Temat 11: Dokładność ustalania przesuwnych zespołów maszyn

LABORATORIUM
Temat 11: Dokładność ustalania przesuwnych zespołów maszyn
1. Wprowadzenie
Szybki wzrost liczby maszyn sterowanych numerycznie oraz robotów przemysłowych
zmusił producentów i użytkowników do stosowania jednoznacznych kryteriów oceny ich jakości. Z uwagi na stosunkowo niewielką pracochłonność, niski koszt badań oraz znaczną
przydatność uzyskanych wyników do oceny jakości i stanu technicznego, jednym z najbardziej rozpowszechnionych testów jest sprawdzanie dokładności ustalania położenia jej zespołów. Uzyskane w wyniku takich badań odchyłki ustalania położenia oraz rozrzut położeń zespołów stanowią ważne kryterium oceny stanu maszyny i jej zespołów. Aby umożliwić
porównywanie wyników uzyskiwanych przez różnych producentów i użytkowników maszyn
sterowanych numerycznie, w szeregu krajach opracowano zalecenia precyzujące tok postępowania przy prowadzeniu takich badań. Na świecie stosuje się kilka różnych norm związanych z kontrolą parametrów maszyn: NMTBA – USA, VDI – Niemcy, JIS – Japonia, BSI –
Wielka Brytania, ISO – Unia Europejska. W Unii Europejskiej, dla maszyn z grupy „obrabiarki skrawające”, podstawę stanowi norma ISO 230 część 1 oraz część 2. Część pierwsza
obowiązuje w kraju jako PN-93/M-55580/01 „Dokładność geometryczna obrabiarek pracujących bez obciążenia lub w warunkach obróbki wykańczającej”
Przyczyną występowania odchyłek położenia zespołów przesuwnych są głównie błędy
geometryczne wykonania maszyny, jej odkształcenia cieplne i odkształcenia pod wpływem
sił: głównie tarcia, ciężkości i związanych z samym procesem. Kompleksowa kontrola błędów geometrycznych maszyny obejmuje cechy: kształtu, położenia oraz przemieszczenia linii
lub powierzchni maszyny. Mogą to być takie cechy jak: prostoliniowość, płaskość, równoodległość, prostopadłość i obrót.
Szczególnie istotnym zagadnieniem przy kontroli maszyny jest badanie przemieszczenia
prostoliniowego zespołu maszyny wzdłuż osi ruchu. Przemieszczenie prostoliniowe zespołu
ruchomego maszyny powoduje sześć elementów odchylenia (rys.1.), decydującego o położeniu punktu materialnego w przestrzeni: jedno odchylenie pozycyjne w kierunku ruchu, dwa
odchylenia liniowe trajektorii punktu ruchomego zespołu, trzy odchylenia kątowe zespołu ruchomego.
Odchylenia we wszystkich sześciu stopniach swobody wpływają na błędy pozycjonowania, ponieważ wynikają one zarówno z niepożądanych ruchów kątowych jak i ruchów po-
2
stępowych i mogą być nawet większe od błędów pozycjonowania linowego w kierunku osi
sterowalnych.
Rys.1. Odchylenia przy przemieszczaniu liniowym
2. Odchyłki ustalania położenia
Odchyłki ustalania położenia, można podzielić na systematyczne i przypadkowe (rys.2).
Odchyłki systematyczne, są spowodowane ograniczoną sztywnością elementów maszyny oraz
błędami jej geometrii.
Dokładność obróbki
Odchyłki
systematyczne
sztywność
geometria
Odchyłki
przypadkowe
Temperatura
odchyłka
położenia
luz
zwrotny
rozrzut
położenia
obciążenie
drgania
Odchyłka ustalania położenia
Rys.2. Czynniki wpływające na dokładność obróbki i na odchyłkę ustalania położenia
Błędy przypadkowe są natomiast wynikiem zmiennego, co do wartości, obciążenia oraz
drganiami. Zarówno na odchyłki systematyczne jak i na przypadkowe ma wpływ nagrzewanie
się zespołów maszyny. Odchyłki te określają z kolei odchyłkę położenia, odchyłkę występującą przy zmianie kierunku obciążenia lub kierunku ruchu, zwaną luzem zwrotnym oraz rozrzut położeń przemieszczanego zespołu. Te trzy czynniki wyznaczają całkowitą odchyłkę
3
ustalania położenia zespołu. Jak pokazano na rys.3 o wartości odchyłki ustalania położenia
decydują zarówno odchyłki systematyczne jak i przypadkowe. Ogólnie można stwierdzić, że
odchyłki systematyczne są wyznaczone przez warunki brzegowe pracy danej maszyny i dla
każdego punktu pomiarowego na długości drogi przesuwu zespołu mają określoną wartość i
określony znak. Są one spowodowane głównie, błędami geometrycznymi prowadnic, błędami
wykonania śruby tocznej, obciążeniami, a także błędami układu do pomiaru drogi zastosowanego w maszynie NC. Z uwagi na stałą ich wartość można je łatwo skorygować Na rys. 3 pokazano przykładowy efekt uzyskany dla frezarki pionowej w wyniku wprowadzenia do układu sterowania odpowiednich poprawek, uzyskanych z pomiarów odchyłek ustalania położenia.
Frezarka pionowa
AVIA
1
odchyłka położenia [um]
2
współrzędna w osi Y [mm]
Analiza trendu - liniowa
Rys.3. Zmniejszenie odchyłek pozycjonowania w wyniku korekcji.
(linia 1 przed korekcją, linia 2 po korekcji)
Odchyłki przypadkowe mogą mieć wiele przyczyn. Główne przyczyny to: zmienne warunki tarcia w parach kinematycznych, rozrzut czasów przełączania napędu, zmienna temperatura pracy obrabiarki, zmienne warunki zewnętrzne, zmienne obciążenia, drgania itp. Przypadkowe odchyłki położenia zmieniają swą wartość, pomimo zachowania stałych sterowalnych warunków pracy i eksploatacji. Są one powodem występowania rozrzutu położeń.
4
3. Opracowanie wyników pomiarów
Występowanie nieuniknionego rozrzutu w pomiarach odchyłek ustalania położenia wymusza posłużenie się metodami statystycznymi przy opracowywaniu wyników pomiarów.
Zakłada się przy tym, że odchyłki położenia od zadanego punktu są rozłożone zgodnie
z rozkładem normalnym. Analizując rozkłady odchyłek przy najazdach lewo i prawostronnych dla każdego położenia kontrolnego można przy założonym poziomie ufności wyznaczyć:

Odchyłkę położenia,

Rozrzut położenia,

Luz zwrotny
Analizę taką dla jednego położenia pokazano na rys.4.
Rys.4. Krzywe normalnego rozkładu odchyłek położenia
Odchyłkę położenia reprezentują średnie arytmetyczne odchyłek przy odpowiednich najazdach zaś luz zwrotny jest różnicą odchyłki lewo i prawostronnej. Jako rozrzut odchyłek położenia podaje się najczęściej przedział 6, w którym mieści się 99,73% wszystkich pomiarów. Odchylenie standardowe  dla „n” najazdów, oblicza się z zależności:
5
n
j 
 (x ji  x j ) 2
i=1
n -1
,
gdzie: xji - „i”-ta odchyłka od punktu „j”,
1
xj 
n
n
 x ji
- średnia arytmetyczna odchyłek od celu w punkcie j,
i=1
n - liczna najazdów na punkt „j”.
4. Pomiary odchyłek ustalania położenia
Rosnąca ciągle dokładność maszyn wymaga, aby narzędzia pomiarowe cechowały się
dokładnością przynajmniej o rząd wyższą. Dla większości obecnie wytwarzanych maszyn
wymaganiom tym są w stanie sprostać tylko interferometry laserowe. Interferometry laserowy
z różnego typu oprzyrządowaniem optycznym są najwyższej klasy przyrządami pomiarowym
wykorzystywanym do kontroli geometrycznej maszyn. Ich zastosowania obejmują pomiary
odchyłek pozycjonowania liniowego i kątowego, prostoliniowości, prostokątności, równoległości i płaskości. Możliwa jest też automatyczna transmisja współczynników korekcji liniowej do popularnych sterowników CNC.
Do pomiaru wykorzystuje się system laserowy w konfiguracji: głowica laserowa, układ
kompensacji, optyka do pomiarów liniowych i komputer z. oprogramowaniem (rys.5).
Kompute r
PC
Głowica
laserowa
Układ
kompensacji
Oprzyrządowanie
optyczne
Rys.5. Schemat blokowy laserowego systemu pomiarowego
4.1.Zasada działania
Interferometria to technika pomiaru, która wykorzystuje długość fali świetlnej jako
jednostkę pomiarową. Laser znajduje w niej zastosowanie, ponieważ stanowi źródło promieniowania spójnego, co oznacza, że wszystkie wysyłane przez źródło fale mają taką samą długość oraz są dokładnie w fazie. Długość fali lasera HeNe (światło czerwone) wynosi
6
0.633m, a w drodze kolejnych podziałów tej długości osiąga się rozdzielczość pomiarową
nawet 0.001 m czyli 1 nm.
Zasadę działania systemu laserowego ilustruje rysunek 6. Światło lasera (1) spolaryzowane w dwóch prostopadłych płaszczyznach dochodzi do zwierciadła płaskiego rozdzielającego wiązkę na dwie składowe spolaryzowane liniowo. Światło odbite (2) jest spolaryzowane prostopadle do przechodzącego (3). Obie wiązki są odbijane od odpowiednich pryzmatów i powracają do głowicy laserowej.
Pryzma t
Głowica laserowa
2
1
3
Przesuw
4
5
Zwierciadł o płaskie
System laserowy LSP-30
Rys.6. Zasada działania interferometru laserowego
Nieruchomy układ optyczny znajduje się w stałej odległości od głowicy tworząc w ten
sposób stałe ramie odniesienia interferometru. Drugie układ optyczny może przemieszczać się
względem głowicy tworząc razem z nią układ tak zwanego ramienia pomiarowego interferometru. System laserowy pozwala na dokładne wykrywanie różnic pomiędzy długością ramienia odniesienia i ramienia pomiarowego. Po odbiciu od pryzmatów wiązki (2) i (3) spotykają
się i razem docierają do głowicy. Utworzona w taki sposób wiązka (4) składa się z dwóch
składowych, które posiadają prostopadłe do siebie polaryzacje. Wiązka światła dochodzi następnie do detektorów (5) czułych na kierunek polaryzacji światła, które dają na wyjściu elektryczny sygnał o przebiegu zmiennym, sinusoidalnym, pozwalający na określenie kierunku
przemieszczania się pryzmatu „pomiarowego” oraz określenie wielkości przesunięcia.
Przy wykorzystaniu interferometru laserowego LSP-30 do pozycjonowania maszyny
można uzyskać następujące parametry pomiaru:
-
zakres pomiaru 0 do 30 m
-
rozdzielczość pomiaru 0,1 lub 0,01 m
7
-
dokładność pomiaru 1,5 m/m
Proces pomiaru pozycjonowania dla maszyn sterowanych numerycznie wymaga:
-
zaprogramowania układu sterowania maszyny; (wpisanie położenia punków pomiarowych
wzdłuż drogi przemieszczania; maszyna powinna zatrzymać się w punkcie pomiaru na ok.
1 sek),
-
wykonania co najmniej pięciu cykli pomiarów wg. schematu pokazanego na rys. 7, (realizowany jest pomiar różnicy pomiędzy wpisanym do układu sterowania położeniem punktu pomiarowego a położeniem zmierzonym za pomocą systemu laserowego),
-
obróbki statystycznej wyników pomiarowych w komputerze PC dla wyznaczenia wartości
rozrzutu, luzu zwrotnego i odchyłki położenia.
Rys.7. Cykle pomiarowe
Przykład, opracowanych przez program komputerowy, rezultatów pomiarów dokładności ustalania położenia pokazano na rys. 8.
8
Rys.8 Przykład rezultatów pomiarów dokładności ustalania położenia. (wykres górny : średnie odchylenie dla
położenia, środkowy: luz zwrotny, dolny: rozrzut położeń
5. Stanowisko dydaktyczne
Pomiary rozrzutu położeń, luzu zwrotnego oraz odchyłki położenia wykonywane będą
dla wybranych położeń stołu tokarki numerycznej .
Pomiary przemieszczeń liniowych stołu frezarki wykonuje się zgodnie ze schematem
pokazanym na rys.9. Do pomiaru wykorzystuje się system laserowy w konfiguracji: głowica
laserowa, układ kompensacji, komputer z oprogramowaniem, optyka do pomiarów liniowych.
5.1. Czynności przygotowawcze

zestawienie układu pomiarowego;

ustawienie i uruchomienie głowicy laserowej,

zamocowanie interferometru liniowego na ruchomym stole maszyny, a retroreflektora
(pryzmatu) do nieruchomego zespoły maszyny np. głowicy wrzecionowej,

justowanie układów optyki liniowej na całej drodze przemieszczenia interferometru.
9
FWD
32J
Interferometr
liniowy
Pryzmat
Laser
T2
T1
T3
Meteo
Rys.9. Układ do pomiaru przemieszczeń liniowych w osi maszyny
5.2. Pomiary:
A.
Rozrzut położeń i luz zwrotny
Dla pierwszego wybranego położenia stołu wykonać 10 dojazdów lewostronnych i 10 dojazdów prawostronnych – zapisując wskazania systemu laserowego. Na podstawie zbioru
wyników wyznaczyć rozrzut położeń i wartość luzu zwrotnego
Lp
Położenie 1/ Położenie 2
Dojazd lewoŚrednia
Dojazd praŚrednia
stronny
arytmetyczna
wostronny
arytmetyczna
XLsr
XPsr
Luz zwrotny
XLsr-XPsr
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Rozrzut położeń R wyznaczyć jako R = 6*
lub w przybliżeniu jako
R = Xmax – Xmin (po odrzuceniu błędów grubych).
10
B.
Odchyłka położenia
Odchyłkę położenia wyznaczyć dla trzech położeń stołu, odpowiadających 200, 300 i 400
mm. Dla każdego z położeń stołu pomiary powtórzyć trzy razy.
,
200 mm
Wartość zadana Z
Wartość zmierzona M
,
300 mm
,
400 mm
Odchyłka Z - M
Średnia odchyłka położenia
Pomiar Nr
1
2
3
1
2
3
1
2
Opracował:
Wojciech Kwaśny
Zbigniew Wasiak
3