3 lutego 2023

 

pomiary błędu pozycjonowania osi obrabiarek

Wymagania dotyczące złożoności i dokładności geometrycznej wszystkich rodzajów obrabianych części stają się coraz bardziej rygorystyczne. Utrzymanie wymaganych wąskich tolerancji jest problematyczne, zwłaszcza na dużych maszynach i podczas obróbki na obrabiarkach wieloosiowych. Im więcej osi sterowanych numerycznie ma obrabiarka, tym więcej jest źródeł błędów oraz tym trudniej jest spełnić rygorystyczne wymagania dla dokładności geometrycznej przedmiotów obrabianych. Wychodząc tym problemom naprzeciw, współczesne układy sterowania obrabiarek mają m.in. możliwości kompensowania własnych błędów kinematycznych w całej objętości obróbczej. Mówimy wówczas o numerycznej kompensacji błędu wolumetrycznego (volumetric error – VE). Dzięki takiej kompensacji punkt środkowy narzędzia (tool center point – TCP) znacznie poprawia dokładność pozycjonowania w odniesieniu do nominalnej ścieżki narzędzia (tool path – TP). W artykule omówiono aspekty pomiarów wolumetrycznych oraz implementacji ich wyników w sterownikach obrabiarek. Zaprezentowano także wyniki obrazujące poprawę dokładności pozycjonowania TCP typowej frezarki sterowanej numeryczne w trzech osiach, po zastosowaniu kompensacji błędu wolumetrycznego w jej układzie sterowania. Jako ciekawostkę, a nawet rozprawę z mitem istotności poziomowania obrabiarki ze względu na jej dokładność, pokazano wyniki pomiaru wolumetrycznego frezarki przed poziomowaniem i po poziomowaniu jej stołu.

Paweł Majda, Jakub Grabiec, Karol Miądlicki, Aleksandra Ogórska

Po wielu latach intensywnej pracy międzynarodowi eksperci z ISO TC 39 opublikowali raport techniczny ISO TR 16907 „Machine tools – numerical compensation of geometric errors”. Dokument ten definiuje terminologię, przedstawia korzyści i ograniczenia dotyczące numerycznej kompensacji błędów obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC) i maszyn pomiarowych (CMM). Daje to producentom maszyn i użytkownikom ważne informacje na temat zastosowania kompensacji numerycznej. ISO TR 16907 jest dokumentem przeznaczonym dla działów rozwoju i badań producentów maszyn, a także jest dobrą lekturą dla użytkowników obrabiarek. Daje bardzo wszechstronny przegląd zagadnień odnoszących się do badań dokładności przestrzennego pozycjonowania TCP względem TP.

Norma ISO 230-1 wymienia osiem istotnych rodzajów błędów dla osi liniowej (sześć błędów składowych i dwa istotne błędy pozycji) oraz jedenaście dla osi obrotowej (sześć błędów składowych i pięć istotnych błędów pozycji). Przeciwdziałanie takim błędom na poziomie mechanicznym wymaga niezwykłej staranności przy projektowaniu i przy montażu obrabiarki. Jednak nawet po najdokładniejszym montażu obrabiarki zawsze pozostanie tzw. błąd resztkowy, którego detekcja zależna jest jedynie od dokładności metody pomiaru. Jeśli nastąpił progres w rozwoju dokładności obrabiarek to był to efekt m.in. dopracowania na skalę komercyjną metod pomiaru i kompensowania błędów resztkowych obrabiarek zwanych dzisiaj wolumetryczną kompensacją – VE. Błędy wolumetryczne są szczególnie widoczne na maszynach pięcioosiowych i bardzo dużych maszynach. Historycznie w obrabiarkach CNC kompensowało się typowo błędy pozycjonowania dla osi liniowych i osi rotacyjnych, oraz błędy osiowych i rotacyjnych wartości zwrotnych (zwanych potocznie luzami). Obecnie producenci obrabiarek oferują ich użytkownikom (jako dodatkową opcję przy zakupie, tj. dodatkowy pomiar oraz dodatkową opcję zaimplementowaną w układzie sterowania) możliwość skompensowania VE. Pomiary przeprowadza się po montażu obrabiarki w siedzibie jej użytkownika. Prowadzi to do znacznej poprawy dokładności obrabiarki, czyniąc ją towarem tzw. podwójnego zastosowania. Producenci sterowników obrabiarek dostarczają opcje kompensacji błędów na różnym poziomie złożoności (jedno- i/lub dwukierunkowe, jednoosiowe, trójwymiarowe) i jak się okazuje mają też różne podejście do implementacji mapy VE. Najczęściej w sterowniku implementowane są algorytmy bazujące na standardowych modelach kinematyki bryły sztywnej. Opisowi podlegają ruchy brył o sześciu stopniach swobody oraz błędy pozycji i orientacji w układzie współrzędnych obrabiarki początków układu odniesienia osi liniowych i/lub środki obrotu osi obrotowych. Danymi wejściowymi do kompensowania są charakterystyki kinematycznych błędów (pozycjonowania, prostoliniowości, skoku, schodzenia z kursu i beczki; osobno lub jako błąd prostoliniowości kompensuje się także błąd wzajemnej prostopadłości osi) w funkcji aktualnie rozpatrywanego punktu nominalnej ścieżki narzędzia. Przez modyfikowanie w czasie rzeczywistym parametrów tych charakterystyk nawet błędy indukowane termicznie mogą być kompensowane  po ich wykryciu przez dodatkowe czujniki i PLC. Przykładowo firma FANUC dostarcza oprócz rozwiązań bazujących na modelach kinematyki bryły sztywnej także rozwiązanie na bazie równomiernie rozmieszczonych węzłów siatki elementów prostopadłościennych. Znane wartości (tj. wcześniej zmierzone) błędu VE w węzłach tej siatki są interpolowane dla dowolnej pozycji TCP wewnątrz przestrzeni obróbczej.

 

Cały artykuł dostępny jest w wydaniu 11/12 (182/183) Listopad/Grudzień 2022

pobierz pdf