implementacja bezprzewodowego układu kompensacji odkształceń

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2016 nr 58, ISSN 1896-771X
IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO
UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ
CIEPLNYCH OSI POSUWU W TOKARCE CNC
ZE ŚRUBĄ TOCZNĄ
Jacek Zapłata1a, Mirosław Pajor2b, Kamil Stateczny2c
Katedra Mechaniki i PKM, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Instytut Technologii Mechanicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
a
[email protected], [email protected], [email protected],
1
2
Streszczenie
W artykule przedstawiono bezprzewodowy system kompensacji odkształceń cieplnych śrub pociągowych zaimplementowany w tokarce typu Avia Turn. Funkcjonowanie systemu opiera się na pomiarze rozkładów temperatur za
pomocą czujników umieszczonych we wnętrzu śrub pociągowych. Wykorzystano czujniki z wbudowanym interfejsem cyfrowym. Dane, zawierające wartości temperatur, przesyłane są do układu PLC obrabiarki za pomocą energooszczędnego, bezprzewodowego interfejsu. Zastosowanie opracowanych procedur obliczeniowych pozwala określić
wartość poprawki redukującej wpływ odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania osi. Wartość ta jest zależna od pozycji oraz aktualnego stanu temperaturowego. W pracy przedstawiono zarejestrowane doświadczalnie
temperatury, odchyłki położenia osi napędowych oraz obliczone poprawki potwierdzające skuteczność działania
opracowanego systemu kompensacji.
Słowa kluczowe: błąd cieplny, odkształcenia cieplne, śruba toczna, obrabiarka CNC
IMPLEMENTATION OF THE WIRELESS SET
FOR THERMAL ERROR COMPENSATION
OF A CNC LATHE AXIS DRIVEN BY A BALL SCREW
Summary
The paper presents a wireless set for compensation of the thermal error of CNC axes installed in “Avia Turn”.
The set uses temperature sensors installed inside ball screws for measuring the thermal state of CNC axes. The
sensors have build-in digital interfaces. Thermal data are sent to the PLC of a CNC lathe by means of an energyefficient wireless interface. The developed mathematical model allows to compute correction values reducing the
influence of the positioning thermal error. The correction values are position- and temperature-dependent. The
measured temperatures, positioning thermal errors and evaluated correction values have been shown validating
the functionality of the set.
Keywords: thermal errors, thermal deformation, ball screw, CNC machine tool
1. WSTĘP
Osie napędowe maszyn obróbczych realizują ruch
narzędzia względem przedmiotu obrabianego. Jednym z
głównych wymagań stawianych osiom posuwu nowoczesnych maszyn obróbczych CNC jest wysoka dokładności
realizacji tego ruchu w trakcie procesu obróbki. Dokładność ta jest pogarszana m.in. przez niekompensowane
odkształcenia cieplne. W przypadku osi posuwu maszyn
CNC napędzanych za pośrednictwem śrub tocznych
przyczyną powstawania odkształceń cieplnych jest
głównie tarcie generowane przez elementy toczne poruszające się w łożyskach oraz nakrętce śruby tocznej.
Wartość generowanych strumieni cieplnych jest zwiększona, gdy w maszynie obróbczej dla poprawienia jej
sztywności zastosowano napięcie wstępne śrub oraz gdy
145
IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ(…)
prawki redukującej wpływ odkształceń cieplnych na
dokładność pozycjonowania dla aktualnej wartości
położenia osi posuwu. Korekta obliczana jest na podstawie aktualnie rejestrowanego stanu temperaturowego osi
napędowej. Bezprzewodowa komunikacja pomiędzy
obracającą się śrubą a nieruchomym układem sterowania
zapewnia podwyższoną trwałość oraz łatwy montaż.
w celu polepszenia wydajności pracy maszyny stosuje się
duże prędkości ruchów pomocniczych.
Ograniczenie wpływu odkształceń cieplnych osi
na dokładność ruchu może zostać osiągnięte przez
zastosowanie systemów chłodzących. Autorzy [9, 10]
przedstawili układ chłodzenia powietrzem śruby oraz
nakrętki. Autorzy [6, 2, 8] są zgodni, iż skutecznym i
ekonomicznie uzasadnionym sposobem podniesienia
dokładności pracy maszyn obróbczych CNC jest wprowadzenie w ich układzie sterowania poprawek kompensujących wpływ odkształceń cieplnych śrub pociągowych
na dokładność pozycjonowania. W artykule [7] badacze
przedstawiają teoretyczny model rozkładu temperatury
śruby tocznej. Odnotowują oni, że jego wykorzystanie do
celów kompensacji jest problematyczne ze względów
obliczeniowych. Autorzy [2] zauważają, iż w wykonanych
przez nich eksperymentach rozkład temperatury wzdłuż
śruby jest praktycznie jednolity, a zmianę temperatury
śruby w czasie można przybliżać funkcją eksponencjalną.
Stosują opracowany przez siebie model do obliczania
wartości odkształceń cieplnych śruby. Dane zarejestrowanych przez innych badaczy [1] pokazują, że wspomniane wcześniej uproszczenie rozkładu temperatury
śrub jest słuszne jedynie w szczególnych przypadkach.
W publikacji [1] autorzy zwrócili uwagę, że, aby model
rozkładu temperatury osi napędowej był poprawny,
musi on uwzględniać zmienność warunków pracy osi
napędowej, tj. zmienność siły obciążającej oraz prędkości
ruchu. Nie uwzględnili oni jednak zmiany zakresów
ruchu.
2.1 UKŁAD POMIARU
TEMPERATURY ŚRUB
TOCZNYCH
Czujniki temperatury IST-AG TSic 716 wklejono za
pomocą kleju termoprzewodzącego do otworów wykonanych w poprzek śruby tocznej (rys. 1). Czujniki te
posiadają wbudowany przetwornik pomiarowy oraz
interfejs cyfrowy. Okablowanie czujników wyprowadzono
otworem poosiowym do układu transmisji danych wykorzystującego energooszczędny moduł Bluetooth.
Rys. 1. Schemat montażu czujników temperatury w śrubie
pociągowej
Autorzy niniejszej publikacji doszli do wniosku, że
niezawodnym sposobem na ustalenie rozkładu temperatury śruby jest bezpośredni pomiar. Przedstawione
w zaprezentowanym referacie postępy są kontynuacją
prac prowadzonych w tej tematyce przez autorów [3, 4,
11]. W artykule przedstawiono system kompensacji
odkształceń cieplnych śrub pociągowych obrabiarek z
bezprzewodową transmisją sygnałów zaimplementowany
w tokarce typu Avia Turn. Przedstawiono zarejestrowane: rozkłady temperatury śrub tocznych,
odchyłki
położenia osi napędowych wynikające ze zmiany stanu
temperaturowego oraz odchyłki położeń osi napędowych
po wprowadzeniu kompensacji.
2. UKŁAD KOMPESANCJI
ODSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH ŚRUB
POCIĄGOWYCH
Zasada działania systemu kompensacji odkształceń
cieplnych śrub tocznych opiera się na pomiarze temperatur śrub tokarki za pomocą czujników inteligentnych
zainstalowanych we wnętrzu śrub. Czujniki wysyłają
dane do układu PLC obrabiarki za pomocą bezprzewodowego interfejsu. Zastosowanie opracowanych procedur
obliczeniowych [3, 4, 11] pozwala określić wartość po-
Rys. 2. Moduł transmisji bezprzewodowej danych temperaturowych oraz śruba toczna z miejscem mocowania modułu
Łatwy demontaż układu transmisji danych umożliwia
złącze elektryczne oraz połączenie gwintowe (Rys. 2).
Ograniczenie poboru mocy poprzez przechodzenie ukła-
146
JACEK ZAPŁATA, MIROSŁAW PAJOR, KAMIL STATECZNY
du w stan uśpienia w okresach pomiędzy pomiarami
umożliwiło zaimplementowanie zasilania bateryjnego.
rejestrujące zmianę temperatury korpusu obrabiarki
(rys. 3). Zainstalowano je odpowiednio w pobliżu ułożyskowania osi X (czujnik Tk1), ułożyskowania osi Z
(czujnik Tk2) oraz w pobliżu głowicy wrzeciona (czujnik
Tk3).
2.2 MODEL ODKSZTAŁCEŃ
CIEPLNYCH
Wartość odchyłki pozycjonowania powstającej na skutek
odkształceń towarzyszących nagrzewaniu się śruby
pociągowej osi napędowej zależna jest od rozkładu
temperatury wzdłuż śruby tocznej, bieżącego położenia
osi posuwu oraz od sposobu ułożyskowania tej osi:
δ = f(x , T(x), U)
(1)
gdzie:
δ - odchyłka pozycjonowania osi,
xN - nominalne położenie osi,
T(x) – rozkład temperatury wzdłuż śruby pociągowej,
U – sposób ułożyskowania osi napędowej.
Tokarka AVIA Turn posiada dwie osie posuwu liniowego: X i Z, których ułożyskowania zostały napięte wstępnie. Model użyty do obliczenia korekty ograniczającej
wpływ odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania ma postać [11]:
δ=α
θ(x)dx − C α
θ(x)dx −
C α
Rys. 3. Układ pomiaru temperatury i dokładności pozycjonowania zainstalowany dla osi Z tokarki AVIA TURN
θ(x)dx (2)
3.2 PRZEBIEG POMIARÓW - OŚ Z
gdzie:
α - współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału,
z którego wykonano śrubę toczną,
xN – nominalne położenie nakrętki,
L – długość śruby pomiędzy ułożyskowaniami,
θ(x) – nadwyżka temperatury śruby T w stosunku do
temperatury początkowej To, aproksymowana na podstawie danych z czujników temperatury:
θ(x) = (x) −
(3)
Aby zmierzyć dokładność działania systemu, wykonano
cykl doświadczeń, w których oś Z przemieszczała się
w zróżnicowanych zakresach, z różnymi prędkościami
(tabela 1.). Pomiędzy kolejnymi seriami ruchów cyklicznych wykonywano serie pomiarów dokładności pozycjonowania. Seria pomiarowa 0 została wykorzystana w
celu usunięcia wpływu błędów geometrii obrabiarki na
wyniki pomiarów.
Współczynniki C1, C2 zależne są od rodzaju łożysk, siły
z jaką napięte zostały ułożyskowania oraz sztywności
wzdłużnej śruby. Współczynniki te zostały wyznaczone
doświadczalnie [11].
Tabela 1. Przebieg czynności pomiarowych - oś Z
Czynność
Model korekty dla śruby tocznej napiętej wstępnie
wykorzystującej sieci neuronowe opisano w publikacji
[3]. Model korekty dla śruby ułożyskowanej w układzie
łożysko ustalające łożysko – łożysko pływające przedstawiono w publikacji [11].
Seria pomiarowa 0
Pomiar dokładności pozycjonowania, 42 punkty pomiarowe
Seria pomiarowa 1
Pomiar dokładności pozycjonowania, 42 punkty pomiarowe
Ruchy cykliczne
3. BADANIA DOŚWIADCZALNE
Seria pomiarowa 2
3.1 UKŁAD POMIARU DOKŁADNOŚCI
POZYCJONOWANIA
Ruchy cykliczne
Do zweryfikowania dokładności funkcjonowania układu
kompensacji wykorzystano interferometr laserowy Renishaw XL80. Na zdjęciu (rys.3) przedstawiono interferometr zamocowany w układzie umożliwiającym pomiar
dokładności ruchów osi Z. Dla pomiaru dokładności
przesuwu osi X układ zestawiono analogicznie.
Na maszynie umieszczono dodatkowo trzy czujniki
Seria pomiarowa 3
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 4
147
Opis
Zakres: 550 ÷ 600 mm
Prędkość: 30 mm/s
Czas trwania: 30 min
Pomiar dokładności pozycjonowania, 42 punkty pomiarowe
Zakres: 400 ÷ 500 mm
Prędkość: 40 mm/s
Czas trwania: 20 min
Pomiar dokładności pozycjonowania, 42 punkty pomiarowe
Zakres: 250 ÷ 400 mm
Prędkość: 40 mm/s
Czas trwania: 20 min
Pomiar dokładności pozycjono-
IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ(…)
rowe). Rozkład odchyłek przedstawia rys. 5. Wartość
maksymalnej zarejestrowanej odchyłki pozycji dla osi Z
wyniosła 100 µm.
wania, 42 punkty pomiarowe
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 5
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 6
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 7
Zakres: 100 ÷ 250 mm
Prędkość: 40 mm/s
Czas trwania: 25 min
Pomiar dokładności pozycjonowania, 42 punkty pomiarowe
Zakres: 400 ÷ 600 mm
Prędkość: 80 mm/s
Czas trwania: 15 min
Pomiar dokładności pozycjonowania, 42 punkty pomiarowe
Zakres: 200 ÷ 350 mm
Prędkość: 80 mm/s
Czas trwania: 15 min
Pomiar dokładności pozycjonowania, 42 punkty pomiarowe
Rys. 5. Odchyłki pozycjonowania osi Z bez kompensacji.
3.3 ZAREJESTROWANE
TEMPERATURY – OŚ Z
Zastosowanie układu kompensacji odkształceń cieplnych
pozwoliło znacznie ograniczyć wpływ odkształceń cieplnych osi na dokładność pozycjonowania. W przeprowadzonych pomiarach maksymalną odchyłkę wynoszącą
ok. 100 µm zredukowano do wartości poniżej 10 µm.
Wykres odchyłek po kompensacji przedstawia rys. 6.
W czasie przeprowadzanych pomiarów maksymalna
zarejestrowana temperatura śruby osi Z (rys. 4) osiągnęła wartość 40°C w pobliżu ułożyskowań śruby tocznej
umiejscowionych po przeciwnej stronie niż silnik.
W obszarach ruchu nakrętki po śrubie tocznej odnotować można wyraźne maksima temperatury wynikające
z wnikania do śruby strumienia ciepła generowanego
przez elementy toczne poruszające się w nakrętce. Maksima te zmieniają swoje położenie wraz ze zmianą zakresów ruchu osi posuwu.
Rys. 6. Odchyłki pozycjonowania osi Z z kompensacją
3.5 PRZEBIEG POMIARÓW - OŚ X
Analogiczny cykl doświadczeń przeprowadzono także dla
osi X tokarki. Całkowita długość śruby tocznej osi X
wynosiła 910 mm. Zakres prędkości i zakresów ruchów
wykonywanych
podczas
pomiarów
przestawiono
w tabeli 2. Seria pomiarowa 0, została wykonana w celu
usunięcia wpływu błędów geometrii obrabiarki na wyniki
pomiarów.
Rys. 4. Temperatury zarejestrowane podczas badań przez
czujniki umieszczone w śrubie tocznej osi Z
3.4 ZAREJESTROWANE ODCHYŁKI
POZYCJONOWANIA – OŚ Z
Tabela 2. Przebieg czynności pomiarowych - oś X
Zakres ruchów wykonywanych przez oś Z wynosił ok.
650 mm. Całkowita długość śruby tocznej osi Z wynosiła
1510 mm. Odchyłki pozycjonowania rejestrowano
w każdej serii pomiarowej w 7 punktach pomiarowych
podczas 3 przejazdów w każdą stronę (42 punkty pomia-
148
Czynność
Opis
Seria pomiarowa 0
Pomiar dokładności pozycjonowania, 54 punkty pomiarowe
Seria pomiarowa 1
Pomiar dokładności pozycjonowa-
JACEK ZAPŁATA, MIROSŁAW PAJOR, KAMIL STATECZNY
nia, 54 punkty pomiarowe
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 2
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 3
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 4
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 5
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 6
Ruchy cykliczne
Seria pomiarowa 7
Zakres ruchów: 10 ÷ 80 mm
Prędkość: 40 mm/s
Czas trwania: 15 min
Pomiar dokładności pozycjonowania, 54 punkty pomiarowe
Zakres ruchów: 100 ÷ 200 mm
Prędkość: 40 mm/s
Czas trwania: 15 min
Pomiar dokładności pozycjonowania, 54 punkty pomiarowe
Zakres ruchów: 200 ÷ 290 mm
Prędkość: 40 mm/s
Czas trwania: 15 min
Rys. 7. Temperatury zarejestrowane podczas badań przez
czujniki umieszczone w śrubie tocznej osi X
Pomiar dokładności pozycjonowania, 54 punkty pomiarowe
3.7 ZAREJESTROWANE ODCHYŁKI
POZYCJONOWANIA – OŚ Z
Zakres ruchów: 10 ÷ 150 mm
Prędkość: 20 mm/s
Czas trwania: 10 min
Zakres ruchów wykonywanych przez oś X wynosił
ok. 300 mm. Odchyłki pozycjonowania rejestrowano w
każdej serii pomiarowej w 9 punktach pomiarowych, w 3
przejazdach w każdą stronę (54 punkty pomiarowe).
Rys. 8 przedstawia zarejestrowane odchyłki pozycjonowania dla osi X. Aby zapewnić czytelność tego rysunku,
przedstawiono na nim wyłącznie dane z pierwszego
przejazdu w każdej z serii. Maksymalna zarejestrowana
odchyłka pozycjonowania wynosiła ok. 35 µm. A maksymalna rozpiętość odchyłek wynosiła 45 µm.
Pomiar dokładności pozycjonowania, 54 punkty pomiarowe
Zakres ruchów: 150 ÷ 290 mm
Prędkość: 80 mm/s
Czas trwania: 10 min
Pomiar dokładności pozycjonowania, 54 punkty pomiarowe
Zakres ruchów: 10 ÷ 150 mm
Prędkość: 120 mm/s
Czas trwania: 10 min
Pomiar dokładności pozycjonowania, 54 punkty pomiarowe
3.6 ZAREJESTROWANE
TEMPERATURY – OŚ X
Na rys. 7 przedstawiono temperatury zarejestrowane w
czasie wykonywania pomiarów dokładności pozycjonowania dla osi X. Maksymalna zarejestrowana temperatura dla śruby tocznej tej osi osiągnęła wartość ok. 50°C w
pobliżu ułożyskowań śruby tocznej umiejscowionych po
przeciwnej stronie niż silnik.
Rys. 8. Odchyłki pozycjonowania osi X bez kompensacji
Odchyłki pozycjonowania po zastosowaniu układu
kompensacji odkształceń cieplnych przedstawia rys. 9.
Wprowadzenie kompensacji pozwoliło ograniczyć wpływ
odkształceń cieplnych osi na dokładność pozycjonowania
z poziomu ok. 35 µm do wartości poniżej 5 µm.
149
IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ(…)
procesem montażu. Zademonstrowano, iż użycie opracowanego układu kompensacji pozwoliło ograniczyć rozpiętość wartość odchyłek pozycjonowania wynikających
z odkształceń cieplnych dla osi Z z wartości ok. 100 µm
do poziomu ok. 18 µm, przy zakresie ruchu 650 mm. Zaś
dla osi X pozwoliło graniczyć wartość rozpiętości odchyłek pozycjonowania wynikających z odkształceń cieplnych z poziomu ok. 45 µm do poziomu ok. 7 µm, przy
zakresie ruchu 300 mm.
Wykazano doświadczalnie, że w przypadku osi posuwów
maszyn obróbczych rozkład temperatury śrub tocznych
wzdłuż ich osi może być daleki od jednolitego. Pokazano, że w zakresie ruchu nakrętki po śrubie może być
obserwowane lokalne maksimum rozkładu temperatury
wynikające z wnikania do śruby strumienia ciepła powstającego w wyniku tarcia elementów tocznych w
nakrętce.
Rys. 9. Odchyłki pozycjonowania osi X z kompensacją
4. WNIOSKI
W artykule zaprezentowano bezprzewodowy układ
kompensacji odkształceń cieplnych śrub pociągowych
obrabiarek CNC. Układ ten cechuje się wygodnym
Literatura
1.
Jin C., Wu B., Hu Y.: Temperature distribution and thermal error prediction of a CNC feed system under
varying operating conditions. „International Journal of Advanced Manufacturing Technology” 2016, Vol. 77, p.
1979–1992.
2.
Li Z., Fan K., Yang J., Zhang Y.: Time-varying positioning error modeling and compensation for ball screw
systems based on simulation and experimental analysis „International Journal of Advanced Manufacturing
Technology” 2014, Vol. 73, p. 773–782.
3.
Pajor M., Zapłata J.: Intelligent machine tool: a thermal diagnostic system for a CNC pretensioned ball screw.
„Solid State Phenomena” 2014, Vol. 220-221, p. 491 – 496.
4.
Pajor M., Zapłata J.: Supervising and compensation of thermal error of CNC feed ball screw. „Diagnostyka”
2013, Vol. 14, p. 37-42.
5.
Ramesh R., Mannan M.A., Poo A.N.: Error compensation in machine tools: a review. P.2. Thermal errors.
„International Journal of Machine Tools & Manufacture 2000, Vol. 40, p. 1257–1284.
6.
Shi H., Zhang D., Yang J., Ma C., Mei X., Gong G.: Experiment-based thermal error modeling method for dual
ball screw feed system of precision machine tool. „International Journal of Advanced Manufacturing Technology” 2016, Vol. 82, p. 1693–1705.
7.
Shi H., Ma C., Yang J., Zhao L., Mei X., Gong G.: Investigation into effect of thermal expansion on thermally
induced error of ball screw feed drive system of precision machine tools. „International Journal of Machine Tools
& Manufacture” 2015, Vol. 97, p. 60–71.
8.
Xu Z.Z., Choi C., Liang L.J., Li D.Y., Lyu S.K.: Study on a Novel Thermal Error Compensation System for
High-Precision Ball Screw Feed Drive (1std Report: Model, Calculation and Simulation). „International Journal
Of Precision Engineering And Manufacturing” 2015, Vol. 16, No. 10, p. 2139-2145
9.
Xu Z.Z., Liu X.J., Lyu S.K.: Study on Thermal Behavior Analysis of Nut/Shaft Air Cooling Ball Screw for
High-Precision Feed Drive. „International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing” 2014, Vol. 15,
No. 1, p. 123-128.
150
JACEK ZAPŁATA, MIROSŁAW PAJOR, KAMIL STATECZNY
10. Xu Z.Z., Liu X.J., Lyu S.K.: Study on Positioning Accuracy of Nut/Shaft Air Cooling Ball Screw for HighHigh
precision Feed Drive. „International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing” 2014,
2014 Vol. 15, No. 1,
p. 111-116.
11. Zapłata, J.: System kompensacji odkształceń cieplnych tocznych
tocznych śrub pociągowych obrabiarki sterowanej numenum
rycznie. Szczecin: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, 2014
Ten artykuł dostępny jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska.
Pewne prawa zastrzeżone na rzecz autorów.
Treść licencji jest dostępna na stronie http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl/
151