Zjišťování přesnosti při víceosém řízení výrobního stroje FORNŮSEK, Tomáš 1, RYBÍN, Jaroslav 2 1 Ing, ČVUT-FS, Horská 3, Praha 2, 128 00, U 208.2 fornusek.t@volny.cz 2 Doc., Ing., CSc., Abstrakt: Rozbor vlivů na výrobní přesnost výrobního stroje, který bude proveden na testovacím kuse obrobeném na číslicově řízeném obráběcím centru. Porovnání testovacích kusů od různých výrobců. Rozbor návrhu testovacího kusu pro zjišťování přesnosti při tříosém řízení číslicového obráběcího centra NC frézky. Klíčová slova: testování, víceosé, CNC, řízení 1 Rozbor vlivů na přesnost výrobního stroje. Podkladem pro rozbor jednotlivých faktorů působících na přesnost práce NC obráběcích strojů je přehled hlavních chyb (viz diagram 1). K součtu všech těchto vlivů dochází při obrábění na NC stroji a toto působení se pak odráží v přesnosti zhotoveného obrobku. - NC program - přesnost zadání
při modelování v CAD systému, je nutno rozdělit modelovaná tělesa na primitiva, to znamená na základní tělesa, která jsou přesně daná v každém bodě jejich povrchu, a na tělesa, která jsou modelována pomocí různých interpolačních nebo aproximačních ploch nebo křivek. Tříosé číslicově řízené obráběcí centra v kombinaci s CAD/CAM systémem se převážně používají na výrobu zápustek pro výkovky nebo formy pro odlitky. - přesnost výpočtu CAM softwaru a post procesoru při použití výpočetní techniky, kdy počítače jsou standardně schopny počítat na osm desetinných míst je tato chyba zanedbatelná, a nemusíme ji brát v úvahu při zjišťování přesnosti obráběcího centra. - NC systém - vliv elektronické části Systému řízení polohy - Pravoúhlé systémy Tyto systémy umožňují vznik úchylky programované polohy ovládané části stroje tím, že dojde k jejímu přejezdu při dokončování posuvu a to zpožděním vypínacího signálu nebo setrvačností pohybujících se hmot. - Souvislé systémy Jednoznačně určený povrch při výrobě je přepočten v řídícím systému na ekvidistantní dráhu, ve které je zahrnut tvar a rozměr nástroje. Při skutečném obrábění tvarových obrobků však dochází k porušení ekvidistantnosti skutečné dráhy středu nástroje s drahou požadovanou, a tím k chybám na obrysech a tvarech obrobků. Hlavní příčinou těchto odchylek je časová prodleva mezi vyhodnocením, zpracováním a zadáním nových parametrů řídícímu systému. Všechny dráhy a plochy jsou u číslicově řízených strojů interpretovány pomocí interpolací, které nahrzují skutečný povrch. V současné době se používají tři interpolace : lineární, kruhová, spline. - Lineární interpolace: v přímých úsecích dráhy rovnoběžné se souřadnými osami stroje dochází pouze k posuvu jen v jedné ose, inkrementy se sčítají a dráha nástroje je vždy ekvidistantní k žádanému tvaru obrobku. Proto zde nedochází k chybám vlivem interpolace. K odchylkám od ekvidistanty, a tím k úchylkám od ideálního tvaru dochází až při přímkových drahách šikmo skloněných k souřadným osám (obr. 1). U lineárních interpolacích je největší odchylka od ideálního tvaru menší než základní jednotka odměřování. Další chyba vzniká, pokud budeme lineárním interpolátorem nahrazovat kruhový oblouk nebo obecnou křivku. Tyto křivky je lineární interpolátor schopen nahradit pouze n-úhelníkem. Obr. 1 Chyba při lineární interpolaci - Kruhová interpolace: u kruhové interpolace dochází také k odchylce skutečné dráhy nástroje od ideální kružnice. To je patrné z obrázku, na kterém je příklad realizace extrémně malé kružnice o poloměru 10 elementárních jednotek dráhy. Poloměrová chyba zde činí 1 až 2 jednotky dráhy (jednotky odměřování) bez ohledu na poloměr kružnice (obr. 2).
Obr. 2 Chyba při kruhové interpilaci - Spline interpolace: při spline interpolaci jsou tři body spojovány parabolou, jejíž tečna v druhém bodě je rovnoběžná se spojnicí prvních a třetího bodu. Ideální dráhu nástroje interpolátor prokládá lomenou dráhou sestavenou z elementárních přímkových úseků. Odchylka této skutečné dráhy středu nástroje od dráhy teoretické jsou menší, než je velikost elementárního kroku dráhy. - Vliv nestejného polohového zesílení pokud bude polohové zesílení v každé souřadné ose různé, dojde k deformaci obecné trajektorie. U šikmého profilu bude skutečný povrch ekvidistantou, u kružnice dojde k ovalitě a u obecné trajektorie dojde k deformaci podle poměru zesílení v jednotlivých souřadných osách. - vliv hystereze polohové smyčky vlivem hystereze systému není naprogramovaná poloha nastavena přesně (tj. necitlivostí systému řízení polohy) a je způsobena zejména: - třecími silami v pohonu a ve vodících plochách - vůlí v částech pohonu ležícího mimo regulační smyčku - necitlivost elementů polohového servopohonu - NC stroje - vliv strojní části SŘP chyby měřítek a odměřovacích zařízení: vlivem nedokonalého zhotovení měřítek (odměřovací hřebínek, selsyn, apod.) a dalších odměřovacích elementů (snímače) způsobuje rozdíly mezi programovanou polohou např. stolu a jeho skutečnou polohou. - ostatní vlivy stroje chyby v práci NC stroje způsobené vlastním strojem mají celou řadu příčin: - úchylky funkčních ploch stroje od ideální geometrické přesnosti odchylky referenčních ploch od ideálního tvaru, chyby v přesnosti posuvných pohybů od ideální přímočarosti, chyby přesnosti otáčivých pohybů (axiální a radiální házení) - deformace uzlů i rámů stroje vlivem poddajností a vůli vlivem gravitačních a řezných sil a pasivních odporů tepelné deformace a úchylky způsobené nedokonalou funkcí zpevňování zařízení. - Vlivy nástroje Řezný nástroj může přesnost číslicového řízeného stroje výrazně ovlivnit: - Úchylky od správného geometrického tvaru nástroje - Úchylky ve výchozí poloze nástroje (při upnutí) - Deformace nástroje působením řezných sil - Tepelné deformace - Opotřebení nástroje
- Vlivy obrobku Mezi vlivy obrobku výrazně působící na přesnost jeho opracování na NC stroji patří v prvé řadě deformace obrobku působením řezných sil a tepelné deformace. - Vliv upnutí Další podstatným vlivem na přesnost obrábění je upnutí obrobku na stole stroje. Skutečnosti, které ovlivňují přesnost jsou: - tuhost stolu, kterou můžeme eliminovat pokud upínáme přímo na desku stolu - tuhost šroubů upínání - rovinnost upínací plochy - čistota upínací plochy 2 Porovnání testovacích kusů od různých výrobců: Pro lepší orientaci v problému jsou uvedeny tři obrázky testovacích kusů, pro porovnání tvaru testovacího kusu. Při rozboru tvaru budeme drát ohled na rychlost výroby. ČSN ISO 10791-7 Tento testovací kus je dle normy, kterou náš Normalizační Institut převzal od ISO. Na tomto kuse jsou testovány tyto geometrické tolerance: - sklonu - kolmost - válcovitost - kruhovitost - přímost - rovnoběžnosti - souososti - umístění Obrázek testovacího kusu dle ČSN ISO 10791-7
Testovací kus NASA 979 Na tomto testovacím kuse se testuje: - sklonu - kruhovitost - kolmost - umístění - souososti ZPS Zlín Na testovacím kuse od ZPS Zlín se testuje: - kruhovitost - házení - kolmost - přímost - umístění - rovnoběžnosti - souměrnosti Obrázek testovacího kusu dle NASA 979
Obrázek testovacího kusu dle ZPS Zlín 3 Návrh vlastního testovacího kusu Při porovnání všech testovacích kusů a jejich jednotlivých částí jsem došel k tomuto závěru: Testovací kus by měl obsahovat tyto části: - vnější válcovitou plochu - vnitřní válcovitou plochu - hrany rovnoběžné se souřadným systémem - hrany pod úhlem od souřadného systému - otvory pro zjištění přesnosti polohování dále byl požadavek, aby testovací kus obsahoval tvarové plochy simulující zápustku. Návrh testovaných geometrických tolerancí: - kruhovitost - válcovitost - přímost - rovinnost - rovnoběžnost - souososti - umístění - kolmosti - sklonu
Obrázek navrženého testovacího kusu 4 Návrh technologického postupu výroby pro CNC Při návrhu technologického postupu vycházím z těchto podmínek: - řídící systém s ISO kódem - k výrobě jsou použity nástroje uvedené v technologickém postupu - použitý materiál testovaného kusu: 11 500.1 PLO 65x160-250 ČSN 42 5522 Technologický postup Název součásti: prototypový kus Řezné podmínky Číslo operace Popis práce Nástroj z v [m/min] n [ot/s] s z [mm] 1 Hrubovat Fréza 38 mm 3 25 200 0,12 2 Hrubovat zbytkové Fréza 18 mm 4 25 445 0,07 3 Hrubovat zbytkové Fréza 10 mm 4 25 800 0,04 4 Hrubovat zbytkové Fréza R5 mm 3 40 1270 0,03 5 Navrtat 40H7 a 14H7 Vrták 4 10 2 25 995 0,1* 6 Vrtat 40H7 a 14H7 Vrták 13,5 2 25 610 0,12* 7 Vrtat 40H7 Vrták 26 2 25 305 0,3* 8 Vrtat 40H7 Vrták 38 2 25 210 0,4* 9 Na čisto Fréza 18 mm 4 25 445 0,07 10 Na čisto zbytkové Fréza 10 mm 4 25 800 0,03 11 Na čisto zbytkové Fréza R5 mm 3 40 1270 0,03 12 Na čisto 14H7 Fréza 12 mm 4 25 1060 0,044 *[mm/ot] pro frézování na čisto je ponechán přídavek 1 mm
5 Vznik NC programu Postup tvorby programu pro MCFH 40 Cesta dat po interní síti U 208.2 Základem DNC-CNC komunikace, je přímé propojení místa pracoviště s CAD/CAM systémem, stroje, řízení skladu nástrojů a polotovarů pro přesun dat informací, po celém výrobním úseku, aby byly evidovány všechny nástroje, polotovary, obrobky, výrobky, atd. U
tohoto modelu výroby se využívá této sítě k přenosu dat od pracovní stanice, kde vzniká nový návrh modelu, přes pracovní stanici, kde se vytváří NC program až přímo ke stroji na kterém se výsledný obrobek zpracuje. Dále je možné tuto síť využít ke zpětné kontrole pracovních parametrů na stroji a ekonomickému vyhodnocení výroby jednotlivých kusů. V našich podmínkách jsem tento způsob využil pro návrh modelu, které bylo provedeno na stanicích Silicon Graphics v softwaru Pro-Engineer. Dalším krokem bylo vytvoření NC kódu pomocí Cimatronu, tento software pracuje na systému Windows. Některé části programu bylo nutno naprogramovat ručně, z důvodu úspory velikosti programu. Pro komunikaci mezi strojem a pracovní stanicí (nahrazení optického čtecího zařízení) se používá software vyvinutý k tomuto účelu. K přenosu dat mezi jednotlivými pracovními stanicemi se používá interní sít U 208.2, a server pracuje s OS Linux. Ke komunikaci mezi pracovní stanicí a serverem se používá FTP protokolu. 6 Návrh měření testovacího kusu Označení Typ plochy Zjišťovaná úchylka Plocha 1 rovinná plocha úchylka rovnoběžnosti Plocha 2 rovinná plocha úchylka rovinnosti Plocha 3 rovinná plocha úchylka rovnoběžnosti Plocha 4 rovinná plocha úchylka kolmosti Plocha 5 rovinná plocha základna B Plocha 6 rovinná plocha úchylka kolmosti Plocha 7 rovinná plocha úchylka sklonu Plocha 8 rovinná plocha úchylka sklonu Plocha 9 rovinná plocha úchylka kolmosti Plocha 10 vnitřní válcová plocha úchylka válcovitosti Plocha 11 rozteče děr úchylka umístění Plocha 12 rovinná plocha úchylka sklonu Plocha 13 vnější válcová plocha úchylka kruhovitosti Plocha 14 tvarová plocha úchylka tvaru plochy Plocha 15 tvarová plocha úchylka tvaru plochy Obrázek návrhu měřených ploch
7 Návrh testovacího kusu pro 5-ti osé obrábění U obrábění při použití pěti os se klade důraz především na obrábění meridiánem kuželového nástroje. Takto naprogramovat dráho je velice obtížné, a kontrola správnosti programování pouhým pročtení NC kódu nelze. Proto klademe důraz na tvorbu lopatky. Pro přesnější změření je použitá sinusová funkce jako neutrální osa a tloušťková funkce pro realističnost lopatky. 8 Závěr Obrázek testovacího pro pětiosé obrábění V době konání ASŘ jsme byli ve fázi ladění NC programu na dřevěném polotovaru. Z důvodu špatně zvolené technologie dokončovacích operací se projevily nedostatky na povrchu výrobku, a pro kvalitnější proměření a zjištění přesnosti obráběcího stroje je nutno zajistit co možná nejpřesnější obrobení. Pro testování přesnosti pětiosého řízení číslicově řízených strojů jsme zatím ve fázi návrhů testovaného kusu s ohledem na technologii výroby. 9 Literatura RYBÍN, J.: DNC komunikace. Sborník mezinárodní konference MATAR 96, Praha, červen/1996 ČSN ISO 10791-7. Podmínky zkoušek obráběcích center Část 7: Přesnost dokončováného zkušebního kusu. Praha : Český normalizační institut, 1999-06-01. 12 s. Informace pro zpracovatele příspěvku (nepublikují se): Použitý formát souboru s příspěvkem:asr_ostrava(microsoft Word 97) Údaje jednotlivých autorů pro zpracování autorského rejstříku: Pořadí Příjmení Jméno Název organizace a stát Email 1 FORNŮSEK Tomáš Czech Technical University of Prugue Czech republic 2 RYBÍN Jaroslav Czech Technical University of Prugue Czech republic Verze : první, Stav k: 14. 4. 2000, Autor: Tomáš Fornůsek Fornusek.t@volny.cz