Bezprzewodowy system kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Źrub
Transkrypt
Bezprzewodowy system kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Źrub
Bezprzewodowy system kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub pociàgowych*) The wireless compensation system of CNC ball screw thermal error JACEK ZAP¸ATA MIROS¸AW PAJOR KAMIL STATECZNY Streszczenie: W artykule zaprezentowano innowacyjny system kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub pociàgowych obrabiarek CNC. Dzi´ki zastosowaniu bezprzewodowego uk∏adu przesy∏u danych uproszczono proces monta˝u systemu kompensacji oraz zwi´kszono jego trwa∏oÊç mechanicznà. W artykule przedstawiono tak˝e metodologi´ szacowania wartoÊci odkszta∏ceƒ cieplnych wprowadzanych przez ciep∏o powstajàce w wyniku ruchu osi posuwów liniowych za pomocà metody elementów skoƒczonych. S∏owa kluczowe: odkszta∏cenia cieplne obrabiarek, toczne Êruby pociàgowe Abstract: The paper presents a novel set for the compensation of the CNC ball screw thermal error. With use of wireless measuring set the mounting procedure is simplified and the durability enhanced. Moreover, the paper presents the methodology of calculating the thermal error induced by the heat generated during movement of a CNC axes by means of a FEM analysis. Keywords: machine tools, the thermal error, CNC ball screws Utrzymanie konkurencyjnoÊci na wspó∏czesnym rynku wymaga, aby produkowaç dok∏adniej i taniej. Twierdzi si´ [1, 2], ˝e na osiàganà podczas obróbki dok∏adnoÊç znaczàcy wp∏yw (40 – 70%) majà zmiany w geometrii obrabiarek powodowane odkszta∏ceniami cieplnymi. Usuni´cie tego wp∏ywu pozwala na skrócenie czasu potrzebnego na ustabilizowanie si´ stanu temperaturowego maszyny, skutkujàc efektywniejszym wykorzystaniem maszyn obróbczych. Jednym spoÊród podstawowych zespo∏ów, wyst´pujàcych w obrabiarkach CNC, których odkszta∏cenia cieplne majà wp∏yw na dok∏adnoÊç wymiarowo-kszta∏towà produkowanych wyrobów, sà Êruby toczne [3, 4]. W celu ograniczenia tego wp∏ywu opracowano system kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub pociàgowych, którego skutecznoÊç potwierdzono doÊwiadczalnie [5, 6]. W prezentowanym artykule przedstawiono innowacyjny, bezprzewodowy uk∏ad pomiarowy systemu kompensacji odkszta∏ceƒ Êrub tocznych oraz sposób oceny wp∏ywu odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub pociàgowych na dok∏adnoÊç pozycjonowania. Ocena ta jest konieczna w procesie podejmowania decyzji o wdro˝eniu systemu kompensacji w nowo projektowanej obrabiarce. System kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub pociàgowych System kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub tocznych obrabiarek CNC sk∏ada si´ z warstwy po*) Prace realizowane by∏y w ramach projektu INNOTECH-K3/IN3/19/226994/NCBR/14 finansowanego przez NCBiR Dr in˝. Jacek Zap∏ata, dr hab. in˝. Miros∏aw Pajor, prof. ZUT, mgr in˝. Kamil Stateczny – Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydzia∏ In˝ynierii Mechanicznej i Mechatroniki, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin, e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]. 38 miaru temperatury, metody implementacji korekty po∏o˝enia osi nap´dowej w sterowaniu obrabiarki CNC oraz dedykowanych modeli matematycznych obliczajàcych t´ korekt´ na podstawie danych pomiarowych. Sposób implementacji korekty po∏o˝enia osi nap´dowej uzale˝niony jest od funkcjonalnoÊci oprogramowania dostarczanego przez producenta systemu sterowania obrabiarki [7]. Modele matematyczne wià˝àce temperatur´ osi nap´dowej z odkszta∏ceniami cieplnymi zosta∏y przedstawione w publikacjach [5, 6]. Pomiar temperatury realizowany jest za pomocà czujników umieszczonych wewnàtrz Êruby tocznej osi posuwu obrabiarki. Bezprzewodowy uk∏ad pomiarowy Bezprzewodowy system przesy∏u danych, pomi´dzy czujnikami temperatury umieszczonymi w Êrubach tocznych zespo∏ów posuwu liniowego a uk∏adem przetwarzania danych do∏àczonym do systemu sterowania maszyny CNC, rozszerza funkcjonalnoÊç uk∏adu kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub pociàgowych przez zwi´kszenie mechanicznej trwa∏oÊci oraz u∏atwienie monta˝u Êrub wyposa˝onych w czujniki temperatury. Komunikacja mi´dzy czujnikami temperatury umieszczonymi w Êrubie tocznej a sterownikiem PLC obrabiarki zrealizowana zosta∏a za pomocà dwóch modu∏ów Panasonic PAN1740 Series Bluetooth LowEnergy. Pierwszy modu∏ przymocowano do obrotowej Êruby, drugi po∏àczony jest ze sterownikiem PLC obrabiarki CNC. Modu∏y te zaopatrzone sà w energooszcz´dny Bluetooth 4.0 Dialog Semiconductor SmartBond DA14580 zawierajàcy mikrokontroler z rdzeniem Cortex z systemem operacyjnym czasu rzeczywistego RivieraWavesKernel. Pomiar rozk∏adu temperatury Êruby tocznej wykonujà miniaturowe czujniki IST TSIC wyposa˝one we wbudowane przetworniki pomiarowe oraz cyfrowy ROK WYD. LXXIV 앫 ZESZYT 12/2015 Rys. 1. Schemat komunikacji bezprzewodowej systemu kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êruby pociàgowej obrabiarki CNC interfejs ZACwire. Czujniki zamontowano w otworach wywierconych prostopadle do osi Êruby. W Êrubie tocznej wykonano centralny, przelotowy otwór poosiowy, którym przeprowadzono okablowanie ∏àczàce czujniki temperatury z uk∏adem PAN1740 zlokalizowanym w Êrubie tocznej. DoÊwiadczalnie potwierdzono niezawodnoÊç transmisji danych w opracowanym rozwiàzaniu wobec zak∏óceƒ magnetycznych powstajàcych w wyniku dzia∏ania nap´dów obrabiarki. Zastosowanie dedykowanego algorytmu odczytywania i przesy∏u danych umo˝liwi∏o ograniczenie poboru energii przez uk∏ad umiejscowiony w obrotowej Êrubie pociàgowej do poziomu umo˝liwiajàcego zasilanie bateryjne. Modelowanie odkszta∏ceƒ cieplnych osi posuwu Proces projektowania i budowy nowoczesnej obrabiarki jest zagadnieniem z∏o˝onym wymagajàcym rozwiàzywania przez projektantów wielodyscyplinarnych problemów. O osiàgni´tym sukcesie, tj. wydajnoÊci, niezawodnoÊci, dok∏adnoÊci wymiarowo-kszta∏towej obrabianych przedmiotów, decydujà w∏aÊciwoÊci dynamiczne [8], b∏´dy geometrii [9] czy cieplne w∏asnoÊci obrabiarki [10]. Badacze starajà si´ dostarczyç kryteriów wspomagajàcych projektantów w uzyskaniu optymalnych cech obrabiarek. W publikacji [11] opisano kryterium u∏atwiajàce dobór liczby czujników do systemu kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub pociàgowych umo˝liwiajàcy sprawne wdro˝enie systemu kompensacji w nowo projektowanej maszynie. Proces decyzyjny dotyczàcy zasadnoÊci wdro˝enia systemu kompensacji wymaga wykonania oszacowania przewidywanych odkszta∏ceƒ cieplnych. Korzystnie jest wykonaç takà analiz´ za pomocà modelowania MES. Procedura wyznaczania tych odkszta∏ceƒ wymienionà metodà zosta∏a opisana w dalszej cz´Êci pracy. W przypadku gdy znana jest geometria maszyny oraz parametry materia∏owe, g∏ównà trudnoÊç stanowi okreÊlenie warunków granicznych analizy. Zale˝noÊci (1) – (24) pozwalajà wyznaczyç te warunki graniczne. Obejmujà one obliczenie wartoÊci strumieni cieplnych wytwarzanych przez ∏o˝yska, przek∏adni´ tocznà, silniki i po∏àczenia prowadnicowe, oszacowania oporów cieplnych, które nie mogà zostaç obliczone wprost z zastosowaniem analizy statycznej, poniewa˝ zespo∏y znajdujà si´ w ruchu, oszacowanie wspó∏czynników wnikania ciep∏a na powierzchniach ruchomych i nieruchomych maszyny. Wyznaczenia mocy êróde∏ ciep∏a Wyznaczenia strumieni cieplnych wyst´pujàcych podczas pracy osi posuwu wymaga znajomoÊci wartoÊci momentów oporowych poszczególnych podzespo∏ów osi posuwu liniowego. Na. podstawie momentów oporowych, strumieƒ ciep∏a Q oblicza si´ z zale˝noÊci: ROK WYD. LXXIV 앫 ZESZYT 12/2015 . 2π n Q=M· 60 (1) gdzie: M – moment oporowy podzespo∏u, N, n – pr´dkoÊç obrotowa podzespo∏u, obr./min. Do obliczenia wartoÊci momentów oporowych ∏o˝ysk M¸ Palmgrene zaproponowa∏ zale˝noÊci (2) – (7), [12 – 14]: M¸ = Mo + M1 (2) M 1 = f1 · P · d m (3) 2 3 –7 Mo = 10 fo(ν n) dm dla νn >2000 –7 Mo = 160 · 10 fo dm dla νn <2000 (4) (5) gdzie: Mo – moment tarcia zale˝ny od lepkoÊci smaru/ oleju, N·mm, M1 – moment tarcia zale˝ny od obcià˝enia, N·mm, P – obcià˝enie zast´pcze ∏o˝yska, N, f1 – wspó∏czynnik zale˝ny od typu ∏o˝yska, fo – wspó∏czynnik zale˝ny od typu ∏o˝yska i rodzaju smarowania, dm – Êrednica podzia∏owa ∏o˝yska, mm, ν – kinematyczny wspó∏czynnik lepkoÊci smaru, mm/s2, n – pr´dkoÊç obrotowa, obr./min. P = X0 · P X + Y0 · P Y (6) gdzie: PX – sk∏adowa poprzeczna obcià˝enia, N, PY – sk∏adowa wzd∏u˝na obcià˝enia, N, X0 – wspó∏czynnik spoczynkowego obcià˝enia poprzecznego, Y0 – wspó∏czynnik spoczynkowego obcià˝enia wzd∏u˝nego. (7) gdzie: C0 – noÊnoÊç spoczynkowa ∏o˝yska, z1 – wspó∏czynnik zale˝ny od rodzaju ∏o˝yska, y1 – wspó∏czynnik zale˝ny od rodzaju ∏o˝yska. WartoÊç wspó∏czynników f0, z1, y1, X0, Y0 dla typowych ∏o˝ysk mo˝na odnaleêç w êród∏ach literaturowych [12, 14] oraz w wybranych katalogach firmowych [15]. 39 Moment oporowy na styku nakr´tek, kulek i Êrub tocznych pozwala obliczyç zale˝noÊci katalogowe [16] lub zale˝noÊci przedstawione przez Sobolewskiego [17] (8) ÷ (10). Dla Êruby tocznej z pojedynczà nakr´tkà moment oporu toczenia MS wynosi: Ms = nk · N · sin(α ) · sin(λ ± ρ ) (8) F nk · sin(α ) · cos(λ) (9) N= (12) przy czym (13) gdzie: N – obcià˝enie przenoszone przez pojedynczà kulk´, N, nk – liczba kulek, α – kàt pracy kulki, λ – kàt wzniosu linii Êrubowej gwintu tocznego, ρ – kàt tarcia tocznego, F – si∏a obcià˝ajàca przek∏adni´ poosiowo, N. Dla Êruby tocznej z nakr´tkà napi´tà wst´pnie bez obcià˝enia poosiowego moment oporu toczenia wynosi [18]: MS = nk · N · sin(ρ ) · sin(α ) · cos(λ ) (10) gdzie: N – si∏a Êciskajàca kulk´ pochodzàca od napi´cia wst´pnego, N. Strumienie cieplne wytwarzane przez po∏àczenia prowadnicowe nale˝y obliczaç zgodnie z wytycznymi podanymi przez producenta [18]. Dla zachowania odpowiedniej sztywnoÊci po∏àczenia prowadnicowe sà cz´sto napinane wst´pnie. Mimo to, ciep∏o w nich powstajàce ma zazwyczaj drugorz´dny wp∏yw na rozk∏ad pola temperatury maszyny. WartoÊci strumieni cieplnych wytwarzanych przez silniki sà zale˝ne od sprawnoÊci silników, które obcià˝one sà si∏ami wynikajàcymi z procesu skrawania, si∏ami dynamicznymi oraz momentami tarcia w zespo∏ach osi. (14) gdzie: a – pó∏oÊ eliptycznego pola kontaktu, równoleg∏a do osi X, b – pó∏oÊ eliptycznego pola kontaktu, równoleg∏a do osi Y, R1x – promieƒ krzywizny 1 cia∏a, w p∏aszczyênie I, R1y – promieƒ krzywizny 1 cia∏a, w p∏aszczyênie II, R2x – promieƒ krzywizny 2 cia∏a, w p∏aszczyênie I, R2y – promieƒ krzywizny 2 cia∏a, w p∏aszczyênie II, E – modu∏y Younga, indeks oznacza nr cia∏a, ν – modu∏y Poissona, indeks oznacza nr cia∏a, F – si∏a docisku dzia∏ajàca na pojedynczà kulk´ ∏o˝yskowà, M, N – parametry geometryczne, zdefiniowane w [20], P1, P2 – parametry geometryczne zdefiniowane równaniami (13) i (14). W celu obliczenia oporu cieplnego pomi´dzy pojedynczà kulkà a bie˝nià ∏o˝yska pos∏u˝ono si´ zale˝noÊciami przedstawionymi w [21]: (15) Opory cieplne na styku kulka-bie˝nia W celu obliczenia rozk∏adu temperatury maszyny metodà elementów skoƒczonych nale˝y obliczyç opory cieplne podzespo∏ów, które nie mogà zostaç zamodelowane wprost za pomocà statycznej analizy metodà elementów skoƒczonych. Dotyczy to opornoÊci cieplnej zespo∏ów b´dàcych w ruchu, takich jak u∏o˝yskowania. WartoÊç cieplnego oporu kontaktowego na styku kulka-bie˝nia zale˝na jest od rodzaju i geometrii u∏o˝yskowania, w∏asnoÊci smaru, wartoÊci si∏ obcià˝ajàcych u∏o˝yskowanie, wielkoÊci luzu/napi´cia wst´pnego, stanu temperaturowego, pr´dkoÊci obrotowej. Zagadnienie modelowania cieplnego ∏o˝ysk jest wcià˝ uwa˝ane za jedno z aktualnych wyzwaƒ stojàcych przed wspó∏czesnymi badaczami [19]. Do obliczenia oporów cieplnych konieczna jest znajomoÊç wielkoÊci powierzchni przylegania na styku kulka-bie˝nia. Powierzchnia ta jest elipsoidà o wymiarach [20]: (11) 40 gdzie: a – pó∏oÊ eliptycznego pola kontaktu, równoleg∏a do osi X, b – pó∏oÊ eliptycznego pola kontaktu, równoleg∏a do osi Y, k – wspó∏czynnik przewodnoÊci cieplnej, αdyf – wspó∏czynnik dyfuzyjnoÊci cieplnej, V – pr´dkoÊç toczenia si´ kulki po bie˝ni. Opór cieplny pomi´dzy bie˝nià a zespo∏em kulek wynosi: Rkb Rnkb = (16) nk gdzie: nk – liczba kulek ∏o˝yskowych. Przedstawione w publikacji [21] zale˝noÊci wyprowadzone zosta∏y przy za∏o˝eniu, ˝e przep∏yw ciep∏a w kierunku normalnym do powierzchni kulek jest znacznie wi´kszy ni˝ w kierunku stycznym, co jest zasadne, gdy pr´dkoÊç ruchu kulek jest dostateczna. Wspó∏czynniki wnikania ciep∏a Wspó∏czynniki wnikania ciep∏a w przypadku konwekcji swobodnej mo˝na obliczyç, pos∏ugujàc si´ zale˝noÊciami przedstawionymi w [22, 23]. Dla pioROK WYD. LXXIV 앫 ZESZYT 12/2015 nowej, p∏askiej powierzchni o znacznej szerokoÊci i wysokoÊci L, je˝eli 105 < GrL Pr < 107, liczba Nusselta Nu wynosi: (17) Dla poziomej, p∏askiej powierzchni o znacznej d∏ugoÊci i szerokoÊci L, je˝eli cieplejsza powierzchnia skierowana jest ku górze oraz 105 < GrL Pr < 107, liczba Nusselta Nu wynosi: (18) Dla poziomego nieruchomego walca o znacznej d∏ugoÊci i Êrednicy D, je˝eli 105 < GrD Pr < 107 oraz Pr > 0,5, liczba Nusselta Nu wynosi: (19) Dla poziomego walca o znacznej d∏ugoÊci, o Êrednicy D, obracajàcego si´ z cz´stoÊcià ko∏owà ω dooko∏a swej osi, je˝eli 105 < GrL Pr < 107 oraz Re > 8000, liczba Nusselta Nu wynosi: (20) gdzie: Gr – liczba Grashofa, Pr – liczba Prandtla, Re – liczba Reynoldsa, przy czym: (21) gdzie: ω – cz´stoÊç ko∏owa, l – charakterystyczny wymiar liniowy (dla obracajàcego si´ walca równy jest on Êrednicy), νk – kinematyczny wspó∏czynnik lepkoÊci, (22) gdzie: g – przyspieszenie grawitacyjne, l – charakterystyczny wymiar liniowy, β – wspó∏czynnik cieplnej rozszerzalnoÊci obj´toÊciowej, ∆T – ró˝nica temperatur pomi´dzy powierzchnià cia∏a a otoczeniem, νk – kinematyczny wspó∏czynnik lepkoÊci, (23) gdzie: νk – kinematyczny wspó∏czynnik lepkoÊci, k – wspó∏czynnik przewodzenia ciep∏a. Znajàc wartoÊç liczby Nusselta, wspó∏czynnik wnikania ciep∏a h na powierzchniach elementów obrabiarki oblicza si´ z zale˝noÊci: (24) gdzie: L – wymiar charakterystyczny, k – wspó∏czynnik przewodzenia ciep∏a. Wnioski W artykule przedstawiono nowatorski system kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub pociàgoROK WYD. LXXIV 앫 ZESZYT 12/2015 wych wyposa˝ony w bezprzewodowy system pomiarowy. Zastosowanie bezprzewodowej komunikacji pozwala na u∏atwienie monta˝u systemu oraz zwi´kszenie jego odpornoÊci na mechaniczne zu˝ycie w porównaniu z uk∏adem z tradycyjnym konektorem obrotowym. W artykule zaprezentowano równie˝ zale˝noÊci pozwalajàce na przeprowadzenie oszacowania wartoÊci odkszta∏ceƒ cieplnych wynikajàcych z pracy osi posuwu liniowego obrabiarki. Analiza ta jest pomocna w procesie decyzyjnym dotyczàcym wdro˝enia systemu kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych. LITERATURA 1. Ahn J. Y., Chung S. C.: Real-time estimation of the temperature distribution and expansion of a ball screw system using an observer. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, Vol. 218.12, 2004, pp. 1667 – 1681. 2. Okafor A., Ertekin Y.: Vertical machining center accuracy characterization using laser interferometer. Journal of Materials Processing Technology, Vol. 105, 2000, pp. 394 – 406. 3. Wu C-H., Kung Y-T.: Thermal analysis for the feed drive system of a CNC machine center. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 43, 2003, pp. 1521 – 1528. 4. Otko T., Z´bala W., Âlusarczyk ¸.: Badania wp∏ywu dok∏adnoÊci uk∏adów pomiarowych drogi w obrabiarkach CNC na dok∏adnoÊç obróbki. In˝ynieria Maszyn, t. 15, 2010, ss. 102 – 113. 5. Pajor M., Zap∏ata J.: Intelligent machine tool – A thermal diagnostic system for a CNC pretensioned ball screw. Solid State Phenomena, Vol. 220-221, 2014, pp. 491 – 496. 6. Pajor M., Zap∏ata J.: Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do kompensacji odkszta∏ceƒ cieplnych Êrub pociàgowych obrabiarek CNC. Modelowanie In˝ynierskie, t. 51, 2014, ss. 70 – 76. 7. Pietrusewicz K., Pajor M., Urbaƒski ¸.: Dynamic corrections of the tooling errors possibilities within the mechatronic actuator for motors with permanent magnets Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, t. 31, 2011, pp. 181 – 190. 8. Marchelek K.: Dynamika obrabiarek. WNT, Warszawa 1991. 9. Ramesh R., Mannan M.A., Poo A.N.: Error compensation in machine tools ¡ a review. Part I: geometric, cutting-force induced and fixture-dependent errors. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 49, 2000, pp. 1235 – 1256. 10. Ramesh R., Mannan M.A., Poo A.N.: Error compensation in machine tools – a review. Part II: thermal errors. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 40, 2000, pp. 1257–1284. 11. Pajor M., Zap∏ata J.: A criterion determining the number of thermal sensors in a system compensating thermal deformations of CNC machine feed screw. Advances in Manufacturing Science and Technology, Vol. 36, 2012, pp. 73 – 85. 12. Harris T., Kotzalas M.: Essential Concepts of Bearing Technology. Boca Raton, CRC Press Taylor 2007. Fifth edition. 13. Palmgrene A.: Ball and Roller Bearing Eng. Burbank, Philadelphia 1959, 3rd ed. 14. Biedrzycki J.: Konstrukcja przyrzàdów i urzàdzeƒ precyzyjnych. WNT, Warszawa 1996. 15. INA FAG: Rolling bearings (HR1). Schaeffler Technologies AG & Co., Schweinfurt 2012. 16. THK: General Catalog Linear Motion Systems. THK Co. LTD., Tokyo 2015. 17. Sobolewski J.: Przek∏adnie Êrubowe kulkowe. WNT, Warszawa 2009. 18. HIWIN: Prowadnice z szynà profilowà. HIWIN GmbH, Offenburg 2015. 19. Abele E., Altintas Y., Brecher C.: Machine tool spindle units. CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol. 59, 2010, pp. 781–802. 20. Bejan A.: Theory of rolling contact heat transfer. Journal of Heat Transfer, May 1989, Vol. 111, pp. 257 – 264. 21. Burton R. A., Staph H. E.: Thermally activated seizure of angular contact bearings. ASLE Transactions, Vol. 10, 1967, pp. 408 – 417. 22. Kreith F., Bohn M. S.: Principles of heat transfer, seventh edition. PWS Publishing Company, Boston 1997. 23. Holman J. P.: Heat Transfer, sixth edition. McGraw-Hill Book Company, Singapore 1986. 41