Vliv konfigurace obráběcího stroje na jeho prostorovou geometrickou přesnost

Transkript

1 Vliv konfigurace obráběcího stroje na jeho prostorovou geometrickou přesnost Ing Martin Morávek Vedoucí práce: oc Ing avel Bach CSc bstrakt Úkolem této práce je sestavit sstém výpočtových rovnic pro charakteriování prostorové geometrické přesnosti v celém pracovním prostoru obráběcího stroje dosažitelné s danými odchlkami polohování v osách, odchlkami přímostí v osách a rovinách a kolmostí mei osami vláštní poornost je věnována úhlovým odchlkám rovést vhodné analý a robor ískaných výsledků ráce předpokládá tříosý vertikální CNC fréovací stroj v nejpoužívanějších konfiguracích Klíčová slova řesnost, obráběcí stroj, polohování 1 Úvod Cílem této práce je sestavit výpočtový model pro stanovení prostorové geometrické přesnosti v celém objemu pracovního prostoru obráběcího stroje Konkrétně se aměřit na případ tříosého vertikálního CNC fréovacího stroje v nejčastěji užívaných konfiguracích uspořádání posuvových os Jako vstupní data použít geometrické odchlk polohování v osách, odchlk přímostí v osách a rovinách a kolmosti mei nimi vláště se aměřit na úhlové odchlk rovést vhodné analý a robor ískaných výsledků, na jejichž ákladě bude možné stanovit vliv geometrických chb na výslednou přesnost obráběcího stroje 2 Geometrické úchlk vsktující se na tříosém fréovacím stroji Lineární pohb každé strojní os je ovlivněn šesti geometrickými úchlkami, jež repreentují šest stupňů volnosti tělesa v prostoru [2] Například pro pohb os (Obr 1), jsou to následující chb: Úchlka poloh ve směru pohbu vertikální úchlka přímočarosti horiontální úchlka přímočarosti naklánění klopení natáčení ro případ frék se třemi lineárními říenými osami dostáváme ted celkem 18 geometrických chb ále je nutné připočítat ještě tři chb nekolmosti mei jednotlivými osami, ted: S, S a S [3]

2 Obr 1: Schéma chb při pohbu posuvové os 3 Volba konfigurací ráce se aměřuje na tříosý vertikální CNC fréovací stroj v nejčastěji užívaných konfiguracích uspořádání posuvových os nalováním portfolia tuemských, ale i ahraničních výrobců blo voleno pět nejhojněji se vsktujících konfigurací Jsou jimi F, F, F, F a F, vi Obr 2 Kde písmena před F načí posuvové os pohbující obrobkem a písmena a F načí posuvové os pohbující nástrojem Obr 2: Vbrané konfigurace tříosých vertikálních CNC fréovacích strojů, leva doprava F, F, F, F, F 4 Sestavení výpočtových vtahů Výpočet prostorové geometrické chb v celém objemu pracovního prostoru předpokládá užití geometrických chb projevujících se při pohbu strojních os a rosahů pojedů jednotlivých os jako vstupní data ro úspěšný výpočet prostorové geometrické chb je třeba vhodným působem popsat pohbovou strukturu stroje V drtivé většině případů se pro tento účel užívá popisu pomocí homogenních transformačních matic ískáme tak vektorovou rovnici o třech složkách respektujících směr souřadného sstému stroje, která obsahuje údaje o poloe os a geometrických chbách, jimiž je přesnost dosažení této poloh ovlivněna [4] Konkrétně je pro popis užita metoda odvoování rovnic preentovaná v [5] ředností této metod je, že v rovnicích jsou uvažován poue některé úhlové geometrické chb, které jsou pro konkrétní konfiguraci podstatné Odvoené rovnice pro pět vbraných konfigurací uvádějí vtah (1) až (5) Kde je vektor poloh bodu v pracovním prostoru stroje a jeho inde

3 načí příslušnou konfiguraci Složk, a onačují souřadnice poloh v osách, a F F F F (1) F F F F (2) F F F F (3) F F F F (5) 5 Robor výsledků ískaných výpočtového modelu, vliv úhlových odchlek Robor se aměřil na analování průběhů prostorové geometrické chb a jejích složek do směrů pohbových os obráběcího stroje růběh pro případ konfigurace F ukauje Obr 3 Je však třeba důranit, že výsledná geometrická chba ve směru jedné os je ovlivněna geometrickými chbami všech os, jež se na stroji vsktují ále bl proveden robor citlivosti stroje na měnu roměru nástroje a robor citlivosti stroje na měnu délk posuvu jedné jeho os Jako vstupní data bl do výpočtového modelu pro stanovení prostorové geometrické přesnosti použit hodnot tolerance geometrických chb uvedené v předávacím protokolu stroje VCN 410 Výsledk provedených roborů jsou hodnocen v ávěru F F F F (4)

4 Chba ve směru os [µm] rostorová geometrická chba [µm] růběh celkové geometrické chb do směru jednotlivých os pro konfiguraci F poloha os [] růběh prostorové geometrické chb v diagonále pro konfiguraci F oice v diagonále [] Obr 3: růběh prostorové geometrické chb a jejích složek do směrů os souřadného sstému pro případ konfigurace F 6 Vtvoření modelu prostorové geometrické přesnosti v celém objemu pracovního prostoru obráběcího stroje Tato část práce se aměřila na vtvoření modelu, který b náorňoval přesnost v celém objemu pracovního prostoru obráběcího stroje a vstupní hodnot bl užit opět tolerance uvedené v předávacím protokolu stroje VCN 410 a dále blo užito hodnot geometrických odchlek naměřených na tomto stroji dle platných norem, vi [6] Výsledek vpočtený naměřených hodnot je vkreslen na Obr 4 7 ávěr Výsledk provedených roborů objasnil jak mei sebou úhlové chb vájemně působí Které úhlové chb jsou pro danou konfiguraci rohodující a které podstatné nejsou Vužít toho le například při seřiování stroje, neboť při nalosti vájemného působení jednotlivých chb a jejich namének le odhadnout, jakým směrem se bude vvíjet výsledná prostorová geometrická chba ále je možné na ákladě ískaných výsledků doporučit která vbraných konfigurací nejlépe vhovuje danému tpu fréovací operace, případně která konfigurací je nejuniverálnější Roborem koumajícím citlivost konfigurací na měnu délk jedné posuvových os blo jištěno, že pro případ stroje, kd je pojed jedné os výraně delší, než pojed blých je nejvýhodnější uspořádání, kd dlouhá osa leží na rámu stroje a unáší ostatní os spolu s nástroje Stůl stroje je koncipován jako pevný nalýa citlivosti na měnu roměru nástroje ukáala, že největší chba působená nástrojem se odvíjí od jeho délk, průměr nástroje má na měnu chb malý vliv

5 Model, jež vkresluje prostorovou geometrickou přesnost v celém objemu pracovního prostoru stroje může sloužit jako vhodný nástroj pro vtvoření určité představ o průběhu chb v oblastech pracovního prostoru stroje, při nalosti hodnot geometrických odchlek Jako další možný vývoj v této oblasti výkumu se nabíí především rošířit výpočtový model o rotační os, což b umožňovalo modelování prostorové geometrické přesnosti víceosých fréovacích center, soustružnických a multifunkčních obráběcích strojů, ale i dalších tpů obráběcích strojů ále pak ahrnout do výpočtu teplotní a silové deformace nosné struktur stroje Obr 4: obraení prostorové geometrické přesnosti v celém objemu pracovního prostoru pro vbrané konfigurace Senam smbolů úhlová odchlka os s osou rotace, naklánění (ROLL) os m / m úhlová odchlka os s osou rotace, klopení (ITCH) os m / m úhlová odchlka os s osou rotace, natáčení (W) os m / m úhlová odchlka os s osou rotace, klopení (ITCH) os m / m úhlová odchlka os s osou rotace, naklánění (ROLL) os m / m

6 úhlová odchlka os s osou rotace, klopení (ITCH) os m / m úhlová odchlka os s osou rotace, natáčení (W) os m / m úhlová odchlka os s osou rotace, natáčení (W) os m / m úhlová odchlka os s osou rotace, naklánění (ROLL) os m / m CNC Computer Numerical Control, číslicové říení strojů odchlka poloh ve směru os m přímočarost pohbu os ve směru os m přímočarost pohbu os ve směru os m přímočarost pohbu os ve směru os m odchlka poloh ve směru os m přímočarost pohbu os ve směru os m přímočarost pohbu os ve směru os m přímočarost pohbu os ve směru os m odchlka poloh ve směru os m E rostorová geometrická chba VOL m F konfigurace obráběcího stroje se všemi posuvovými osami v F nástrojové větvi v pořadí,, směrem od rámu k nástroji konfigurace obráběcího stroje se všemi posuvovými osami v nástrojové větvi v pořadí,, směrem od rámu k nástroji vektor poloh v pracovním prostoru obráběcího stroje ovlivněné geometrickými odchlkami složka vektoru poloh nástroje ovlivněné geometrickými odchlkami pohbových os do směru os složka vektoru poloh nástroje ovlivněné geometrickými odchlkami pohbových os do směru os složka vektoru poloh nástroje ovlivněné geometrickými odchlkami pohbových os do směru os S kolmost mei osami a m / m S kolmost mei osami a m / m S kolmost mei osami a m / m souřadnice poloh pohbové os posuvová osa obráběcího stroje F F konfigurace obráběcího stroje s posuvovými osami a v nástrojové větvi v pořadí směrem od rámu k nástroji a osu v obrobkové větvi konfigurace obráběcího stroje s posuvovými osami a v nástrojové větvi v pořadí směrem od rámu k nástroji a osu v obrobkové větvi souřadnice poloh pohbové os posuvová osa obráběcího stroje F konfigurace obráběcího stroje s posuvovými osami a v obrobkové větvi v pořadí směrem od rámu k nástroji a osu v obrobkové větvi souřadnice poloh pohbové os posuvová osa obráběcího stroje

7 Senam použité literatur [1] SCHULTSCHIK, R: The Components of the Volumetric ccurac, CIR, 1977 [2] STEJSKL, V, VLÁŠEK, M: Kinematics and namics of Machiner, ekker, New ork, 1996 [3] MEKI, S: Introduction to recision Machine esign and Error ssessment, CRC ress, New ork, 2008 [4] WNG, C:Current Issue on 3 Volumetric ositioning ccurac: Measurement, Compensation and efinition, Optodne Inc, Rancho ominque, C 90220, US [5] JINGUO,, ONGQIN, R, LIOTTO, G, WNG, C: Theoretical derivations of 4 bod diagonal displacement errors in 4 machine configurations, Optodne Inc, Compton, California, US [6] ČSN ISO 230-1:1998, ásad koušek obráběcích strojů - Část 1: Geometrická přesnost strojů pracujících be atížení nebo a dokončovacích podmínek obrábění, ČSNI, 2003