Идентификация и устранение ошибок в станках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Обзор ошибок станка, методы их устранения

1.1 Ошибки, возникающие при работе станка

1.2 Источник ошибки

1.2.1 Геометрические и кинематические ошибки

1.2.2 Тепловые ошибки

1.2.3 Ошибки вызванные силой резания

1.2.4 Другие ошибки

1.3 Методология устранения ошибок

1.4 Геометрические/кинематические ошибки

1.4.1 Измерение геометрических/кинематических ошибок и компенсация

1.5 Сила резания вызывающая ошибки

1.6 Другие ошибки

1.7 Цель и намерения

Используемая литература

1. Обзор ошибок станка, методы их устранения

1.1 Ошибки, возникающие при работе станка

Основными типами ошибок являются геометрическая, тепловая, и ошибки, вызванные силами резания. Геометрические ошибки составляют главную часть погрешности станка, ошибка, вызванная, силами резания, зависит от типа инструмента и заготовки и принятых условий резания.

В настоящее время, имеется большая потребность в идентификации и устранении всех источников ошибок в станках. За последние годы был проведен существенный объем работы в этой области. В результате, современные станки в состоянии достигнуть точностей в диапазоне 0.005 мм благодаря развитым методам проектирования и передовой технологии материалов.

Однако, сколько бы усовершенствований не было предпринято в этой области, проблема погрешности движения не может быть устранена полностью. Независимо от того, как хорошо машина разработана, есть предел точности, которая может быть фактически достигнута. Такие ошибки как тепловая деформация, деформация от сил резания и т.д., не могут быть полностью устранены с помощью лишь проектировки. Использование материалов типа керамики и бетона для производства станины станка быстро получает популярность среди компаний-производителей станка, но даже такие преобразования не способны предотвратить изменения, происходящие благодаря процессам окружающей среды цеха. Кроме того, производственные затраты, необходимые на такие усилия являются значительными.

Широкий успех в настоящее время получила технология компенсации погрешности, облегчающая измерения и снижающая стоимость резания. Эта технология позволяет изготовить детали более высокой точности, используя относительно менее точный станок [WUS89]. С помощью этой технологии, преодолеваются традиционные ограничения по точности станков. Эта система контролирует состояние машины непрерывно и любая ошибка, которая может быть произведена, соответственно компенсируется.

Основной смысл этого метода в том, что как бы идеально не был проектирован станок, точность его будет меняться во время работы, благодаря тепловым нагрузкам и чрезмерным силам резания. Однако, намного легче контролировать или измерять количество погрешности и давать компенсацию через изменения в фактическом положении различных осей, что в свою очередь применимо только к станкам с ЧПУ. Компенсация может считаться эффективной, только если ошибки являются систематическими или повторяемыми и могут быть измерены и сохранены [WUS89].

Геометрические и кинематические ошибки оказывают действие главным образом на основную погрешность станка. Ошибки при изменении температуры различных элементов машины добавляются к ее погрешности. Снижение ошибок вызванных силой может быть проанализировано с двух позиций. Ошибка в заготовке может быть вызвана или чрезмерной деформацией в инструменте и заготовке возникающей из-за силы резания или в результате деформации станка непосредственно из-за высокой температуры, произведенной процессом резания. Эта высокая температура, которую несет инструмент, заготовка и охладитель (в зависимости от процесса резания) в конечном счете, сказывается на основной структуре машины, таким образом, увеличивая его тепловую деформацию. Это вызывает изменение кинематических и тепловых ошибок из-за сил резания по сравнению с их значениями в ненагруженном состоянии. Тепловое поведение машины может также измениться значительно при увеличении фрикционного сопротивления в паре винт-гайка ходового винта, потери в подаче и шпиндельных двигателях и т.д., которые в итоге, преобразовываются в высокую температуру и передаются в структуру станка.

Большинство работ, которые были выполнены в области ошибок, вызванных силой резания, посвящены чрезмерной деформации, имеющей место в тонкостенных или гибких заготовках, или отклонениям режущих инструментов под нагрузкой. Было сделано небольшое исследование, связанное с эффектом, оказываемым режущим процессом на поведение станка.

Таким же образом, крепление вносит свой вклад в погрешность машины двумя путями. Так как ошибки, из-за деформации тонкостенных заготовок под влиянием силы закрепления, не являются частью основной погрешности машины, эта ошибка имеет различные критерии оценки, такие как жесткость заготовки, сила закрепления, используемая, чтобы предотвратить смещение в течение механической обработки, глубина резания и т.д.

1.2 Источник ошибки

Точность может быть определена как степень соглашения или соответствия обработанной детали с необходимой размерной и геометрической точностью [JED97]. Ошибка, с другой стороны, может быть понята как любое отклонение в положении лезвия от теоретически необходимой величины, чтобы произвести заготовку указанного допуска. Степень ошибки в машине дает меру ее точности; то есть, максимальная ошибка перемещения между любыми двумя точками в процессе (объеме) работы машины. Это, конечно, зависит от разрешения системы. Позиционирование не может быть более точным, чем разрешение, поскольку для этого необходима обратная связь в пределах его сетки для улучшения первого (обычно порядка 1 мм).

Ошибки могут быть классифицированы на две категории, а именно, квазистатические ошибки и динамические ошибки (см. иллюстрацию 1.1). Квазистатические ошибки - те ошибки, между инструментом и заготовкой, которые медленно изменяются со временем и связанные со структурой станка непосредственно. Эти источники включают геометрические/кинематические ошибки, ошибки из-за собственного веса конструкции компонентов машины, и те, благодаря термическому воздействию которых, возникают напряжения в структуре станка. Динамические ошибки с другой стороны вызваны источниками типа неточного движения шпинделя, вибрации в структуре машины, ошибки диспетчера (контроллера) и т.д. Они более зависят от специфических эксплуатационных режимов машины. Квазистатические ошибки насчитывают приблизительно 70 процентов полной ошибки станка и также, являются главным центром исследования компенсации ошибок.

Иллюстрация 1.1 Полная ошибка детали и иерархия ошибок [CHA96]

Каждый станок в основном, состоит из станины(направляющих), шпинделя, системы опор шпинделя, инструмента и резцедержателя, заготовки и различны линейных и/или вращающихся осей. Каждый из этих элементов вносит свой вклад в полную ошибку системы, которая представлена так называемым "ошибочным бюджетом" (или суммарной ошибкой в отечественной литературе). Ошибки могут быть классифицированы как:

· Геометрические ошибки компонентов машины и структур;

· Кинематические ошибки;

· ошибки, вызванные тепловыми искажениями;

· ошибки, вызванные влиянием силы резания;

· ошибки, вызванные характером нагружения;

· ошибки, вызванные ускоряющимися массами;

· ошибки, вызванные непосредственным влиянием резания;

· материальные ошибки неустойчивости;

· ошибки, вызванные погрешностями сборки;

· ошибки инструмента;

· ошибки, вызванные изнашиванием инструмента;

· ошибки закрепления;

· другие источники ошибок, такие как ошибки сервомотора машины (ошибки следования и ошибки алгоритма интерполяции) [NIJ97].

Таким образом, ошибки могут быть сгруппированы в общем в три главных класса, а именно, геометрические и кинематические ошибки, вызванные температурой ошибки или тепловые ошибки и вызванные силой резания. Краткий обзор ошибочного бюджета станка и факторов, затрагивающих то же самое, дается в иллюстрации 1.2 [RAM00].

Иллюстрация 1.2 Краткий обзор ошибочного бюджета в станке и факторов, влияющих на его формирование [RAM00]

1.2.1 Геометрические и кинематические ошибки

Геометрические ошибки - те ошибки, которые существуют в станке из-за его базовой конструкции, погрешности встройки в течение сборки и в результате неточностей заготовок, используемых на машине. Из-за этого, они формируют один из самых больших источников погрешности. Эти ошибки происходят из-за так называемой "квазистатической" точности поверхностей, перемещающихся друг относительно друга. Геометрические ошибки могут быть гладкими и продолжительными, или также могут показать гистерезис (запаздывание фаз) или случайное поведение. Эти ошибки действуют на такие факторы как прямолинейность поверхности, поверхностная шероховатость, преднатяг подшипников и т.д. Геометрические ошибки имеют различные компоненты, такие как ошибка линейного смещения (точность позиционирования), прямолинейность и плоскостность движения осей, угол установки шпинделя, ошибки прямоугольности, ошибка обратной реакции и т.д. [NIJ97].

Кинематические ошибки происходят из-за относительных ошибок движения нескольких перемещающихся компонентов машины, которые должны переместиться по точным функциональным требованиям. Эти ошибки особенно существенны в течение объединенного движения различных осей. Такие ошибки происходят во время линейной, круговой или других типов алгоритмов интерполяции и более очевидны в течение фактической механической обработки.

1.2.2 Тепловые ошибки

Другая главная причина неточных заготовок - ошибка из-за неправильного расположения инструмента благодаря тепловой деформации. Легко понять, что ошибки из-за тепловых факторов составляют 40-70 % общих ошибок размеров и формы заготовок инженерной точности [BRY90]. Идентифицировано шесть источников теплового влияния:

(i) нагревание от процесса резания,

(ii) нагрев, произведенный станком,

(iii) нагреваниями или охлаждением, обеспеченным системами охлаждения,

(iv) нагреваниями или охлаждением в цехе,

(v) эффект людей и

(vi) тепловой памяти от любой предыдущей окружающей среды [BRY90].

Самый критичный среди этих источников - высокая температура, произведенная машиной. Непрерывная работа машины вызывает нагрев в перемещающихся элементах в результате фрикционного сопротивления, в двигателях, в насосах и т.д. Эта высокая температура вызывает относительное расширение различных элементов станка, приводящего к неточному расположению режущего инструмента.

Следовательно, ошибки из-за шпиндельного расширения, теплового расширения ШВП и теплового искажения станины сказываются на положении вершины инструмента. Поскольку выделение тепла в точках контакта неизбежно, этот источник ошибки - наиболее труден для устранения. При изготовлении точных заготовок, ошибка из-за тепловой деформации элементов машины играет жизненно важную роль в ограничении точности произведенной детали.

Всесторонний анализ одного источника тепловой ошибки в токарных станках с ЧПУ, был сделан Sata и др. [SAT81]. Исследование показывает, как улучшить рабочую точность токарного станка, предсказывая и давая компенсацию тепловому расширению инструмента и резцедержателя в процессе механической обработки. Количество теплового расширения могло быть точно рассчитано прогнозирующим уравнением, в котором количество генерируемого нагревания представлено как функция условий резания. Позже Asao и др. [ASA92] произвел прогнозирующую функцию, которая имеет тип экспоненты. Вышеупомянутые исследователи выяснили, что тепловое расширение инструмента при номинальных условиях резания могло быть порядка 20мм.

1.2.3 Ошибки вызванные силой резания

Динамическая жесткость всех компонентов станка (станины, колонны, и т.д.), в пределах петли резания машины, отвечает за ошибки, вызванные в результате процесса резания. Это - один из главных источников ошибки в металлорежущих станках, поскольку сила резания значительна. В результате этих сил, положение наконечника инструмента относительно заготовки изменяется из-за искажения различных элементов машины. В зависимости от жесткости структуры в условиях резания, точность станка может меняться. Поэтому, для машины с данной жесткостью, большая подача в основном производит больше компонентов неточности, чем маленькая подача.

1.2.4 Другие ошибки

Другие ошибки, такие как изнашивание инструмента и ошибки закрепления добавляются к полной погрешности подвергнутой машинной обработке детали. Ошибки в закреплении вызваны установкой зажима и геометрическими неточностями расположения элементов, их жесткостью закрепления. В случаях, где заготовка зафиксирована креплением с маленькой областью контакта, смещения из-за деформации заготовки могут вызвать существенные ошибки. Смещение заготовки зависит от нескольких факторов: положения закрепления элементов, длины закрепления, давления закрепления, типа поверхности контакта и т.д. Таким образом, смещение заготовки может быть существенным источником ошибки машины.

1.3 Методология устранения ошибок

В зависимости от сложности процесса резания или тепловых условий станка, эти компоненты ошибок непрерывно меняются. Поэтому очень трудно оценить эти ошибки однозначно. Существует множество способов уменьшения ошибок, которые серьезно затрагивают точность станка. Вообще, способы в широком смысле могут быть разделены на две категории, а именно, `предотвращение ошибки' и `компенсация ошибки'. Общий подход к построению точного станка состоит в том, чтобы применить методы предотвращения ошибок по ходу его проектировки и производственной стадии так, чтобы источники погрешности были сведены к минимуму. Однако, этот подход подразумевает высокую степень инвестиций, так как стоимость машины растет экспоненциально с уровнем заложенной точности. Такие машины также имеют тенденцию часто перепроектироваться. Другие методы, а именно, компенсации ошибки, в настоящее время являются ведущими методами, поскольку отрасли промышленности требуют более точные станки по более низким затратам. В этом случае, ошибки в машине измеряются и компенсируются различными способами. В отличие от случая предотвращения ошибки, здесь не предпринимается усилие избегать ошибки. Точнее, какой бы ошибка не являлась, измерение и компенсация для нее одно и тоже. Компенсация ошибки, поэтому может счесться первичным методом устранения ошибок. Компенсация ошибки может далее быть разделена на две категории в зависимости от степени повторяемости (воспроизводимости) системы. Один метод - `пред-калиброванная (предопределенная) компенсация ошибки' или ' стратегия прямой подачи ' где ошибка измеряется или прежде, или после процесса механической обработки, и то же самое используется, чтобы изменить или калибровать процесс в течение последующего действия. Метод, однако, предполагает, что полный процесс механической обработки и измерения часто повторяются. Другой метод - `активная компенсация ошибки' или 'стратегия обратной связи' где, ошибка, как проверено в течение процесса механической обработки, используется, чтобы изменить процесс в течение того же самого действия (иллюстрация 1.3). Преимущество этого процесса состоит в том, что более высокая степень точности заготовки может быть достигнута на относительно неточном станке с помощью методов компенсации ошибок. Это желательно в промышленности сегодня, поскольку влечет за собой комбинацию высокой точности, дешевизны и высокой продуктивности [NIJ93].

Иллюстрация 1.3

Прямая подача иллюстрация 1.3 и стратегия обратной связи для компенсации ошибок [SAT81] Компенсация ошибки предполагает исследование различных источников ошибки в станке и метода их компенсации. Так как точность станка зависит от общего действия различных источников ошибок, упомянутых ранее, система компенсации ошибки должна принять во внимание взаимодействие между этими источниками, а не рассматривать каждую ошибку отдельно. Поэтому статический подход должен быть заменен динамическим. Хотя современные станки оборудованы пакетами для компенсации ошибки подачи и компенсацию обратной реакции, они применимы только при статических условиях. Для рассмотрения ошибок а непрерывном режиме таким образом, что можно было бы рассмотреть взаимодействие между различными компонентами ошибок, должны использоваться системы компенсации ошибок в реальном времени. Техника компенсации ошибок, однако, не заключается в сокращении абсолютного значения ошибок. Метод просто стремится уменьшать действие этих факторов на точности механической обработки. Техника компенсации ошибок, поэтому может быть, в общем, классифицирована в двух главных областях исследования, а именно, статическая и динамическая компенсация ошибки. В то время как статическая компенсация ошибки связана с идентификацией и исправлением основных ошибок машины, динамические методы компенсации ошибки, часто называемые компенсацией ошибок в реальном времени, вообще используются, чтобы исправить тепловые и ошибки вызванные силой резания. Компенсация ошибки в реальном времени, как указывает название, выполняется непрерывно, когда машина находится в действии, постоянно исправляя погрешности.

Есть пять различных методов идентификации ошибок, используемых согласно типу ошибки, которая будет проверена. Они следующие:

a): Метод Калибровки Сетки: Этот метод калибрует ошибку в токах дискретной сетки рабочего пространства и интерполирует оцененную ошибку для фактического положения инструмента. Он обычно используется для геометрического моделирования ошибки;

b) Метод Синтеза Ошибки: Обычно используемый для моделирования геометрической и тепловой ошибки, этот метод получает полную ошибку посредством индивидуальных компонентов ошибки;

c) Метод Разработанного Факта: Используется, для моделирования местных геометрических и тепловых ошибок, этот метод измеряет размеры специально разработанных объектов вместо прямого измерения ошибок;

d) Метод Метрологической Рамки: Этот метод используется, чтобы измерить частичные геометрические и тепловые ошибки, используя оптические системы, установленные на машине, чтобы измерить ошибки, он-лайн, таким образом устраняющие некоторые офф-лайн измерения;

e) Метод Конечного Элемента: Этот метод используется, чтобы оценить тепловые ошибки через термопластичную деформацию и анализ теплопередачи структуры машины. Никакие эксперименты не используются в этом методе оценки ошибок.

1.4 Геометрические/кинематические ошибки

Геометрические и кинематические ошибки станка формируют основную (начальную) погрешность станка. Некоторые из разнообразных геометрических и кинематических ошибок, которые получаются, могут быть представлены так:

a) Ошибка позиционирования каждой оси;

b) Прямолинейность каждой оси в ее перпендикулярных сечениях;

с) Межмодульное смещение, отклонение от направления движения, отклонение от вращения осей;

d) Ошибка перпендикулярности осей;

e) Погрешность из-за люфтов каждой оси;

f) Ошибка профилирования каждой оси.

В зависимости от числа осей отдельной машины, число элементов ошибки изменяется. Следовательно, для станка с тремя осями, 21 компонент ошибки в основном определяются состоящим из шести компонентов ошибки, по каждой оси и трех ошибок перпендикулярности, исключая люфт и контурные ошибки [LEE98, NIJ93, TAR97, TAK97, WIL97]. Например, структура стандартного, рекомендуемого CMM, используемого сегодня, состоит из трех линейных платформ, под 90 градусов к друг другу. Каждая платформа имеет шесть степеней свободы x, y и z плюс вращение, подача и отклонение от курса вместе с прямоугольностью друг относительно друга. Поэтому, даже здесь, есть источники ошибок, эквивалентный 21 степени свободы, как в случае станка с тремя осями, которые обычно отображаются для обеспечения коррекции.

1.4.1 Измерение геометрических/кинематических ошибок и компенсация

Лазерный интерферометр обычно используются в измерении различных компонентов ошибок. Защита Eung-Suk и др. [LEE98] использовала интерферометр в измерении 19 из этого 21 компонента на Бриджпортском фрезерном станке с ЧПУ с тремя осями за исключением углового наклона. То же самое было измерено, используя электронный уровень. Измерение было проведено по три раза каждой из 21 ошибок при различных температурных условиях. До измерения были проведены некоторые важные приготовления, такие как, проверка заготовки, для определения числа точек измерения, число повторений, температура критических элементов машины, нагрев машины и т.д.,. Был развит алгоритм компенсации, он использует номинальное положение инструмента как установлено диспетчером компьютерного числового программного управления и достигает фактического положения, используя модель общей ошибки, как описано выше. После компенсации, измерение точности машины было сделано на вертикальном обрабатывающем центре (оборудованном с диспетчером Heidenhain) использование интерферометра и системы бруска-шара Renishaw. Существенное усовершенствование точности станка было соблюдено в результате компенсации. Makoto Oya и др. [OYA87] развивал математическое уравнение для ошибки посредством истинного положения и измеренного вектора ошибки положения. Вершины прямоугольной призмы, показанной в иллюстрации 1.4, были взяты как наблюдательные посты, и были сделаны измерения расстояний. Чтобы получить дискретное распределение вектора ошибки подробно, были взяты 60 предопределенных центральных пунктов в имеющем размеры диапазоне. Измерения плоскостности были также сделаны в центральных пунктах главного блока независимо по каждому направлению. Исправляя данные с предопределенными векторами ошибок, были получены истинные векторы положения для каждого из этих пунктов. Вычисление вектора ошибки в любом промежуточном положении было проведено интерполяцией в пределах доступных данных. Поэтому, для любого данного положения, данное компенсированное положение идентифицировано, основываясь на измеренном положении, используя интерполированное распределение ошибки. После того, как предложенный метод коррекции был применен, в измерении плоскостности и расстояния соответственно использовались поверхностная пластина и ряд блоков шаблона. Усовершенствование точности в системе было проведено приблизительно в 2-4 раза.

Иллюстрация 1.4 Разделение измерительного диапазона и опорных точек [OYA87]

Fan и Burdekin [FAN86] развивали пакет программ для анализа и калибровки точности позиционирования станков с ЧПУ. В качестве инструмента измерения использовался лазерный интерферометр HP 5526. Оператор должен вручную сделать запись данных ошибок в различных положениях в пределах реального времени при осмотре с помощью компьютера HP 9826. Полученный пакет программ, автоматически делает запись необходимых данных, распознавая процессы запуска от одной целевой точки до - следующей, и также установившееся процессы в новой целевой точке. С помощью этого программного обеспечения могут быть измерены периодические, действительные, случайные и повторяющиеся ошибки. El Ouafi и др. [OUA00] предложили, новый разработанный подход для улучшения точности механической обработки с мульти - осями с ЧПУ через компенсацию программного обеспечения геометрических, тепловых и динамических ошибок. Основанная на контрольной системе мульти - датчика, предложенная схема компенсации гарантирует предсказание ошибок. Авторы сообщают, что применительно к токарному центру, подход «neuro compensation» улучшил точность машины, уменьшая максимальную ошибку с 70мм без компенсации до менее, чем 4 мм после компенсации. Hut и др. [HUH99] предложили новую идею для оценки ошибки. Предложенный альтернативный метод измеряет деталь, а не машину, и дает компенсацию станку согласно измерениям. Эта предложенная методология требует моделирования соотношений между ошибками станка и ошибками детали, которые авторы назвали "модель отображения ошибки станок-деталь". Моделирование позволяет идентификацию индивидуальных параметров ошибки станка, которые сказываются на ошибке детали. Чтобы использовать эту модель, для компенсации ошибки станка, была тщательно развита испытательная часть, и представлены несколько правил проекта. Из результата измерения обработанной детали теста, каждый источник ошибки был идентифицирован и скомпенсирован при использовании системы компенсации в реальном времени.

Donmez и др. [DON86] вводят абсолютно новую математическую модель, которая соотносит ошибку позиционирования режущего инструмента относительно заготовки, с ошибкой индивидуальных элементов структуры станка. Ошибки индивидуальных элементов машины тогда разделяются на геометрическую и вызываемые теплом компоненты. Кроме того, описана прогнозирующая процедура калибровки машины, для предсказания геометрических и вызванных теплом ошибок салазок машины. Получены эмпирические модели для компонентов ошибок, основанные на данных калибровки, и оценены, используя методы кривой наименьших квадратов, величины для параметров в этих моделях. Авторы утверждают, что испытания при резании, выполненные при переходных тепловых условиях, показали, что повышение точности в 20 раз достижимо даже без периода разогрева машины.

Ni и др. [NIJ93] изобрели оптическую систему, состоящую из лазерного интерферометра, разделителей луча, плоских зеркал и фотодатчиков бокового эффекта двойной оси как показано в иллюстрации 1.5. Эта система была применена к двух осям фрезерного станка С ЧПУ с тремя осями, чтобы облегчить одновременное измерение он-лайн пяти ошибок на каждой оси а именно, линейная и вертикальная прямолинейность, ошибка поворота, ошибки межмодульного смещения и прогиба. Другие две ошибки, а именно, точность позиционирования и ортогональность между осями были измерены автономно. Измерения с интерферометром были, однако, сопряжены с некоторыми проблемами, такими, как луч, нестабильность указания луча, ошибки установки, нелинейность датчика, электронный шум и экологические эффекты. В зависимости от данного требования точности определенного оборудования, один или несколько из этих источников ошибки был незначителен по сравнению с требованием. Каждый компонент ошибки был измерен, при использовании системы, и с помощью скалярных уравнений, были получены ошибки для каждой оси. Органы машины перемещались по оси X и Y в 45 °, и компоненты ошибок были также измерены, используя изобретенную систему. Выяснилось, что расчетные ошибки были подобны измеренным значениям с максимальным различием 4 мм.

Иллюстрация 1.5 Схематическая диаграмма одноосевой измерительной системы [NIJ93]

В дополнение к ошибкам, которые были смоделированы и скомпенсированы для использования различных методов, существует другая важная область применения - диаграмма контроля контура. Был выполнен контроль контурной ошибки машин с ЧПУ и для того, чтобы улучшить копировальную точность и для определения и компенсации люфтов. В улучшении точности профилирования, цель примененного контроля касалась сокращения ошибки контура вместо ошибки позиционирования. Также, был выполнен поперечный двойной контроль движения мульти оси вместо обычной системы получения точности расположения через независимый контроль каждого индивидуального контура системы привода подачи. Оптимальные параметры контроля были получены с помощью Генетических Алгоритмов. Эта поперечная двойная система была включена в обычную систему, для формирования интегрированной системы управления контура. Фрезерный станок с ЧПУ использовался, чтобы проверить эффективность предложенной стратегии контроля. Через испытания и ошибку были получены ценные результаты, выяснилось, что точность контура и степень контроля отклонения при переключении с направления на направление были значительно увеличены [TAR97]. Проверка круглости использовалась в идентификации люфтов в машинах компьютерного числового программного управления. Обрабатывающему центру с ЧПУ задавалось выполнить круглый профиль системой компьютерного числового программного управления, и преобразователь, встроенным между шпинделем и столом, делал запись фактического движения осей. Машине предстояло выполнить круглые профили, и преобразователям сделать запись отклонений от необходимого профиля. Отклонения используются для указания влияния люфта на точность профилирования обрабатывающих центров с ЧПУ. Был выявлено, что, вследствие несогласованности движения, произведенный круглый профиль внезапно отклоняется от желательного профиля из-за люфта. Была развита стратегия программного обеспечения, которая подавляет люфт. Когда ось меняет направление с одного на другое, есть задержка прежде, чем стол начинает перемещаться снова из-за люфта. Компонент компенсации был добавлен, чтобы устранить задержку при переключении. Однако, даже этот компонент занял бы некоторое время, чтобы действовать вследствие инерции системы направляющих. Для ускорения движения подачи в области люфта, к компоненту компенсации был также добавлен динамический компонент в зоне ошибки [TAK97]. Различные методы, такие, как проверки близнецового диска, проверки одинарного диска и измерения бруска-шара используются при измерении точности. Это лишь некоторые из косвенных методов измерения точности станков. Прямой метод измерения точности подразумевает проведение испытания механической обработки на номенклатуре деталей. Однако, в этом случае, в испытательную часть закладывается много переменных, таких, как свойства материала, поток СОЖ, износ инструмента и т.д. После механической обработки, измеряется точность детали.

Statham и др. [STA97] оценил тепловое искажение, вызванное вращением шпинделя в обрабатывающих центрах, используя чертежный стандарт ISO/DIN 230-3. Испытания были связаны с контролем смещения высокоточной оправки, установленной в шпинделе станка. Конфигурация с пятью исследованиями (показанные в иллюстрации 1.6) применялась для измерения радиальной ошибки, осевой ошибки и информацию теплового отклонения. Бесконтактные конденсаторные преобразователи были настроены в их среднем диапазоне так, чтобы могли быть измерены дрейфы с любой стороны от середины.

Иллюстрация 1.6 Система испытания на пяти датчиках [STA97]

В заключение, измерение компонентов ошибки в станке с ЧПУ обычно выполняется, используя лазерный интерферометр, который способен к измерению большинства ошибок. Однако, угловой поворот осей измеряется, используя электронный уровень. В некоторых случаях, измерение ошибок проводится, используя копир и установку датчиков. Измерение компонентов ошибок также обычно делается автономно, каждая ошибка, измеряется индивидуально. Однако, Ni и др. [NIJ93] изобрели специальную оптическую систему, которая могла одновременно отследить он - лайн до пяти ошибок на каждой оси. Измерение он - лайн ошибок выгодно, потому что эти измерения учитывают действие таких эффектов как тепловые напряжения, эффекты ускорения и замедления и т.д. на ошибки. В дополнение к измерениям, используя лазерный интерферометр и блоки шаблона, другие испытания такие, как точность профилирования и испытания круглости проводятся для идентифицикации точности профилирования машины и люфта в каждой оси соответственно.

1.5 Сила резания вызывающая ошибки

В течение компенсации ошибки в режиме реального времени (RTEC), методы для геометрических и тепловых ошибок успешно улучшили точность станка, большинство текущих исследований компенсации ошибок, не предполагало, что ошибки вызваны силой резания. Аргумент, который использовался, чтобы пренебречь ошибками, вызванными силами резания - то, что при финишной механической обработке, сила резания пренебрежимо мала, и что вызванными отклонением можно пренебречь. Современные методы механической обработки заключаются в механической обработке улучшенной стали, непосредственно до ее окончательной формы без шлифовальных операций. В таких случаях, силы резания могут быть очень большие, когда становится невозможно пренебречь их влиянием. Датчики силы играют главную роль в устранении ошибок, вызванных силой резания. С этой целью используются пьезоэлектрические датчики или датчики напряжения. В случае токарного центра (как показано в иллюстрации 1.7), они обычно устанавливаются на шпиндельном узле или под башенкой (колонной) инструмента. После того, как эти датчики установлены, они должны быть калиброваны, чтобы сделать запись сил должным образом. Однородные преобразующие матрицы используется, чтобы объединить все компоненты ошибок и таким образом управлять моделью синтеза ошибки.

Иллюстрация 1.7 Местоположение пьезоэлектрического датчика на токарном центре [YAN97]

Как общее ко всем текущим системам компенсации ошибок, PC используется в соединении с ЧПУ машины, чтобы осуществить компенсацию ошибки в реальном времени. Система компенсации читает силы от датчиков в реальном времени, позицию перемещения от линейных масштабов или кодирующих устройств и вычисляет, компоненты ошибки, вызванные силой резания, используя математические модели. Эти ошибки далее синтезируются, и рассчитываются величины компенсации для каждой из осей. Эти величины после передаются на компьютерное числовое программное управление машины, чтобы произвести желательную компенсацию. Схематическую диаграмму системы компенсации показывают в иллюстрации 1.8 [YAN97].

Иллюстрация 1.8 Система компенсации ошибок, вызванных силой резания [YAN97]

ошибка станок компенсация резание

Есть десять компонентов ошибки, вызванных силой резания для 2-х координатного токарного центра, показанного в иллюстрации 1.9. Шесть компонентов ошибки, связанных с держателем инструмента и шпинделем калиброваны, используя систему емкостного датчика. Два компонента ошибки, связанные с режущим инструментом рассчитаны теоретически основываясь на модели консольной балки. Другие два компонента ошибки, которые связаны с заготовкой, рассчитаны, используя упрощенный метод конечного элемента, чтобы учесть все возможные геометрические особенности различных деталей. Этот упрощенный алгоритм конечного элемента может быть выполнен он-лайн, для оценки отклонения заготовки под влиянием мгновенных сил резания в различных местоположениях резания. Контроль компенсации ошибок осуществленный на токарном центре, основан на пакете программного обеспечения, который называется "компенсация смещением начала координат". Ряд испытаний резания проводился, чтобы проверить эффективность этого предложенного метода.

Иллюстрация 1.9 Изменения, вызванные компонентой ошибки от силы резания в операции точения [YAN97]

Для правильного предсказания ошибки, вызванной силами резания без измерения он-лайн силы, обычно выполняется обширное исследование для создания базы данных с режущими инструментами, материалами и условиями резания.

Wang [WAN00] сообщает о влиянии многослойного твердого поверхностного покрытия режущих инструментов на силы резания при точении стали, основанном на экспериментальном исследовании с различными доступными включениями карбида и конфигурацией инструмента в диапазоне условий резания. Показано, что твердые поверхностные покрытия уменьшают силы резания, хотя сокращение является предельным при более легких условиях резания. Главное неудобство этого исследования - то, что было выполнено весьма ограниченное число испытаний.

Burdekin в др. [BUR80] развивали микрокомпьютер базированный в свою очередь на измерительной системе, разработанной для оценки точности работы шпинделя станка под нагрузкой, анализируя результаты нескольких простых испытаний резания. Встроенная на базе микро-компьютера оценка ошибок на обеих составляющих круглости и диаметра предлагается вместе с подобной встроенной оценкой геометрических особенностей станка, типа отклонения шпинделя, динамической жесткости и ошибки направляющих. Главное преимущество представленной работы - оригинальная идея для оценки ошибки, внесенной силами резания, при динамических условиях.

Liu [LIU99] развивал всесторонний подход, который полагается исключительно на пост процесс и измерения деталей на машине предварительно обработанных на той же машине. Подход основан на новом методе разложения ошибки и простой модели отклонений машины, вызванных силой резания. Подход проверен независимыми измерениями различных образцовых параметров. Также показано, что станок может быть заставлен действовать как его собственный динамометр. Предложенный инспекционный протокол должен быть удобным для цехов. Он включает одно измерение обрабатываемой детали после процесса обработки (PPM) и два измерения на машине (OMM). PPM проводится, используя CMM, и OMM выполнен при использовании высоко контактного зондирования в комбинации с Q-наладчиком. В более ранней работе [LIU98], исследователи развивали систему, которая основана на применении высокочувствительного контактного датчика, который позволяет режущий инструмент задействовать непосредственно как исследующий зонд для проверки заготовку.

Kang и др. [KAN01] проводят и статические и динамические исследования, для проверки необходимых интегрированных процедур в разработке системы подшипников шпинделя, с моделированием и анализом этих систем, основанных на методе конечных элементов. Исследование также обращается к процедурам подструктуры и применению коммерческого пакета динамических решений. Проанализированы проектируемые параметры в статическом и динамическом представлении систем шпиндельных подшипников, для установления требований для модификаций проекта, и предложено множество примеров, наряду с перечнем конструкций шпинделей станка.

Kops и др. [KOP94] анализируют взаимосвязь между отклонением заготовки и глубины резания при точении как задачу устойчивости. Это отношение показывает соотношение между запланированной и фактической глубиной резания, в каждом местоположении инструмента. Показано, что для данного отношения, можно установить глубину резания, точку за точкой, для компенсации отклонения и таким образом устранять ошибку на диаметре из-за отклонения путем прогнозирующей компенсации.

Masory [MAS80] представил простой метод для оценки параметров в реальном времени, которые характеризуют отношение между силой резания и подачей при точении. Метод дает очень точные результаты, которые делают его подходящим для использования в системах Адаптивного Управления с Ограничением (заданных) параметров (ACC) и Адаптивной Оптимизации Контроля (ASO). В обоих случаях, приняты модели, описывающие различные переменные процесса резания, в котором константы предопределены автономными экспериментами. Описанный метод позволяет определять константы он-лайн.

Toth [TOT82] вводит метод, подходящий для определения оптимума условия резания в случае точения, рассматривая дефекты размера, возникающие из-за упругой деформации механической системы обработки под действием сил резания. Автор предлагает общую математическую модель, которая состоит из 'функции предела', 'функция объекта' и условного уравнения для функции объекта. Для построения функции предела, Toth вводит демонстрирующий механический метод, применимый в случае осевого шага и подходящий для оптимального числа шагов согласно используемому зажиму.

1.6 Другие ошибки

В то время как вышеупомянутые ошибки - главные составляющие в погрешности станка, существенная роль принадлежит ошибкам, произведенным в пределах системы заготовка-инструмент-крепление (СПИД), которые широко затрагивают полную точность заготовки. Крепление - элемент машины, который служит для фиксации и ограничения заготовки в течение механической обработки. Точность подвергнутой машинной обработке заготовки непосредственно связана с эффективностью, с которой крепление в состоянии ограничить заготовку без любого относительного смещения между ними. Базирующий элемент со сферическим наконечником и зажимы часто используются для закрепления заготовок при механической обработке в центрах. В этих случаях, смещение заготовки в пределах зоны закрепления в течение механической обработки и в процессе закрепления может быть существенным источником геометрической ошибки заготовки [DEM97]. Трех - кулачковые, гидравлические или пневматические патроны в основном используются на токарных станках с ЧПУ. В этом случае зона контакта - между кулачками патрона и заготовки может измениться с различными зажимающими силами, зажимаемым диаметром и длиной, и т.д. Смещение заготовки вызывается деформацией области контакта, промахом и/или стартом. Величина смещения заготовки во время зажима и механической обработки зависит от параметров процесса проектирования и параметров разработки закрепления. Если заготовка недостаточно ограничена или если крепление слабо по сравнению с силами резания, промах или деформация, соответственно, должны определенно произойти на поверхности сопряжения заготовки и крепления. Первичная цель при проектировании крепления состоит в том, чтобы, управлять геометрическими ошибками заготовки, выходящей после производства через анализ спроектированной формы и эффективности предложенного крепления и для получения необходимой точности заготовки.

Для структурно жестких креплений и заготовок, область контактной деформации, скольжение и сдвиг - преобладающие способы смещения заготовки во время приведения в действие зажима и механической обработки. Исследования показали, что геометрия устройства базирования и фиксации, расположение устройства базирования и фиксации, интенсивность зажима, последовательность зажима, параметры обработки и траектория резца - все оказывают значительный эффект на смещение заготовки. В работе, сделанной Hockenberger и др. [HOC96] на анализе смещения заготовки в пределах крепления механической обработки, предполагалось, что заготовка и крепление абсолютно жесткие, за исключением небольших окрестностей области контакта. И устройства базирования и зажимы крепления имеют сферические наконечники, через которые устанавливается контакт с заготовкой. В используемой установке, заготовка была помещена в контакт с устройствами базирования, как показано в иллюстрации 1.10. Это установило систему отсчета заготовки относительно системы отсчета крепления. Во время зажима и последующей механической обработки, заготовка, как определили, отклонялась в пределах крепления как показано в иллюстрации 1.11. Это смещение происходит из-за комбинации локализованной деформации, скольжения и сдвига в областях контакта из-за действия сил, проявленных устройствами базирования и зажима в областях контакта, - результат, силы обработки и гравитационной силы.

Иллюстрация 1.10 Заготовка перед приведением в действие зажима [HOC96]

Иллюстрация 1.11 Заготовка после приведения в действие зажима [HOC96]

В заключение отклонение заготовки могло быть существенным источником геометрической ошибки. Существенное отклонение заготовки, вероятно, будет иметь место во время приведения в действие зажима. Смещение заготовки может быть измерено разнообразными методами, такими как использование датчиков вихревого потока, с минимумом шестью линейно независимыми направлениями измерения, требующимися для характеристики смещения. Эффект этой ошибки мог однако быть уменьшен значительно через компенсацию траектории инструмента.

1.7 Цель и намерения

Из представленного обзора видно, что действие существующего многообразия ошибок невозможно прогнозировать, не представляется возможным предсказать их действие по отдельности. Методы компенсации учитывают в комплексе своем только компоненты или группы компонентов существующих ошибок. Большинство методов статические и не позволяют оценивать поведение системы СПИД под действиями сил резания, не до конца исследованы жесткости стыков и вопросы координации органов станка друг относительно друга.

В условиях автоматизированного производства на заводах изготовителях и на предприятиях, участвующих в непосредственной эксплуатации станков, в связи с решением проблем производительности, надежности, точности и проч., возникает необходимость постановки задачи автоматизированного контроля.

Под постановкой задачи контроля понимается выявление круга факторов, определяющих точность измеряемых величин, выбор и обоснование способа их определения, фиксация их значения с определенной погрешностью, которая в свою очередь, должна иметь детерминированное значение, далее необходимо получение заключения об соотношении фиксированных значений к заранее установленной величине, а также принятие мер о внесении соответствующих предыскажений в ПО, с целью корректировки выходных параметров станка.

Учитывая многообразие видов компоновки станков, а также номенклатурное разнообразие обрабатываемых деталей, необходим не только обоснованный выбор метода, но и выработка схем контроля, позволяющих проводить работу, удовлетворяющую современным мировым стандартам, которые в свою очередь, определяют возможности такой системы контроля в условиях гибкого автоматизированного производства.

Известно, что точность станка, определяется его начальной точностью, а в процессе эксплуатации, смещениями, обусловленными его жесткостью, тепловыми деформациями, а также износом и требологическими процессами в конструкции, зависящие от кинематических связей и характера сопряжений и т.д. В связи с этим, обычно контроль станка начинается с исследования его начальных показателей. Прежде всего, оцениваются нормы точности, а затем исследуются характеристики точности по специальным методикам с целью определения запаса станка по точности обработки.

В процессе работы станка все вышеперечисленные характеристики меняются со статических на - динамические. Затрудняется определение траекторий движения органов станка под действием тепловых деформаций из-за недоступности определения взаимного расположения деталей в их системах координат. А так же под действием силы резания. Любые контактные методы в данном случае становятся неприемлемыми.

Метод трехмерного измерения траекторий смещения позволяет не только непосредственно на мониторе видеть всю картину происходящего при резании, но и выявлять сигнал рассогласования между прогнозируемыми значениями и реально полученными, помогая тем самым избежать погрешности, вносимой динамическими составляющими и внести сигнал искажения в программу обработки.

Методика проведения испытаний может иметь самые неожиданные сложности в ее реализации, возникают задачи оценки реальной точности самого метода, условия измерений, выбор системы измерений, определения осей и местоположения образцовых деталей и проч.

Цель данной работы, не только попытка автоматизации контрольных измерений посредством использования 3-х мерного бесконтактного метода, но и четкая методическая проработка проведения таких испытаний с дальнейшим выявлением основных факторов, подтверждающих целесообразность применения именно данного метода на уровне международных стандартов.

Используемая литература

1. [ASA92] T. Asao, Y.Mizugaki, M. Sakamoto, Precision Turning by Means of Simplified Predictive Function of Machining Error. Annals of the CIRP, Vol. 41, No1 (1992) pp. 447-450.

2. [ALT00] Y. Altintas, Modeling approaches and software for predicting the performance of milling operations at MAL-UBC, Machining Science and Technology, Vol. 4, 3, (2000), pp. 445-478.

3. [AXI02] M.H. El-Axir, A method of modelling residual stress distribution in turning for different materials. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 42, (2002), pp. 1055-1063.

4. [BAJ72] S. Bajpai, Optimisation of workpiece size for turning accurate cylindrical parts. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 12, (1972), pp. 221-228.

5. [BAR01] G Barrow, Private communication, UMIST 2001.

6. [BLA98] D.M.S. Blackshaw, Machine tool spindle error monitoring. Insight Vol. 40, No8, (1998), pp. 561-563.

7. [BRY90] J. Bryan, International Statu of Thermal Error Research. Annals of the CIRP, Vol. 39, No2, (1990), pp. 645-656.

8. [BS4656-1] BS4656: Part 1: 1981, Accuracy of machine tools and methods of test, Part 1. Specification for lathes, general purpose type. British Standards Institution.

9. [BS4656-16] BS4656: Part 16: 1985, Accuracy of machine tools and methods of test, Part 16. Methods for determination of accuracy and repeatability of positioning of numerically controlled machine tools. British Standards Institution.

10. [BS4656-30] BS4656: Part 16: 1985, Accuracy of machine tools and methods of test, Part 30. Specification for machining centres and computer numerically controlled milling machines, horizontal and vertical spindle types. British Standards Institution.

11. [BS6107-1] BS6107: Part 1: 1981, Rolling bearings: tolerances, Part 1. Glossary of terms. British Standards Institution.

12. [BS6107-2] BS6107: Part 2: 1995, Rolling bearings: tolerances, Part 2. Specification for tolerances of radial bearings. British Standards Institution.

13. [BUR80] M. Burdekin, N. L. Lloyd, A system for assessing the accuracy performance of Machine tool Spindles Under Load. MATADOR (1980), pp. 209-215.

14. [CHA96] S. Chatterjee, Spindle Deflections in High-speed Machine Tools - Modeling and Simulation. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 11, (1996), pp. 232-239.

15. [CHI97] Jin-Hua Chin, Tsung-Ching Lin, Cross-Coupled Precompensation Method for the Contouring Accuracy of Computer Numerically Controlled Machine Tools. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 37, No7, (1997), pp. 947-967.

16. [DEM97] E.C. DeMeter and M.J. Hockenberger, The application of tool path compensation for the reduction of clamping-induced geometric errors. International Journal of Production Research, Vol. 35, 12, (1997), pp. 3415-3432.

17. [DON86] M.A. Donmez, D.S. Blomquist, R. J. Hocken, C.R. Liu, M.M. Barash, A general methodology for machine tool accuracy enhancement by error compensation. Precision Engineering, Vol. 8, No 4, (1986), pp. 187-195.

18. [FAN86] K.C. Fan, M. Burdekin, Development of a computer software package for positioning accuracy calibration and analysis on NC machine tools, Proceedings of 26th Int. MATADOR Conference, Manchester, UK, (1986), pp. 107-113.

19. [FER93] P. M. Ferreira, C. Richard Liu, A Method for Estimating and Compensating Quasistatic Errors of machine Tools. ASME Journal of Engineering for Industry, Vol. 115, Feb, (1993), pp. 149-159.

20. [GDT01] G Todorov, Private communication, UMIST 2001.

21. [GOD80] E. J. Goddard, A. Cowley, M. Burdekin, A measuring System for the evaluation of spindle rotation accuracy. Summary UMIST, (1980), pp.125-131.

22. [HOC96] M.J. Hockenberger and E.C. DeMeter, The application of meta-functions to the quasi-static analysis of workpiece displacement within a machining fixture. Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 118, (1996), pp. 325-331.

23. [HUH99] Ilkyu Huh, J. Yuan, Y. Koren, Systematic machine Tool Error Identification and Compensation Through Test Part. ASME Dynamic Systems and Control Division, Vol. 67, (1999), pp. 915-922.

...