostęp: październik 005. [4] Kosmol J., Automatyzacja obrabiarek i obróbki skrawaniem, Warszawa, WNT 000. [5] Kosmol J., Serwonapędy obrabiarek sterowanych numerycznie, Warszawa, WNT 1998. [6] Oczoś K. E., Doskonalenie techniki napędu obrabiarek, Mechanik, 004, nr 5 6, s. 69 79. [7] Ptaszyński W., Linear motor applied in cross slide of relieving lathe, w: The 5 th International Conference on Advanced Engineering Design, Proc. of CD AED 006 Orgit s.r.o., Praga 006. [8] Rexroth IndraDyn L., Synchronous Linear Motors. Project Planning Manual, Bosch Rexroth AG 005. [9] Szafarczyk M., Sterowanie i napęd obrabiarek, Mechanik, 1997, nr 8 9, s. 369 374. [10] Wavre N., Vaucher J.-M., Direct drive with servo linear motors and torque motors, w: EPE Drives Symp. Lausanne, Oct. 1994, s. 151 155. [11] Wavre N., Vaucher J.-M., Piaget D., Drive systems for demanding applications Linear and torque motors in the industrial environment, Munich, Carl Hanser Verlag 1998. [1] Wavre N., Vaucher J.-M., Piaget D., Linear motors and torque motors are ready for industrial applications, ETEL SA, Motiers, Switzerland. [13] Wrotny L. T., Obrabiarki skrawające do metali, Warszawa, WNT 1976. Praca wpłynęła do Redakcji 7.03.008 Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Kosmol INVESTIGATION OF LINEAR DRIVE FOR THE CROSS SLIDE OF RELIEVING LATHE S u m m a r y The fast industry development in recent years caused the number of classical mechanical drives in machine tools has decreased. Its place took innovative numerical controlled units. The linear motion in machine tools in most cases is realized by servomotor with the ball screw assembly. Those units wear out quite fast in dynamic machines when there s need to change the motion direction very fast. One way of resolving the problem is the use of linear motor. The kinematic of the relieving process, design foundations and results of simulations were presented in the paper. The description of the cross slide design with linear motor as well as the results of dynamic and accuracy investigations of the modernized lathe were also presented. Key words: relieving lathe, linear direct drive, experimental investigations