Błędy obróbki są nierozerwalnie związane z rozwiązaniami konstrukcyjnymi i jakością wykonania obrabiarek CNC. Jednym z ważniejszych elementów konstrukcyjnych wielu centrów obróbkowych oraz obrabiarek specjalizowanych są stoły obrotowe. Charakterystyczne cechy ich pracy to duże masy wirujące lub obracane (samych stołów i elementów obrabianych) w różne pozycje, powodujące powstawanie znaczących zmiennych sił oddziałujących na konstrukcję i na zadawane pozycje pracy. Poza typowymi przyczynami błędów, takimi jak: niedokładne ustawienie, błędy przetworników pozycjonowania, błędy temperaturowe itd., siły te mogą być dodatkowymi przyczynami znacznych błędów obróbki. Potwierdzają to wykonywane przeze mnie badania obrabiarek ze stołami obrotowymi. W artykule opisałem metody diagnostyki błędów ustawienia, pozycjonowania i ruchu stołów obrotowych w obrabiarkach CNC, które pozwalają na znalezienie przyczyn powstających błędów obróbki, wynikających z niedokładnej pracy tych stołów.
Robert Jastrzębski
Uwarunkowania konstrukcyjne wyboru metod badań i ich dokładności
Rozwiązania konstrukcyjne stołów obrotowych obrabiarek są różnorodne, w zależności od konstrukcji obrabiarki, sposobów pracy i przeznaczenia (rysunki 1, 2, i 3 przedstawiają trzy różne rozwiązania stołów):
- stół obrotowy pracujący jak wirujące uchwyty przedmiotowe, także z możliwością pozycjonowania, stosowany np. w tokarkach karuzelowych (rysunek 1 przedstawia taki stół, jako wymienną paletę). Konstrukcja ta, poza masą wirująca wprowadza dodatkowe elementy mogące mieć wpływ na błędy obróbki – automatyczne mocowanie palety stołu do płyty podstawy stołu, konstrukcja napędu podstawy stołu (koła zębate, łańcuchy itd.).
Rys. 1 Stół obrotowy tokarki karuzelowej jako wymienna paleta
Problemy mogą pojawić się od ustawienia, luzów, poprawnych naciągów, sztywności układu, częstotliwości drgań własnych, niewyważenia.
- stoły obrotowe centrów obróbkowych pięcioosiowych, wmontowane w oś liniową (najczęściej X). Przykładowy taki stół przedstawia rysunek 2a, podczas realizacji pomiarów pozycjonowania kątowego.
Rys. 2a Pomiar dokładności pozycjonowania stołu centrum pięcioosiowego
Wymagania dokładności tego typu stołów w centrach obróbkowych pięcioosiowych, z racji zastosowania do obróbki przestrzennej, są najczęściej bardzo wysokie – pomiary należy wykonywać sprzętem najwyższej klasy, z aktualnym wzorcowaniem, oraz z dużą starannością. Jak widać z wykresu na rysunku 2b, osiągnięto stosunkowo bardzo wysoką dokładność pozycjonowania, na poziomie ±0,0002° kątowego (±0,5”), przy powtarzalności z trzech przejazdów z nawrotami ±0,4”.
Rys. 2b Wynik dokładności pozycjonowania stołu ±0,5 arcsec
Wynik pomiarów przy zastosowaniu mniej dokładnego sprzętu, może nam „zepsuć” możliwą do osiągnięcia dokładność, gdyż korekcje elektroniczne będą wtedy odnosić się nie do rzeczywistej możliwej do osiągnięcia dokładności pozycjonowania kątowego stołu, ale będą zależne od możliwości wyposażenia pomiarowego.
- stół obrotowo – uchylny (centrum obróbkowego pięcioosiowego)
Stół taki ma zespolone dwie osie obrotowe B i C (Rys. 3).
Rys. 3 Pomiar dokładności pozycjonowania osi uchylnej B stołu obrotowego centrum obróbkowego pięcioosiowego
Jak widać ze zdjęcia, przy tej konstrukcji maszyny sam sposób ustawienia się do pomiarów, przy wymaganej wysokiej dokładności i stabilności pomiarów, a przy tym odniesienia się do odpowiednich baz wymiarowych, wymaga pewnej praktyki i wyobraźni.
Przedstawiając tę konstrukcję stołu chciałbym opisać przykład diagnostyki błędów obróbki wynikający z błędu ustawienia stołu obrotowego. Użytkownik przedstawionej na rysunku 3 maszyny zamówił u mnie wykonanie pomiarów pozycjonowania osi obrotowych i skorygowania elektronicznego błędów kątowych. Błędy te stwierdził na podstawie błędów obróbki wykonywanego przedmiotu, gdzie obrabiano go symetrycznie, z dwóch stron (po obrocie o –90° i +90° od poziomu), a błąd niesymetrii wynosił ok. 0,2 mm. Obróbkę wykonywano na wysokości 200 mm nad powierzchnią stołu. Z moich pomiarów wyszło, że błąd ten, jeśliby wynikał z błędu obrotu od –90° do +90° nie powinien być większy niż 0,01 mm, więc nie tu był problem. Po obrocie stołu o 180°, aby trafić w ten sam punkt z drugiej strony przedmiotu trzeba było przesunąć dodatkowo wrzeciono o 400 mm wzdłuż osi X. W rzeczywistości błąd wynikał stąd, że w pozycji kątowej „0”, płaszczyzna bazowa stołu nie była równoległa do przesuwu prowadnic osi X. Prawdopodobnie ktoś źle ustawił „zero” osi uchylnej stołu. Na podstawie pomiarów wyeliminowałem błąd pozycjonowania kątowego osi uchylnej, jako przyczynę błędów obróbki, i to pozwoliło mi po analizie sposobu obróbki, znaleźć przyczynę prawdziwą.
Wytyczne wyboru metod badań stołów obrotowych
W metodach badań stosowanych do stołów obrotowych wyróżniłbym trzy kategorie metod badań i nie chodzi o kategorie lepsze lub gorsze – wymienione metody badań mają różne zastosowania i nie wszystkie stosuje się wprost do diagnostyki błędów obróbki, często tylko dla ustalenia własności lub spełnienia wymagań odbiorczych. Nie da się ich jednoznacznie porównać, gdyż każda daje unikatowe informacje, określające właściwości wpływające na wynikową dokładność pracy obrabiarki.
I. Metody „znormalizowane” z przepisów badań dokładności obrabiarek, które można zastosować do bezpośredniej diagnostyki w/w stołów obrotowych. Nie opisując dokładnie metodyk tych pomiarów, gdyż jest to dość szeroko omawiane w różnych publikacjach (podałem przykładowe w literaturze), przedstawię pokrótce co można wymienionymi metodami uzyskać:
- Badania dokładności i powtarzalności pozycjonowania kątowego osi obrotowych wg ISO 230-2. Metoda diagnozuje lub wyklucza błędy ustawienia pozycji zadanej, błędy metody ustalania/blokowania tej pozycji, powtarzalności, wartości zwrotnych, itp. Przy wysokich wymaganych dokładnościach dla centrów obróbkowych, jest jedną z podstawowych i niezbędnych do odbiorów i diagnostyki stołów,
- Badania geometrycznej dokładności ruchu wirującej osi (wg normy ISO 230-7). Metoda kojarzona najczęściej z diagnostyką wrzecion, jednak norma wskazuje zastosowania także do stołów obrotowych, Na rysunkach 4a i 4b pokazano przykład błędów osi tego samego stołu uchylno-obrotowego dla prędkości 5 i 200 obr/min.
Rys. 4a Błędy pozycji osi stołu dla n = 5 rpm
Rys. 4b Błędy pozycji osi dla n = 200 rpm
- Były to badania odbiorcze dokładności stołu. Dla prędkości 5 obr/min mamy praktycznie pomiar bicia w pokazanym kierunku Y, jednak z rozdzielczością i dokładnością, której nie uzyskamy na czujniku, nawet mikronowym (pokazałby zmianę 1 µm). Tu widzimy we współrzędnych biegunowych, w zależności od położenia kątowego (ze 185 punktów/obrót), zmiany położenia osi w ułamkach mikrometrów (pomiar czujnikami bezstykowymi o rozdzielczości ok. 0,01 µm względem wzorca kulowego o okrągłości lepszej niż 0,02 µm). Dla wyższych prędkości (od ok. 100 obr/min), układ wpada w znaczne drgania (z maksymalnymi przy 200 obr/min), powodujące wzrost chropowatości; należy „tylko” znaleźć przyczynę. Stół był nowy, więc łożyska absolutnie niezużyte, luzów nie ma, co potwierdza powtarzalność odchyłki nawet dla prędkości 200 obr/min. Przyczynę znalazłem wspierając się dodatkowo pomiarami dokładności pozycjonowania tej osi, które wskazały na znaczną niewspółosiowość przetwornika pozycji kątowej, względem osi ustalonej przez łożyskowanie. Metoda ta diagnozuje wiele błędów osi obrotowych od poprawności montażu łożysk, luzów, bicia uchwytów, częstości wzbudzania przemieszczeń drgań itd., do oznak zużycia czy uszkodzenia elementów łożysk. Na podstawie tej metodyki można prognozować uzyskiwaną owalność i chropowatość „toczonych” powierzchni dla zadanej prędkości obrotowej, na podstawie analizy wyznaczanego błędu synchronicznego i asynchronicznego [1, 4] i to dla różnych nastawianych prędkości obrotowych. Z praktyki widzę jej ogromną przydatność dla badań dynamiki ruchu stołów, ze względu na to, że w stołach wirują zwykle nieporównywalnie większe masy niż we wrzecionach narzędziowych i tu dokładność geometryczna wirującej osi jest praktycznie w każdym przypadku funkcją zadanych obrotów.
- Badanie odkształceń termicznych/dryftów temperaturowych (wg normy ISO 230-3). Przy dużych wirujących masach zespół łożysk stołów obrotowych może się znacznie nagrzewać, zmieniając pozycję obrabianego detalu względem narzędzia. Metoda badań wirujących osi pozwala, ze względu na zastosowanie czujników bezstykowych, wyznaczyć dryfty temperaturowe stołu wg podanej normy ISO-320-3. Najczęściej spotykam problem z unoszeniem stołu w płaszczyźnie prostopadłej do osi wirowania. Na rysunku 6 przedstawiono uzyskany wykres dryftu termicznego stołu w kierunku Z dla nastawy 180 obr/min w czasie 60 min (20,4 µm do góry). Jak widać z rysunku 5a, nie był to koniec „unoszenia się” stołu w górę, podczas nagrzewania.
Rys. 5a Dryft termiczny stołu – 1 h pracy
Rys. 5b Średnie obroty 180 rpm
II. Metody „wspomagające” bezpośrednią diagnostykę różnych właściwości obiektu badań, potwierdzających lub wykluczających pewne przypuszczenia, w diagnostyce uzupełniające metody znormalizowane. Można tu wymienić przykładowo:
- sprawdzanie geometrii i/lub ustawienia różnych elementów względem siebie,
- badania drgań, niewyważenia resztkowego,
- pomiar dokładności i równomierności prędkości nastawionego ruchu roboczego,
- pomiary sztywności statycznej, momentu utrzymującego pozycję.
Stosowane są najczęściej do badań prototypów nowych maszyn lub ich elementów [4], a w diagnostyce należy wybierać metody adekwatne do występującego problemu dokładności obróbki.
III. Metody „autorskie” różnych firm (np. R-test, 3D quickSET, axiSET), dedykowane najczęściej do sprawdzania maszyn pięcioosiowych, które w mniejszym lub większym stopniu analizują dokładność stołów obrotowych. Metody te wyznaczają różne parametry, głównie dla ustalenia parametrów orientacji przestrzennej stołów względem baz osi liniowych z wyznaczeniem rzeczywistego środka obrotu, i nie w pełni nadają się wprost do diagnostyki przyczyn błędów obróbki wynikających z ruchu stołów obrotowych, natomiast ogólnie dość prosto i szybko pokazują błędy orientacji przestrzennej, które częściowo można skorygować elektronicznie, uzyskując poprawę dokładności.
Rys. 6 Układ badania błędów wirującej osi stołu tokarki karuzelowej – pięć czujników
Przydatne są do bieżącej kontroli stanu maszyny pięcioosiowej przez jej użytkownika. Dużo jest na ten temat dostępnych opublikowanych materiałów. Metody te, tam gdzie mogą być zastosowane, wspomagają podstawową diagnostykę opisaną w artykule.
Podsumowanie
Należy zaznaczyć, że wymienione metody badań i diagnostyki na tyle są przydatne, na ile przekładają się na przewidywaną dokładność obróbki lub są pomocne w rozwiązywaniu powstających problemów i oceny stanu maszyn. W konsekwencji, na podstawie uzyskanych wyników powstaje możliwość usunięcia lub ograniczenia powstających błędów obróbki, poprzez korekcje elektroniczne pozycjonowania, poprawę ustawień orientacji przestrzennej osi obrotowych względem baz osi liniowych, poprawę błędów kinematycznych ruchu poprzez zmiany parametrów obróbki, regulacje, itd. Należy „tylko” poprawnie zdiagnozować przyczyny obserwowanych problemów.
O ile metody badań dokładności pozycjonowania, także osi obrotowych, są dość powszechnie znane, choć nie zawsze poprawnie stosowane [5], ze względu na dużo czynników wpływających na pomiar (przy wymaganej bardzo wysokiej dokładności), to omówiona metoda badania błędów wirujących osi, mimo że znajduje się w przepisach badań obrabiarek i ma według mnie największą z wymienionych metod przydatność diagnostyczną (a już szczególnie do stołów obrotowych), nie jest praktycznie znana przez użytkowników obrabiarek, i w związku z tym jest rzadko stosowana. Z drugiej strony, metoda ta jest niełatwa w użytkowaniu, a wyposażenie pomiarowe, ze względu na swą unikatową dokładność – drogie, co też może być barierą do jej stosowania.
Robert Jastrzębski
SciLab Measurements
Literatura:
[1] R. Jastrzebski, G. Krajewski G.: Metody diagnostyki błędów precyzyjnych stołów obrotowych w obrabiarkach CNC, XIV Krajowa i V Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna “Metrologia w Technikach Wytwarzania”, 2011
[2] K. Jemielniak: Analiza błędnych ruchów wrzecion szybkoobrotowych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska, 2004, Vol. 24, Nr 2
[3] P. Majda, R. Jastrzębski: Wyniki porównawczych badań międzylaboratoryjnych, na przykładzie pomiarów dokładności i powtarzalności pozycjonowania liniowych osi frezarki sterowanej numerycznie, Przegląd Mechaniczny, 11/2011
[4] R. Jastrzębski: Jak diagnozować przyczyny błędów obróbki CNC cz. 1, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, 7/8 2014
[5] R. Jastrzębski R: Pozycjonowanie obrabiarek CNC. Błędy wprowadzania korekcji, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, 7/8 2015
artykuł pochodzi z wydania 6 (141) czerwiec 2019
